BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
------------

BÁO CÁO MÔN HỌC
MÔN: HÓA HỌC XANH

Sản xuất ethanol sinh học:
Nguyên liệu và công nghệ hiện tại

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

TS. Nguyễn Thị Bích Thuyền

Nguyễn Trương Thúy An
MSHV M3817001

Tháng 05/2019
1


Ethanol sinh họ
MỤC LỤC

2


Ethanol sinh họ

DANH MỤC HÌNH

3


Ethanol sinh họ

MỞ ĐẦU
Ethanol (CH3CH2OH) là nhiên liệu sinh học có cồn phổ biến nhất hiện có trên thị
trường thế giới hiện nay. Henry Ford đã sử dụng thuật ngữ ‘‘nhiên liệu của thùng rượu
tương lai cho ethanol. Có một số lý do để sử dụng làm nhiên liệu thay thế như (i) nó được
sản xuất từ các sản phẩm nông nghiệp tái tạo như ngô, đường, đường mía bao gồm các
sản phẩm khác thay vì các sản phẩm dầu mỏ không thể tái tạo, (ii) nó ít độc hơn các nhiên
liệu có cồn khác và (iii) các sản phẩm phụ của quá trình oxy hóa không hoàn toàn ethanol
(ví dụ axit axetic và acetaldehyd) ít độc hơn các sản phẩm phụ được hình thành từ các
rượu nhiên liệu khác.
Tổng sản lượng ethanol trên toàn thế giới trong năm 2009-2010 là gần 100 tỷ lít.
Tiêu thụ ethanol trên thế giới là 68% cho nhiên liệu, 21% cho công nghiệp và 11% cho
mục đích uống được [2]. Nó được sử dụng để thay thế một phần xăng để tạo ra hỗn hợp
xăng-ethanol, E15 (15% ethanol và 85% xăng) và E85 (85% ethanol và 15% xăng).
Bioethanol là nhiên liệu sinh học lỏng, có thể được sản xuất từ một số nguyên liệu sinh
khối và công nghệ chuyển đổi khác nhau. Nguyên liệu được sử dụng để sản xuất ethanol
nhiên liệu chủ yếu là mía ở các khu vực nhiệt đới như Ấn Độ, Brazil và Colombia, trong
khi đó chủ yếu là ngô ở các khu vực khác như Hoa Kỳ, Liên minh Châu Âu và Trung
Quốc [3]. Sản xuất ethanol từ cây trồng như mía và củ cải đường chiếm khoảng 40% tổng
lượng ethanol sinh học được sản xuất và gần 60% tương ứng với cây trồng tinh bột [4].
Do nhu cầu về ethanol ngày càng tăng trong vài năm qua và do thiếu đường mía và ngô,
giá ethanol đang tăng lên từng ngày. Ngoài ra do sự gia tăng nhu cầu của nó như là một
nguồn thực phẩm và giá cả tăng cao, tính khả dụng và khả thi của việc sử dụng ngô làm

nguyên liệu đang bị đe dọa. Việc tiếp tục mở rộng sản xuất ethanol từ nhiều nguyên liệu
thô này, do đó gây ra tranh luận về thực phẩm/thức ăn so với nhiên liệu, hạn chế việc sử
dụng nguồn dự trữ thức ăn thế hệ đầu tiên để sản xuất ethanol. Do đó, để sản xuất ethanol
cấp nhiên liệu bền vững, nên sử dụng nguyên liệu phi thực phẩm. Có một nhu cầu cấp
thiết để phát triển ethanol sinh học thế hệ thứ hai [5].

4


Ethanol sinh họ
Nhiên liệu thế hệ thứ hai nói chung là những nhiên liệu được tạo ra từ sinh khối
lignocellulose (LC) không thể ăn được, hoặc là dư lượng của quản lý rừng hoặc sản xuất
cây lương thực (ví dụ thân ngô hoặc trấu) hoặc sinh khối toàn cây (ví dụ như cỏ hoặc cây
được trồng đặc biệt cho mục đích nhiên liệu sinh học). Sinh khối LC, còn được gọi là sinh
khối xenlulo, là một vật liệu tổng hợp phức tạp bao gồm chủ yếu là cellulose,
hemiaellulose và lignin liên kết với nhau trong thành tế bào thực vật. Sinh khối
Lignocellulose này như dư lượng nông nghiệp (ví dụ, thân cây ngô, lúa mì và lúa mạch),
sản phẩm phụ chế biến nông sản (ví dụ, sợi ngô, bã mía, bánh hạt, vv), sinh khối gỗ (gỗ
cứng và gỗ mềm) (ví dụ, cỏ chuyển, cây dương, banagrass, miscanthus, v.v.) không cạnh
tranh với thực phẩm và thức ăn, và được coi là nguyên liệu tái tạo để sản xuất ethanol [6].
Đề tài này xem xét những gì hiện được biết đến liên quan đến nguyên liệu khác
nhau và các công nghệ được sử dụng trong sản xuất ethanol sinh học đối với công nghệ
chuyển đổi tổng thể của nó. Đề tài này cũng cung cấp một bản tóm tắt ngắn gọn về những
thách thức và rào cản hiện tại can thiệp vào từng con đường ethanol dựa trên cơ chất và
nhấn mạnh vào các vấn đề tiềm ẩn thách thức chuyển đổi công nghệ sinh học và thực hiện
quy trình sản xuất ethanol sinh học.

5



Ethanol sinh họ
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC
Quá trình sản xuất ethanol phụ thuộc vào nguyên liệu thô được sử dụng. Sản xuất
ethanol thường được thực hiện theo ba bước chính: (1) để thu được dung dịch chứa
đường có thể lên men, (2) chuyển hóa đường thành ethanol bằng cách lên men và (3) tách
và tinh chế ethanol, thường bằng cách chưng cất khử nước. Quá trình lên men có thể sử
dụng bất kỳ vật liệu có chứa đường để sản xuất ethanol (Hình 1) [7].
Dựa trên hình 1, một hoặc nhiều bước có thể được kết hợp tùy thuộc vào nguyên
liệu và công nghệ chuyển đổi. Khi sinh khối đến nhà máy ethanol, nó được lưu trữ trong
một nhà kho nơi nó được điều chỉnh ở nhiệt độ thích hợp để ngăn chặn quá trình lên men
sớm và ô nhiễm vi khuẩn. Thông qua quá trình tiền xử lý, carbohydrate được chiết xuất
hoặc dễ tiếp cận hơn với việc chiết xuất thêm. Trong bước này, lượng đường có sẵn phụ
thuộc vào sinh khối và tiền xử lý được sử dụng. Một phần lớn sợi có thể vẫn còn để
chuyển thành đường đơn thông qua các phản ứng thủy phân hoặc các kỹ thuật khác. Các
chất thủy phân, men, chất dinh dưỡng và các thành phần khác được thêm vào quá trình
lên men khi bắt đầu hoạt động của mẻ. Trong quy trình xử lý theo lô, một hoặc nhiều đầu
vào được thêm vào khi quá trình lên men. Các quá trình liên tục trong đó các nguyên liệu
liên tục được nhập vào và các sản phẩm được loại bỏ khỏi các thùng lên men cũng được
sử dụng. Trong các quy trình hiệu quả, mật độ tế bào có thể được tăng cao bằng cách tái
chế hoặc cố định men để cải thiện hoạt động của chúng và tăng năng suất lên men [8].
Các phản ứng lên men xảy ra ở nhiệt độ từ 25ºC đến 30ºC và nó kéo dài trong khoảng từ
6 giờ đến 72 giờ tùy thuộc vào thành phần của dịch thủy phân, mật độ tế bào, hoạt động
sinh lý và các loài nấm men. Nước dùng thường chứa 8-14% ethanol trên cơ sở khối
lượng. Trên nồng độ sau này, sự ức chế men có thể xảy ra làm giảm hoạt động của chúng.
Bước chưng cất thu được hỗn hợp azeotropic được tạo thành từ 95,5% cồn và 4,5% nước
là ethanol ''hydrous'' hoặc ''hydrated'' sau đó được khử nước để thu được ethanol ''khan''
chứa tới 99,6% rượu và 0,4% nước. Dòng chảy còn lại từ cột chưng cất, được gọi là nước
thải lỏng hoặc bã có thể bị bay hơi để sản xuất các đồng sản phẩm, có thể bao gồm hơi
nước và điện, sản phẩm cho động vật ăn, thức ăn có nồng độ vừa phải dùng làm phân bón
và các sản phẩm phụ có giá trị khác [9].

6


Ethanol sinh họ

Hình 1- 1 Sơ đồ biểu diễn sản xuất ethanol từ đường mía, ngô và sinh khối xenlulo.
Tất cả đều có hoạt động phục hồi lên men và ethanol tương tự nhưng sử dụng các
phương pháp khác nhau để giải phóng đường và tạo ra các sản phẩm khác nhau.
Đường có thể được chiết xuất trực tiếp từ mía, và bã mía còn lại được sử dụng làm
nhiên liệu lò hơi để cung cấp nhiều năng lượng cho hoạt động khai thác và sản xuất
ethanol và phục hồi. Trong máy nghiền ngô, ngô được nghiền, và enzyme và nhiệt được
thêm vào để thủy phân tinh bột thành đường để chuyển đổi thành ethanol, trong khi
dầu, protein và chất xơ trong ngô được thu hồi sau khi lên men dưới dạng thức ăn chăn
nuôi được gọi là DDGS. Các nhà máy ướt trước tiên phân tách ngô để tách dầu ngô,
bột ngô (CGM) và thức ăn gluten ngô (CGF) để thu được giá trị thực phẩm và thức ăn
chăn nuôi, sau đó tinh bột có thể được thủy phân thành đường để lên men ethanol. Đối
với sinh khối xenlulo, nhiệt và axit hoặc enzyme thủy phân các phần hemiaellulose và
cellulose để giải phóng các loại đường có thể được lên men thành ethanol, và lignin và
các phần còn lại khác có thể được đốt cháy để cung cấp toàn bộ nhiệt và điện cho bước
chuyển đổi với điện dư còn lại để xuất [8].

7


Ethanol sinh họ
CHƯƠNG 2: SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ NHIỀU
NGUỒN KHÁC NHAU
Bioethanol thường được sản xuất từ các nguyên liệu nông nghiệp có chứa đường.
Vật liệu này có thể được phân loại là vật liệu thế hệ thứ nhất (bao gồm đường và tinh bột)
và vật liệu thế hệ thứ hai (bao gồm đường lignocellulose). Đường (ví dụ, từ mía, đường

mía, củ cải đường và trái cây) có thể được lên men trực tiếp bằng cách sử dụng men để
sản xuất ethanol. Cần lưu ý rằng nếu các nguyên liệu đường như đường mía và cây mía
được sử dụng để lên men, thì các quá trình như xay xát, tiền xử lý, thủy phân và khử độc
là không cần thiết. Để sản xuất đường lên men từ các nguyên liệu tinh bột, các quy trình
như xay xát, hóa lỏng và đường hóa được sử dụng; nhưng trong trường hợp vật liệu
lignocellulose, cần phải nghiền, tiền xử lý và thủy phân. Hơn nữa, một bước khử độc
không phải luôn luôn được xem xét, trừ khi một chất nền độc hại được đưa đến các lò
phản ứng sinh học. Bước trước các quá trình lên men để thu được đường lên men, là sự
khác biệt chính giữa các quy trình sản xuất ethanol từ đường đơn giản, tinh bột hoặc vật
liệu lignocellulose (Hình 1) [4].
2.1. Sản xuất ethanol sử dụng nguyên liệu dựa trên đường sucrose

Hình 2- 1 Các quy trình chính để sản xuất ethanol sinh học từ cây mía [11].
8


Ethanol sinh họ
Mía, củ cải đường và lúa miến ngọt là những cây trồng đường được sử dụng làm
nguyên liệu cho sản xuất ethanol. Ưu điểm chính của chúng là năng suất đường cao trên
mỗi mẫu Anh và chi phí chuyển đổi thấp. Nhược điểm chính của việc sử dụng các loại cây
trồng này là sẵn có theo mùa tự nhiên. Vì các sợi trong thân và lá (bã mía) được sử dụng để
tạo ra hơi nước và điện cho nhà máy sinh học, đặc biệt là mía trở thành một nguồn nhiên
liệu sinh học hiệu quả. Ngoài ra, nước thải lỏng (vinasse) được sử dụng làm phân bón và
tưới tiêu cho các cánh đồng mía, do đó loại bỏ chi phí cho xử lý nước thải [10].
Mía phải được xử lý trong khoảng thời gian 24-72 giờ sau khi thu hoạch. Đường
được chiết xuất đầu tiên bằng cách nghiền nát thân cây bằng các con lăn chuyên dụng để
giải phóng nước ép (Hình 2-1). Vôi (canxi hydroxit) sau đó được thêm vào để kết tủa
chất xơ và bùn, và hỗn hợp này sau đó được lọc. Dung dịch lọc được làm bay hơi để cô
đặc và kết tinh đường, trước khi loại bỏ nó bằng cách ly tâm. Đường không kết tinh và
muối đi kèm được cô đặc để tạo thành xi-rô gọi là ‘đường mía (BSM)’ được sử dụng làm

nguyên liệu thô, sau đó được chuyển thành ethanol [10]. Sau khi chiết, khác với loại nhà
máy chưng cất (chỉ sản xuất ethanol, hoặc ethanol và đường), hàm lượng đường phải
được điều chỉnh trong phạm vi 14-18% để đạt được hiệu quả lên men tối ưu của nấm men
Saccharomyces cerevisiae, vi sinh vật được sử dụng phổ biến nhất ở nhiệt độ khoảng 3335ºC và mật độ tế bào 8-17% (v/v). Hệ thống tái chế tế bào được sử dụng trong đó nấm
men thường được cô đặc và tách khỏi nước thải lên men, rửa bằng axit sulfuric để giảm ô
nhiễm vi khuẩn và tái chế thành các chất lên men, dẫn đến mật độ tế bào cao rút ngắn quá
trình lên men xuống 6 nhiệt độ ở nhiệt độ khoảng 33ºC-35ºC với năng suất ethanol tế bào
cao [8]. Quá trình lên men bị gián đoạn ở nồng độ khoảng 10% (v/v) ethanol: sau đó, hỗn
hợp được gửi đến giai đoạn chưng cất và chỉnh lưu, sản phẩm này là dung dịch azeotropic
của 95% (v/v) ethanol. Nồng độ cao hơn nữa đối với ethanol tuyệt đối (ethanol cao cấp
hoặc ethanol khan) cuối cùng cũng đạt được bằng sàng phân tử hoặc chưng cất sử dụng
benzen hoặc cyclohexane (chưng cất azeotropic) [11].
Củ cải đường đại diện cho một nguồn đường chính ở châu Âu và Bắc Mỹ, và được
sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học ở Pháp. Củ cải đường tạo ra năng suất tốt (25-50
tấn/mẫu) và phát triển trong khí hậu ôn đới với lượng mưa thấp hơn mức cần thiết cho
9


Ethanol sinh họ
cây mía. Trung bình, sản lượng ethanol là 25 gallon mỗi tấn củ cải đường; tuy nhiên, sản
xuất ethanol từ củ cải đường đòi hỏi đầu vào hóa học và năng lượng lớn hơn và do đó tốn
kém hơn so với quy trình sử dụng mía [10].
Các giống lúa miến ngọt rất ít về số lượng và không được trồng rộng rãi, mặc dù
một số loại có hàm lượng sucrose đáng kể (500 gallon xi-rô mỗi ha). Trong lúa miến
ngọt, đường được lưu trữ trong thân chính và được thu hồi bằng cách ép cuống bằng con
lăn (tương tự như quy trình được sử dụng cho mía). Năng suất, trung bình, là 20 gallon
ethanol mỗi tấn thân cây. Trung Quốc hiện đang tìm cách chuyển đổi từ ngô sang lúa
miến ngọt làm nguyên liệu sản xuất ethanol, vì lúa miến chịu hạn tốt hơn và có thể phát
triển ở các khu vực khô cằn của Trung Quốc, nơi ngô không hoạt động tốt. Một lợi ích
nữa là nông dân có thể sử dụng hạt lúa miến, vì ethanol được sản xuất từ nước ngọt trong

thân cây [10].
Người ta thường chấp nhận rằng lên men rượu từ đường sucrose chứa nguyên liệu
là một quá trình nổi tiếng và thành thạo. Có sự gia tăng năng suất chung của ngành công
nghiệp ethanol nhiên liệu Brazil do một số cải tiến nông nghiệp, bao gồm lựa chọn các
giống mía mới với lượng sinh khối mía tăng lên trên mỗi ha. Mặc dù tổng lượng đường
trên mỗi tấn mía cũng tăng đáng kể trong những năm đầu, nhưng trong 15 năm qua, nó
dường như đã đạt đến một cao nguyên khoảng 140 kg đường mỗi tấn mía. Do đó, cần
phải cải thiện sản xuất và tích lũy sucrose của nhà máy mía đường, một tính năng đang
được nghiên cứu hiện nay ở Brazil [12]. Nồng độ ethanol cao, nhiệt độ cao, thẩm thấu
mạnh do đường và muối, axit, sulfite và vi khuẩn là những điều kiện bắt buộc được công
nhận bởi nấm men trong quá trình công nghiệp, một số trong chúng hoạt động hiệp đồng
và đặc biệt là tái chế tế bào. Rất khó để hiểu làm thế nào các tế bào nấm men phản ứng
với các điều kiện căng thẳng của quá trình lên men công nghiệp mà không tái tạo chính
xác các điều kiện này [13]. Những thách thức chính của sản xuất ethanol sinh học từ
nguyên liệu chứa sucrose là: (a) Giới thiệu nguyên liệu mới, (b) sản xuất ethanol sinh học
thế hệ thứ hai từ bã mía, (c) lựa chọn các chủng nấm men mới thích nghi hơn với điều
kiện lên men công nghiệp, (d) ô nhiễm vi khuẩn và nấm men trong quá trình lên men với
tái chế tế bào và (e) giảm thể tích vinasse (nước thải lỏng). Những thách thức trong việc
10


Ethanol sinh họ
sử dụng lúa miến ngọt làm nguyên liệu bao gồm việc nhân giống lúa miến mới, kỹ thuật
trồng, thời gian thu hoạch (đặc biệt là trong mùa mưa), nghiền và lên men, cũng như
giảm các hợp chất ảnh hưởng đến các quá trình công nghiệp như axit aconitic, phenolic
các hợp chất và tinh bột [14].
2.2. Sản xuất ethanol sinh học sử dụng nguyên liệu dựa trên tinh bột
Các loại ngũ cốc (ngô, lúa mì hoặc lúa mạch) chủ yếu cung cấp tinh bột. Ví dụ,
ngô chứa 60-70% tinh bột. Tinh bột được lưu trữ trong các loại ngũ cốc được tạo thành từ
các chuỗi dài của các đơn vị glucose, chứa 1000 đơn vị hoặc nhiều hơn trên mỗi cấu trúc

amyloza và 1000 – 6000 đơn vị hoặc nhiều monome trên mỗi cấu trúc amylopectin. Để
sản xuất ethanol từ tinh bột, cần phải phá vỡ chuỗi carbohydrate này để thu được xi-rô
glucose, có thể được chuyển đổi thành ethanol bằng men. Loại nguyên liệu này được sử
dụng nhiều nhất để sản xuất ethanol ở Bắc Mỹ và Châu Âu. Ngô và lúa mì chủ yếu được
sử dụng với mục đích sản xuất ethanol. Ở các nước nhiệt đới, các loại cây trồng có tinh
bột khác như củ (ví dụ sắn) có thể được sử dụng để sản xuất ethanol nhiên liệu [15].
Trong tinh bột, các polyme của glucose bị phá vỡ thành glucose thông qua phản ứng thủy
phân được xúc tác bởi enzyme gluco-amylase. Đường thu được gọi là dextrose hoặc Dglucose là một đồng phân của glucose. Quá trình thủy phân enzyme sau đó được lên men,
chưng cất và khử nước để thu được etanol khan [16].
Có hai phương pháp riêng biệt để chế biến ngô, xay ướt và xay khô, và mỗi
phương pháp tạo ra các sản phẩm đồng độc đáo. Các nhà máy khô thường có kích thước
(công suất) nhỏ hơn và được xây dựng chủ yếu để chỉ sản xuất ethanol. Các cơ sở nghiền
ướt được gọi là nhà máy lọc ngô, cũng sản xuất một danh sách các đồng sản phẩm có giá
trị cao như xi-rô ngô fructose cao (HFCS), dextrose và xi-rô glucose. Cả hai hoạt động
xay xát ướt và khô đều chuyển đổi ngô thành ethanol [17].
2.2.1. Quy trình xay xát ngô
Quá trình xay xát ngô được thực hiện trong năm bước: (i) xử lý sinh khối (xay xát),
(ii) hóa lỏng, (iii) thủy phân (đường hóa), (iv) lên men và (v) chưng cất và thu hồi. Trong
quá trình nghiền khô, các hạt ngô được đưa qua các máy nghiền búa để nghiền thành các
hạt mịn. Quá trình này tạo điều kiện cho sự xâm nhập của nước và enzyme trong các bước
11


Ethanol sinh họ
tiếp theo [10]. Trong một quy trình nghiền khô thông thường, các hạt được nghiền thành
bột và đun nóng với nước ở 85ºC. Trong khi vẫn còn nóng, bột enzyme alphaamylase được
thêm vào và hỗn hợp này được làm nóng ở 110-150ºC trong một giờ. Điều này gây ra sự
hóa lỏng của tinh bột và làm giảm mức độ của vi khuẩn. Nó lại nguội đến 85ºC và được
giữ ở nhiệt độ này trong 1 giờ sau khi thêm với số lượng enzyme alpha-amylase nhiều hơn.
Nó được làm lạnh đến nhiệt độ phòng và các enzyme gluco-amylase được thêm vào để

đảm bảo chuyển đổi tinh bột ngô thành dextrose. Do đó, quá trình tổng thể được xúc tác
bởi quá trình thủy phân enzyme [8]. Trong hầu hết các nhà máy xay xát khô, các enzyme
gluco-amylase được thêm trực tiếp vào thiết bị lên men bằng cách sử dụng quá trình sacar
hóa và lên men đồng thời (SSF). Quá trình này làm giảm chi phí yêu cầu của các tàu hóa
đường và giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm (Hình 2-2) [10].

Hình 2- 2 Sơ đồ quy trình nghiền ngô khô.
Trong quá trình lên men, nấm men chuyển glucose thành ethanol và carbon
dioxide. Quá trình lên men có thể được vận hành theo đợt cho đến khi quá trình hoàn
thành trong vòng 48 giờ hoặc có thể được vận hành liên tục với việc bổ sung đường liên
12


Ethanol sinh họ
tục và lấy ra nước dùng lên men được gọi là bia. Thông thường, để hoàn thành quá trình
lên men, phải mất khoảng 40-50 giờ. Trong quá trình lên men, hỗn hợp được khuấy trộn
liên tục để phân phối men đồng đều và giữ cho nó mát và có hoạt tính cao. Sau khi lên
men, bia thu được được chuyển đến các cột chưng cất nơi ethanol được tách ra khỏi phần
còn lại [18]. Ảnh tĩnh chứa protein, dầu và chất xơ còn lại được sấy khô thành sản phẩm
protein 27% được gọi là chưng cất hạt khô với chất hòa tan (DDGS) hoặc chỉ chưng cất
hạt khô (DDG), tùy thuộc vào việc xi-rô quá trình có được kết hợp với chất rắn hay
không và được sử dụng trong thức ăn chăn nuôi.
2.2.2. Quy trình xay xát ngô
Trong quá trình xay ướt, hạt ngô được tách thành ba phần trong môi trường nước
trước khi lên men: (1) vỏ, (2) mầm và (3) nội phôi nhũ. Các sản phẩm chính của xay xát
bao gồm tinh bột và các sản phẩm có nguồn gốc từ tinh bột (ví dụ: xi-rô ngô fructose cao
và ethanol), dầu ngô và gluten ngô.
Như sơ đồ thể hiện trong hình 2-3, quy trình này bao gồm một số bước. Một nhà
máy ướt thường nhận được vỏ ngô, đi qua các chất tẩy rửa cơ học được thiết kế để loại bỏ
các vật liệu không mong muốn, chẳng hạn như các mẩu lõi, củi, vỏ trấu, bột và đá. Các

hạt ngô được làm sạch tiếp theo được đưa vào các bể chứa nước, trong đó chúng được
ngâm trong axit sunfuric loãng từ 24 đến 48 giờ ở nhiệt độ 52ºC. Quá trình ngâm nước
làm mềm hạt nhân, giúp phá vỡ protein giữ các hạt tinh bột và loại bỏ các thành phần hòa
tan khác nhau. Một số bể được sử dụng trong chuỗi. Ngô đã ngâm trong thời gian mong
muốn được thải ra khỏi bể để tiếp tục xử lý và bể chứa đầy ngô tươi. Nói chung, nước
thoát ra từ bể ngâm đầu tiên được thải ra thiết bị bay hơi, được gọi là ‘nước ngâm nhẹ” có
chứa khoảng 6% trọng lượng khô ban đầu của hạt. Các chất rắn từ nước ngâm rất giàu
protein và được cô đặc đến 30- 55% chất trong các thiết bị bay hơi đa năng. Rượu ngâm
có thể được bán dưới dạng thức ăn chăn nuôi [19].
Mầm được loại bỏ từ ngô ngâm trong các nhà máy khử chất, làm vỡ hạt nhân để
giải phóng cả mầm và khoảng một nửa tinh bột và gluten. Mầm được tách ra trong dung
dịch xoáy lỏng từ hỗn hợp chất xơ, tinh bột và gluten. Sau đó, nó được rửa sạch, khử
nước và sấy khô và tiếp tục xử lý để chiết xuất dầu ngô [20].
13


Ethanol sinh họ

Hình 2- 3 Sơ đồ quy trình nghiền ngô ướt.
Tinh bột và gluten từ bùn sản phẩm được loại bỏ khỏi phần còn lại của vật liệu sợi
bằng cách tiếp tục rửa, nghiền và sàng lọc. Vỏ bỏ đi được sấy khô để sử dụng trong thức
ăn chăn nuôi. Tinh bột được tách ra khỏi gluten bằng cách ly tâm. Một số giai đoạn có thể
cần thiết [19,20].
Khi thu được hỗn hợp tinh bột tinh khiết, quy trình nghiền ướt rất giống với quá
trình nghiền khô. Đầu tiên, độ pH của bùn tinh bột được điều chỉnh thành 5,8-6,2 bằng
vôi, sau đó alphaamylase được thêm vào để chuyển đổi polymer tinh bột thành các
dextrin hòa tan (hóa lỏng). Canxi thường được thêm vào (20-100 ppm) để tăng cường sự
ổn định của enzyme. Vì dòng tinh bột tương đối không có chất xơ hoặc các thành phần
khác, nó rất phù hợp với nhiệt độ cao và thời gian ngắn để nấu với áp suất cao và hóa
lỏng enzyme tiếp theo. Do đó, các chất rắn 30 - 40% tinh bột là phổ biến [10].

Bùn từ giai đoạn hóa lỏng được trộn với nước ngâm được làm nóng và chuyển cho
quá trình đường hóa. Nước ngâm cung cấp cả chất dinh dưỡng lên men và điều chỉnh pH
cho quá trình đường hóa, trong đó glucocylase được thêm vào sẽ chuyển đổi các dextrin
thành glucose ở pH 4,5 và nhiệt độ 65ºC. Sau khi đường hóa, S. cerevisiae được thêm vào
để lên men đường thành ethanol và CO 2. Tổng thời gian lên men thay đổi từ 20 đến 60
14


Ethanol sinh họ
giờ, phụ thuộc chủ yếu vào mức độ đường hóa trước khi lên men. Hầu hết các nhà máy
ướt thực hiện lên men tầng liên tục. Rất ít chất rắn không hòa tan được tìm thấy trong các
hệ thống lên men này, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tái chế men và cải thiện tốc độ lên
men tổng thể. Sản phẩm cuối cùng từ một quy trình liên tục sẽ có hàm lượng ethanol 810% thể tích [10,20].
Ngành công nghiệp ethanol sinh học dựa trên tinh bột đã có hiệu quả thương mại
trong khoảng 30 năm; trong thời gian đó, những cải tiến to lớn đã được thực hiện trong
việc phát triển các chủng lai có thể lên men cao, công nghệ tách, quá trình lên men, hiệu
quả enzyme, giảm chi phí và thời gian xử lý, và tăng sản lượng ethanol sinh học. Xu
hướng mới trong ngành công nghiệp ethanol- ngô là nhằm vào các quy trình làm khô.
Những nỗ lực nghiên cứu được định hướng cho sự phát triển của giống ngô lai với tinh
bột có thể chiết xuất cao hơn hoặc hàm lượng tinh bột lên men cao hơn. Một lĩnh vực
khác của mối quan tâm công nghiệp được minh họa trong những nỗ lực của Công nghệ
sinh học Syngenta (Syngenta Biotech, Inc., SBI) để định hướng sự tích tụ của các enzyme
thủy phân tinh bột trong nội nhũ của hạt ngô chuyển gen. Sự tích lũy ổn định của các
enzyme, không ảnh hưởng đến khả năng tồn tại và thành phần của hạt, cho phép “khả
năng xử lý’’ được thiết lập vào chính hạt đó. Các hạt tự xử lý có thể được thiết kế để đáp
ứng các hạn chế quy trình cụ thể và mới do tính linh hoạt của các enzyme kỹ thuật với
các đặc tính sinh lý riêng biệt và các đặc tính enzyme [20]. Sửa đổi của cơ sở xay khô đã
làm cho sự phục hồi của mầm ngô có thể trong xay xát khô. Công nghệ phân đoạn khô
tách hạt ngô thành các thành phần của nó mà không cần bước ngâm. Sự tiến bộ trong quá
trình lên men đã dẫn đến sự phát triển của chất lượng men và lò phản ứng được cải thiện.

SSF thực hiện ở nhiệt độ trên 34ºC sử dụng men nhiệt dung cho phép giảm yêu cầu làm
mát và cải thiện quá trình chuyển đổi. Quá trình lên men trọng lực cao hoàn thành việc
tiết kiệm năng lượng bằng cách sử dụng hỗn hợp cô đặc cao với hơn 30% chất rắn. Các
thí nghiệm đã cho kết quả lên men 23% - rượu, cao hơn nhiều so với quy trình thông
thường. Tiết kiệm tiềm năng sẽ đến từ việc giảm chi phí cho việc làm sạch nước và nước
thải, cũng như từ việc sử dụng năng lượng giảm. Trong những năm qua, khả năng thủy
phân tinh bột ở nhiệt độ thấp để đạt được tiết kiệm năng lượng cũng đang được nghiên
15


Ethanol sinh họ
cứu. Chi phí đã giảm 70% trong 25 năm qua. Cải thiện việc sử dụng enzyme cũng giúp
giảm thời gian ngâm, năng suất tinh bột và gluten cao hơn, chất lượng protein tốt hơn và
giảm sử dụng nước và năng lượng [21].
2.3. Sản xuất ethanol sinh học sử dụng nguyên liệu dựa trên lignocellulose
Bioethanol cũng có thể được sản xuất từ vật liệu lignocellulose, thường được gọi
là bioethanol thế hệ thứ hai. Các nguyên liệu cho ethanol sinh học thế hệ thứ hai bao gồm
dư lượng nông nghiệp, cỏ, và tàn dư lâm nghiệp và gỗ. Đã có những nỗ lực nghiên cứu to
lớn trong việc phát triển thế hệ thứ hai tốn kém hoặc các công nghệ tiên tiến để sản xuất
ethanol nhiên liệu trong tài liệu. Tuy nhiên, có một số thách thức đối với các ứng dụng
thương mại của các công nghệ tiên tiến [3].
2.3.1. Thành phần nguyên liệu lignocellulose
Nguyên liệu xenluloza bao gồm cellulose, hemi-cellulose, lignin và chiết xuất
dung môi. Lignin hoạt động như một vật liệu xi măng liên kết tất cả các thành phần khác
lại với nhau. Nó cũng chịu trách nhiệm cung cấp độ cứng cấu trúc cho nguyên liệu
xenlulo. Cellulose là một polymer lặp lại các đơn vị b-D-glucopyranose và là thành phần
chính của nguyên liệu lignocellulose. Hemi-cellulose, giống như cellulose, là một
polysacarit nhưng nó ít phức tạp hơn và dễ bị thủy phân. Trong nguyên liệu, vật liệu hòa
tan hoặc chất chiết xuất bao gồm những thành phần hòa tan trong dung môi hữu cơ trung
tính. Đường có trong cellulose chủ yếu là glucose. Tuy nhiên, hemi-cellulose là hỗn hợp

của các loại đường khác nhau. Nó chứa cả đường C6 (glucose, mannose, và galactose) và
C5 (xyloza, arabinose và rhamnose) [22].
Thành phần hóa học của vật liệu lignocellulose là yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu
quả sản xuất nhiên liệu sinh học trong quá trình chuyển đổi. Thành phần cấu trúc và hóa
học của vật liệu lignocellulose rất khác nhau do ảnh hưởng di truyền và môi trường và
tương tác của chúng. Một thành phần hóa học điển hình của vật liệu lignocellulose là
48% trọng lượng C, 6% trọng lượng H và 45% khối lượng O, chất vô cơ là thành phần
thứ yếu. Hàm lượng cellulose + hemiaellulose có nhiều trong gỗ cứng (78,8%) so với gỗ
mềm (70,3%), nhưng lignin có nhiều trong gỗ mềm (29,2%) so với gỗ cứng (21,7%) [23].

16


Ethanol sinh họ
2.3.2. Qui trình chuyển hóa ethanol từ nguyên liệu lignocellulose
Hiện tại, một số công nghệ đang được sử dụng để chuyển đổi nguyên liệu
xenluloza thành ethanol. Tuy nhiên, các công nghệ để chuyển đổi nguyên liệu
lignocellulose thành ethanol đã được tóm lại thành hai nền tảng rộng, có thể được gọi là
nền tảng đường (chuyển đổi sinh hóa) và nền tảng syngas (chuyển đổi nhiệt). Các bước
cơ bản của các nền tảng này được hiển thị trong Hình 2-4.

Hình 2- 4 Qui trình cơ bản để sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulose.
Nền tảng đường sử dụng các enzyme để chuyển đổi các vật liệu sinh khối
lignocellulose được xử lý trước thành đường, sau đó có thể được lên men thành ethanol.
Trong nền tảng syngas, nguyên liệu sinh khối được khí hóa để tạo ra khí tổng hợp (carbon
monoxide, hydro và carbon dioxide) sau đó được chuyển đổi thành ethanol bằng phản ứng
hóa học sử dụng xúc tác hóa học hoặc phản ứng sinh học sử dụng vi sinh vật [24].
Nền tảng đường: chuyển đổi sinh hóa. Các vật liệu lignocellulose có rất nhiều
trên khắp thế giới và chúng có thể được sử dụng để sản xuất ethanol sinh học vì chúng có
hàm lượng cellulose và hemiaelluloses cao. Tuy nhiên, việc chuyển đổi vật liệu

lignocellulose thành ethanol khó khăn hơn nhiều so với vật liệu giàu đường hoặc tinh bột
[25]. Nền tảng sinh hóa bao gồm ba yếu tố quá trình chính - tiền xử lý, thủy phân enzyme
và lên men. Các bước của quy trình cũng bao gồm thu hoạch nguyên liệu, xử lý, thu hồi
và vận chuyển, nghiền sinh khối để tạo ra các hạt nhỏ và đồng nhất, phân đoạn các
17


Ethanol sinh họ
polyme, tách thành phần lignin rắn và thu hồi sản phẩm cuối cùng. Hơn nữa, giải độc và
lên men các pentose được giải phóng trong bước tiền xử lý có thể được thực hiện. Các
cellulose trải qua quá trình thủy phân enzyme để tạo ra các hexose như glucose [26].
Tiền xử lý:. Quá trình tiền xử lý để làm phơi cellulose và hemiaellulose cho quá
trình thủy phân enzyme tiếp theo là một bước quan trọng. Các lựa chọn tiền xử lý có thể
được phân loại là sinh học, vật lý, hóa học hoặc sự kết hợp của chúng, trong đó nhiệt độ và
thời gian phản ứng là các biến. Quá trình tiền xử lý là một thành phần chi phí chính của quá
trình tổng thể. Không có sự lựa chọn nào tốt nhất trong cuộc sống và nghiên cứu và phát
triển (R & D) tiếp tục cải thiện các mục tiêu chi phí và hiệu suất, mặc dù vụ nổ hơi nước và
axit loãng có lẽ là gần nhất với thương mại hóa [27]. Tiền xử lý có thể được thực hiện theo
một số cách, ví dụ: sử dụng axit loãng (như axit sunfuric hoặc axit clohydric), kiềm (như
canxi hydroxit), amoniac lỏng (tiền xử lý vụ nổ sợi amoniac) hoặc nổ hơi nước [25]. Tiền
xử lý bằng axit loãng và nhiệt độ trung gian thường được coi là hiệu quả nhất về mặt chi
phí và hoạt động bằng cách nới lỏng ma trận thành tế bào thông qua sự thoái biến của
hemiaelluloses. Lignin không bị ảnh hưởng bởi quá trình này. Khả năng tiếp cận với các vi
sợi cellulose được tăng đủ để cung cấp năng suất cao hơn cho các loại đường đơn cho quá
trình lên men. Xử lý axit sẽ dẫn đến các sản phẩm có giá trị cao khác như furfural,
hydroxyl-methyl furfural (HMF), phenolics, aldehydes và các hợp chất aliphatic. Những
sản phẩm này phải được loại bỏ trước khi xử lý dư lượng cho các phương pháp xử lý sinh
hóa tiếp theo. Các quá trình tiền xử lý axit sử dụng axit khoáng đòi hỏi các lò phản ứng
không bị ăn mòn và hơn cả quá trình trung hòa và khử độc cũng là cần thiết [28]. Nổ hơi
nước, so với các phương pháp tiền xử lý khác, mang lại tiềm năng đầu tư vốn thấp hơn, tác

động môi trường thấp hơn đáng kể, tiềm năng hiệu quả năng lượng, điều kiện quá trình ít
nguy hiểm hơn và thu hồi đường hoàn toàn. Trong các phương pháp xử lý này, chất nền sẽ
chịu áp suất và nhiệt độ cao trong thời gian lưu giữ ngắn, sau đó giải phóng nhanh áp suất
tăng lên áp suất khí quyển, sẽ phá vỡ các liên kết polymer trong chất nền. Các phương
pháp cơ học thông thường đòi hỏi năng lượng nhiều hơn 70% so với nổ hơi nước để đạt
được mức giảm kích thước tương tự. Làm nổ hơi nước được coi là lựa chọn hiệu quả nhất
về chi phí đối với gỗ cứng và tàn dư nông nghiệp, nhưng ít hiệu quả hơn đối với gỗ mềm.
18


Ethanol sinh họ
Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu quả của nổ hơi nước là kích thước hạt,
nhiệt độ và thời gian cư trú [4,23]. Xúc tác axit cũng được nghiên cứu trong quá trình xử lý
nổ hơi nước và được tìm thấy để giảm nhiệt độ và thời gian lưu với việc giảm sự hình
thành các sản phẩm không mong muốn và thủy phân hoàn toàn hemiaellulose [29]. Vôi đã
nổi lên như một hóa chất đầy hứa hẹn cho bước tiền xử lý do chi phí thấp và sử dụng rộng
rãi trong chế biến nông nghiệp [30]. Xử lý amoniac ở nhiệt độ cao làm giảm độ kết tinh của
microfibrils cellulose và làm mất hoạt tính lignin. Những tiến bộ gần đây trong tiền xử lý
amoniac bằng cách sử dụng amoniac lỏng dẫn đến việc sản xuất một dạng đa hình cellulose
III, giúp tăng cường đáng kể hiệu quả của quá trình khử trùng enzyme [31]. Tiền xử lý
sulfite để khắc phục sự tái sinh của lignocellulose (SPORL) là một phương pháp tiền xử lý
được phát triển gần đây chủ yếu được sử dụng để tiền xử lý sinh khối gỗ. Trong quá trình
này, dăm gỗ trước tiên phản ứng với dung dịch natri bisulfite (hoặc canxi hoặc magiê hoặc
bisulfite khác) ở 160-190ºC và pH 2-5 (trong khoảng 10-30 phút trong các hoạt động lượng
lớn). Các mảnh gỗ được xử lý trước sau đó được xơ hóa thông qua quá trình phay cơ học
(sử dụng bộ tinh chế đĩa) để tạo ra chất nền dạng sợi cho quá trình đường hóa và lên men
tiếp theo. Việc loại bỏ sự tái sinh mạnh mẽ của sinh khối gỗ bằng SPORL đạt được bằng
các hiệu ứng kết hợp của việc hòa tan hemiaelluloses, khử polyme của cellulose, phân lớp
một phần, sulfon hóa một phần lignin và tăng diện tích bề mặt bằng phương pháp xơ hóa.
Tiền xử lý SPORL đã được chứng minh là làm tăng năng suất đường (từ 57% đến 88%) và

giảm tới 65% các chất ức chế so với tiền xử lý axit sunfuric loãng của gỗ mềm [32,33].
Nhiều quy trình tiền xử lý đã được phát triển trong những thập kỷ qua và đang được cải
tiến liên tục thông qua các nghiên cứu. Quá trình tiền xử lý có tác động đáng kể đến tất cả
các quy trình hạ nguồn và cuối cùng ảnh hưởng đến năng suất và chi phí nhiên liệu sinh
học chung [28].
Thủy phân: Quá trình thủy phân liên quan đến sự phân hủy các polysacarit thành
đường đơn của chúng. Ba phương pháp thường được sử dụng để thủy phân cellulose thành
glucose (đường C6 để lên men): (1) thủy phân axit loãng (H 2SO4 <1%, 215ºC và 3 phút để
đạt được sản lượng glucose đạt yêu cầu) không còn là ứng cử viên khả thi; (2) axit đậm đặc
(H2SO4 30-70%, 40ºC, một vài giờ để đạt được> 90% năng suất glucose) đã được sử dụng
19


Ethanol sinh họ
ở Nhật Bản; và (3) thủy phân enzyme (hỗn hợp cellulase, 50ºC vài ngày để đạt năng suất
glucose 95%-75%) [34]. Xu hướng hiện nay là hướng tới thủy phân enzyme để tránh các
yêu cầu xử lý nước thải và xử lý nước thải tốn kém do sử dụng axit. Thủy phân enzyme là
hấp dẫn bởi vì nó tạo ra năng suất tốt hơn so với thủy phân xúc tác axit, trong khi các nhà
sản xuất enzyme gần đây đã giảm chi phí đáng kể bằng cách sử dụng công nghệ sinh học
[25]. Thủy phân axit đã được coi là một lựa chọn đắt tiền hơn [35].
Sự thủy phân enzyme của vật liệu lignocellulose được xử lý trước bao gồm các
phản ứng enzyme chuyển cellulose thành glucose và hemiaellulose thành pentose (xyloza
và arabinose) và hexose (glucose, galactose và mannose). Sự chuyển đổi của cellulose và
hemiaellulose được xúc tác bởi các enzyme cellulase và hemiaellulase tương ứng. Các
enzyme rất đặc hiệu. Quá trình thủy phân enzyme thường được thực hiện ở điều kiện nhẹ
(pH 4,8 và nhiệt độ 45-50ºC) [3]. Ít nhất ba nhóm cellulase chính tham gia vào quá trình
thủy phân: (a) endoglucanase (EG, endo-, 4-D-glucanohydrolase hoặc EC 3.2.1.4) tấn công
các vùng có độ kết tinh thấp trong sợi cellulose, tạo ra chuỗi tự do -ends; (b) exoglucanase
hoặc cellobiohydrolase (CBH, 1,4- b-D-glucancellobiohydrolase, hoặc EC 3.2.1.91.) làm
suy giảm phân tử hơn nữa bằng cách loại bỏ các đơn vị cellobiose khỏi chuỗi tự do; và (c)

b-glucosidase (EC 3.2.1.21) thủy phân cellobiose để tạo glucose [36].
Việc sản xuất kinh tế các enzyme phân giải tế bào và giảm tỷ lệ enzyme trên sinh
khối cần thiết cho quá trình thủy phân vẫn là yếu tố quyết định chính để thương mại hóa
các nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh khối. Trichoderma reesei vẫn là vật chủ thương mại
hiệu quả nhất để sản xuất cellulase, mặc dù các vật chủ nấm khác có thể hấp dẫn. Nồng độ
protein vượt quá 100 g/L được báo cáo với T. reesei [37]. Một vấn đề khác là cần một
lượng lớn cellulase để thủy phân cellulose [38].
Lên men: Lên men đường tạo ra từ quá trình thủy phân enzyme sinh khối là một
bước quan trọng khác, trong đó rất nhiều tiến bộ kỹ thuật là cần thiết để làm cho công nghệ
ethanol lignocellulose khả thi. Điều mong muốn đối với một sinh vật lý tưởng cho công
nghệ ethanol sinh khối sẽ là năng suất cao của ethanol, phạm vi sử dụng chất nền rộng, khả
năng kháng các hợp chất ức chế được tạo ra trong quá trình thủy phân lignocellulose và lên
men ethanol, khả năng chịu được nồng độ đường và rượu cao, cao hơn nhiệt độ, pH thấp
20


Ethanol sinh họ
hơn và hình thành sản phẩm phụ tối thiểu [6]. Thật không may, tất cả các tính năng này
hiếm khi tồn tại cùng nhau trong bất kỳ sinh vật hoang dã nào và nhu cầu của ngành sẽ là
phát triển một sinh vật ít nhất sẽ đáp ứng một phần các yêu cầu này [39]. Khả năng sử dụng
thành phần hemiaellulose trong nguyên liệu sinh khối là rất quan trọng đối với bất kỳ dự án
ethanol sinh học nào. Saccharomyces cereviseae và Zymomonas Mobilis, những sinh vật
thường được sử dụng trong quá trình lên men rượu thiếu khả năng lên men đường có
nguồn gốc pentose (C5) hemiaellulose. Trong khi có những sinh vật có thể lên men đường
C5 (ví dụ viêm Pichiastip, Pachysolentannophilus, Candida shehatae) thì hiệu quả thấp
hơn. Họ cũng cần điều kiện microaerophilic và nhạy cảm với các chất ức chế, nồng độ
ethanol cao hơn và pH thấp hơn [40].
Việc chuyển đổi glucose thành ethanol trong quá trình lên men thủy phân enzyme
không khó, vì không có một số chất ức chế như furfural, hydroxyl methyl furfural hoặc các
chất ức chế có nguồn gốc từ gỗ tự nhiên như axit nhựa có chứa axit béo, axit rosin, và

sterol. Trong hơn 20 năm, các hoạt động nghiên cứu đã được hướng tới sự phát triển của
các vi sinh vật được cải tiến để lên men các loại đường pentose [40]. Để xử lý hiệu quả chi
phí, các sinh vật như vậy phải có khả năng lên men các dòng thức ăn có chứa cả glucose và
xyloza với nhau. Mặc dù các pentose C5 thường khó lên men hơn, các chủng nấm men mới
đang được phát triển có thể sử dụng hiệu quả các loại đường này [39]. Hiện tại, không có
sinh vật tự nhiên nào có khả năng chuyển đổi cả hai loại đường C6 và C5 này với năng suất
cao mặc dù đã có một số tuyên bố về mục tiêu này bằng cách sử dụng vi sinh vật biến đổi
gen (GM) [41]. Tiến bộ đáng kể đã được thực hiện ở các vi sinh vật kỹ thuật cho quá trình
lên men glucose và pentose, nhưng độ nhạy của chúng đối với các chất ức chế và sản xuất
các sản phẩm phụ không mong muốn vẫn còn là vấn đề nghiêm trọng, vẫn chưa được khắc
phục để cho phép thương mại hóa khả thi [42].
Một chiến lược GM đầy hứa hẹn đã sử dụng ethanologen, một hexose tự nhiên và
thêm các con đường cần thiết để chuyển đổi các loại đường khác. Điều này đã đạt được
bằng cách thêm chuyển đổi pentose thành các chủng Saccharomyces cerevisiae,
Zymomonas Mobilis, Klebsiella và E. coli. Nhu cầu hiểu và thao tác dung nạp ethanol và
đường và khả năng chống lại các chất ức chế tiềm tàng được tạo ra trong các phương pháp
21


Ethanol sinh họ
điều trị tiền khử trùng vẫn là một mục tiêu khoa học [43]. Vi sinh vật được sử dụng thường
xuyên nhất để lên men ethanol sinh học trong các quy trình công nghiệp là S. cerevisiae,
được chứng minh là rất mạnh mẽ và phù hợp với quá trình lên men của thủy phân
lignocellulose. Các chủng S. cerevisiae đã được chuyển hóa bằng cách đưa ra các con
đường sử dụng xylo dị hợp để chuyển xylo thành etanol. Tuy nhiên, cả kỹ thuật trao đổi
chất và kỹ thuật tiến hóa đều không thành công trong việc tạo ra một S. cerevisiae có khả
năng lên men cả xyloza và arabinose một cách hiệu quả. Các chủng S. cerevisiae được thiết
kế có khả năng lên men hỗn hợp glucose và xyloza với năng suất ethanol cao mà không tạo
ra các sản phẩm phụ như xylitol hoặc arabinitol cũng được phát triển. Những cải tiến hơn
nữa trong động học của quá trình lên men hỗn hợp đường (glucose, xyloza, arabinose) đã

đạt được bằng chiến lược kỹ thuật tiến hóa. Chiến lược này liên quan đến việc canh tác lặp
lại chủng tái tổ hợp trong ba hỗn hợp đường khác nhau dẫn đến quá trình lên men nhanh kỵ
khí của hỗn hợp glucose, xyloza và arabinose thành ethanol [44]. Một loại Z. Mobilis lên
men xyloza được tạo ra bằng cách giới thiệu con đường chuyển hóa xyloza từ E. coli có lợi
thế là cần tối thiểu các chất dinh dưỡng, phát triển ở pH thấp và nhiệt độ cao, và nó được
coi là an toàn (GRAS) [45] . Các gen PDC (mã hóa cho pyruvate decarboxylate) và adhB
(mã hóa cho rượu dehydrogenase) từ Z. Mobilis đã được biểu hiện quá mức ở E. coli. Đây
là một đóng góp nổi bật đã khiến E. coli trở thành nhà sản xuất ethanol đạt năng suất 40
g/L với 90-100% sản lượng lý thuyết từ thủy phân hemiaellulose của bã mía, vỏ ngô và
thân cây ngô [44,45]. E. coli, như một chất xúc tác sinh học để sản xuất ethanol sinh học,
có khả năng lên men một loại đường rộng, không yêu cầu các yếu tố tăng trưởng phức tạp
và sử dụng công nghiệp trước đó (ví dụ, để sản xuất protein tái tổ hợp). Những nhược điểm
chính liên quan đến việc sử dụng nuôi cấy E. coli là phạm vi tăng trưởng pH trung tính và
hẹp (6.0-8.0), nuôi cấy ít cứng hơn so với nấm men và nhận thức cộng đồng về sự nguy
hiểm của các chủng E. coli [23]. Các giải pháp cho những vấn đề này cũng sẽ cần để phù
hợp với sự thay đổi trong tài nguyên sinh khối. Trong khi quá trình lên men pentose đã đạt
được trên các chất nền lý tưởng, (nghĩa là các chế phẩm trong phòng thí nghiệm của đường
được thiết kế để bắt chước một nguyên liệu được xử lý hoàn hảo), công việc quan trọng
vẫn là áp dụng điều này cho các nguyên liệu lignocellulose thực tế [35].
22


Ethanol sinh họ

Hình 2- 5 Quá trình sinh hóa để chuyển đổi chất thải lignocellulose thành ethanol.
Sản xuất ethanol nhiên liệu tổng thể từ sinh khối lignocellulose được thể hiện
trong hình 2-5. Không có cơ sở sản xuất ethanol xenlulo quy mô lớn trong sản xuất
thương mại, mặc dù một số công ty đã công bố kế hoạch xây dựng các cơ sở có công suất
hơn 30 triệu gallon mỗi năm. Một quy trình thí điểm điển hình để sản xuất ethanol
xenluloza bao gồm xử lý sinh khối nghiền bằng axit nóng, một phần thủy phân

hemiaellulose và các polysacarit khác và phá vỡ sự liên kết của lignin với polysacarit
[46]. Chất thủy phân được trung hòa, tách khỏi chất không tan và lên men để tạo ra
ethanol. Phần không hòa tan sau đó được xử lý bằng cellulase và glycosidase để giải
phóng glucose cũng được lên men để sản xuất ethanol. Các vật liệu không hòa tan còn
lại, chủ yếu là lignin, được đốt cháy để tạo ra năng lượng cho toàn bộ quá trình [47]. Sự
phát triển trong tương lai của thực vật với lignin biến đổi có thể dễ dàng bị thủy phân,
hoặc cải tiến enzyme hoặc chất xúc tác hóa học để thủy phân lignin có thể cho phép sử
dụng lignin như một thành phần của nhựa hoặc làm nguyên liệu lên men để sản xuất
nhiên liệu lỏng. Quá trình lên men tạo ra một khối tế bào vi sinh vật giàu dinh dưỡng có
thể bị bất hoạt và được sử dụng làm phân bón để tái chế các chất dinh dưỡng khoáng cho
đất [38]. Quá trình này được gọi là thủy phân và lên men riêng biệt (SHF).
SHF là một trong những cấu hình đã được thử nghiệm rộng rãi hơn. Lên men
Pentose được thực hiện trong một đơn vị độc lập. Trong cấu hình SHF, dòng chất lỏng
chung từ cả hai lò phản ứng thủy phân trước tiên đi vào lò phản ứng lên men glucose.
23


Ethanol sinh họ
Hỗn hợp này sau đó được chưng cất để loại bỏ ethanol sinh học để lại xylo không chuyển
đổi phía sau. Trong lò phản ứng thứ hai, xyloza được lên men thành bioethanol và
bioethanol lại được chưng cất. Ưu điểm của SHF là khả năng thực hiện từng bước trong
điều kiện tối ưu, tức là thủy phân enzyme ở 45-50ºC và lên men ở khoảng 30ºK [15,23].
Nhưng phương pháp này chứng tỏ là rất tốn kém. Vì vậy, dựa trên sự kết hợp khác nhau
của các công nghệ được áp dụng ở giai đoạn tiền xử lý, thủy phân và lên men tổng hợp
ethanol, một số công nghệ tích hợp đã được phát triển. Trong phần bên dưới, các công
nghệ chuyển đổi tích hợp hiện có sẽ được thảo luận [48].

24



Ethanol sinh họ
CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP DỰA TRÊN SỰ THỦY PHÂN
3.1. Đồng thời hóa đường và lên men, SSF

Hình 3- 1 Sơ đồ khối chung của sản xuất ethanol nhiên liệu từ sinh khối lignocellulose.
Khả năng tích hợp phản ứng phản ứng được thể hiện bên trong các ô được tô bóng: CF,
đồng lên men; SSF, đồng thời hóa đường và lên men; SSCF, đồng thời hóa đường và
đồng lên men; CBP, xử lý sinh học hợp nhất. Thành phần dòng chính: C, cellulose; H,
hemiaellulose; L, lignin; Cel, cellulase; G, glucose; P, pentoses; I, inhibitors; EtOH,
ethanol [15].
Quá trình đường hóa và lên men được thực hiện đồng thời trong một lò phản ứng
duy nhất, do đó cho phép tiết kiệm chi phí và giảm chất ức chế, tăng tốc độ thủy phân
(Hình 3-1) [49]. Rõ ràng, việc tối ưu hóa các điều kiện quá trình liên quan đến cả enzyme
và vi sinh vật cùng một lúc là vấn đề quan trọng của giải pháp này [11]. Chìa khóa của
quá trình SSF từ sinh khối là khả năng chuyển đổi nhanh chóng đường thành ethanol
ngay khi chúng được hình thành làm giảm sự tích lũy của chúng trong môi trường. Lưu ý
25