BÁO CÁO ĐỒ ÁN SẢN XUẤT BIOETHANOL TỪ VỎ TRẤU

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

i

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ----- // -----

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do - Hạnh phúc ----- // -----

N

H

Ơ

N

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

U Y

Họ và tên sinh viên: Đặng Hồng Dương.

.Q

MSSV: 11012625.

TP

Chuyên ngành: Công Nghệ Hóa Dầu.

Tên đề tài đồ án: Sản xuất bioethanol từ vỏ trấu.

2.

Nhiệm vụ:

G

Đ

1.

ẠO

Lớp: DHHD7.

N

Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit đến quá trình tiền xử lý.

H Ư

−

TR ẦN

− Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đối với quá trình thủy phân. − Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến quá trình thủy phân.

10 00

B

− Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến quá trình thủy phân. − Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình lên men.

Ngày giao khóa luận/đồ án: 01/2015.

4.

Ngày hoàn thành khóa luận/đồ án: 07/2015.

5.

Họ tên giáo viên hướng dẫn: TS. Đỗ Quý Diễm

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

3.

TS. Bạch Thị Mỹ Hiền

TS. Đỗ Quý Diễm

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

Chủ nhiệm bộ môn chuyên ngành

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 07 năm 2015 Giáo viên hướng dẫn

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

ii

Ơ

H

Từ xưa đã có câu “không thầy đố mày làm nên”. Là con người sinh ra ai cũng

N

LỜI CẢM ƠN

N

phải học tập rèn luyện để tiếp thu kiến thức nhân loại, được sự nuôi dưỡng của gia

U Y

đình, sự dạy dỗ tận tình của thầy cô, mỗi chúng ta sẽ trưởng thành hơn. Trên chặng

.Q

đường rèn luyện của thời sinh viên, em cần sự dẫn dắt của thầy cô để có cái nhìn

TP

đúng đắn hơn về những gì mình đã được học.

ẠO

Em xin chân thành cảm ơn cô Đỗ Quý Diễm. Trong quá trình thực hiện đồ án

Đ

chuyên ngành, nhận được sự hướng dẫn và chỉ dạy tận tình của cô Đỗ Quý Diễm,

N

G

em đã có cơ hội nghiên cứu, cọ xát và tiếp thu được nhiều kiến thức và hiểu sâu hơn

H Ư

về để tài mình đã nhận.

TR ẦN

Em xin chân thành cảmơn thầy cô khoa công nghệ hóa trường Đại Học Công Nghiệp TP HCM đã tạo điều kiện cho em được hoàn thành tốt bài đồ án của mình.

B

Xin cảm ơn các bạn sinh viên thuộc lớp DDHHD7 trường đại học Công

10 00

Nghiệp TP.HCM đã cùng học tập và trao đổi kinh nghiệm trong quá trình làm việc.

A

Trong quá trình thực hiện bài đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót,vì

H

Ó

vậy kính mong được sự thông cảm của các Thầy cô!

TP. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20…

Sinh viên thực hiện (Ghi họ và tên)

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

Xin chân thành cảm ơn!

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

Đặng Hồng Dương

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

iii

Ơ

H

..................................................................................................................................

N

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

U Y

N

..................................................................................................................................

.Q

..................................................................................................................................

TP

..................................................................................................................................

ẠO

..................................................................................................................................

G

Đ

..................................................................................................................................

H Ư

N

.................................................................................................................................. ..................................................................................................................................

TR ẦN

..................................................................................................................................

B

..................................................................................................................................

10 00

Phần đánh giá: (thang điểm 10) • Ý thức thực hiện:

Ó

A

• Nội dung thực hiện:

H

• Hình thức trình bày:

-L

Í-

• Tổng hợp kết quả:

TP. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 07 năm 2015 Giáo viên hướng dẫn

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

Điểm bằng số: ..................... Điểm bằng chữ: ................................................

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

TS. Đỗ Quý Diễm

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

iv

Ơ

H

...............................................................................................................................................................

N

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

U Y

N

...............................................................................................................................................................

.Q

...............................................................................................................................................................

TP

...............................................................................................................................................................

ẠO

...............................................................................................................................................................

Đ

...............................................................................................................................................................

N

G

...............................................................................................................................................................

H Ư

...............................................................................................................................................................

TR ẦN

............................................................................................................................................................... ...............................................................................................................................................................

B

...............................................................................................................................................................

10 00

...............................................................................................................................................................

A

...............................................................................................................................................................

H

Ó

...............................................................................................................................................................

TP. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2015 Giáo viên phản biện

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

...............................................................................................................................................................

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

v

H

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 3

Ơ

LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................... 1

N

MỤC LỤC

U Y

N

1.1. Tình hình sản xuất bioethanol trên thế giới và trong nước ...................... 3 1.1.1. Lịch sử của bioethanol............................................................................. 3

TP

.Q

1.1.2. Tình hình sản xuất bioethanol trên thế giới. .......................................... 3 1.1.3. Trong nước. .............................................................................................. 5

ẠO

1.1.4. Triển vọng phát triển của bioethanol. ..................................................... 7

Đ

1.2. Nguyên liệu lignocellulose. ......................................................................... 7

G

1.2.1. Cấu trúc lignocellulose ............................................................................ 8

H Ư

N

1.2.2. Cellulose ................................................................................................... 9 1.2.3. Hemicellulose ......................................................................................... 10

TR ẦN

1.2.4. Lignin ..................................................................................................... 11 1.2.5. Các chất trích ly ..................................................................................... 13

B

1.2.6. Tro .......................................................................................................... 13

10 00

1.3. Vỏ trấu ...................................................................................................... 14 1.3.1. Nguồn vỏ trấu ở Việt Nam..................................................................... 16

A

1.3.2. Hiện trạng sử dụng năng lượng từ vỏ trấu ở Việt Nam ....................... 17

H

Ó

1.4. Quá trình sản xuất bioethanol từ vỏ trấu ................................................ 20

Í-

1.4.1. Tổng quát quá trình .............................................................................. 20

-L

1.4.2. Tiền xử lý ............................................................................................... 20

ÁN

1.4.3. Thủy phân .............................................................................................. 23

TO

1.4.4. Lên men .................................................................................................. 33

D

IỄ N

Đ

ÀN

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM .......................................................................... 39 2.1. Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ ............................................................ 39 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 39 2.1.2 Hóa chất và các thiết bị sử dụng chính .................................................. 40 2.2. Các phương pháp sử dụng ....................................................................... 41 2.2.1. Phương pháp xác định độ ẩm nguyên liệu ........................................... 41 2.2.2. Xác định hàm lượng tro ........................................................................ 42

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

vi

2.2.3. Hàm lượng béo....................................................................................... 42 2.2.4. Phương pháp đo nồng độ glucose và ethanol ....................................... 43

Ơ

H

2.2.4.2. Phương pháp xây dựng đường chuẩn ................................................ 44

N

2.2.4.1. Nguyên tắc........................................................................................... 43

N

2.2.5.Hàm lượng lignin .................................................................................... 48

U Y

2.2.6. Hàm lượng cellulose và hemicellulose .................................................. 49

.Q

2.3. Trình tự nghiên cứu .................................................................................. 50

TP

2.3.1. Sơ đồ quy trình sản xuất bio ethanol .................................................... 50

ẠO

2.3.2 Quá trình tiền xử lý bằng HCl ............................................................... 51 2.3.3. Quá trình thủy phân bằng enzyme ....................................................... 51

G

Đ

2.3.4. Quá trình lên men .................................................................................. 52

N

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .......................................................... 54

H Ư

3.1. Phân tích thành phần vỏ trấu .................................................................. 54

TR ẦN

3.1.1. Thành phần vỏ trấu trước tiền xử lý. ................................................... 54 3.1.2. Thành phần vỏ trấu sau tiền xử lý ........................................................ 55 3.2. Quá trình thủy phân bằng enzyme .......................................................... 56

10 00

B

3.2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ vỏ trấu .................................................................. 56 3.2.2. Ảnh hưởng của pH ................................................................................ 57 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ ........................................................................ 59

Ó

A

3.2.4. Ảnh hưởng của thời gian ....................................................................... 60

H

3.3. Quá trình lên men..................................................................................... 61

-L

Í-

3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ........................................................................ 61 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 64

ÁN

KIẾN NGHỊ ......................................................................................................... 65

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 66

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

vii

N

H

Bảng 1.2: Thành phần các nguyên tố vi lượng trong của các chất trong vỏ trấu ..... 15

Ơ

Bảng 1.1:Các thành phần của lignocellulose trong các phế phẩm nông nghiệp ........ 8

N

DANH MỤC BẢNG BIỂU

U Y

Bảng 2.1: Thành phần dung dịch đường chuẩn ...................................................... 44

.Q

Bảng 2.2: Độ hấp thụ ứng với từn nồng độ glucose chuẩn ..................................... 45

TP

Bảng 2.3: Độ hấp thụ theo nồng độ ethanol ........................................................... 46

ẠO

Bảng 3.1: Thành phần vỏ trấu trước tiền xử lý ....................................................... 54

Đ

Bảng 3.2: Thành phần vỏ trấu sau khi tiền thủy phân ............................................. 55

G

Bảng 3.3: Kết quả thủy phân vỏ trấu theo tỷ lệ nguyên liệu vỏ trấu ....................... 56

H Ư

N

Bảng 3,4: Kết quả thủy phân vỏ trấu theo pH ........................................................ 58 Bảng 3.5: Kết quả thủy phân vỏ trấu theo pH ........................................................ 59

TR ẦN

Bảng 3.6: Kết quả thủy phân vỏ trấu theo thời gian ............................................... 60 Bảng 3.7: Kết quả lên men theo thời gian và nhiệt độ ............................................ 62

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

Bảng 3.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất lên men trong 3 ngày ................. 63

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Ơ

H

Hình 1.2: Công thức hóa học của cellulose ............................................................ 10

N

Hình 1.1 Cấu trúc của lignocellulose ....................................................................... 9

N

Hình 1.3: Các đơn vị cơ bản của lignin .................................................................. 11

U Y

Hình 1.4: Một kiểu cấu trúc của lignin ................................................................... 12

.Q

Hình 1.5: Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin); (b) cathechin ... 13

TP

Hình 1.6: Vỏ trấu ................................................................................................... 14

ẠO

Hình 1.7: Trấu tại nhà máy xay xát lúa gạo............................................................ 16

Đ

Hình 1.8: Các amino acid của cầu nối peptide ....................................................... 25

G

Hình 1.9: Cơ chế quá trình thủy phân .................................................................... 29

N

Hình 1.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thủy phân ................................................ 31

H Ư

Hình 1.11: Ảnh hưởng của pH đến tốc độ thủy phân ............................................. 32

TR ẦN

Hình 1.12: Ảnh hưởng của nồng độ enzyme đến tốc độ thủy phân......................... 32 Hình 1.13 : Ảnh hưởng của nồng độ nguyên liệu đến tốc độ thủy phân ................. 33 Hình 1.14: Quá trình đường phân .......................................................................... 35

10 00

B

Hình 1.15: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát triển của nấm men ....................... 36 Hình 2.1 Vỏ trấu được lấy từ 1 nhà máy xây xát lúa gạo, tỉnh Bình Định. ............. 39

A

Hình 2.2: Saccharomyces cerevisiae nhìn dưới kính hiển vi................................... 40

Ó

Hình 2.3 : Độ hấp thụ với nồng độ glucose chuẩn .................................................. 45

H

Hình 2.4: Đường chuẩn glucose............................................................................. 46

-L

Í-

Hình 2.5: Phản ứng tạo màu giữa Ethanol và K2Cr2O7 ........................................... 47 Hình 2.6: Đường chuẩn Ethanol ............................................................................ 47

ÁN

Hình 2.8: Sơ đồ quy trình nghiên cứu sản xuất ethanol sinh học từ bã mía............. 50

TO

Hình 3.1: Thành phần của vỏ trấu khô trước tiền xử lý .......................................... 54

D

IỄ N

Đ

ÀN

Hình 3.2: Thành phần của vỏ trấu khô sau tiền xử lý ............................................. 55 Hình 3.3: Ảnh hưởng của tỷ lệ vỏ trấu đến hiệu suất thủy phân ............................. 57 Hình 3.4 : Ảnh hưởng của pH đến nồng độ đường ................................................. 58 Hình 3.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến nồng độ đường .......................................... 59 Hình 3.6: Ảnh hưởng của thời gian đến quá nồng độ đường .................................. 61 Hình 3.7: Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ đến quá trình lên men ................... 62 Hình 3.8: Hiệu suất của quá trình lên men theo nhiệt độ ........................................ 63

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 1

H

Ngày nay sức ép từ khủng hoảng dầu mỏ và nhu cầu năng lượng luôn là vấn

Ơ

N

LỜI NÓI ĐẦU

U Y

N

đề nan giải của bất cứ quốc gia nào trên thế giới. Mỹ và Brazil đã thành công trong

.Q

việc sản xuất ethanol từ nguồn sinh học là bắp và mía. Điều này đã khích lệ các

TP

nước khác đầu tư nghiên cứu lĩnh vực nhiên liệu sinh học.

ẠO

Cùng với biodiesel, bioethanol là một nhiên liệu sinh học đang sử dụng rộng

Đ

rãi trên thế giới. Tuy nhiên trong thời gian này bioethanol chủ yếu được sản xuất từ

G

các loại cây lương thực, điều này lại gây ra những vấn đề tranh cãi về việc đảm bảo

H Ư

N

nguồn lương thực cho toàn cầu và mối lo ngại về việc phá rừng để trồng cây phục vụ sản xuất nhiên liệu sinh học lại làm tăng lượng CO2 gây hiệu ứng nhà kính. Vì

TR ẦN

vậy những nghiên cứu gần đây hướng đến việc tìm ra những nguồn nguyên liệu mới cho việc sản xuất bioethanol. Nhiều quốc gia trên thế giới đang nghiên cứu việc sản

B

xuát bioethanol từ phế phẩm nông nghiệp như bã mía, rơm rạ, vỏ trấu, lõi bắp, bã

10 00

khoai mì… những nguồn nguyên liệu này được cho là đầy triển vọng cho sản xuất bioethanol..

Ó

A

Việt Nam hằng năm tạo ra một lượng lớn phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu là

H

lignocellulose từ các vụ mùa và ngành công nghiệp sản xuất mía đường. Tận dụng

-L

Í-

nguồn nguyên liệu này, cụ thể là vỏ trấu để sản xuất bioethanol là một phương pháp sử dụng vỏ trấu một cách hiệu quả đồng thời góp phần giải quyết một phần vấn đề

ÁN

năng lượng cho nước ta.Vì vậy đề tài này nghiên cứu đến việc sử dụng nguồn vỏ

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

trấu vốn rất rẻ và dồi dào để sản xuất bioethanol. Nhiệm vụ của đề tài là “Sản xuất

bioethanol từ vỏ trấu”.

Nhiệm vụ của đề tài bao gồm: + Nghiên cứu để xác định thành phần trong nguyên liệu vỏ trấu. + Nghiên cứu quá trình tiền xử lý nguyên liệu tăng hiệu quả cho thủy phân.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2

+ Nghiên cứu quá trình thủy phân vỏ trấu đã qua tiền xử lý bằng hệ enzyme cytolase để tạo đường.

Ơ

N

+ Nghiên cứu quá trình lên men chuyển hóa thành ethanol.

+ Tìm phương pháp xác định thành phần vỏ trấu.

TP

.Q

+ Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit đến quá trình tiền xử lý.

U Y

N

H

Nội dung thực hiện khảo sát:

ẠO

+ Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố : tỷ lệ vỏ trấu và enzyme, nhiệt độ, pH,

Đ

thời gian đối với quá trình thủy phân.

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

+ Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến quá trình lên men.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

H

Ơ

N

1.1. Tình hình sản xuất bioethanol trên thế giới và trong nước

N

1.1.1.Lịch sử của bioethanol

U Y

Nguyên mẫu đầu tiên của động cơ đốt trong được đưa ra bởi Samuel Morey tại

TP

.Q

Mỹ năm 1826. Điều này được xem là sự bắt đầu của động cơ gasoline nhưng thực tế ông sử dụng ethanol để cấp nguồn năng lượng cho động cơ. Năm 1908, Henry Ford

ẠO

xây dựng mô hình nổi tiếng về xe ô tô (Ford Model T) chạy bằng ethanol [11] .

Đ

Cuối cùng, công nghiệp dầu mỏ “chiến thắng” trong sự cạnh tranh với ethanol. Sự

N

G

thúc đẩy “thương mại hóa” bioethanol trong giao thông vận tải phát triển trong suốt

H Ư

thập niên 1970. Cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 và cuộc cách mạng của

TR ẦN

người Iran vào năm 1978 làm cho giá của dầu gia tăng một cách nhanh chóng, ảnh hưởng lớn đến vấn đề an ninh năng lượng quốc gia. Bioethanol nhiên liệu trở nên có giá trị [12].

10 00

B

Trong những thập niên gần đây, có rất nhiều nghiên cứu về quá trình sản xuất bioethanol từ biomass ở nhiều nơi trên thế giới và đã thu được những thành công

A

nhất định, tạo cơ sở khoa học cần thiết cho sự phát triển của công nghệ sản xuất

H

Ó

bioethanol. Tại Rio de Janeriro (Brazil), Elba P.S. Bon và Maria Antonieta Ferrara

Í-

đã tiến hành nghiên cứu quá trình sản xuất bioethanol từ biomass bằng thủy phân

-L

bởi enzyme.

ÁN

Tại Malaysia, A.B.M.S. Hossain, A.A. Saleh, S. Aishah, A.N. Boyce, P.P.

TO

Chowdhury và M. Naquiddin cũng đã tiến hành nghiên cứu sản xuất bioethanol từ

D

IỄ N

Đ

ÀN

các loại phế phẩm nông nghiệp của tảo, cây ăn quả, cá, gà. Kết quả nghiên cứu cho

thấy quá trình hiệu quả hơn khi dùng phụ phẩm của cây dứa so với phụ phẩm của tảo và cá.

1.1.2. Tình hình sản xuất bioethanol trên thế giới.

Các nhà khoa học của Mỹ vừa tuyên bố đã nghiên cứu thành công quy trình kỹthuật sản xuất bioethanol với khối lượng lớn nhưng không cần dùng nguyên liệu

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 4

lànhững loại cây lương thực mà là từ cỏ, thậm chí từ những bãi phế liệu. Nữ giáo sư trường đại học Georgia, Joy Peterson, đồng thời là Trưởng khoa Năng lượng sinh

Ơ

H

vô cùng cần thiết và hữu ích vì chúng rất dồi dào và sẵn có”. Công trình nghiên cứu

N

học cho biết: “Sản xuất bioethanol từ nguồn năng lượng sinh học tái sinh biomass là

N

trên đã được Quỹ Nghiên cứu khoa học của Trường Đại học Georgia cấp bằng sáng

.Q

U Y

chế.[13]

TP

Hiện Brazil là nước sản xuất bioethanol hàng đầu thế giới. Brazil đã thành công trong việc sản xuất bioethanol theo quy mô công nghiệp từ những năm 1970

ẠO

khi nước này phụ thuộc nặng nề vào dầu nhập khẩu. Tuy rằng có những vấn đề nảy

Đ

sinh, nhưng chương trình này của Brazil được xem như một mô hình thành công

N

G

trong việc phát triển bền vững. Ngày nay, toàn bộ xe hơi ở Brazil sử dụng xăng có

H Ư

pha ít nhất 25% bioethanol, và 60% số xe có khả năng “linh động về nhiên liệu” (có

TR ẦN

thể sử dụng 100% bioethanol làm nhiên liệu), mỗi năm tiết kiệm được trên 2 tỷ USD do không phải nhậpdầu mỏ. Hiện tại, ở nước này có 3 triệu ôtô sử dụng hoàn toàn bioethanol và trên 17 triệu ôtô sử dụng E25 [14] . Brazil sản xuất bioethanol

10 00

B

hầu như chỉ từcây mía. Loại bioethanol này có thể được tinh lọc thêm để pha vào xăng, hoặc dùng làm bioethanol nhiên liệu tinh.

Ó

A

Mỹ cũng đang đầu tư nhiều cho việc tăng sản lượng bioethanol, hiện chiếm

H

5% khối lượng nhiên liệu bán ra ở Mỹ. Đồng thời, Mỹ hiện là quốc gia sản xuất

Í-

bioethanol lớn nhất thế giới (năm 2006 đạt gần 19 tỷ lít, trong đó 15 tỷ lít dùng làm

-L

nhiên liệu - chiếm khoảng 3% thị trường xăng). Năm 2012 dự kiến sẽ cung cấp trên

ÁN

28 tỷ lít bioethanol và biodiesel, chiếm 3.5% lượng xăng dầu sử dụng. [14]

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

Năm 2005, 721 nghìn tấn bioethanol được sản xuất nhằm phục vụ nhu cầu

nhiên liệu vận chuyển ở Châu Âu, tăng khoảng 50% so với năm 2004. Liên minh

châu Âu (EU) đang khuyến khích việc sử dụng nhiên liệu sinh học và hướng tới mục tiêu nhiên liệu sinh học chiếm 5.75% trong tổng lượng xăng dầu bán ra vào năm 2010. [14] Trong tương lai, Colombia bắt buộc những thành phố có dân số trên 50x104 dân phải bán xăng có pha 10% bioethanol. Ở Venezuela, công ty dầu quốc gia đang

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 5

hỗtrợ dự án xây dựng 15 nhà máy chế bioethanol từ mía trong 5 năm tới khi chính

H

2010. Ở Đông Nam Á, Thái Lan đã ban hành luật cho việc sử dụng xăng pha 10%

Ơ

phủCanada nhắm đến việc 45% xăng trong cả nước có pha 10% bioethanol vào năm

N

phủsắp ban hành đạo luật bắt buộc sử dụng xăng E10 (pha 10% bioethanol). Chính

N

bioethanol bắt đầu từ 2007. Ở Ấn Độ, một chương trình bioethanol đã kêu gọi

U Y

người dân sử dụng xăng E5 trên cả nước, tiến tới việc sử dụng xăng E10 và

TP

.Q

E20.[10]

ẠO

1.1.3. Trong nước.

Đ

Ngày 6/4/2005, Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM đã đồng ý hỗ trợ 30,000

N

H Ư

trong lĩnh vực Biomass giai đoạn 2005 - 2007.

G

USD như là kinh phí ban đầu cho nhóm nghiên cứu đề tài nghiên cứu khoa học

Nhóm nghiên cứu đề tài Biomass, xử lý phế phẩm nông nghiệp, do TS. Phan

TR ẦN

Đình Tuấn, trường đại học Bách khoa TP.HCM phụ trách. Biomass là đề tài của nghiên cứu công nghệ xử lý các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp như rơm, rạ,

B

trấu… nhằm sản xuất bioethanol (cồn nguyên liệu), tiến tới xây dựng mô hình “Thị

10 00

trấn Biomass” tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, Tp.HCM. [15]

A

Nhà máy sản xuất bioethanol tại khu kinh tế Dung Quất sẽ được đầu tư xây

H

Ó

dựng bởi Tổng công ty dịch vụ dầu khí (Petrosetco), BSR, PVFC hình thành Công

Í-

ty cổ phần Nhiên liệu sinh học Dầu khí Việt Nam (PCB). Nhà máy được xây dựng

-L

trên diện tích từ 30 - 50 ha, sản xuất bioethanol 99.8% (thể tích), công suất 105

ÁN

m3/năm với nguồn nguyên liệu sắn lát. Nhà máy dự kiến xây dựng vào cuối năm

TO

2010.[16]

D

IỄ N

Đ

ÀN

PVB (Công ty Cổ phần Hóa dầu và Nhiên liệu sinh học Dầu khí) đã đầu tư

xâydựng nhà máy sản xuất bioethanol tại tỉnh Phú Thọ (cách Hà Nội khoảng 80 Km). Tổng vốn đầu tư khoảng 80 triệu USD. Công suất nhà máy khoảng 105 m3 bioethanol/năm. Nguồn nguyên liệu nhà máy chủ yếu là từ sắn lát và cây mía. Dự án mong chờ đi vào hoạt động khoảng giữa năm 2011. [17]

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 6

Công ty cổ phần Đồng Xanh (GFC) đã đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất bioethanol tại xã Đại Tân, huyện Đại Lộc, Quảng Nam từ nguồn nguyên liệu chủ

Ơ

H

99.8% (thể tích), có công suất chạy thử khoảng 50 triệu lít/năm. Sau đó, tiến hành

N

yếu từ củ khoai mì (sắn) và tinh bột. Nhà máy sản xuất bioethanol với độ tinh khiết

N

mở rộng và dự kiến công suất đạt khoảng 100 triệu lít/năm. Sau hơn hai năm thi

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

U Y

công, ngày 02/9/2009 Công ty cổ phần Đồng Xanh đã đi vào hoạt động. [18]

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 7

1.1.4. Triển vọng phát triển của bioethanol.

Hiện nay vấn đề sử dụng bioethanol vào đời sống còn nhiều hạn chế do chưa

N

H

được giá thành sản xuất xuống thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống. Nhưng vượt

Ơ

N

hạ

U Y

lên trên hết, rõ ràng bioethanol vẫn mang lại những lợi ích to lớn, không thể tranh

.Q

cãi nhằm đảm bảo an ninh năng lượng của mỗi quốc gia, xoá đói, giảm nghèo cho

TP

người dân và góp phần chung vào công cuộc giữ gìn, bảo vệ môi trường chung trên

ẠO

thế giới.

Đ

Vì vậy, mặc dù vẫn còn nhiều tranh cãi về sản xuất bioethanol giữa các nhà

G

kinh tế, hoạch định chính sách, khoa học, bảo vệ môi trường xung quanh vấn đề giải

H Ư

N

pháp phòng ngừa, hạn chế, khắc phục những nhược điểm, nhưng tất cả đều đồng ý kết luận:“Phát triển sản xuất bioethanol là tất yếu, nhưng cần nhận thức rõ được cả

TR ẦN

hai mặt của quá trình này và tiến hành hết sức cẩn trọng, nếu không những lợi ích hứa hẹn gặt hái từ bioethanol sẽ không còn”.

10 00

B

1.2. Nguyên liệu lignocellulose.

Lignocellulose là vật liệu biomass phổ biến nhất trên trái đất. Lignocellulose

A

có

H

Ó

trong phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu ở dạng phế phẩm của các vụ mùa; trong sản

Í-

phẩm phụ của công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy; có trong rác thải rắn của thành

-L

phố... Với thành phần chính là cellulose, lignocellulose là một nguồn nguyên liệu to

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

lớn cho việc sản xuất bioethanol. Bã mía là một dạng vật liệu lignocellulose.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 8

40 – 55

24 – 40

18 – 25

Các loại cây gỗ mềm

45 – 50

25 – 35

25 – 35

Vỏ quả

25 – 30

25 – 30

30 – 40

Lõi bắp

45

35

Cây thân cỏ

25 – 40

35 – 50

Giấy

85 – 99

0

Rơm từ cây lúa mì

30

50

Các loại chất thải

60

20

20

Lá cây

15 – 20

80 – 85

0

Hạt bông

80 – 95

5 – 20

0

Giấy báo

40 – 55

25 – 40

18 – 30

60 – 70

10 – 20

5 – 10

35 − 40

20 − 30

25 − 30

TP

ẠO

Đ

G

10 – 30 0 -15 15

10 00

B

Vỏ trấu

15

N H Ư

TR ẦN

Bột giấy

N

Các loại cây gỗ cứng

Ơ

Lignin (%)

H

Hemicellulose (%)

N

Cellulose (%)

U Y

Vật liệu lignocellulose

.Q

Bảng 1.1:Các thành phần của lignocellulosetrong các phế phẩm nông nghiệp[7].

A

1.2.1. Cấu trúc lignocellulose

H

Ó

Thành phần chính của vật liệu lignocellulose gồm 3 phần cơ bản là cellulose,

Í-

hemicellulose, lignin.

-L

Về cơ bản, trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và được

ÁN

bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicellulose và kết dính

TO

như lignin. Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau và liên kết cộng hóa Omethylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin.

D

IỄ N

Đ

ÀN

trị với nhau. Các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid 4

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

9

Hình 1.1 Cấu trúc của lignocellulose

A

Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các sợi này được gắn lại với

H

Ó

nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25 nm. Các

Í-

vi sợi này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự

-L

tấn công của ezyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân. [9]

ÁN

1.2.2. Cellulose

Glucose, có công thức cấu tạo là (C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]ntrong đó n có thể nằm trong khoảng 5000-14000, là thành phần chủ yếu cấu tạo nên vách tế bào thực vật. Tronggỗ lá kim, cellulose chiếm khoảng 41-49%, trong gỗ lá rộng nó chiếm 4352% thể tích.

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

Là hợp chất cao phân tử được cấu tạo từ các liên kết các mắt xích β-D-

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

U Y

N

H

Ơ

N

10

.Q

Hình 1.2: Công thức hóa học của cellulose

TP

Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết Van

ẠO

DerWaals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là kết tinh và vô định hình. Trong

Đ

vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn

N

G

công bởi enzyme cũng như hóa chất. Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose

H Ư

liên kết không chặt với nhau nên dễ bị tấn công. [8]

TR ẦN

Cellulose được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, điều này làm cho cellulose khá bền vững với tác động của enzyme cũng như hóa chất.

B

1.2.3. Hemicellulose

10 00

Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng 70 - 200 DP. Hemicellulose chứa cả đường C6 gồm glucose, mannose,

Ó

A

galactose và đường 5 gồm xylose và arabinose. Thành phần cơ bản của

H

hemicellulose là β-D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β-(1,4). Cấu tạo

-L

Í-

của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy nhiên có một

ÁN

vài điểm chung gồm:

TO

• Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết β-(1,4).

D

IỄ N

Đ

ÀN

• Xylose là thành phần quan trọng nhất.

• Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl-O- liên kết với vị trí 2 hoặc 3.

• Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharide hoặc trisaccharide. Sự liên kết của hemicellulose với các polysaccharide khác và với lignin là nhờ các mạch nhánh này. Cũng vì hemicellulose có mạch nhánh nên tồn tại ở dạng vô định hình và vì thế dễ bị thủy phân.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 11

Bộ khung chính của các chuỗi hemicellulose có thể là một homo polymer (thông thường bao gồm sự lặp lại của các đường đơn) hoặc một heteropolymer (hỗn

Ơ

H

mantose, galactose) và đường pentose (xylose và arabinose). Trong các loại đường

N

hợp của các loại đường khác nhau). Hemicellulose chứa cả đường hexose (glucose,

U Y

N

của hemicellulose thì đường xylose là quan trọng nhất.

.Q

Cấu tạo phức tạp của hemicellulose tạo nên nhiều tính chất hóa sinh và lý sinh

TP

cho cây.

ẠO

1.2.4. Lignin

Đ

Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở. Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng

G

vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose

Hình 1.3: Các đơn vị cơ bản của lignin

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

và hemicellulose. Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn.

D

IỄ N

Đ

ÀN

Lignin là polymer, được cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, vài đơn vị

cấu trúc điển hình được đề nghị là: guaiacyl (G), chất gốc là rượu trans-coniferyl; syringly (S), chất gốc là rượu trans-sinapyl; p-hydroxylphenyl (H), chất gốc là rượu trans-p-courmary.

Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc của nó trong gỗ. Ngoài việc được phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ,

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 12

lignin có thể được phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringly

H

cứu chỉ ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự trương nở của xơ sợi và vì vậy loại

Ơ

Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl. Nghiên

N

lignin.

Hình 1.4:Một kiểu cấu trúc của lignin

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

U Y

N

nguyên liệu đó sẽ khó bị tấn công bởi enzyme hơn syringyl lignin. [7]

-L

Lignin bao gồm vùng vô định hình, các vùng có cấu trúc hình thuôn hoặc hình

ÁN

cầu. Ngoài ra, cả cấu trúc hóa học và cấu trúc không gian của lignin đều bị ảnh

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

hưởng bởi mạng polysaccharide. Bản chất của lignin là kỵ nước.

ưởng đến hoạt tính của lignin là nhóm phenolic hydroxyl tự Nhóm chức ảnh hư

do,methoxy, benzylic hydroxyl, ether của benzylic với các rượu thẳng và nhóm n syringyl. carbonyl. Guaicyl lignin chứa nhiều nhóm phenolic hydroxyl hơn Lignin có liên kết hóa học với thành phần hemicellulose độ bền hóa học của những liên kết này phụ thuộc vào bản chất liên kết và cấu trúc hóa học của lignin và những đơn vị đường tham gia liên kết.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 13

Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và pHthấp như điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nước. Ở nhiệt độ phản ứng

H

Ơ

cellulose. [7]

N

cao hơn 200oC, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi

U Y

N

1.2.5. Các chất trích ly

.Q

Có rất nhiều chất thuộc nhóm thành phần này, chủ yếu là các chất dễ hòa tan.

TP

Các chất trích ly là những chất hoặc có khả năng hòa tan trong những dung môi hữu

ẠO

cơ (như dietyl ether, methyl terbutyl ether, ether dầu hỏa, acetone, ethanol,

Đ

methanol, hexan, toluen) hoặc trong nước. Những chất này có thể có cả tính ưa dầu

G

và ưa nước và không được xem là thành phần cấu trúc của gỗ. Chất nhựa là những

H Ư

N

chất ưa dầu, có lẽ thường chiếm tỉ lệ ưu thế trong chất trích ly.

Chất trích ly thường có màu, mùi và vị khá đặc trưng. Chúng rất quan trọng để

TR ẦN

giữ lại những chức năng sinh học của cây. Đa phần các chất nhựa bảo vệ gỗ khỏi những tổn thương gây ra bởi vi sinh vật hay côn trùng. Terpenoid, steroid, chất béo,

B

và những phần tử phenolic như stilbene, lignan, tamin đều là những chất trích ly.

10 00

Các phenolic có thuộc tính diệt nấm và ảnh hưởng đến màu gỗ. Chất béo và sáp,

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

trong nhiều hệ thống sinh học được tận dụng như là nguồn năng lượng.

Hình 1.5: Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin); (b) cathechin (flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo)

1.2.6.Tro

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 14

Trong các loại gỗ, các nguyên tố khác so với carbon, hydro, oxy và nito chiếm khoảng 0.1-0.5%. Với loại gỗ xứ nhiệt đới con số này có thể là 5%. Hàm lượng chất

Ơ

H

hai loại gỗ mềm và gỗ cứng. Hàm lượng này phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi

N

vô cơ được đo bằng hàm lượng tro của mẫu và nó nằm trong khoảng 0.3-1.5% cho

U Y

N

trường tăng trưởng của cây và vào vị trí trong cây.

.Q

Thành phần vô cơ của biomass thường thực hiện chức năng trong một vài con

TP

đường sinh học ở thực vật. Kim loại vết thường tồn tại ở dạng phức tạp như magnesium trong chlorophyll. Một số chất vô cơ từ muối kim loại tồn tại trong vách

ẠO

tế bào thực vật. Calcium thường là kim loại phong phú nhất sau đó là kali và

G

Đ

magnesium.

Hình 1.6: Vỏ trấu

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

1.3. Vỏ trấu

thôn, vỏ trấu, rơm rạ chủ yếu được đem đốt cháy và tạo nên rất nhiều khói gây ô nhiễm không khí không chỉ ở vùng nông thôn mà lan tỏa sang các khu vực dân cư khác.

Nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh rằng, vỏ trấu nếu

D

IỄ N

Đ

ÀN

Vỏ trấu là sản phẩm phụ trong quá trình xay xát gạo Hiện tại ở các vùng nông

được sử dụng hợp lý sẽ là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng rất tốt cho các loại cây trồng.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 15

Trong số các công trình nghiên cứu đó, đáng chú ý nhất là quá trình nhiệt phân vỏ trấu. Bản chất của quá trình này là sự đốt cháy thiếu oxy vỏ trấu. Sản phẩm tạo

Ơ

H

potassium (K), calcium (Ca), magnesium (Mg), và các nguyên tố vi lượng quan

N

thành của quá trình nhiệt phân là các hạt xốp màu đen có chứa: phosphorous (P),

.Q

trùng và ức chế sự phát triển của các sinh vật gây bệnh cho cây trồng.

U Y

N

trọng cần thiết cho sự phát triển của cây trồng. Ngoài ra, nó còn có tác dụng diệt

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

Bảng 1.2: Thành phần các nguyên tố vi lượng trongcủa các chất trong vỏ trấu

A

Qua hai bảng thành phần trên, vỏ trấu chứa khoảng 20 % thành phần vô cơ và

Ó

80% thành phần hữu cơ. Khi chưa được nhiệt phân, thành phần lignin, cellulose cao

Í-

H

trong vỏ trấu sẽ rất khó phân hủy. Khi nhiệt phân, sẽ diễn ra quá trình phân hủy các

-L

chất hữu cơ như lignin, cellulose và để lại một lượng dư các chất dinh dưỡng và

ÁN

khoáng chất.

TO

Năm 2011 sản lượng gạo mà Việt Nam sản xuất được là khoảng 6 triệu tấn

D

IỄ N

Đ

ÀN

gạo. Trung bình từ 100 kg gạo trắng, từ quá trình xay xát sẽ tạo ra khoảng 15 kg vỏ trấu. Như vậy hang năm ở nước ta với sản lượng trung bình 6 triệu tấn gạo sẽ tạo ra nguồn vỏ trấu là khoảng 1 triệu tấn vỏ trấu. Ở các nước sản xuất gạo khác như Mỹ, Philippin. Vỏ trấu được tận dụng tối đa và được sản xuất tạo ra những sản phẩm có giá trị.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 16

Tại Mỹ có nhà máy AgritTecSorbents LSS Plant hoạt động vào năm 2002, nhà mày này sử dụng nguyên liệu vỏ trấu để sản xuất than hoạt tinh và Silicagen. Tại

Ơ

H

tiếp cho cây lúa. Đặc biệt ở Nhật Bản, vỏ trấu nhiệt phân đã được sử dụng từ những

N

Philippin, Ấn Độ, Nhật, Thái Lan vỏ trấu được nhiệt phân và được sử dụng bón trực

U Y

N

năm 1910.

.Q

1.3.1. Nguồn vỏ trấu ở Việt Nam

TP

Việt nam là nước có nền văn minh lúa nước rất lâu đời, từ lâu cây lúa đã gắn

ẠO

liền với đời sống của nhân dân. Không những hạt lúa được sử dụng làm thực phẩm

Đ

chính, mà các phần còn lại sau khi đã thu hoạch lúa cũng được người dân tận dụng

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

trở thành những vật liệu có ích trong đời sống hàng ngày.

Hình 1.7: Trấu tại nhà máy xay xát lúa gạo

-L

Ví dụ rơm được sử dụng lợp nhà, cho gia súc ăn, làm chất đốt, hoặc ủ làm

ÁN

phân. Trấu được sử dụng làm chất đốt hay trộn với đất sét làm vật liệu xây dựng…

TO

Không những trấu được sử dụng làm chất đốt trong sinh hoạt hàng ngày mà còn

D

IỄ N

Đ

ÀN

được sử dụng như là một nguồn nguyên liệu thay thế cung cấp nhiệt trong sản xuất với giá rất rẽ.

Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát.

Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro (Theo Energy Efficiency Guide for Industry in Asia– www.energyefficiencyasia.org ). Chất hữu cơ chứa chủ yếu

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 17

cellulose, lignin và Hemi – cellulose (90%), ngoài ra có thêm thành phần khác như hợp chất nitơ và vô cơ. Lignin chiếm khoảng 25-30% và cellulose chiếm khoảng

Ơ

H

các loài sinh vật không thể sử dụng trực tiếp được, nhưng các thành phần này lại rất

N

35-40% Các chất hữu cơ của trấu là các mạch polycarbohydrat rất dài nên hầu hết

N

dễ cháy nên có thể dùng làm chất đốt. Sau khi đốt, tro trấu có chứa trên 80% là silic

.Q

U Y

oxyt, đây là thành phần được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực. (wikipedia Việt Nam)

TP

1.3.2. Hiện trạng sử dụng năng lượng từ vỏ trấu ở Việt Nam

ẠO

1.3.2.1.Sử dụng làm chất đốt

Đ

Từ lâu, vỏ trâu đã là một loại chất đốt rất quen thuộc với bà côn nông dân, đặc

N

G

biệt là bà con nông dân ở vùng đồng bằng sông Cửu Long. Chất đốt từ vỏ trấu được

TR ẦN

gạch, sấy lúa) nhờ những ưu điểm sau:

H Ư

sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt (nấu ăn, nấu thức ăn gia súc) và sản xuất (làm

+ Trấu có khả năng cháy và sinh nhiệt tốt do thành phần có 75% là chất xơ: Theo bảng thì 1kg trấu khi đốt sinh ra 3400 Kcal bằng 1/3 năng lưọng đưọc tạo ra từ

10 00

B

dầu ra dầu nhưng giá lại thấp hơn đến 25 lần (năm 2006).

Theo bảng trên thì 1kg trấu khi đốt sinh ra 3400 Kcal bằng 1/3 năng lưọng

Ó

A

đưọc tạo ra từ dầu ra dầu nhưng giá lại thấp hơn đến 25 lần (năm 2006).

H

+ Trấu là nguồn nguyên liệu rất dồi dào và lại rẻ tiền: Sản lượng lúa năm 2007

-L

Í-

cả nước đạt 37 triệu tấn, trong đó, lúa đông xuân 17,7 triệu tấn, lúa hè thu 10,6 triệu

ÁN

tấn, lúa mùa 8,7 triệu tấn.[20]

TO

Như vậy lượng vỏ trấu thu được sau xay xát tương đương 7,4 triệu tấn. Còn

D

IỄ N

Đ

ÀN

theo TS Phạm Văn Lang (Báo Công nghiệp Việt Nam - số 35/2006) thì sản lượng trấu có thể thu gom được ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long lên tới 1,4-1,6 triệu

tấn (2006). + Nguyên liệu trấu có các ưu điểm nổi bật khi sử dụng làm chất đốt: Vỏ trấu sau khi xay xát ở luôn ở rất dạng khô, có hình dáng nhỏ và rời, tơi xốp, nhẹ, vận chuyển dễ dàng. Thành phần là chất xơ cao phân tử rất khó cho vi sinh vật sử dụng nên việc bảo quản, tồn trữ rất đơn giản, chi phí đầu tư ít.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 18

Chính vì các lý do trên mà trấu được sử dụng làm chất đốt rất phổ biến. Trong sinh hoạt người dân đã thiết kế một dạng lò chuyên nấu nướng với chất đốt là trấu.

Ơ

H

hiện nay vẫn còn được sử dụng rộng rãi ở nông thôn.Đối với sản xuất tiểu thủ công

N

Lò này có ưu điểm là lượng lửa cháy rất nóng và đều, giữ nhiệt tốt và lâu. Lò trấu

N

nghiệp và chân nuôi, trấu cũng đưọc sử dụng rất thường xuyên. Thông thường trấu

U Y

là chất đốt dùng cho việc nấu thức ăn nuôi cá hoặc lợn, nấu rượu và một lượng lớn

.Q

trấu được dùng nung gạch trong nghề sản xuất gạch tại khu vực đồng bằng sông

TP

Cửu Long.

Đ

ẠO

1.3.2.2. Các ứng dụng khác của vỏ trấu

G

•Sử dụng nhiệt lượng của trấu sản xuất điện năng: Với khá năng đốt cháy

H Ư

N

mạnh và rẻ, có thể ứng dụng hơi nóng sinh ra khi đốt nóng không khí bằng trấu để làm quay tua bin phát điện. Theo tính toán mỗi kg trấu có thể tạo được 0,125kW giờ

TR ẦN

điện và 4 kW giờ nhiệt, tùy theo công nghệ (Thăng Long, Báo Công nghiệp Việt Nam - số 35/2006). Ứng dụng này được áp dụng chế tạo máy phát điện loại nhỏ cho

10 00

B

các khu vực vùng sâu vùng xa.

•Sử dụng làm vật liệu xây dựng: Võ trấu nghiền mịn và có thể được trộn với

A

các thành phần khác như mụn dừa, hạt xốp, xi măng, phụ gia và lưới sợi thuỷ tinh.

Ó

Trọng lượng của vật liệu nhẹ hơn gạch xây thông thường khoảng 50% và có tính

Í-

H

cách âm, cách nhiệt và không thấm nước cao. Đây là vật liệu thích hợp với các vùng

-L

như miền Tây, miền Trung bị ngập úng, lũ lụt và nền đất yếu. Sau khi sử dụng có

ÁN

thể nghiền nát để tái chế lại. Hiện nay đã có công ty sản xuất thương mại loại vật

TO

liệu này ứng dụng vào thực tế (theo http://wedo.com.vn/Ky-Thuat-bai765.htm , Sài

D

IỄ N

Đ

ÀN

gòn tiếp thị).

•Sử dụng tro trấu sản xuất ôxyt silic: Tro của trấu sau khi đốt cháy có hơn

80% là silic oxyt. Ôxyt silic là chất được sự dụng khá nhiều trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, thời trang, luyện thủy tinh,… Vấn đề tận dụng ôxyt silic trong vỏ trấu hiện đang đưọc rất quan tâm, mục đích là thu được tối đa lượng silic với thời

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 19

gian ngắn. Hiện nay đã có công trình nghiên cứu về trích ly ôxyt silic bằng NaOH thành công mang lại hiệu quả kinh tế cao (theo Việt Thắng, Tech Monitor, 9/2003).

Ơ

N

H

còn có thể dùng làm thiết bị lọc nước, thiết bị cách nhiệt, làm chất độn, giá thể trong

N

•Một số ứng dụng khác của vỏ trấu: Không dừng ở các ứng dụng trên, vỏ trấu

U Y

công sản xuất meo giống, dùng đánh bóng các vật thể bằng kim loại, tro trấu có thể

.Q

dùng làm phân bón...

TP

Trấu có thể được ứng dụng rất đa dạng trong đời sống của con người Việt

ẠO

Nam. Trấu có ưu thế rất lớn về nguồn nguyên liệu và giá thành nên việc nghiên cứu

Đ

sử dụng trấu vào sản xuất luôn mang lại hiệu quả kinh tế cao và tiết kiệm chi phí.

G

Thực tế hiện nay một số tỉnh nhất là ở đồng bằng sông Cửu Long lượng trấu vẫn

H Ư

N

còn rất dồi dào nên cần lưu ý tăng cường việc nghiên cứu ứng dụng nguồn nguyên liệu này nhằm mở rộng khả năng sử dụng trấu vừa tiết kiệm chi phí sản xuất, vừa có

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

lợi cho môi trường.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 20

1.4. Quá trình sản xuất bioethanol từ vỏ trấu

Ơ

N

1.4.1. Tổng quát quá trình

.Q

U Y

N

H

Xác định thành phần

Vỏ trấu

G

Thủy phân

Đ

Thủy phân và lên men

ẠO

TP

Tiền xử lý

H Ư

N

Enzyme

Khảo sát sự ảnh hưởng đến thủy phân

TR ẦN

Men Khảo sát sự ảnh hưởng đến lên men

Ethanol

H

Ó

1.4.2. Tiền xử lý

A

10 00

B

Chưng cất

Í-

Mục đích của quá trình tiền xử lý:

ÁN

-L

− Tăng vùng vô định hình của cellulose

TO

− Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass

D

IỄ N

Đ

ÀN

− Phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose.

Để chuyển hóa các carbohydrate (cellulose và hemicellulose) trong lignocellulose thành ethanol, các polymer phải bị bẻ gãy thành những phân tử đường nhỏ hơn trước khi vi sinh vật có thể hoàn tất quá trình chuyển hóa. Tuy nhiên, bản chất của cellulose lại là rất bền vững trước sự tấn công của enzyme, nên bước tiền xử lý là bắt buộc để quá trình đường hóa glucose có thể diễn ra tốt.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 21

Cellulose ban đầu có thể bị phá hủy bởi acid mà không cần được tiền xử lý. Tuy nhiên, trong luận văn này chỉ đề cập đến việc thủy phân lignocellulose bằng

H

Những yếu tố về cấu trúc và thành phần ảnh hưởng đến khả năng chống lại sự

Ơ

N

enzyme.

U Y

N

tấn công của enzyme của lignocellulose gồm có:

.Q

• Cấu trúc tinh thể của cellulose: cellulose tự nhiên hình thành cấu trúc tinh thể

TP

chống lại được sự tấn công của enzyme. Trong một bài báo của mình, Fan và cộng

ẠO

sự [8] ước tính rằng tỉ lệ cellulose tinh thể là 50-90%. Tuy nhiên, không có sự liên

Đ

quan giữa mức độ tinh thể của cellulose và khả năng phân hủy enzyme đối với vỏ

G

trấu.

H Ư

N

• Sự bao bọc của lignin quanh cellulose: lignin cùng với hemicellulose tạo thành cấu trúc mô vững chắc cực kì. Những mô được bền hóa với lignin tương tự

TR ẦN

như

nhựa

được gia cố bằng sợi, trong đó lignin đóng vai trò kết dính những sợi cellulose.

B

Trong thiên nhiên, lignin bảo vệ cellulose khỏi những tác động của môi trường và

10 00

khí hậu. Lignin là yếu tố ngăn cản sự tấn công của enzyme đến cellulose được công nhận nhiều nhất. Theo có nhà nghiên cứu cho rằng khả năng thủy phân

Ó

A

của enzyme tăng khi 40-50% lignin bị tách. Tuy nhiên, phải thừa nhận rằng, không

H

có nghiên cứu nào tiến hành loại bỏ lignin mà không kèm theo sự phân hủy

-L

Í-

hemicellulose. Ngay cả trong phương pháp tiền xử lý nguyên liệu bằng kiềm ở nhiệt độ thấp, loại bỏ được 70% lignin thì cũng có 5% hemicellulose bị hòa tan. Vì

ÁN

vậy, những thí nghiệm trên cũng không hoàn toàn cho thấy ảnh hưởng của việc

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

loại bỏ lignin riêng lẻ. [8] • Bề mặt tiếp xúc tự do của cellulose: liên quan đến bề mặt tiếp xúc của

cellulose với enzyme, và thể tích xốp. Stone et al giả thiết rằng tốc độ đầu của quá trình thủy phân là hàm của bề mặt tiếp xúc tự do. Grethleinetal cho rằng thể tích lỗ xốp chứ không phải độ kết tinh của cellulose mới ảnh hưởng đến tốc độ đầu. Tuy nhiên, bề mặt tiếp xúc tự do này có liên quan đến độ kết tinh và sự bảo vệ của lignin. [8]

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 22

• Sự hiện diện của hemicellulose: cũng như lignin, hemicellulose tạo thành lớp bảo vệ xung quanh cellulose. Knappert và cộng sự, trong nghiên cứu xử lý bằng

Ơ

H

sulfuric với gỗ dương cho thấy khả năng thủy phân tăng theo tỉ lệ hemicellulose bị

N

acid

N

loại bỏ. Grohman, thí nghiệm tiền xử lý vỏ trấu bằng acid, kết quả cho thấy

U Y

việc loại bỏ hemicellulose sẽ gia tăng đáng kể khả năng thủy phân vỏ trấu. Họ cho

.Q

rằng, việc loại bỏ lignin là không cần thiết, tuy rằng nếu đạt được thì rất tốt. Trong

TP

khi đó, hemicellulose được chứng minh là ngăn cản quá trình tấn công của enzyme

ẠO

vào vỏ trấu. Tuy nhiên, trong những thí nghiệm này, lignin tuy không bị loại bỏ

Đ

nhưng lại có thể bị đông hoặc chảy ra một phần, làm giảm khả năng bao bọc

H Ư

việc loại bỏ riêng lẻ hemicellulose. [8]

N

G

cellulose của nó. Vì thế những thí nghiệm trên chưa cho thấy được hiệu quả của

TR ẦN

• Mức độ acetyl hóa của hemicelluloses: Đây là yếu tố ít được quan tâm, xylan, loạihemicellulose chính trong gỗ cứng và cây thân cỏ bị acetyl hóa với tỉ lệ

B

rất cao. Ảnh hưởng này tồn tại đến khoảng 75% hemicellulose bị deacetyl hóa. [8]

10 00

Sau đây là một số công nghệ tiền xử lý phổ biến:

A

1.4.2.1. Các phương pháp tiền xử lý hóa học:

H

Ó

Sử dụng tác động của hóa chất trong quá trình. Gồm có các quá trình chính:

Í-

• Với acid: gồm các phương pháp xử lý với acid loãng.Trong đó, acid sulfuric

-L

đã được nghiên cứu kĩ lưỡng nhất, hiển nhiên vì nó rẻ và hiệu quả. Tuy nhiên, vấn

ÁN

đề gặp phải trong xử lý acid là thiết bị phải chịu được ăn mòn cao và lượng thạch

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

cao (CaSO4) sinh ra nhiều từ quá trình trung hòa acid với CaOH. • Với kiềm: đã có rất nhiều nghiên cứu liên quan, chủ yếu là về xút hoặc xút

cùngcác hóa chất khác. Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học cho rằng, dựa trên chi phí hóa chất, thì vôi tôi là hóa chất thích hợp. Detroyetal cho thấy rằng amonia lỏng có phần hiệu quả trong việc tăng khả năng thủy phân bã rắn, nhưng ethylenediamine có thể còn hiệu quả hơn.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 23

• Ngoài ra còn có những phương pháp như xử lý với dung môi hữu cơ: dùng dungmôi như ethanol, methanol, acetone để hòa tan lignin; xử lý bằng khí SO2, khí

H

Ơ

nghiệm.

N

CO2, NH3 … Các quy trình này hiện nay chỉ được sử dụng ở quy mô phòng thí

U Y

N

1.4.2.2. Các phương pháp tiền xử lý cơ học

.Q

Các phương pháp thuộc nhóm này không sử dụng hóa chất trong quá trình xử

TP

lý. Gồm các phương pháp như: nghiền nát, rọi bằng những bức xạ năng lượng cao,

ẠO

xử lý thủy nhiệt và nổ hơi...

Đ

1.4.3. Thủy phân

TR ẦN

H Ư

N

G

Phương trình phản ứng

1.4.3.1. Ezyme cellulase

B

a) Khái niệm

10 00

Là loại enzyme được sản xuất từ nấm mốc, vi khuẩn hoặc vi sinh vật đơn bào có vai trò xúc tác cho phản ứng thủy phân cellulose. Enzyme cellulose là một phức

Ó

A

hệ enzyme rất phức tạp, các loại enzyme lần lượt cắt phân tử cellulose để tạo ra sản

Í-

H

phẩm cuối cùng là glucose. [19]

-L

Người ta thống kê được có hơn 60 loại nấm mốc có khả năng tạo cellulose,

ÁN

gồm có các loại chính là nấm mục trắng, nấm nâu, nấm mền. Các loại nấm mốc

TO

thuộc nhóm nấm mục trắng có thể phân huy cả cellulose và lignin.

D

IỄ N

Đ

ÀN

b) Yêu cầu đối với cellulase Sự phát triển của quá trình chuyển hóa biomass – một nguồn nguyên liệu thô,

ít giátrị, thành ethanol thông qua quá trình lên men đặt ra yêu cầu một số bước đặc biệt là việc sản xuất enzyme cellulase cần phải được tối ưu. Sản xuất cellulase quan trọng vì việc thủy phân cellulose có hiệu quả cần một lượng lớn enzyme cellulase (1kg cellulase cho 50 kg cellulose). Giá của enzyme này khá cao từ 0,3 đến 0,81

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 24

dollar/gam. Quá trình sản xuất cellulase gặp hai vấn đề chính: sự sinh trưởng và phát triển chậm của nấm mốc và quá trình tách cellulase ra khỏi nấm mốc tốn rất

H

Để quá trình sản xuất ethanol có thể được xây dựng với quy mô lớn, vấn đề

Ơ

N

nhiều thời gian. [8]

U Y

N

được đặt ra là hoạt tính của enzyme cellulase phải cao hơn loại enzyme đang được

.Q

sản xuất từ nấm mốc. Hiện nay, yêu cầu cụ thể đặt ra với enzyme là cellulase phải

TP

có giá thành rẻ, hoạt tính đặc hiệu cao, độ ổn định cao, chịu được pH và nhiệt độ.

ẠO

[8]

Đ

c) Các nguồn sản xuất cellulase

G

Người ta thống kê được có hơn 60 loại nấm mốc có khả năng tạo cellulase,

H Ư

N

gồm cócác loại chính là nấm mềm (soft-rot), nấm nâu (brown-rot) và nấm mục hủy cả cellulose và lignin. [8] d) Cấu trúc enzyme cellulase[8]

TR ẦN

trắng(white-rot). Các loại nấm mốc thuộc nhóm mục trắng (white-rot) có thể phân

10 00

B

Vào thập niên 1970, nhờ những phát triển trong lĩnh vực hóa sinh và sinh học phân tử, người ta có thể nghiên cứu được cấu trúc của cellulase thông qua giống

A

nấm mốc Trichoderma reesi. Đây là chủng nấm mốc phổ biến sản sinh ra enzyme

H

Ó

cellulase. Vào cuối những năm 1980, Abuja et al đã đề nghị cấu trúc bậc 3 của

Í-

Trichoderma reesei CBH I (enzyme thủy phân cellobiose I – cellobiohydrolase I) và

-L

CBH II. Trong đó, enzyme gồm:

ÁN

• Trung tâm xúc tác (CD: catalytic domain) với kích thước lớn

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

• Trung tâm tạo liên kết với cellulose (CBD: cellulose binding domain) có

kíchthước nhỏ hơn. Nghiên cứu cấu trúc của trung tâm tạo liên kết với cellulose

CBD của CBH I cho thấy đây là một chuỗi polypeptide gồm có 36 amino acid và có một mặt thể hiện tính chất kỵ nước mạnh. Về mặt lý thuyết, có thể kết luận rằng CBD có vai trò quan trọng trong việc ổn định sự liên kết tạm thời giữa cellulase và bề mặt cellulose. Trên bề mặt cellulose có vùng kỵ nước là do sự sắp xếp chặt chẽ và

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 25

do liên kết hydrogen mạnh giữa các mạch cellulose, góp phần ngăn cản, không cho các phân tử lớn như nước xâm nhập vào cấu trúc này. Chính tương tác giữa hai

H

Ơ

cellulose.

N

vùng có tính chất kỵ nước của cellulose và CBD mà enzyme được liên kết với

U Y

N

• Cầu nối peptide: có tác dụng liên kết hai trung tâm này lại với nhau. Đối với

.Q

enzyme cellulase, cầu nối peptide là một vùng ái đường, được cấu tạo bởi các

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

amino acid serine, threonin và proline.

TR ẦN

Hình 1.8: Các amino acid của cầu nối peptide Cấu trúc của cellulase là như nhau về mặt cấu trúc với mọi nguồn gốc hình

B

thành.

10 00

e) Cơ chế hoạt động của enzyme

Hoạt động của enzyme được biểu hiện trong trung tâm hoạt động. Trung tâm

Ó

A

hoạt động của enzyme có cấu trúc không gian tương ứng với vỏ trấu mà chúng tham

H

gia. Phản ứng không có sẵn mà được hình thành trong quá trình enzyme tiếp xúc

-L

Í-

với vỏ trấu giống như chìa khóa vào ổ khóa tạo thành enzyme – vỏ trấu (E-S).

ÁN

Cơ chế tác động của enzyme vào vỏ trấu qua ba giai đoạn: [8]

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

− Giai đoạn 1: Enzyme tương tác với vỏ trấu bằng những liên kết yếu tạo thành

phức enzyme - vỏ trấu (E-S).

− Giai đoạn 2: Khi vỏ trấu tạo phức với enzyme sẽ bị thay đổi cấu hình không

gian và mức độ bền vững các liên kết. Các liên kết bị phá vỡ và tạo ra sản phẩm. Phức enzyme – vỏ trấu (E-S) sẽ được tách ra. − Giai đoạn 3: Enzyme sẽ được giải phóng, vỏ trấu sẽ chuyển thành sản phẩm

và tách khỏi enzyme.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 26

Phản ứng tổng quát:

N

E + S ↔ E-S → E + P

H

Ơ

Trong đó: E-enzyme; S-vỏ trấu; P-sản phẩm.

U Y

N

1.4.3.2. Cơ chế quá trình thủy phân

.Q

Quá trình tác dụng của enzyme cellulase có thể chia thành các giai đoạn sau:

TP

a. Quá trình hấp thụ enzyme lên xơ sợi

ẠO

Có hai yếu tố quyết định năng lượng hấp thụ của protein lên bề mặt phân chia

Đ

pha rắn/lỏng là bản chất của bề mặt và lực liên kết giữa các phân tử. Những tương

G

tác này thường không mang bản chất cộng hóa trị, nói cách khác các tương tác này

H Ư

N

thường tạo thành do liên kết hydro, lực tĩnh điện hoặc là tương tác giữa các nhóm kỵ nước. Các phân tử protein hay các ion có khối lượng phân tử thấp đã hấp phụ

TR ẦN

trước trên bề mặt sẽ có ảnh hưởng đến sự hấp phụ mới. Lực tĩnh điện góp phần vào việc hấp phụ các protein (enzyme) lên bề mặt phân pha, tuy nhiên không phải là yếu

B

tố quyết định quá trình hấp phụ của protein.

10 00

Protein là một polymer lưỡng cực, chứa cả điện tích dương và âm, điều này làm cho protein có bản chất của một phân tử hoạt động bề mặt. Phần kỵ nước trong

Ó

A

phân tử protein là những nhóm chứa nhân thơm như tryptophane, phenylalanine và

H

tyrosine. Thông thường, khi phân tử protein bị gấp khúc, các aminoacid mang nhóm

-L

Í-

kỵ nước sẽ được giấu vào bên trong. Tuy nhiên, cũng có một vài phần kỵ nước

ÁN

được sắp xếp tại bề mặt ngoài của phân tử protein. Chính các phần này tạo liên kết với các vỏ trấu mang bản chất kỵ nước nhờ vào tương tác của các phân tử kỵ nước

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

và liên kể hydro. Ái lực của protein sẽ tăng khi bản chất kỵ nước trong phân tử

protein tăng mặc dù điều này sẽ ảnh hưởng đến tương tác tĩnh điện.

Bề mặt cellulose mang bản chất kỵ nước do giữa các mạch tạo liên kết hydro (không còn nhóm phân cực tự do). Cellulose tinh khiết không chứa nhóm mang điện. Trong thực tế, điện tích bề mặt của các chất sẽ được tạo thành khi có sự phân bố các ion từ bề mặt đó. Ví dụ, các bề mặt tiếp xúc với nước thường mang điện âm.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 27

Tùy thuộc vào tính chất của protein và bề mặt hấp phụ mà tương tác tĩnh điện hay tương tác của các nhóm kỵ nước sẽ đóng vai trò quyết định cho quá trình.

Ơ

H

đến sự hấp phụ không chọn lọc lên cả cellulose và lignin. Nhiều nghiên cứu đã chỉ

N

Điện tích của cellulase và sự hiện diện của nhóm không phân cực có thể dẫn

U Y

N

ra rằng, cellulose hấp phụ lên cả lignin trong vật liệu lignocellulase. Ngoài ra, đối

TP

liên kết, enzyme này hấp phụ khá mạnh lên lignin đã được tách riêng.

.Q

với β-glucosidase không giống các enzyme cellulase khác, không có trung tâm tạo

ẠO

Cần hạn chế tối đa hấp phụ không chọn lọc của cellulase lên lignin nếu muốn

Đ

ứng dụng quá trình thủy phân enzyme một cách kinh tế. Về mặt lý thuyết, công

G

nghệ protein có thể làm thay đổi cấu trúc của cellulase để làm cho enzyme này hấp

H Ư

N

phụ chọn lọc hơn. Tuy nhiên, khả năng hấp phụ của cellulase lên vùng cellulose kết tinh là yếu tố quan trọng trong quá trình thủy phân, vì vậy các tác động lên cấu trúc

TR ẦN

cần được tránh. Hiện tại, vẫn chưa có nghiên cứu nào thành công trong việc thay đổi cấu trúc chuỗi amino acid của cellulase để làm cho enzyme này thủy phân vật

10 00

B

liệu lignoncellulose hiệu quả hơn.

b. Quá trình tạo liên kết giữa cellulose và cellulase

A

Cellulase tương tác với bề mặt cellulose thông qua trung tâm tạo liên kết của

Ó

cellulose CBD và trung tâm hoạt động chính CD. Cellulase tạo liên kết với cellulose

Í-

H

là nhờ vào trung tâm tạo liên kết CBD. Đối với các chủng T.reesi, CBD là trung tâm

-L

gồm các phân tử nhỏ, gồm 36 amino acid. Thồng thường, trung tâm liên kết có 3

ÁN

amino acid tyrosine, chịu trách nhiệm cho việc liên kết với cellulose. Khác biệt giữa

TO

các loại enzyme sẽ dẫn đến ái lực khác nhau trong quá trình hấp phụ của các

D

IỄ N

Đ

ÀN

enzyme này lên vỏ trấu. c. Cơ chế tác động liên hiệp đồng của các enzyme Những năm 1954, Gilligan và Reese đã chỉ ra rằng việc pha trộn cellulose từ

các nguồn nấm mốc khác nhau có thể làm tăng lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân. Từ đó, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm mô tả quá trình tác động hiệp đồng của các enzyme endo, exo cellulase.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 28

Nghiên cứu về tác động hiệp đồng của endo-exo công bố đầu tiên năm 1980.

Sự tác động hiệp đồng của endo-exo có thể nói là nhằm mục đích tạo bề mặt tấn

Ơ

H

cắt mạch (cellulodextrin) có đầu là nhóm khử (C chứa OH hemiacetal) hoặc không

N

công mới cho exoglucanse. Enzyme exo thường tấn công vào những cellulose đã bị

N

khử. Enzyme endo lại tấn công ngẫu nhiên vào giữa mạch cellulose tạo thành các

U Y

cellodextrin, là các chất thích hợp cho enzyme exo. Exoglucanse có những loại

.Q

enzyme tấn công đặc trưng tùy theo tính chất khủ được hay không khử được của

TP

nhóm đầu mạch.

ẠO

Ngoài ra, cũng có nhiều nghiên cứu về sự tác động hiệp đồng của các enzyme

Đ

endo, exo có nguồn gốc nấm mốc và vi khuẩn. Dựa trên các nghiên cứu này,

H Ư

tạo được một hệ enzyme có tác động mong muốn.

N

G

enzyme cellulase có thể được pha trộn với thành phần từ các nguồn khác nhau nhằm

TR ẦN

Cơ chế quá trình thủy phân được tóm tắt như sau: Enzyme endo-cellulase tấn công ngẫu nhiên vào mạch cellulose nhờ liên kết

10 00

B

bằng tương tác giứa CBD với cellulose, tạo thành các oligosaccharide.

Enzyme exo-cellulase tấn công vào cellulose và cả oligomer từ đầu đường

Ó

H

có lẫn cả glucose.

A

khử và không khử thông qua tương tác của CBD với cellulose, tạo thành cellobiose,

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

β-glucosidase tấn công cellobiose và oligosaccharide tan, tạo glucose.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

29

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

Hình 1.9: Cơ chế quá trình thủy phân

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 30

1.4.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng quá trình thủy phân.

N

H

công củacác tác nhân thủy phân. Ngay cả quá trình thủy phân cellulose tinh khiết,

Ơ

Cấu trúc tự nhiên của lignocellulose tạo ra nhiều cản trở đến quá trình tấn

N

a) Ảnh hưởng của cấu trúc nguyên liệu

U Y

tốc độ thủy phân cũng giảm theo thời gian. Tốc độ phản ứng giảm dần theo thời

.Q

gian vì một số lý do sau: sự ức chế enzyme do sản phẩm, sự giảm của các phần vỏ

TP

trấu dễ thủy phân, enzyme bị bất hoạt hoặc bị giữ lại trong các lỗ xốp của cellulose.

ẠO

Hiệu suất quá trình thủy phân bị ảnh hưởng mạnh bởi tính chất của nguồn

Đ

nguyênliệu. Một cách tổng quát, gỗ mềm thường khó thủy phân hơn gỗ cứng. Cấu

G

trúc của nguyên liệu và cơ chế tác động của enxyme và vỏ trấu là hai yếu tố chính

H Ư

N

làm hạn chế hiệu suất quá trình thủy phân.

TR ẦN

Khả năng tiếp cận vật liệu lignocellulosic của cellulase đóng vai trò quan trọng trong quá trình thủy phân. Cellulose có bề mặt trong và ngoài, bề mặt ngoài bao gồm bề mặt bao quanh các xơ sợi, bề mặt trong là bề mặt do các mao quản bên

10 00

B

tron xơ sợi tạo thành. Nếu cellulose không được tiền xử lý, hiệu quả thủy phân thấp.

Xử lý loại bỏ hemicelluose (bằng tiền xử lý acid) sẽ làm tăng khả năng thủy phân

A

cellulose (theo nghiên cứu của Grohmann). Grethlein đã giải thích rằng loại bỏ

H

Ó

hemicellulose sẽ làm tăng cấu trúc xốp đồng thời tăng bề mặt cellulose, làm cho

Í-

enzyme dễ tấn công hơn. Kích thước của các lỗ xốp lại liên quan đến độ trương nở

-L

của vật lịêu. Thật vậy, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi làm khô vật liệu

ÁN

lignocellulose, các mao quản sẽ bị mất đi, điều này làm giảm kích thước lỗ xốp và

TO

vì vậy hiệu suất quá trình thủy phân giảm rõ rệt. Hàm lượng và sự phân bố của

D

IỄ N

Đ

ÀN

lignin trong cấu trúc vật liệu có ảnh hưởng tới khả năng thủy phân của vật liệu đó.

Hiệu suất thủy phân thu được khá cao đối với các nguyên lịêu đã được loại bỏ gần hết lignin. b)Ảnh hưởng của nhiệt độ Giống như nhiều phản ứng enzyme khác, phản ứng thủy phân cellulose bằng

enzyme cellulase chịu ảnh hưởng lớn của nhiệt độ. Tốc độ phản ứng thủy phân tăng

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 31

theo nhiệt độ, tuy nhiên đến một nhiệt độ nhất định, tốc độ phản ứng sẽ giảm dần và

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

đến mức triệt tiêu.

H Ư

Hình 1.10:Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thủy phân

TR ẦN

Người ta thường sử dụng hệ số nhiệt Q10 để biểu thị ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốcđộ phản ứng. Nhiệt độ tương ứng với tốc độ phản ứng enzyme cao nhất được o

B

gọi là nhiệt độ tối ưu. Phần lớn enzyme hoạt động mạnh nhất ở nhiệt độ 40 – 50 C.

10 00

Riêng đối với enzyme cellulase, nhiệt độ tối ưu là 50oC. Những enzyme khác nhau đều cónhiệt độ tối ưu khác nhau.

Ó

A

Nếu đưa nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tối ưu, hoạt tính enzyme sẽ bị giảm, khi đó

H

enzyme không có khả năng phục hồi hoạt tính. Ngược lại khi ở nhiệt độ 0oC,

-L

Í-

enzyme bị hạn chế hoạt động rất mạnh, nhưng khi đưa nhiệt độ lên từ từ, hoạt tính

ÁN

của enzyme sẽ tăng dần đều đến mức tối ưu. Khi nhiệt độ cao thường gây cho enzyme mất hoạt tính. Phản ứng vô hoạt của enzyme dưới tác dụng của nhiệt

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

thường biểu diễn là phản ứng bậc một.

Trong đó

– k – hằng số vận tốc phản ứng.

E – nồng độ enzyme hoạt động ở thời điểm t Eo – nồng độ ban đầu của enzyme hoạt động

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 32

c)Ảnh hưởng của pH

tr ờng ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nấm men.

Nồng độ ion H+ trong canh trư

Ơ

H

độ thẩm thấu của các chất dinh dưỡng cũng như chiều hướng của quá trình lên men.

N

ng làm thay đổi điện tích của vỏ tế bào, làm tăng ăng hoặc giảm mức Chúng có khả năng

U Y

N

Mỗi vi sinh vật chỉ có thể hoạt động tốt trong trạng thái ion nhất định, trạng thái này

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

phụ thuộc vào pH của môi truờng.

B

Hình 1.11: Ảnh hưởng của pH đến tốc độ thủy phân

10 00

Nhiều enzyme hoạt động rất mạnh ở pH trung tính. Tuy nhiên cũng có nhiều

trường acid yếu. Một số enzyme khác lại hoạt động mạnh enzyme hoạt động ở môi tr

Ó

A

ở pH kiềm và cả pH acid. Đối với enzyme cellulase, khoảng pH thích hợp là 4-5,

Í-

H

trong đó tốt nhất là 4.8.

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

d)Nồng độ enzyme

Hình 1.12: Ảnh hư h ởng của nồng độ enzyme đến tốc độ thủy phân

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 33

Khi nồng độ enzyme tăng, tốc độ phản ứng tăng theo đường thẳng. Tuy nhiên, khinồng độ enzyme đạt đến một ngưỡng nào đó, nồng độ vỏ trấu sẽ trở thành yếu tố

N

H

Ơ

đường nằm ngang như trong hình vẽ.

N

hạn chế tốc độ phản ứng. Khi đó, tốc độ phản ứng sẽ không tăng nữa mà là một

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

U Y

e) Ảnh hưởng của nồng độ vỏ trấu

Ó

A

Hình 1.13 : Ảnh hưởng của nồng độ nguyên liệu đến tốc độ thủy phân

Í-

H

Khi nồng độ vỏ trấu tăng, tốc độ phản ứng enzyme tăng, vì sẽ có nhiều vỏ trấu

-L

vachạm với enzyme tiến hành phản ứng. Khi nồng độ vỏ trấu đủ lớn, các enzyme bị

ÁN

bão hòa vỏ trấu, vì vậy, tăng nồng độ vỏ trấu thì tốc độ phản ứng sẽ không thay đổi

TO

đáng kể.

D

IỄ N

Đ

ÀN

1.4.4. Lên men 1.4.4.1 Cơ sở lý thuyết Lý thuyết quá trình lên men đã được nhiều nhà sinh học nghiên cứu từ rất lâu.

Năm1769, Lavoisier phân tích sản phẩm lên men rượu và nhận thấy khi lên men, đường không chỉ tạo thành ethanol và CO2 mà còn tạo ra acid acetic.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 34

Năm 1810, Gay-Lussac nhận thấy rằng cứ 45 phần khối lượng đường sẽ chuyển

U Y

N

H

Ơ

trình tổng quát như sau:

N

thành 23 phần ethanol và 22 phần khí carbonic. Trên cơ sở đó ông đưa ra phương

.Q

Năm 1857, Louis Pasteur tiếp tục nghiên cứu và thu nhận kết quả sau: cứ 100

TP

phần đường saccharose khi lên men sẽ tạo ra 51.1 phần ethanol, 48.4 phần CO2,

ẠO

32.0 phần glycerin, 0.7 phần acid succinic và hai phần các sản phẩm khác. Từ đó

Đ

suy ra cứ 45 phần khối lượng glucose khi lên men sẽ tạo ra 21.8 phần ethanol chứ

G

không phải 23 phần như Gay-Lussac đã tính. Tuy nhiên phương trình lên men do

H Ư

N

Gay-Lussac đưa ra vẫn đúng và dùng làm cơ sở lý thuyết để tính hiệu suất thu hồi rượu theo lý thuyết. Gay-Lussac còn kết luận sự lên men là quá trình sinh học có

TR ẦN

liên hệ mật thiết đến sự hoạt động của tế bào nấm men.

Vào khoảng 1871-1872 Manaxemi đem nghiền tế bào nấm men với cát thạch

10 00

B

anh rồi mới cho vào lên men dịch đường thì hiện tượng lên men vẫn xảy ra.Năm 1879, Buchuer tiến hành nghiền nát tế bào nấm men rồi chiết lấy dịch trong không

A

chứa xác nấm men rồi cho vào dịch đường thì thấy dịch chiết vẫn có khả năng lên

H

Ó

men. [2]

Í-

Từ đó người ta gọi các chất trong dịch tế bào nấm men là zymase. Đây chính

-L

là hợp chất của nhiều enzyme cùng tham gia chuyển hóa đường thành ethanol và

ÁN

khí carbonic. Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử. Quá trình

TO

oxy hóa này lại xảy ra trong cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme, cho từ glucose phải trải qua nhiều giai đoạn, sơ đồ hình thành rượu từ glucose.

D

IỄ N

Đ

ÀN

nên người ta gọi quá trình lên men là quá trình oxy hóa sinh học. Sự tạo thành rượu

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

35

Hình 1.14: Quá trình đường phân

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

Sau đó, pyruvate sẽ chuyển thành ethanol theo các phương trình sau:

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 36

1.4.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men

N

H

Đối với nấm men Saccharomyces, nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 28-32oC. Ở

Ơ

Mỗi vi sinh vật đều có một khoảng nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của chúng.

N

a) Nhiệt độ

U Y

nhiệt độ cao hoạt tính của nấm men giảm nhanh nhưng chủ yếu là dễ bị nhiễm vi

.Q

sinh vật như vi khuẩn lactic và nấm men hoang dại. Mặt khác, khi lên men ở nhiệt

TP

độ cao sẽ tạo nhiều sản phẩm phụ như ester, aldehyd và tổn thất ethanol theo CO2 sẽ

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

tăng.

-L

b) pH

Í-

H

Hình 1.15: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát triển của nấm men

ÁN

Nồng độ ion H+ trong canh trường ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nấm men.

TO

Chúng có khả năng làm thay đổi điện tích của vỏ tế bào, làm tăng hoặc giảm mức

D

IỄ N

Đ

ÀN

độ thẩm thấu của các chất dinh dưỡng cũng như chiều hướng của quá trình lên men.

Mỗi vi sinh vật chỉ có thể hoạt động tốt trong trạng thái ion nhất định, trạng thái này phụ thuộc vào pH của canh truờng.

Trong điều kiện lên men ethanol, pH tối ưu để tạo ethanol là 4.5-5.0. Nếu pH thấp khoảng 3.0-4.0 nấm men còn hoạt động được và vi khuẩn bị ức chế. pH hơi cao hơn thì sẽ tạo ra sản phẩm có độ chua thấp, sản phẩm dễ bị nhiễm khuẩn và các sản phẩm phụ trong quá trình lên men sẽ tạo nhiều hơn, lên men có hiệu suất thấp.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 37

N

H

bằng trạng thái sinh lý của nấm men. Kết quả là ethanol nhiều sẽ ức chế không

Ơ

Nếu nồng độ dịch đường quá cao sẽ dẫn đến làm tăng áp suất và làm mất cân

N

c)Nồng độ của dịch lên men

U Y

những các tạp khuẩn mà cả nấm men. Mặt khác đường nhiều sẽ dẫn đến tổn hao

.Q

nguồn nguyên liệu và phải kéo dài thời gian lên men. Mặt khác nếu nồng độ đường

TP

của dịch lên men thấp thì sẽ làm giảm năng suất thiết bị lên men và làm cho nấm

ẠO

men không đủ chất dinh dưỡng để phát triển. Thông thường nồng độ dịch đường

Đ

được giới hạn ở 22% khối lượng hoặc ít hơn (nếu cao hơn thành tế bào có thể bị

G

vỡ).

H Ư

N

d)Thời gian

TR ẦN

Thời gian cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm.

Thờigian lên men phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ lên men, nồng độ đường, chủng nấm men,… Thời gian lên men được tính bắt đầu từ khi cấy chủng nấm men

10 00

B

vào môi trường lên men, nhưng thời gian kết thúc thì tùy thuộc vào từng môi trường lên men cụ thể và tùy thuộc vào mục đích lên men mà ta dừng quá trình lên men.

A

Trong giai đoạn đầu của quá trình lên men phải cho dịch đường tiếp xúc với

H

Ó

oxy.Lúc này nấm men cần oxy để tích lũy một lượng sinh khối cần thiết cho quá

Í-

trình lên men. Tiếp theo, để chuyển hóa đường thành ethanol, nấm men phải được

-L

phát triển trong điều kiện yếm khí hoàn toàn. Vì trong môi trường này, sự hô hấp

ÁN

của nấm men bị ức chế và bắt đầu phải tìm năng lượng cần thiết bằng con đường lên

TO

men. Để đáp ứng năng lượng cần thiết thì nấm men cần phân hủy một lượng đường

D

IỄ N

Đ

ÀN

lớn và đường sẽ chuyển hóa thành ethanol và CO2. Đó là nguyên nhân muốn có

ethanol nhiều thì không được thoáng khí môi trường. Nếu có oxy thì trong giai đoạn này rượu sẽ tiếp tục chuyển hóa thành acid acetic làm sản phẩm bị chua. e)Nồng độ CO2 trong môi trường CO2 được hình thành trong quá trình lên men rượu từ đường. Một phần sẽ tồn tại trong môi trường; một phần tách lên trên bề mặt môi trường; phần còn lại tích tụ

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 38

lại thành một lớp ngăn cách giữa không khí và môi trường. CO2 tích tụ lại trong môi trường chỉ làm giảm khả năng sinh sản của nấm men, nhưng không thể làm cho khả

Ơ

N

năng lên men của nấm men yếu đi.

H

Hàm lượng đường cao sẽ hạn chế CO2 thoát ra ngoài dẫn đến ức chế sinh sản

U Y

N

của nấm men. Mặt khác, CO2 còn có tác dụng kiềm chế sự phát triển của vi sinh vật

TP

f ) Thành phần các chất dinh dưỡng của môi trường lên men

.Q

hiếu khí gây hại.

ẠO

Môi trường nuôi cấy cần phải có đầy đủ các thành phần dinh dưỡng chủ yếu là

Đ

glucid ở dạng monosaccharide và disaccharide, nitơ ở dạng acid amin, các muối vô

N

G

cơ, trừ dạng muối nitrit, nitrat, các vitamin và muối khoáng.

H Ư

g) Hàm lượng giống nấm men

TR ẦN

Nấm men là nhân tố tạo ra quá trình lên men, chuyển hóa đường thành ethanol và khí carbonic. Mỗi loài nấm men có khả năng lên men khác nhau. Cùng loài nấm

B

men, nhưng ở những điều kiện lên men khác nhau thì khả năng lên men khác nhau

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

và sản phẩm của quá trình lên men cũng khác nhau.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 39

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

H

Ơ

N

2.1. Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ

N

2.1.1. Đối tượng nghiên cứu

.Q

U Y

2.1.1.1. Vỏ trấu

TP

Vỏ trấu được lấy từ nhà máy xay xát lúa gạo tại Bình Định, trạng thái khô và

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

được nghiền mịn.

Hình 2.1 Vỏ trấu được lấy từ 1 nhà máy xây xát lúa gạo, tỉnh Bình Định.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 40

2.1.1.2. Enzym Trong đồ án này sử dụng cytolase được cung cấp bởi công ty Đại Lộc, 2/16

Ơ

N

H

hoạt tính cao có thể thủy phân hemicellulose, pentozan, lignin… Các enzyme này

N

khu phố 3 quốc lộ 13 phường Hiệp Chánh, quận Thủ Đức. Đây là hệ enzyme có

U Y

gọi chung là cytose (bao gồm cellulose, hemicellulase, pentosinase).

pH hoạt động tối ưu :

4.8

TP

50oC

ẠO

Nhiệt độ hoạt động tối ưu:

.Q

Các thông số hoạt động của hệ enzyme (cytolase):

G

Đ

2.1.1.3.Giống nấm men

H Ư

N

Giống nấm men được sử dụng là saccharomyces cerevisiae được lấy từ công

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

ty bia Vinaken.

TO

ÁN

Hình 2.2:Saccharomyces cerevisiae nhìn dưới kính hiển vi.

D

IỄ N

Đ

ÀN

2.1.2 Hóa chất và các thiết bị sử dụng chính 2.1.2.1. Hóa chất - N – Hexane sử dụng làm dung môi trong quá trình tách chất béo.

- Dung dịch đệm axetat gồm CH3COONa và CH3COOH. - Dung dịch NaOH 0.5N dùng cho quá trình tiền xử lý.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 41

- Các loại thuốc thử: dd NaOH 30%, DNS, Potashum sodium titrate, H2SO4 đđ, dd K2Cr2O7 10%.

Ơ

N

2.1.2.2. Dụng cụ - thiết bị

N

H

Máy lắc.

U Y

Nồi hấp tiệt trùng y tế.

TP

.Q

Lọ đựng mẫu.

ẠO

Máy đo mật độ quang.

Đ

Máy đo pH.

Cân phân tích.

TR ẦN

Nhiệt kế + thùng giữ nhiệt nuôi mẫu.

H Ư

N

G

Hệ thống soxhlet.

Tủ sấy.

10 00

B

Lò nung.

Hệ thống cô quay.

Ó

A

2.2. Các phương pháp sử dụng

Í-

H

2.2.1.Phương pháp xác định độ ẩm nguyên liệu

-L

Sấy chén nung ở 100oC trong 30 phút và ghi lại khối lượng chén nung (m0)

ÁN

Cân 2 (g) mẫu (m1).

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

Cho mẫu vừa cân vào chén, cân khối lượng chén chứa mẫu (m2).

Mang cốc chứa mẫu đi sấy khô ở 105oC đến khối lượng không đổi. Cân chính

xác khối lượng cốc chứa mẫu sau khi sấy (m3).

Cách tính hàm ẩm: W = [(m2 – m3)/m1 ]. 100% Kết quả :

% ẩm =

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

. .

.100% = 12.2 %

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DấyKèmQuyNhƥn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 42

2.2.2. XĂĄc Ä‘áť‹nh hĂ m lưᝣng tro ChĂŠn nung Ä‘em ráť­a sấch ráť“i Ä‘em sẼy áť&#x; 85oC Ä‘áşżn khi kháť‘i lưᝣng khĂ´ng Ä‘áť•i.

N

H

Cân 2g mẍu khô cho và o chÊn nung, cân khᝑi lưᝣng chÊn nung + mẍu (mo),

Ć

N

Ghi lấi khᝑi lưᝣng chÊn nung.

U Y

ráť“i Ä‘em nung áť&#x; 550oC trong 3 giáť?. Sau Ä‘Ăł tᝍ tᝍ hấ nhiᝇt Ä‘áť™ cho nguáť™i. Cân vĂ ghi

.Q

lấi khᝑi lưᝣng (m1).

áş O

− Ă— 100 (%)

Ä?

% =

TP

Công thᝊc xåc đᝋnh hà m lưᝣng tro:

N

G

Trong Ä‘Ăł:

H ĆŻ

m1: khᝑi lưᝣng chÊn sau nung (g)

W: khᝑi lưᝣng mẍu (g)

10 00

B

Kết quả

TR ẌN

mo: khᝑi lưᝣng chÊn sau sẼy (g)

. .

= 15.7%

A

%tro =

H

Ă“

2.2.3. Hà m lưᝣng bÊo

-L

Ă?-

2.2.3.1. Nguyên tắc

Ă N

Dáťąa vĂ o khả năng hòa tan cᝧa dung mĂ´i Ä‘áť‘i váť›i chẼt bĂŠo cĂł trong nguyĂŞn liᝇu mĂ ta sáť­ d᝼ng phĆ°ĆĄng phĂĄp soxhlet nháşąm tĂĄch chẼt bĂŠo ra vĂ tᝍ Ä‘Ăł xĂĄc Ä‘áť‹nh đưᝣc

D

Iáť„ N

Ä?

Ă€N

TO

thà nh phần cᝧa nó trong nguyên liᝇu.

2.3.3.2. CĂĄch tiáşżn hĂ nh NguyĂŞn liᝇu đưᝣc lĂ m khĂ´ và đưᝣc Ä‘áťąng trong máť™t tĂşi vải lĂ m báşąng giẼy láť?c đưᝣc đạt tráťąc tiáşżp trong áť‘ng chiáşżt. Cho dung mĂ´i vĂ o bĂŹnh cầu báşąng cĂĄch thĂĄo nĂşt áť&#x; phĂ­a trĂŞn, nhĆ° tháşż dung mĂ´i sáş˝ thẼm Ć°áť›t nguyĂŞn liᝇu trĆ°áť›c khi chảy xuáť‘ng bĂŹnh cầu, ngang qua ngĂľ áť‘ng thĂ´ng nhau.

SĆ°u tầm báť&#x;i GV. Nguyáť…n Thanh TĂş

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 43

Kiểm tra độ kín của hệ thống, mở cho nước chảy hoàn lưu trong ống sinh hàn.

Cắm bếp điện và điều chỉnh sao cho dung môi sôi nhẹ và đều. Dung môi tinh khiết

Ơ

H

chứa nguyên liệu để tiếp tục tách chất béo. Trong quá trình đun, lượng dung môi

N

khi được đun sẽ bốc lên cao, rồi được ngưng tụ và chảy ngược trở lại ống chiết có

N

trong ống chiết dâng lên đến mức cao nhất thì dung môi sẽ được hút trở lại vào bình

.Q

U Y

cầu, lực hút này sẽ hút hết dung môi có trong ống chiết xuống.

TP

Tiếp tục đun và canh thời gian khoảng 6 giờ thì ngừng chiết. Lấy hết dung môi đã hòa tan chất hữu cơ đem đi tiến hành cô quay bằng chân không. Tại đây, dung

ẠO

môi tinh khiết sẽ được tách ra, phần còn lại là chất béo hữu cơ, đem đi sấy và cân ta

G

Đ

thu được chất béo.

H Ư

N

2.3.3.3. Kết quả

TR ẦN

− Khối lượng mẫu: m1 = 10g.

− Khối lượng dầu thu được sau khi tiến hành soxhlet: m2 = 0.52 g. .

10

.100% = 5.2%.

10 00

B

→ Hàm lượng chất béo có trong nguyên liệu khô: % béo =

2.2.4. Phương pháp đo nồng độ glucose và ethanol

Ó

A

2.2.4.1. Nguyên tắc

H

Có vài tác nhân được sử dụng để định lượng đường nhờ các đặc tính khử của

-L

Í-

đường. 3,5- Dinitrosalicylic acid (DNS) có màu vàng trong dung dịch kiềm sẽ bị

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

khử thành acid 3-amino-5-nitrosalicylic có màu đỏ cam.

Màu vàng

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

Màu đỏ cam

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 44

2.2.4.2. Phương pháp xây dựng đường chuẩn Đo mật độ quang của mẫu hỗn hợp (glucose hoặc ethanol) với

Bước 1:

Ơ

N

từng mốc nồng độ chuẩn.

U Y

Lập đường chuẩn cho hỗn hợp dung dịch đệm – ethanol.

N

H

Lập đường chuẩn cho dung dịch đệm – glucose.

Bước 2:

Lập đồ thị đường chuẩn.

Bước 4:

Xác định nồng độ của dung dịch đang khảo sát dùng máy đo

ẠO

TP

.Q

Bước 3:

Đ

mật độ quang.

Chuyển đổi nồng độ sang phần khối lượng (% glucose hoặc

G

Bước 5:

H Ư

N

%ethanol) dựa vào đường chuẩn đã có ở bước 3.

TR ẦN

a. Đường chuẩn glucose

Cân chính xác 1g D-glucozo và định mức thành 100ml thu được D-glucozo

B

với nồng độ 10mg/ml.

10 00

Chuẩn bị đường chuẩn có nồng độ: 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1g/l.

H2O

DNS

H2O

Potassium sodium tatrate

H

(ml)

(ml)

(ml)

(ml)

0

1

2

6

1

2

ÁN

0,2

0,8

2

6

1

3

0,4

0,6

2

6

1

4

0,6

0,4

2

6

1

5

0,8

0,2

2

6

1

6

1,0

0

2

6

1

D

IỄ N

Đ

ÀN

-L

1

(ml)

Í-

STT

Ó

Stand.G

TO

A

Bảng 2.1: Thành phần dung dịch đường chuẩn

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 45

Chuẩn bị 6 ống nghiệm như bảng trên và một ống nghiệm chứa 3ml DNS và 3ml nước cất để làm mẫu trắng.

Ơ

N

Pha dung dich DNS: 2,5g DNS, 1,25g Na2SO3; 2,5g NaOH định mức thành

N

H

250ml.

U Y

Đo độ hấp thụ ở bước sóng 575nm: 3ml mẫu, 3ml DNS và 1ml potassium

.Q

sodium tartrate.

ẠO

TP

Bảng 2.2: Độ hấp thụ ứng với từn nồng độ glucose chuẩn 0,4

0,6

Độ hấp thụ A(nm)

0

0,108

0,205

Đ

0,2

0,312

G

0

0,8

1,0

0,368

0,462

Hình 2.3 : Độ hấp thụ với nồng độ glucose chuẩn

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

Glucozo(g/l)

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 46

0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

y = 0.456x + 0.014 R² = 0.992

0

0.2

0.4

0.6

0.8

ẠO

Độ hấp thụ A (nm)

Đường chuẩn Glucose

G

Đ

Nồng độ glucozơ (g/l)

1

H Ư

N

Hình 2.4: Đường chuẩn glucose b. Đường chuẩn ethanol

TR ẦN

Đo độ hấp thụ ở bước sóng 593nm. Vẽ đồ thị mối quan hệ giữa độ hấp thu và nồng độ ethanol.

0

A

1

Nồng độ Etanol(g/l)

Mật độ quang xử lý (nm)

0.2

1.989

0.350

0.311

0.4

3.976

0.602

0.563

4

0.6

5.960

0.885

5

0.8

7.942

1.175

1.136

6

1.0

9.923

1.456

1.417

TO

0.039

0.846

D

IỄ N

-L

Í-

0

ÁN

Mật độ quang mẫu trắng(nm)

0

3

ÀN

Mật độ quang (nm)

0

2

Đ

H

Ó

STT

Nồng độ Etanol(%)

10 00

B

Bảng 2.3: Độ hấp thụ theo nồng độethanol

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

47

10 00

B

Hình 2.5: Phản ứng tạo màu giữa Ethanol và K2Cr2O7

A

Đường chuẩn nồng độ ethanol theo độ hấp thụ

Ó

1.6

H

1

0.8 0.6 0.4 0.2

0 0

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

Độ hấp thụ A (nm)

-L

1.2

y = 0.140x + 0.009 R² = 0.999

Í-

1.4

2

4

6

8

10

12

Nồng độ ethanol (g/l)

Hình 2.6: Đường chuẩn Ethanol

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DấyKèmQuyNhƥn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 48

2.2.5.Hà m lưᝣng lignin

Kết quả: % lignin =

D

Iáť„ N

Ä?

Ă€N

TO

Ă N

-L

Ă?-

H

Ă“

A

10 00

B

TR ẌN

H ĆŻ

N

G

Ä?

áş O

TP

.Q

U Y

N

H

Ć

N

Quy trĂŹnh

SĆ°u tầm báť&#x;i GV. Nguyáť…n Thanh TĂş

.100% =

. . .

.100% = 21.52 %

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 49

2.2.6.Hàm lượng cellulose và hemicellulose

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

Quy trình

ÁN

-L

Kết quả

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

Phương trình đường chuẩn độ hấp thụ quang theo nổng độ đường: y = 0.4567x + 0.0141

A1 = 2.969 → C2 = 6.472 g/l A2 = 6.727 → C1 – C2 = 14.698 g/l Thành phần cenllulose và hemicellulose − Thành phần Cenllulose

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 50

. .

. 14,698.

.

. .

"

.

#

.

. (C − C ). . α. 100%=

"

. (C − C ). . α. 100 #

. 2.100 = 33,07 %.

N

=

.

Ơ

%W/Wcellulose=

.

. .

6.472.

. .

. 1.100 = 24.50%.

N

,

-

. + . . .. 100% =

U Y

.

TP

.Q

%W/WHemicenlluloso=

H

Thành phần Hemicenllulose

ẠO

2.3. Trình tự nghiên cứu

Đ

Nghiên cứu này tập trung vào hai quá trình chính là quá trình thủy phân và quá

G

trình thủy phân và lên men đồng thời.

TR ẦN

H Ư

N

2.3.1. Sơ đồ quy trình sản xuất bio ethanol

Xác định thành phần

10 00

B

Vỏ trấu

Thủy phân và lên men

Thủy phân

Khảo sát sự ảnh hưởng đến thủy phân

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

Tiền xử lý

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

Enzyme

Men

Khảo sát sự ảnh hưởng đến lên men

Chưng cất

Ethanol

Hình 2.7: Sơ đồ quy trình nghiên cứu sản xuất ethanol sinh học từ bã mía.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 51

2.3.2 Quá trình tiền xử lý bằng HCl

N

2.3.2.1. Hóa chất

H

Ơ

- Ethanol đậm đặc.

U Y

N

- Dung dịch HCl.

.Q

2.3.2.2. Cách tiến hành

TP

Cho mẫu lượng lớn mẫu đã sấy khô (khoảng 30g cho 1 erlen) vào các erlen

ẠO

250ml và cho dung dịch HCl 2% vào.

Đ

Bịt kín miệng erlen bằng giấy bạc và hấp ở 121 oC trong 1h

H Ư

Lấy bã sau lọc sấy ở 60oC trong 3 ngày.

N

G

Lấy mẫu trung hòa bằng NaOH về pH = 7 và tiến hành lọc chân không.

TR ẦN

Cho lượng lớn mẫu vào bercher cho nhiều lần sử dụng.

10 00

đều ở nhiệt độ thường trong 1h.

B

Cho tiếp vào becher một lượng vừa đủ dung dịch ethanol đậm đặc khuấy

Sấy ở 100 oC trong 6h.

Ó

A

2.3.3. Quá trình thủy phân bằng enzyme

H

Các yếu tố cần khảo sát : % enzyme, nhiệt độ, pH, thời gian thủy phân. Trong

-L

Í-

nghiên cứu trước cứu trước của Cao Đình Khánh Thảo, điểm tốt nhất cho quá trình này là % bã rắn: 10%; % enzyme: 5%; pH: 4.8; nhiệt độ: 50oC, thời gian 48h. Điểm

ÁN

này được chọn làm điểm bắt đầu cho nghiên cứu này, các yếu tố được khảo sát theo

Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu : khảo sát theo tỉ lệ khối lượng bã rắn/

khối lượng enzyme. Các tỷ lệ khảo sát gồm : 1/1, 2/1, 3/1, 4/1, 5/1,với các điều kiện bắt đầu khác giữ nguyên.

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

phương pháp luân phiên từng biến.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 52

Ảnh hưởng pH: khảo sát theo pH của dung dịch, pH dung dịch được giữ nhờ

hệ đệm acid acetic và natri acetate, tỷ lệ mẫu/enzyme 3:1. Các giá trị pH khảo sát

H

Ảnh hưởng của nhiệt độ: khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên phản ứng thủy

Ơ

N

gồm : 4; 4,4;4,8; 5,2; 5,5 với các điều kiện bắt đầu khác giữ nguyên.

C, 50 oC, 60 oC với các điều kiện bắt đầu khác giữ nguyên.

.Q

o

U Y

N

phân enzyme, tỷ lệ mẫu/enzyme 3:1. Các nhiệt độ khảo sát gồm nhiệt độ phòng, 40

TP

Khảo sát quá trình thủy phân theo thời gian: mẫu được lấy tại các thời điểm

ẠO

0 giờ; 1giờ; 24 giờ; 48 giờ và 72 giờ với tỷ lệ mẫu/enzyme 3:1, các điều kiện bắt

Đ

đầu khác giữ nguyên.

N

G

2.3.3.1. Dụng cụ và hóa chất

TR ẦN

- Enzym cellulase.

H Ư

- Lọ đựng mẫu đã bọc đen.

2.3.3.2. Cách tiến hành

10 00

B

Cân cùng 1 lượng mẫu cho vào các lọ đựng mẫu được bao đen có chứa săn

dung dịch với độ pH cần khảo sát.

Ó

A

Cho enzym lượng vừa đủ theo yêu cầu cần khảo sát.

H

Đậy kín nắp và bỏ các lọ đựng mẫu vào thùng giữ nhiệt phù hợp.

ÁN

mỗi lọ.

-L

Í-

Sau mỗi khoảng thời gian cần khảo sát thì tiến hành hút khoảng 2ml mẫu

TO

Tiến hành đo độ hấp thụ quang của từng mẫu với bước sóng 575 nm.

D

IỄ N

Đ

ÀN

2.3.4. Quá trình lên men Bã sau khi tiền xử lý với HCl và sấy khô đem tiến hành thí nghiệm.

Các yếu tố cần khảo sát : thời gian và nhiệt độ lên men. Các yếu tố khác

được giữ cố định. pH: 4,8; bã/enzyme 3:1, nhiệt độ thủy phân 50oC, 48 h thủy phân, 2ml men sữa.

Khảo sát theo thời gian tiến hành trong một tuần với số tần suất 1 mẫu/ngày.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 53

Mẫu được đo bằng cách đo độ hấp thụ quang với bước sóng 593 nm, từ đường chuẩn ethanol ở phần trên ta tính được nồng độ ethanol trong sản phẩm.

Enzym cellulase.

-

Men sữa.

Ơ

-

H

Lọ đựng mẫu đã bọc đen.

.Q

U Y

N

-

N

2.3.4.1.Dụng cụ và hóa chất

TP

2.3.4.2.Cách tiến hành

ẠO

Cân cùng 3g mẫu cho vào các lọ đựng mẫu được bao đen có chứa sẵn

Đ

dung dịch với độ pH = 4,8.

N

o

G

Cho 1g enzyme vào mỗi lọ̀ từng lọ.

TR ẦN

Cho vào mỗi lọ 2ml men sữa.

H Ư

Cho vào các lọ mẫu thùng 50 C và tiến hành thủy phân 2 ngày. o

Đậy kín nắp và bỏ các lọ đựng mẫu vào thùng giữ nhiệt ở 40 C. Sau mỗi khoảng thời gian cần khảo sát thì tiến hành hút khoảng 2ml mẫu

10 00

B

mỗi lọ.

Tiến hành đo độ hấp thụ quang của từng mẫu với bước sóng 593 nm từ đó

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

tính ra nồng độ ethanol trong sản phẩm.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 54

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

H

Ơ

N

3.1. Phân tích thành phần vỏ trấu

N

3.1.1. Thành phần vỏ trấu trước tiền xử lý.

U Y

trước tiền xử lý là 12,2%. Kết quả phân tích sau khi sấy Độ ẩm của vỏ trấu tr

TP

.Q

khô của vỏ trấu trước tiềền xxử lý. Với hàm lượng tro đã tính xác định được là 15,7%

ẠO

(mẫu khô).

Lipid

Cellulose

Hemicellulose

(%)

(%)

(%)

(%)

(%)

21,52

5,21

33,07

24,50

15,7

Tro

10 00

B

TR ẦN

N

G

Lignin

H Ư

Đ

Bảng 3.1: Thành phần vỏ trấu trước tiền xử lý

[CATEGORY NAME] [PERCENTA GE] [CATEGORY NAME] [PERCENTA GE]

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

Tro 16%

Hình 3.1: Thành phần của vỏ trấu khô trước tiền xử lý

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 55

Vỏ trấu chưa qua tiền xử lý có đặc điểm: • Chứa phần lớn thành phần cellulose (33,07%%) và một phần không nhỏ

Ơ

N

hemicellulose (24,5%), Nên vỏ trấu phù hợp cho sản xuất ethanol sinh học,

N

H

• Thành phần lignin chiếm tới 21,52%, Điều này sẻ ảnh hưởng không nhỏ đến

U Y

quá trình thủy phân bã mía bằng enzyme, Chính vì vậy quá trình tiền xử lý bã mía là

.Q

cần thiết để nâng cao hiệu suất quá trình,

TP

3,1,2,Thành phần vỏ trấu sau tiền xử lý

ẠO

Vỏ trấu sau tiền xử lý có độ ẩm 11,6% Kết quả phân tích sau khi sấy khô mẫu

G

Đ

sau tiền xử lý với hàm lượng tro 17,3%,

H Ư

N

Bảng 3.2: Thành phần vỏ trấu sau khi tiền thủy phân

Lignin

Lipid

Cellulose

(%)

(%)

(%)

(%)

(%)

24,73

6,51

39,14

12,32

17,3

Tro

A

10 00

B

TR ẦN

Hemicellulose

[CATEGORY NAME] [PERCENTA GE]

ÁN

-L

Í-

H

Ó

Tro 17%

Đ

ÀN

TO

[CATEGORY NAME] [PERCENTA GE]

D

IỄ N

[CATEGORY NAME] [PERCENTA GE]

Hình 3.2: Thành phần của vỏ trấu khô sau tiền xử lý

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 56

Sau khi tiền xử lý thì ta thấy thàn phần của cellulose tăng lên, cao hơn hàm lượng lignin và hemicellulose khá nhiều, Nên việc tiền xử lý cần được áp dụng cho

H

Ơ

hàm lượng chất cản trở đường hóa,

N

quá trình xử lý vỏ trấu trước khi thủy phân để tăng hiệu suất sản phẩm vì giảm được

U Y

N

3.2. Quá trình thủy phân bằng enzyme

.Q

Sau khi qua tiền xử lý và sấy khô vỏ trấu, ta tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng

TP

của các yếu tố tác động đến quá trình thủy phân dựa vào hàm lượng đường tạo

ẠO

thành như : tỷ lệ vỏ trấu, tỷ lệ enzyme, độ pH, nhiệt độ và thời gian thủy phân,

Đ

Việc so sánh hiệu quả quá trình thủy phân phụ thuộc chính vào hàm lượng

H Ư

3.2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ vỏ trấu

N

G

đường và hiệu suất tạo đường,

TR ẦN

Hệ số pha loãng là 10, khối lượng vỏ trấu là 3g, thể tích dung dịch chứa mẫu là 50ml và thay đổi khối lượng enzyme để được tỷ lệ cần khảo sát, Sau khi tính toán

B

ta có bảng số liệu sau,

10 00

Bảng 3.3: Kết quả thủy phân vỏ trấu theo tỷ lệ nguyên liệu vỏ trấu Tỷ lệ mẫu

quang (nm)

(g/l)

1:1

0,217

4,44

7,40

2

2:1

0,204

4,16

6,93

3

3:1

0,212

4,33

7,22

4

4:1

0,179

3,61

6,02

5

5:1

0,154

3,06

5,10

A

Nồng độ đường

Ó

STT

-L

Í-

H

(mẫu/enzyme)

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

1

D

Hiệu suất

Mật độ

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

đường/nguyên liệu (%)

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 57

8.00

Ơ

N

7.00

H

6.50

N

6.00

U Y

5.50 5.00

.Q

Hiệu suất (%)

7.50

2.00

ẠO

1.00

3.00

4.00

5.00

6.00

Đ

4.00 0.00

TP

4.50

H Ư

N

G

Tỷ lệ bã/enzyme

Hình 3.3: Ảnh hưởng của tỷ lệ vỏ trấu đến hiệu suấtthủy phân

TR ẦN

Với tỷ lệ 1:1 tức là lượng vỏ trấu thấp nhất thì cho hiệu suất cao nhất và nhìn chung giảm dần khi tăng nồng độ vỏ trấu. Bởi vì với cùng một lượng enzyme, khi

B

nồng độ vỏ trấu càng lớn thì: enzyme sẽ khó khăn trong việc tấn công vỏ trấu do

10 00

dung dịch đậm đặc dần, khả năng khuếch tán enzyme giảm làm cho khả năng tác động của enzyme lên vỏ trấu giảm đi. Ngoài ra, khi tỷ lệ vỏ trấu tăng thì sản phẩm

Ó

A

cuối cùng là glucose cũng sẽ tăng, glucose tăng sẽ gây ra tác dụng ức chế lên

H

enzyme cellulase. Chính những lý do trên làm cho hiệu suất của quá trình thủy phân

-L

Í-

giảm dần khi tỷ lệ vỏ trấu tăng. Nhưng khi lượng vỏ trấu ở tỷ lệ 3:1 thì khả năng tiếp xúc tạo phức enzyme cellulose gần như đã đạt ngưỡng bão hòa nên khả năng

TO

ÁN

sinh ra glucose chậm lại.

D

IỄ N

Đ

ÀN

Dựa vào kết quả thí nghiệm ta nhận ra một số vấn đề chính như sau: giá thành

của vỏ trấu rẻ hơn so với enzyme và hiệu suất giảm mạnh khi tăng tỷ lệ vỏ trấu và

enzyme lên quá 3:1 nên tỷ lệ vỏ trấu/enzyme thích hợp nhất là 3:1.

3,2,2, Ảnh hưởng của pH Hệ số pha loãng là 10, khối lượng vỏ trấu được sử dụng là 3g, 50ml dung dịch áp dụng đồ thị đường cân chuẩn ethanol và tính toán ta có bảng số liệu sau.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 58

Nồng độ đường (g/l)

Hiệu suất đường/nguyên liệu (%)

1

4, 0

0,216

4,42

7,37

2

4, 4

0,274

5,69

3

4, 8

0,327

6,85

4

5, 2

0,316

6,61

5

5, 5

0,302

6,30

N

Mật độ quang (nm)

Ơ

pH

N

H

STT

U Y

Bảng 3.4: Kết quả thủy phân vỏ trấu theo pH

.Q

9,48

TP

11,42

ẠO

11,02

H Ư

N

G

Đ

10,50

7.5

TR ẦN

7

B

6 5.5

10 00

Nồng độ (g/l)

6.5

5

Ó

A

4.5

H

4

4

4.5

5

5.5

6

pH

Hình 3.4 : Ảnh hưởng của pH đến nồng độ đường

TO

ÁN

-L

Í-

3.5

D

IỄ N

Đ

ÀN

Theo đồ thị ta thấy nồng độ glucose tạo thành tăng trong khoảng pH 4 – 4,8 và

bắt đầu giảm khi pH vượt qua 5. Mỗi enzyme sẽ hoạt động tốt ở một khoảng pH và tốt nhất tại 1 điểm pH nào đó, Đối với enzyme cellulase thì khoảng pH hoạt động tốt là từ 4 đến 5, nhưng tốt nhất tại điểm pH 4,8.

Trong công nghiệp việc giữ cố định pH của dung dịch là điều khó có thể thực hiện được, nên việc lựa chọn một khoản pH tối ưu là lựa chọn hàng đầu để có được

ưng hiệu suất vẫn được đảm bảo. quy trình đơn giản nhưng

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 59

3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Ơ

trấu/enzyme là 3/1. Áp dụng đồ thị đường cân chuẩn ethanol và tính toán ta có bảng

Bảng 3.5: Kết quả thủy phân vỏ trấu theo pH Nồng độ glucose (g/l)

1

Phòng (30o)

0,226

4,64

2

40

0,267

5,54

3

50

0,315

4

60

0,205

Đ

G N H Ư

TR ẦN

9,23

6,59

10,98

4,18

6,97

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

10 00 A Ó H

-L

Í-

5 4.5 4

7,73

B

7 6.5 6 5.5

Hiệu suất đường/nguyên liệu (%)

.Q

Mật độ quang (nm)

TP

Nhiệt độ (oC)

ẠO

STT

U Y

N

H

số liệu sau.

Nồng độ (g/l)

N

Hệ số pha loãng là 10, khối lượng vỏ trấu được sử dụng là 3g, tỷ lệ vỏ

25

35

45

55

65

Mức nhiệt độ (độ C) Hình 3.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến nồng độ đường

Dựa vào đồ thị trên ta dễ nhận thấy rằng từ nhiệt độ phòng đến 50oC nồng độ

nhưng từ 50 oC lên 60oC thì hiệu suất giảm mạnh. Do vậy glucose tạo thành tăng, nh như nhiều phản ứng enzyme khác, phản ứng thủy phân nên ta có nhận xét : Giống nh cellulose bằng enzyme cellulase chịu ảnh hưởng lớn của nhiệt độ. Tốc độ phản ứng thủy phân tăng theo nhiệt độ, tuy nhiên đến một nhiệt độ nhất định, tốc độ phản ứng

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 60

sẽ giảm dần và đến mức triệt tiêu. Nhiệt độ tối ưu của quá trình là 50oC, khoảng hoạt động hiệu quả là từ 40 đến 50oC. Nếu đưa nhiệt độ lên cao hơn khoảng này thì

Ơ

H

thấp thì hầu như enzyme sẽ không hoạt động được nhưng có thể phục hồi hoạt tính

N

hoạt tính của enzyme giảm mạnh và có thể mất luôn hoạt tính. Còn ở nhiệt độ quá

N

khi nhiệt độ tăng lên. Nếu thực thi quá trình này trong công nghiệp ta nên chọn

.Q

U Y

khoảng nhiệt độ 40-50oC để đảm bảo dễ thực hiện và hiệu suất cao.

TP

3.2.4. Ảnh hưởng của thời gian

ẠO

Hệ số pha loãng là 10. khối lượng vỏ trấu được sử dụng là 3g. tỷ lệ vỏ

Đ

trấu/enzyme là 3/1. Áp dụng đồ thị đường cân chuẩn ethanol và tính toán ta có bảng

N

G

số liệu sau.

H Ư

Bảng 3.6: Kết quả thủy phân vỏ trấu theo thời gian Nồng độ

(giờ)

(nm)

glucose (g/l)

TR ẦN

Mật độ quang

Hiệu suất đường/nguyên liệu (%)

2

24

3

48

H

0,698

1,16

0,341

7,158

11,93

0,375

7,902

13,17

0,367

7,727

12,88

-L

Í-

0,046

72

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

4

A

1

Ó

1

10 00

B

STT

Thời gian

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 61

9 8

N Ơ N

H

6

U Y

5

.Q

4 3

TP

Nồng độ (g/l)

7

ẠO

2

Đ

1 40

N

20

60

80

H Ư

0

G

0

TR ẦN

Thời gian (giờ)

Hình 3.6: Ảnh hư h ởng của thời gian đến quá nồng độ đường

B

Theo đồ thị ta thấy khi kéo dài thời gian thủy phân thì nồng độ glucose và hiệu

10 00

suất tăng lên. Thời gian càng lâu thì enzyme phân hủy tạo đường càng triệt để. Từ 0 đến 24h nồng độ glucose ttăng liên tục do trong giai đoạn này cấu trúc của cellulose

Ó

A

còn mới cùng với chất ức chế enzyme ít. Sau đó nồng độ glucose tăng chậm và hầu

Í-

H

như không tăng sau 48h.

-L

Với kết quả trên ta có thể chọn khoảng thời gian lên thủy phân tối ưu cho quá

ÁN

trình thủy phân vỏ trấu là từ 24 đến 48h. Nếu muốn thu được hiệu suất cao nhất có

TO

thể để thêm 1 ngày.

D

IỄ N

Đ

ÀN

3.3.Quá trình lên men 3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đối với quá trình lên men được thực hiện bằng cách cố định các yếu tố tỷ lệ vỏ trấu/enzyme là 3:1. nhiệt độ thủy phân 50oC. thời gian thủy phân 48 giờ. pH 4.8. lượng men 2 ml. thời gian lên men trong một tuần.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 62

Bảng 3.7: Kết quả lên men theo thời gian và nhiệt độ Nồng độ ethanol (g/l) Ngày 4 Ngày 5 Ngày 6 Ngày 7

Ngày 2

Ngày 3

3,14

4,42

4,67

4,84

4,79

4,73

400C

3,06

3,85

4,29

4,75

-

500C

2,71

3,53

3,69

-

3,71

600C

2,83

3,37

3,52

-

Phòng

4,75

.Q

(300C)

U Y

N

H

Ngày 1

TP

(0C)

Ơ

N

Nhiệt độ

ẠO

4,54

4,62 3,64

3,47

3,55

7

8

3,45

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

3,75

10 00

B

4.5

A

4

3

Í-

H

Ó

3.5

-L

Nồng độ ethanol (g/l)

5

0

1

2

3

4

5

6

Thời gian lên men (ngày)

Nhiệt độ phòng

40 độ C

50 độ C

60 độ C

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

2.5

ưởng của thời gian và nhiệt độ đến quá trình lên men Hình 3.7: Ảnh hư Dựa vào đồ thị ta thấy rằng lượng ethanol tăng lên theo thời gian ở các mức

ăng mạnh trong 2 - 3 ngày đầu tiên và sau đó ttăng chậm lại. nhiệt độ khác nhau, tăng

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 63

nguyên nhân là vìban đầu lượng đường glucose trong dung dịch sau quá trình thủy phân còn nhiều, chưaa có chất ức chế hoạt động của nấm men nên tốc độ phản ứng

H

Số liệu trên sai lệch một phần là do điều kiện tiến hành thí nghiệm không

Ơ

N

nhanh, tạo ra lượng ethanol nhiều.

U Y

N

được ổn định, Nhưng nhìn chung ở mức nhiệt độ phòng (30oC) thì sản phẩm ethanol

.Q

tạo ra là nhiều nhất.

TP

Bảng 3.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất lên men trong 3 ngày Nhiệt độ (oC)

Mật độ quang (nm)

Nồng độ ethanol (g/l)

1

Nhiệt độ phòng (30oC)

0,665

4,67

2

40oC

0,612

3

50oC

0,528

4

60oC

Hiệu suất ethanol/nguyên liệu (%) 9,34

4,29

8,58

3,69

7,38

3,52

7,04

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

STT

10 00 A Ó

H

10 9.5 9 8.5 8 7.5 7 6.5 6

25

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

hiệu suất (%)

B

0,504

35

45

55

65

Hình 3.8: Hiệu suất của quá trình lên men theo nhiệt độ

D

IỄ N

Đ

Nhiệt độ (độ C)

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 64

N

H

sau:

Ơ

Từ các thí nghiệm khảo sát trên ta rút ra được điểm tối ưu cho các quá trình như

N

KẾT LUẬN

U Y

Tiền xử lý

TP

.Q

Bằng dung dịch HCl loãng, hấp tiệt trùng ở nhiệt độ 121oC và áp suất 1atm

Khảo sát theo các nồng độ HCl 1%,2%, 3% thì kết quả tiền xử lý ở 2% HCl

ẠO

cho hiệu quả cao nhất, hàm lượng cellulose cao nhất, Với HCl 3% thì hàm lượng

Đ

giảm do thành phần xơ kể cả cellulose bị thủy phân nhiều, Với HCl 1% thì tác động

N

G

rất ít tới thành phần của vỏ trấu.

+ Nhiệt độ 500C. + Tỷ lệ vỏ trấu/enzyme 3:1.

10 00

B

+ pH 4,8.

TR ẦN

H Ư

Quá trình thủy phân có điều kiện tối ưu như sau:

A

+ Thời gian thủy phân 2 ngày.

H

Ó

Quá trình lên men

Í-

Từ kết quả khảo sát quá trình lên men ta rút ra được: điều kiện tối ưu để nấm

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

men động tốt nhất ở nhiệt độ phòng (300C) trong khoảng 3 – 4 ngày lên men.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 65

N

H

sản phẩm, các thành phần khác như hemicellulose và lignin cản trở quá trình thủy

Ơ

Quá trình tạo ethanol thì thành phần quan trọng nhất là cellulose có trong

N

KIẾN NGHỊ

U Y

phân bằng enzyme. Thế nên cần tiền xử lý vỏ trấu trước khi tiến hành thủy phân để

.Q

tăng hàm lượng cellulose và giảm hàm lượng các chất cản trở.

TP

Hiệu suất tạo ethanol so với nguồn nguyên liệu đầu vào là khá thấp vì hiệu

ẠO

suất của quá trình đường hóa thấp. Vậy nên cần nghiên cứu kỹ để tìm ra phương

Đ

pháp tiền xử lý cũng như thủy phân để tăng hiệu suất tạo thành glucose.

N

G

Quá trình sử dụng enzyme thương mại với giá thành quá cao so dẫn đến

TR ẦN

vật khác để đưa vào quá trình đường hóa.

H Ư

không đảm bảo về tính kin tế, vì thế nên cần nghiên cứu một loại chế phẩm vi sinh

Trong thành phần của vỏ trấu đã qua tiền xử lý chứa một phần khá lớn thành

phần hemicellulose (13%). Thành phần hemicellulose được cấu tạo từ đường

10 00

B

pentose (5 carbon, chủ yếu là xylose). Như vậy, sản phẩm của quá trình thủy phân bã mía đã qua tiền xử lý sẽ bao gồm đường glucose và một ít đường pentose, chúng

A

sẽ được lên men thành ethanol. Nhưng nấm men Saccharomyces cerevisiae là vi

H

Ó

sinh vật chỉ có thể lên men glucose thành ethanol, nó không có khả năng lên men

Í-

đường pentose thành ethanol được. Để quá trình biến đổi bã mía thành ethanol có

-L

hiệu quả cao thì cần thiết lựa chọn những sinh vật có khả năng lên men cả glucose

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

và pentose.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 66

Gs. Ts. Lương Đức Phẩm,Giáo trình công nghệ lên men, NXB giáo

N

Cao Đình Khánh Thảo. Nghiên cứu thử nghiệm khả năng xử lý rơm rạ

U Y

[2]

H

dục Việt Nam, 2010.

Ơ

[1]

N

TÀI LIỆU THAM KHẢO

.Q

đểlên men ethanol, Luận văn Đại học. Bộ môn Công Nghệ Sinh Học – Khoa

Hồ Sĩ Tráng,Cơ sở hoá học gỗ và cellulose,Nhà xuất bản Khoa học và

ẠO

[3]

TP

Công Nghệ Hóa Học, 01/2007.

G

Khưu Phương Yến Anh,Nghiên cứu khả năng sinh enzyme cellulase

N

[4]

Đ

Kỹthuật Hà Nội, trang 30-81.

H Ư

của một số chủng nấm sợi phân lập từ rừng ngập mặn cần giờ, luận văn thạc

[5]

TR ẦN

sĩ sinh học, 2007, T 15, 16.

Đoàn Văn Thu,Nghiên cứu phương pháp tiền xử lý lignocellulose

B

trong sinh khối Cowe VA06 (Varisme 6) làm nguyên liệu sản xuất cồn sinh

[6]

10 00

học, luận văn thạc sĩ khoa học, chuyên ngành hóa sinh, 2012.

T.S Nguyễn Đức Lượng,Công nghệ enzyme, NXB Đại học Quốc gia

H

Hetti Palonen.Role of lignin in the enzymatic hydrolysis of

Í-

[7]

Ó

A

Thành phố Hồ Chí Minh, 2001.

-L

lignocellulose. VTT Biotechnology. 2004. p 11-39.

ÁN

[8]

Charles E.Wyman.Handbook on Bioethanol: Product and Utilization.

TO

Taylor&Francis. 1996. p 119-285.

D

IỄ N

Đ

ÀN

[9]

Elba P.S. Bon; Maria Antonieta Ferrara. Bioethanol production via

enzymatic hydrolysis of cellulosic biomass. FAO seminar held in Rome, 2007.

[10]

Adrian Zhou. Elspeth Thomson. The development of biofuels in Asia.

Applied Energy. 2009.

[11]

http://e85.whipnet.net/ethanol.history.

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 67

[12]

http://www.agroviet.gov.vn.

[14]

http://www.sinhhocvietnam.com/vn/modules.php?name=

Ơ

H

http://vietbao.vn/Khoa-hoc/TPHCM-30.000-USD-cho-xay-dung-mo-

N

[15]

N

News&file=article&sid=1063.

U Y

hinh-nong- nghiep-xanh-Biomass/20407311/189/

http://www.agbiotech.com.vn/vn/?mnu=preview&key=2321

[17]

http://www.secoin.vn/Desktop.aspx/Go-va-san-pham-sinh-

TP

.Q

[16]

ẠO

hoc/Biodiesel-Bioethanol/PHAT_TRIEN_NHIEN_LIEU_SINH_HOC/

G

Đ

[18]http://www.tin247.com/tu_san_(khoai_mi)_thanh_xang_sinh_hoc-12-

H Ư

N

21478026.html.

http://en.wikipedia.org/wiki/Cellulase

[20]

http://www.itpc.hochiminhcity.gov.vn/

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

[19]

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial