1. Trang Chủ
  2. Công nghệ - Môi trường
  3. Đồ án tốt nghiệp: Thử nghiệm cố định Saccharomyces cerevisiae và Pichia anomala trên chất mang PVA-alginate và ứng dụng trong lên men thu nhận ethanol từ vỏ cacao

Đồ án tốt nghiệp: Thử nghiệm cố định Saccharomyces cerevisiae và Pichia anomala trên chất mang PVA-alginate và ứng dụng trong lên men thu nhận ethanol từ vỏ cacao

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện với mục tiêu nhằm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cố định tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae và Pichia anomala sử dụng chất mang PVA-alginate, ứng dụng trong lên men ethanol từ vỏ cacao. Mời các bạn cùng tham khảo. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THỬ NGHIỆM CỐ ĐỊNH SACCHAROMYCES CEREVISIAE VÀ PICHIA ANOMALA TRÊN CHẤT MANG PVA – ALGINATE VÀ ỨNG DỤNG TRONG LÊN MEN THU NHẬN ETHANOL TỪ VỎ CACAO Ngành: C

Thể loại Tài liệu miễn phí Công nghệ - Môi trường

Số trang 82

Ngày tạo 10/11/2021 12:19:43 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.39 M

Tên tệp

Tải Đồ án tốt nghiệp: Thử nghiệm cố định Saccharomyces... (.pdf)

Xem mẫu

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THỬ NGHIỆM CỐ ĐỊNH SACCHAROMYCES CEREVISIAE VÀ PICHIA ANOMALA TRÊN CHẤT MANG PVA – ALGINATE VÀ ỨNG DỤNG TRONG LÊN MEN THU NHẬN ETHANOL TỪ VỎ CACAO Ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Giảng viên hướng dẫn : ThS. Trần Thị Tưởng An Sinh viên thực hiện : Ngô Lê Hồng Duyên MSSV: 1211100062 Lớp: 12DSH02 TP. Hồ Chí Minh, 2016
  2. Đồ án tốt nghiệp LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng, đồ án tốt nghiệp “Thử nghiệm cố định Saccharomyces cerevisiae và Pichia anomala trên chất mang PVA-alginate và ứng dụng trong lên men thu nhận ethanol từ vỏ cacao” là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức và dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và dựa trên sự hướng dẫn khoa học của Th.S Trần Thị Tưởng An. Các số liệu sử dụng trong đồ án là trung thực và có nguồn gốc cụ thể, rõ ràng. Nội dung đồ án có tham khảo và sử dụng các tài liệu thông tin được đăng tải trên các sách, tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu của khóa luận. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 08 năm 2016 Sinh viên thực hiện Ngô Lê Hồng Duyên i
  3. Đồ án tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Công nghệ Tp. Hồ Chí Minh, Ban chủ nhiệm khoa Công nghệ sinh học – Môi trường – Thực phẩm đã tạo điều kiện cho em được thực hiện đồ án này. Em xin cảm ơn toàn thể thầy cô trong khoa Công nghệ sinh học – Môi trường – Thực phẩm đã tận tình truyền đat các kiến thức và kỹ năng để em có thể hoàn thành khóa luận này. Trong suốt khoảng thời gian làm khóa luận tốt nghiệp tại phòng thí nghiệm Năng Lượng Sinh Học và Biomass – Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: Cô Trần Thị Tưởng An, trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh. Cảm ơn cô đã gợi ý đề tài, tạo điều kiện cho em được làm khóa luận tại đại học Bách Khoa, tận tình hướng dẫn chi tiết công việc, luôn theo sát chỉ dẫn, động viên em, hỗ trợ kinh phí suốt quá trình làm khóa luận. Em xin gửi lời cảm ơn đến các anh, các chị làm việc trong phòng thí nghiệm đã nhiệt tình hỗ trợ em trong suốt thời gian làm việc ở đây. Cảm ơn ba mẹ người đã luôn luôn bên cạnh động viên tinh thần em trong những lúc em cảm thấy khó khăn nhất. Cuối cùng, cảm ơn tất cả các bạn trong phòng thí nghiệm những người bạn đã luôn bên cạnh và giúp đỡ em trong mọi việc. Mặc dù đã cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất. Song do buổi đầu mới làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, tiếp cận với thực nghiệm và máy móc hiện đại cũng như hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm nên không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong được sự góp của quý thầy cô và các bạn để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 08 năm 2016 Sinh viên thực hiện Ngô Lê Hồng Duyên ii
  4. Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................................. i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẲT ...................................................................................... v DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................... vi DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................................. vii LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1 1. Đặt vấn đề .................................................................................................................. 1 2. Mục tiêu đề tài ........................................................................................................... 2 3. Nội dung nghiên cứu.................................................................................................. 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................................... 3 1.1 Giới thiệu về bioethanol ......................................................................................... 3 1.1.1 Khái niệm ........................................................................................................ 3 1.1.2 Các thế hệ bioethanol ...................................................................................... 6 ❖ Bioethanol thế hệ thứ nhất ..................................................................................... 6 ❖ Bioethanol thế hệ thứ hai ....................................................................................... 6 ❖ Bioethanol thế hệ thứ ba ........................................................................................ 6 1.2 Quy trình sản xuất ethanol ..................................................................................... 7 1.2.1 Tiền xử lý ........................................................................................................ 8 1.2.2 Thủy phân ..................................................................................................... 10 1.2.3 Lên men ........................................................................................................ 11 1.2.4 Chưng cất, thu hồi bioethanol ....................................................................... 11 1.3 Nguồn nguyên liệu sản xuất bioethanol ............................................................... 13 1.3.1 Một số nguồn nguyên liệu sản xuất bioethanol ............................................ 13 1.3.2 Sản xuất bioethanol sử dụng nguồn nguyên liệu vỏ cacao ........................... 15 1.3.2.1 Giới thiêu về vỏ cacao ............................................................................... 15 1.3.2.2 Tình hình sản xuất cacao ở Việt Nam ....................................................... 15 1.4 Cố định tế bào ...................................................................................................... 17 1.4.1 Định nghĩa và các phương pháp cố định....................................................... 17 1.4.2 Ưu điểm & nhược điểm ................................................................................ 20 1.4.3 Chất mang .................................................................................................... 22 1.4.4 Saccharomyces & Pichia .............................................................................. 26 1.4.5 Một số nghiên cứu về cố định tế bào ............................................................ 28 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................... 32 2.1 Thời gian và địa điểm thực hiện đề tài ................................................................. 32 2.1.1 Thời gian nghiên cứu .................................................................................... 32 2.1.2 Địa điểm nghiên cứu ..................................................................................... 32 iii
  5. Đồ án tốt nghiệp 2.1.3 Đối tượng nghiên cứu ................................................................................... 32 2.1.4 Nội dung nghiên cứu..................................................................................... 32 2.2 Vật liệu và thiết bị ................................................................................................ 32 2.2.1 Nguyên vật liệu dùng trong nghiên cứu ........................................................ 32 2.2.2 Hóa chất sử dụng .......................................................................................... 33 2.2.3 Thiết bị và dụng cụ ....................................................................................... 34 2.3 Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 35 2.3.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm ................................................................................. 35 2.3.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm ..................................................................... 36 2.4 Phương pháp phân tích ......................................................................................... 39 2.4.1 Phương pháp Vi sinh..................................................................................... 39 2.4.2 Phương pháp sinh hóa ................................................................................... 42 2.4.3 Xử lý số liệu .................................................................................................. 43 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ........................................................................ 44 3.1 Quá trình cố định tế bào ....................................................................................... 44 3.1.1 Cảm quan nồng độ sodium alginate .............................................................. 44 3.1.2 Ảnh hưởng của nồng độ PVA ....................................................................... 45 3.2 Kết quả sử dụng chế phẩm S.cerevisia và P.anomala cố định trên PVA để lên men thu bioethanol từ vỏ cacao ...................................................................................... 48 3.2.1 Ảnh hưởng của thời gian (giờ) lên men ........................................................ 48 3.2.2 Ảnh hưởng của pH ........................................................................................ 52 3.2.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ nấm men ...................................................................... 54 3.3 Khả năng tái sử dụng chế phẩm lên men S.cerevisiae và P.anomala cố định trên gel PVA để lên men ........................................................................................................ 57 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 61 4.1 Kết luận ................................................................................................................ 61 4.2 Kiến nghị .............................................................................................................. 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 62 TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT ................................................................................................. 62 TÀI LIỆU NƯỚC NGOÀI ............................................................................................. 62 TÀI LIỆU TỪ INTERNET ............................................................................................. 63 iv
  6. Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẲT DNS 3,5-dibnitrosalycylic acid P.anomala Pichia anomala PL Phụ lục PVA Polyvinyl alcohol S. cerevisiae Saccharomyces cerevisiae SDA Sabouraud Dextrose Agar SDB Sabouraud Dextrose Broth SHF Separate hydrolysis and fermentation SSCF Simultaneous saccharification and co-fermentation SSF Simultaneous saccharification and fermentation TSD Tái sử dụng v
  7. Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Đặc tính hóa lý của ethanol Bảng 1.2 Thông số của bioethanol so với xăng Bảng 1.3 Các phương pháp tiền xử lý Bảng 1.4 Các kỹ thuật lên men thu nhận bioethanol Bảng 2.1 Thông tin thiết bị sử dụng trong quá trình nguyên cứu Bảng 2.2 Các nghiệm thức khảo sát khả năng cố định tế bào của Saccharomyces cerevisiae Bảng 2.3 Các nghiệm thức khảo sát khả năng cố định tế bào của Pichia anomala Bảng 2.4 Bố trí các nghiệm thức thí nghiệm vi
  8. Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Công thức cấu tạo ethanol Hình 1.2 Sơ đồ chuyển hóa sinh khối lignocellulose thành bioethanol Hình 1.3 Trái cacao Hinh 1.4 Công thức cấu tạo của phân tử polyvinyl alcohol Hinh 1.5 Công thức cấu tạo của phân tử polyvinyl acetate Hình 1.6 Saccharomyces cereviciae Hình 1.7 Pichia anomala Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm Hình 3.1. Mật độ tế bào cố định trên PVA Hình 3.2. Hiệu suất cố định tế bào Hình 3.3. Mật độ tế bào cố định trên PVA Hình 3.4. Hiệu suất cố định tế bào Hình 3.5 Sự thay đổi các thành phần theo thời gian lên men Hình 3.6 Sự thay đổi các thành phần theo pH trong môi trường lên men. Hình 3.7 Sự thay đổi các thành phần theo tỷ lệ nấm men cố định bổ sung vào môi trường lên men. Hình 3.8 Sự thay đổi các thành phần qua số lần tái sử dụng. vii
  9. Đồ án tốt nghiệp LỜI MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Như chúng ta đã biết, nền kinh tế thế giới hiện nay và trong tương lai phụ thuộc rất nhiều vào nhiên liệu hóa thạch, mặc dù nguồn tài nguyên này trong đó có dầu thô là tác nhân gây ô nhiễm môi trường rất lớn và được báo động là đang đi vào giai đoạn cạn kiệt như một sự tất yếu khi tài nguyên tự nhiên hữu hạn bị khai thác tối đa. Bên cạnh đó, nhu cầu bảo vệ môi trường sống trên trái đất được trong sạch dài lâu cũng như cần phát triển kinh tế với một tốc độ cao và trên quy mô rộng làm cho an ninh năng lượng toàn cầu ngày càng bị đe dọa nghiêm trọng. Do đó, nhiệm vụ tìm kiếm nguồn thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đã được đặt ra trong gần nửa thế kỷ qua và ngày càng trở nên cấp thiết. Bioethanol là nguồn nhiên liệu đầy hứa hẹn trong tương lai thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch, bởi nó là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo. Bioethanol tồn tại ở dạng lỏng có thể được sử dụng làm nguồn nhiên liệu mới cho tương lai. Tuy nhiên, những sản phẩm bioethanol có nguồn gốc từ tinh bột dễ bị biến động do tinh bột là nguồn lương thực của con người. Việc sử dụng tinh bột hoặc nguyên liệu giàu đường sẽ lập tức đẩy giá của lương thực và bioethanol tăng cao hơn so với sản xuất bằng con đường hóa học. Trong khi đó, giá của vật liệu phải chi trả 40– 75% tổng chi phí của sản xuất ethanol. Vì vậy, việc thay thế nguồn nguyên liệu để sản xuất bioethanol là vô cùng cần thiết. Các nguồn nguyên liệu là các phụ phẩm của ngành nông nghiệp như rơm rạ, bã mía, vỏ cacao…đang là sự lựa chọn hàng đầu hiện nay, việc sản xuất bioethanol từ các phụ phẩm nông nghiệp giúp giảm giá thành bioethanol, hạn chế rác thải nông nghiệp, tăng năng suất lao động của người nông dân, …. Bioethanol thường được sản xuất bằng nấm men tự do, tuy nhiên lên men bằng nấm men tự do gặp một số vấn đề như thời gian lên men dài, năng suất lên men thấp, tiêu tốn khá nhiều năng lượng để tách nấm men sau quá trình lên men. Để khắc phục, ta dùng phương pháp cố định nấm men với nhiều ưu điểm như: tốc 1
  10. Đồ án tốt nghiệp độ sử dụng glucose, tốc độ sinh tổng hợp ethanol cao hơn dù diện tích bề mặt dùng để vận chuyển chất dinh dưỡng nhỏ hơn, và khả năng tái sử dụng nấm men cố định giúp giảm thời gian nuôi cấy và thời gian lên men, ổn định hoạt tính của nấm men. Bên cạnh đó, vỏ cacao là nguồn phế phẩm nông nghiệp giàu lignocellulose nên có thể sử dụng để lên men tạo bioethanol rất hiệu quả, tận dụng được nguồn vỏ phế phẩm. Với sản lượng hằng năm khoảng 1-2 tấn/ha, lượng vỏ thải ra là gánh nặng rất lớn đối với môi trường. Bên cạnh đó, cây cacao cho thu hoạch gần như quanh năm nên nguồn cung nguyên liệu khá thuận lợi. Nguồn vỏ ca cao khổng lồ bị bỏ phí bấy lâu nay có thể được tận dụng rất hiệu quả để thử nghiệm lên men ethanol sinh học. Do vậy, đề tài “Thử nghiệm cố định Saccharomyces cerevisiae & Pichia anomala trên chất mang PVA-alginate và ứng dụng trong lên men thu nhận ethanol từ vỏ ca cao” thực hiện để khảo sát lên men ethanol bằng phương pháp cố định tế bào và ứng dụng nguồn nguyên liệu phế phẩm nông nghiệp là vỏ trái cacao. 2. Mục tiêu đề tài Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cố định tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae và Pichia anomala sử dụng chất mang PVA-alginate, ứng dụng trong lên men ethanol từ vỏ cacao. 3. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu đề tài, tiến hành nghiên cứu các nội dung sau: - Khảo sát chất mang PVA-alginate để cố định S. cerevisiae và P.anomala - Khảo sát các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình lên men khi sử dụng chế phẩm lên men S.cerevisiae và P.anomala cố định trên chất mang PVA-alginate. - Thử nghiệm khả năng sử dụng chế phẩm S.cerevisiae và P.anomala cố định trên chất mang PVA để lên men thu bioethanol từ vỏ cacao 2
  11. Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Giới thiệu về bioethanol 1.1.1 Khái niệm Bioethanol hay còn gọi là ethanol sinh học, là một dạng ethanol (hình 2.1) không tổng hợp bằng con đường hóa học mà được sản xuất bởi các vi sinh vật thông qua quá trình lên men đường từ các vật liệu sinh học có chứa đường hay các vật liệu có thể chuyển đổi thành đường như tinh bột, cellulose, lignocellulose, thường là từ các loại ngũ cốc như ngô, lúa mì, đậu tương hoặc từ vỏ cây, bã mía,... nhờ tác dụng của enzyme. Hình 1.1. Công thức cấu tạo ethanol (wikipedia) Quá trình lên men đường tạo thành ethanol và carbon dioxide: C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 Ethanol dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong sẽ bị đốt cháy hòa trộn với oxygen trong động cơ tạo ra carbon dioxide, nước và nhiệt lượng: C2H6O + 3O2 → 2CO2 + 3H2O+ nhiệt lượng Tổng hợp 2 công thức trên như sau: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O+ nhiệt. Nhiệt lượng sinh ra trong quá trình dùng để chạy máy. CO2 được sinh ra trong quá trình này là carbon trung tính (Carbon neutral) khác với loại khí carbon được tạo thành sau khi đốt các nhiên liệu hóa thạch. Carbon được tạo ra sau khi đốt các nhiên liệu hóa thạch không nằm trong chu trình carbon nên việc đốt chúng sẽ làm tăng hàm lượng carbon trong không khí gây hiệu ứng nhà kính. 3
  12. Đồ án tốt nghiệp Bảng 1.1 Đặc tính hóa lý của ethanol Công thức cấu tạo C2H5OH Khối lượng phân tử 46,07 g/mol Hình dạng Chất lỏng không màu (giữa -117oC &78oC) Độ hòa tan Hòa tan không giới hạn Khối lượng riêng 0,789 kg/l Nhiệt độ sôi 78,5oC (173oF) Nhiệt độ đông -117oC Điểm bắt lửa 12,8oC (thấp nhất) Điểm nóng chảy 425oC Giới hạn nổ Thấp hơn 3,5% v/v; lớn hơn 19% v/v Áp suất hơi 50mmHg (38oC) Giá trị nhiệt cao hơn 29.800 kJ/L (ở 20oC) Giá trị nhiệt thấp hơn 21.090 kJ/L (ở 20oC) Nhiệt dung riêng 60 Kcal/Kg Độ acid (pKa) 15,9 Độ nhớt 1.200 mPa.s (ở 20oC) Chỉ số khúc xạ (nD) 1,36 (ở 25oC) Chỉ số octane 99 (nguồn: Graeme M.Walker) 4
  13. Đồ án tốt nghiệp Quá trình sản xuất rượu ethanol làm nhiên liệu sinh học sạch gồm có 3 giai đoạn: - Lên men đường với chất men (microbial yeast). - Cất rượu: Rượu ethanol dùng để làm nhiên liệu cho xe ô tô phải chứa rất ít nước bằng phương pháp chưng cất rượu, nhưng rượu thuần chỉ đạt đến giới hạn 95-96%. Loại rượu này có thể dùng chạy máy, nhưng không thể hòa trộn với xăng dầu. - Làm khô: Đây là phương pháp làm khô rượu ethanol bằng cách dùng sàng phân tử ZEOCHEM Z3-03, hoặc thêm chất hydrocarbon benzene hoặc dùng chất calcium oxide như là chất làm khô để khử nước trong rượu. Ethanol thu được sau quá trình chưng cất ngũ cốc lên men có dạng hỗn hợp gồm nước và ethanol, cần phải tách nước để lấy ethanol khan trước khi trộn với xăng. Cũng có thể dùng ethanol chưa khan nước (hydrous ethanol) nhưng chỉ cho các loại động cơ xe có chế tạo tương thích. Bioethanol có thể được sử dụng như một nguyên liệu lỏng trong động cơ đốt trong do nó có chỉ số octane cao và tính chất hóa lý tương đương với xăng (bảng 2.2). Chỉ số octane càng cao thì chỉ số chống gõ (anti-knocking index) tránh được tiếng gõ làm tổn thương lòng máy. Có thể sử dụng bioethanol nguyên chất hoặc pha trộn với xăng dầu. Nếu sử dụng E10 (10% ethanol) thì không cần phải thay đổi kết cấu xe. Bảng 1.2 Thông số của bioethanol so với xăng Tỷ Độ nhớt Điểm Năng lượng Năng Chỉ số Nhiên trọng (mm2/s) chớp (tại 20oC lượng octane liệu tượng (kg/L) nháy (oC) MJ/kg) (MJ/L) (RON) đương (L) Xăng 0,76 0,6
  14. Đồ án tốt nghiệp 1.1.2 Các thế hệ bioethanol Hiện nay dựa trên nguồn nguyên liệu sản xuất mà nguời ta chia bioethanol thành các thế hệ khác nhau. Bioethanol duợc chia thành 3 thế hệ chính: ❖ Bioethanol thế hệ thứ nhất Bioethanol thế hệ thứ nhất được sản xuất từ đuờng bằng quá trình lên men các loại đường có nguồn gốc từ lúa mì, ngô, củ cải đường, mía, mật rỉ đuờng. Hạn chế của việc sản xuất bioethanol thế hệ thứ nhất là tạo gánh nặng cho sản xuất nông nghiệp. Ðất nông nghiệp ngày một giảm, không thể cung cấp đủ cho việc sản xuất bioethanol mà không ảnh hưởng đến nguồn cung cấp thực phẩm trong nước và bioethanol được tao ra cạnh tranh chi phí với các nguồn năng lượng hóa thạch. ❖ Bioethanol thế hệ thứ hai Ðể khắc phục nhược điểm của bioethanol thế hệ thứ nhất, người ta đã sử dụng nguồn nguyên liệu phế thải hay nguồn nguyên liệu không phải là thực phẩm để có thể cung cấp nguyên liệu lâu dài, chi phí thấp và có lợi ích cho môi truờng. Nguồn cung cấp chủ yếu là thân cây, rơm rạ cũng như các loại cây trồng không phải cây lương thực như cỏ, jatropha… hay các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp như vỏ chuối, vỏ cacao… với hàm lượng lignocellulose cao. Biothanol thế hệ thứ hai được sản xuất từ sinh khối lignocellulose (bộ khung tạo nên tính chất “gỗ” của thực vật) đang trở thành xu hướng hiện nay.Tuy nhiên, quá trình tiền xử lý lại tiêu tốn khá nhiều chi phí. ❖ Bioethanol thế hệ thứ ba Là những nhiên liệu (dầu thực vật, biodiesel, bioethanol, biogas, biomethanol, biobutanol và nhiên liệu sinh học khác) trong đó có bioethanol được sản xuất từ tảo. Ðặc điểm nổi bật của nhiên liệu từ tảo là không ảnh hưởng đến nguồn nước ngọt, có thể sản xuất bằng cách sử dụng nước biển và nước thải, tương đối vô hại 6
  15. Đồ án tốt nghiệp cho môi trường. Nhưng chi phí cho các dự án sản xuất rất cao nên chỉ dừng ở việc thử nghiệm mà chưa ứng dụng trong quy mô sản xuất lớn. Cho đến nay, sản xuất cồn sinh học ở Việt Nam vẫn sử dụng nguồn nguyên liệu từ đường (mía, rỉ đường) và tinh bột (sắn). 1.2 Quy trình sản xuất ethanol Có rất nhiều nguồn nguyên liệu để sản xuất bioethanol trong đó nguồn nguyên liệu lignocellulose là nguồn nguyên liệu phong phú nhất. Sau đây là quy trình sản xuất bioethanol từ nguồn lignocellulose được thể hiện qua sơ đồ hình 2.2. Hình 1.2 Sơ đồ chuyển hóa sinh khối (Nguồn: Bioresource Technology, 2009) 7
  16. Đồ án tốt nghiệp Quá trình lên men ethanol từ các nguồn nguyên liệu lignocellulose cũng giống như từ tinh bột hay rỉ đường. Bao gồm bốn bước cơ bản: - Tiền xử lý nguyên liệu. - Thủy phân nguyên liệu. - Lên men. - Tinh chế sản phẩm (chưng cất, tách nước, bốc hơi, tách lỏng rắn) tùy vào nồng độ cồn mà có phương pháp tinh chế khác nhau. Quá trình này phụ thuộc nhiều vào công nghệ hóa học nên trong giới hạn của đề tài xin được không trình bày. 1.2.1 Tiền xử lý Trong sinh khối lignocellulose thì cellulose là thành phần chính để lên men bioethanol. Cellulose và hemicellulose được bảo vệ bởi lớp lignin dày đặc chống lại sự thủy phân của enzyme.Vì vậy, cần thiết phải có một bước tiền xử lý để phá vỡ lignin để lộ cellulose và hemicellulose cho quá trình thủy phân của enzyme được dễ dàng. Tiền xử lý nhằm mục đích giảm kết tinh của cellulose, tăng diện tích bề mặt sinh khối, loại bỏ hemicellulose, và phá vỡ lignin. Tiền xử lý làm cho cellulose dễ tiếp cận hơn với các enzyme để chuyển đổi polyme carbohydrate thành đường lên men có thể đạt được nhanh hơn, dẫn đến yêu cầu enzyme sử dụng sẽ giảm, chi phí cũng sẽ giảm. Quá trình tiền xử lý phải đáp ứng những yêu cầu: - Nâng cao được hiệu quả của quá trình thủy phân tiếp theo. - Hạn chế sự mất mát của hydrocarbon. - Tránh sự tạo thành các sản phẩm phụ làm ức chế quá trình thủy phân và quá trình lên men. - Phá vỡ được lớp bao bọc của lignin và hemicellulose với cellulose. - Tiết kiệm được chi phí. Vì các nguyên liệu lignocellulose khác nhau có các đặc tính lý hóa khác nhau, nên cần áp dụng các công nghệ tiền xử lý phù hợp với các đặc điểm của từng 8
  17. Đồ án tốt nghiệp nguyên liệu sinh khối lignocellulose. Tiền xử lý bao gồm các phương pháp cơ học, hóa lý, hóa học, sinh học,...được tóm tắt trong bảng 2.3. Bảng 1.3. Các phương pháp tiền xử lý Phương Tác nhân/ Kĩ Nguyên liệu TLTK pháp thuật Tác động cơ học Rơm rạ Hideno et al, 2009 Nổ hơi nước Mảnh gỗ cứng, vỏ trấu, bã Guoce Yu & mía… Shinichi Yano et al, Vật lý Nén nước nóng Rơm rạ 2008 Vi sóng Rơm rạ Azuma et al, 1984 Siêu âm Bã mía Lê Thị Như Ý, 2014 Acid Thân cây ngô, rơm lúa mì, vỏ Xuebing Zhao et al, cacao, vỏ chuối… 2014 Dung môi hữu Jamshid et al, 2005 Rơm rạ cơ Chất thải nông nghiệp và thân Hóa học Kiềm cây cỏ như rơm rạ. Zhang và Cai, 2008 Tác nhân oxy Rơm rạ hóa Phế phẩm nông nghiệp và lõi Wei và Cheng ,1985 Amoniac nổ sợi bắp Zhong et al, 2009 (AFEX) Các chất thải nông nghiệp như Sinh học Vi sinh vật Patel et al, 2007 rơm rạ. 9
  18. Đồ án tốt nghiệp 1.2.2 Thủy phân Sau quá trình tiền xử lý, cellulose và hemicellulose sẽ bị thủy phân thành các đường đơn (hexose và pentose). Ở đây, ta quan tâm nhiều đến sự thủy phân cellulose, do nó là thành phần chính trong sinh khối lignocellulose. Phương trình phản ứng tổng quát (PT2): (C5H10O5)n + nH2O →nC6H12O6 (PT2) Dùng acid hoặc enzyme để thủy phân cellulose. 2.3.3.2.1 Thủy phân bằng acid Vào cuối thế kỉ 19 và đầu thế kỉ 20, quá trình thủy phân được thực hiện bởi phản ứng giữa cellulose với acid. Acid loãng được sử dụng dưới điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao, còn acid đậm đặc được sử dụng ở nhiệt độ thấp và áp suất khí quyển. Quá trình thủy phân bằng acid loãng xảy ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao dẫn đến sự tạo thành các chất độc hại có thể ảnh hưởng không tốt đến quá trình lên men như các acid hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp, dẫn xuất furan và các hợp chất vô cơ . 2.3.3.2.2 Thủy phân bằng enzyme Các mắt xích của cellulose có thể bị phân cắt thành các phân tử đường glucose riêng lẻ bằng cellulase. Cellulase là một phức hệ enzyme có tác dụng thuỷ phân cellulose thông qua việc thuỷ phân liên kết 1,4-β-glucoside trong cellulose tạo ra sản phẩm glucose. Nguồn thu cellulase lớn nhất hiện nay là vi sinh vật (nấm,vi khuẩn). Nhiều loài nấm như Trichoderma, Penicillium, Aspergillus, và T. emersonii có thể sản sinh ra một số lượng lớn cellulase và hemicellulase ngoại bào. Vật liệu lignocellulose bị thủy phân bằng enzyme ở điều kiện ôn hòa (50oC và pH~5), cho phép phân cắt cellulose và hemicellulose một cách hiệu quả mà không hình thành nên các sản phẩm phụ có thể ức chế hoạt động của enzyme. Quá trình thủy phân bằng enzyme bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như : cấu trúc nguyên liệu, nhiệt độ , pH, nồng độ enzyme, nồng độ cơ chất, ảnh hưởng của các 10
  19. Đồ án tốt nghiệp chất kìm hãm. Mỗi yếu tố đều có sự ảnh hưởng nhất định, tuy nhiên yếu tố nhiệt độ và pH là ảnh hưởng mạnh nhất . 1.2.3 Lên men Trong quá trình lên men, các sản phẩm của quá trình thủy phân bao gồm đường hexose (glucose, mannose và galactose) và pentose (xylose và arabinose) sẽ được lên men thành ethanol nhờ nấm men Saccharomyces cerevisiae, tổ hợp nhiều loại nấm men hoặc vi khuẩn (Zymomonas spp). Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử diễn ra trong cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme gọi là quá trình oxy hóa sinh học. Có rất nhiều phương pháp lên men để tạo bioethanol, bước cuối để biến đổi sinh khối lignocellulose thành ethanol là thủy phân và lên men có thể được thực hiện một cách độc lập (SHF), đồng thời (SSF), hay đồng thời kết hợp nhiều chủng vi sinh vật (SSCF). Các phương pháp lên men bioethanol được tóm tắt trong bảng 1.4. 1.2.4 Chưng cất, thu hồi bioethanol Bioethanol cần phải được tách chiết ra khỏi dịch lên men và được tinh chế thì mới có thể sử dụng. Thu hồi ethanol từ dịch lên men bằng quá trình chưng cất hoặc kết hợp quá trình chưng cất với quá trình hấp phụ. Để thu cồn tuyệt đối người ta có thể dùng các phương pháp sau: • Chưng phân tử, chưng trích ly. • Hấp phụ rây phân tử. • Dùng Na2SO4, CaSO4, CaCO3, CuSO4 khan để hấp phụ nước. • Thẩm thấu qua màng lọc. • Chưng cất và thẩm thấu qua màng. Giai đoạn này phụ thuộc vào các kỹ thuật, máy móc và quá trình thiết bị nên trong giới hạn đề tài này không nghiên cứu. 11
  20. Đồ án tốt nghiệp Bảng 1.4. Các kỹ thuật lên men thu nhận bioethanol Phương pháp Nguyên tắc Ưu điểm Nhược điểm - Ức chế hoạt tính Thủy phân và lên Là một quá - Thủy phân và lên enzyme bởi sản phẩm men riêng rẽ trình gồm hai men được thực hiện pha tách biệt, trong điều kiện tối ưu cuối. (separate hydrolysis thủy phân của mỗi quá trình, - Thời gian thủy phân and fermentation – nguyên liệu và không phụ thuộc vào dài  nhiễm khuẩn rất SHF) cao. lên men glucose nhau. tạo ethanol. - Ứng dụng quy mô công nghiệp. Thủy phân và lên Là quá trình lên - Không cần phải - Không thể tái sử dụng men đồng thời men đồng thời tách glucose khỏi cơ nấm men vì nó ở trạng (Simultaneous với thủy phân chất lignocellulose  thái hỗn hợp của dịch sau Saccharification cơ chất. tránh được thất thoát lên men. and Fermentation- glucose. - Ethanol tạo thành sẽ SSF) - Thời gian lên men quay lại ức chế cellulase ngắn  tránh được Ethanol thu được không hiện tượng tạp nhiễm. cao. Thủy phân và lên Là quá trình lên - Sản phẩm - Nhiệt độ của quá trình men đồng thời kết men kết hợp với hemicellulose sau tiền thủy phân bằng enzyme hợp các giống vi các giống vi xử lý không cần tách và lên men ethanol khác sinh vật sinh vật diễn ra khỏi thành phần sợi nhau đáng kể , làm cho (Simultaneous đồng thời với cellulose. việc tối ưu hóa đồng thời saccharification and quá trình đường hai hoạt động rất khó. cofermentation- hóa cơ chất. SSCF) 12
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược