Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành ethanol sinh học

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây
thành ethanol sinh học


Phạm Công Minh


Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn ThS. ngành: Khoa học môi trường; Mã số: 60 85 02
Người hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Mạnh Khải
Năm bảo vệ: 2012


Abstract. Nghiên cứu một số điều kiện tối ưu trong quá trình thủy phân bèo tây
thành đường đơn bằng tác nhân hóa học. Xác định hàm lượng Etanol tạo ra sau quá
trình lên men bởi vi khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109, phân lập từ quá trình ủ
phân cừu và cỏ Napiergrass khô. Đề xuất quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây và xây
dựng kịch bản áp dụng cho một thủy vực thiên nhiên.

Keywords. Khoa học môi trường; Ethanol sinh học; Bèo tây


Content
MỞ ĐẦU
Ngày nay, thế giới đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng năng lượng trầm trọng.
Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới, nguồn năng lượng từ các sản phẩm hoá
thạch dầu mỏ sẽ bị cạn kiệt trong vòng 40- 50 năm nữa. Để ổn định và đảm bảo an ninh năng
lượng đáp ứng cho nhu cầu con người cũng như các ngành công nghiệp, các nhà khoa học
đang tập trung nghiên cứu tìm ra những nguồn nhiên liệu mới, trong đó nghiên cứu phát triển
nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối động, thực vật là một hướng đi có thể tạo ra
nguồn nhiên liệu thay thế phần nào nguồn nhiên liệu hoá thạch đang cạn kiệt, đảm bảo an

ninh năng lượng cho từng quốc gia.
Sử dụng nhiên liệu sinh học có những ưu điểm như giảm thiểu ô nhiễm khí thải độc
hại từ động cơ, tiết kiệm nguồn nhiên liệu hóa thạch dầu mỏ, tăng hiệu suất của động cơ, mặt
khác nhiên liệu sinh học khi thải vào đất có tốc độ phân hủy sinh học cao nhanh hơn gấp 4
lần so với nhiên liệu hóa thạch.
Etanol sinh học (Bio-Etanol) là một loại nhiên liệu sinh học, được sản xuất chủ yếu
bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa
thành đường đơn, thường được sản xuất từ các loại cây nông nghiệp hàm lượng đường cao
như ngô (ở Mỹ), lúa mì, lúa mạch, mía (ở Brazil). Ngoài ra, Etanol sinh học còn được sản
xuất từ cây cỏ có chứa hợp chất cellulose. Etanol từ cellulose đã được sản xuất thành công và
đưa vào sử dụng làm nhiên liệu ở nhiều nước trên thế giới. Hiện nay, việc sản xuất Etanol từ
các loại cây lương thực đang gây ra sự lo ngại về vấn đề an ninh lương thực trên thế giới.
Chính vì vậy, thế giới đang đi theo hướng sản xuất Etanol từ các nguyên liệu chứa hợp chất
cellulose.
Việt Nam là một quốc gia nằm ở vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, điều kiện thuận
lợi cho sự phát triển của các loài tảo, bèo tây. Trên thế giới đã có những công trình nghiên
cứu ứng dụng khả năng hấp thụ kim loại nặng của bèo tây để làm sạch môi trường nước mặt.
Bên cạnh đó, bèo tây cũng đã được nghiên cứu trong lĩnh vực sản xuất Etanol sinh học. Dựa
vào thành phần hóa học của bèo tây chủ yếu là cellulose và hemicellulose, qua quá trình thủy
phân và lên men nhờ vi sinh vật, chuyển hoá cellulose trong bèo tây thành Etanol sinh học.
Với những ưu điểm như rẻ tiền, phổ biến và có khả năng phát triển rất nhanh, bèo tây sẽ là
một nguồn nguyên liệu tiềm năng trong quá trình nghiên cứu sản xuất Etanol sinh học. Chính
vì ý nghĩa thiết thực đó, luận văn đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu khả năng
chuyển đổi bèo tây (Eichnoria) thành Etanol sinh ho
̣
c”
Để đạt được mục tiêu nêu trên, đề tài đã tiến hành các nội dung nghiên cứu sau:
- Nghiên cứu một số điều kiện tối ưu trong quá trình thủy phân bèo tây thành
đường đơn bằng tác nhân hóa học.
- Xác định hàm lượng Etanol tạo ra sau quá trình lên men bởi vi khuẩn Klebsiella

oxytoca THLC0109, phân lập từ quá trình ủ phân cừu và cỏ Napiergrass khô.
- Đề xuất quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây và xây dựng kịch bản áp dụng cho
một thủy vực thiên nhiên.


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Sinh khối và nhiên liệu sinh học
1.1.1 Khái niệm
1.1.2. Các dạng nhiên liệu sinh học
1.1.3. Những lợi ích khi sử dụng nhiên liệu sinh học
1.2. Etanol sinh học
1.2.1. Tính chất lý hoá học của Etanol
1.2.2. Phương pháp sản xuất Etanol sinh học
1.2.3. Tình hình sản xuất và sử dụng Etanol sinh học
1.3. Vai trò của vi sinh vật trong việc phân giải hợp chất hữu cơ
1.3.1. Cellulosese và vi sinh vật phân giải cellulosese
1.3.2. Hemicellulosese và vi sinh vật phân giải hemicellulosese
1.4. Vai trò của vi sinh vật trong quá trình lên men rƣợu
1.4.1. Quá trình lên men rượu
1.4.2. Nấm men dùng trong sản xuất rượu etylic
1.5. Bèo tây và thực trạng sử dụng bèo tây ở Việt Nam
1.5.1. Đặc điểm của bèo tây
1.5.2. Sự phân bố bèo tây ở Việt Nam
1.5.3. Thực trạng sử dụng bèo tây ở Việt Nam


CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tƣợng nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu
- Mẫu bèo tây được lấy tại hồ khu vực Bắc Linh Đàm, quận Hoàng Mai, Hà Nội. Sau
khi rửa sạch bèo tây, cắt bỏ phần rễ, sau đó được sấy bằng tủ sấy đến khối lượng không đổi.
- Đề tài sử dụng loại khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109 do thạc sĩ Trần Đăng
Thuần phân lập từ quá trình ủ phân cừu và cỏ Napier khô tại Đài Loan.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp tiền xử lý
- Bèo tây được sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 70
0
C đến khối lượng không đổi, sau đó
được cắt ngắn khoảng 2-3 cm và nghiền nhỏ bằng máy nghiền thành dạng bột. Bột bèo được
bảo quản trong hộp kín, tránh bị ẩm mốc.
2.2.2. Phương pháp thủy phân
Bèo tây được thủy phân trong 120ml dung dịch axit H
2
SO
4
loãng 2,5%, sau đó đun ở
100
0
C bằng máy điều nhiệt trong 35 phút. Làm lạnh đưa về nhiệt độ phòng, trung hòa dung
dịch sau thủy phân bằng NaOH sau đó lọc bằng giấy lọc băng xanh. Xác định hàm lượng
đường khử của dung dịch thu được bằng phương pháp so màu.
Trong quá trình thủy phân, mục tiêu của đề tài là tìm ra được các thông số tối ưu có
ảnh hưởng trực tiếp đến sản phẩm thủy phân bèo tây: thời gian, nồng độ axit, tỷ lệ rắn lỏng.
2.2.3. Phương pháp xác định hàm lượng đường khử
 Xác định đường khử bằng phương pháp axit dinitro-salicylic (DNS)
- Nguyên tắc: Phương pháp này dựa trên cơ sở phản ứng tạo màu giữa đường khử với
thuốc thử axit dinitrosalicylic (DNS). Ban đầu dung dịch axit dinitro – salicylic (DNS) có
màu vàng nhạt, sau khi phản ứng với đường khử chuyển sang màu da cam – đỏ đậm. Cường

độ màu của hỗn hợp phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ đường khử trong một phạm vi nhất
định. Tiến hành so màu ở bước sóng 550nm. Dựa vào đồ thị đường chuẩn của D-glucose với
thuốc thử DNS sẽ tính được hàm lượng đường khử của mẫu.
Phương trình phản ứng tạo màu giữa đường khử và DNS axit:

2.2.4. Phương pháp lên men
 Nhân giống vi khuẩn lên men:
Môi trường nhân giống gồm (pepton 5g/l; NaCl 5g/l). Lấy 100ml dung dịch môi
trường nhân giống đưa vào bình thủy tinh có nút cao su. Khử trùng trong nồi hấp ở nhiệt độ
60-70
0
C trong 15 phút.
Cấy vi sinh vật vào dung dịch: Công việc được tiến hành trong tủ khuấy vô khuẩn để
tránh bị nhiễm các vi sinh vật khác có ảnh hưởng xấu đến vi khuẩn và quá trình lên men sau
này. Dùng que cấy vòng và được vô khuẩn trên đèn cồn chấm vào lọ đựng vi sinh vật sau đó
từ từ đưa vào bình thủy tinh chứa dung dịch môi trường nhân giống. Tiến hành nuôi cấy ở
nhiệt độ phòng trong 24h.
 Lên men mẫu:
Lấy 100ml dung dịch nước lọc bèo của quá trình thủy phân cho vào bình có nút cao
su. Khử trùng trong nồi hấp ở nhiệt độ 60-70
0
C trong 60 phút. Sử dụng kim tiêm lấy 1ml
dung dịch từ bình nuôi cấy cho vào bình lên men. Nuôi ở nhiệt độ phòng. Cứ 24h tiến hành
lấy mẫu 1 lần, mỗi lần lấy 6ml.
2.2.5. Phương pháp xác định hàm lượng Etanol
Dung dịch sau khi lên men được phân tích hàm lượng Etanol trên máy sắc khí GC tại
phòng thí nghiệm của Khoa Môi trường, trường Đại học Khoa học Tự nhiên.
Thiết bị sử dụng phân tích Etanol là máy sắc ký khí Detector cộng kết điện tử GC-
ECD 2010 của hãng Shimazhu, Nhật Bản.
Điều kiện phân tích đã lựa chọn:

- Cột mao quản chiều dài 30m, đường kính trong 0,25 mm;
- Nhiệt độ cổng bơm mẫu: 1200C;
- Nhiệt độ detector ECD: 2800C;
- Khí mang N
2
tốc độ dòng 1ml/phút;
- Phương pháp bơm mẫu Splitless
- Chương trình nhiệt độ cột: Nhiệt độ ban đầu là 120
0
C (giữ trong 1 phút), sau đó tăng lên
150
0
C với tốc độ 10
0
C/phút và giữ ở 150
0
C trong 4 phút.
- Tổng thời gian chạy mẫu là 8 phút.
- Bơm mẫu theo kiểu heat-spray: Gồm 3 bước theo thứ tự (1), (2) và (3):
Mẫu ban đầu (1) được gia nhiệt đến trạng thái bão hòa (2), sau đó hút như ở (3) và
bơm vào cổng bơm mẫu của máy sắc ký khí.
(1) (2) (3)

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1. Thành phần và khả năng phát triển của bèo tây
3.1.1. Thành phần lý hóa học của bèo tây
Phần thân bèo tây ban đầu có màu xanh lá cây, sau khi sấy khô bằng tủ sấy chuyển
sang màu nâu nhạt.
Khối lượng bèo tây ban đầu: 1kg phơi khô tự nhiên, sấy khô ở 70
0
C đến khối lượng
không đổi là 0,115 kg
Như vậy trong bèo tây nghiên cứu có chứa lượng nước:
(1 - 0,115) * 100% = 88,5%
Kết quả phân tích thành phần mẫu bèo tây của Viện Chăn nuôi Việt Nam theo 3 yếu
tố cellulose, hemicellulose và lignin:
Bảng 7. Thành phần khối lượng bèo tây
Thành phần
% Khối lượng (khô)
Cellulose
34
Hemicellulose
43
Lignin

8
Khác
15
Trên thế giới, các nghiên cứu về bèo tây đã chỉ ra rằng: hầu hết hàm lượng cellulose
và hemicellulose tập trung tại thân và lá của bèo tây; bộ phận rễ của bèo tây là nơi phân giải
các chất ô nhiễm và tích luỹ kim loại nặng, thành phần chủ yếu là lignin. Chính vì vậy, đề tài
này cũng chỉ sử dụng phần thân và lá của bèo tây để nghiên cứu khả năng sản xuất Etanol.
Đây cũng là xu hướng nghiên cứu phù hợp với thế giới trong lĩnh vực sản xuất Etanol từ
nguyên liệu bèo tây.
3.1.2. Khả năng phát triển của bèo tây
Bèo tây là một trong mười loài cây có tốc độ sinh trưởng mạnh nhất trên thế giới.
Tỷ lệ tăng trưởng của bèo tây khoảng 10,33 – 19,15 kg/ha/ ngày (Reddy and DeBusk,
1987). Chúng có khả năng tăng gấp đôi sinh khối trong vòng 14 ngày, sinh khối trung
bình lớn nhất của bèo tây là 49,6 kg/m
2
. Trong điều kiện bình thường, bèo tây có thể bao
phủ mặt nước với mật độ 10 kg/m
2
, mật độ tối đa có thể đạt được là 50 kg/m
2
.
Theo Yount & Crossman, 1970, năng suất của bèo tây trong môi trường nước tự
nhiên tại trung tâm và phía Nam Florida, Mỹ là 2 – 29 g bèo khô/m
2
/ngày. Đặc biệt, trong
môi trường nước giàu chất dinh dưỡng, năng suất bèo tây có thể đạt tới mức 5 – 52g bèo
khô/ m
2
/ngày.
Nhóm các nhà khoa học Mexico, E.L. Gutiérrez, E.F. Ruiz, E.G. Uribe và J.M.

Martínez nghiên cứu về sinh khối và năng suất bèo tây tại các thuỷ vực, kết quả trong
bảng 8 cho thấy sự phát triển của bèo tây tại các đầm và hồ:
Bảng 8. Sản lượng và độ che phủ của bèo tây
Địa điểm
Sản lượng (khô)
Độ che phủ
Tổng sinh
khối (tấn)
TB
(kg/m
2
)
Lớn nhất
(kg/m
2
)
Trung bình
(ha)
% diện tích
Đầm Chairel
39,5
50,5
376
10
148.520
Đập Cruz Pintada
49,6
76
7,5
75

3.720
Đập Sanalona
42,6
57
790
33
336.540
Đập Solis
38,8
63
3.378
59
1.130.664
Đập Requena
35,74
51
498
70
175.803
Đập Endho
33,5
51
818
80
220.000
Đập Valle de Bravo
45,7
67
109
6

50.000
Theo nghiên cứu của Penfound and Earle, trên lưu vực sông Mê Kông, từ 10 cá thể
bèo tây sau khoảng thời gian 8 tháng đã hình thành một quần thể bèo tây với số lượng
655.000 cá thể, che phủ diện tích mặt nước 0,4 ha.
Các nghiên cứu trên đã cho ta thấy được khả năng sinh sản cực nhanh của bèo tây. Vì
vậy, nếu không sử dụng nguồn sinh khối này sẽ rất lãng phí và bèo tây còn có thể gây ra tác
dụng tiêu cực với đời sống.
3.2. Kết quả thí nghiệm thủy phân chuyển hóa bèo tây thành đƣờng
3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian
Tiến hành thủy phân 2,5g bèo tây với dung dịch 120ml H
2
SO
4
2,5% trong các khoảng
thời gian 35 – 60 phút ở 100
0
C. Kết quả được thể hiện trong bảng 8:
Bảng 9. Ảnh hưởng của yếu tố thời gian đến khả năng thủy phân
Thời gian thủy phân (phút)
Khối lượng đường (g)
Tỷ lệ thủy phân (g/g)
35
1,315
0.526
40
1,738
0.695
45
1,945
0.778

50
2,203
0.881
55
1,126
0.450
60
1,063
0.425

0
0.5
1
1.5
2
2.5
35 40 45 50 55 60
Thời gian (phút)
Khối lượng (g)
0
0.5
1
1.5
2
Khối lượng đường Tỷ lệ thủy phân

Hình 8. Ảnh hưởng của yếu tố thời gian đến khả năng thủy phân
Từ biểu đồ hình 8, có thể thấy trong khoảng khảo sát 35 – 60 phút thì lượng đường
tạo ra chủ yếu trong 50 phút đầu tiên. Tại thời điểm 50 phút lượng đường tạo ra đạt giá trị lớn
nhất (2,203 g) tương ứng với tỷ lệ thủy phân cao nhất (0,881 g/g). Do vậy đề tài lựa chọn thời

gian thủy phân là 50 phút là thời gian tối ưu.
3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ axit
Tiến hành thủy phân 3g bèo tây với dung dịch 120ml H
2
SO
4
, nồng độ axit khảo sát
trong khoảng 3% - 8% trong 50 phút ở 100
0
C. Kết quả thu được thể hiện trong bảng 9:
Bảng 10. Ảnh hưởng của nồng độ axit đến khả năng thủy phân
Nồng độ axit H
2
SO
4
(%)
Khối lượng đường (g)*
Tỷ lệ thủy phân (g/g)
3%
2,096
0.699
4%
2224
0.741
5%
2,275
0.758
6%
2,416
0.805

7%
2,754
0.918
8%
1,784
0.595
(*): Tính cho 120ml dung dịch axit
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3% 4% 5% 6% 7% 8%
Nồng độ axit (%)
Khối lượng đường (g)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Khối lượng đường Tỷ lệ thủy phân

Hình 9. Ảnh hưởng của nồng độ axit đến khả năng thủy phân
Từ biểu đồ hình 9, thấy được trong khoảng khảo sát nồng độ axit H2SO4 thủy phân
3% - 8% thì lượng đường tạo ra ở nồng độ 7% là lớn nhất (2,754 g) tương ứng với tỷ lệ thủy
phân cao nhất (0,918 g/g). Do vậy đề tài lựa chọn nồng độ axit H2SO4 7% là nồng độ tối ưu
để sử dụng cho thí nghiệm tiếp theo.
3.2.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng

Bèo tây được thủy phân trong 120ml axit H2SO4 7% theo các tỷ lệ rắn/ lỏng là 1:120,
1:60, 1:40, 1:30, 1:24, 1:20 ở 1000C trong 50 phút. Kết quả được thể hiện trong bảng 10:
Bảng 11. Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến khả năng thủy phân
Tỷ lệ rắn/ lỏng
Khối lượng bèo
tây (g)
Khối lượng đường
Tỷ lệ thủy phân
(g/g)
1:120
1
0,409
0,409
1:60
2
0,965
0,482
1:40
3
2,187
0,729
1:30
4
2,861
0,715
1:24
5
3,296
0,659
1:20

6
3,593
0,599

0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
1 2 3 4 5 6
Khối lượng bèo tây (g)
Khối lượng đường (g)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Khối lượng đường Tỷ lệ thủy phân

Hình 10. Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến khả năng thủy phân
Từ biểu đồ 10, trong khoảng khảo sát khối lượng bèo tây thay đổi 1 – 6(g), lượng
đường tạo ra tỉ lệ thuận với khối lượng bèo tây đem thủy phân thì khối lượng đường thu được
càng lớn. Vì ở 6g lượng đường tạo ra đạt giá trị lớn nhất 3,593 (g) nhưng tỷ lệ thủy phân chỉ
đạt 0,599 (g/g) thấp hơn so với tỷ lệ thủy phân ở 3g (0,729 g/g). Vì vây, xét cả yếu tố sử dụng
nguyên liệu hiệu quả, đề tài lựa chọn khối lượng bèo tây thủy phân ở 3g (tỷ lệ 1: 30) là tối ưu
để sử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo.

Từ 3 thông số đã khảo sát (thời gian thủy phân, nồng độ axit và tỷ lệ rắn/ lỏng), đề tài
đã lựa chọn ra điều kiện tối ưu của quá trình thủy phân bèo tây bằng dung dịch axit H
2
SO
4

loãng là:
Thể tích axit H
2
SO
4
V = 120ml
Khối lượng bèo: 3g
Nồng độ axit H
2
SO
4
: 7%
Thời gian thủy phân: 50 phút
Nhiệt độ: 100
0
C
3.2.4. Thành phần của bã bèo sau quá trình thuỷ phân
Sau khi đã lựa chọn được bộ thông số tối ưu cho quá trình thuỷ phân, ta tiến hành
thuỷ phân bèo tây với các thông số tối ưu. Quá trình thuỷ phân được tiến hành. Sản phẩm
dung dịch đường được chuẩn bị cho quá trình lên men, còn bã bèo sẽ được phân tích thành
phần các chất rắn còn lại.
Bảng 12. Thành phần chất rắn còn lại sau quá trình thuỷ phân
STT
Hợp chất

Nguyên liệu
ban đầu (g)
Sau quá trình
thuỷ phân (g)
1
Cellulose
1,02
0,692
2
Hemicellulose
1,29
0,593
3
Lignin
0,24
0,218
4
Khác
0.45
0,415
Tổng cộng
3,0
1,685

Từ số liệu về thành phần chất rắn còn lại sau quá trình thuỷ phân ở bảng 12, tính được
khả năng chuyển hoá hydrocacbon trong quá trình thuỷ phân bằng axit như sau:
Bảng 13. Khả năng chuyển hoá hydratcacbon trong quá trình thuỷ phân
STT
Hợp chất
Nguyên liệu

ban đầu (g)
% chuyển hoá
hydrocacbon
1
Cellulose
1,02
32,20
2
Hemicellulose
1,29
54,08
3
Lignin
0,24
9,21
4
Khác
0.45
7,78

Kết quả trong bảng 13 cho thấy hemicelluloses là hợp chất có khả năng chuyển hoá
hydrocacbon tốt nhất 54,08 % trong quá trình thuỷ phân bằng axit H
2
SO
4
, tiếp đến là
cellulose 32,2 %, ligini 9,21%. Kết quả này chỉ ra rằng: lignin là hợp chất rất khó chuyển hoá
trong quá trình thuỷ phân bằng axit. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trên thế giới về
quá trình thuỷ phân nguy

3.3. Khả năng chuyển hóa sản phẩm thủy phân thành Etanol
3.3.1. Xây dựng đường chuẩn Etanol
Các dung dịch Etanol được pha theo nồng độ định trước và được đo trên máy sắc ký
khí GC. Từ kết quả đo được, vẽ được đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ Etanol và
diện tích peak – xác định đường chuẩn Etanol.


y = 3158.6x
R
2
= 0.9976
0
50000
100000
150000
200000
250000
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Nồng độ Etanol (mg/l)
Diện tích Peak

Hình 11. Đường chuẩn Etanol

3.3.2. Phân tích nồng độ Etanol trong các mẫu
Sau khi thủy phân bèo tây ở các điều kiện tối ưu, dịch thu được tiến hành lên men nhờ
vi khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109. Cứ sau 24h lấy mẫu 1 lần đem phân tích hàm lượng
Etanol trên máy sắc ký khí GC, thu được các sắc ký đồ như sau:

Ngày 1: S = 3426 Ngày 2: S = 13447

Ngày 3: S = 22795 Ngày 4: S = 15188


Ngày 5: S = 6078 Ngày 6: S = 7196
Hình 12. Sắc ký đồ mẫu phân tích Etanol qua các ngày
Thời gian lưu chuẩn của Etanol là 2,1 phút. Từ sắc đồ phân tích các mẫu cho thấy tại
thời điểm 2,1 phút phát hiện có Etanol trong mẫu.
Bảng 14. Hàm lượng Etanol tạo ra sau quá trình lên men
Mẫu
Diện tích peak
Nồng độ Etanol
(mg/l)
Tỷ lệ lên men
(mg/g)
Ngày 1
3426
1,08
0,033
Ngày 2
13447
4,26
0,128
Ngày 3
22795
7,22
0,217
Ngày 4
15198
4,81

0,144
Ngày 5
7196
2,28
0,068
Ngày 6
6078
1,92
0,058

0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 1 2 3 4 5 6
Thời gian (ngày)
Nồng độ Etanol (mg/l)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Nồng độ etanol Tỷ lệ lên men

Hình 13. Hàm lượng Etanol tạo ra sau quá trình lên men

Từ đồ thị hình 13, có thể thấy trong ngày đầu tiên vi khuẩn chưa thích nghi được với
môi trường cơ chất mới, hoạt động của vi khuẩn trong giai đoạn này còn yếu. Những ngày
tiếp theo vi khuẩn đã thích nghi được với môi trường và phản ứng lên men tạo Etanol tăng
mạnh. Đến ngày thứ 3 nồng độ Etanol đạt giá trị cao nhất (7,22 mg/l), tương đương hàm
lượng Etanol 0,217 mg/g. Nguyên nhân là do trong quá trình lên men yếm khí sản phẩm tạo
ra không chỉ là Etanol mà còn có các sản phẩm phụ khác như phenol, furfural, axit
lactic…hạn chế khả năng lên men của vi sinh vật làm giảm hàm lượng Etanol trong mẫu. Mặt
khác, khi nồng độ Etanol trong mẫu tăng cao thì chủng vi sinh sẽ bị “say” Etanol, khả năng
chuyển hóa đường thành Etanol sẽ bị suy giảm.

Bảng 15. Hàm lượng Etanol và đường khử trong quá trình lên men
Mẫu
Nồng độ Etanol
(mg/l)
Nồng độ đường khử
(g/l)
Ngày 1
1,08
2,75
Ngày 2
4,26
2,62
Ngày 3
7,22
2,08
Ngày 4
4,81
1,25

Ngày 5
2,28
0,89
Ngày 6
1,92
0,54

0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
0 1 2 3 4 5 6
Thời gian (ngày)
Nồng độ Etanol (mg/l)
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
Hàm lượng đường khử (g/l)
Nồng độ Etanol Hàm lượng đường khử

Hình 14. Mối quan hệ giữa hàm lượng Etanol và đường khử trong quá trình lên men

Theo hình 14, mối quan hệ giữa nồng độ Etanol và hàm lượng đường khử là quan hệ
tỉ lệ nghịch. Ban đầu, hàm lượng đường giảm chậm và lượng Etanol sinh ra ít. Khi hàm lượng
đường giảm mạnh (độ dốc đường quá trình tăng) thì lượng Etanol sinh ra tăng vọt. Sau khi
hàm lượng Etanol đạt đến giá trị cực đại thì bắt đầu giảm dần, còn hàm lượng đường khử vẫn
tiếp tục giảm, gần đến 0.

3.3.3. So sánh với các nghiên cứu trước đây
Kết quả cho thấy lượng Etanol tạo ra từ quá trình lên men dịch thủy phân bèo tây
không cao. Theo kết quả nghiên cứu của Naoto Urano (2007) bèo tây sau khi thủy phân bằng
axit và lên men thì từ 1kg bèo tây khô có thể tạo ra 22,4 ml Etanol tương ứng 17,67g. Tuy
nhiên, vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu này là nấm men được phân lập và phát triển trên
môi trường có chứa bèo tây. Do đó nó sẽ phù hợp với môi trường lên men và cho hiệu suất
sản xuất Etanol lớn hơn. Nấm men được xác định trong nghiên cứu này là Candida intermedi.
Còn theo kết quả nghiên cứu của thạc sĩ Trần Đăng Thuần (2009) vi khuẩn Klebsiella
oxytoca THLC0109 sau khi lên men trực tiếp từ các lignocellulose khác nhau lượng Etanol
tạo ra đạt 0,16 – 0,42 g/g. Điều này cho thấy rất có thể cơ chất trong dịch thủy phân chưa phù
hợp với vi khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109, làm cho hoạt động của vi sinh vật không đạt
hiệu quả cao nhất.
Cũng xuất phát từ nguồn nguyên liệu là bèo tây, nhóm T.Kasthuri, D. Gowdhaman và
V. Ponnunami tại Ấn độ đã nghiên cứu sản xuất Etanol bằng quy trình gồm 2 bước: (i) Tiền
xử lý bằng axit sulfuric với những nồng độ khác nhau, sau đó được trung hoà bằng NaOH,
(ii) Dung dịch sau quá trình tiền xử lý được lên men bằng vi khuẩn Zymomonas mobilis.
Nghiên cứu này thực hiện cả 2 phương pháp lên men theo mẻ và thuỷ phân, lên men đồng
thời để so sánh kết quả. Tiếp theo là tối ưu hoá các thông số đặc trưng như pH, nhiệt độ, hàm
lượng enzyme, hàm lượng chất nền để thu được sản lượng Etanol cao hơn. Lượng Etanol thu
được trong các điều kiện tối ưu nhất là 68,3 g/l.
Một nhóm nhà khoa học khác gồm Kumar A, Singh LK, Ghosh S sử dụng một loại
nấm men Pichia stipitis thuộc họ ascomycetous để sản xuất Etanol từ nguyên liệu bèo tây.
Bèo tây được tiền xử lý bằng axit loãng để tận dụng tối đa hàm lượng hemicelluloses trong

bèo tây cho quá trình lên men Etanol sau này. Kết quả của nghiên cứu là sản lượng Etanol
0,425 g/g.
3.4. Đề xuất quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây
Từ các kết quả nghiên cứu trên, đề tài đề xuất quy trình điều chế Etanol từ bèo tây
như sau:

Hình 15. Quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây

3.5. Đánh giá về khả năng phát triển sản xuất Etanol sinh học từ bèo tây
 Xây dựng kịch bản ứng dụng quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây
Dựa trên các kết quả nghiên cứu về khả năng sinh trưởng của bèo tây và sản lượng
Etanol, đề tài này xây dựng một kịch bản ứng dụng quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây trên
diện tích mặt nước của các hồ trong khu vực thành phố Hà Nội.
Đề tài đã ước tính sản lượng bèo tây thu được trên diện tích mặt nước của các
quận trong thành phố Hà Nội với độ che phủ mặt nước của bèo tây là 30kg/m
2
. Từ đó,
tính được lượng Etanol thu được khi áp dụng quy trình sản xuất Etanol ở trên. Kết quả
sản lượng Etanol sản phâm trình bày trong bảng 14:


Xử lý sơ bộ (phơi khô,
nghiền nhỏ)
Bèo tây
Thủy phân bằng axit (3g bèo,
H
2
SO
4
7% ở 100

0
C, 50 phút)
Trung hòa bằng NaOH
Lọc bằng giấy lọc
Klebsiella oxytoca
THLC0109
Bã ủ làm
phân bón
Lên men trong 3 ngày
Ethanol
Chưng cất
Bảng 16 . Dự kiến sản lượng Etanol ứng với diện tích mặt nước của thành phố
STT
Quận
Diện tích
mặt nƣớc (ha)
Khối lƣợng
bèo tây tƣơi
(tấn)
Khối lƣợng
bèo tây khô
(tấn)
Sản lƣợng
Etanol (kg)
1
Hoàn Kiếm
11,7
3510
403,7
87,59

2
Ba Đình
63,55
19065
2192,5
475,77
3
Đống Đa
36,128
10838
1246,4
270,47
4
Hai Bà Trưng
40,35
12105
1392,1
302,08
5
Hoàng Mai
100,6
30180
3470,7
753,14
6
Long Biên
25,5
7650
879,8
190,91

7
Tây Hồ
508,5
152550
17543,3
3806,89
8
Thanh Xuân
19,6
5880
676,2
146,74

Kết quả ước tính như trong bảng 14 cho thấy, bèo tây là một nguồn nguyên liệu để
sản xuất Etanol trong tương lai.


KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ

KẾT LUẬN
Sau quá trình nghiên cứu, đề tài “Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn
sinh học” đã thu được một số kết quả:
1. Bèo tây sau khi được phơi tự nhiên, sấy khô đến khối lượng không đổi có màu nâu
nhạt, độ ẩm 88,5 %.
2. Đề tài đã xác định được các thông số tối ưu cho quá trình thủy phân bèo tây bằng
dung dịch H
2
SO
4
loãng:

Thời gian thủy phân: 50 phút
Nồng độ axit H
2
SO
4
: 7%
Khối lượng bèo thủy phân: 3g
3. Sau quá trình lên men nhờ vi khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109, 3g bèo tây khô
đã được chuyển hóa thành Etanol và hàm lượng Etanol đạt giá trị cao nhất ở thời điểm 3 ngày
là 0,217 mg/g.
4.
KHUYẾN NGHỊ
1. Đề tài mới chỉ nghiên cứu 3 điều kiện tối ưu cho quá trình thủy phân (thời gian thủy
phân, nồng độ axit, khối lượng bèo tây) mà chưa xét đến các điều kiện khác cũng có ảnh
hưởng đến lượng đường được tạo ra như áp suất, nhiệt độ.
2. Trong điều kiện thời gian hạn hẹp, đề tài chưa nghiên cứu được quy trình sản xuất
Etanol, trong đó quá trình thủy phân cellulose diễn ra dưới tác dụng của enzyme, cần tiếp tục
nghiên cứu theo hướng này.
3. Trong quá trình nghiên cứu, đề tài mới chỉ xác định được tổng hàm lượng đường
khử dựa tính theo glucoza làm cơ sở đánh giá mà chưa xác định rõ được hàm lượng của từng
loại đường 5 Cacbon và 6 Cacbon, cần nghiên cứu thêm vấn đề này.
4. Nghiên cứu, thử nghiệm quá trình lên men dịch thủy phân bèo tây bằng một số vi
sinh vật khác để so sánh hiệu suất lên men.
5. Đề tài chưa nghiên cứu sự ảnh hưởng của các sản phẩm trung gian trong quá trình
thủy phân đến quá trình sinh trưởng và phát triển của chủng vi sinh vật dùng để lên men như
axit acetic, phenol, andehit aromatic (furfural_OC4H3CHO)
References
Tiếng Việt
1. Nguyễn Thị Ngọc Bích (2003), Kỹ thuật cellulose và giấy, Nhà xuất bản Đại học Quốc
gia thành phố Hồ Chí Minh.

2. Nguyễn Lân Dũng (1982), Thực hành Vi sinh vật học, Nxb Đại học và Trung học
Chuyên nghiệp, Hà Nội.
3. Nguyễn Quang Khải, Hội thảo Phát triển năng lượng bền vững ở Việt Nam, Những vấn
đề phát triển năng lượng SK của Việt Nam.
4. Nguyễn Đức Lượng (1996), Nghiên cứu tính chất một số vi sinh vật có khả năng tổng
hợp xenluloza cao, Luận án PTSKHKT, Hà Nội
5. Trần Diệu Lý (2008), Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ, khóa luận tốt
nghiệp, Thành phố Hồ Chí Minh.
6. Nguyễn Thị Hằng Nga (2009), Nghiên cứu khả năng sản xuất ethanol sinh ho
̣
c t ừ phụ
phẩm nông nghiệp, luận văn thạc sỹ, Hà Nội.
7. Lê Đình Quang (2008), “Nhiên liệu sinh học – Lợi ích khổng lồ nhưng còn đó những
nguy cơ”, Tạp chí Tài nguyên môi trường, số 21, tr.24-25
8. Nguyễn Đình Thưởng (2000), Công nghệ sản xuất & kiểm tra cồn etylic, Nxb Khoa
học và Kỹ thuật, tr.107-173
9. Nguyễn Thị Tĩnh (2009), Đánh giá tiềm năng năng lượng sinh khối và đề xuất phương
án sử dụng phụ phẩm cây ngô ở huyện Phúc Thọ, Hà Nội, khóa luận tốt nghiệp, Hà
Nội.
10. Trần Cẩm Vân (2004), Giáo trình vi sinh vật môi trường, Nhà xuất bản Đại học Quốc
Gia, tr.79-82.
11. Thủ tướng chính phủ (2007), “Đề án phát triển nhiên-liệu-sinh-học đến năm 2015, tầm
nhìn đến năm 2025”, Hà Nội.
12. Tổng Cục Thống kê, Niên giám thống kê 2010.
13. />nuoc.aspx
14. />05-03
15. Nhiên liệu sinh học
Etanol: hy vọng hay ảo vọng.
16. , Nhiên liệu sinh học - nguồn năng lượng tái tạo quan trọng trong tương
lai.

17. />nuoc-ta.14940.html?lang=en, 2007, Vì sao nhiên liệu sinh học chưa được quan tâm
ở nước ta, Sinh học Việt Nam.
Tiếng Anh
18. Anjanabha Bhattacharya (2010), Water hyacinth as a potential biofuel crop, USA.
19. Badger, P.C (2002), Trends in new crops and new uses, Etanol from cellulose:
Ageneral review, p. 17–21.
20. Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; and Stryer, Lubert (2002),
Biochemistry,Spinger.
21. Biotechnology for Fuels and Chemicals- Applied Biochemistry and Biotechnology.
22. Cheng-shung gong, li-fu chen, Michael C. Flickinger, Ling- Chang Chiang, andGeorge
T. Tsao (1981), Applied and environmental microbiology: Production of Etanol
from D-Xylose by Using D-Xylose Isomerase and Yeasts, p. 430-436.
23. Gaur A.C (1980), Microbial decomposition of organic matterial and humus in soiland
compost, .FAO/UNDP,p.59.
24. Isarankura-Na-Ayudhya (2007), Appropriate Technology for the Bioconversion of
Water Hyacinth (Eichhornia crassipes) to Liquid Ethanol, Mahidol University,
Bangkok, Thailand.
25. James D. Kerstetter, Ph.D.John Kim Lyons(2001), Wheat straw for ethanol.
26. Jeris J. S and A. W. Regan (1973), “The effect of pH, nutrient, storage and paper
content”, Controllong environmental for oplimal composting, p 16- 22.
27. Naoto Urano (2007), Ethanol production from the water hyacinth Eichhornia crassipes
by yeast isolated from various hydrospheres, Tokyo University, Japan.
28. Production in Washington: A Resource, Technical, and Economic Assessment,p.18.
29. E.F. Ruiz, E.G. Uribe and J.M. Martínez, Biomass and Productivity of Water Hyacinth
and Their Application in Control Programs, E.L. Gutiérrez.
30. Rockville Maryland (2005), Breaking the biological barriers to cellulosic ethanol.
31. Se Hoon Kim (2004) , Lime pretreatment and enzymatic hydrolysis of corn stover, p.6.
32. Sheela Srivastava, P S Srivastava (2003), Understanding Bacteria, Springer.
33. Sin R.G.H (1951), Microbial decomposition of cellulose, Rainhold, New York.
34. Tran Dang Thuan (2009), Single-Stage Conversion of Lignocellulosic Materials to

Ethanol in a Single-Strain and Co-Culture System, luận văn thạc sỹ, Taipei.
35. Yan Lin (2006), “Ethanol fermentation from biomass resources: current state and
prospects”, Microbiol Biotechnol 69, pp. 627-642.
36. Ye Sun, Jiayang Cheng (2001), Hydrolysic of lignocellulosic materials for ethanol
production, North Carolina State University, USA.
37. http://www .wikipedia.org.
38. www.wisbiorefine.org, Fermentation of Lignocellulosic Biomass.