Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế độ xử lý bã mía cho mục tiêu lên men bioethanol
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (23.7 MB, 86 trang )
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: Nghiên cứu chế độ xử lí bã mía cho mục tiêu lên men bioethanol.
Tác giả luận văn: Lê Duy Khương. Khóa: 2009.
Người hướng dẫn: PGS.TS. TƠ KIM ANH.
Nội dung tóm tắt:
a. Lý do chọn đề tài:
Năm 2007, chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm
2015, tầm nhìn 2025” nhằm tạo ra dạng năng lượng tái tạo được thay cho nhiên liệu hóa
thạch, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường: đến năm 2015 sản
lượng ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn (pha được 5 triệu tấn E5 và B5), đáp ứng
1% nhu cầu xăng dầu cả nước và đến 2025 sẽ đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứ ng 5% nhu cầu xăng
dầu.
Trong các nguyên liệu lignocellulose, bã mía là một trong những nguồn
lignocellulose tập trung nhất. Nếu lượng sinh khối này được chuyển hóa thành đường lên
men được, bã mía sẽ là một trong các nguồn nguyên liệu quan trọng cho mục tiêu sản
xuất cồn nhiên liệu ở nước ta nói riêng và trên thế giới nói chung.
b. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Để tài sẽ tập trung lựa chọn chế độ xử lý bã mía bao gồm tiền xử lí bã mía, thủy
phân bằng hệ enzym cellulase và nghiên cứu thu nhận dịch đường có thể lên men được.
Hiện nay việc thủy phân hemicellulose cũng như tạo các chủng lên men từ đường 5C đã
có những thành cơng bước đầu nhưng chưa thực sự sẵn sàng áp dụng, do đó hệ cellulase
được sử dụng để thủy phân bã mía thành glucose cho mục tiêu lên men.
c.Tóm tắt cơ đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
o Khảo sát để lựa chọn phương án tiền xử lí bã mía.
o Khảo sát khả năng áp dụng laccase trong kết hợp với tiền xử lí hóa-lý.
o Đã lựa ch ọn chế độ sử dụng laccase cho xử lí dịch sau tiền xử lí, làm tăng
hiệu suất thu hồi ethanol.
o Lựa chọn tỷ lệ các enzym cellulase thủy phân bã mía.
1
d. Phương pháp nghiên cứu:
Lựa chọn nguyên liệu lignocellulose cho nghiên cứu.
Khảo sát các chế độ tiền xử lí nguyên liệu bằng tác nhân hóa nhiệt bao gồm axítnhiệt, kiềm-nhiệt và kết hợp nhiệt kiềm với laccase. Hiệu quả tiền xử lí được đánh giá
thơng qua hiệu quả thủy phân bã mía và mức giảm hàm lượng lignin trong bã mía trước
và sau tiền xử lí.
Nghiên cứu loại phenol trong dịch sau tiền xử lí bằng laccase, nhằm giảm sự ức
chế tế bào nấm men. Hiệu quả loại phenol được đánh giá thông qua hiệu suất thu hồi
ethanol và lượng phenol trước và sau xử lí.
Nghiên cứu tối ưu tỷ lệ bổ sung enzym trong hệ cellulase và thời gian thủy phân
bã mía, các thí nghiệm được được đưa ra theo phần mềm Design Expert 7 (DX-7).
Phương án tối ưu được kiểm tra bằng thực nghiệm.
e. Kết luận
1. Đã khảo sát điều kiện tiền xử lí lựa chọn được chế độ tiền xử lí bã mía như sau:
+ Bã mía sấy ở 45oC, bổ sung kiềm với 0,1g NaOH/g bã mía, q trình thực hiện ở
nhiệt độ 121oC trong thời gian 60 phút, cho hiệu quả thủy phân bã mía cao hơn so với
axít, vơi.
+ Phối hợp laccase (40÷70) U/g bã mía trong tiền xử lí làm tăng hiệu quả thủy
phân bã mía lên 284,15±4,6 mg đường khử/g bã mía (tăng 8,2% so với không phối hợp
laccse), làm giảm hàm lượng lignin tới 72% (tăng 3,1% so với không phối hợp laccase).
2. Bã mía đã xử lí với chế độ lựa chọn có thể được thủy phân hiệu quả với
31,5/53,61/20,47 (CMCase/FPU/CBU)/g bã mía, thời gian thủy phân 40,5 giờ, đạt 435 mg
đường khử/g bã mía.
3.Laccase có thể sử dụng loại phenol khử độc trong dịch thủy phân, làm tăng hiệu
suất thu hồi ethanol tới 76,27±4,67% (tăng 68% so với không khử độc).
2
L u a n V an T ot N g hiep
M C L C ..................................................................................................................... 1
LI C ............................................................................................................... 4
L......................................................................................................... 5
DANH M C CÁC CH VI T TT ........................................................................ 6
DANH M C CÁC B NG.......................................................................................... 7
DANH M C CÁC HÌNH V TH ............................................................. 8
M U ....................................................................................................................... 9
.....................................................................................11
1.1. Nhiên li u sinh hc ........................................................................................11
1.2. Bã mía, nguyên li u t p trung cho s n xut bioethanol ............................13
1.2.1. Cellulose ...............................................................................................14
1.2.2. Hemicellulose ......................................................................................15
1.2.3. Lignin ....................................................................................................18
1.3. Tin x lí nguyên liu lignocellulose ..........................................................19
1.3.1. Ti n x lí nguyên li u lignocellulose by lý ..20
1.3.2. Ti n x lí lignicellulose bc ......................20
1.3.3. Ti n x lí lignocellulose b ........................24
1.4. Tin x lí lignocellulose bc...............................25
1.4.1. Peroxidase .............................................................................................25
phân hy lignin ......................................................27
1.5. Thy phân cellulose .......................................................................................31
1.5.1. Thy phân lignocellulose bhóa hc ...................31
1.5.2. Thy phân lignocellulose s dng enzym ........................................31
1.6. Lên men ethanol dch th y phân ..................................................................34
T LI U ......................37
2.1. Vt li u ............................................................................................................37
2.1.1. Bã mía ...................................................................................................37
2.1.2. Enzym và hóa ch t ..............................................................................37
L e Duy K
Khu
hu
huoon g
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h h o c & C o n g n g h e Th u c p h a m
1
L u a n Van T ot Nghiep
2.1.3. Chng vi sinh vt .................................................................................37
2.1.4. Dng c và thi t b ..............................................................................38
..........................................................................38
m bã mía b n trng
i ................................................................................................................38
ng cellulos .........38
n tính ca
Komarov .................................................................................................................39
ng kh trong dung dch ...........................41
nh ho enzym .....................................................................42
ng phenol tng s trong dung dch bng p
pháp Folin Ciocalteau ...........................................................................................46
u...............................................................................47
2.3.1. ng c a nhi sy bã mía ..................................................47
2.3.2. Nghiên c u l a chn tác nhân ti n x lí hóa-nhi t bã mía .............48
2.3.3. Kho sát vai trò c a laccase trong ti n x lí ....................................49
2.3.4. ng c a th i gian x lí hóa- nhit ..........................................49
2.3.5. T l các enzym h cellulase ..................................................49
2.3.6. Kho sát vai trò kh c dch thy phân lignocellulose ca laccase
..................................................................................................................................49
T QU VÀ BÀN LU N ..........................................................52
3.1. L a chn nguyên li u lignocellulose s dng trong nghiên c u .............52
3.2. ng c a nhi sn hi u qu trình thy phân..........52
3.3. Tin x lí bã mía vi H2 SO4 .........................................................................53
3.4. Tin x ng kim Ca(OH)2 và NaOH ...............................54
3.5. Tin x lí hóa nhit k t hp vi laccase .....................................................58
3.6. ng ca thi gian x lí NaOH- nhin hiu qu thy phân bã
mía ...........................................................................................................................60
3.7. ng ca t l enzym trong h n hi u qu thy phân
bã mía ......................................................................................................................60
3.8. Nghiên c u k thut kh phenol c a dch ti n x lí bng laccase ..........66
3.8.1. ng c a nhi ti kh phenol c a laccase......67
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
2
L u a n Van T ot Nghiep
3.8.2. ng c a th i gian ti kh phenol c a laccase ....69
3.8.3. ng c a n laccase ti kh n i phenol trong
dch ..........................................................................................................................69
KT LU N .................................................................................................................72
KIN NGH ................................................................................................................73
TÀI LIU THAM KHO .........................................................................................74
PH LC ....................................................................................................................80
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
3
L u a n Van T ot Nghiep
hoàn thành lun này cn có mt thi gian dài làm vic tp trung,
, vi s và h tr ca các th n bè.
c tiên, tơi mun nói li c sâu sc ti nhng h tr, s
khuyn khích ng viên tơi trong thi gian thc hin lu . Tôi mun
c c bit ti PGS.TS Tô Kim Anh, Vin CN sinh hc và CN Thc phm,
và cho tôi li khuyên, kin thc v nghiên cu c a tôi trong
thi gian thc hin lu .
Tôi xin c các thy cô trong Vin Công ngh Sinh hc và Thc phm,
i hc Bách khoa Hà Ni vì nhng kinh nghi m và ki n thc mà các thy
cho em trong quá trình hc và làm nghiên c u.
Xin chân thành c Ths. Phùng Th Thy, KS Lê Tuân, KS Nguyn Th
Huyn, tu kin thun li tơi hồn thành lu.
Cui cùng, tơi xin c n i h n i hc Bách
Khoa - Hà Ni u kin cho tôi hồn thành các th trong trong q trình
hc và bo v lu
Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2011
Tác gi
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
4
L u a n Van T ot Nghiep
Tô
.
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
5
L u a n Van T ot Nghiep
-
ABTS: 2,2' -azinobis-3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonate
-
AFEX- Ammonia filber explosive
-
CBU: Celobiase unit
-
CFU: Colony forming unit
-
CMC: Carboxyl-methyl cellulose
-
DNS: Dinitro salicylic
-
DX: Design expert
-
FAO: Food and agriculture organization
-
FC: Folin ciocalteau
-
FPU: Filter paper unit
-
GJ: Gigajoule
-
HBT: 1-Hydroxybenzotriazole
-
HMF: Hydroxy methyl furfural
-
Lac: Laccase
-
LiP: Lignin peroxidase
-
MnP: Manganese peroxidase
-
OPEC: Organization of the Petroleum Exporting Countries
-
SHF: Separate hydrolysis and fermentation
(thy phân và lên men riêng r )
-
SSF: Simultaneous saccharification and fermentation
(th ng thi)
-
VA: Veratryl alcohol
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
6
L u a n Van T ot Nghiep
Bng 1: Thành phn c a mt s loi nguyên li u lignocellulose ........................13
Bng 3.1 : Các yu t u vào và kho ng bi i ................................................61
Bng 3.2 : Các ch thc nghi m và kt qu hiu qu thy phân bã mía thit
k theo DX-7 ......................................................................................................................61
Bng 3.3 : Kt qu a mơ hình ..........................................62
Bng 3.4: Các ch và kt qu hi u qu thy phân bã mía theo DX-7 ............65
Bng 3.5 : So sánh hiu qu c a các ch thy phân bã mía ............................70
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
7
L u a n Van T ot Nghiep
Hình 1.1: Mô phng c u trúc ca nguyên li u bã mía ...........................................14
Hình 1.2: C u trúc c a lignocellulose......................................................................15
Hình 1.3. Mch acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ...............................................16
Hình 1.4: M ch glucomannan ...................................................................................17
Hình 1.5: M ch galactoglucomannan ......................................................................17
Hình 1.6: Mch arabinoglucuronoxylan .................................................................18
Hình 1.7: C u trúc c a m ng lignin .........................................................................18
Hình 1.8: Mơ phng cc và sau ti n x lí....................19
Hình 1.9: Q trình phân c t mi liên kt C-C ...................................................26
xúc tác c a peroxidase ..............................................................27
n lignin ......................................................28
H phân hy lignin và các d ng bi i ca laccase .................30
quá trình th y phân cellulose bi h enzym cellulase ..........33
Hình 1.14: S c ch t bào nm men bi các ch t c ch sinh ra......................35
Hình 3.1 : Thành ph n bã mía nghiên c u ..............................................................52
Hình 3.2: ng c a nhi sy ti hi u qu th ..............53
Hình 3.3: Kt qu tin x lí bng axít H2 SO4 .........................................................54
Hình 3.4 : Kt qu tin x ng kim ................................55
Hình 3.5 : So sánh kt qu tin x lí bã mía ...........................................................57
lí bã mía ............................59
Hình 3.7: Hi u qu thy phân bã mía theo thi gian hóa nhit ...........................60
Hình 3.8: Kt qu b mt ng c a hiu su t th y phân bã mía .....................63
Hình 3.9: Kt qu kho sát vai trò laccase trong kh c dch ti n x lí bng
laccase .................................................................................................................................69
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
8
L u a n Van T ot Nghiep
Vi s u trên th gii do cn kit du m,
các qu tìm kim mt ngun nhiên liu tái to có th thay th nhiên liu
hóa th n. Trong s các gii pháp có th, c n nhiên liu c
sn xut t các ngun sinh khi khác nhau hi t trong nhng gii pháp
c quan tâm. Hi n nay ethanol sn xut t các ngun nguyên li u liên quan
n tinh bt (ngơ, sn) ho ng (c ci, mía) là gii pháp duy nht hin nay thay
th u và gi vai trò quan tr ng tái to, giúp ct gim phát thi
CO2 m b ng, nâng cao thu nh i làm nông nghip.
i mt v c và hn ch t trng làm vic sn xut
ethanol t loi nguyên liu thc phm g là gi c mt.
Sinh khi lignocellulose là nguyên li u ti
ng cellulose và hemicellulose cao, s ng ln và to nhanh
u hóa thch n kit. Bã mía là m t trong nhng ngun
lignocellulose tp trung nht. N ng sinh kh c chuyn hóa thành
c, thì bã mía s là mt trong các ngun nguyên liu quan trng
cho mc tiêu sn xut c n nhiên liu c ta nói riêng và trên th gii nói chung.
c tính 1 kg cellulose có th c xp x 0,56 kg ethanol [15]. Tuy
nhiên, công ngh sn xut bioethanol t bã mía nói riêng và lignocellulose nói
i hóa. Ngun nhân do q trình chuyn hóa cellulose
c hi n chim chi phí giá thành s n phm cao, cơng ngh
tin x i lo i nguyên li u, giá thành enzym cao làm cho chi phí
ca q trình thy phân chim t tr ng ln.
Vi li th c có khí hu nhii, Vit Nam s hu mt ngun nguyên
liu mong c so v c có khí h i. Trong nh
vic nghiên c u phát tri n c n nhiên liu Vit Nam bc quan tâm, m ra
mt thi k mc d báo là rt hp dn và khơng ít nhng thách thc.
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
9
L u a n Van T ot Nghiep
góp phn vào quá trình nghiên cu nâng cao hi u qu x lí lignocellulose
chung, tài ca tơi chn là Nghiên cứu chế độ xử lí bã mía cho mục tiêu lên men
bioethanol
Ni dung c a v nghiên cu bao g m:
o Kh la ch n x lí bã mía.
o Kho sát kh ng laccase trong kt hp vi ti n x lí hóa-lý.
o Kho sát kh c dch tin x lí bng enzym laccase.
o La chn t l các enzym cellulase thy phân bã mía.
o x lí bã mía thu nhn dch thy phân có th lên men
c.
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
10
L u a n Van T ot Nghiep
I QUAN
1.1.
.
Hi n nay, mt trong các nhim v trm c a quc gia là phát tri n các
nhiên li u thay th các nhiên li u hóa thch, d kin s gi
cn ki Vi giá du t k lc, nhiên liu sinh hc làm t
cây tr ng c quan tâm trên toàn th gii. Sn xut nhiên li u sinh hc toàn cu
p ba ln t 4,8 t galon kho ng 16,0 t .
Khong 90 % nhiên liu sinh h c sn xut tp trung Hoa K, Brazil & Liên
minh Châu Âu [16]. Ngày nay, ethanol t ngu ng có kh
mc 5 ÷ 10% mà không ph i c u trúc và vt li u ch
to . Brazil y s s dng ethanol ti hu ht các trm u và
sn xut xe ô tô nhiên liu linh ho t (có kh s dng nguyên cht, E25).
M ngh lut pháp cung cp m rng E85 phân phi và s n xut nhi u
xe E85 [16].
a
&
Lan là
- [43].
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
11
L u a n Van T ot Nghiep
-ethanol) là cây
.
Bioethanol là ethanol
:
T
ng
.
có 963.000.000
duy trì
[16].
B
. S x
. H .
lên 16.kg (2010)
.
[8].
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
12
L u a n Van T ot Nghiep
,
c
[19].
bã mía
công ngh
1.2.
Bã mía là m t lignocellulose t ph phm ca cơng nghi ng.
Vit Nam, bã mía ch y c s d t ngun ch t ti mt s vùng
nơng thơn và ti chính các nhà máy.
: lignocellulose [46]
Cellulose
Hemicellulose
Lignin
G c ng
40÷55%
24÷40%
18÷25%
G mm
45÷50%
25÷35%
25÷35%
30÷43%
22÷35%
15÷23%
Bã mía
40÷55%
25÷40%
5÷25%
C
25÷40%
35÷50%
10÷30%
Là ngun liu cha lignocellulose, bã mía có thành phn ch yu là 3 loi
polyme: cellulose, hemicellulose và lignin c liên k t cht ch vi nhau bi các
liên kt phi ng hóa tr ng hóa tr. Ti Vi t Nam, bã mía có thành phn gm
46,53% cellulose, 29,11% hemicellulose , 21,36% lignin [4 ], v ng
cellulose cao bã mía có th chn là mt ngun nguyên liu cho sn xut bioethanol.
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
13
L u a n Van T ot Nghiep
Hình 1.1: trúc c bã mía
1.2.1. Cellulose
Cellulose là thành phn polyme ph bi n nht trong t nhiên, chim 50%
ng sinh khi thc vt. Cu trúc c a cellulose là polysaccharit ng th mch
thng cu to bi các ti u glucose liên kt vi nhau bi các liên kt lo i O (1,4)-glycozit. Các m ng và có m u kh vi nhóm chc
hydroxyl v trí C1 t u cịn l u khơng kh, nhóm chc hydroxyl v
trí C1 b bao vây trong m t liên kt Oglycozit. Các mch cellulose c nhóm li
v i dng vi si bn bi các liên kt hydro ni và ngoi phân t [39].
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
14
L u a n Van T ot Nghiep
Cellulose g m t 1.400÷10.000 g -D-glucose liên kt vi nhau bng liên
k -1,4 glucozit to thành dng chu i. Cu trúc micell ca cellulose bao gm
ng thi vùng kt tinh nh hình. Vùng kt tinh có cu trúc trt t
rt cao, cu trúc s c và cht ch , chim khong ¾ cu trúc
cellulose [41].T l vùng kt tinh v nh hình tùy thuc vào ngun gc
xut x ca nguyên li u. S kt tinh ca cellulose mt phn là nh các liên kt
hydro gi a các mch cellulose. Tt c nh hình là
u hp th v c giúp cho cellulase tn công d dàng. Trong khi
ch vài s ít các nhóm hydroxyl OH trong vùng k i c,
u king cellulase ch có th ng lên b mt si cellulose. Tuy nhiên,
vic thy phân cellulose ch có th di i các thành
phn cùng cu to nên thành t bào thc v c thy phân ra
t c lên men ethanol nh nm men.
1.2.2. Hemicellulose
Hemicellulose là mt polysaccharit chi m t l ln trên th gii sau
cellulose, là các polysaccharit d th, phân nhánh, liên kt vi cellulose to nên
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
15
L u a n Van T ot Nghiep
thành t bào thc vt. Hemicellulose cha c ng 6 cacbon gm glucose,
mannose và galactose và ng 5 gm xylose và arabinose. Tùy thuc vào t l c a
các thành ph c gi là mannan (cha mannose),
xylan (cha xylose) hay galactan (cha galactose). Liên kt gia hemicellulose vi
c thc hin bi các liên kt mch ngn. Do vy,
hemicellulose luôn luôn t n t i d nh hình và rt d dàng b thy phân
[25].
ch chính cc cu to t liên k t -(1,4).
n quan tr ng nht.
ph bi n nht là nhóm acetyl O liên kt vi v trí 2 ho c 3.
ch nhánh cu to t ng là disaccharit
hoc trisaccharit. S liên kt ca hemicellulose vi các polysaccharit khác và vi
lignin là nh các m ch nhánh nên tn
ti d nh hình và vì th d b thy phân.
Các phân t c liên kt vi nhau bi liên k - --1,6 ng b acetyl hóa, to thành keo dính các phân t cellulose và lignin.
G c ng, g mm và nguyên li u phi g m hemicellulose khác nhau:
- Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan, là m t lo i polyme có mch chính
g-D-xylopyranose liên kt vi nhau bng liên kt -
nhóm -OH v trí C2 và C3 b acetyl hóa, 10% các nhóm v trí C2 liên kt vi
acid 4- O-methyl-D-glucuronic. G c ng còn cha glucomannan, polyme này cha
mt t l b -D-glu -D-mannopyranose [12].
Hình 1.3. cetyl-4-O-methylglucuronoxylan
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
16
L u a n Van T ot Nghiep
Hình 1.4: lucomannan
- Loi th hai có m -D-galactopyranose, phân nhánh. Loi
hemicellulose này to liên kt O ti nhóm -OH v trí C6 v -L- -Dgalactose ho-D-glucoronic [12].
- Galactoglucomannanpolyme cu thành t các phân t Dmannopyranose liên kt vi D-glucopyranose bng liên k-(1,4) vi t l hai
monome ng là 3:1. Tuy nhiên, t l i tùy theo lo i g [12].
Hình 1.5: alactoglucomannan
- Arabino-4-O-methylglucuronoxylan, cu to t các D-xylopyranose, các
monome này b th v trí 2 bng acid 4-O-methyl-glucuronic, v trí 3 b L-arabinofuranose [12].
i vi bã mía, 20 ÷ 40% hemicellulose là xylose. Polysaccharide này cu
to t các D-xylopyranose, OH C2 b th bi acid 4-O-methylglucuronic. -OH
v trí C3 s to mch nhánh v -L-arabinofuranose [12].
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
17
L u a n Van T ot Nghiep
Hình 1.6: rabinoglucuronoxylan
Cu to phc tp ca hemicellolose t o nên nhi u tính cht hóa sinh và lý sinh
cho cây.
1.2.3. Lignin
Lignin là thành phn liên kt gia hemicellulose và cellulose to nên cu ni
vt lý có tác dt rào chn ca màng t bào thc vt. Nó giúp dng lên cu
trúc màng t bào, to kh m và kh ng ch c nhng tn
công ca vi sinh vt, enzym hay các tác nhân oxy hóa. Lignin là tên gi chung ca
mt tp hp các polyphenol có kh ng phân t ln, có thành phn và c
dng, c.
Hình 1.7: lignin [45]
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
18
L u a n Van T ot Nghiep
Lignin c cu thành b u phenol: Alcohol
coniferylic, Alcohol p-coumarylic, Alcohol sinapylic. Các co-polyme ca lignin
n parahydroxylphenyl, guaiacyle và syringyle [10].
phân hy lignin s t u ki n cho thy phân hi u qu, các
nghiên c t l thun gia m lignin b phân hy và m thy phân
[24].
1.3. Ti
c khi thy phân, nguyên li u c c tin x lí vi mc tiêu gim hàm
ng lignin và hemicellulose trong vt li ma trn lignocellulose
c l trong si lignocellulose , làm gim m kt tinh ca
cellulose n tích b mt gia enzym t. Có rt nhi u các
tin x lí vt lý, hóa hc, sinh hc hoc phi kt
h i lo i ngun li u. Thơng
ng q trình làm mt mát cht khô hay s phân hy các loi ng sinh ra và
to thành các cht c ch vi sinh vt. u cu q trình tin x lí cn phi hiu qu,
các thi t b dùng cho quá trình tin x lí cn phn và ít tn kém, chi phí x
lí cn ph c gim thi u t ng và hóa cht.
Hình 1.8 lignocellulose t
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
19
L u a n Van T ot Nghiep
1.3.1. T
1.3.1.1. ng pháp h
Nguyên tc c mt ti p xúc git vi
các enzym, t u ki n thun li cho quá trình thy phân bng enzym. P
pháp này làm gim m trùng hp ca cellulose, lignin và m kt tinh ca
cellulose. t lý bao gm: nghin nghi c nano,
x lí bc x ng cao, x lí thy nhi t và n m ca c
pháp thuc nhóm này là khơng s dng hóa cht trong q trình x lí iêu
ng ln. Tuy nhiên v có th s d
này quy mô l n [39].
1.3.1.2. -
Quá trình ng nguyên li u tron i áp sut cao nhi
200 oC÷230 oC có th làm hịa tan t 80÷90% hemicellulose và m mch cellulose,
q trình thy phân cellulose nh t 90%. Thi gian
ng t 15÷60 phút. Các nghiên c c ti u ki n phịng thí
nghi ra r
hemicellulose và m lignin c
các l ca ma tr n lignocellulose và làm gim m kt tinh ca cellulose
t u ki n thun li cho quá trình thy phân bng enzym sau này.
này mc dù có khá nhiu m: M hòa tan pentose và t sau ti n x lí
hp th enzym tt, khơng cn s dng hóa cht, ít to thành cht c ch, ít gây tht
thoát cht khơ và có th x lí c vi n t cao (trên 20 bar) [34].
c áp dng trên quy mô ln ch y i thc
hin nhi và áp sut cao.
1.3.2. T
1.3.2.1. T trong mơi axít lỗng
X lí vi axít lỗng là mt trong nh n và d áp dng
nht trong tt c các phịng thí nghi m mà không cn bt k mt thit b chuyên
dng nào. Ion H+ nhi t cao có kh t các liên kt glucozit và phân
hy hemicellulose m m kt tinh ca cellulose [33].
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
20
L u a n Van T ot Nghiep
Trong quá trình tin x lí vi axít, hemicellulose d dàng b phân h
vi cellulose hay lignin. Vì th, các hp phn cellulose và lignin trong pha rn hu
i và có th tip t c x lí v sau [33] u
kin tin x lí, pha lng ca dch thy phân s bao g là xylose,
glucose hay arabinose, các sn phm ca s phân hy hemicellulose (các
oligosaccharit t polysaccharit , axít acetic t s thy phân nhóm acetyl liên kt vi
ng) và/ho c các s n phm ca s phân hy monosacchrit (furfural-sn phn ca
s kh c ng pentose, 5-hydroxymethylfurfural (HMF) - sn phm ca s
kh c ng hexose) [34]. Các sn ph u là nhng cht c ch n s
phát trin c a vi sinh vt, do vy c ch quá trình lên men sau này.
Tin x lí vi axít sulfuric
Pattra và c ng s [37], u q trình tin x lí bã mía s dng axít
sulfuric các n khác nhau 0,25÷7% (w/v), thi gian x lí i t 15÷240
phút 121oC, áp sut 1,5 kg/cm 2 u ki n t c là 0,5% (w/v)
H2 SO4 trong 60 phút , hiu qu thy phân h c s d
giá hiu qu ti n x lí nguyên li u vi kt qu c 24,5 ng tng s .
c là 11g/l glucose ; xylose 11,29g/l; arabinose 2,22g/l; axít acetic
2,48g/l và furfural 0,12g/l. Vi H2SO4 t 0,5% lên 1% không làm
ng glucose sinh ra trong dch thy phân bã mía. Khi nng
H2SO4 ng glucose thm chí cịn gim. Xylose c
ng chính c khi tin x lí lignocellulose bng axít [38].
Tin x lí vi axít clohydric
Axít clohydric (HCl) c s d x lí các lignocellulose khác nhau
ca cây lúa min, bã mía.... Tuy nhiên, s ng ti ng và tính
ch ng hn ch ca S dng HCl ti n x lí bã mía
c dch thy phân sau này vi hiu su i các loi
nguyên liu lignocellulose khác, ng kh c 37,21% theo kh ng bã
mía [23].
Tin x lí vi axít phosphoric
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
21
L u a n Van T ot Nghiep
Li th ca vic s dng axít phosphoric (H3PO4) là sau q trình trung hịa
dch tin x lí bng NaOH, mui to thành natri phosphat trong dung dch có th
c s d t ngun ch ng cho các vi sinh vt [35]. Vì vy, quá
trình l c tách bã là không c n thit. Vic gim b c n l c làm cho
ng tích c n môi
tng (không sinh ra các cht thi là mui). Gámez và c ng s [34], u
tin x lí bã mía vi H3PO 4 1% trong 1gi 145oC. Bã mía tin x c trung
hịa bng NaOH, b sung enzym Biocellulase ca Kerry Bioscience 50FPU/g bã
c 424 mg ng kh/g bã mía khơ và Novozym 188 c a Sigma
Aldrich 0,5FPU/g bã mía khơ, thu c 198 mg ng kh/g bã mía khơ.
Tin x lí vi axít nitric
Rodriguez-Chong và c ng s [5 so sánh kt qu tin x lí bã mía bng
axít nitric (HNO3) vi x lí bng H2SO4 và H3PO4 cho thy HNO 3
.
1.3.2.2. T lignocellulose
Ti n x lí ng kim là q trình s dng dung dch kim nhit
và áp sut th so v thy-nhit, cho phép hòa tan gn
lignin và mt phn hemicellulose các si
cellulose và làm cho chúng d b th i enzym [6]. M trùng hp
và ch s kt tinh ca cellulose c h thu kin tin x lí vi 0,8÷1,2
o
g Ca(OH)2 cho 10g bã mía khơ, nhi 90÷120 C và thi gian x lí kho ng 60
phút, kt qu thu phân s dng enzym thu c 659 ng kh tng s/g bã
mía khơ [44]. Theo Ymashita và c ng s [48], v u kin ti n x lí 0,1g NaOH/g
tre cho hi u qu thy phân nh enzym 568 ng kh t ng s/g tre.
1.3.2.3. T lignocellulose b
t dung mơi da vào vi c hịa tan và chit lignin
hemicellulose trong mt dung môi h 2SO4
c thêm vào khi nhi phn t 185 oC, dung môi h
c tách ra b c tái s d tin x lí này
cho phép thu hi g ng lignin và có th c s d c lp.
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
22
L u a n Van T ot Nghiep
Glycerol, ph phm ca q trình s n xut biodiesel có th c s d
dung môi cho t dung mơi ng minh rng glycerol
có th hemicellulose lignin,
pháp n hemicellulose và 10% lignin b phân hy) [41]. Axít formic, mt
dung mơi h c th nghim tin x lí lignocelulose áp sut khí
quyn. S kh lignin trong lignocellulose di n ra trong dung dch 90% axít formic
g sau khong 80 phút. Chu trình này kt hp vi c s dng mt
ng nh dung môi h u ki n cho vi c thu hi lignin bng cách gim
áp su dng bt [31]. Tuy v
1.3.2.4. T lignocellulose oxi hóa
Trong q trình này, c ozone hóa hoc oxy hóa lignin n mt
m th kt qu kho sát cho thng lignin gim 40-50 %. Ozone
c th nghim oxy hóa các t , lúa mì, bã mía hoc thông, kt
qu làm kh p cn ca các enzym trong quá trình thy phân
lignocellulose thành ng t hiu sut thy phân cellulose 74,9% bng
cách x lí ti 195°C, 15 phút và pH ki m. Vi c kh lignin bp
oxy hóa rt hi u qu vi s hn ch c a các hp cht c ch nm men.
Martin và cng s [27] u kin oxy hóa khác nhau thơng
kh thy phân cellulose trong bã mía bng h cellulase.
Các bi n nghiên c c xác lp là pH, nhi và thi gian phn ng, trong
u ki n áp sut 12bar, u chnh bng cách thêm H2SO4 hoc Na2CO 3.
Kt qu nghiên cu c 161mg ng kh/g bã mía, x lí nguyên liu
185°C trong 5 phút, pH axít. Các phân tích thành phn cht rn cịn li sau ti n x lí
cho thy có s hịa tan ca hemicellulose ng kh trong phn cht lng
là rt thp, các sn phm sau ti n x lí phát hin trong dch ch yu là các
oligosaccharit ca hemicellulose [27]. Phn ng o xy hóa lignin trong bã mía nh Nmethyl-N-oxit 130°C trong 1 gi v c kh ion cho thy 95% cellulose c
chuyn thành glucose sau thy phân [13]. Hn ch c chi phí
hóa cht ln, làm q trình có chi phí cao.
Le Duy K
Khhuong
Vi
Viee n C o n g n g h e S i n h hhoo c & C o n g n gh e Th u c p h a m
23
