Sản xuất bio ethanol thế hệ thứ 3 từ tảo

Sản xuất bio-ethanol thế hệ thứ ba từ tảo
Sargassum spp sử dụng công nghệ áp suất cao
để tiền xử lý và phân đoạn sinh khối

Giáo viên hướng dẫn: : TS. Phạm Tuấn Anh
Học viên :

Lê Thị Thùy Dung
Ngô Văn Thịnh


Nội dung

1

2

>

Giới thiệu

3

>

Vật liệu & phương pháp

Kết quả


Giới thiệu

Nguồn gốc

Lợi ích

1

4

Sargassum là một chi của tảo nâu
Cung cấp các chất dinh dưỡng quan
trọng cho các hệ sinh thái ven biển 

Mối nguy hại

Phân bố

2

Là loài xâm thực tạo nên thảm họa

Khắp các đại dương từ nhiệt đới tới vùng

5

sinh thái cho các bờ biển vùng Mexico

cực trên toàn thế giới

Tảo Sargassum spp

Môi trường sống

3

Thường sống trôi nổi trên các bãi biển
nước nông

Ứng dụng
Hiện đang được nghiên cứu ứng dụng
trong y học và nhiên liệu sinh học

6


Giới thiệu
Tảo đuôi ngựa đã biến màu xanh trong của nước biển thành màu nâu đục và có mùi trứng ung

(marine.usf.edu)

Vùng biển Mexico bị tảo Sargassum xâm thực


Giới thiệu


Giới thiệu

Brown algae

Các hợp chất chính trong tảo nâu


Giới thiệu

Theo David & Volesky, 2003

Cấu trúc thành tế bào của tảo nâu


Giới thiệu

Phương pháp xử lý thủy nhiệt

Nguyên tắc:

•
•
•
•

Sử dụng dung dịch nước như một hệ thống phản ứng
Bình phản ứng kín
Nhiệt độ cao
Áp suất cao
Thay đổi thành phần cấu trúc hóa học trong sinh khối

Bình phản ứng thủy nhiệt

Giới thiệu

Chiến lược lên men PSSF

Tảo

Thu
Thu nhận
nhận sinh
sinh khối
khối

Tiền
Tiền xử
xử lý
lý

Lên
Lên men
men

Thủy
Thủy phân
phân

Cấu hình quy trình

PSSF

=

Pre-hydrolysis

Nhiệt độ, pH tối ưu cho enzyme thủy
phân

+

SSF

Bioethanol
Bioethanol


2. VẬT LIỆU & PHƯƠNG PHÁP


Vật liệu & phương pháp

1. Thu thập và chuẩn bị sinh khối Sargassum

•
•

Địa điểm: Puerto Morelos, Quintana Roo, Mexico (Tọa độ GPS: 20.83149359, - 86.87929434)

•

Xác định độ ẩm: 1 g Sg được làm khô ở 80 ◦C trong 24 giờ, sự khác biệt về trọng lượng ướt và khô được
sử dụng

tính độ ẩm.
Nghiền
đến
kích
Nghiền
đếnđể
kích
Rửa
Phơi
Rửa sạch
sạch bằng
bằng
Phơi nắng
nắng trong
trong
Thu
thước
Thu thập
thập Sg
Sg
thước hạt
hạt 0,5
0,5 –
–2
2
nước
48h
nước máy
máy
48h

mm
mm

Thời gian: 2/2019

Bảo
Bảo quản
quản trong
trong túi
túi
PE
PE sẫm
sẫm màu
màu


Vật liệu & phương pháp

2. Xác định đặc điểm sinh hóa của Sg

●
●
●
●
●
●

Chất béo thơ
Chất xơ thơ
Protein

Tro
Hàm lượng sulfate
Polysaccharide (glucan, galactan và fucoidan)

Thủy phân axit định lượng ở 72% (NREL)


Vật liệu & phương pháp

Thủy phân axit định lượng ở 72% (NREL)

0,5g
sinh khối khô

HPLC
Test tube
Ủ ấm ở 35◦C, lắc đều

Pha lỗng đến H2SO4

Làm nóng trong nồi

Lọc với màng lọc nylon 0.45

trong 1h

4%

hấp trong 1h

µm

5 ml H2SO4 72%

Glucose, Galactose, Fucose


Vật liệu & phương pháp

3. Tiền xử lý áp suất cao (xử lý thủy nhiệt) trên sinh khối Sg

Sơ đồ sản xuất ethanol sinh học sử dụng sinh khối Sargassum spp bằng công nghệ tiền xử lý áp suất cao


Vật liệu & phương pháp

3. Tiền xử lý áp suất cao (xử lý thủy nhiệt) trên sinh khối Sg
Cường độ q trình tiền xử lý: Severity factor

•
•
•
•
•

[logR0] là severity factor
t’ max (min) là thời gian cần thiết để đạt đến đỉnh của nhiệt độ
T (t) và T '(t) là của profile nhiệt độ trong các bước làm nóng và làm mát
ctrl và ctrf (min) là khoảng thời gian cần thiết cho tồn bộ q trình làm nóng/lạnh
ω là một số thực nghiệm có giá trị là 14,75

Vật liệu & phương pháp

3. Tiền xử lý áp suất cao (xử lý thủy nhiệt) trên sinh khối Sg

Thiết kế thí nghiệm và điều kiện hoạt động để xử lý thủy nhiệt Sargassum spp.
Đặc trưng hóa học của pha rắn và lỏng


Vật liệu & phương pháp
4.1 Enzyme thủy phân
Enzyme cocktail Cellic CTec2 từ Trichoderma reesei

Cellic CTec
2

β-glucosidases

Hemicellulases

Lợi
Lợi ích
ích sử
sử dụng
dụng Cellic
Cellic CTec2
CTec2 &
& Cellic
Cellic HTec2

HTec2



Giảm nồng độ enzyme sử dụng



Tăng tính linh hoạt của quy trình



Tăng sản lượng bioethanol



Giảm chi phí vận hành

Đặc
Đặc điểm
điểm của
của Cellic
Cellic CTec2
CTec2 &
& Cellic
Cellic HTec2
HTec2



Hiệu quả với hàm lượng chất rắn cao



Tương thích với nhiều nguồn nguyên liệu & Cách tiền xử lý



Tỷ lệ chuyển đổi Polysaccharides cao



Cellic CTec2 + Cellic HTec2 : Tăng khả năng thủy phân

Enzyme cocktail Cellic HTec2 từ Trichoderma reesei

Cellic HTec
2

Endoxylanases


Vật liệu & phương pháp
4.2 Đánh giá quá trình thủy phân enzyme trên sinh khối Sg đã qua tiền xử lý
Sinh
Sinh khối
khối Sg
Sg qua
qua tiền
tiền xử

xử lý
lý
(5,
(5, 99 and
and 13%,
13%, w/v)
w/v)

OR

Sinh
Sinh khối
khối Sg
Sg chưa
chưa qua
qua tiền
tiền xử
xử lý
lý
(5,
(5, 9
9 and
and 13%,
13%, w/v)
w/v)

Đệm citrate

1

2

50 mM (pH = 4,8)

Cellic CTec2 & (or) Cellic HTec2
Tỷ lệ 1:2 (Trong đó Cellic CTec2 – 5, 10&15 FPU)
Các
Các mẫu
mẫu nhỏ
nhỏ (1mL)
(1mL)

3

Nhiệt độ & Tốc độ khuấy

Lấy
Lấy ra
ra ở
ở 0,
0, 6,
6, 12,
12, 24,
24, 48
48 &
& 72h
72h

50◦C &150 rpm
Ly tâm lấy dịch nổi

Tetracycline & Cycloheximide

HPLC

4
100 μL & 75 μL: Ngăn cản VSV phát triển trong quá trình thủy phân
Năng
Năng suất
suất đường
đường hóa
hóa
Thể tích làm việc: 25 mL


Vật liệu & phương pháp
4.2 Đánh giá quá trình thủy phân enzyme trên sinh khối Sg đã qua tiền xử lý

1,053 & 1,111

[Glucose]

Hệ số chuyển đổi
Nồng độ glucose (g/L)

[Biomass]
[Cellobiose]

Hàm lượng sinh khối khô tại thời điểm bắt đầu thủy phân
bằng enzym

Nồng độ cellobiose còn lại sau khi thủy phân glucan
(g/L)

(f)
Phần glucan ở dạng khô (g/g)


Vật liệu & phương pháp
5.1 chuẩn bị chủng cấy
Khả
Khả năng
năng kháng:
kháng: t◦
t◦ cao
cao ,,
thay
thay đổi
đổi pH,
pH, [đường]
[đường] &
&
[bioethanol]
[bioethanol] cao
cao

Hiệu
Hiệu suất
suất lên
lên men

men
cao
cao

S. cerevisiae PE-2
Ni cấy trong bình Erlenmeyer flask 500 mL với 125 mL môi

01

trường :





50 g/L glucose

Khả
Khả năng
năng tồn
tồn tại
tại

10 g/L peptone

cao
cao để
để tái
tái sử
sử dụng

dụng

Dịch chiết nấm men

Tiến trình



Ủ ở 35◦C & tốc độ lắc 150 rpm/16h



Ly tâm vô trùng (4◦C, 5600g, 15 phút)



Huyền phù trong mt NaCl 0,9% ở

nồng độ cuối cùng là 200 g/L

02


Vật liệu & phương pháp
5.2 Tiền đường hóa tới lên men đồng thời (PSSF) sinh khối Sg đã qua tiền xử lý

Oxy

Nhiệt độ
Bán kỵ khí

01
02

Sau 24h thủy phân, điều chỉnh từ 50 °C
xuống 35 °C

Định lượng glucose

S. cerevisiae PE-2

1 mL mẫu lấy ở 0 và 24h trong giai đoạn tiền đường

Cấy ở mức 8g/L

hóa

Định lượng glucose & bioethanol
V: 50 mL

1 mL mẫu lấy ở 12, 24, 48 và 72h trong giai đoạn lên

Sinh khối Sg
Qua tiền xử lý + điều kiện thủy phân tối ưu

men


Vật liệu & phương pháp

[EtOH]f
1

(Biomass)

Nồng độ ethanol ở cuối quá trình lên

Hàm lượngsinh khối khơ ở đầu qt lên

men (g/L)

men (g/L)

[EtOH]0
2

f
5

Nồng độ ethanol ở

Tỷ lệ glucan trên sinh khối khô (g/g)

đầu qt lên men (g/L)

0,51
3

4

1,111

Hệ số chuyển đổi glucose thành ethanol dựa trên sinh hóa tỷ

Hệ số tỷ lượng chuyển glucan thành glucose

lượng của nấm men

tương đương

6


Vật liệu & phương pháp
6. Phương pháp phân tích

01

Mẫu phân tích

Lọc

02

0.45 μm nylon filter

HPLC

03

Định lượng Glucose, galactose, fucose, acetic acid &
bioethanol...


3. KẾT QUẢ


Kết quả

1.Đặc điểm sinh khối Sg

Cơng nghệ
1
Sargassum muticum

Chưa tương thích với nguồn
carbohydrate trong nghiên cứu

18,87g
18,87g carbohydrate
carbohydrate

Sinh khối Sg (g/100g)

~

15,69g
15,69g carbohydrate
carbohydrate
Himanthalia elongata

Sinh vật khác
2

Glucan
Glucan (10,40
(10,40 ±
± 0,96)
0,96) Galactan
Galactan (4,34
(4,34
±
± 0,39)
0,39) Fucoidan
Fucoidan (6,77
(6,77 ±
± 0,69)
0,69)

Cạnh tranh nguồn dinh dưỡng

Sargassum horridum

<

50,64g
50,64g carbohydrate
carbohydrate

Địa lý & khí hậu

41,81g
41,81g carbohydrate
carbohydrate
Sargassum spp.

3

Thay đổi mùa, vị trí địa lý & điều
kiện khí hậu