NGHIÊN cứu TỔNG hợp BIOETHANOL từ DUNG DỊCH THỦY PHÂN vỏ QUẢ CHÙM NGÂY

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (11.19 MB, 71 trang )

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP BIOETHANOL
TỪ DUNG DỊCH THỦY PHÂN VỎ QUẢ
CHÙM NGÂY

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

TS. Huỳnh Liên Hương

Nguyễn Bá Thành; MSSV: 2102393
Ngành: Công nghệ Hóa học Khóa 36

Tháng 12/2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨAVIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ

Độc lập Tự do Hạnh phúc
Cần Thơ, ngày

tháng

năm 2014

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
CHO SINH VIÊN NĂM HỌC: 20142015
1. Họ và tên cán bộ hướng dẫn: TS. Huỳnh Liên Hương
2. Tên đề tài: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP BIOETHANOL TỪ DUNG DỊCH
THỦY PHÂN VỎ QUẢ CHÙM NGÂY
3. Địa điểm thực hiện:
Phòng thí nghiệm Công Nghệ Hoá Học, Khoa Công nghệ, Trường Đại Học Cần
Thơ.
4. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thành

MSSV: 2102393

5. Mục đích của đề tài: khảo sát khả năng sử dụng vỏ quả Chùm ngây làm nguyên liệu
cho tổng hợp ethanol sinh học.
6. Nội dung chính
Phần I: Thủy phân vỏ quả Chùm ngây
+ Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ acid đến quá trình thủy phân
+ Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy phân
+ Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ VQCN/dung dịch acid đến quá trình thủy phân
+ Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân
Phần II: Lên men sản phẩm thủy phân vỏ quả Chùm ngây.
7. Các yêu cầu hỗ trợ: kinh phí, hoá chất và dụng cụ thí nghiệm.
8. Kinh phí dự trù thực hiện đề tài (dự trù chi tiết đính kèm): 2.000.000 đồng.
DUYỆT CỦA BỘ MÔN

CÁN BỘ RA ĐỀ TÀI

DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG THI & XÉT TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨAVIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ

Độc lập Tự do Hạnh phúc
Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2014

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
1. Họ và tên cán bộ hướng dẫn: TS. Huỳnh Liên Hương
2. Tên đề tài: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP BIOETHANOL TỪ DUNG DỊCH
THỦY PHÂN VỎ QUẢ CHÙM NGÂY
3. Họ và tên sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thành
MSSV: 2102393

Lớp: Công nghệ Hoá học

Khoá: 36

4. Nội dung nhận xét:
a. Nhận xét về hình thức:
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
b. Nhận xét về nội dung của luận văn (Đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ)
* Các nội dung và công việc đã đạt được (so với đề cương luận văn):
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................

* Những vấn đề còn hạn chế:
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
c. Nhận xét đối với từng sinh viên thực hiện đề tài:
..........................................................................................................................................

tháng

năm 2014

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
1. Họ và tên cán bộ hướng dẫn: TS. Hồ Quốc Phong
2. Tên đề tài: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP BIOETHANOL TỪ DUNG DỊCH
THỦY PHÂN VỎ QUẢ CHÙM NGÂY
3. Họ và tên sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thành
MSSV: 2102393

Lớp: Công nghệ Hoá học

Khoá: 36

4. Nội dung nhận xét:
a. Nhận xét về hình thức:
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
b. Nhận xét về nội dung của luận văn (Đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ)
* Các nội dung và công việc đã đạt được (so với đề cương luận văn):
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................

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

* Những vấn đề còn hạn chế:

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

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

c. Nhận xét đối với từng sinh viên thực hiện đề tài:
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................

d. Kết luận và đề nghị:
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................

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

5. Điểm đánh giá:
Cần Thơ, ngày

tháng

năm 2014

Cán bộ phản biện

TS. Hồ Quốc Phong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨAVIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ

Độc lập Tự do Hạnh phúc
Cần Thơ, ngày

tháng

năm 2014

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
1. Họ và tên cán bộ hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Đạt
2. Tên đề tài: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP BIOETHANOL TỪ DUNG DỊCH
THỦY PHÂN VỎ QUẢ CHÙM NGÂY
3. Họ và tên sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thành
MSSV: 2102393

Lớp: Công nghệ Hoá học

Khoá: 36

4. Nội dung nhận xét:
a. Nhận xét về hình thức:
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
b. Nhận xét về nội dung của luận văn (Đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ)
* Các nội dung và công việc đã đạt được (so với đề cương luận văn):
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................

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

* Những vấn đề còn hạn chế:

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

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

c. Nhận xét đối với từng sinh viên thực hiện đề tài:
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................

d. Kết luận và đề nghị:

chuyên môn và thực nghiệm trong suốt quá trình thực hiện luân văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các anh, chị học viên cao học và các bạn trong
nhóm nghiên cứu khoa học tại PTN Công nghệ Hóa học, Bộ môn Công nghệ Hóa học
đã giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, những người luôn quan
tâm giúp đỡ và động viên tôi trong suốt khoảng thời gian qua để tôi được hoàn thành tốt
luận văn.

Cần Thơ, ngày

tháng

năm 2014

S.V Nguyễn Bá Thành

SVTH: Nguyễn Bá Thành

i

TÓM TẮT
Ethanol sinh học đã trở thành một nguồn năng lượng thay thế quan trọng. Nghiên
cứu này nhằm khảo sát khả năng sử dụng vỏ quả Chùm ngây như nguyên liệu thay thế
để tổng hợp ethanol sinh học. Vỏ quả Chùm ngây (VQCN) sau khi xử lý sơ bộ sẽ được
thủy phân bằng acid H2SO4 loãng nhằm chuyển hóa các thành phần bên trong tế bào
VQCN thành các loại đường cung cấp cho quá trình lên men thành ethanol.
Những ảnh hưởng của nồng độ acid H2SO4 (28 wt.%), thời gian (28 giờ), tỷ lệ
VQCN/dung dịch acid (1/101/25 g/mL) và nhiệt độ (6090 °C) đến quá trình đường
hóa VQCN đã được nghiên cứu. Nồng độ đường tối đa thu được đạt 22.38 g/L, khi tiến

hành thủy phân VQCN với 6% H2SO4, ở 90 °C, trong 6 giờ và tỷ lệ VQCN/dung dich
acid là 1/10 g/mL. Sản phẩm thủy phân VQCN sẽ được khử độc bằng Ca(OH)2 trước
khi lên men nhằm làm giảm sự ảnh hưởng của các hợp chất ức chế như các hợp chất
furan (furfural và hydroxyl methylfurfural), các acid yếu và các hợp chất phenol đến sự
tăng trưởng của tế bào, tiêu thụ đường và tích lũy ethanol của vi sinh vật lên men. Nồng
độ ethanol cao nhất đạt được là 7.03 g/L với năng suất ethanol tương ứng 0.379 g
ethanol/g đường.

SVTH: Nguyễn Bá Thành

ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. i
TÓM TẮT....................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.................................................................................. vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ SƠ ĐỒ ........................................................................ vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... viii
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG ...............................................................................1
1.1 Đặt vấn đề .............................................................................................................. 1
1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 2
CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU...........................................................................4
2.1 Tổng quan về ethanol sinh học .............................................................................. 4
2.2 Cây Chùm ngây ...................................................................................................... 5
2.2 Nguyên liệu lignocellulose..................................................................................... 6
2.2.1 Cellulose ..........................................................................................................7
2.2.2 Hemicelulose ...................................................................................................7
2.2.3 Lignin ...............................................................................................................8

2.3 Chuyển hóa lignocelulose thành đường ................................................................. 9
2.3.1 Xử lý bằng kiềm ..............................................................................................9
2.3.1 Thủy phân bằng acid đặc ...............................................................................10
2.3.2 Thủy phân bằng acid loãng ............................................................................10
2.3.3 Thủy phân bằng enzyme ................................................................................11
2.4 Chất ức chế ........................................................................................................... 13
2.4.1 Hợp chất phenolic ..........................................................................................13
2.4.2 Acid yếu .........................................................................................................14
2.4.3 Furan aldehyde...............................................................................................15
2.5 Phương pháp khử độc .......................................................................................... 15
2.5.1 Phương pháp vật lý ........................................................................................15
2.5.2 Phương pháp hóa học ....................................................................................16
2.5.2.1 Vôi hóa........................................................................................................16
2.5.2.2 Xử lý với than hoạt tính ..............................................................................16
SVTH: Nguyễn Bá Thành

iii

MỤC LỤC
2.5.2.3 Nhựa trao đổi ion ........................................................................................17
2.5.4 Phương pháp sinh học....................................................................................17
2.6 Lên men sản phẩm thủy phân tạo ethanol ............................................................ 18
2.6.1 Tế bào nấm men.............................................................................................18
2.6.1.1 Hình dạng và kích thước tế bào ..................................................................18
2.6.1.2 Cấu tạo của nấm men ..................................................................................18
2.6.1.3 Sự sinh sản và phát triển của nấm men.......................................................19
2.6.1 Khái quát quá trình lên men...........................................................................19
2.6.2 Saccharomyces cerevisiae .............................................................................20
2.6.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men ................................................21

2.6.2.1 Nhiệt độ.......................................................................................................21
2.6.2.2 pH................................................................................................................21
2.6.2.3 Nồng độ dung dịch lên men ........................................................................21
2.6.2.4 Thời gian .....................................................................................................22
2.6.2.5 Dinh dưỡng .................................................................................................22
2.6.3 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời (SSF) ..........................................22
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .........................24
3.1 Phương tiện .......................................................................................................... 24
3.1.1 Nguyên liệu và hóa chất ................................................................................24
3.1.2 Dụng cụ ..........................................................................................................24
3.2 Phương pháp nghiên cứu...................................................................................... 25
3.2.1 Xử lý nguyên liệu ..........................................................................................26
3.2.2 Thủy phân vỏ quả chùm ngây bằng acid H2SO4 loãng..................................26
3.2.3 Khử độc sản phẩm thủy phân vỏ quả Chùm ngây .........................................26
3.2.4 Nuôi cấy sơ bộ nấm men S. cerevisiae ..........................................................27
3.2.5 Quá trình lên men ..........................................................................................27
3.3 Phương pháp phân tích ......................................................................................... 28
3.3.1 Xác định nồng độ đường tổng .......................................................................28
3.3.2 Xác định hàm lượng ethanol ..........................................................................28
3.3.3 Phương pháp xử lý số liệu .............................................................................29
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ....................................................................30
4.1 Ảnh hưởng của nồng độ acid H2SO4 đến nồng độ đường tổng ........................... 30
SVTH: Nguyễn Bá Thành

iv

MỤC LỤC
4.2 Ảnh hưởng của thời gian đến nồng độ đường tổng ............................................. 31
4.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ VQCN/dung dịch acid đến nồng độ đường tổng................ 33

4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân đến nồng độ đường tổng .............................. 34
4.5 Ảnh hưởng của quá trình khử độc đến nồng độ đường tổng ............................... 36
4.6 Lên men sản phẩm thủy phân tạo ethanol ............................................................ 37
4.7 So sánh với các nghiên cứu khác ......................................................................... 38
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ ......................................................................40
5.1 Kết luận ................................................................................................................ 40
5.2 Hạn chế................................................................................................................. 40
5.3 Kiến nghị .............................................................................................................. 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................42

SVTH: Nguyễn Bá Thành

v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 21 Thành phần hóa học của vỏ quả Chùm ngây .................................................. 6
Bảng 41 Điều kiên tối ưu cho quá trình thủy phân vỏ quả Chùm ngây ...................... 36
Bảng 42 Bảng so sánh năng suất chuyển hóa ethanol từ dung dịch của VQCN thủy
phân và của các sinh khối khác .................................................................................................... 39

SVTH: Nguyễn Bá Thành

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ SƠ ĐỒ
Hình 21 Cấu trúc của sinh khối lignocellulose thực vật................................................ 7
Hình 22 Cấu trúc của phân tử cellulose......................................................................... 7
Hình 23 Cấu trúc mạch hemicellulose........................................................................... 8

Hình 24 Cấu trúc của lignin........................................................................................... 9
Hình 25 Sự tương tác của enzyme trên cấu trúc cellulose (A) và xylan (B) ............... 12
Hình 26 Sự hình thành các hợp chất ức chế từ quá trình thủy phân lignocellulose .... 14
Hình 27 Quá trình chuyển hóa glucose thành ethanol trong tế bào nấm men
Saccharomyces cerevisiae ............................................................................ 20
Hình 31 Vỏ quả Chùm ngây thô .................................................................................. 26
Hình 32 Phản ứng tạo phức giữa DNS và đường khử ................................................. 28
Hình 41 Mẫu sản phẩm thủy phân VQCN với các nồng độ acid khác nhau............... 30
Hình 42 Sự ảnh hưởng của nồng độ acid đến nồng độ đường tổng ............................ 31
Hình 43 Mẫu sản phẩm thủy phân VQCN với các thời gian khác nhau ..................... 32
Hình 44 Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến nông độ đường tổng ...................... 32
Hình 45 Mẫu sản phẩm thủy phân VQCN với các tỷ lệ khác nhau ............................ 33
Hình 46 Ảnh hưởng của tỷ lệ VQCN/dung dịch acid ................................................. 34
Hình 47 Mẫu sản phẩm thủy phân VQCN với các nhiệt độ khác nhau ...................... 35
Hình 48 Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân đến nồng độ đường tổng ....................... 35
Hình 49 Ảnh hưởng của quá trình khử độc đến nồng độ đường tổng ......................... 37
Hình 410 Nồng độ ethanol và sự tiêu thụ đường của Saccharomyces cerevisiae trong
quá trình lên men .......................................................................................... 38

Sơ đồ 31 Tóm tắt quá trình thủy phân VQCN và lên men tạo ethanol........................ 25
Sơ đồ 32 Quá trình khử độc sản phẩm thủy phân VQCN ........................................... 27

SVTH: Nguyễn Bá Thành

vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HMF................................... hydroxymethyl furfural

DNS ................................... 3,5dinitrosalicylic acid
NĐĐT ................................ Nồng độ đường tổng
UVVis............................... Ultravioletvisible (cực tímkhả kiến)
VQVN ................................ Vỏ quả Chùm ngây
wt.% ................................... Phần trăm khối lượng
YPD ................................... Yeast Peptone Dextrose
YPDA ................................ Yeast Peptone Dextrose Agar

SVTH: Nguyễn Bá Thành

viii

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Đặt vấn đề
Quá trình công nghiệp hóa và cơ giới hóa của thế giới đã dẫn đến nhu cầu rất lớn
về nhiên liệu hóa thạch. Ngày nay, năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch chiếm đến 80%
năng lượng tiêu thụ của thế giới, trong đó ngành giao thông vận tải tiêu thụ đến 58%.
Trữ lượng của nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và việc tiêu thụ quá mức nguồn
nhiên liệu này là một trong những nguyên nhân dẫn đến sự biến đổi khí hậu, hiệu ứng
nhà kính và các vấn đề môi trường khác (Nigam & Singh, 2011). Vì vậy, việc nghiên
cứu và phát triển các nguồn năng lượng mới thay thế năng lượng truyền thống từ dầu
mỏ đồng thời ít hoặc không gây ra tác động xấu cho môi trường, có tính bền vững, và
có khả năng tái tạo là những vẫn đề được các nhà khoa học quan tâm hàng đầu. Nhiên
liệu sinh học (biochar, bioethanol, biodiesel, biogas,...) là một trong những nguồn năng
lượng thay thế quan trọng bên cạnh năng lượng gió, năng lượng mặt trời hay năng lượng
hạt nhân v.v.
Sử dụng nhiên liệu sinh học mang lại nhiều lợi ích như giảm thiểu ô nhiễm môi
trường, vì nhiên liệu sinh học không chứa các hợp chất thơm, hàm lượng lưu huỳnh rất

thấp, không chứa chất độc hại. Hơn nữa, nhiên liệu sinh học khi thải vào môi trường có
tốc độ phân hủy cao gấp 4 lần so với nhiên liệu dầu mỏ nên giảm khả năng gây ô nhiễm
môi trường.
Việc sử dụng các nguồn thực phẩm, chẳng hạn như ngũ cốc, dầu ăn, v.v, làm
nguyên liệu cho công nghiệp nhiên liệu sinh học còn một số hạn chế nhất định: (i) nguồn
nguyên liệu trên không có tính bền vững; (ii) khả năng tái tạo còn nhiều hạn chế; (iii) sự
cạnh tranh giữa sử dụng nguồn nguyên liệu dùng cho sản xuất nhiên liệu sinh học và
cho lương thực, thực phẩm. Để đáp ứng nhu cầu nhiên liệu sinh học ngày càng tăng thì
việc nghiên cứu tìm ra nguồn nguyên liệu thay thế chẳng hạn như nguyên liệu
lignocellulose (có trong phụ, phế phẩm nông lâm nghiệp) và dầu ăn thải sử dụng để
sản xuất ethanol sinh học và diesel sinh học là điều cấp thiết (Mohibbe Azam, et al.,
2005, Wyman, 2008).
SVTH: Nguyễn Bá Thành

1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG
Chùm ngây là một trong những loại cây có hạt chứa nhiều acid béo (chiếm 20
50% khối lượng khô của hạt), được xem là nguồn nguyên liệu tiềm cho sản xuất nhiên
liệu sinh học ở các nước nhiệt đới (Rashid, et al., 2008). Thông thường, sản lượng hạt
trong mỗi quả chiếm khoảng 27% (khối lượng khô) (Hernández, et al., 2013), sản lượng
các acid béo trong mỗi hạt chiếm khoảng 38.1% (Martín, et al., 2010). Với sản lượng
acid béo như trên sẽ cho hiệu suất chuyển đổi 90% các acid béo thành biodesel. Như
vậy, cứ mỗi hecta Chùm ngây sẽ sản xuất được khoảng 2.9 tấn diesel sinh học. Quá trình
tách chiết các acid béo có trong hạt Chùm ngây sẽ tạo ra một lượng lớn vỏ quả Chùm
ngây (khoảng 73 % khối lượng quả khô) và nếu không có phương án xử lý phù hợp sẽ
ảnh hưởng đến môi trường. Vỏ quả Chùm ngây (VQCN) là nguồn cung cấp
lignocellulose tiềm năng và có giá thành thấp cho sản xuất ethanol sinh học. Vỏ quả
Chùm ngây sẽ được thủy phân bằng acid hoặc enzyme nhằm chuyển hóa các thành phần

bên trong tế bào vỏ quả Chùm ngây (lignocellulose, carbohydrate, v.v) thành các loại
đường cung cấp cho quá trình lên men thành ethanol (Taherzadeh & Karimi, 2007a).
Việc sử dụng quả Chùm ngây sau khi tách hạt để sản xuất bioethanol có ý nghĩa vô cùng
to lớn và quan trọng trong nỗ lực tìm ra nguồn nguyên liệu mới, giảm thiểu ảnh hưởng
xấu đến môi trường cũng như góp phần tận dụng có hiệu quả và triệt để tiềm năng của
cây Chùm ngây. Vì thế, đề tài “Nghiên Cứu Tổng Hợp Bioethanol Từ Dung Dịch Thủy
Phân Vỏ Quả Chùm Ngây”được tiến hành.
1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là khảo sát khả năng sử dụng VQCN làm nguyên liệu để tổng
hợp ethanol sinh học. Từ đó tìm ra được quy trình tổng hợp ethanol sinh học từ nguyên
liệu VQCN, nhằm góp phần tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế cũng như tận dụng tối đa
nguồn nguyên liệu VQCN và hạn chế ô nhiễm môi trường.
Nội dung đề tài gồm hai phần: (i) khảo sát quá trình thủy phân VQVN bằng acid
H2SO4 loãng nhằm tìm ra điều kiện phản ứng tối ưu để thu được dung dịch thủy phân
có nồng độ đường cao nhất; (ii) khảo sát quá trình lên men dung dịch thủy phân bởi nấm
men Saccharomyses cerevisiae nhằm tìm ra thời gian lên men tối ưu để thu được hàm
lượng ethanol cao nhất.

SVTH: Nguyễn Bá Thành

2

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG
 Trong quá trình thủy phân VQCN các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến
quá trình thủy phân đều được khảo sát như:

Nồng độ acid (28 wt.%)

Thời gian (28 giờ)

Nhiệt độ (6090 °C)

Tỉ lệ giữa vỏ quả Chùm ngây và dung dịch acid (1/101/25 g/mL)

Ảnh hưởng của sự loại bỏ chất độc đến thành phẩn sản phẩm thủy phân.

 Lên men sản phẩm thủy phân vỏ quả Chùm ngây.

SVTH: Nguyễn Bá Thành

3

CHƯƠNG 2
LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.1 Tổng quan về ethanol sinh học
Đầu thế kỷ XX nguồn nhiên liệu hóa thạch nhanh chống thống trị thị trường nhiên
liệu trên thế giới. Tuy nhiên, thị trường nhiên liệu hóa thạch này chỉ ổn định được vài
thập kỷ đầu, cho đến khi cuộc khủng nhiên liệu xảy ra trên toàn thế giới vào những năm
70 của thế kỷ XX. Bên cạnh đó, việc sử dụng quá mức nhiên liệu hóa thạch là một trong

những nguyên nhân chính dẫn đến sự biến đổi khí hậu và các vấn đề môi sinh khác. Từ
đây, khái niệm nhiên liệu sinh học (NLSH) đã được hình thành, trong đó diesel sinh học
(biodiesel) và ethanol sinh học (bioethanol) là hai trong số những nguồn nhiên liệu thay
thế quan trọng và được quan tâm nghiên cứu rộng rãi (Agarwal, 2007). Brazil, Mỹ và
Canada là một trong số các nước tiên phong trong việc nghiên cứu, sản xuất và sử dụng
ethanol sinh học.
Trước đây, bioethanol thường được sản xuất chủ yếu từ nguyên liệu đường mía,
củ cải đường, tinh bột ngô, sắn hay lúa mì v.v. Tuy nhiên việc sử dụng các nguồn nguyên
liệu trên phục vụ cho mục đích sản xuất bioethanol là mối đe dọa lớn cho ngành lương
thực, thực phẩm (Chen, et al., 2010). Bên cạnh đó, việc sử dụng các nguồn nguyên liệu
trên sẽ là trở ngại rất lớn khi mở rộng hơn nữa việc sản xuất ethanol ở quy mô công
nghiệp. Vì vậy việc tìm ra nguồn nguyên liệu mới khắc phục những yếu điểm trên có
vai trò vô cùng quan trọng. Các nguồn nguyên liệu lignocellulose có trong các phụ phẩm
nông lâm nghiệp, chất thải công nhiệp (công nghiệp giấy và bột giấy) là nguyên liệu
hấp dẫn cho sản xuất ethanol sinh học vì chúng là nguồn nguyên liệu rẻ tiền, có khả
năng tái tạo và rất phong phú (Sarkar, et al., 2012). Lignocellulosic là sinh khối dồi dào
nhất trên trái đất, chủ yếu bao gồm cellulose và hemicellulose. Đường cung cấp cho quá
trình lên men tạo ethanol như glucose và xylose có thể được tạo thành từ quá trình thủy
phân lignocellulose (Lebeau, et al., 1997). Nhiều ý kiến cho rằng, trong tương lai việc
sản xuất ethanol ở quy mô lớn chắc chắn phải dựa vào vật liệu lignocellulose. Tuy nhiên,
lignocellulose có cấu trúc khá phức tạp, cấu trúc này gây khó khăn cho quá trình thủy
phân tạo đường (Howard, et al., 2004). Do đó đòi hỏi phải tiền xử lý nguyên liệu nhằm
SVTH: Nguyễn Bá Thành

4

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
phá vỡ cấu trúc phức tạp của lignocellulose để quá trình thủy phân lignocellulose
được dễ dàng và hiệu quả hơn. Các quá trình tiền xử lý bao gồm vật lý, hóa học và các

phương pháp lý hóa có thể được áp dụng cho xử lý sinh khối lignocellulose (Yang &
Wyman, 2008). Đã có nhiều nghiên cứu khảo sát khả năng tiền xử lý sinh khối bằng
acid loãng và đã chứng minh rằng quá trình tiền xử lý này cho hiệu quả cao trên nhiều
loại sinh khối khác nhau (Kumar, et al., 2009, Mosier, et al., 2005, Rocha, et al., 2011).
2.2 Cây Chùm ngây
Họ Chùm ngây (Moringaceae) chỉ gồm một chi duy nhất là chùm ngây (Moringa
oleifera), bao gồm khoảng 14 loài phân bố ở các vùng nhiệt đới trên thế giới
(Ndabigengesere & Narasiah, 1996). Chùm ngây còn được gọi là cây “Thần Diệu” vì
nó chứa rất nhiều chất dinh dưỡng quan trọng như các vitamin, protein, các acid amin
và các acid béo (acid oleic > 70%) (Amaglo, et al., 2010, Rashid, et al., 2008, Richter,
et al., 2003); nhiều hợp chất có tác dụng sinh học (Zeatin, flavonoid, v.v) (CostaLotufo,
et al., 2005, Guevara, et al., 1999). Chính vì thế, nó đã được nghiên cứu và ứng dụng
rất nhiều trong thực phẩm, y dược học và các ứng dụng môi trường (lọc nước, biodiesel)
tại nhiều quốc gia trên thế giới như: Ấn Độ, Pakistan, Ghana, Malaysia, Thái Lan,
Philippines (Fahey, 2005, Sabale, et al., 2008).
Ở Việt Nam, Chùm ngây được phát hiện mọc hoang từ lâu đời tại nhiều nơi như
Thanh Hóa, Ninh Thuận, Bình Thuận, vùng Bảy Núi ở An Giang, đảo Phú Quốc v.v.
Tuy vậy, trước đây Chùm ngây ít được chú ý, có nơi trồng chỉ để làm hàng rào và chỉ
trong vài năm trở lại đây khi cây Chùm ngây được trồng có chủ định và qua nghiên cứu
người ta thấy cây có nhiều tác dụng đặc biệt nên nghĩ rằng là cây mới du nhập. Các bộ
phận của cây chứa nhiều khoáng chất quan trọng, giàu chất đạm, vitamin, acid amin và
nhiều hợp chất phenol. Vì vậy, đã có nhiều công ty sản xuất một số chế phẩm ở dạng
thực phẩm dinh dưỡng và thực phẩm chức năng từ Chùm ngây như nước giải khát dinh
dưỡng, trà chùm ngây, sản phẩm làm đẹp, viên chùm ngây, bột hạt chùm ngây, dầu, các
loại biệt dược v.v. Ngoài ra, các sản phẩm thô của chùm ngây được thương mại hóa bán
trên thị trường như lá tươi, quả non, hoa, rễ tươi, rễ khô, cành, nhánh phơi khô, vỏ cây
khô v.v. Hiên tại ở Việt Nam, đã có những công trình nghiên cứu về cây Chùm ngây,
chủ yếu là tách chiết các hợp chất có giá trị từ lá, rễ và hạt của cây Chùm ngây. Tuy
SVTH: Nguyễn Bá Thành

5

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
nhiên, vẫn chưa có những nghiên cứu ứng dụng cho vỏ quả Chùm ngây. Một lượng vỏ
quả chùm ngây sau quá trình sản xuất trên sẽ được thải ra môi trường hoặc để đốt cháy
trực tiếp, điều này sẽ gây hưởng xấu đến môi trường. Được biết, vỏ quả Chùm ngây
tương đối giàu carbohydrate, chúng được xem như là một nguồn nguyên liệu tiềm năng
cho sản xuất ethanol sinh học.
Bảng 21 Thành phần hóa học của vỏ quả Chùm ngây (Hernández, et al., 2013)

Hemicellulose

Chất

Cellulose

Lignin trích
Xylan Arabinan Manan Galactan

27.8

12.5

1.2

1.3

1.9

Thành
Tro

ly
30.2

13.8

phần
khác

6.5

4.8

2.2 Nguyên liệu lignocellulose
Lignocellulose được biết đến là sinh khối phổ biến nhất trên trái đất. Thành phần
chủ yếu của sinh khối lignocellulose là cellulose, hemicellulose và lignin (Mtui, 2009);
các thành phần này chiếm đến 90% khối lượng khô lignocellulose và các hành phần này
sẽ thay đổi tùy theo nguồn gốc của vật liệu lignocellulose. Đây được đánh giá là nguồn
nguyên liệu tiềm năng cho lên men sản xuất ethanol và ngày càng được quan tâm nghiên
cứu bởi sự phong phú và khả năng tái tạo của chúng. Tuy nhiên, khó khăn chính của quá
trình sản xuất ethanol từ lignocelulose là cấu trúc nguyên liệu, do liên kết chéo giữa các
polysaccharide (cellulose và hemicellulose) với lignin thông qua liên kết ester và eter
(Xiao, et al., 2007). Cellulose, hemicelulose và lignin liên kết với nhau tạo nên cấu trúc
vi sợi (microfibrils), các vi sợi này sắp xếp với nhau tạo nên sự ổn định của tế bào thực
vật. Trong thành phần carbohydrate: cellulose là một polymer của glucose còn
hemicellulose là một polymer phân nhánh của glucose hoặc xylose. Cellulose và
hemicellulose là nguồn nguyên liệu có khả năng cung cấp đường cho quá trình lên men
tạo ethanol. Tuy nhiên, sự có mặt của lignin làm cản trở quá trình thủy phân bởi enzyme

cũng như hóa chất (Mosier, et al., 2005).

SVTH: Nguyễn Bá Thành

6

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

Hình 21 Cấu trúc của sinh khối lignocellulose thực vật (Ratanakhanokchai, et al.,
2013)
2.2.1 Cellulose
Cellulose là thành phần của yếu của thành tế bào thực vật (chiếm 3060% trong
sinh khối khô), là homopolymer mạch thẳng được tạo thành từ các đơn phân cellobiose
(hai vòng glucose nối với nhau bằng liên kết β1,4glucoside) (Heinze & Wagenknecht,
1998). Các mạch polymer cellulose được liên kết với nhau bởi liên kết hydrogen và Van
Der Vaals tạo thành dạng vi sợi với cấu trúc chính là kết tinh và vô định hình (Ha, et al.,
1998). Trong đó, khoảng 2/3 celulose ở dạng kết tinh (Palonen, 2004). Trong vùng kết
tinh, các phân tử celulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn công bởi
enzyme cũng như hóa chất. Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose liên kết không
chặt với nhau nên dễ bị tấn công (Wyman, 1996).

Hình 22 Cấu trúc của phân tử cellulose (Walford, 2008)
2.2.2 Hemicelulose
Hemicellulose chiếm 2040% trong sinh khối khô, là một loại polymer phức tạp
và phân nhánh. Trong cấu trúc của hemicellulose chứa các nhóm pentose (xylose và
SVTH: Nguyễn Bá Thành

7

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
arabinose) và hexose (glucose, mannose và galactose) liên kết với nhau bằng liên kết β
1,4, trong đó xylose là đơn phân chính. Hemicellulose tương đối dễ thủy phân hơn so
với cellulose bởi vì cấu trúc phân nhánh và tính chất vô định hình của nó (Hamelinck,
et al., 2005).

Hình 23 Cấu trúc mạch hemicellulose (Walford, 2008)
2.2.3 Lignin
Lignin chiếm 1525% trong sinh khối khô, là polymer được tạo thành từ các đơn
vị phenylpropene liên kết trong cấu trúc không gian ba chiều. Trong cấu trúc của lignin
tồn tại ba loại alcohol phenyl probionic là pcoumaryl alcohol, coniferyl alcohol và
sinapyl alcohol.
Lignin không phải là carbohydrate nhưng có liên kết chặt chẽ với nhóm này để
tạo nên màng tế bào giúp thực vật cứng chắc và giòn. Trong tự nhiên, lignin chủ yếu
đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose
và hemicellulose. Lignin là một trong những nhược điểm của việc sử dụng sinh khối
lignocellulose trong quá trình lên men, do phân tử có dạng không gian ba chiều, lignin
có khả năng chống lại sự giảm cấp bằng tác nhân hóa học hoặc enzyme (Balat, 2011).

SVTH: Nguyễn Bá Thành

8

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

Hình 24 Cấu trúc của lignin (Walford, 2008)
2.3 Chuyển hóa lignocelulose thành đường
Chuyển hóa sinh khối lignocellulose thành đường có thể lên men là một bước

quan trọng để sản xuất ethanol sinh học từ sinh khối này. Để có được các loại đường có
thể lên men thành ethanol, các polysaccharides có trong sinh khối lignocellulose cần
được thủy phân bằng acid hoặc enzyme (Taherzadeh & Karimi, 2007b). Pentose và
hexose là hai loại đường quan trọng có trong sản phẩm thủy phân lignocellulose và được
vi sinh vật sử dụng như là một nguồn carbon trong quá trình lên men tạo ethanol.
2.3.1 Xử lý bằng kiềm
Trong tiền xử lý kiềm, sinh khối được ngâm trong dung dịch kiềm (ví dụ
sodium hydroxide) và sau đó được gia nhiệt trong một thời gian nhất định. Mục đích
của quá trình này là loại bỏ các liên kết chéo giữa hemicellulose và các thành phần khác.
Điều đó làm tăng độ xốp của sinh khối, bằng cách làm trương nở cấu trúc cellulose trong
SVTH: Nguyễn Bá Thành

9

NGHIÊN cứu TỔNG hợp BIOETHANOL từ DUNG DỊCH THỦY PHÂN vỏ QUẢ CHÙM NGÂY

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về