Nghiên cứu xác định các thông số công nghệ xử lý rong lục việt nam và lên men ethanol góp phần phát triển cồn nhiên liệu
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.01 MB, 147 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Võ Thành Trung
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ XỬ LÝ RONG LỤC VIỆT NAM VÀ
LÊN MEN ETHANOL GÓP PHẦN PHÁT TRIỂN
CỒN NHIÊN LIỆU
Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
Mã số: 62420201
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Hà Nội - 2017
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
HD1: PGS.TS Nguyễn Thanh Hằng
HD2: TS. Lê Như Hậu
Phản biện 1: GS.TS. Phạm Văn Ty
Phản biện 2: PGS.TS. Lê Gia Hy
Phản biện 3: PGS.TS. Vũ Nguyên Thành
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến
sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi 8 giờ 30, ngày 01 tháng 08 năm 2017
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
CỦA LUẬN ÁN
1. Võ Thành Trung, Lê Như Hậu, Nguyễn Thanh Hằng (2014).
Tuyển chọn các loài rong Lục Việt Nam ứng dụng trong sản
xuất cồn. Tạp chí Khoa học và Công Nghệ - Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam 52 (5A) 7-13
2. Võ Thành Trung, Lê Như Hậu, Nguyễn Thanh Hằng (2014).
Nghiên cứu biến động thành phần hóa học theo chu kỳ sống của
một số loài rong Lục Việt Nam ứng dụng trong sản xuất cồn.
Tạp chí Khoa học và Công Nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam 52 (5B) 597-604
3. Võ Thành Trung, Lê Như Hậu, Nguyễn Thanh Hằng (2015).
Selection of some yeast strains for ethanol fermentation from
hydrolysate solution of green seaweed Chaetomorpha linum.
Journal of Science and Technology - Viet Nam Academy of
Science and Technology 53 (4C) 472-480
4. Võ Thành Trung, Lê Như Hậu, Nguyễn Thanh Hằng (2016).
Nghiên cứu điều kiện thủy phân rong Lục Chaetomorpha linum
bằng enzyme và ứng dụng trong sản xuất bioethanol. Tạp chí
sinh học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Vol
38 (2): 201-206.
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, luận án này là kết quả nghiên cứu của tôi trong thời gian
qua. Những kết quả và số liệu trình bày trong luận án là kết quả nghiên cứu của tôi,
không sao chép bất kỳ nguồn nào khác, hoàn toàn trung thực và chưa được tác giả
khác công bố. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về kết quả trình bày trong luận án
này.
Hà Nội, ngày tháng năm 2017
Thay mặt tập thể hướng dẫn
Nghiên cứu sinh
i
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện công trình nghiên cứu tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ,
đóng góp ý kiến và chỉ bảo chân tình của các thầy cô, bạn đồng nghiệp và các cơ quan.
Trước hết cho tôi gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS. Nguyễn
Thanh Hằng – Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ
Thực phẩm, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội và TS. Lê Như Hậu phòng Vật liệu hữu cơ
từ Tài nguyên Biển, Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang đã tận tình
hướng dẫn và định hướng cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành bản luận
án này.
Tôi xin cảm ơn tới các thầy cô giáo thuộc Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ
thực phẩm, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ và góp ý cho tôi rất nhiều trong
quá trình học tập và nghiên cứu.
Nhân dịp này cho tôi gửi lời cảm ơn tới PGS. Bùi Minh Lý, Viện trưởng -Viện
Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho
tôi học tập và nghiên cứu.
Tôi xin cảm ơn GS. Hee Chul Woo, Viện Công nghệ Sản xuất Sạch, Đại học Quốc
gia Pukyong Hàn Quốc đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được nghiên cứu tại phòng thí
nghiệm của giáo sư.
Tôi xin cảm ơn các giáo sư, phó giáo sư, tiến sĩ là chủ tịch hội đồng, phản biện, thư
ký và ủy viên hội đồng đã dành thời gian quý báu để đọc tham gia hội đồng chấm luận án
với những góp ý cụ thể, những gợi ý bổ ích, giúp tôi hoàn thiện tốt hơn các nội dung
nghiên cứu của luận án.
Tôi cũng vô cùng cảm ơn sự khích lệ, động viên và giúp đỡ hết sức nhiệt tình của
gia đình, bè bạn và đồng nghiệp đã dành cho tôi để tôi hoàn thành bản luận án nghiên cứu
này.
Hà Nội,ngày tháng năm 2017
Võ Thành Trung
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. I
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................II
MỞ ĐẦU ..........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN .............................................................................................3
1.1 RONG BIỂN ............................................................................................................3
1.1.1 Phân loại rong biển ...........................................................................................3
1.1.2 Thành phần hóa học của các loại rong biển.......................................................4
1.1.3 Rong lục ............................................................................................................6
1.2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ETHANOL TỪ RONG BIỂN ........................................7
1.2.1 Tiềm năng rong biển để sản xuất ethanol ...........................................................7
1.2.2 Quá trình xử lý sơ bộ nguyên liệu rong biển ......................................................9
1.2.3 Quá trình thủy phân rong biển ...........................................................................9
1.2.4 Quá trình lên men ethanol từ dịch thủy phân rong biển ...................................17
1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SẢN XUẤT ETHANOL TỪ NGUYÊN LIỆU
RONG BIỂN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM .........................................................23
1.3.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất ethanol từ nguyên liệu rong biển trên thế giới
.................................................................................................................................23
1.3.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất ethanol từ nguyên liệu rong biển ở Việt Nam
.................................................................................................................................26
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................. 29
2.1 VẬT LIỆU .............................................................................................................29
2.1.1. Rong lục .........................................................................................................29
2.1.2 Chế phẩm Enzyme ...........................................................................................29
2.1.3 Chế phẩm nấm men .........................................................................................29
2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................................................30
2.2.1 Các phương pháp phân tích .............................................................................30
2.2.2 Phương pháp toán học.....................................................................................40
2.2.3 Thiết kế các nghiên cứu ...................................................................................42
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ........................................ 50
3.1 LỰA CHỌN RONG LỤC VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC RONG LỤC VIỆT NAM
....................................................................................................................................50
3.1.1 Lựa chọn các loài rong lục ở Việt Nam ..........................................................50
iii
3.1.2 Thành phần hóa học của các loài rong được chọn ...........................................52
3.1.3 Nghiên cứu biến động thành phần hóa học của rong Ch. linum, Cl. socialis theo
chu kỳ sống ..............................................................................................................54
3.1.4 Thành phần các loại đường của rong Ch. linum và Cl. socialis........................60
3.2 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN RONG CH. LINUM .........................63
3.2.1 Nghiên cứu xử lý nguyên liệu rong Ch. linum trước thủy phân .........................63
3.2.2 Nghiên cứu quá trình thủy phân rong Ch.linum bằng axit ................................64
3.2.3 Nghiên cứu quá trình thủy phân rong Ch. linum bằng chế phẩm enzyme thương
mại ...........................................................................................................................73
3.3 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LÊN MEN ETHANOL TỪ DỊCH THỦY PHÂN
RONG CH. LINUM.....................................................................................................86
3.3.1 Tuyển chọn chủng nấm men trên dịch thủy phân rong Ch.linum bằng axit .......86
3.3.2 Tuyển chọn chủng nấm men trên dịch thủy phân rong Ch.linum bằng chế phẩm
enzyme .....................................................................................................................87
3.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men của dịch thủy phân bằng axit và
enzyme bởi chế phẩm nấm men Red Ethanol ............................................................89
3.3.4 Tối ưu hóa điều kiện lên men dịch thủy phân rong Ch.linum bằng axit bởi chế
phẩm nấm men Red Ethanol .....................................................................................94
3.4 KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG HÓA VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI (SSF) CỦA
DỊCH RONG CH. LINUM SAU TIỀN XỬ LÝ ......................................................... 100
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 103
4.1 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 103
4.2 KIẾN NGHỊ......................................................................................................... 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 106
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 115
iv
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1 Thành phần hóa học của rong biển .....................................................................4
Bảng 1. 2 So sánh năng suất nuôi trồng của các nguồn sinh khối ........................................7
Bảng 1. 3 Thành phần hóa học rong biển và đường tạo thành bởi thủy phân của các loài
rong biển .......................................................................................................................... 10
Bảng 1. 4 Nấm men lên men ethanol từ sinh khối rong biển ............................................. 20
Bảng 1. 5 Diện tích và sản lượng tại thời điểm khảo sát (2010) và dự kiến đến năm 2015 ........ 27
Bảng 3. 1 Lựa chọn các loài rong lục ở Việt Nam ............................................................ 50
Bảng 3. 2 Thành phần hóa học của các loài rong lục được chọn ....................................... 52
Bảng 3. 3 Biến động sinh lượng rong lục trong một vụ trồng vào mùa thuận lợi ............... 55
Bảng 3. 4 Năng suất thu hoạch của các đối tượng rong lục được nuôi trồng luân canh trong
ao đầm tại miền Trung ..................................................................................................... 55
Bảng 3. 5 Thành phần carbonhydrate của sinh khối rong Ch.linum................................... 61
Bảng 3. 6 Thành phần các loại đường của rong Cl. socialis .............................................. 62
Bảng 3.7 Ảnh hưởng của muối NaCl trong nguyên liệu đến quá trình thủy phân rong Ch.
linum ............................................................................................................................... 63
Bảng 3. 8 Ảnh hưởng của kích thước rong đến quá trình thủy phân rong Ch. linum .......... 64
Bảng 3. 9 Ảnh hưởng của tỷ lệ rong trong dung dịch đến thủy phân rong Ch. linum ......... 65
Bảng 3. 10 Khoảng xác định của các yếu tố trong tối ưu thủy phân bằng axit ................... 68
Bảng 3. 11 Mức thí nghiệm của các yếu tố trong tối ưu thủy phân bằng axit .................... 68
Bảng 3. 12 Ma trận thực nghiệm và kết quả ..................................................................... 69
Bảng 3. 13 Kết quả tính bước chuyển động (∆j) của các yếu tố trong tối ưu thủy phân bằng
axit .................................................................................................................................. 69
Bảng 3. 14 Tối ưu hóa điều kiện thủy phân rong theo Box-wilson .................................... 70
Bảng 3. 15 Thành phần và hàm lượng của các loại đường trong dịch thủy phân rong Ch.
linum bằng axit ................................................................................................................ 71
Bảng 3. 16 Thành phần dịch thủy phân rong lục bằng axit ............................................... 72
Bảng 3. 17 Ảnh hưởng của nồng độ axit đến quá trình tiền xử lý rong Ch.linum .............. 73
Bảng 3. 18 Hoạt độ các loại enzyme trong chế phẩm enzyme ViscozymeL và Cellulase . 74
Bảng 3. 19 Khả năng thủy phân rong Ch.limum thành đường bởi các chế phẩm enzyme
thương mại ....................................................................................................................... 75
Bảng 3. 20 Khoảng xác định của các yếu tố trong tối ưu thủy phân bằng enzyme ............. 79
Bảng 3. 21 Mức thí nghiệm của các yếu tố trong tối ưu thủy phân bằng enzyme .............. 79
v
Bảng 3. 22 Ma trận thực nghiệm và kết quả ..................................................................... 80
Bảng 3. 23 Kết quả tính bước chuyển động (∆j) của các yếu tố trong tối ưu thủy phân bằng
enzyme ............................................................................................................................ 80
Bảng 3. 24 Tối ưu hóa điều kiện thủy phân rong Ch. linum bằng enzyme ......................... 81
Bảng 3. 25 Thành phần và hàm lượng của các loại đường trong dịch thủy phân rong Ch.
linum bằng chế phẩm enzyme Viscozyme L ..................................................................... 82
Bảng 3. 26 Thành phần dịch thủy phân rong Ch.linum bằng chế phẩm enzyme ................ 84
Bảng 3. 27 Hiệu suất thủy phân rong Ch. linum bằng axit và bằng chế phẩm enzyme
Viscozyme L .................................................................................................................... 85
Bảng 3. 28 Lên men ethanol từ dịch thủy phân rong Ch.linum bằng axit bởi các chủng nấm
men khác nhau ................................................................................................................. 86
Bảng 3. 29 Hàm lượng ethanol và hiệu suất lên men của các chủng nấm men lên men từ
dịch thủy phân rong Ch. linum bằng axit được xác định bằng HPLC ................................ 87
Bảng 3. 30 Lên men ethanol từ dịch thủy phân rong Ch.linum bằng chế phẩm enzyme bởi
các chủng nấm men khác nhau ......................................................................................... 88
Bảng 3. 31 Hàm lượng ethanol và hiệu suất của các chủng nấm men lên men từ dịch thủy
phân rong Ch. linum bằng chế phẩm enzyme được xác định bằng HPLC ............................... 88
Bảng 3. 32 Ảnh hưởng của nguồn nito đến quá trình lên men dịch thủy phân Ch. linum ... 89
Bảng 3. 33 Khoảng xác định của các yếu tố trong lên men dich thủy phân bằng axit ........ 94
Bảng 3. 34 Mức thí nghiệm của các yếu tố trong lên men dịch thủy phân bằng axit .......... 94
Bảng 3. 35 Ma trận thực nghiệm và kết quả ..................................................................... 95
Bảng 3. 36 Kết quả tính bước chuyển động (∆j) của các yếu tố trong lên men dich thủy
phân bằng axit .................................................................................................................. 96
Bảng 3. 37 Tối ưu hóa điều kiện lên men dịch thủy phân rong Ch.linum bằng axit theo
Box-wilson ...................................................................................................................... 96
Bảng 3. 38 Chuyển hóa đường và ethanol trong quá trình lên men từ dịch thủy phân rong
Ch.linum bằng axit ........................................................................................................... 97
Bảng 3. 39 Chuyển hóa đường và ethanol trong quá trình lên men từ dịch thủy phân rong
Ch.linum bằng enzyme ..................................................................................................... 98
Bảng 3. 40 Hiệu suất lên men ethanol của quá trình lên men từ dịch thủy phân rong
Ch.linum bằng axit và bằng chế phẩm enzyme ................................................................. 99
Bảng 3. 41 Kết quả của quá trình đường hóa và lên men đồng thời tại các thời điểm đường
hóa ban đầu khác nhau ................................................................................................... 100
vi
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Thành phần carbohydrate của rong đỏ, rong nâu, rong lục ...................................5
Hình 3. 1 Biến động hàm lượng protein theo chu kỳ sống của hai loài rong lục ................ 57
Hình 3. 2 Biến động hàm lượng tro theo chu kỳ sống của hai loài rong lục ....................... 58
Hình 3. 3 Biến động hàm lượng lipid theo chu kỳ sống của hai loài rong.......................... 58
Hình 3. 4 Biến động hàm lượng carbohydrate và tốc độ sinh trưởng theo chu kỳ sống của
hai loại rong lục ............................................................................................................... 59
Hình 3. 5 Sắc ký đồ thành phần các loại đường của rong Ch. linum. ................................. 61
Hình 3. 6 Sắc ký đồ thành phần các loại đường của rong Cl. socialis ............................... 61
Hình 3. 7 Ảnh hưởng nồng độ axit sunfuric đến quá trình thủy phân rong Ch.linum bằng
axit .................................................................................................................................. 65
Hình 3. 8 Ảnh hưởng nhiệt độ đến quá trình thủy phân rong Ch.linum bằng axit sunfuric 66
Hình 3. 9 Động thái của quá trình thủy phân rong Ch.linum bằng axit .............................. 67
Hình 3. 10 Sắc ký đồ các loại đường và ethanol của chuẩn (B) và dịch thủy phân rong Ch.
linum bằng axit (A) .......................................................................................................... 71
Hình 3. 11 Ảnh hưởng của nồng độ enzyme đến quá trình thủy phân rong Ch.linum bằng
enzyme ............................................................................................................................ 76
Hình 3. 12 Ảnh hưởng của pH đến quá trình thủy phân rong Ch.linum bằng enzyme ....... 77
Hình 3. 13 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân rong Ch.linum bằng enzyme 78
Hình 3. 14 Động thái của quá trình thủy phân rong Ch.linum bằng enzyme ...................... 78
Hình 3. 15 Sắc ký đồ các loại đường và ethanol của chuẩn (B) và dịch thủy phân rong Ch.
linum bằng chế phẩm enzyme Viscozyme L (A) .............................................................. 82
Hình 3. 16 Sự biến đổi nito tổng số trong quá trình lên men ............................................. 90
Hình 3. 17 Ảnh hưởng pH đến quá trình lên mendịch thủy phân rong Ch.linum ............... 91
Hình 3. 18 Ảnh hưởng nhiệt độ đến quá trình lên men dịch thủy phân rong Ch.linum ...... 92
Hình 3. 19 Động thái quá trình lên men dịch thủy phân rong Ch.linum ............................. 93
vii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Chữ viết đầy đủ
C
Nồng độ
Cs
Cộng sự
ĐLM
Đường lên men
ĐTP
Đường dịch thủy phân
EtOH
Ethanol
H
Hiệu suất
HaF
Lên men dịch thủy phân bằng axit
HeF
Lên men dịch thủy phân bằng enzyme
HLM
Hiệu suất lên men
HPLC
Sắc ký lỏng hiệu năng cao
HTP
Hiệu suất thủy phân
SSF
Đường hóa và lên men đồng thời
Tb
Tế bào
tn
Thí nghiệm
V
Thể tích
v/v
Thể tích/ thể tích
VSV
Vi sinh vật
W
Khối lượng
w/v
Khối lượng/thể tích
τ
Thời gian
viii
MỞ ĐẦU
Khi nhu cầu năng lượng thế giới tiếp tục tăng và nguồn nhiên liệu hóa thạch đang giảm,
nhiên liệu sinh học là giải pháp thay thế thích hợp. Ethanol là sản phẩm nhiên liệu được sử
dụng phổ biến nhất và được nhiều quốc gia tập trung nghiên cứu. Ethanol thường được sản
xuất từ tinh bột, đường mía và phụ phẩm nông nghiệp. Tuy nhiên việc sử dụng các sản phẩm
nông nghiệp làm nguồn nguyên liệu sản xuất ethanolcòn có hạn chế là chiếm một lượng lớn
đất nông nghiệp, cũng như nguồn nước, thời gian và công chăm sóc, canh tác… Hơn thế nữa
vấn đề này cũng đang đối mặt với những ý kiến chỉ trích cho rằng không thể sử dụng các sản
phẩm nông nghiệp để sản xuất ethanol trong khi mỗi ngày trên thế giới có hàng triệu người
chết đói vì thiếu lương thực.
Trước tình hình đó, hàng loạt các nghiên cứu nhằm tìm ra một nguồn nguyên liệu mới
trong việc sản xuất cồn sinh học được đẩy mạnh. Trong đó rong biển là một lựa chọn thích
hợp và đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Rong biểncó sản lượng tự nhiên lớn, vòng
đời sinh trưởng ngắn, dễ thu hoạch, giá thành rẻ và nuôi trồng thu được sinh khối lớn. Hàm
lượng carbohydrate trong một số loài rong cao từ 40 - 79,4 %, rong có lignin thấp dễ thủy
phân, thành phần đường chủ yếu là đường 6 carbon nên dễ dàng lên men tạo ethanol.
Việt Namcó bờ biển dài hơn 3200 km có chứa sinh khối rong biển rất lớn, trong đó rong
lục là phổ biến nhất. Ước tính mỗi năm có khoảng 2 triệu tấn khô được tạo thành. Tuy nhiên
nguồn sinh khối này vẫn chưa được sử dụng hợp lý, chỉ có số ít loài được nghiên cứu chế
biến các sản phẩm sinh học, số còn lại tự phân hủy ngoài tự nhiên gây hiện tượng ô nhiễm. Vì
vậy nghiên cứu sản xuất ethanol từ rong lục là một giải pháp thích hợp để tạo ra nhiên liệu
sạch, giải quyết ô nhiễm môi trường và gia tăng lợi ích kinh tế cho người dân ven biển.
Để sản xuất được ethanol nhiên liệu từ rong lục, cần phải tiến hành các bước: lựa chọn
đối tượng rong lục thích hợp, đảm bảo sinh khối ổn định bằng tiến hành nuôi trồng gia tăng
sinh khối, sử dụng các kỹ thuật xử lý nguyên liệu, tìm các phương pháp thích hợp để đường
hóa rong lục và lên men tạo ethanol. Về nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rong lục tại
Việt Nam hiện nay mới được đề cập tuy vậy vẫn chưa có nghiên cứu cụ thể. Do đó, chúng tôi
tiến hành đề tài “Nghiên cứu xác định các thông số công nghệ xử lý rong lục Việt Nam và
lên men ethanol góp phần phát triển cồn nhiên liệu” để đưa ra được một cách hoàn chỉnh
công nghệ lên men ethanol từ nguồn sinh khối rong lục.
1
Mục tiêu của đề tài
Chọn được rong lục thích hợp làm nguyên liệu cho lên men ethanol
Chọn được giải pháp công nghệ xử lý và thủy phân rong lục để lên men tạo ethanol
Chọn được giải pháp công nghệ lên men ethanol từ dịch thủy phân rong Lục
Các nội dung nghiên cứu của đề tài
1. Nghiên cứulựa chọn nguồn rong lục Việt Nam làm nguyên liệu cho lên men ethanol
2. Nghiên cứu chọn giải pháp xử lý và thủy phân rong lục để lên men tạo ethanol
3. Nghiên cứu chọn giải pháp lên men ethanol từ dịch thủy phân rong lục
Những đóng góp mới của luận án
- Nghiên cứu đầu tiên một cách có hệ thống về rong lục từ khảo sát lựa chọn nguồn rong lục
đến thủy phân và lên men ethanol
- Nghiên cứu nguồn rong biển Việt Nam làm nguyên liệu sản xuất ethanol bằng phương pháp
thân thiện môi trường là hướng nghiên cứu phù hợp với xu thế của thế giới nhằm thay thế
nguồn nhiên liệu hóa thạch
2
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 RONG BIỂN
1.1.1 Phân loại rong biển
Tảo được chia thành hai nhóm chính là microalgae và macroalgae, microalgae được gọi là vi
tảo hay tảo kích thước bé. Rong biển là macroalgae, được gọi là tảo kích thước lớn.
Rong biển là thực vật bậc thấp sống tự dưỡng bằng cách quang hợp, hình thái dạng tản.
Quá trình phát triển của rong không qua giai đoạn phôi, có ba hình thức sinh sản: sinh sản
dinh dưỡng, sinh sản vô tính bằng bào tử, sinh sản hữu tính bằng hình thức giao phối giữa
phối tử đực và cái. Rong biển sinh trưởng phát triển nhanh, có vòng đời sinh trưởng không
quá 1 năm, tốc độ tăng trọng nhanh và tạo ra sinh khối lớn. Rong biển chia thành ba ngành
chính: rong lục, rong đỏ và rong nâu [12,17].
Ngành rong lục: Nét đặc trưng nhất của các loài là có màu lục, sản phẩm quang hợp là
tinh bột. Về cấu tạo hình thái có nhiều dạng: dạng phiến, dang sợi, dạng ống. Rong lục có vỏ
bằng chất pectin hoặc xenluloza. Trong chất nguyên sinh còn có những túi nhỏ chứa sản
phấm của quá trình trao đổi chất. Thể sắc tố chủ yếu là chlorophyll và caroten, trong thể sắc
tố còn có các hạt tạo bột hình tròn nhỏ và chứa tinh thể protein ở giữa. Trong dịch bào, sản
phẩm của quá trình trao đổi chất chủ yếu là đường, tanin, sunfat canxi và các chất có màu
antoxyan [12,17].
Ngành rong nâu: Hình thái đơn giản là dạng phiến, dạng sợi và hình thái phức tạp là
dạng cây có "gốc" "rễ" "thân" và "lá". Vỏ tế bào chia thành hai lớp, lớp trong là xelluloza,
lớp ngoài là keo fucoidin hay fucin. Thể sắc tố gồm chlorophyll a, c; xanthophyll, caroten và
fucoxanthyll - loại sắc tố có riêng trong rong nâu, có màu nâu, không tan trong nước. Sản
phẩm đồng hóa là mannitol, laminarin, glucoza..., đặc tính cùa rong nâu là có túi đường
fucoidan chứa đường fucoza [12,17].
Ngành rong đỏ: Rong có dạng trụ tròn, dẹp, phiến, chia nhánh hoặc không. Vỏ tế bào
gồm hai lớp, lớp trong là xenluloza, lớp ngoài là chất keo và pectin. Sắc tố của rong đỏ gồm
có : Sắc tố lục - chlorophyll, sắc tố vàng - xanthophyll, caroten, sắc tố đỏ - phycoerythrin, sắc
tố xanh lam - phycocyanin. Màu sắc của rong đỏ được quyết định bởi sự phối hợp và thành
phần của các sắc tố trên, vì vậy rong đỏ thường có màu đỏ (thẫm đến nhạt), màu hồng, màu
vàng lục nhạt, màu tím hay màu lam lục... Sản phẩm quang hợp của tế bào rong đỏ là một
loại đường đôi [12,17].
3
1.1.2 Thành phần hóa học của các loại rong biển
Rong biển có thành phần hóa học biến đổi theo từng ngành rong và được tác giả Kim
miêu tả tóm lược trong bảng 1.1 [51]
Bảng 1. 1 Thành phần hóa học của rong biển
Thành phần
hóa học (%)
rong biển
rong lục
rong đỏ
rong nâu
Tỷ lệ nước
70-85
70-80
79-90
Chất tro
10-25
25-35
30-50
Carbohydrate
25-50
30-60
30-50
(thành phần)
(Cellulose,
(Agar,
(Alginate,
tinh bột)
Carrageenan)
Fucoidan)
Protein
10-15
7-15
7-15
Lipid
1-2
1-5
2-5
Thành phần hóa học của rong biển có bốn thành phần chính tro, lipid, protein và
carbohydrate. Sản xuất nhiên liệu sinh học chủ yếu sử dụng hai nguồn lipid và carbohyrate.
Trong rong biển carbohydrate chiếm tỷ trọng cao 25-60% w thích hợp cho sản xuất nhiên liệu
hơn so với lipid có hàm lượng 1-5 %w.
Ở bảng 1.1 cũng cho thấy, thành phần polysaccharide khác nhau giữa các ngành rong biển:
rong nâu, lục, đỏ. Rong lục có thành phần polysaccharide như thực vật bậc cao, gồm tinh bột và
cellulose. Rong nâu và rong đỏ có thành phần polysaccharide dưới dạng agar, carrageenan,
alginate. Hàm lượng polysaccharide cao trong rong biển thì thích hợp để sản xuất ethanol sinh
học.
Rong biển có thành phần carbohydrate đa dạng, điều này được ghi nhận trong báo cáo
của Kim [51] và thể hiện trong hình 1.1
4
Hình 1.1 Thành phần carbohydrate của rong đỏ, rong nâu, rong lục
Theo số liệu hình 1.1 cho thấy carbohydrate trong rong đỏ gồm: agar, carrageenan,
xylane, mannan và một ít cellulose. Agar chiếm 50-70% trọng lượng khô là nguồn
carbohydrate chính, agar và carrageenan thủy phân tạo thành galactose, xylane thành xylose,
mannane thành mannose, và rất ít glucose từ cellulose, qua đó cho thấy hàm lượng glucose
được tạo ra từ rong đỏ sau thủy phân là rất thấp, nên rong đỏ không phải là nguyên liệu thích
hợp để sản xuất ethanol.
Trong rong nâu thành phần carbohydrate gồm alginate, fucoidan, laminaran, cellulose,
hàm lượng alginate cao 30-40% trọng lượng khô, là nguồn carbohydrate chính trong rong
nâu, và 5-6% cellulose, 7-10% fucoidan và laminaran. Alginate thủy phân thành Dmannuronic axit và M,D-glucuronic, fucoidan thủy phân thành L-fucose, galactose và ít
mannitol, cellulose thủy phân thành glucose, laminaran thủy phân thành glucose, mannitol.
Sản phẩm thủy phân cuối cùng của rong nâu có chứa nhiều loại đường và hàm lượng đường
glucose thấp, do vậy việc sản xuất ethanol từ rong nâu không hiệu quả.
Carbohydrate trong rong lục gồm cellulose, tinh bột, xylane, ulvan, paramylon, trong
đó cellulose và tinh bột là 2 thành phần chính, cellulose và tinh bột khoảng 40-50%. Do vậy
khi thủy phân rong lục sẽ thu được một lượng lớn glucose, ngoài ra glucose còn được thu
5
nhận từ thủy phân paramylon (β-1,3-glucan), tạo ra nguồn glucose dồi dào. Vì vậy trong rong
biển, rong lục rất thích hợp làm nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol.
1.1.3 Rong lục
Theo các mô tả của hai tác giả Nguyễn Hữu Dinh, Phạm Hoàng Hộ,Tsutsuicho đến nay
các nhà nghiên cứu đã tìm thấy trong ngành rong lục có trên dưới 360 chi và hơn 5700 loài,
phần lớn là sống trong nước ngọt, còn nước mặn chủ yếu là những chi sau đây:Monostroma,
Enteromorpha, Ulva, Ulothrix, Rhizoclonium, Cladophora, Chaetomorpha, Cladophoropsỉs,
Boergesenm, Valonia, Valoniopsis, Struvea, Boodlea, Microdyction, Caulerpa, Bryopsis,
Codium, Acetabularia v.v... [12,17, 92]
Nét đặc trưng nhất của các loài trong ngành là có màu lục, sản phẩm quang hợp là tinh
bột. Hình dạng một tế bào hoặc nhiều tế bào có dạng phiến, dạng sợi, chia nhánh hoặc
không; trừ một vài trường hợp rong chỉ là một tế bào trần không có vỏ, còn đại đa số đều có
vỏ cấu tạo pectin hoặc cellulose.
Nguyên sinh chất có thành mỏng, ngay sát thành là vỏ tế bào; ở giữa là một túi lớn chứa
đầy dịch bào. Trong chất nguyên sinh còn có những túi nhỏ chứa sản phấm của quá trình trao
đổi chất. Thành phần nguyên sinh chất: Thể sắc tố có nhiều dạng khác nhau: phiến, đai vành
móng ngựa, sao nhiều cạnh, xoắn lò xo, mắt lưới, hạt nhỏ v.v...; sắc tố chủ yếu là chlorophyll
và carotenoid, trong thể sắc tố còn có các hạt tạo bột hình tròn nhỏ và chứa tinh thể protit ở
giữa, hạt tạo bột khi gặp dung dịch KI dễ bắt màu, nên trở thành một trong những tiêu chuẩn
phân loại. Nhân thường nằm ở giữa khoang túi dịch bào, hay sát bên thành lớp nguyên sinh,
thể nhiễm sắc hình que ngắn hay hạt nhỏ.Trong dịch bào, sản phẩm của quá trình trao đổi
chất chủ yếu là đường, tanin, sunfat canxi và các chất có màu antoxyan. Ở một vài loài, sản
phẩm quang hợp không phải là tinh bột mà là những giọt giống như chất bơ.
Sinh sản bằng nhiều hình thức khác nhau. Sinh sản dinh dưỡng: một tế bào mẹ cắt thành
hai tế bào mới; loại nhiều tế bào thì có thể một phần cơthề đứt ra rồi phát triển thành cây
riêng khác. Sinh sản vô tính: tế bào dinh dưỡng phân chia thành nhiều bào tử, gặp điều kiện
thuận lợi hình thành vỏ tế bào và phát triển thành cáthể mới. Sinh sản hữu tính bằng sự thụ
tinh giữa phối tử đực với phối tử cái, phức tạp hơn là đã hình thành tinh tử và trứng gọi là
noãn phối. Sự hiểu biết chi tiết về sinh sản sẽ là tiền đề tạo ra sinh khối bền vững cho phát
triển nhiên liệu. [12,17, 92].
Rong Chaetomorpha linum (Ch.linum)
Hình dạng: Rong dạng sợi, hơi cứng, dai, dài 5-10cm hoặc hơn, không chia nhánh, có
màu xanh lục, phần nổi trên mặt nước hơi vàng, sợi rong óng mượt như tơ. Khi về già màu
6
xanh đậm hơn, sợi rong dày hơn, chiều ngang 100-150 µm, chiều dài các đốt không đều
nhau, chiều dài bằng chiều ngang hoặc dài gấp 1,5 lần chiều ngang.
Tế bào dinh dưỡng khi hình thành túi bào tử phình rộng ra 160-170 µm, có thể sắc tố
dạng lưới, nhiều hạt tạo bột.
Rong sống tự do thường đan kết vào nhau thành chùm và trộn lẫn với các loại rong khác
(Enteromopha, Caladophra, Rhizoclonium). Rong sống trong các đầm nước lợ và phát triển
mạnh vào tháng 3-9 hàng năm
Hình thức sinh sản: Sinh sản vô tính bằng bào tử động có bốn tiêm mao. Bào tử được
hình thành ở bất kì tế bào nào của sợi, mỗi tế bào hình thành nhiều bào tử và các bào tử thoát
ra ngoài bằng một lỗ chung. Sinh sản hữu tính bằng phối tử có hai tiên mao, kiểu
heterogamia, được hình thành giống như bào tử động.
1.2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ETHANOL TỪ RONG BIỂN
1.2.1 Tiềm năng rong biển để sản xuất ethanol
Rong biển là nguồn sinh khối bền vững cho công nghiệp nhiên liệu xanh được thể hiện
qua các ưu thế sau: đã tạo ra nguồn sinh khối vô tận cho tự nhiên, tốc độ tăng trọng nhanh,
sinh khối rong biển chiếm ưu thế hơn so với các nguồn sinh khối khác, khả năng chuyển hóa
thành các dạng năng lượng từ rong biển tốt hơn các sinh khối khác [34, 97]. So với các loại
sinh khối trên cạn, sản lượng rong biển thu hoạch hàng năm gấp 3 so với sản lượng cây lương
thực và 60 lần so với cây lấy gỗ. Thời gian thu hoạch liên tục nhiều lần trong năm (4-6 lần
/năm). Rong biển dễ dàng canh tác nuôi trồng, sử dụng vùng biển rộng lớn, không sử dụng
vật liệu khó khăn như: thuỷ lợi, phân bón, đất,….[51,78]
Bảng 1. 2 So sánh năng suất nuôi trồng của các nguồn sinh khối
Thực vật trên cạn
Nguyên liệu thô
Đường-Tinh bột
Gỗ
Mía đường, ngô,
Gỗ mền và gỗ
các loại củ
cứng
Thực vật biển
Rong biển
Các loài rong biển
Thời gian thu hoạch
1-2 lần/ năm
Ít nhất 8 năm
4-6 lần/ năm
Năng suất (tân tươi/ha)
180
9
565
5-10
4,6
36,7
Khả năng hấp thụ CO2
(tấn/ha)
Quá trình sản xuất
Điều kiện nuôi trồng
Phức tạp (do tách Đơn giản ( không chứa
ligin)
ligin)
Ánh sáng, CO2,
Ánh sáng, CO2,
Ánh sáng, CO2, nước
thuỷ lợi, đất, phân thuỷ lợi, đất, phân
biển
bón
bón
Đơn giản
7
Theo đánh giá của tác giả Bruton rong biển không phải là cây lương thực nên không
ảnh hưởng an ninh lương thực, nguồn nguyên liệu không cạnh tranh đất trồng nông nghiệp,
không cần sử dụng phân bón, không gây ô nhiễm môi trường, hấp thụ tốt CO2 và chất dinh
dưỡng cải tạo môi trường, khả năng sinh trưởng phát triển tốt, có sinh khối lớn, chu kỳ nuôi
trồng ngắn, nuôi trồng đạt năng suất cao, mang lại lợi nhuận cao cho người trồng rong, vì vậy
rong là nguồn nguyên liệu lý tưởng để sản xuất bioethanol [33,78].
Theo các tác giả Phạm Văn Ty và cs tế bào thực vật trên cạn có thành phần chính gồm
cellulose, hemicellulose, lignin; ba thành phần này liên kết chặt chẽ với nhau có sức bền cơ
học cao, trong đó lignin là cơ sở tạo ra các mô gỗ của cây, việc phân hủy tế bào hóa gỗ là vô
cùng phức tạp [18]. Do vậy nghiên cứu ứng dụng sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối gỗ
gặp nhiều khó khăn, đòi hỏi công nghệ cao. Trong khi đó theo báo cáo của Kim vi tảo và
rong biển lại dễ bị phân hủy do chỉ chứa cellulose và các polysachrid hòa tan. Dưới tác động
của nhiệt, enzyme, axit các nhóm polysacchrid này bị thủy phân thành các dạng đường đơn.
Đây là nguồn cơ chất quan trọng cho vi sinh vật thực hiện quá trình lên men sản xuất nhiên
liệu sinh học, điều này cho thấy sinh khối rong, tảo từ biển được sử dụng dễ dàng hơn so với
sinh khối thực vật trên cạn [51].
Để sản xuất được nhiên liệu từ nguồn sinh khối thực vật trên cạn với quy mô công
nghiệp thông thường sử dụng phương pháp kỹ thuật phức tạp trải qua nhiều công đoạn xử lý,
những công nghệ này đòi hỏi đầu tư trang thiết bị hiện đại, vì vậy sẽ nâng giá thành sản phẩm
lên cao [18]. Ngược lại công nghệ cho sản xuất nhiên liệu từ nguồn sinh khối biển đơn giản
hơn. Các phương pháp xử lý nguyên liệu không yêu cầu kỹ thuật phức tạp, các công nghệ này
đầu tư trang thiết bị ít tốn kém, hiệu suất ổn định, chất lượng tinh sạch cao.
Theo báo cáo của John Rojan và Nigam nhiên liệu sinh học sản xuất từ rong biển là một
thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Các sản phẩm nhiên liệu từ sinh khối tảo thân thiện với môi
trường và chất lượng ổn định. Vì vậy nhiên liệu sinh học từ rong biển đang được khuyến
khích phát triển tại hầu hết các quốc gia trên thế giới. Các sản phẩm nhiên liệu sản xuất từ tảo:
dầu thực vật, dầu diesel sinh học, ethanol sinh học, biogasoline, biomethanol, butanol sinh
học và nhiên liệu khác [28,46, 68, 88].
Theo các tác giả Goh, Nahak và Jones quá trình nghiên cứu và sản xuất ethanol từ rong
biển được thực hiện theo ba bước chính, bước 1 xử lý rong biển sau thu hoạch, bước 2 thủy
phân rong biển đã được xử lý, bước 3 tiến hành lên men dịch thủy phân rong biển [67; 38;
47].
8
1.2.2 Quá trình xử lý sơ bộ nguyên liệu rong biển
Theo báo cáo của Bruton và Roesijadi hầu hết các dạng rong biển sau thu hoạch phải
được tiền xử lý trước khi ứng dụng sản xuất nhiên liệu sinh học. Bước đầu tiên của tiền xử lý
là rong biển tươi sau thu hoạch được loại tạp, loại muối bằng cách tách mảnh vụn như đá, cát,
ốc hoặc rác rồi rửa với nước, sau đó rong được sấy khô đến độ ẩm 10-15%, lưu giữ, chuẩn bị
cho quá trình thủy phân. Trước khi thủy phân rong được xử lý cơ học, xay nghiền bằng máy
nghiền búa nhằm làm nhỏ kích thước rong (0,5-5mm) giúp cho quá trình thủy phân diễn ra
dễ dàng [33, 79].
1.2.3 Quá trình thủy phân rong biển
Sau khi tiền xử lý, rong biển được thủy phân, quá trình này chuyển hóa các dạng
polysaccharide thành monosaccharid, làm nguyên liệu cho quá trình lên men. Rong biển được
thủy phân bằng hai phương pháp, thủy phân bằng axit và thủy phân bằng enzyme.
Nghiên cứu của Jang cho thấy carbohydrate rong biển của cả ba loại rong (nâu, đỏ, và
lục) được thủy phân một cách hiệu quả để tạo ra monosacarid bởi axit sunfuric loãng ở nhiệt
độ cao [45]. Bốn yếu tố quan trọng tác động đến quá trình trình thủy phân bằng axit sulfuric
được xác định là (i) nhiệt độ phản ứng, (ii) thời gian phản ứng, (iii) nồng độ axit và (iv) khối
lượng rong biển.
Nghiên cứu của Kim chứng minh hiệu quả của việc kết hợp tiền xử lý bằng axit sau đó
thủy phân bằng enzyme trong quá trình đường hóa rong biển, tạo ra hàm lượng đường cao
0,566 g/g rong Gracilaria amansii và 0,376 g/g của rong Laminaria japonica [52]
Theo Wei N. thành phần hóa học của rong biển sau thủy phân được trình bày trong
bảng 1.3 [96].
9
Bảng 1. 3 Thành phần hóa học rong biển và đường tạo thành bởi thủy phân của các loài
rong biển
Thành
phần loài
Ngành
rong
Gelidium
amansii
amansii
Agar,
Rong đỏ
Gelidium
Gelidium
Carrageenan,
Laminaria
Laminaran
japonica
Sargassum
Rong nâu
japonica
Ulva
pertusa
Alginate,
34.6
46.01
77.2
56.6
73.32
83.6
67.5
80.74
51.9
37.6
72.45
59.5
34
57.14
39.6
9.6
24.24
54.3
19.4
35.73
65.2
59.6
91.41
Các loại
đường
dịch thủy
phân
Glucose,
Galactose
Glucose,
Fucoidan,
Tinh bột,
Rong lục
Ulva
75.2
Mannitol,
Cellulose
fulvellum
lactuca
Hiệu suất
thủy phân
(%)
Cellulose
amansii
Laminaria
Đường
dịch thủy
phân (%
w/w)
Thành phần Carbohydra
Poly
te tổng số
-saccharide (% w/w)
cellulose,
Ulvan
Mannitol
Glucose
Bảng 1.3 cho thấy kết quả thủy phân các loại rong biển có nhiều sự khác biệt, có hiệu
suất thủy phân dao động 25-90%, kết quả thủy phân phụ thuộc vào thành phần đường của
từng đối tượng rong biển.
1.2.3.1 Thủy phân bằng axit
Theo tổng quan của Wei N., dưới tác động của axit các polysaccharide của rong biển sẽ
bị cắt nhỏ thành các oligo hoặc monosaccharid. Các ion H+ của axit tác động trực tiếp đến
polysaccharide tại các liên kết mắt xích nối các monosacchadid tạo ra các oligo hoặc
monosaccharid. Quá trình thủy phân rong của axit tạo ra hỗn hợp dung dịch đường cần cho
quá trình lên men ethanol [96].
Theo nghiên cứu của Kalpana rong Kappahycus alvarezii được thủy phân theo tỷ lệ 50
g rong/l với axit sunfuric 0,9N tương đương 5% v/v trong 1 giờ tại 100 oC [49], theo nghiên
cứu của Wang thủy phân rong Gracilaria salicornia trong điều kiện thủy phân bằng axit
10
sunfuric 2%, trong 30 phút ở nhiệt độ 120 oC, hiệu suất của quá trình thủy phân 4,3g
glucose/kg rong tươi [95], theo tác giả Karunakaran rong Eucheuma sp.và Hypnea sp. được
thủy phân bởi axit sunfuric 1% tại nhiệt độ 100 oC trong 3 giờ với nồng độ chất khô 20g/l,
dung dịch đường sau thủy phân thu được dịch đường có nồng độ 11,1 g/l. Theo nghiên cứu
Michul Yoon đã sử dụng kỹ thuật xử lý mẫu bằng phương pháp chiếu xạ tia gamma đã mang
lại hiệu quả tích cực cho công nghệ sản xuất cồn. Thành phần loài được sử dụng trong nghiên
cứu này là Undaria sp., đây là loài có sinh khối vô cùng lớn được nuôi trồng và khai thác tự
nhiên tại Hàn Quốc. Mẫu rong biển sau khi thu hoạch ngoài tự nhiên sẽ được xử lý với tia
Gamma với liều chiếu 0, 10, 50, 100, 200 và 500 kGy, sau đó thủy phân trong axit sunfuric
1% w/v ở nhiệt độ 121 oC trong 3 giờ. Sau quá trình thủy phân hỗn hợp rong sẽ được trung
hòa với CaCO3 rồi lên men với nấm men. Hàm lượng glucose thu được vào khoảng 72-
204g/kg đường tổng số [62].
Theo nghiên cứu của Mohammad loại gỗ mền cây Vân Sam theo tỷ lệ gỗ phối trộn 1/3
rồi thủy phân bằng axit sunfuric có nồng độ 10g/l ở nhiệt độ 228 oC trong 11 phút, sau đó lọc
thu dịch đường. Tuy nhiên hỗn dịch này chứa 5,7g/l furfural và 7,3 g/l HMF (5hydroxylmethyl furfural) làm cho quá trình lên men khó diễn ra [63]. Theo Lynd gỗ được xay
nhỏ về kích thước 10 mm sau đó được thủy phân trong axit 75% v/v tại nhiệt độ 50 oC, rồi
pha loãng nồng độ axit xuống 20-30% v/v và tiếp tục thủy phân trong 1 giờ để tạo ra hỗn hợp
đường glucose và xylose và bã gỗ, sau đó thu hồi đường và tiếp tục thủy phân bã lần hai.
Trong quá trình thủy phân này các loại đường tạo thành là 70% glucose và 30% xylose
[57].Theo nghiên cứu của Pattana Laopaiboon bã mía được thủy phân bằng axit
sunfuric3%v/v trong 2 giờ ở 120 oC để tạo ra dịch đường sử dụng cho lên men axit lactic
[73].
Như vậy từ các nghiên cứu trên cho thấy, các sinh khối khác nhau điều kiện thủy phân
khác nhau, với đối tượng rong biển thường được thủy phân bằng axit sunfuric có nồng độ 15%v/v, nhiệt độ 100 - 120 oC thời gian từ 1-3 giờ. Vì vậy trong nghiên cứu này để thủy phân
được nguyên liệu rong lục chúng tôi khảo sát nồng độ axit sunfuric từ 1-4% v/v, nhiệt độ 90130 oC, thời gian 20-90 phút.
1.2.3.2 Thủy phân bằng enzyme
Hiện nay quá trình thủy phân sinh khối bằng enzyme được nhiều tác giả quan tâm
nghiên cứu, để thực hiện được quá trình này sinh khối cần được tiền xử lý rồi bố sung chế
phẩm enzyme thực hiện đường hóa. Trong đó phương pháp tiền xử lý và đường hóa của mỗi
loại sinh khối là khác nhau.
11
Nhóm nghiên cứu đề tài Biomass do Phan Đình Tuấn trường đại học Bách Khoa
TP.HCM phụ trách đã nghiên cứu công nghệ xử lý các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp
như rơm, rạ, trấu.... nhằm sản xuất ethanol. Kết quả của nghiên cứu này cho thấy, quá trình
thủy phân nguyên liệu theo phương pháp nổ hơi rồi thủy phân với enzyme cellulase ở nhiệt
độ 50 oC, pH 4.8 thu được 200g glucose từ 1 kg rơm rạ [19].
Theo tác giả Nguyễn Thị Minh Phương đã tiến hành nghiên cứu tiền xử lý rơm rạ để
nâng cao hiệu suất thủy phân bằng enzyme cho sản xuất etanol sinh học. Nguyên liệu được
tiền xử lý NaOH 5% w/w rơm khô và gia nhiệt 100 oC trong 2 giờ, sau đó thu được 56% bã
cellulose được thủy phân bằng tổ hợp enzyme (Cellic® CTec2 và Cellic® HTec tỷ lệ 4:1) với
hoạt độ sử dụng 16,25 U/g. Thực hiện quá trình thủy phân trong 94,2 giờ, quá trình này thu
được lượng đường khử (có hàm lượng glucose 33,3%; xylose 13,4%, galactose 4% và
arabinose 1,3%) đạt 49,2% so với rơm rạ[15].
Cùng hướng sản xuất bioethanol từ bã thải nông nghiệp, nhóm nghiên cứu của tác giả
Vũ Nguyên Thành đã tiến hành đề tài: Nghiên cứu công nghệ và hệ thống thiết bị sản xuất
cồn nhiên liệu từ phụ phẩm nông nghiệp (BIOMASS). Kết quả đề tài đã thu được một số kết
quả khả quan về enzyme thủy phân hemicellulose, giống nấm men có khả năng lên men các
loại đường từ quá trình thủy phân. Nguyên liệu mà tác giả nghiên cứu là bã mía đã được xay
nhỏ về kích thước 6 mm, tiền xử lý với sunfuric 0,75%, nhiệt độ 121 oC trong 1 giờ và tiếp
tục xử lý với NaOH 1,5% trong 1 giờ thu được 88,9% cellulose tương đương 55 g
cellulose/100g bã mía. Sau đó cellulose vô định hình được đường hóa và lên men đồng thời ở
nồng độ chất khô 15% [23].
Một nghiên cứu khác của tác giả Tô Kim Anh đã tiến hành đề tài: Nghiên cứu tạo
enzyme tái tổ hợp thủy phânlignocelluloses phục vụ sản xuất cồn nhiên liệu. Nguyên liệu
lignocelluloses sử dụng cho nghiên cứu này được thu nhận từ bã mía. Bã mía có kích thước <
5mm, độ ẩm 5%, cellulose 47%. Nguyên liệu được tiền xử lý NaOH 0,1g/1g bã mía, và gia
nhiệt 121 oC trong 1 giờ, sau đó thu cellulose mang thủy phân bằng tổ hợp enzyme nồng độ
5Uendoglucanase, 10U CMCase exoglucanase, 30Ubetaglucosidasetheo tỷ lệ chất khô 1/15.
Thực hiện quá trình thủy phân tại pH 4,8, nhiệt độ 50 oC trong 48h, khuấy 150v/phút. Kết
thúc thủy phân sử dụng enzyme laccase với tỉ lệ 70 U/g bã mía phá hủy phenol. Kết quả
nghiên cứu này thu được 330g glucose/kg bã mía, rồi lên men thu được 120 g ethanol/kg bã
mía
Theo tác giả Nguyễn Minh Hải đã nghiên cứu tối ưu hóa tiền xử lý bã rong
Chaetomorpha sp. bằng sunfuric để sử dụng trong sản xuấtethanol sinh học. Trong nghiên
cứu này tác giả sử dụng bã thải rong Chaetomorpha sp..Rong Chaetomorpha sp. được chiết
12
trong NaOH 0,75% w/v, tỷ lệ rong 1/20, chiết ở 50 oC trong 1 giờ sau đó ly tâm thu dịch nổi
protein, phần bã được sấy khô sử dụng lên men ethanol. Bã được sấy về độ ẩm 4% sau đó bã
rong được được phối trộn tỷ lệ 1/10 rồi xử lý với axit 1,75% w/v tại nhiệt độ 120 oC trong 34
phút, sau đó trung hòa với Ca(OH)2 lúc này hàm lượng đường thu được là 20,7 g/l rồi bổ
sung enzyme Cellic Ctec2 nồng độ 20 FPU/g và Novozyme 188 nồng độ 4 CBU/g và nấm
men tiến hành đường hóa và lên men đồng thời thu được hàm lượng cồn 1,94 % v/v [13].
Quá trình thủy phân sinh khối rong biển bằng enzyme như sinh khối lignocellulose gồm
hai bước tiền xử lý và đường hóa. Tiền xử lý rong nhằm đảm bảo khả năng tiếp cận của
enzyme đến các liên kết của các polysaccharide. Quá trình tiền xử lý sinh khối rong biển phụ
thuộc vào cấu trúc sinh học của mỗi loại rong. Quá trình tiền xử lý được sử dụng trong nghiên
cứu của tác giả Leilei và cs đã tiền xử lý bã rong nâu Laminaria japonica trong điều kiện axit
sufurid nồng độ 0,1 % w/v, 121 oC, thời gian 1 giờ [37]. Theo nghiên cứu của Isa và cs rong
lục Ulva sp. được tiền xử lý ở nhiệt độ 121 oC trong 20 phút [44], theo tác giả Nadja và cs
rong lục Ch. linum được tiền xử lý theo nhiều phương pháp, như tiền xử lý nhiệt cao 190-200
o
C trong 5 phút, nổ hơi ở áp xuất 1,9 Mpa và chiếu plasma trong 48 giờ.
Sau quá trình tiền xử lý, rong biển được thủy phân bởi nhóm enzyme hydrolase là phức
hệ enzyme cellulase, laminariase, galactase được thu nhận từ vi sinh vật. Trong số những vi
sinh vật có khả năng thủy phân sinh khối rong biển, nấm mốc Trichoderma reesei được quan
tâm nhiều hơn cả. Nấm mốc Trichoderma reesei có khả năng sinh một loạt các enzyme phân
hủy cellulose, laminaran, caragenan, agar thành đường và các cấu thành khác [96]. Theo Kim
và cs nhóm phức hệ enzyme này tác động đặc hiệu đến các polysaccharide rong biển và cắt tại
các vị trí đặc hiệu tạo ra các sản phẩm olygosaccharid và các monosaccharid (glucose,
manose, lanimarin, rhamnose…). Đây là các loại đường đơn cần cho quá trình lên men
ethanol của vi sinh vật [52]. Một số enzyme được sử dụng thủy phân rong biển như nghiên
cứu của Yanagisawa và cs sử dụng enzyme Meicelase do Nhật sản xuất từ Trichoderma
viride, có hoạt tính cellulase là 73,3U/g và cellobiase 227 U/g, enzyme này thủy phân tinh
bột, cellulose, cellobiose, beta glucan trong rong Ulva pertusa. Theo nghiên cứu của Nitin và
cs sử dụng các enzyme Viscozyme L, Cellulase 22086 và 22128 của công ty Novolzyme để
thủy phân các polysacchrid của rong Ulva fasciata, kết quả thủy phân thu được 88,2% đường
[69]. Theo nghiên cứu của Nadja và cs sử dụng enzyme Cellulast 1,5L của công ty
Novozyme, để thủy phân các polysacchrid của rong Ch. linum. Như vậy các nghiên cứu thủy
phân rong lục chủ yếu sử dụng enzyme có hoạt tính cellulase dùng cho thủy phân.
Hiện nay trên thị trường có nhiều loại chế phẩm enzyme sử dụng cho nghiên cứu thủy
phân sinh khối lignocellulose. Theo nghiên cứu Phan Đình Tuấn thủy phân rơm rạ bằng chế
13
phẩm Cellusoft L của hãng Novozyme; theo nghiên cứu của Vũ Nguyên Thành thủy phân
rơm rạ bằng chế phẩm cellulast 1,5 L của hãng Novozyme; theo nghiên cứu của Samsuiri
thủy phân rơm rạ bằng chế phẩm Meicellase của hãng Meijii, Seika; theo nghiên cứu của
Geddes thủy phân rơm rạ bằng chế phẩm Biocellulase W của hãng Novozyme; theo nghiên
cứu của Nguyễn Thị Minh Phương thủy phân rơm rạ bằng chế phẩm Cellic® CTec2 và
Cellic® HTec2 của hãng Novozyme; Nguyễn Minh Hải thủy phân bã rong Chaetomorpha sp.
sử dụng chế phẩm Cellic® CTec2 và Novozyme 188 [13]. Bản chất các chế phẩm này chứa
các loại enzyme endoglucanse, exoglucanase, beta glucosidase, xylanase thủy phân cellulose,
hemicellulose, xylan. Trong nghiên cứu thủy phân rong Ch.linum, chúng tôi chọn chế phẩm
Viscozyme L của công ty Novozyme và Cellulase mã số C2605-50ml của công ty Sigma.
Trong đó chế phẩm Cellulase chứa các loại enzyme tương tự như các chế phẩm nêu trên và
Viscozyme L có chứa hệ enzyme rộng hơn như cellulase, glucanase, xylanase, glucoamylase,
galactosidase.
1.2.3.3 Ảnh hưởng các yếu tố đến quá trình thủy phân
a. Ảnh hưởng của nồng độ axit và nồng độ enzyme
Trong quá trình thủy phân rong biển bằng axit, hàm lượng axit bổ sung có vai trò rất
quan trọng. Hàm lượng axit quá bé quá trình thủy phân cho hiệu suất thấp, thời gian thủy phân
kéo dài, tiêu tốn nhiều nhiên liệu phục vụ cho thủy phân. Ngược hàm lượng axit lớn, thời gian
thủy phân nhanh, hiệu suất thủy phân cao, nhưng mau hỏng thiết bị, tiêu tốn nhiều hóa chất
trung hòa hoặc vận hành và thiết bị tách axit, ngoài ra còn tạo nhiều sản phẩm phụ ức chế quá
trình lên men.
Các dạng axit sử dụng thủy phân sinh khối rong có tính oxi hóa mạnh (HCl, H2SO4,
HCHO….) nhưng đa phần trong các nghiên cứu thủy phân sinh khối rong biển theo tổng quan
của Wei. N thường sử dụng axit sunfuric [96]
Enzyme là sản phẩm sinh học có khả năng thủy phân các loại cơ chất mang tính đặc
hiệu. Trong nghiên cứu này rong biển là nguồn cơ chất cần được thủy phân, các loại
polysaccharide rong biển có tính đa dạng, thành phần polysaccharide gồm có agar, ulvan,
agilnate, fucoidan, cellulose, tinh bột…. mỗi loại polyme chịu tác động trực tiếp của các
enzyme như cellulase, beta-glucanase, glucosidase, alginatase, fucoidanase, ulvanase…trong
đó nồng độ các enzyme sử dụng thủy phân luôn luôn được nghiên cứu chi tiết. Nồng độ
enzyme thủy phân cao quá trình thủy phân diễn ra nhanh và hiệu suất cao và ngược lại, nhưng
để quá trình thủy phân diễn ra hiệu quả cần phải bổ sung enzyme một cách hợp lý để tránh dư
thừa gây lãng phí enyme. Nồng độ enzyme trong các nghiên cứu thủy phân rong biển thường
sử dụng nồng độ từ 15-50 U/g cơ chất [96,98]. Trong đó nồng độ enzyme thủy phân rong lục
14
