KHẢ NĂNG SỬ DỤNG VI SINH VẬT LÀM TÁC NHÂN SINH HỌC SẢN XUẤT ETHANOL TỪ THÂN CÂY NGÔ guyễn Thị Hằng ga 1 Summary Ability to use microorganisms as biological factor produced ethanol from
Trang 1KHẢ NĂNG SỬ DỤNG VI SINH VẬT LÀM TÁC NHÂN SINH HỌC
SẢN XUẤT ETHANOL TỪ THÂN CÂY NGÔ
guyễn Thị Hằng ga 1
Summary
Ability to use microorganisms as biological factor produced ethanol from corn trunk
The project “Ability to use microorganisms as biological factor produced ethanol from corn trunk” have conducted at Institute for Agricultural Environment, Vietnam Academy of Agricultural Sciences The result of study showed that the maize trunk after harvesting have high hydratcacbon compounds and other mineral elements, this material can produce bio-ethanol production To research using maize trunk after harvesting as raw materials for production of bio-ethanol using the help of microorganisms is not only promising solution for creating biomass for alternative sources, but also reducing the adverse impact on the environment
Keywords: Microorganisms, ethanol, corn trunk
I ĐẶT VẤN ĐỀ1
Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh
khối động, thực vật đang là một hướng đi
có thể tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế phần
nào nguồn nhiên liệu hoá thạch đang ngày
càng cạn kiệt, đảm bảo an ninh năng lượng
cho từng quốc gia
Ethanol sinh học (bio-ethanol) là một
loại nhiên liệu sinh học dạng cồn, được sản
xuất chủ yếu bằng phương pháp lên men và
chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có
thể chuyển hóa thành đường đơn, thường
được sản xuất từ các loại cây nông nghiệp
hàm lượng đường cao Hiện nay, việc sản
xuất ethanol từ các loại cây nông nghiệp
đang gây ra sự lo lắng về vấn đề an ninh
lương thực - sự cạnh tranh giữa cây trồng
1 Viện Môi trường Nông nghiệp
làm nhiên liệu và cây lương thực Chính vì vậy, thế giới đang đi theo hướng sản xuất ethanol từ các nguyên liệu chứa hợp chất cellulose
Thành phần thân cây ngô sau thu hoạch giàu hợp chất hydratcacbon và các nguyên
tố khoáng khác, là nguyên liệu tiềm năng để sản xuất ethanol nhiên liệu Việc nghiên cứu sử dụng thân cây ngô sau thu hoạch làm nguyên liệu sản xuất ethanol nhiên liệu
có sử dụng sự trợ giúp của vi sinh vật đang
là một trong những giải pháp đầy hứa hẹn thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước
II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1 Vật liệu nghiên cứu
Trang 2- Thân cây ngô sau khi đã thu hoạch 2
ngày
- Các chủng vi sinh vật lên men ACT
01, 06, 17, 18
Trong nghiên cứu có sử dụng các
phương pháp thường quy được chuNn hóa
trong phòng thí nghiệm:
2 Phương pháp nghiên cứu
2.1 Phương pháp xác định hoạt tính phân
giải cellulose
Xác định hoạt tính phân giải cellulose
bằng phương pháp khuếch tán trên thạch đĩa
Nguyên tắc của phương pháp: Enzym
celluloseza thuỷ phân CMC trong môi
trường sẽ tạo vòng thuỷ phân có màu vàng
xung quanh lỗ đục đã được nhỏ dịch vi
sinh vật và hiện màu bằng dung dịch lugol
Dựa vào hệ số giữa đường kính vòng thuỷ
phân (D) và đường kính đục lỗ (d) người ta
xác định được hoạt tính CMC- aza của vi
sinh vật
2.2 Phương pháp thuỷ phân bằng vi
sinh vật
Sau quá trình xử lý sơ bộ và trung hòa,
bố trí các công thức như sau: Cân 50g CR1
cho vào bình tam giác 1000ml thêm 500ml
nước cất, sau đó bổ sung dịch lắc vi sinh vật
theo các tỷ lệ 1%, 3% và 5% về thể tích
Trong quá trình thủy phân, theo dõi
các chỉ tiêu: Mật độ vi sinh vật, hàm lượng
đường khử sau 1, 2, 3, 5, 7 ngày; thành
phần của chất rắn thu được sau khi lọc
CR3 (sấy khô)
2.3 Phương pháp lên men
cerevisiae đã lựa chọn lắc trong 2 ngày
được sử dụng để làm tác nhân cho quá trình lên men Thể tích dịch lên men dùng cho mỗi công thức 1000ml Lượng dịch nấm men bổ sung là 10% (v/v) Mỗi công thức nhắc lại 3 lần
Điều kiện lên men: Nhiệt độ = 30oC;
pH = 5,5; thời gian: 5 ngày
Chỉ tiêu theo dõi: pH, hàm lượng đường khử, hàm lượng ethanol
2.4 Phương pháp đo hàm lượng ethanol
Mẫu được đo tại Viện Công nghệ sinh học và Thực phNm - Đại học Bách khoa Hà
N ội
III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
1 Thành phần lý, hóa học của thân cây ngô sau thu hoạch
Thân cây ngô được lấy từ Trung tâm Giống, Phân bón và Cây trồng Sau khi thu bắp được 2 ngày, thân cây ngô được thu gom phơi khô tự nhiên Thân cây ngô sau khi phơi khô tự nhiện có màu nâu nhạt, mùi hơi hôi Kết quả phân tích thành phần lý, hóa học của thân cây ngô được trình bày ở bảng 1
Bảng 1 Thành phần lý hóa học của thân cây ngô sấy khô
khối lượng khô (%)
Trang 3Khác 30,92
Số liệu bảng 1 cho thấy, thân cây ngô
chứa chủ yếu là hemicellulose (37,19%) và
cellulose 24,07% Đây là một nguyên liệu
sinh khối tiềm năng cho việc sản xuất
ethanol nếu các điều kiện thủy phân và lên
men được nghiên cứu một cách hiệu quả
2 Lựa chọn chủng VSV phân giải hợp
chất hydratcacbon
Để phục vụ cho mục đích nghiên cứu,
đề tài đã sử dụng vật liệu là các chủng xạ
khuNn có khả năng chuyển hóa hợp chất
hydratcacbon do Bộ môn Vi sinh vật - Viện Thổ nhưỡng Nông hóa và Bộ môn Sinh học Môi trường - Viện Môi trường Nông nghiệp cung cấp, các chủng VSV sử dụng trong nghiên cứu đều có lý lịch rõ ràng và được định tên đến loài, đảm bảo an toàn sinh học khi ứng dụng trong thực tế sản xuất Kết quả đánh giá hoạt tính sinh học CMC và khả năng sinh trưởng và phát triển các chủng VSV trong môi trường dịch thể từ 0 giờ đến 72 giờ nuôi cấy được trình bày trong bảng 2
Bảng 2 Mật độ tế bào và hoạt tính sinh học CMC 4 chủng VSV nghiên cứu
Số liệu bảng 2 cho thấy, cả 4 chủng
VSV sử dụng trong nghiên cứu đều đạt mật
độ cao tại thời điểm 48 giờ, tuy nhiên
chủng ACT 06 có hoạt tính sinh học cao so
với 3 chủng còn lại ACT 01, ACT 17 và
ACT 18 Dựa vào kết quả này, đề tài đã lựa
chọn chủng ACT 06 đề tiếp tục sử dụng với
mục đích làm tác nhân sinh học chuyển hóa
hợp chất hydratcacbon
thermocoprophilus) khi được nuôi cấy trên
môi trường thạch đĩa (A1) cho khuNn lạc có
màu trắng đục, bề mặt nhăn, mùi ngái,
khuNn lạc ăn sâu vào bề mặt thạch, sau 3
ngày nuôi cấy khuNn lạc có đường kính từ
1,5 - 2,3mm Khi nuôi cấy trên máy lắc ở
nhiệt độ 370C, tốc độ 150 vòng/phút trong
môi trường dịch thể tạo thành các hạt nhỏ Khi nuôi cấy tĩnh thì tạo váng trên môi trường dịch thể
3 Lựa chọn chủng vi sinh vật cho quá trình lên men
Chủng vi sinh vật sử dụng trong lên men ethanol sử dụng trong nghiên cứu được lựa chọn từ bộ chủng vi sinh vật được lưu giữ tại Bộ môn Sinh học Môi trường - Viện Môi trường Nông nghiệp và chủng nấm men do Bộ môn Vi sinh vật - Viện Thổ nhưỡng Nông hóa Đề tài đã tiến hành đánh giá khả năng lên men rượu bằng cách đánh giá định tính thông qua việc hình thành
CO2: Ống Durham được cho ngược chiều
Trang 4vào ống môi trường lên men dịch thể Sau
khi khử trùng khí trong ống bị loại hết, môi
trường ngập kín ống Sau khi cấy nấm men,
khí CO2 sinh ra đNy môi trường ra khỏi ống
Ống chứa khí CO2 sẽ nổi lên Ống nổi lên
càng nhiều thì lượng CO2 sinh ra càng
nhiều Kết quả nghiên cứu cho thấy, ống
Durham trong môi trường lên men sử dụng
SA.03 bị đNy lên nhiều nhất chứng tỏ trong
ống sử dụng SA.03 khí CO2 sinh ra nhiều
nhất so với 2 chủng SA.01 và SA.02 Như
vậy, SA.03 là chủng nấm men có khả năng
lên men cao và được đề tài lựa chọn sử dụng trong quá trình lên men
4 Khả năng chuyển hóa hợp chất cacbonhydrat trong thân cây ngô thành đường đơn
Để đánh giá khả năng chuyển hóa hợp chất cacbonhydrat trong thân cây ngô, đề tài tiến hành phân tích thành phần các chất trong mẫu chất rắn thu đã được xử lý sơ bộ, thủy phân bằng axit và thủy phân bằng vi sinh vật Kết quả phân tích hàm lượng cellulose, hemicellulose và lignin được trình bày trong bảng 3
Bảng 3 Phần trăm theo khối lượng các thành phần chính trong nguyên liệu
sau các quá trình xử lý sơ bộ và thủy phân
Phần trăm theo khối lượng (%) Nguyên
liệu ban đầu
Xử lý sơ bộ (H 2 SO 4 0,5%,
121 0 C, 1giờ)
Thủy phân bằng axit (H 2 SO 4 2%, 121 0 C, 1giờ)
Thủy phân vi sinh vật, 3% dịch lắc ACT06, sau 3 ngày
Số liệu bảng 3 cho thấy tỷ lệ % của
cellulose, hemicellulose, lignin và các hợp
chất khác trong nguyên liệu đã thay đổi so
với ban đầu sau khi được xử lý sơ bộ Kết quả
phân tích cũng cho thấy sau quá trình thủy
phân bằng axit H2SO4 2% và dịch SK chủng
ACT 06, thành phần của nguyên liệu tiếp tục thay đổi Tuy nhiên có sự khác biệt: Ở công thức thủy phân bằng axit H2SO4 2% tỷ lệ % hemicellulose giảm đi rõ rệt trong khi đó công thức thủy phân bằng vi sinh vật tỷ lệ % cellulose giảm mạnh hơn với hemicellulose
Bảng 4 Khả năng chuyển hydratcacbon trong quá trình thủy phân bằng axit
Hợp chất
Thủy phân bằng vi sinh vật
Thủy phân bằng axit vô cơ
Bằng
vi sinh vật
Bằng axit
Axit vô
cơ
Trang 5Khác 16,32 16,32 14,60 15,06 10,5 7,7
Số liệu trên cho thấy, ở điều kiện 1210C
trong vòng 1 giờ, axit sunfuric 2% có khả
năng chuyển hóa tới 70,2% hàm lượng
hemicellulose, 24,3% cellulose và 9,45
lignin trong nguyên liệu đầu vào Như vậy
sự chuyển hóa cho phép dự đoán rằng
đường khử tạo thành trong dịch thủy phân
bằng axit chủ yếu là đường 5- cacbon Số
liệu bảng 4 cho thấy, cellulose chuyển hóa
khá lớn nhờ tác nhân vi sinh vật là chủng
ACT 06, số liệu phân tích cũng cho thấy vi
sinh vật đã sử dụng hợp chất cellulose trong
nguyên liệu làm thức ăn đồng thời chuyển
hóa thành đường
Từ các kết quả nghiên cứu trình bày ở
trên cho thấy, hiệu suất chuyển hóa của
cellulose và hemicellulose thành đường và
các hợp chất khác như sau:
- Quá trình xử lý chỉ dùng axit:
+ Đối với cellulose: 4,5+ (100- 4,5)/100
x 24,3 = 27,7%
+ Đối với hemicellulose: 62,4 +
(100-62,4)/100 x 70,2 = 88,8%
- Quá trình xử lý có sử dụng chủng vi
sinh vật ACT 06:
+ Đối với cellulose: 4,5 + (100-
4,5)/100 x 63,0 = 64,7%
+ Đối với hemicellulose: 62,4 +
(100-62,4)/100 x 22,2 = 70,7%
Kết quả này cho thấy, quá trình xử lý
chỉ sử dụng axit vô cơ loãng có khả năng
thủy phân đến 88,8% hợp chất
hemicellulose, trong khi đó chỉ thủy phân
được 27,7% hàm lượng cellulose trong thân
cây ngô Còn quá trình xử lý kết hợp axit vô
cơ loãng và chủng vi sinh vật ACT 06 có khả năng chuyển hóa 70,7% lượng celluose
và 64,7% lượng hemicellulose trong thân cây ngô khô Như vậy phương pháp xử lý kép bao gồm quá trình xử lý sơ bộ bằng axit loãng và quá trình thủy phân bằng vi sinh vật cho hiệu quả chuyển hóa hợp chất hydratcacbon cao hơn
5 Hiệu suất của quá trình lên men
Để nghiên cứu đánh giá khả năng lên men của chủng SA.03 đối với các dịch lên men, đề tài đã bố trí thí nghiệm với 5 công thức lên men trong thời gian 5 ngày, ở nhiệt
độ 300C, pH = 5,5 thể tích dịch lên men là 1 lít có bổ sung 10% dịch sinh khối SA.03: LM1: Dịch lên men là dịch lọc thu được của quá trình xử lý sơ bộ bằng H2SO4
0,5% ở 1210C trong 1 giờ
LM2: Dịch lên men là dịch thủy phân bằng axit với axit H2SO4 2%, ở 1210C trong
1 giờ;
LM3: Dịch lên men là hỗn hợp gồm dịch lọc thu được của quá trình Xử lý sơ bộ bằng H2SO4 0,5% ở 1210C trong 1 giờ và dịch thủy phân bằng axit với axit H2SO4
2%, ở 1210C trong 1 giờ;
LM4: Dịch lên men là hỗn hợp gồm dịch lọc thu được của quá trình xử lý sơ bộ bằng H2SO4 0,5% ở 1210C trong 1 giờ và dịch thủy phân bằng vi sinh vật thu được sau quá trình thủy phân bằng cách bổ sung 3% dịch lắc ACT 06 trong 3 ngày
Trang 6LM5: Dịch lên men là dịch thủy phân
bằng vi sinh vật thu được sau quá trình thủy
phân bằng cách bổ sung 3% dịch lắc ACT 06, trong 3 ngày
Bảng 5 Hiệu suất chuyển hóa đường khử trong quá trình lên men (4 ngày)
Công thức
đường khử (%) (b/a)*100
Trong dịch trước khi
lên men (a)
Trong dịch sau khi lên men
Chuyển hóa (b)
Dịch lên men LM5 chuyển hóa cao
nhất đạt 75,9%, tiếp đến là dịch lên men
LM4, LM2, LM3 có hiệu suất chuyển hóa
tương tự nhau và cuối cùng là LM1 có
hiệu suất chuyển hóa thấp nhất Dịch
LM5, LM4 có hiệu suất chuyển hóa cao
có thể lý giải là do: Chủng vi sinh vật
ACT 06 đã chuyển hóa một lượng khá lớn
cellulose trong nguyên liệu thành đường
đơn, chủ yếu là đường glucose là đường chuyển hóa thành rượu
6 Hàm lượng ethanol trong dịch sau lên men
Hàm lượng ethanol trong dịch sau lên men được xác định bằng phương pháp điểm sôi và phương pháp tỷ trọng kế, kết quả phân tích được trình bày ở bảng 6:
Bảng 6 Hàm lượng ethanol trong dịch sau lên men
Tên công thức
Hàm lượng ethanol (%V)
Số liệu bảng 6 cho thấy, ethanol trong
dịch sau lên men trong đạt 1,9 - 4,2% về thể
tích Trên thực tế sản xuất từ nguyên liệu
tinh bột thì hàm lượng cồn trong dịch giấm
chín đạt từ 6% đến 9,5% về thể tích Kết quả hàm lượng ethanol trong nghiên cứu này tuy không cao nhưng cũng cho thấy
Trang 7tiềm năng sản xuất ethanol từ nguyên liệu
thân cây ngô là rất cao
IV KẾT LUẬN
1 Thân cây ngô sau thu hoạch có độ
Nm 73% được phơi khô tự nhiên có mầu
nâu nhạt, mùi hơi hôi, độ Nm 10%, có thành
phần chính gồm cellulose 24,07%
2 Đã lựa chọn được chủng ACT 06
làm tác nhân cho quá trình thủy phân bằng
vi sinh vật và chủng SA.03 là chủng nấm
men có khả năng lên men cao làm tác nhân
cho quá trình lên men
3 Chủng xạ khuNn ACT 06 thuộc
nhóm vi sinh vật ưa nhiệt, phát triển tốt ở
nhiệt độ 35- 500C và pH trung tính Chủng
ATC 06 có khả năng phân giải CMC,
đường kính vòng phân giải đạt 40 mm sau
3 ngày nuôi cấy
4 Đã xác định được điều kiện cho quá
trình thủy phân bằng vi sinh vật: Bổ sung
3% dịch ACT 06 cấy lắc trong 3 ngày vào
dịch sau quá trình xử lý sơ bộ, mật độ tế
bào và hàm lượng đường cao tương ứng là
8,53.108 CFU/ml và 5,10 g/l
5 Hiệu suất của quá trình chuyển hóa
đường khử từ 70-75% đối với dịch lên men
có hàm lượng đường khử từ 3,0- 5,0 g/l
Hàm lượng ethanol không cao từ 1,9-4,2%V
nhưng cũng chứng tỏ thân cây ngô là
nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất ethanol
sinh học
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 guyễn Đức Lượng (1996), Nghiên cứu
tính chất một số vi sinh vật có khả năng
tổng hợp cenlulose cao, Luận án PTSKHKT, Hà Nội
2 Lê Thanh (2004) Các phương pháp
phân tích ngành công nghệ lên men, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội
3 guyễn Đình Thưởng (2000) Công nghệ
sản xuất & kiểm tra cồn etylic, NXB Khoa học và Kỹ thuật, tr.107-173
4 Cheng- shung gong, li-fu chen, Michael
C Flickinger, Ling- Chang Chiang, and George T Tsao (1981), Applied and
environmental microbiology: Production
of Etanol from D-Xylose by Using D-Xylose Isomerase and Yeasts, p 430-436
5 James D Kerstetter, Ph.D.John Kim
Lyons (2001), Wheat straw for ethanol,
Production in Washington: A Resource, Technical, and Economic Assessment, p.18
Dgười phản biện: GS.TSKH Trần Duy Quý
Trang 8T¹p chÝ khoa häc vµ c«ng nghÖ n«ng nghiÖp ViÖt Nam
8
