Tài liệu KHẢ NĂNG SỬ DỤNG VI SINH VẬT LÀM TÁC NHÂN SINH HỌC SẢN XUẤT ETHANOL TỪ THÂN CÂY NGÔ pptx

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 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. T VN  1 Sn xut nhiên liu sinh hc t sinh khi ng, thc vt ang là mt hưng i có th to ra ngun nhiên liu thay th phn nào ngun nhiên liu hoá thch ang ngày càng cn kit, m bo an ninh năng lưng cho tng quc gia. Ethanol sinh hc (bio-ethanol) là mt loi nhiên liu sinh hc dng cn, ưc sn xut ch yu bng phương pháp lên men và chưng ct các loi ngũ cc cha tinh bt có th chuyn hóa thành ưng ơn, thưng ưc sn xut t các loi cây nông nghip hàm lưng ưng cao. Hin nay, vic sn xut ethanol t các loi cây nông nghip ang gây ra s lo lng v vn  an ninh lương thc - s cnh tranh gia cây trng 1 Vin Môi trưng Nông nghip. làm nhiên liu và cây lương thc. Chính vì vy, th gii ang i theo hưng sn xut ethanol t các nguyên liu cha hp cht cellulose. Thành phn thân cây ngô sau thu hoch giàu hp cht hydratcacbon và các nguyên t khoáng khác, là nguyên liu tim năng  sn xut ethanol nhiên liu. Vic nghiên cu s dng thân cây ngô sau thu hoch làm nguyên liu sn xut ethanol nhiên liu có s dng s tr giúp ca vi sinh vt ang là mt trong nhng gii pháp y ha hn thu hút ưc s quan tâm ca các nhà khoa hc trong và ngoài nưc. II. VT LIU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CU 1. Vật liệu nghiên cứu - Thân cây ngô sau khi ã thu hoch 2 ngày. - Các chng vi sinh vt lên men ACT 01, 06, 17, 18. Trong nghiên cu có s dng các phương pháp thưng quy ưc chuNn hóa trong phòng thí nghim: 2. Phương pháp nghiên cứu 2.1. Phương pháp xác định hoạt tính phân giải cellulose Xác nh hot tính phân gii cellulose bng phương pháp khuch tán trên thch ĩa. Nguyên tc ca phương pháp: Enzym celluloseza thu phân CMC trong môi trưng s to vòng thu phân có màu vàng xung quanh l c ã ưc nh dch vi sinh vt và hin màu bng dung dch lugol. Da vào h s gia ưng kính vòng thu phân (D) và ưng kính c l (d) ngưi ta xác nh ưc hot tính CMC- aza ca vi sinh vt. 2.2. Phương pháp thuỷ phân bằng vi sinh vật Sau quá trình x lý sơ b và trung hòa, b trí các công thc như sau: Cân 50g CR1 cho vào bình tam giác 1000ml thêm 500ml nưc ct, sau ó b sung dch lc vi sinh vt theo các t l 1%, 3% và 5% v th tích. Trong quá trình thy phân, theo dõi các ch tiêu: Mt  vi sinh vt, hàm lưng ưng kh sau 1, 2, 3, 5, 7 ngày; thành phn ca cht rn thu ưc sau khi lc CR3 (sy khô). 2.3. Phương pháp lên men Dch nm men Saccharomyces cerevisiae ã la chn lc trong 2 ngày ưc s dng  làm tác nhân cho quá trình lên men. Th tích dch lên men dùng cho mi công thc 1000ml. Lưng dch nm men b sung là 10% (v/v). Mi công thc nhc li 3 ln. iu kin lên men: Nhit  = 30 o C; pH = 5,5; thi gian: 5 ngày. Ch tiêu theo dõi: pH, hàm lưng ưng kh, hàm lưng ethanol 2.4. Phương pháp đo hàm lượng ethanol Mu ưc o ti Vin Công ngh sinh hc và Thc phNm - i hc Bách khoa Hà N i. III. KT QU VÀ THO LUN 1. Thành phần lý, hóa học của thân cây ngô sau thu hoạch Thân cây ngô ưc ly t Trung tâm Ging, Phân bón và Cây trng. Sau khi thu bp ưc 2 ngày, thân cây ngô ưc thu gom phơi khô t nhiên. Thân cây ngô sau khi phơi khô t nhin có màu nâu nht, mùi hơi hôi. Kt qu phân tích thành phn lý, hóa hc ca thân cây ngô ưc trình bày  bng 1. Bảng 1. Thành phần lý hóa học của thân cây ngô sấy khô Hợp chất Phần trăm theo khối lượng khô (%) Độ ẩm 73 Cellulose 24, 07 Hemicellulose 37,19 Lignin 7,82 Khác 30,92 Tổng 100,00 S liu bng 1 cho thy, thân cây ngô cha ch yu là hemicellulose (37,19%) và cellulose 24,07%. ây là mt nguyên liu sinh khi tim năng cho vic sn xut ethanol nu các iu kin thy phân và lên men ưc nghiên cu mt cách hiu qu. 2. Lựa chọn chủng VSV phân giải hợp chất hydratcacbon  phc v cho mc ích nghiên cu,  tài ã s dng vt liu là các chng x khuNn có kh năng chuyn hóa hp cht hydratcacbon do B môn Vi sinh vt - Vin Th nhưng Nông hóa và B môn Sinh hc Môi trưng - Vin Môi trưng Nông nghip cung cp, các chng VSV s dng trong nghiên cu u có lý lch rõ ràng và ưc nh tên n loài, m bo an toàn sinh hc khi ng dng trong thc t sn xut. Kt qu ánh giá hot tính sinh hc CMC và kh năng sinh trưng và phát trin các chng VSV trong môi trưng dch th t 0 gi n 72 gi nuôi cy ưc trình bày trong bng 2. Bảng 2. Mật độ tế bào và hoạt tính sinh học CMC 4 chủng VSV nghiên cứu Ký hiệu Mật độ tế bào (CFU/ml) Đường kính vòng phân giải CMC (D-d) 24 giờ 48 giờ 72 giờ 24 giờ 48 giờ 72 giờ ACT 01 5,77. 10 7 6,20.10 8 4,14.10 8 25 31 33 ACT 06 2,47.10 6 7,31. 10 8 6,12. 10 8 28 33 40 ACT 17 2,18. 10 8 8,34.10 8 5,22.10 8 26 30 35 ACT 18 1,87. 10 6 3,56.10 8 2,34.10 8 26 32 37 S liu bng 2 cho thy, c 4 chng VSV s dng trong nghiên cu u t mt  cao ti thi im 48 gi, tuy nhiên chng ACT 06 có hot tính sinh hc cao so vi 3 chng còn li ACT 01, ACT 17 và ACT 18. Da vào kt qu này,  tài ã la chn chng ACT 06  tip tc s dng vi mc ích làm tác nhân sinh hc chuyn hóa hp cht hydratcacbon. Chng ACT 06 (Streptomyces thermocoprophilus) khi ưc nuôi cy trên môi trưng thch ĩa (A1) cho khuNn lc có màu trng c, b mt nhăn, mùi ngái, khuNn lc ăn sâu vào b mt thch, sau 3 ngày nuôi cy khuNn lc có ưng kính t 1,5 - 2,3mm. Khi nuôi cy trên máy lc  nhit  37 0 C, tc  150 vòng/phút trong môi trưng dch th to thành các ht nh. Khi nuôi cy tĩnh thì to váng trên môi trưng dch th. 3. Lựa chọn chủng vi sinh vật cho quá trình lên men Chng vi sinh vt s dng trong lên men ethanol s dng trong nghiên cu ưc la chn t b chng vi sinh vt ưc lưu gi ti B môn Sinh hc Môi trưng - Vin Môi trưng Nông nghip và chng nm men do B môn Vi sinh vt - Vin Th nhưng Nông hóa.  tài ã tin hành ánh giá kh năng lên men rưu bng cách ánh giá nh tính thông qua vic hình thành CO 2 : ng Durham ưc cho ngưc chiu vào ng môi trưng lên men dch th. Sau khi kh trùng khí trong ng b loi ht, môi trưng ngp kín ng. Sau khi cy nm men, khí CO 2 sinh ra Ny môi trưng ra khi ng. ng cha khí CO 2 s ni lên. ng ni lên càng nhiu thì lưng CO 2 sinh ra càng nhiu. Kt qu nghiên cu cho thy, ng Durham trong môi trưng lên men s dng SA.03 b Ny lên nhiu nht chng t trong ng s dng SA.03 khí CO 2 sinh ra nhiu nht so vi 2 chng SA.01 và SA.02. Như vy, SA.03 là chng nm men có kh năng lên men cao và ưc  tài la chn s dng trong quá trình lên men. 4. Khả năng chuyển hóa hợp chất cacbonhydrat trong thân cây ngô thành đường đơn  ánh giá kh năng chuyn hóa hp cht cacbonhydrat trong thân cây ngô,  tài tin hành phân tích thành phn các cht trong mu cht rn thu ã ưc x lý sơ b, thy phân bng axit và thy phân bng vi sinh vt. Kt qu phân tích hàm lưng cellulose, hemicellulose và lignin ưc trình bày trong bng 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 TT Thành phần 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 1 Cellulose 24, 07 37,67 39,83 18,80 2 Hemicellulose 37,19 22,90 9,52 24,01 3 Lignin 7,82 6,77 8,58 8,22 4 Khác 30,92 32,66 42,07 49,33 Tổng cộng 100,00 100,00 100,00 100,00 S liu bng 3 cho thy t l % ca cellulose, hemicellulose, lignin và các hp cht khác trong nguyên liu ã thay i so vi ban u sau khi ưc x lý sơ b. Kt qu phân tích cũng cho thy sau quá trình thy phân bng axit H 2 SO 4 2% và dch SK chng ACT 06, thành phn ca nguyên liu tip tc thay i. Tuy nhiên có s khác bit:  công thc thy phân bng axit H 2 SO 4 2% t l % hemicellulose gim i rõ rt trong khi ó công thc thy phân bng vi sinh vt t l % cellulose gim mnh hơn vi hemicellulose. Bảng 4. Khả năng chuyển hydratcacbon trong quá trình thủy phân bằng axit Hợp chất Nguyên liệu đầu vào (gr) Sau quá thủy phân (gr) % chuyển hóa của Thủy phân bằng vi sinh vật Thủy phân bằng axit vô cơ Bằng vi sinh vật Bằng axit vô cơ Vi sinh vật Axit vô cơ Cellulose 18,84 18,84 6,98 14,26 63,0 24,3 Hemicellulose 11,45 11,45 8,91 3,41 22,2 70,2 Lignin 3,39 3,39 3,05 3,07 10,0 9,4 Khác 16,32 16,32 14,60 15,06 10,5 7,7 Tổng 50,00 50,00 37,12 35,80 25,76 28,4 S liu trên cho thy,  iu kin 121 0 C trong vòng 1 gi, axit sunfuric 2% có kh năng chuyn hóa ti 70,2% hàm lưng hemicellulose, 24,3% cellulose và 9,45 lignin trong nguyên liu u vào. Như vy s chuyn hóa cho phép d oán rng ưng kh to thành trong dch thy phân bng axit ch yu là ưng 5- cacbon. S liu bng 4 cho thy, cellulose chuyn hóa khá ln nh tác nhân vi sinh vt là chng ACT 06, s liu phân tích cũng cho thy vi sinh vt ã s dng hp cht cellulose trong nguyên liu làm thc ăn ng thi chuyn hóa thành ưng. T các kt qu nghiên cu trình bày  trên cho thy, hiu sut chuyn hóa ca cellulose và hemicellulose thành ưng và các hp cht khác như sau: - Quá trình x lý ch dùng axit: + i vi cellulose: 4,5+ (100- 4,5)/100 x 24,3 = 27,7%. + i vi hemicellulose: 62,4 + (100- 62,4)/100 x 70,2 = 88,8%. - Quá trình x lý có s dng chng vi sinh vt ACT 06: + i vi cellulose: 4,5 + (100- 4,5)/100 x 63,0 = 64,7%. + i vi hemicellulose: 62,4 + (100- 62,4)/100 x 22,2 = 70,7%. Kt qu này cho thy, quá trình x lý ch s dng axit vô cơ loãng có kh năng thy phân n 88,8% hp cht hemicellulose, trong khi ó ch thy phân ưc 27,7% hàm lưng cellulose trong thân cây ngô. Còn quá trình x lý kt hp axit vô cơ loãng và chng vi sinh vt ACT 06 có kh năng chuyn hóa 70,7% lưng celluose và 64,7% lưng hemicellulose trong thân cây ngô khô. Như vy phương pháp x lý kép bao gm quá trình x lý sơ b bng axit loãng và quá trình thy phân bng vi sinh vt cho hiu qu chuyn hóa hp cht hydratcacbon cao hơn. 5. Hiệu suất của quá trình lên men  nghiên cu ánh giá kh năng lên men ca chng SA.03 i vi các dch lên men,  tài ã b trí thí nghim vi 5 công thc lên men trong thi gian 5 ngày,  nhit  30 0 C, pH = 5,5 th tích dch lên men là 1 lít có b sung 10% dch sinh khi SA.03: LM1: Dch lên men là dch lc thu ưc ca quá trình x lý sơ b bng H 2 SO 4 0,5%  121 0 C trong 1 gi. LM2: Dch lên men là dch thy phân bng axit vi axit H 2 SO 4 2%,  121 0 C trong 1 gi; LM3: Dch lên men là hn hp gm dch lc thu ưc ca quá trình X lý sơ b bng H 2 SO 4 0,5%  121 0 C trong 1 gi và dch thy phân bng axit vi axit H 2 SO 4 2%,  121 0 C trong 1 gi; LM4: Dch lên men là hn hp gm dch lc thu ưc ca quá trình x lý sơ b bng H 2 SO 4 0,5%  121 0 C trong 1 gi và dch thy phân bng vi sinh vt thu ưc sau quá trình thy phân bng cách b sung 3% dch lc ACT 06 trong 3 ngày. LM5: Dch lên men là dch thy phân bng vi sinh vt thu ưc sau quá trình thy phân bng cách b sung 3% dch lc ACT 06, trong 3 ngày. Bảng 5. Hiệu suất chuyển hóa đường khử trong quá trình lên men (4 ngày) Công thức Hàm lượng đường khử (g/l) Hiệu suất chuyển hóa đường khử (%) (b/a)*100 Trong dịch trước khi lên men (a) Trong dịch sau khi lên men Chuyển hóa (b) LM1 2,0 1,03 0,97 48,5 LM2 4,2 1,16 3,04 72,4 LM3 3,1 0,86 2,24 72,3 LM4 3,55 0,87 2,68 72,7 LM5 5,1 1,23 3,75 75,9 Dch lên men LM5 chuyn hóa cao nht t 75,9%, tip n là dch lên men LM4, LM2, LM3 có hiu sut chuyn hóa tương t nhau và cui cùng là LM1 có hiu sut chuyn hóa thp nht. Dch LM5, LM4 có hiu sut chuyn hóa cao có th lý gii là do: Chng vi sinh vt ACT 06 ã chuyn hóa mt lưng khá ln cellulose trong nguyên liu thành ưng ơn, ch yu là ưng glucose là ưng chuyn hóa thành rưu. 6. Hàm lượng ethanol trong dịch sau lên men Hàm lưng ethanol trong dch sau lên men ưc xác nh bng phương pháp im sôi và phương pháp t trng k, kt qu phân tích ưc trình bày  bng 6: Bảng 6. Hàm lượng ethanol trong dịch sau lên men Tên công thức Hàm lượng ethanol (%V) Phương pháp điểm sôi Phương pháp tỷ trọng kế Trung bình LM1 2,1 1,7 1,9 LM2 2,8 2,4 2,6 LM3 2,7 2,2 2,45 LM4 3,3 2,9 3,1 LM5 4,3 3,9 4,2 S liu bng 6 cho thy, ethanol trong dch sau lên men trong t 1,9 - 4,2% v th tích. Trên thc t sn xut t nguyên liu tinh bt thì hàm lưng cn trong dch gim chín t t 6% n 9,5% v th tích. Kt qu hàm lưng ethanol trong nghiên cu này tuy không cao nhưng cũng cho thy tim năng sn xut ethanol t nguyên liu thân cây ngô là rt cao. IV. KT LUN 1. Thân cây ngô sau thu hoch có  Nm 73% ưc phơi khô t nhiên có mu nâu nht, mùi hơi hôi,  Nm 10%, có thành phn chính gm cellulose 24,07%. 2. ã la chn ưc chng ACT 06 làm tác nhân cho quá trình thy phân bng vi sinh vt và chng SA.03 là chng nm men có kh năng lên men cao làm tác nhân cho quá trình lên men. 3. Chng x khuNn ACT 06 thuc nhóm vi sinh vt ưa nhit, phát trin tt  nhit  35- 50 0 C và pH trung tính. Chng ATC 06 có kh năng phân gii CMC, ưng kính vòng phân gii t 40 mm sau 3 ngày nuôi cy. 4. ã xác nh ưc iu kin cho quá trình thy phân bng vi sinh vt: B sung 3% dch ACT 06 cy lc trong 3 ngày vào dch sau quá trình x lý sơ b, mt  t bào và hàm lưng ưng cao tương ng là 8,53.108 CFU/ml và 5,10 g/l. 5. Hiu sut ca quá trình chuyn hóa ưng kh t 70-75% i vi dch lên men có hàm lưng ưng kh t 3,0- 5,0 g/l. Hàm lưng ethanol không cao t 1,9-4,2%V nhưng cũng chng t thân cây ngô là nguyên liu tim năng cho sn xut ethanol sinh hc. TÀI LIU THAM KHO 1. guyễn Đức Lượng (1996), Nghiên cu tính cht mt s vi sinh vt có kh năng tng hp cenlulose cao, Lun án PTSKHKT, Hà Ni. 2. Lê Thanh (2004). Các phương pháp phân tích ngành công ngh lên men, NXB. Khoa hc và K thut, Hà Ni. 3. guyễn Đình Thưởng (2000). Công ngh sn xut & kim tra cn etylic, NXB. Khoa hc và K thut, 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. gười phản biện: GS.TSKH. Trần Duy Quý T¹p chÝ khoa häc vµ c«ng nghÖ n«ng nghiÖp ViÖt Nam 8 . 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. hóa học của thân cây ngô sau thu hoạch Thân cây ngô ưc ly t Trung tâm Ging, Phân bón và Cây trng. Sau khi thu bp ưc 2 ngày, thân cây ngô ưc