Nghiên cứu quá trình tiền xử lý và hệ vi sinh vật phân giải vỏ quả cà phê vối (coffea robusta) để lên men tạo ethanol

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA NÔNG NGHIỆP ĐỖ VIẾT PHƯƠNG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TIỀN XỬ LÝ VÀ HỆ VI SINH VẬT PHÂN GIẢI VỎ QUẢ CÀ PHÊ VỐI (Coffea robusta) ĐỂ LÊN MEN TẠO ETHANOL LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA NÔNG NGHIỆP ĐỖ VIẾT PHƯƠNG MSNCS: P1114004 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TIỀN XỬ LÝ VÀ HỆ VI SINH VẬT PHÂN GIẢI VỎ QUẢ CÀ PHÊ VỐI (Coffea robusta) ĐỂ LÊN MEN TẠO ETHANOL LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Mã ngành: 62.54.01.01 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS TS LÊ NGUYỄN ĐOAN DUY TS PHẠM VĂN TẤN 2020 LỜI CẢM ƠN Để có kết ngày hơm nay, ngồi phấn đấu nổ lực thân cịn có hỗ trợ lớn từ q Thầy, Cơ, gia đình, người thân bạn bè Xin ghi nhớ gửi lời cảm ơn chân thành đến tất quý vị Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Lê Nguyễn Đoan Duy, người hướng dẫn TS Phạm Văn Tấn, người hướng dẫn phụ Hai thầy truyền cho nhiều kiến thức, thật nhiều kinh nghiệm đặc biệt có ý kiến đóng góp, trao đổi thật bổ ích, thiết thực luận án tiến sĩ Nó nguồn động lực giúp tơi ln ln cố gắng phấn đấu Một lần tơi muốn nói, tơi biết ơn hai thầy Cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS TS Hồ Quảng Đồ, PGS TS Nguyễn Văn Mười, PGS TS Lý Nguyễn Bình, PGS TS Nguyễn Cơng Hà, PGS TS Trần Thanh Trúc hỗ trợ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt tiến trình học tập Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Cần Thơ, Khoa Sau Đại học, Ban chủ nhiệm Khoa Nông nghiệp, Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Phịng thí nghiệm; Phịng ban, Khoa liên quan tạo điều kiện thuận lợi cho học tập nghiên cứu trường Đặc biệt, xin gửi đến Ban Giám hiệu, Ban Lãnh đạo Viện Công nghệ Sinh học Thực phẩm, Trường đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh lời cảm ơn chân thành sâu sắc Nhà trường Viện hỗ trợ kinh phí, điều kiện thời gian cho tơi bốn năm học tập nghiên cứu trường Đại học Cần Thơ Bên cạnh đó, tơi thật cảm động trước tình cảm quan tâm giúp đỡ bạn đồng nghiệp trường, xin cảm ơn bạn nhiều Cuối cùng, xin gửi lịng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân luôn ủng hộ, sát cánh bên Cơng ơn tơi xin khắc sâu lịng NCS Đỗ Viết Phương i TÓM TẮT Nghiên cứu thực nhằm xác định phương pháp tiền xử lý thích hợp đối tượng vỏ cà phê vối (Coffea robusta) Đồng thời, nghiên cứu tập trung thu nhận chế phẩm enzyme cellulase từ nấm mốc phân lập từ cà phê Sau q trình ứng dụng enzyme vào trình thủy phân vỏ cà phê so sánh hiệu thủy phân với enzyme thương mại Bên cạnh đó, việc đưa chế độ khử độc dịch thủy phân, thiết lập thơng số cho q trình lên men tạo ethanol quan tâm nghiên cứu Nội dung nghiên cứu trình khử bớt caffeine polyphenol vỏ cà phê ba phương pháp trích ly khác bao gồm: Trích ly thơng thường, trích ly có hỗ trợ vi sóng trích ly có hỗ trợ siêu âm Tiếp sau thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng tác nhân tiền xử lý acid, kiềm, vi sóng vi sinh vật hay kết hợp tác nhân đến mức độ suy giảm hemicellulose lignin Trong nội dung thứ hai, tiến hành phân lập nấm mốc có khả sinh tổng hợp enzyme cellulase từ nguồn: đất trồng, cà phê, thân cành Sau q trình thu nhận enzyme cellulase từ nấm mốc phân lập tác nhân gây kết tủa khác bao gồm: (NH4)2SO4, NaCl, ethanol acetone Enzyme thu nhận với enzyme thương mại sử dụng để thủy phân vỏ cà phê so sánh hiệu kinh tế vấn đề nội dung Bên cạnh đó, để đảm bảo cho q trình lên men thuận lợi dịch thủy phân cần phải kiểm tra loại bỏ số chất có độc tính nấm men Nội dung cuối khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến trình lên men khảo sát số phương pháp lên men khác Kết nghiên cứu cho thấy, hiệu suất khử caffeine polyphenol phương pháp trích ly có hỗ trợ vi sóng đạt 92,3% (đối với caffeine) 87,7% (đối với polyphenol) cao so với hai phương pháp lại Tuy nhiên, lý kinh tế tính khả thi nên phương pháp trích ly thơng thường nước nóng lựa chọn cho việc khử caffeine polyphenol Khi so sánh phương pháp tiền xử lý khác cho thấy, tiền xử lý phương pháp kết hợp acid-kiềm-vi sóng đạt hiệu cao loại bỏ 71,4% hemicellulose 79,2% lignin giữ lại 69,5% cellulose điều kiện xử lý: H2SO4 2% 140oC thời gian 45 phút, NaOH (0,2 g/g) 120oC thời gian 20 phút vi sóng mức cơng suất 327 W vịng 20 phút Trong số dịng nấm mốc phân lập chủng Trichoderma asperellum QT5 (phân lập từ quả) có khả sinh tổng hợp cellulase hoạt tính cao đạt 1,17 U/mL (CMCase) sau 48 nuôi cấy môi trường lỏng Sau enzyme cellulase thơ tinh sơ ethanol (tỷ lệ ii enzyme:ethanol 1:3,5) hoạt tính CMCase tăng lên đáng kể (21,72 U/mL) Ngoài ra, ứng dụng enzyme cellulase thu nhận vào trình thủy phân lên men kết cho thấy, đường khử tạo dịch thủy phân enzyme cellulase thu nhận 26,02 g/L thấp so với thủy phân enzyme thương mại Viscozyme (43,26 g/L) hàm lượng ethanol tạo thành thấp 13,8% Đồng thời, nghiên cứu rằng, phương pháp lên men SHF cho hiệu thủy phân cao SSF SHF+SSF không xem xét đến mặt thời gian ngược lại phương pháp lên men SSF cho hiệu thủy phân cao xét khoảng thời gian Từ khóa: Ethanol, sinh khối lignocellulose, Trichoderma asperellum, thu nhận cellulase, tiền xử lý, thủy phân cellulose, vỏ cà phê iii ABSTRACT The aim of the study was to determine the most suitable pretreatment method for coffee pulp (Coffea robusta) In addition, the study also focused on recovery of mold cellulase enzyme from coffee berries After that, this enzyme was used in hydrolysis of the coffee pulp Hydrolysis efficiency of the enzyme was compared with that of commercial enzymes Besides, the condition of hydrolysate detoxification and parameters of the ethanol fermentation process were also studied The first research content was to eliminate caffeine and polyphenols from coffee pulp using three different extraction methods including maceration, microwave-assisted extraction and ultrasound-assisted extraction Then, experiments were to investigate the effects of pretreatment agents such as acid, alkali, microwave and microbiological or a combination of the agents on removing of hemicellulose and lignin In the second research, the isolation of mold which has high biosynthesis capacity to cellulase collected from various sources such as soil, branches, trunks, coffee pods The third research was the recovering process of cellulase enzyme from the mold isolated using various precipitating agents: (NH4)2SO4, NaCl, ethanol and acetone The cellulase enzyme (crude) and commercial enzyme were used to hydrolyze the coffee pulp Then, the economic efficiency in coffee pulp hydrolysis were compared between the two enzymes Besides, to ensure that the fermentation was perfect, the hydrolyzate needs to be tested to remove some substances that were toxic to yeast The final content was to study some main factors affecting the fermentation process as well as to investigate some different fermentation methods The result showed that the eliminating efficiency of caffeine and polyphenols using the microwave-assisted extraction method reached 92.3% and 87.7% for caffeine and polyphenols, respectively These were higher than those of the other methods However, due to economic aspects and feasibility, the maceration was also selected for decaffeine and depolyphenols process When comparing different pretreatment methods, it revealed that the pretreatment in combination of dilute acid, dilute alkali and microwave was the most effective method, By the combination method, 69.5% of cellulose was retained; while 71.4% of hemicellulose and 79.2% of lignin were removed under treatment conditions as follows: H2SO4 2% at 140oC for 45 minutes, alkali pretreated with NaOH 0.2 g/g biomass at 120oC for 20 minutes, and microwave at 327 W for 20 minutes Among five strains of molds isolated, Trichoderma asperellum QT5 had the highest activity of cellulase biosynthesis and reached iv to 1.17 U/mL (CMCase) after 48 hours of culture in a basic liquid medium Then, the crude enzyme was purified using ethanol (enzyme:ethanol ratio was 1:3.5), the CMCase activity increased significantly (21.72 U/mL) In addition, when using the recovery cellulase enzyme for the hydrolysis and fermentation processes, the results indicated that the reduction sugar in the hydrolyzate using the recovery cellulase was 26.02 g/L lower than that of the commercial Viscozyme (43.26 g/L) but ethanol content was only 13.8% lower Furthermore, result of the study also showed that the SHF fermentation method was more effective hydrolysis than SSF and SHF + SSF if ignoring the fermentation time By contrast the SSF fermentation method was more effective hydrolysis than the others in the same fermentation time Keywords: Biomass lignocellulose, cellulose hydrolysis, coffee pulp, enzyme recovery, ethanol, pretreatment, Trichoderma asperellum v LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án hoàn thành dựa kết nghiên cứu kết nghiên cứu chưa dùng cho luận án cấp khác Cần Thơ, ngày tháng Người hướng dẫn Người thực Lê Nguyễn Đoan Duy Đỗ Viết Phương vi năm MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii ABSTRACT iv LỜI CAM ĐOAN vi DANH SÁCH BẢNG x DANH SÁCH HÌNH xii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xv Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu tổng quát 1.2.2 Mục tiêu cụ thể 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu: 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu: 1.4 Ý nghĩa luận án 1.4.1 Ý nghĩa khoa học 1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn 1.5 Điểm luận án Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Nguyên liệu cà phê 2.1.1 Giới thiệu vỏ cà phê vối 2.1.2 Một số ứng dụng từ vỏ cà phê 2.1.3 Khả kháng vi sinh vật caffeine polyphenol 10 2.2 Sinh khối lignocellulose (nguyên liệu sản xuất ethanol sinh học) 11 2.2.1 Cấu tạo tính chất cellulose 13 2.2.2 Cấu tạo tính chất hemicellulose 15 2.2.3 Cấu tạo tính chất lignin 18 2.3 Quá trình thủy phân vỏ cà phê 19 2.3.1 Cơ chế phân hủy sinh học cellulose 20 2.3.2 Cơ chế thủy phân hemicellulose 22 2.3.3 Cơ chế phân hủy lignin 26 2.4 Một số phương pháp tiền xử lý sinh khối lignocellulose 27 2.4.1 Tiền xử lý acid 28 2.4.2 Tiền xử lý kiềm 31 vii 2.4.3 Tiền xử lý vi sinh vật 33 2.5 Giới thiệu nấm mốc Aspergillus Trichoderma 36 2.5.1 Giới thiệu Aspergillus niger 36 2.5.2 Giới thiệu Trichoderma 37 2.5.3 Ảnh hưởng thành phần mơi trường đến q trình sinh tổng hợp enzyme cellulase 38 2.6 Thực trạng sản xuất ethanol giới Việt Nam 42 2.6.1 Tình hình sản xuất ethanol giới 42 2.6.2 Tình hình sản xuất ethanol Việt Nam 44 2.7 Các nghiên cứu nước 46 2.7.1 Một số nghiên cứu tiền xử lý sinh khối lignocellulose 46 2.7.2 Một số nghiên cứu sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulose 48 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 52 3.1 Phương tiện nghiên cứu 52 3.1.1 Địa điểm thời gian nghiên cứu 52 3.1.2 Nguyên liệu hóa chất 52 3.1.3 Dụng cụ thiết bị 53 3.2 Phương pháp nghiên cứu 54 3.2.1 Phương pháp chuẩn bị mẫu 54 3.2.2 Các phương pháp phân tích đo đạc 55 3.2.3 Phương pháp thu thập xử lý kết 56 3.3 Phương pháp bố trí thí nghiệm 57 3.3.1 Xác định thành phần hóa học vỏ cà phê vối 58 3.3.2 Nội dung 1: Khảo sát trình tiền xử lý vỏ cà phê 58 3.3.3 Nội dung 2: Thu nhận enzyme cellulase từ nấm mốc 66 3.3.4 Nội dung 3: Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình thủy phân 70 3.3.5 Nội dung 4: Khảo sát yếu tố ảnh hưởng trình lên men 74 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 78 4.1 Xác định thành phần hóa học vỏ cà phê vối 78 4.2 Ảnh hưởng phương pháp tiền xử lý đến thay đổi hàm lượng cellulose, hemicellulose lignin 79 4.2.1 Ảnh hưởng phương pháp trích ly đến hiệu suất khử caffeine polyphenol 79 4.2.2 Tối ưu hóa thơng số q trình khử caffeine polyphenol 82 4.2.3 Ảnh hưởng trình tiền xử lý H2SO4 đến thay đổi hàm lượng cellulose, hemicellulose lignin 84 4.2.4 Ảnh hưởng trình tiền xử lý NaOH đến thay đổi hàm lượng cellulose, hemicellulose lignin 90 viii khối tròn mọc lên đầu cuối cuống sinh bào tử (phân nhiều nhánh), mang bào tử trần bên khơng có vách ngăn, không màu, liên kết thành chùm nhỏ nhờ chất nhầy Đặc điểm bật nấm Trichoderma bào tử có màu xanh đặc trưng, số có màu trắng (như T virens), vàng hay xanh xám Chủ yếu hình cầu, hình ellip hình oval (với tỉ l di:rng t 1ữ1,1 àm) hay hỡnh ch nht (vi tỉ lệ dài:rộng 1,4 µm), đa số bào tử trơn láng Kích thước khơng q µm (Samuels, 2004) Đặc điểm sinh lý, sinh hóa: Đa số dịng nấm Trichoderma phát triển đất có độ pH từ 2,5÷9,5 Phát triển tốt pH 4,5÷6,5 Nhiệt độ để Trichoderma phát triển tối ưu thường 25÷30oC Một vài dịng phát triển tốt 35℃ Một số phát triển 40oC T reesei sinh trưởng nhiệt độ tối thiểu 0oC, tối ưu 20÷28oC, tối đa 30÷37oC Trichoderma có khả sinh tổng hợp số enzyme như: cellulase, xylanase, chitinase, protease, amylase, pectinase, Tính ưu việt phức hệ cellulase từ T reesei hoạt động mạnh có khả phân giải hoàn toàn cellulose tự nhiên Tuy nhiên, cellulase thu từ T reesei có hoạt tính βglucosidase thấp, cellobiose sinh khơng thủy phân tiếp thành glucose quay trở lại ức chế endoglucanase vốn có hoạt tính cao T reesei Nhiệt độ thích hợp cho hệ phức hệ cellulase T reesei 40oC pH thích hợp từ 3÷7 (Samuels, 2004) 2.5.3 Ảnh hưởng thành phần môi trường đến trình sinh tổng hợp enzyme cellulase 2.5.3.1 Nguồn carbon Sự hình thành enzyme cellulase phụ thuộc nhiều vào chất nguồn carbon sử dụng môi trường nuôi cấy Các nguồn carbon khác thử nghiệm làm chất cảm ứng để sinh tổng hợp enzyme cellulase trình bày Bảng 2.6 (Gao et al., 2008) Râu ngô chứng minh nguồn carbon tốt để sinh tổng hợp CMCase, FPase, β-glucosidase Râu ngơ có thành phần cellulose (39,54%), hemicellulose (25,76%), lignin (17,49%) tro (5,04%) Ngồi râu ngơ, rơm lúa mì rơm rạ chứng minh nguồn chất lý tưởng cho sinh tổng hợp cellulase (Panagiotou et al., 2003; Mishra and Nain, 2010) Một số nghiên cứu khác cho thấy cellulase enzyme cảm ứng cellobiose (2,95 mM) hoạt động chất cảm ứng hiệu Nectria catalinensis (Pardo and Forchiassin, 1999) Khi tăng tỷ lệ cellobiose 38 glucose lên 0,2% tỷ lệ enzyme endoglucanase tăng theo (Paul and Varma, 1990) Bột giấy, giấy in, giấy vụn hỗn hợp, rơm lúa mì, rơm rạ, bã mía, CMC, lõi ngô, vỏ lạc, bông, rơm lúa sử dụng làm chất để sản xuất cellulase (Ganju et al., 1990; Mishra and Nain, 2010) Kết cho thấy rằng, tăng nồng độ chất lên 12% trình sinh tổng hợp cellulase bị giảm theo Điều giới hạn oxy có sinh khối nguồn dinh dưỡng bị cạn kiệt dần Steiner et al (1993) chứng minh CMC rơm ngũ cốc (1%, w/w) nguồn carbon tốt để sản xuất CMCase β-glucosidase (Steiner et al., 1994) 2.5.3.2 Nguồn nitrogen Mỗi loại vi sinh vật khác sử dụng nguồn nitrogen khác việc sản xuất enzyme cellulase Theo Panagiotou et al (2003) nguồn nitrogen hữu cho thấy hoạt động enzyme cellulase cao so với nguồn nitrogen vô (Bảng 2.6) (Panagiotou et al., 2003) Hoạt động tối đa cellulase thu sử dụng cao nấm men (Gao et al., 2008) Tuy nhiên theo nghiên cứu Kalogeris et al (2003) cho thấy muối nitrogen vơ khác lại có tác dụng tích cực việc sản sinh enzyme cellulase amoni sulfat, amoninitrat, amoni sunfat sắt, amoni clorua natri nitrat Trong đó, amoni sulfat (0,5 g/L) ghi nhận sinh tổng hợp cellulase mức cao (Kalogeris et al., 2003) Khi sử dụng kết hợp nitrate amoni rượu ngô (0,88 g/L) cho thấy việc tăng đáng kể hoạt động endo exoglucanase Tuy nhiên việc kết hợp bổ sung nguồn nitrogen vào môi trường nuôi cấy làm tăng chi phí (Steiner, Socha and Eyzaguirre, 1994) 2.5.3.3 Nguồn phosphorus Phosphorus nhu cầu thiết yếu cho phát triển trao đổi chất nấm mốc Các nguồn phosphate khác kali dihydro phosphate, tetranatri pyrophosphate, natri β-glycerophosphate dipotassium hydro phosphate Kumar et al (2008) đánh giá ảnh hưởng chúng sản xuất cellulase Qua đó, kali dihydro photphate đánh giá nguồn phosphorus tốt (Kumar et al., 2008) Bảng 2.6 Loại kiềm thường sử dụng để tiền xử lý sinh khối lignocellulose Nguồn Sản lượng enzyme thu (U/g nguồn carbon khô) CMCase FPase β-Glucanase Nguồn carbon Bã mía 267 48 39 Rơm rạ Rơm lúa mì Cám gạo Râu ngơ 255 417 315 440 98 166 94 198 16 87 79 91 368 183 467 201 356 177 318 171 186 82 142 61 113 49 Cao nấm men (%, w/v) 432 175 469 207 443 184 58 93 89 65 41 25 30 Nguồn nitrogen Thịt bò Cao nấm men Peptone Urea (NH4)2SO4 NH4NO3 NaNO3 0,5 1,5 86 102 96 (Gao et al., 2008) 2.5.3.4 Nhiệt độ môi trường Nhiệt độ nuôi cấy khơng có ảnh hưởng lớn đến hoạt động hệ enzyme cellulase nói chung chúng hoạt động tốt 50÷78oC Trong khoảng nhiệt độ ni cấy 25÷40oC khơng có tác động đến hình thành sinh khối cellulase Nhiệt độ tối ưu cho trình sinh tổng hợp cellulase thay đổi phụ thuộc vào nguồn nấm mốc sử dụng, chất nuôi cấy điều kiện khí hậu (Joshi et al., 2006; Mandhania et al., 2010) 2.5.3.5 pH môi trường Khi nuôi cấy phương pháp bề mặt, mơi trường có dung dịch đệm cao hàm ẩm thấp nên giá trị pH dịch trích sau lên men thường thay đổi suốt thời gian nuôi cấy Tuy nhiên, giá trị pH ban đầu mơi trường ủ có ảnh hưởng không nhỏ đến phát triển nấm mốc tạo thành enzyme Khi pH môi trường dịch phía acid phía kiềm, tạo thành sinh khối không bị ảnh hưởng tạo thành enzyme cellulase bị kìm hãm Giá trị pH tối ưu enzyme có nguồn gốc vi sinh vật khoảng 4,5÷5,5 (Trần Xuân Ngạch, 2007) Khi nuôi cấy Aspergillus niger để thu nhận enzyme cellulase, pH tối ưu 5,5 Mặt khác, phạm vi pH từ 5,5÷6,5 tối ưu cho sản xuất β-glucosidase từ Penicillium rubrum Trong đó, phạm vi pH 4,6÷5,0 phù hợp với CMCase, FPase β-glucosidase Aspergillus ornatus Trichoderma reesei AYCC-26921 (Mukhopadhyay and Nandi, 1999) 40 Mặc dù vậy, tùy thuộc vào đặc điểm enzyme, loại chất nguồn nấm mốc, giá trị pH tối ưu cho hoạt động vi sinh vật lên men, tạo enzyme khác Thêm vào đó, q trình sinh tổng hợp enzyme, pH thường giảm nhẹ vào thời gian đầu phân hủy chất, điển chuyển hóa protein thành acid amin mang tính acid, sau pH thường tăng dần q trình trao đổi chất tạo chất mang tính kiềm ammonium,… Tuy nhiên, q trình cịn phụ thuộc vào vi sinh vật sản phẩm tạo thành (Lê Gia Huy Khuất Hữu Thành, 2010) 2.5.3.6 Độ ẩm mơi trường Thành phần nước chiếm từ 70÷90% khối lượng thể vi sinh vật, tất trình phân hủy thức ăn phản ứng chuyển hóa chất tế bào diễn với có mặt nước Độ ẩm cao ảnh hưởng đến độ thống khí, ngược lại độ ẩm thấp q kìm hãm sinh trưởng phát triển sợi nấm khả sinh tổng hợp enzyme (Lê Gia Huy Khuất Hữu Thành, 2010) Trong trình lên men môi trường lỏng, độ ẩm không giữ vai trò định đến hiệu tổng hợp enzyme Ngược lại, điều kiện lên men bề mặt môi trường rắn, vi sinh vật phát triển sản sinh sản phẩm gần bề mặt chất rắn có hàm lượng ẩm thấp Do đó, việc cung cấp lượng nước thích hợp kiểm tra độ hoạt động nước chất lên men cần thiết (Pandey et al., 1999) Trong điều kiện sản xuất, độ ẩm ban đầu tối ưu môi trường 58÷60% trì độ ẩm mơi trường ổn định q trình ni cấy đóng vai trị quan trọng Độ ẩm tăng 70% làm giảm độ thống khí, cịn độ ẩm thấp 50% làm kìm hãm sinh trưởng phát triển vi sinh vật giảm hiệu hình thành enzyme (Pandey et al., 1999) Khi nuôi cấy điều kiện khơng vơ trùng tuyệt đối độ ẩm mơi trường sau cấy giống không vượt 60% để tránh nhiễm khuẩn, vi sinh vật lạ (Nguyễn Đức Lượng cộng sự, 2004) 2.3.5.7 Phương pháp lên men Q trình ni cấy Aspergillus Trichoderma để thu nhận cellulase thực hai phương pháp lên men khác nhau: lên men bề mặt môi trường rắn lên men bề mặt môi trường lỏng (Sakai et al., 1993) Các nghiên cứu trước cho thấy enzyme thu từ phương pháp lên men rắn có hoạt tính cao so với phương pháp lên men lỏng nuôi cấy loại vi sinh vật chất lên men (Viniegra-González et al., 2003) Tuy nhiên, lý vi sinh vật sản xuất enzyme mơi trường rắn có hoạt tính cao trường hợp sử dụng môi trường lỏng chưa giải thích cụ thể Nhìn 41 chung, khác biệt quan trọng trình lên men rắn lỏng độ ẩm môi trường Do độ hoạt động nước môi trường lên men lỏng cao nên mức độ nhiễm vi sinh vật không mong muốn gia tăng (Patil and Dayanand, 2006) 2.6 Thực trạng sản xuất ethanol giới Việt Nam 2.6.1 Tình hình sản xuất ethanol giới Trên giới, việc nghiên cứu sử dụng ethanol để thay chất phụ gia MTBE xăng dầu tiến hành nhiều năm qua Ở Mỹ, Chính phủ nước công bố cấm sử dụng MTBE vào đầu năm 2003, nhiều cơng trình nghiên cứu ô nhiễm nguồn nước, môi trường không khí, sức khỏe người việc sử dụng MTBE Ethanol nhiên liệu đặc biệt ý nước có nông nghiệp phát triển mục tiêu hướng tới đa số quốc gia có nhu cầu tiêu thụ lượng lớn Chương trình ethanol nhiên liệu nhiều nước quan tâm, đầu tư xây dựng chiến lược để phát triển nhà máy sản xuất ethanol từ loại ngũ cốc như: ngơ, sắn, mía đường để đáp ứng nhu cầu cung cấp nhiên liệu tái tạo tương lai Đây chương trình phát triển nơng nghiệp nơng thơn, nhằm khai thác tiềm sẵn có lao động, đất đai, nguồn nông sản quốc gia Theo Petrovietnam, nay, 47% ethanol nhiên liệu giới sản xuất từ mía đường 53% sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột Năm 2003, toàn giới sản xuất 38,5 tỷ lít ethanol nhiên liệu (trong châu Mỹ chiếm khoảng 70%, châu Á 17%, châu Âu 10%), 70% dùng làm nhiên liệu, 30% sử dụng cơng nghiệp thực phẩm, y tế, hố chất Đến năm 2007, lượng ethanol nhiên liệu sản xuất tăng lên 56 tỷ lít, tỷ lệ sử dụng làm nhiên liệu tăng lên 75% Dự báo đến năm 2012 (khi Nghị định thư Kyoto có hiệu lực), lượng ethanol nhiên liệu giới tăng lên 81,9 tỷ lít tỷ lệ sử dụng làm nhiên liệu tăng lên tới 85% (Đỗ Huy Định, 2003) Trên giới, Brazil, Mỹ Trung Quốc quốc gia đứng đầu sản xuất sử dụng Etanol nhiên liệu Trong khu vực Đông Nam Á, Thái Lan quốc gia phát triển nhanh sản xuất sử dụng xăng pha ethanol sản xuất từ phế phẩm sắn, hạt ngơ, ngơ, đường, bã mía Brazil: Là quốc gia sản xuất sử dụng ethanol nhiên liệu lớn giới Hiện có 60.000 đồn điền trồng mía với 6,5 triệu hecta 500 nhà máy sản xuất đường, ethanol chủ yếu dùng nước xuất (tương đương với 220.000 thùng dầu/ngày) hàng năm tiết kiệm tỷ USD chi cho việc nhập dầu Tại Brazil, mía nguyên liệu dùng để sản xuất ethanol Phần lớn nhà máy luyện đường mía Brazil sản xuất 42 ethanol, nên nhà sản xuất nước thường linh hoạt giảm tỷ trọng mía để sản xuất đường xuống giá ethanol cao Theo thống kê USDA, thấy, tỷ trọng mía sử dụng để sản xuất ethanol Brazil tăng lên tới 54% vụ 2017/18 vừa qua, dự kiến lên đến 58% niên vụ 2018/19 Cả nước có triệu ơtơ sử dụng hồn tồn ethanol khan làm nhiên liệu 17 triệu ô tô sử dụng xăng pha 27% ethanol (năm 2019) Năm 2004, Brazil sản xuất ethanol mức kỷ lục với 15,2 tỷ lít Job dự báo sản lượng ethanol từ mía Brazil niên vụ 2020/21 mức 26,8 tỷ lít so với 34 tỷ lít niên vụ 2019/20 (Vinanet, 2020) Mỹ: Là quốc gia tiêu thụ hàng năm 25% lượng giới (trong có 6% trữ lượng dầu mỏ), 60% dầu mỏ phải nhập từ bên Sự thâm hụt cán cân thương mại lượng lên đến 80 tỷ USD Năm 1998, Tổng thống Mỹ B Clinton ký sắc lệnh 13101 sử dụng sản phẩm sinh học thay phần dầu mỏ Năm 2004, Mỹ sản xuất 13 tỉ lít ethanol Năm 2017, quốc gia sản xuất ethanol lớn giới với cơng suất 60 tỉ lít/năm xuất ethanol nhiều với năm tỉ lít/ năm Hiện nay, Mỹ nước tiêu thụ ethanol (để pha chế nhiên liệu sinh học) lớn với khoảng 60% tổng sản lượng giới (Thiên Thanh, 2018) Bảng 2.7: Dự tính sản lượng ethanol tồn cầu Dự tính sản lượng ethanol tồn cầu 2014÷2019 (Triệu Gallons) Năm 2014 2015 2016 2017 2018 Mỹ 14.313 14.807 15.413 15.936 16.091 Brazil 6.190 7.200 6.760 6.680 8.010 Liên minh 1.445 1.387 1.377 1.400 1.430 Châu Âu Trung Quốc 635 813 845 860 1.050 Canada 510 436 436 470 480 Thái Lan 310 334 322 370 390 Argentina 160 211 264 290 290 Ấn Độ 155 195 275 210 400 Các nước khác 865 391 490 414 549 Thế giới 24.570 25.770 26.180 26.630 28.690 2019 15.776 8.570 1.440 900 500 420 290 530 600 29.030 Nguồn: RFA analysis of public and private data sources, (2020) Trung Quốc: Là quốc gia sản xuất sử dụng ethanol nhiên liệu lớn thứ sau Brazil Mỹ Năm 2004, nước đưa vào hoạt động nhà máy sản xuất ethanol lớn giới với công suất 600.000 tấn/năm Cát Lâm Năm 2017, quốc gia tăng công suất sản xuất lên 2,8 triệu tấn/năm Năm 2019, ước tính Trung Quốc đạt cơng suất sản xuất ethanol lên 3,38 triệu Trong đó, 43 cơng suất ethanol dựa ngô khoảng 1,45 triệu tấn, sở phụ thuộc vào sắn chiếm tới 1,7 triệu Trung Quốc sử dụng lúa mì, lúa miến gạo để sản xuất nhiên liệu sinh học số vùng đất nước (Phương Nam, 2018) Thái Lan: Cũng quốc gia tích cực đầu tư vào nhiên liệu sinh học Đến năm 2004, nước sản xuất 280.000 m3 ethanol, đầu tư thêm 20 nhà máy để năm 2015 có 2,5 tỉ lít ethanol dùng làm nhiên liệu Chính phủ nước có kế hoạch tăng sản lượng ethanol nhiên liệu lên tới triệu lít/ngày vào năm 2011, 6,2 triệu lít/ngày vào năm 2016 triệu lít/ngày vào năm 2022 (Võ Viễn cộng sự, 2017) Ấn Độ: Là nước thứ khu vực châu Á bắt đầu sản xuất ethanol nhiên liệu Ấn Độ sử dụng xăng pha 5% ethanol Bang tiểu vùng từ ngày 1/1/2003, Bang lại sử dụng giai đoạn 2, giai đoạn tăng 10% ethanol pha xăng Năm 2005, công nghiệp ethanol nước đạt 1,7 tỷ lít Đến năm 2018 sản lượng tăng lên thành 1,9 tỉ lít năm 2019 đạt tỉ lít (Jayashree Bhosale, 2020) 2.6.2 Tình hình sản xuất ethanol Việt Nam Do nhu cầu thị trường tiêu thụ ethanol nước ngày tăng, đơn vị sản xuất ethanol nước đẩy mạnh sản xuất, đồng thời mở rộng thêm nhiều nhà máy (Cơng ty cổ phần mía đường Biên Hồ đầu tư xây dựng nhà máy công suất 50.000 tấn/năm, Công ty Đồng Xanh đầu tư xây dựng nhà máy cơng suất 60.000 lít/ngày, Cơng ty CP Ethanol sinh học Việt Nam đầu tư nhà máy 66.000 m3/năm Đăk Lăk, BIDV đầu tư nhà máy công suất 100.000 tấn/năm Quảng Nam…) Dự án đầu tư xây dựng Nhà máy sản xuất Bioethanol khu vực phía Bắc PVB làm Chủ đầu tư dự án nằm Đề án phát triển nhiên liệu sinh học Việt Nam đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quyết định số 177/2007/QĐTTg ngày 20/11/2007 Đây nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học xây dựng miền Bắc Việt Nam có quy mơ đầu tư lớn, cơng nghệ tiên tiến, thiết bị đại với tổng mức đầu tư khoảng 80 triệu USD, công suất 100.000 m3 ethanol/năm, huyện Tam Nông, tỉnh Phú Thọ, sử dụng nguyên liệu sắn, mía để sản xuất ethanol (Lê Thành Ý, 2018) Ở nước ta, giới khoa học quan tâm nghiên cứu nhiên liệu sinh học thập kỷ qua quan thuộc ngành giao thông vận tải, công nghiệp, lượng, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, trường đại học… Tháng 6/2004, Công ty Phát triển Phụ gia Sản phẩm Dầu mỏ dự thảo "Đề án phát triển nhiên liệu sinh học Việt Nam" (xăng/diesel pha ethanol diesel 44 sinh học) gửi Chính phủ số bộ/ngành Viện nghiên cứu rượu-bia nước giải khát nghiên cứu đưa kết sử dụng ethanol Viện Công nghệ thực phẩm nghiên cứu sản xuất bio-ethanol từ phế thải nông nghiệp Nhiều đơn vị có Sài Gịn Petro, Cơng ty Mía đường Lam Sơn lên kế hoạch pha chế thử nghiệm tiến tới sản xuất bio-ethanol quy mô phù hợp Tổng công ty Xăng dầu Việt Nam phối hợp với số trường đại học lớn Bách khoa Hà Nội, Bách khoa TP Hồ Chí Minh tiến hành nhiều nghiên cứu sử dụng NLSH động xăng Công tác triển khai dự án NLSH Tập đồn Dầu khí quốc gia đến đạt số kết Dự án Nhà máy Ethanol Phú Thọ huyện Tam Nông (Phú Thọ) Chủ đầu tư Tổng công ty Dầu Việt Nam -PVOIL (29%), Tổng cơng ty Tài Dầu khí - PVFC (10%), Tổng công ty Dung dịch khoan - DMC (10%) đối tác khác khởi công tháng 9-2008 Công suất nhà máy 100 triệu lít/năm, sử dụng 240 sắn lát khơ/năm, tổng mức đầu tư 80 triệu USD, công nghệ Công ty Delta-T (Mỹ), dự kiến hoàn thành bắt đầu sản xuất tháng 3-2011 Nhà máy Ethanol Quảng Ngãi xây dựng Khu kinh tế Dung Quất (Quảng Ngãi) Chủ đầu tư Tổng công ty Dịch vụ tổng hợp Dầu khí -PETROSETCO (51%), Tổng cơng ty Lọc dầu Bình Sơn BSR (29%), Tổng cơng ty Tài cổ phần Dầu khí Việt Nam - PVFC (10%) đối tác khác Công suất nhà máy 100 triệu lít/năm, sử dụng 240 sắn lát khơ/năm, tổng mức đầu tư 80 triệu USD Công nghệ Công ty Delta-T (Mỹ), khởi công xây dựng tháng 1-2009, bắt đầu sản xuất năm 2011 (Lê Thành Ý, 2018) Dự án Nhà máy Ethanol Bình Phước triển khai diện tích 43 huyện Bù Ðăng (Bình Phước) Chủ đầu tư Tổng công ty Dầu Việt Nam PVOIL (29%), Tập đồn ITOCHU (Nhật Bản) (49%), Cơng ty LICOGI 16 (22%) Cơng suất nhà máy 100 triệu lít/năm, sử dụng 240 sắn lát khô/năm, tổng mức đầu tư 80 triệu USD Công nghệ Công ty PRAJ (Ấn Ðộ), dự kiến khởi công tháng 3/2010, vào sản xuất tháng 9/2011 (Lê Thành Ý, 2018) Theo kế hoạch tiến độ, đến năm 2012, nhà máy Tập đồn Dầu khí cung cấp 240 triệu lít/năm Cùng với sản lượng nhà máy ethanol nhà đầu tư tư nhân khác triển khai, lượng cung nước đủ đáp ứng nhu cầu thị trường chuẩn bị đầy đủ điều kiện để Nhà nước định áp dụng tỷ lệ bắt buộc sử dụng xăng E5 45 2.7 Các nghiên cứu nước 2.7.1 Một số nghiên cứu tiền xử lý sinh khối lignocellulose Năm 1983, Kumakura Kaetsu nghiên cứu ảnh hưởng chiếu xạ cho tiền xử lý bã mía trước thủy phân enzyme Bã mía sau xử lý cho lượng glucose tăng gấp đôi sau thủy phân so với việc không xử lý Các thành phần cellulose vật liệu lignocellulose tác dụng chiếu xạ phân thành loại sợi mỏng oligosaccharides trọng lượng phân tử thấp chí cellobiose (Kumakura and Kaetsu, 1983) Tuy nhiên, việc chiếu xạ tốn khó áp dụng mức quy mô công nghiệp Tiền xử lý nước 200÷210oC với việc bổ sung 1% SO2 (w/w) tốt hình thức tiền xử lý khác Sản lượng glucose 95%, dựa polisacarit có sẵn nguyên liệu thơ Nổ gây suy thối hemicellulose furfural dẫn xuất (Yu et al., 2010) Schultz et al (1984) so sánh hiệu nổ lên hỗn hợp mảnh gỗ cứng, vỏ trấu, rơm bắp, bã mía Nổ 240÷250oC phút làm gia tăng tốc độ thủy phân enzyme mảnh gỗ cứng, vỏ trấu, bã mía lên ngang với tốc độ thủy phân giấy lọc Nghiên cứu tìm thấy khơng có khác tốc độ thủy phân mẫu trữ tháng trước với tốc độ thủy phân mẫu trữ thời gian ngắn (Schultz et al., 1984) Theo Martinez et al (1990), sử dụng Onopordum nervosum Cyanara cardunculus làm nguyên liệu Hiệu đường hóa (lượng glucose giải phóng sau 48 thủy phân enzyme/lượng glucose cực đại chất) đạt 90% O Nervosum 230oC, 1÷2 phút C cardunculus 210oC, 2÷4 phút (Martinez et al., 1990) Phương pháp cho có hiệu tốt nguyên liệu sinh khối nơng nghiệp Nhược điểm lớn phải sử dụng nhiệt độ cao để tiền xử lý việc sản sinh chất ức chế nấm men điều khơng thể tránh khỏi Ngồi thiết bị chế tạo để làm việc áp suất cao nhiệt độ cao khó khăn, tốn kém, khó vận hành, tiêu tốn điện lớn Ưu điểm lớn thời gian tiền xử lý nhanh, vài phút hiệu tiền xử lý cao sản sinh nhiều đường khử so với phương pháp khác Taniguchi et al (2005) đánh giá kết tiền xử lý rơm rạ cách sử dụng bốn chủng nấm trắng (Phanerochaetechrysosporium, Trametes versicolor, Ceriporiopsis subvermispora, Pleurotus ostreatus) sở thay đổi số lượng cấu trúc thành phần rơm rạ qua tiền xử lý hiệu enzyme thủy phân (Taniguchi et al., 2005) Tiền xử lý với P ostreatus cho kết lignin loại nhiều làm tăng tính hiệu 46 thủy phân enzyme Kurakake cộng nghiên cứu số chủng vi khuẩn Sphingomonas paucimobilis Circulans Bacillus giấy thải từ văn phịng Nhưng nhìn chung việc xử lý theo đường sinh học hiệu thấp (Olsson, 2007) Hay theo nghiên cứu Bak, thời gian 15 ngày Phanerochaete chrysosporiumto phân hủy 10,9% xylan 19,9% lignin có rơm rạ (hàm lượng xylan ban đầu 10,8 g bị phân hủy 8,4 g hàm lượng lignin ban đầu 19,7% bị phân hủy 15,3%) (Bak et al., 2009) Theo Trần Thị Thanh Thuần Nguyễn Đức Lượng (2009), Nghiên cứu enzyme cellulase pectinase từ chủng trichoderma viride aspergillus niger nhằm xử lý nhanh vỏ cà phê thu kết sau: điều kiện tối ưu cho sinh tổng hợp enzyme pectinase A.niger là: thời gian: ngày, độ ẩm: 62%, hàm lượng giống: 8% Điều kiện tối ưu cho sinh tổng hợp enzyme cellulase T.viride là: thời gian: ngày, độ ẩm: 58%, hàm lượng giống: 8% Điều kiện tối ưu cho phân giải vỏ cà phê là: thời gian: 14 ngày, độ ẩm: 60%, hàm lượng giống: 8% (Trần Thị Thanh Thuần Nguyễn Đức Lượng, 2010) Theo tác giả Nguyễn Quốc Việt (2008), tiến hành nghiên cứu khả phân hủy lignin cellulose mạt dừa chủng phanerochaete chrysosporium phương pháp sốc nhiệt Kết nghiên cứu cho thấy phát triển sợi tơ ba chủng P.chrysosporiym nhiệt độ phịng mơi trường lignin mơi trường CMC tốt Cụ thể, chủng PC.36200 có khả phân giải cellulose hai chủng lại, chủng nấm PC.36201 có khả phân giải lignin cao hai chủng Dựa vào kết nêu cho thấy chủng PC.3601 có khả phân hủy lignin tốt phân hủy cellulose tương đương với chủng PC.36319 thấp chủng PC.36200 Do đặc điểm mạt dừa có hàm lượng lignin cao (69÷70%) cellulose thấp (20÷30%) kết cho thấy chủng PC.36201 có khả phân giải lignin cao phân giải cellulose thấp để sử dụng cho nghiên cứu Khảo sát hoạt tính enzym mơi trường kết cho thấy môi trường (mạt dừa:100 g, bánh dầu phụng: 25 g, bột cá: 25 g, rỉ đường: 0,15 mL, bổ sung đạt độ ẩm 60÷70%) cho kết hoạt tính enzyme cellulase cao 337,143 (U/L) (Nguyễn Quốc Việt, 2008) Theo Phạm Thị Huyền Nhung (2012), tiến hành nghiên cứu phân lập tuyển chọn nấm mốc sinh enzyme họ gh61 Kết thu được: chủng nấm mốc phát triển môi trường có chất carbon bã lúa mì tốt so với chất hỗn hợp avicel Hàm lượng protein dịch chiết enyme 10 chủng nấm mốc (có IU/mL > 10) cao với số lượng băng protein nhiều (trừ FEC 47 523, FEC 544) Các chủng khác ni chất carbon khác cho số lượng băng cellulase xylanase khác Phân nhóm định tên chi 19 chủng nấm mốc dựa vào đặc điểm hình thái khuẩn lạc, tế bào phổ finger printing Từ chọn 10 nhóm nấm mốc khác thuộc chi: Penicillium, Aspergillus, Fumarium, Acremonium, Trichoderma chi chưa rõ Các chủng nấm mốc phân lập khơng có chứa enzyme GH61 (Phạm Thị Huyền Nhung, 2012) 2.7.2 Một số nghiên cứu sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulose Trong thập niên gần đây, có nhiều nghiên cứu trình sản xuất ethanol sinh học từ sinh khối lignocellulose như: rơm rạ, lúa mì, bã mía, thân bắp, lõi bắp, cỏ gỗ mềm Chỉ có vài nghiên cứu sản xuất ethanol sinh học từ vỏ cà phê Mới nhất, theo nghiên cứu (Shenoy et al., 2011) nghiên cứu trình sản xuất ethanol từ vỏ cà phê phương pháp thủy phân acid H2SO4 2% thời gian 30 phút 90oC Hàm lượng đường tổng số thu sau trình thủy phân 1,62 g/100 mL dịch thủy phân, đường khử 0,7 g/100 mL dịch thủy phân Sau đem lên men thu lượng ethanol 0,46 g/g đường Một nghiên cứu khác thực đối tượng vỏ trấu cà phê Vỏ trấu cà phê thủy phân acid H2SO4 1÷5%, tỷ lệ nguyên liệu:acid 1:10 thời gian thủy phân Hỗn hợp dịch thủy phân sau tiến hành lên men với nấm men thương mại S cereviciae nhiệt độ 30oC, pH = 5, thời gian 24 thu nồng độ ethanol cao 7,9 g/L (Sahu, 2014) Đa số cơng trình nghiên cứu tập trung dùng acid H2SO4 nồng độ trung bình đến cao để tiền xử lý kết hợp với thủy phân sinh khối lignocellulose nhằm mục đích thu đường khử ưu điểm thời gian xử lý rút ngắn nhiều so với việc dùng enzyme để thủy phân Ngồi tính kinh tế yếu tố quan tâm tiến hành sản xuất thương mại nghiên cứu trước đáp ứng điều dùng enzyme để thủy phân tốn nhiều lần so với dùng acid Tuy nhiên, nhược điểm lớn dùng acid để thủy phân gây ô nhiễm môi trường mức nghiêm trọng, thiết bị yêu cầu phải chịu acid nhiệt độ cao Cho nên nghiên cứu sau khơng cịn sử dụng acid để thủy phân mà phải sử dụng đến enzyme Vỏ trấu cà phê nghiên cứu sản xuất tạo ethanol (Gouvea et al., 2009) Trong vỏ trấu cà phê có chứa: 15% ẩm; 5,4% tro; 7% protein; 0,3% chất béo; 16% cellulose; 11% hemicellulose; 9% lignin; 14% đường tổng số thành phần khác 13 g nguyên liệu khô trộn với 100 mL nước bổ 48 sung thêm nấm men Saccharomyces cerevisiae với lượng g/L, tiến hành lên men 30oC thu kết hàm lượng ethanol 8,49±0,29 g/100g chất khô (13,6±0,5g ethanol/L), giá trị thỏa đáng so với liệu khoa học cho chất thải cặn khác thân ngô, rơm lúa mạch bã lúa mì thủy phân (5÷11g ethanol/L) Kết vỏ trấu có tiềm tuyệt vời để sản xuất ethanol Theo nghiên cứu thuộc đề tài “Nghiên cứu công nghệ xử lý số loại phụ phẩm nông nghiệp (PPNN) nước áp suất cao để thu dung dịch đường có khả lên men tạo thành ethanol” (Nguyễn Hoàng Dũng, 2008), PPNN sử dụng rơm, rạ, trấu Để tạo thành ethanol, rơm, rạ, trấu xử lý thiết bị phản ứng thủy nhiệt quy mơ phịng thí nghiệm Sau tiếp tục nghiên cứu quy mô pilot thiết bị cấp nước áp suất cao Thiêt bị thủy nhiệt Trường Đại học Tokyo (Nhật Bản) cung cấp Trong khoảng thời gian tháng 04/2007÷12/2009, Vũ Nguyên Thành thực đề tài: “Nghiên cứu công nghệ hệ thống thiết bị sản xuất bioethanol nhiên liệu từ phế phụ phẩm nông nghiệp (biomass)” với mục tiêu thiết kế quy trình cơng nghệ sản xuất bioethanol nhiên liệu từ phế phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ, lõi ngô, thân gỗ, bã mía…) mơ hình hệ thống thiết bị sản xuất bioethanol nhiên liệu từ phế phụ phẩm nông nghiệp nhằm triển khai áp dụng sở sản xuất (Vũ Nguyên Thành, 2010) Các nghiên cứu có sử dụng acid nhiệt độ cao để tiền xử lý thường sản sinh số chất gây ức chế hoạt động nấm men trình lên men tạo ethanol, điển hình Furfural HMF Chính vậy, nghiên cứu sau nên hạn chế sử dụng nhiệt độ cao thời gian dài tiền xử lý acid, phải tiến hành trình khử độc cho dịch thủy phân để đảm bảo nấm men không bị ảnh hưởng Ngày 6/4/2005, Sở Khoa Học Và Công Nghệ TP.HCM đồng ý hỗ trợ 30,000USD kinh phí ban đầu cho nhóm nghiên cứu đề tài nghiên cứu khoa học lĩnh vực Biomass giai đoạn 2005÷2007 Nhóm nghiên cứu TS Phan Đình Tuấn, trường Đại học Bách Khoa TP.HCM phụ trách Biomass đề tài nghiên cứu công nghệ xử lý phế phẩm sản xuất nông nghiệp rơm, rạ, trấu… nhằm sản xuất bioethanol, tiến tới xây dựng mơ hình “thị trấn biomass” xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, TP.HCM Sau gần năm thực hiện, nhà khoa học nghiên cứu, sản xuất thành công xăng sinh học từ rơm rạ chất thải có nguồn gốc cellulose (Hồng Hoa, 2014) 49 Tuy nhiên, khó khăn dự án giá thành xăng sinh học sản xuất từ rơm rạ cao, chi phí phân hủy cellulose rơm rạ lớn Quá trình tiêu tốn nhiều lượng, hiệu suất nồng độ đường tạo thấp, dẫn đến hiệu suất trình lên men nồng độ ethanol tạo thấp nhiều so với trình sản xuất ethanol từ tinh bột Nếu phân hủy cellulose hóa chất, giá thành thấp hơn, dung dịch đường tạo chứa lượng hóa chất, khơng thuận lợi cho việc lên men ethanol Do đó, dự án hướng đến mục tiêu khơng dùng hóa chất để phân hủy cellulose Chi phí tinh chế ethanol sau lên men vấn đề khó khăn, gây tốn mặt lượng, dù thành công việc sản xuất xăng sinh học từ rơm rạ, để thương mại hóa sản phẩm, nhà khoa học tiếp tục nỗ lực nghiên cứu nhằm hạ giá thành sản phẩm Trong năm 2001÷2004 PGS TS Ngơ Tiến Hiển ThS Nguyễn Thúy Hường phụ trách đề tài nhánh cấp nhà nước sản xuất ethanol nhiên liệu từ nguyên liệu rỉ đường khuôn khổ đề tài KC.07.14 “Nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ thiết bị chế biến số nông sản với quy mô vừa nhỏ” TS Vũ Thị Đào (Viện công nghiệp thực phẩm) làm chủ nhiệm Thành nhóm đề tài tìm phương pháp khử độc hiệu dịch rỉ đường, lựa chọn chủng giống nấm men điều kiện lên men thích hợp, chế tạo đưa vào vận hành hệ thống lên men liên tục dịch rỉ đường cho sản xuất ethanol với nồng độ ethanol dấm sau lên men 11,5% Mơ hình triển khai vào sản xuất Công ty Đường Hịa Bình với hệ thống lên men quy mơ 50 m3 Cũng có nhiều nghiên cứu q trình tiền xử lý kiềm lỗng đối tượng rơm, bã mía, gỗ, … Tương ứng với loại ngun liệu phải có khảo sát riêng biệt để tìm phương pháp tiền xử lý tối ưu cho loại nguyên liệu Hầu hết loại sinh khối nơng nghiệp thơng thường có chế độ tiền xử lý tối ưu Tuy nhiên đối tượng vỏ cà phê chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu Nhược điểm lớn sử dụng kiềm để tiền xử lý gặp phải khó khăn việc thu hồi lượng kiềm dịch sau thủy phân Ngồi việc sử dụng hóa chất địi hỏi dụng cụ thiết bị chịu nhiệt độ khả chịu ăn mịn cao Phương pháp khơng khuyến thích sử dụng quy mơ cơng nghiệp khả gây ô nhiễm môi trường tương đối nghiêm trọng Từ việc phân tích ưu nhược điểm nghiên cứu trước cho thấy, sử dụng riêng lẻ phương pháp tiền xử lý gặp phải khó khăn thuận lợi mà mang lại Vậy nên, điều xảy kết hợp hai hay nhiều phương pháp lại với nhau? Có thể khắc phục nhược điểm lẫn hay không? Hiệu cải thiện so với dùng phương 50 pháp riêng lẻ hay không? Nghiên cứu thực để tìm câu trả lời cho câu hỏi Trong nghiên cứu có kết hợp ba phương pháp tiền xử lý với tiền xử lý acid kết hợp kiềm kết hợp với vi sóng Khi kết hợp góp phần loại bỏ tốt hemicellulose lignin khỏi nguyên liệu từ tạo điều kiện thuận lợi cho enzyme cellulase thủy phân cellulose 51 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Phương tiện nghiên cứu 3.1.1 Địa điểm thời gian nghiên cứu Quá trình thực nghiệm, thu thập xử lý số liệu tiến hành tại: ❖ Bộ môn Công nghệ Thực phẩm – Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ❖ Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Nông nghiệp – Trường Đại học Cần Thơ ❖ Phịng thí nghiệm Phân viện Cơ điện Nông nghiệp Công nghệ Sau thu hoạch ❖ Thời gian thực đề tài từ tháng 11/2014 đến tháng 11/2018 3.1.2 Nguyên liệu hóa chất 3.1.2.1 Nguyên liệu Vỏ cà phê vối tươi (Coffea robusta) thu nhận xã Pơng Drang, huyện Krông Buk, tỉnh Đăk Lăk Thời gian thu nhận từ tháng 11 đến tháng dương lịch Quả cà phê chín có màu đỏ tươi, khơng bị dập, khơng bị mốc Quả cà phê tươi sau thu hái tiến hành cho vào thùng xốp có ướp thêm đá vận chuyển phịng thí nghiệm thời gian khơng q 12 Hình 3.1: Quả vỏ cà phê vối tươi 3.1.2.2 Hóa chất Một số hóa chất dùng nghiên cứu như: H2SO4: Độ tinh khiết > 98% (Himedia, Ấn Độ) Chất chuẩn: Caffeine, Tannic acid, D-Glucose (Sigma, Hoa Kỳ) Độ tinh khiết > 99% 52