rong nghiên cứu này, bốn mẫu sinh khối thải từ mía, sắn đã được thu thập, phân tích, những mẫu này được tiền xử lý bằng kỹ thuật popping, sau đó, được thủy phân bằng enzyme cellulase để lên men tạo cồn. Cấu trúc bề mặt của mẫu trước và sau quá trình tiền xử lý đã được chụp bằng kính hiển vi điện tử. Thí nghiệm được bố trí theo kiểu khối đầy đủ hoàn toàn ngẫu nhiên một yếu tố, hai lần lặp lại. Kết quả đã xác định được trong số bốn mẫu nghiên cứu, mẫu có hàm lượng cơ bản phù hợp nhất cho việc tạo cồn sinh học là mía cứng, mía mềm và bã sắn, nguyên liệu ít có triển vọng để làm cồn sinh học là thân sắn. Hình ảnh cấu trúc bề mặt của các nguồn sinh khối thải được chụp ở kích thước 500 µm, 100 µm, 50 µm và 10 µm đã cho thấy, sự thay đổi cấu trúc bề mặt sau quá trình tiền xử lý bằng kỹ thuật popping. Kỹ thuật tiền xử lý popping đã làm tăng hiệu quả của quá trình thủy phân bằng enzyme cellulase và hiệu quả nhất đối với nguyên liệu mía cứng, mía mềm, bã sắn. Còn thân sắn tỏ ra chưa hiệu quả.
TẠP CHÍ SINH HỌC 2014, 36(1se): 301-306 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MỘT SỐ LOẠI SINH KHỐI THẢI TỪ MÍA, SẮN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA KỸ THUẬT TIỂN XỬ LÝ NHẰM CHUYỂN HÓA THÀNH CỒN SINH HỌC Nguyễn Văn Vinh1*, Bùi Minh Trí2, Hyeun Jong Bae3 Trung tâm Khuyến nơng Hồ Chí Minh, *vinhnh_25@yahoo.com Trường Đại học Nơng Lâm Hồ Chí Minh Trường Đại học Quốc gia Chonnam, Hàn Quốc TÓM TẮT: Trong nghiên cứu này, bốn mẫu sinh khối thải từ mía, sắn thu thập, phân tích, mẫu tiền xử lý kỹ thuật popping, sau đó, thủy phân enzyme cellulase để lên men tạo cồn Cấu trúc bề mặt mẫu trước sau trình tiền xử lý chụp kính hiển vi điện tử Thí nghiệm bố trí theo kiểu khối đầy đủ hoàn toàn ngẫu nhiên yếu tố, hai lần lặp lại Kết xác định số bốn mẫu nghiên cứu, mẫu có hàm lượng phù hợp cho việc tạo cồn sinh học mía cứng, mía mềm bã sắn, nguyên liệu có triển vọng để làm cồn sinh học thân sắn Hình ảnh cấu trúc bề mặt nguồn sinh khối thải chụp kích thước 500 µm, 100 µm, 50 µm 10 µm cho thấy, thay đổi cấu trúc bề mặt sau trình tiền xử lý kỹ thuật popping Kỹ thuật tiền xử lý popping làm tăng hiệu trình thủy phân enzyme cellulase hiệu nguyên liệu mía cứng, mía mềm, bã sắn Cịn thân sắn tỏ chưa hiệu Từ khóa: Cồn sinh học, nhiên liệu sinh học, phế thải nông nghiệp, tiền xử lý, thủy phân MỞ ĐẦU Các dạng lượng sinh học quan tâm gồm hai nhóm dầu sinh học (biodiesel) cồn sinh học (bioethanol) Các nguyên liệu dùng để sản xuất ethanol bao gồm mía, ngơ, sắn (nhiên liệu sinh học hệ thứ nhất) khẳng định công nghệ hiệu kinh tế qui mô công nghiệp Tuy nhiên, ethanol sản xuất từ nguồn vật liệu sinh khối thải bã mía, bã sắn (nhiên liệu sinh học hệ thứ hai) dừng qui mơ nghiên cứu cịn tồn vấn đề liên quan đến giải pháp công nghệ hiệu kinh tế chưa giải triệt để Việc nghiên cứu sản xuất ethanol từ sinh khối, cụ thể từ nguồn phế phẩm nơng nghiệp bã mía, thân bã sắn xu hướng phù hợp đặc biệt với Việt Nam Nghiên cứu tiến hành nhằm đánh giá chất lượng nhóm nguyên liệu tìm giải pháp phù hợp chuyển hóa nguồn nguyên liệu thành cồn sinh học VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu mẫu bao gồm đại diện nhóm mía thân cứng (giống K88-65, thu thập Bình Chánh, thành phố Hồ Chí Minh), mía thân mềm (giống mía tím địa phương thu thập Ninh Sơn, Ninh Thuận), thân sắn (giống KM 140 thu thập tại Châu Đức, Bà RịaVũng Tàu) bã sắn sau trình chế biến tinh bột sắn (được thu thập Long Khánh, Đồng Nai) Mẫu sau làm khô kiệt, xay nhỏ bảo quản túi nylon Phân tích thành phần hóa học mẫu Thành phần hóa học (holocellulose, Klason lignin, chất chiết tro) nguyên liệu thô nguyên liệu tiền xử lý xác định với phương pháp chuẩn theo TAPPI (1992) Phân tích hàm lượng đường đơn ngun liệu thơ nguyên liệu tiền xử lý tiến hành sắc ký khí sử dụng hệ thống sắc ký CP-9100 (Chrompack, Hà Lan) Tiền xử lý kỹ thuật popping Hệ thống để tiền xử lý kỹ thuật popping bao gồm bình phản ứng hình trụ sắt tích lít, có nắp để đặt lấy nguyên liệu, tay xoay để đóng mở, gia nhiệt bếp gas đo nhiệt độ, áp suất bên lị phản ứng thơng qua xử lý 100g mẫu bổ sung thêm 300 ml nước để đạt độ ẩm 70-75% giữ giờ, sau cho vào lị phản ứng để tiền xử lý kỹ thuật 301 Nguyen Van Vinh, Bui Minh Tri, Hyeun Jong Bae popping Bình phản ứng gia tăng nhiệt độ từ 15 đến 20oC phút đến nhiệt độ áp suất bên bình phản ứng đạt tương ứng 220oC 15 kg fcm-1 Sau trình tiền xử lý kỹ thuật popping, mẫu nghiền để đạt kích thước từ 251-422 µm máy nghiền Willy gắn lưỡi thép không gỉ Thủy phân enzyme cellulase Enzyme sử dụng cho nghiên cứu cellulase (Sigma-Aldrich, St Louis, MO, Hoa Kỳ) từ nấm Trichoderma reesei Hoạt tính enzyme đo thông qua giấy lọc Whatman (1% trọng lượng/thể tích), CMC-Na (1% trọng lượng/thể tích), Avicel (1% trọng lượng/thể tích) xylan gỗ bạch dương (1% trọng lượng/thể tích) Thủy phân enzyme thực 1% trọng lượng khơ (trọng lượng/thể tích) chất ban đầu chứa ống hình nón (50 ml) Enzyme thủy phân thực 45°C với enzyme cellulase có hoạt lực 0,58 FPU/10 ul (FPU: filter paper unit) vòng 48 Việc định lượng đường khử glucose đo phương pháp acid dinitrosalicylic (DNS) Mô tả cấu trúc bề mặt mẫu Kính hiển vi điện tử quét (SEM) máy vi lực nguyên tử chép (AFM) sử dụng để nghiên cứu cấu trúc bề mặt mẫu trước sau tiền xử lý Mẫu chụp ảnh với kính hiển vi điện tử quét phát xạ (FE-SEM, JSM-7500F, Jeol, Nhật Bản) sử dụng điện áp kV Việc đo AFM thực cách sử dụng hệ thống AutoProbe CP (XE-100, hệ thống Park Inc, Hàn Quốc) Các hình thái mẫu chất lỏng trước sau tiền xử lý chụp ảnh cách sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM, JEM 1010, Jeol, Nhật Bản) phần siêu mỏng màu với 1% dung dịch KMnO4 gắn vào lưới không tráng niken KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Thành phần hóa học nguồn sinh khối thải trước tiền xử lý kỹ thuật popping Bảng Thành phần hóa học mẫu thu thập Nguồn sinh khối thải Mía cứng Mía mềm Thân sắn Bã sắn Holocellulose (%) 74,30±0,45 d 63,24±0,19 c 57,73±0,57 b 42,91±0,24 a Kết từ bảng cho thấy, hàm lượng hollocellulose loại ngun liệu biến thiên từ 42,91-74,30%, mía thân cứng (xem vật liệu nghiên cứu) có hàm lượng hollocellulose cao bã sắn có hàm lượng thấp Hàm lượng hollocellulose hai nguồn nguyên liệu mía sắn có khác biệt có ý nghĩa mặt thống kê Với công nghệ nay, lignin khơng thể chuyển hóa thành ethanol, vậy, ngun liệu có hàm lượng lignin cao có giá trị làm nguyên liệu sản xuất ethanol Kết bảng cho thấy, hàm lượng klason lignin loại nguyên liệu biến thiên lớn khoảng từ 10,14-20,91% Bã sắn có hàm lượng thấp nhất, thuận tiện trình chuyển 302 Klason lignin (%) 17,11±0,34 c 15,99±0,31 bc 20,91±0,06 d 10,14±0,27 a Chất trích ly (%) 10,73 10,10 4,87 0,82 Tro (%) 4,57 4,67 2,66 1,78 hóa tạo ethanol Kết phân tích thành phần loại sinh khối thải mía thân cứng, mía mềm, thân sắn bã sắn cho thấy, mẫu mía thân sắn có triển vọng việc sản xuất ethanol Ảnh hưởng tiền xử lý kỹ thuật popping đến thành phần hóa học, hàm lượng đường đơn cấu trúc bề mặt nguồn sinh khối thải Hình cho thấy, hàm lượng holocellulose mẫu nghiên cứu sau tiền xử lý kỹ thuật giảm so với nguyên liệu ban đầu từ 22,51-31,61% Điều chứng tỏ tiền xử lý kỹ thuật làm phân hủy cellulose hemicellulose mẫu Với áp suất TẠP CHÍ SINH HỌC 2014, 36(1se): 301-306 a80.00 N.liệu Sau popping Đối với tiêu chất tách chiết được, sau trình tiền xử lý, hàm lượng chất tách chiết mẫu nghiên cứu cao so với nguyên liệu ban đầu Điều cho thấy, q trình tiền xử lý, lượng cellulose, hemicellulose chất khác thành phần cấu trúc sinh khối thải bị phân hủy thành đơn phân (monomer) làm gia tăng hàm lượng chất tách chiết sau tiền xử lý hàm lượng tro bốn mẫu nghiên cứu gia tăng b 25.00 Hàm lượng klason lignin (%) Hàm lượng holocellulose (%) tiền xử lý 15 kg fcm-1, loại mẫu khác có mức phá hủy cấu trúc giảm hàm lượng holocellulose khác nhau, mẫu bã sắn giảm mạnh (31,61%) Khác với hàm lượng holocellulose, hàm lượng klason lignin sau tiền xử lý mẫu lại khác so với nguyên liệu ban đầu Đối với mía thân cứng thân sắn, sau tiền xử lý có hàm lượng klason lignin cao trước tiền xử lý, mía thân mềm bã sắn có hàm lượng klason lignin không thay đổi so với trước sau tiền xử lý 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 20.00 N.liệu Sau popping 15.00 10.00 5.00 0.00 0.00 Mía cứng Mía mềm Thân khoai mì Mía cứng Bã khoai mì 18.00 16.00 14.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 N.liệu Sau popping d 6.00 Thân khoai mì Bã khoai mì N.liệu Sau popping 5.00 Hàm lượng tro (%) Hàm lượng chất trích ly được(% ) c Mía mềm Nguồn sinh khối thải Nguồn sinh khối thải Mía cứng Mía mềm Thân KM Bã khoai mì Nguồn sinh khối thải 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 Mía cứng Mía mềm Thân KM Bã khoai mì Nguồn sinh khối thải Hình Thành phần hóa học có mẫu thu từ mía sắn trước sau tiền xử lý kỹ thuật popping a hàm lượng holocellulose; b hàm lượng klason lignin; c hàm lượng chất trích ly được; d hàm lượng tro Ảnh hưởng tiền xử lý kỹ thuật popping đến tiêu loại đường đơn mía cứng, mía mềm, thân sắn, bã sắn Bảng cho thấy, ba loại đường carbon (gồm rhamnose, arabinose xylose), hàm lượng đường xylose chiếm tỷ lệ cao Trong ba loại đường 6C (mannose, galactose glucose), glucose chiếm tỷ lệ cao Trong loại đường khảo sát, glucose chiếm tỷ lệ chủ yếu glucose có đơn phân (monomer), nguyên liệu chủ yếu tạo nên sinh khối thải, xylose đơn phân (monomer) cấu trúc nên hemicellulose Hàm lượng glucose có mẫu mía thân cứng, mía thân mềm, thân sắn bã sắn cao so với nguyên liệu ban đầu (bảng 2) Điều cho thấy, trình tiền xử lý xảy q trình phân hủy cắt mạch cellulose từ làm tăng hàm lượng đường glucose Đối với tiêu tổng hàm lượng đường đơn, tổng lượng đường đơn mía thân cứng, mía thân mềm, thân sắn bã sắn sau tiền xử lý cao so với nguyên liệu ban đầu 303 Nguyen Van Vinh, Bui Minh Tri, Hyeun Jong Bae Bảng Hàm lượng số đường đơn mẫu thu từ mía sắn trước sau q trình tiền xử lý Ngun liệu Mía cứng Mía mềm Thân KM Bã sắn NL 0,23 0,31 0,21 0,45 Rha (%) pop 0,23 0,20 0,29 0,40 NL 2,65 2,60 0,71 1,52 Ara (%) pop 1,02 1,31 0,58 1,03 NL 17,14±1,36bc 14,95±0,63b 6,60±0,33a 4,09±0,07a Xyl (%) pop 16,10±1,01cd 14,53±1,32c 8,07±0,13b 4,77±0,58a NL 0,45 0,39 1,04 0,83 Man (%) pop 0,47 0,42 0,99 0,68 NL 0,74 0,67 0,94 2,75 Gal (%) pop 0,56 0,88 0,90 1,96 NL 27,43±0,77ab 25,38±1,13ab 28,09±1,24b 36,48±1,13c Glu (%) pop 32,23±1,02b 29,64±0,70ab 30,58±0,59ab 37,66±0,75c NL 48,65 44,30 37,59 46,12 Tổng (%) pop 50,61 46,98 41,41 46,50 Rha rhamnose; Ara arabinose; Xyl xylose; Man mannose; Gag galactose; glu glucose; NL nguyên liệu trước tiền xử lý kỹ thuật popping; pop: nguyên liệu sau tiền xử lý a a b Kích thước 500 µm b Kích thước 50 µm a a b Kích thước 100 µm b Kích thước 10 µm Hình 2-5 Cấu trúc bề mặt mía thân cứng trước (a) sau trình tiền xử lý (b) Ảnh hưởng tiền xử lý kỹ thuật popping đến cấu trúc mía thân cứng, bã sắn Để nghiên cứu thay đổi cấu trúc siêu hiển vi mẫu sau trình tiền xử lý, mẫu chụp quan sát cấu trúc kính hiển vi điện tử Kết thể hình cho thấy, cấu trúc mía cứng có thay đổi qua hình ảnh chụp kích thước 500 µm, 100 µm, 50 µm, 10 µm trước sau tiền xử lý, đặc biệt rõ ràng quan sát kích thước 10 µm 304 Ở kích thước 500 µm 100 µm, mía thân cứng sau tiền xử lý có cấu trúc bị phá vỡ phần so với ban đầu (hình 2, 3) Ở kích thước 50 µm 10 µm, thay đổi cấu trúc bề mặt mía thân cứng rõ nét qua biểu nguyên liệu bị phá vỡ phần so với ban đầu (hình 4, 5) Bã sắn phần xơ lại lấy hết tinh bột củ sắn, trước tiền xử lý, bã sắn có cấu trúc dạng mạng lưới với lỗ trống TẠP CHÍ SINH HỌC 2014, 36(1se): 301-306 tinh bột bị lấy Mạng lưới sinh khối thải chằng chịt, làm cho cấu trúc bã sắn bền vững Sau tiền xử lý, kích thước bã sắn giảm đáng kể so với ban đầu, thể rõ kích thước 500 µm, 100 µm 50 µm, thể rõ kích thước 500 µm (hình 6) Ở kích thước 10 µm, cấu trúc bã sắn bị phá vỡ cách rõ ràng so với cấu trúc trơn láng nguyên liệu ban đầu (hình 9) a b Kích thước 500 µm b a Như vậy, cấu trúc bề mặt nguyên liệu mía cứng, bã sắn sau tiền xử lý thay đổi rõ so với ban đầu Các nguyên liệu bị phá vỡ có tiểu phần có kích thước nhỏ thành phần bao bọc cellulose hemicellulose lignin bị phá vỡ tạo thuận lợi cho việc thủy phân enzyme giai đoạn sau a b Kích thước 100 µm b a Kích thước 50 µm Kích thước 10 µm Hình 6-9 Cấu trúc bề mặt bã sắn trước (a) sau trình tiền xử lý (b) a b Hình 10 Hàm lượng đường glucose mẫu thu từ mía sắn trước (a) sau tiền xử lý (b) sau 24 48 thủy phân enzym cellulase Ảnh hưởng thủy phân enzym cellulase đến hàm lượng glucose mía cứng, mía mềm, thân sắn, bã sắn glucose tăng lên sau trình thủy phân enzyme cellulase cắt đứt liên kết β1-4 glucosid từ cellulose giải phóng glucose Hình 10 cho thấy, hàm lượng đường glucose mía thân cứng, mía thân mềm, thân sắn bã sắn sau thủy phân enzym cellulase cao hẳn so với mẫu không thủy phân khác biệt có ý nghĩa thống kê mức p=0,05 Hàm lượng đường Khi thủy phân enzym cellulase, hàm lượng đường glucose từ mẫu tiền xử lý cao hẳn so với mẫu không tiền xử lý (có ý nghĩa thống kê mức p=0,05) Trong đó, mía thân cứng, mía thân mềm, thân sắn bã sắn có hàm lượng 305 Nguyen Van Vinh, Bui Minh Tri, Hyeun Jong Bae glucose trước sau tiền xử lý thời điểm 24 có sử dụng enzyme tương ứng 1,73-3,50 mg/ml; 2,70-3,30 mg/ml; 1,25-2,45 mg/ml 1,90-4,25 mg/ml Điều cho thấy, trình tiền xử lý làm thay đổi cấu trúc nguyên liệu, làm tăng diện tích tiếp xúc enzyme cellulose, dẫn đến làm tăng hiệu thủy phân enzym Cũng theo hình 4, tác động thủy phân nguyên liệu enzyme cellulase xảy sau 24 Khi tăng thời gian thủy phân, hàm lượng đường glucose nguyên liệu tăng ý nghĩa thống kê mức p=0,05 TÀI LIỆU THAM KHẢO Michener B., Scarlata C., Hames B., 2005 Biomass analysis technology team, laboratory analatical procedure Program Biomass of NREL of the U.S Sluiter A., Hames B., Hyman D., Payne C., Ruiz R., Scarlata C., Sluiter J., Templeton D., Wolfe J., 2008 Determination of total solids in biomass and total dissolved solids in liquid process samples National Renewable Energy Laboratory of the U.S (NREL/TP-510-42621) TAPPI, 1992 TAPPI Test Methods TAPPI, Atlanta Georgia, USA KẾT LUẬN Kết xác định số mẫu sinh khối thải nơng nghiệp nghiên cứu, mẫu có hàm lượng phù hợp để chuyển hóa tạo cồn sinh học mía thân cứng, mía thân mềm, thân sắn bã sắn Hình ảnh cấu trúc bề mặt nguồn sinh khối thải cho thấy có thay đổi cấu trúc bề mặt sau trình tiền xử lý kỹ thuật popping Kỹ thuật tiền xử lý popping làm tăng hiệu trình thủy phân enzyme cellulase hiệu nguyên liệu bã sắn, mía cứng mía mềm, riêng nguyên liệu thân sắn tỏ chưa hiệu Wi S G., Chung B Y., Lee Y G., Yang D J., Bae H J, 2011 Enhanced enzymatic hydrolysis of rapeseed straw by popping pretreatment for bioethanol production Bioresource Technology, 102: 5788-5793 Wood T M., Bhat K M., 1988 Methods for measuring cellulase activities In: Wood, W A., Kellogg, S T (Eds.), Methods Enzymol Academic Press, Inc., London, 160: 87-112 QUALITY ASSESSMENT OF BIOMASS RESIDUES FROM SUGAR CANE, CASSAVA AND THE EFFICACY OF PRETREATMENT TECHNIQUE TO CONVERSE INTO BIOETHANOL Nguyen Van Vinh1, Bui Minh Tri2, Hyeun Jong Bae3 Agricultural Extension Center of Ho Chi Minh city, Nong Lam University, Ho Chi Minh city Chonnam National University, Korea SUMMARY The aim of this research was to assess the quality of four agricultural waste biomass from sugar cane and cassava in Vietnam, the effect of pretreatment technique and the effect of cellulase enzyme in hydrolysis process to transform them into bioethanol The agriculture biomass residues samples were collected, analysed, treated physically with popping technology The treated samples then hydrolised using cellulase enzyme then fermented to produce ethanol Surface structure of samples before and after the pretreatment were obtained by scanning electron microscopy The result indicated that agricultural waste biomass from sugarcane and cassava pulp possessed component were highly favorable for bioethanol production In contrast, the component from cassava sterm was not favorable for bioethanol production Images of surface structures shot in 500 µm, 100 µm, 50 µm and 10 µm resolution of lignocellulose materials showed obviouly change of surface structure after popping pretreatment Keywords: Bioethanol, biofuel, enzymatic hydrolysis, popping pretreatment, waste biomass Ngày nhận bài: 15-7-2013 306