Nghiên ứu á điều kiện thủy phân rong lụ bằng hế phẩm enzym ứng dụng trong sản xuất ồn nhiên liệu

Trang 1 --- LA THỊ ANNGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN THỦY PHÂN RONG LỤC BẰNG CHẾ PHẨM ENZYM ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬTCÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Trang 2 --- LA

LỜI CAM ĐOAN

Học viên: La Thị An

Nơi đào tạo: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm

Người hướng dẫn : PGS TS Nguyễn Thanh Hằng

Tên luận văn: Nghiên cứu các điều kiện thủy phân rong lục bằng chế phẩm enzym ứng dụng trong sản xuất cồn nhiên liệu

Nội dung cam đoan:

Tôi xin cam đoan, trong suốt quá trình nghiên cứu luận văn thạc sĩ, dưới sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của giáo viên hướng dẫn Tôi đã tiến hành nghiên cứu luận văn một cách trung thực, toàn bộ nội dung trong báo cáo luận văn được tôi trực tiếp thực hiện Tất cả các nghiên cứu không sao chép từ các báo cáo khoa học, luận văn tiến sĩ, thạc sĩ hay sách của bất cứ tác giả nào

Xác nhận của giáo viên hướng dẫn

Hướng dẫn

PGS TS Nguyễn Thanh Hằng

Học viên

La Thị An

Cuối c ng, tôi muốn b y tỏ ng cảm ơn gia đ nh, bạn b , đồng nghiệp đã độù à lò ì è ng

viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn.

viên Học

LA THỊ AN

M ỤC ỤC L

L ỜI CAM ĐOAN I

L I C Ờ ẢM ƠN II

M C L C III Ụ Ụ DANH M C B NG V Ụ Ả DANH M C CÁC HÌNH V Ụ Ẽ VÀ ĐỒ TH VI Ị

M Ở ĐẦ U 1

CHƯƠNG I: TỔ NG QUAN 3

1.1 Sự phát triển ethanol từ nguyên liệu rong biển 3

1.1.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất ethanol từ rong biển 3

1.1.2 Triển vọng về phát triển nhiên liệu sinh học ở Việt Nam 5

Tình hình nghiên cứu trong nước: 6

1.2 Nguyên liệu sản xuất ethanol từ rong biển 8

1.2.1 Thành phần hóa học của các loại rong biển 8

1.2.2 Tiềm năng từ nguồn nguyên liệu rong biển 9

1.3 Công nghệ sản xuất ethanol từ rong biển 11

1.3.1 Sơ đồ sản xuất ethanol từ rong biển 11

1.3.2 Quá trình tiền xử lý 12

1.3.3 Quá trình thủy phân rong biển 12

1.3.4 Quá trình lên men dịch thủy phân rong biển 19

CHƯƠNG 2: VẬ T LI ỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NG HIÊN C U 20 Ứ 2.1 Vật liệu 20

2.1.1 Rong Chaetomorpha sp., Ngành Chlorophyta, Lớp Ulvophyceae, Bộ Cladophorales, Họ Cladophoraceae 20

2.1.2 Enzym 20

2.2 Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 20

2.3 Phương pháp phân tích 21

2.3.1 Xác định độ ẩm 21

2.3.2 Xác định tro (khoáng) 21

2.3.3 Xác định hàm lượng nitơ và protein 21

2.3.4 Xác định hàm lượng lipid 21

2.3.5 Xác định hàm lượng carbohydrat tổng số của sản phẩm sau thủy phân 21

2.3.6 Xây dựng đường chuẩn cho phương pháp phân tích Dubois 23

2.4 Phương pháp nghiên cứu 24

2.4.1 Xử lý sơ bộ 24

2.4.2 Tiền xử lý 24

2.4.3 Thủy phân enzyme 25

2.5 Phương pháp toán học 26

2.6 Thống kê số liệu 27

CHƯƠNG III: KẾ T QU NGHIÊN C U 28 Ả Ứ 3.1 Thành phần hóa học của rong Chaetomorpha sp 28

3.2 Khảo sát khả năng thủy phân rong lục bằng các enzyme Cellulase và enzyme Viscozyme 28

3.3 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ enzym đến quá trình thủy phân rong lục bởi enzyme Viscozyme L 29

3.4 Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến quá trình thủy phân 30

3.5 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến quá trình thủy phân rong lục 31

3.6 Khảo sát ảnh hưởng pH đến quá trình thủy phân rong lục 32

3.6 Tối ưu hóa điều kiện thủy phân rong Chaetomorpha sp.để thu nhận dịch thủy phân có hàm lượng đường cao 33

K T LU N VÀ KI N NGH 40 Ế Ậ Ế Ị TÀI LI U THAM KH O 41 Ệ Ả

PH L C 46 Ụ Ụ

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các công ty đang tham gia sản xuất nhiên li u sinh hệ ọc từ rong bi n 4 ểBảng 1.2 : Di n tích nuôi và sệ ản lượng rong biển t i thạ ời điểm khảo sát (2009) và dự kiến đến năm 2015 7

B ng 1.3: Thành ph n hóa hả ầ ọc của các loại rong bi n [24] 8 ể

Bảng 1.4: So sánh năng suất nuôi tr ng cồ ủa các nguồn sinh kh i 10 ố

B ng 1.5 Thành ph n hóa h c rong biả ầ ọ ển và đường t o thành b i th y phân cạ ở ủ ủa các loài rong bi n 13 ể

B ng 1.6: B ng các y u t ả ả ế ố ảnh hưởng đến quá trình th y phân b ng acid 17 ủ ằ

B ng 1.7: B ng các y u t ả ả ế ố ảnh hưởng đến quá trình th y phân b ng enzyme 18 ủ ằ

B ng 2.1: Các mả ức nồng độ đường glucose pha loãng và giá tr ị OD tương ứng đo

tại bước sóng 490 nm 23

B ng 3.1: Thành ph n hóa h c rong Chaetomorpha sp 28 ả ầ ọ

B ng 3.2: K t qu th y phân rong Lả ế ả ủ ục của hai loại enzyme Viscozyme L và

Cellulase 29

B ng 3.7: Ma trả ận thực nghi m 35 ệ

B ng 3.8: K t qu mô hình h i quy tuy n tính trên excel 35 ả ế ả ồ ế

B ng 3.9: K t qu tíả ế ả nh bước chuyển động ( j) c∆ ủa các yế ốu t 36

B ng 3.10: Tả ối ưu hóa điều ki n th y phân rong theo Box-wilson 37ệ ủ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ ả s n xu t ethanol t rong bi n 11 ấ ừ ểHình 2.1: L p biậ ểu đồ đường chu n t ẩ ừcác kết qu ả đo được của mẫu chuẩn 23 Hình 2.2: Ph màu cổ ủa dịch đường chuẩn và các mẫu thí nghiệm xác định theo phương pháp Dubois 24 Hình 2.3: Sơ đồ ử x lý và th y phân rong bi n 26 ủ ểHình 3.1 Ảnh hưởng nồng độ enzym đến quá trình thủy phân 30 Hình 3.2 Ảnh hưởng thời gian đến quá trình th y phân 31 ủHình 3.3: Ảnh hưởng c a nhiủ ệt độ đế n quá trình thu phân 32 ỷHình 3.4: Ảnh hưởng của pH đến quá trình thu phân 33 ỷHình 3.5: Sơ đồ ử x lý và th y phân rong bi n 39ủ ể

Nước ta nằm ở vùng nhiệt đới gió mùa Đông Nam châu Á với hệ thống sông suối dày đặc cùng với trên 3260 km bờ biển, 3000 đảo và quần đảo và hệ sinh thái điển hình trong vùng nước thềm lục địa rộng lớn như các rạn san hô, rừng ngập mặn, chuỗi đầm phá ven biển, các hệ cửa sông, chúng là nơi sinh sống và phát triển của hàng vạn các loài thủy sinh vật Trong đó, rong tảo biển là đối tượng đang được thế giới quan tâm trong lĩnh vực sản xuất nhiên liệu sinh học nhằm thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt R ong tảo biển có chứa các thành phần hóa học quan trọng như: chất khoáng vô cơ, lipid, protein, carbonhydrate, , đồng thời đa dạng về chủng loại, phong phú về sản lượng, khả năng sinh sản và sinh trưởng nhanh

Hiện nay trên thế giới đang trong giai đoạn nghiên cứu và sử dụng rong tảo biển sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba (thế hệ thứ nhất là đường, bột ngũ cốc; thế hệ thứ hai là bã mía đường, các sản phẩm phụ của nông nghiệp, phế thải của gỗ, ) Rong tảo biển không có lignin vì vậy có thể xem rong tảo biển là vật liệu

dễ phân giải thành glucose hơn các thực vật trên cạn, đặc biệt hàm lượng carbonhydrate trong một số loài rong rất cao từ 40% - 79,4% (Gelidium amansi) và hiệu suất chuyển hóa của quá trình lên men ethanol khoảng 70% Do đó, rong tảo biển đang được biết đến như là nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất nhiên liệu sinh học của thế hệ nhiên liệu sinh học thứ ba Bên cạnh đó, rong biển có sản lượng

tự nhiên lớn, vòng đời sinh trưởng ngắn, dễ thu hoạch, giá thành rẻ và đặc biệt là không cạnh tranh với đất nông nghiệp và không sử dụng nước ngọt

Mục đích: Nghiên cứu các điều kiện thủy phân rong lục bằng chế phẩm enzym ứng

dụng trong sản xuất cồn nhiên liệu

Đối tượng nghiên cứu: Rong lục Chaetomorpha sp

Phạm vi nghiên cứu: Xác định các thông số công nghệ thủy phân rong lục bằng chế phẩm enzym

Ý nghĩa khoa học của đề tài

Góp phần tìm nguồn nguyên liệu mới thay thế cho các nguồn nguyên liệu phổ biến trong sản xuất bioethanol hiện nay đang ảnh hưởng đến an ninh lương thực và chất đốt

Giải quyết vấn đề kỹ thuật trong sản xuất ethanol nhiên liệu từ rong lục

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Sự phát triển ethanol từ nguyên liệu rong biển

1.1.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất ethanol từ rong biển

Tại Nhật, dự án Sunrise [13] sản xuất biethanol từ rong biển Sargassum được nuôi trồng ở ngoài biển Nhật Bản Kế hoạch của họ bắt đầu vào năm 2012 , phát triển công nghệ nuôi rong biển vào năm 2016 và thiết lập một quy trình sản , xuất khoảng năm 2020

Tại Na Uy, dự án sản xuất ethanol và các sản phẩm Lipids, Proteins, Iodine

từ rong biển theo quỹ tài trợ của BAL’s R&D bắt đầu từ cuối năm 2010

Tại Hàn Quốc, dự án 275 triệu USD trong 10 năm để sản xuất 400 triệu gallon vào năm 2020 xấp xỉ 13% nhu cầu tiêu thụ trong nước Dự án sẽ nuôi trồng rong biển trên diện tích 8.600 ha

Dự án giữa Indonesia và Hàn Quốc phát triển nhiên liệu sinh học dựa trên các nguồn nguyên liệu rong biển của Indonesia và sử dụng công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học của Hàn Quốc [43] Tương tự một dự án giữa chính phủ Philippin và Viện Kỹ thuật công nghệ Hàn Quốc, đầu tư 5 triệu USD để trồng 250 acre rong biển và sản xuất ethanol từ công nghệ Hàn Quốc

Dự án Sea Gardens Project của trường University of Costa Rica với tài trợ của World Bank để nuôi trồng rong biển sản xuất bioethanol [44]

Dự án Biomara, phối hợp giữa Hiệp hội Khoa học Biển Scotland và Liên minh châu Âu với sự điều hành của 2 chính phủ Ailen và Scotland, với mục tiêu sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba từ sinh khối tảo Đã đầu tư 8 triệu USD vào năm 2009, để đánh giá tiềm năng rong biển và chọn dòng miccroalgae để sản xuất quy mô công nghiệp

Tại Chile, dự án sản xuất ethanol từ rong biển của Chile giữa BioArchitecture Lab (BAL) với Công ty dầu khí ENAP và trường Đại học Los Angeles Đã đầu tư 5 triệu USD từ năm 2010 để sản xuất 165 triệu lít ethanol vào năm 2012

-Tại Ý, dự án giữa thành phố Venice JV và Nhà máy điện, đã đầu tư 200 triệu Euro để sản xuất 40 MW bằng nhiên liệu từ rong biển cung cấp cho 1/2 nhu cầu điện của thành phố và cảng.

Tại Mỹ, các công ty tham gia vào dự án Nghiên cứu Năng lượng sản xuấtnhiên liệu từ rong biển gần đây và đã được Oilgae (2010) thống kê vào danh sách các công ty tham gia sản xuất nhiên liệu sinh học từ rong biển Bảng ( 1.1)

Năm 2007, các nhà nghiên cứu của trường Đại học Công nghệ và Khoa học biển (Tokyo University of Marine Science and Technology), viện nghiên cứu Mitsubishi (Mitsubishi Research Institute), Viện Công nghiệp nặng (Mitsubishi Heavy Industries) có kế hoạch triển khai dự án mang tên “Ocean Sunrise Project”,

dự án sẽ thành lập nông trại rong biển và xây dựng nhà máy sản xuất ethanol từ rong biển Dự kiến sản xuất 5,3 tỉ gallons ethanol mỗi năm [13]

Ở Đan Mạch, các viện nghiên cứu và trường đại học như National Evironmental Research Institute (NERI), Technological University of Denmark (Rio DTU), Danish Technology Institute đã chuẩn bị dự án nghiên cứu tiềm năng sản xuất Ethanol từ rong lục Ulva sp

Ở Irael, với dự án kỹ thuật xanh “Green Technology”, đã sản xuất thành công ethanol từ rong biển và tính toán được rằng cứ 5 kg rong khô sẽ sản xuất được

1 lít nhiên liệu sinh học (Irael Seambiotic Ltd)

Bảng 1.1: Các công ty đang tham gia sản xuất nhiên liệu sinh học từ rong biển

Seaweed Energy Solutions (B ồ Đào

Nha)

Nuôi bi n và chuyể ển đổi thành khí ga và ethanol

Green Gold Algae and Seaweed

Sciences, Inc (M ) ỹ Nuôi ao đất chuyển đổi ethanol

Butamax Advance

Fuels-Dupont-BioArchitecture Lab-Statoil (M ) ỹ

Nuôi bi n rong B và chuyể ẹ ển đổi thành ethanol và butanol

Seambiotic Ltd (Ireland) Nuôi ao đất và s d ng khí COử ụ 2 t nhà máy ừ

điện- Irael Oil Fox (Pháp) S n xu t Biodiesel t rong bi n ả ấ ừ ể

Economic Development Corporation

(CORFO) and Bio-Architecture Lab

(BAL)-( Chilean)

S n xu t ethanol t rong bi n ả ấ ừ ể

Blue Sun Energy (M ) ỹ S n xu t nhiên li u máy bay ả ấ ệ

Holmfjord AS8 (Na Uy) S n xu t nhiên liả ấ ệu từ rong bi n ể

Sea Gardens Project at the University

of Costa Rica S n xu t nhiên liả ấ ệu từ rong bi n ể

D Sunrise (Nh t) ựán ậ S n xu t nhiên liả ấ ệu từ rong bi n ể Sargassum

1.1.2 Triển vọng về phát triển nhiên liệu sinh học ở Việt Nam

Tại Việt Nam việc phát triển nhiên liệu sinh học rất có triển vọng, nhiên liệu sinh học có thể làm nhiên liệu thay thế cho xăng dầu có nguồn gốc dầu mỏ Là một đất nước có nền nông nghiệp lâu đời, nên Việt Nam có nguồn sinh khối thực vật rất

đa dạng diện tích đất hoang hóa đồi núi còn nhiều Nhiều giống cây trồng tại Việt Nam có thể sử dụng làm nguyên liệu cho nhiên liệu sinh học ethanol như sắn, ngô, mía, ngũ cốc và nguồn sinh khối giàu cellulose , ngoài ra với điều kiện tự nhiên thích hợp đã du nhập được một số giống cây ngoại lai dùng làm cây nguyên liệu cho sản xuất diesel (cây cộc rào Jatropha), bên cạnh đó các sản phẩm phụ có nguồn gốc lipid của quá trình chế biến thủy sản cũng được sử dụng sản xuất nhiên liệu sinh học

Chính sách hổ trợ và phát triển nhiên liệu sinh học của nhà nước bao gồm nhiều đề án với các quyết định rõ ràng:

Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 (Quyết định 177/2007/QĐ TTg của Thủ tướng Chính phủ ngày 20/11/2007-

Quyết định 5368/QĐ BCT của Bộ Công thương ngày 6/10/2008 và Quyết định 2696/QĐ BCT ngày 29/5/2009 về việc phê duyệt danh mục các đề tài, dự án -

-để tuyển chọn -để thực hiện trong năm 2009, 2010 nhằm mục đích hiện thực hóa Đề

án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025

Quyết định 1842/QĐ-BNN-LN về phê duyệt Đề án “Nghiên cứu, phát triển

và sử dụng sản phẩm cây cọc rào (Jatropha curcas L.) ở Việt Nam giai đoạn

2008-2015 và tầm nhìn đến 2025

Thông tư liên tịch 147/2009/TTLT-BTC-BCT ngày 21/7/2009 Quy định chế

độ quản lý, sử dụng kinh phí ngân sách nhà nước thực hiện Đề án phát triển nhiên liệu sinh học

Sự đầu tư mạnh mẽ của các tập đoàn công ty nhà nước và các công ty tư nhân trong và ngoài nước Đi đầu trong lĩnh vực này là Tập đoàn Dầu khí quốc gia (PetroVietnam), bên cạnh đó còn có một số công ty Tổng Công ty Dầu Việt Nam, TNHH Nhiên liệu Sinh học Phương Đông, Công ty Cổ phần Nhiên liệu Sinh học Dầu khí miền Trung, Công ty Cổ phần Đồng Xanh, Công ty xuất khẩu cá da trơn Agifish, Tập đoàn Saigon Petro, Công ty đồ uống Sài Gòn (SABECO)

Tình hình nghiên cứu trong nước:

Nhóm nghiên cứu đề i về biomass, do tiến sĩ Phan Đ nh Tuấn, trường đại tà ì

học B ch Khoa TP.HCM phụ ch Biomass l đề i nghiên cứu công nghệ ửá trá à tà x lý

các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp như rơm, rạ, trấu nhằm sản xuất bioethanol, tiến đến xây dựng cơ sở ữ ệ d li u về ả s n xu t vấ à s dử ụng biomass t i xạ ã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, TP.HCM nhằm phục vụ cho việc thiết kế mô h nh biomass ì

tại Việt Nam Tuy nhiên hiện nay, đề i nghiên cứu đang ở giai đoạn thăm d , c tà ò ó

s phự ối hợp với trường đại học Tokyo v đại học sư phạm kỹà thuật Toyohasi, Nhật

b n, th i gian tri n khai 4/2005-3/2007 ả ờ ể

Năm 2004 phân Viện v t liậ ệu TP HCM đã nghiên c u th nh công công nghứ à ệ

sản xuất dầu biodiesl từ ỡ động vậ Trong đ m t ó nhóm nghiên cứu của tiến sĩNguyễn Đình Th nh đ ra mắt công nghệ ầu biodiesel từ ỡà ã d m cá ba sa, c tra tại á

t nh An Giang nh m gi i quyỉ ằ ả ết lượng m a ởthừ

Tại Việt Nam vấn đề nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối tảo

là hướng phát triển mới Hiện tại đã có một số phòng thí nghiệm tiến hành nghiên

cứu nhiên liệu sinh học từ tảo Phòng nghiên cứu tảo của Viện Công nghệ Sinh học

đã và đang nghiên cứu Diesel sinh học được sản xuất từ sinh khối vi tảo của Việt Nam

Ngoài ra còn có một nhóm nghiên cứu sản xuất biobutanol từ sinh khối rong Enteromorpha sp của Viện Sinh học Nhiệt đới Tuy vậy t t cấ ả các công nghệ ả s n

xuất nhiên liệu sinh học trong thời gian qua từ c nguồn nguyên liệu trên cũng chỉ cá

m i th c hiớ ự ện ở quy mô phòng thí nghi m ệ

Nước ta nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa Đông Nam với hệ thống sông suối dày đặc cùng với trên 3260 km bờ biển, 3000 đảo và quần đảo đã tạo ra hệ sinh thái ngập mặn có diện tích vô cùng lớn, điển hình hệ sinh thái rừng ngập mặn, chuỗi đầm phá ven biển, các hệ cửa sông Các hệ sinh thái này là môi trường thích hợp cho các đối tượng rong Lục phát triển Theo kết quả nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu đánh giá tiềm năng rong biển Việt Nam sử dụng làm nguyên liệu sản xuất ethanol nhiên liệu” của tác giả Lê Như Hậu, nguồn sinh khối rong biển được thể hiện ở bảng 1.2

Bảng 1.2 : Diện tích nuôi và sản lượng rong biển tại thời điểm khảo sát (2009) và dự

kiến đến năm 2015

Loài

Diện tích (ha)

Sản lượng(tấn khô)

Diện tích (ha)

Sản lượng(tấn khô)

Rong Lục có nguồn sinh khối dồi dào, có thành phần hóa học thích hợp cho

sản xuất ethanol, không cạnh tranh lương thực và chất đố vì vậy rong biển là nguồn t nguyên li u tiệ ềm năng cho sản xu t nhiên li u sinh hấ ệ ọc Nhằm tăng nhu cầu nhiên

liệu, và thực hiệ Đề án phát triển nhiên liệu sinh họ , việc nghiên cứu ethanol từn crong bi n là ể hướng nghiên c u mứ ới đầy tiềm năng

1.2 Nguyên li ệ u sản xuấ t ethanol t ừ rong biể n

1.2.1 Thành phần hóa học của các loại rong biển

Rong biển có hàm lượng polysaccharides cao có tiềm năng làm nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học (Bảng 1.2)

Bảng 1.3: Thành phần hóa học của các loại rong biển [24]

7-15%

2-5%

80-90%

- 4-57%

- 26-63% 2-40%

Tuy nhiên, thành phần này lại khác nhau giữa các loài rong biển: rong Nâu, Lục, Đỏ Điều này tạo ra một nhu cầu lựa chọn đối tượng nuôi trồng và các công nghệ liên quan Rong Lục có thành phần carbohydrat như thực vật bậc cao, gồm tinh bột và cellulose Rong Nâu và rong Đỏ có thành phần carbohydrat dưới dạng agar, carrageenan, alginate Lipid trong các loài rong biển thường ít hơn 5% so với khối lượng khô [29], quá thấp để chuyển đổi sang diesel sinh học, mặc dù hàm lượng lipid gần 20% được báo cáo ở một số loài [29] Do hàm lượng lipid thấp, nên chủ yếu dựa vào nguồn carbohydrat để sản xuất ethanol sinh học từ rong biển, sẽ tốt hơn sử dụng lipid của rong để sản xuất diesel sinh học [36]

Rong lục là ngành lớn nhất trong các ngành rong, hình dạng của chúng vô cùng phức tạp, có thể là đơn bào, tập đoàn hoặc đa bào Chúng có thể dạng monat, dạng hạt, palmella, dạng sợi dạng phiến,… kích thước biến thiên từ vài micro đến vài ba chục cm hay phiến to cả mét Hình dạng đa dạng để thích nghi cao với mọi

điều kiện môi trường nên rong Lục phân bố khắp mọi nơi Do vậy rong Lục là

nguồn nguyên liệu dễ tìm, dồi dào và vô cùng phong phú

1.2.2 Tiềm năng từ nguồn nguyên liệu rong biển

Ethanol là dạng năng lượng thu được từ quá trình lên men nguồn sinh khối thực vật của vi sinh vật Sinh khối có thể lấy từ nhiều nguồn khác nhau: đường (mía, củ cải đường…), tinh bột (bắp, khoai tây,…), cây gỗ (gỗ mục, rơm rạ, giấy, ) Thông thường phần lớn sinh khối sử dụng để lên men rượu là đường và tinh bột Tuy nhiên, đường và tinh bột được sử dụng làm thực phẩm, vì vậy nguồn sinh khối này khi sử dụng để sản xuất nhiên liệu sẽ ảnh hưởng đến nhu cầu thực phẩm Kết quả là sản xuất đắt đỏ, sẽ không khả thi về kinh tế Hơn thế nữa, việc trồng trọt cần đòi hỏi một lượng lớn hoá chất nông nghiệp, phân bón, làm cho môi trường đất bị

ô nhiễm

Để lựa chọn một nguyên liệu mang tính ổn định và có hiệu quả kinh tế, giá cả của nhiên liệu sinh học phải cạnh tranh với nhiên liệu hiện tại thì sinh khối từ rong biển đã được chọn 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) Quá trình sản xuất -

và chế biến rong biển dễ hơn nhiều so với gỗ Điều kiện môi trường trồng trọt để rong biển sinh trưởng và phát triển đơn giản hơn so với thực vật trên cạn Rong biển phát triển rất nhanh (4 6 lần thu hoạch/ năm) nằm trong vùng nhiệt đới và 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,…Sử dụng rong biển trong quá trình sản xuất cồn sinh học đơn giản hơn

Một kết quả so sánh dưới đây chứng minh sản xuất cồn sinh học từ rong biển thuận lợi hơn so với thực vật trên cạn

Bảng 1.4: So sánh năng suất nuôi trồng của các nguồn sinh khối

Thực vật trên cạn Thực vật biển

Nguyên liệu thô Đường, bắp, các

loại củ Gỗ mục, giấy Các loài rong biểnThời gian thu hoạch 1-2 lần/ năm Ít nhất 8 năm 4-6 lần/ năm

Ánh sáng, CO2, thuỷ lợi, đất, phân bón

Ánh sáng, CO2, thuỷ lợi, đất, phân bón

Ánh sáng, CO2, nước biển

Qua bảng 1.3 cho thấy 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) Quá trình sản xuất và chế biến rong biển dễ hơn -nhiều so với gỗ Điều kiện môi trường trồng trọt để nguồn rong biển sinh trưởng và phát triển cần ít yếu tố hơn nhiều so với thực vật trên cạn Cụ thể rong trồng tự nhiên không cần bón phân và tưới nước Theo nghiên cứu rong biển có khả năng ứng dụng rất cao trong y học, thực phẩm, nhiên liệu sinh học, chiết rút, phân bón [24]

Theo đánh giá tác giả Lê Như Hậu (2011) 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

xuất cao, mang lại lợi nhuận cao cho người trồng rong Rong là nguồn nguyên liệu

lý tưởng để sản xuất bioethanol

Công nghệ cho việc sản xuất năng lượng từ nguồn nguyên liệu sinh khối biển đơn giản Các phương pháp xử lý nguyên liệu đơn giản, không yêu cầu kỹ thuật phức tạp, Công nghệ này đầu tư trang thiết bị ít tốn kém, hiệu suất ổn định, chất lượng tinh sạch cao

1.3 Công nghệ sản xuất ethanol từ rong biển

1.3.1 Sơ đồ sản xuất ethanol từ rong biển

Hình 1.1 Sơ đồ sản xuất ethanol từ rong biển

Rong biển là thực vật bậc thấp có cấu tạo tế bào đơn giản, nên quá trình xử lý và thủy phân rong biển không phức tạp như các nguồn sinh khối thực vật khác Thông thường quá trình xử lý thủy phân rong biển theo các tác giả[17], [34] như sau:

Rong biển tươi sau thu hoạch được loại tạp, loại muối sau đó rong được sấy khô mang lưu giữ chuẩn bị cho quá trình thủy phân

Rửa mặn

và lọc tạp Cắt/nghiền nhỏ Xử lý sơ bộ (axit)

Thủy phân

Dịch đường Lên men

Trước khi thủy phân rong được xử lý cơ học, xay nghiền nhằm làm nhỏ kích thước rong giúp cho quá trình thủy phân diễn ra dễ dàng.

Thủy phân là quá trình phân hủy các polysaccharid thành các oligomonosaccharid Quá trình này được tiến hành dưới xúc tác của nhiệt độ cao kết hợp với hóa học (axit, base), hoặc sinh học (enzym)

-Kết quả của quá trình thủy phân tạo ra hỗn hợp dung dịch đường và bã rong

1.3.2 Quá trình tiền xử lý

Sau thu hoạch, rong biển được tiền xử lý và thủy phân Hầu hết các dạng sinh khối phải được xử lý trước khi ứng dụng sản xuất nhiên liệu sinh học Bước đầu tiên của tiền xử lý là loại bỏ sơ bộ các mảnh vụn như đá, cát, ốc, hoặc rác có trong sinh khối thường thao tác bằng tay hoặc rửa [ ]15 Sau đó, sinh khối được xay nhỏ giảm diện tích bề mặt giúp nâng cao hiệu quả của quá trình thủy phân [ ]36 Cuối cùng, sinh khối được làm mất nước 20-30% để kéo dài thời gian bảo quản vàgiảm chi phí vận chuyển trong trường hợp phải được bảo quản trong thời gian dàihoặc vận chuyển trên quãng đường dài trước khi tiếp tục xử lý[ ]15 [ ], 36

1.3.3 Quá trình thủy phân rong biển

Sau khi tiền xử lý, quá trình thủy phân sinh khối rong biển được diễn ra, các dạng polysaccharid bị thủy phân thành monosaccharid làm nguyên liệu cho quá trình lên men Rong biển được thủy phân bằng hai phương pháp chính gồm thủy phân bằng axit loãng và thủy phân bằng enzyme

Nghiên cứu thứ nhất cho thấy carbohydrat rong biển của cả ba loại rong (Nâu, Đỏ, và Lục) được thủy phân một cách hiệu quả để tạo ra monosacarit bởi axit

H2SO4loãng ở nhiệt độ cao [18].Bốn yếu tố quan trọng cho tối ưu quá trình đường hóa trong quá trình thủy phân acid sulfuric được xác định là (i) nhiệt độ phản ứng, (ii) thời gian phản ứng, (iii) nồng độ acid , và (iv) khối lượng rong biển

Nghiên cứu thứ hai cho thấy khi tiền xử lý NaCl trong rong (Gelidium amansii) có thể cải thiện hiệu quả của quá trình thủy phân bằng enzyme (cellulase, xylanase , and β glucosidase) và hàm lượng đường của dịch thủy phân tăng 5% so với các mẫu không xử lý trước [19]

Nghiên cứu thứ ba chứng minh hiệu quả của việc kết hợp tiền xử lý bằng axit sau đó thủy phân bằng enzym trong đường hóa rong biển, tạo thành sản lượng đường khử tối đa 0,566 g/g của rong G amansii và 0,376 g/g của rong Laminaria japonica[20]

Bảng 1.5 Thành phần hóa học rong biển và đường tạo thành bởi thủy phân của các

loài rong biển

Thành

phần loài

Ngàn

h rong

Thành phần Carbo- hydrate

Tổng Carbo hydrat (%)

Lipid (%)

Pro tein (%)

tro (%)

Hiệu suất đường thủy phân

Thành phần đường

Tham khảo

Gelidium

amansii

Rong Đỏ

Agar, Carrageenan, Cellulose

75,2 0,6 18,5 5,7 34,6 Glucose

, Galac tose

46 Gelidium

Laminar n, Mannitol, Alginate, Fucoidan, Cellulose

51,9 1,8 14,8 31,5 37,6 Glucose

,Mannit

ol

20 Laminaria

Tinh bột, cellulose 54,3 6,2 20,6 18,9 19,4

Glucose

20 Ulva

Trung Quốc nghiên cứu sản xuất cồn sinh học từ loài Gracilaria salicornia Sinh khối của loài Gracilaria salicorniađược thủy phân trong điều kiện H 2SO4 2%, trong

30 phút ở nhiệt độ 120o C, hiệu suất của quá trình thủy phân 4,3 g glucose/kg rong tươi Ngoài ra sinh khối Gracilaria salicornia còn được thủy phân bằng enzym cellulase và có hiệu suất 13,8 g (glucose/kg rong tươi) cao hơn nhiều so với thủy phân bằng axit loãng Sau khi thủy phân dung dịch đường được lên men với Escherichia coli KO11, đây là loại vi khuẩn tái tổ hợp có khả năng lên men nguồn

cơ chất galactose, cho hiệu suất lên men 79,1g ethanol/1kg rong khô (100,2 ml ethanol/ 1kg rong khô) [38]

Trung Quốc còn nghiên cứu sản xuất cồn từ bả thải rong Laminaria japonicasau khi sản xuất aginate Bả thải được thủy phân bằng axit sunfuric và enzym cellulase và cellobiase sau đó lên men bằng chủng vi sinh vật Saccharose cerevisiae Điều kiện thủy phân và lên men, bằng axit với nồng độ 0; 0,1; 0,2; 0.5 and 1,0%(w/v) trong thời gian 30 phút, 1 giờ, 1.5 giờ và thủy phân bằng enzym tại điều kiện (500 C, pH 4,8, 48h) và lên men ở 300C trong 36 giờ Kết quả thu được sau thủy phân 277,5 g glucose/kg bã thải khô và hiệu suất lên men là 0,143 L ethanol/ 1kg bã thãi [16]

Nhật Bản cũng sử dụng rong lục để nghiên cứu sản xuất cồn Mẫu rong được thu rải rác tại Việt Nam, Thái Lan, Nhật bao gồm các chi Enteromorpha, Chaetomorpha, Cladophora, Caulerpa Sau đó xác định hàm lượng carbohydrat tổng số, và hàm lượng glucose của từng loài Các chi Enteromorpha, Chaetomorpha, Cladophora có hàm lượng glucose cao 180 335mg/g rong được sử -

lý ở nhiệt độ 120oC sau đó thủy phân với phức hệ enzym Acremonium cellulase Sau quá trình thủy phân rong được lên men với Saccharomyces cerevisiae IR-2 [19]

Đầu năm 2011 nhóm nghiên cứu của Mitsunori Yanagisawa của viện khoa học kỹ thuật Tokyo Nhật Bản đã đưa ra kỹ thuật sản xuất cồn từ rong (Ulva pertusaKjellman), (Alaria crassifolia Kjellman), and agar weed (Gelidium elegansKuetzing) Quá trình thủy phân các polysaccharid của các loại rong này được thực

hiện sau khi đã tiền xử lý với nhiệt 121oC trong 20 phút, sau đó rong được thủy phân bởi các nhóm enzym thủy phân cellulose (Avicel, Merck, Germany), thủy phân tinh bột (Starch, Sol uble, Wako Pure Chemical Industry Ltd., Japan), thủy phân B1,3- -glucan (Curdlan, Wako Pure Chemical Industry Ltd., Japan) Sau đó xác định hàm lượng carbohydrat tổng số, và hàm lượng glucose của từng loài bởi hệ thống HPLC Sau quá trình thủy phân rong được lên men với Saccharomyces cerevisiae IAM

4178 Sau quá trình lên men thu được 30,0 – 34,4 g/L (38,02 43,59 ml ethanol/L) – [31]

1.3.3.1 Thủy phân bằng axit

Dưới xúc tác của axit các polysaccharid của rong sẽ bị cắt nhỏ thành các oligo hoặc mono saccharid Axit chứa ion H+ có tác động trực tiếp đến polyme saccharid tại các liên kết mắt xích nối các mono sacchadid tạo ra các oligo hoặc mono saccharid Quá trình thủy phân rong của axit tạo ra hỗn hợp dung dịch đường cần cho quá trình lên men ethanol

Các dạng acid 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 các tác giả thường sử dụng acid H2SO4 với nồng độ dao động (0,1-5% V/V) kết hợp nhiệt độ cao (120-200oC)

1.3.3 2 Thủy phân bằng Enzym

Rong biển được tiền xử lý, trước khi được thủy phân bằng enzym Tiền xử lý rong nhằm đảm bảo khả năng tiếp cận của enzym đến các liên kết của các polysaccharid Quá trình tiền sử lý sinh khối rong biển phụ thuộc vào cấu trúc sinh học của mỗi loại rong Trong sản xuất ethanol đối tượng rong Nâu, Đỏ có quá trình tiền xử lý đơn giản hơn rong Lục

Sinh khối rong Đỏ Gracilaria salicornia được tiền sử lý trong acid H 2SO4

loãng 2% ở nhiệt độ 120oC trong 30 phút sau đó được đường hóa và lên men nhờ enzyme thủy phân và vi sinh vật [38]

Sinh khối rong Nâu Laminaria japonica, và Sargassum fulvellum được tiền sử

lý trong acid H2SO4 0,1-0,3 N ở nhiệt độ 120oC trong 20 phút, sau đó được thủy phân trong các loại enzym Celluclast 1.5L, Viscozyme L, Novoprime 959 [33] Sinh khối rong Lục có kết cấu vỏ tế bào bền vững hơn rong Nâu và rong Đỏ, nguyên nhân sản phẩm cellulose được tổng hợp từ rong Lục cao hơn các loại rong khác, do vậy quá trình tiền xử lý cho thủy phân bằng enzym phức tạp hơn Rong Lục Chaetomorpha linum được tiền sử lý ở nhiệt độ cao (180, 190, 200 oC trong 10 phút) sau đó sinh khối Chaetomorpha linum được oxi hóa trong nồng độ oxi 12 bars Ngoài ra một phương pháp xử lý khác, sinh khối Chaetomorpha linum được gây nổ bởi áp suất hơi ( 1,9 Mpa) sau đó được sử lý ở nhiệt độ 200-210oC trong 5 phút Phương pháp thứ ba cho sử lý sinh khối giàu cellulose sử dụng các bước sóng plasma trong thời gian (20 60 phút), điều kiện bước sóng (ø: 7 cm, length: 2 cm) -[29]

Sau quá trình tiền xử lý, rong Lục được thủy phân bởi nhóm enzym hydrolase

là phức hệ enzym cellulase được thu nhận từ giống 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 T reesei có khả năng sinh một loạt các enzym phân hủy cellulose thành đường và các cấu thành khác Hiện nay có nhiều nghiên cứu tập trung vào đánh giá và phát triển khả năng phân hủy một số chất ứcchế có trong dịch thủy phân nhằm tăng hoạt độ lên men của s cerevisiae và làm giảm chi phí cho các công đoạn khử độc dịch thủy phân Trong công đoạn sản xuất enzym, một loạt các gene sinh cellulase của Envinia chrysantheiììi, Acidothermus cellulolyticus đã được tách dòng và thế hiện Ngoài ra các vi sinh vật thuộc nhóm

sản xuất cellulase truyền thống như Clostriiỉium Cellulomonas Trichoderma,

Penicillium, Neurospora Fusarium, Aspergillus cũng đang được sử dụng

Nhóm phức hệ enzym này tác động đặc hiệu đến các polysaccharid bao gồm (arabinose, celluose, β glucan, hemicellulose, xylan) các polysaccharid này sẽ bị -enzym cắt tại các vị trí đặt hiệu tạo ra các sản phẩm olygosaccharid và các

monosaccharid (glucose, arabinose, xylose, manose) Đây là các loại đường đơn cần cho quá trình lên men ethanol của vi sinh vật.

1.3.3 3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân rong

Sau quá trình nuôi trồng và thu hoạch rong biển sinh khối phải được tiền xử ,

lý trước khi thủy phân Bước đầu tiên của tiền xử lý là để loại bỏ các yếu tố bên ngoài, cụ thể các mảnh vụn như đá, cát, ốc, hoặccác dạng chất rắn khác bám vào trong quá trình khai thác sinh khối quá trình này được thực hiện bằng các thao tác tay, sấy khô, rửa Sau

đó rong nguyên liệu được xay nhỏ để giảm kích thước bề mặt Tất cả bước tiền xử lý có tác động trực tiếp nâng cao hiệu quả của quá trình thủy phân

Sau khi tiền xử lý, thủy phân sinh khối rong biển là quá trình quan trọng đểtạo ra các dạng đường đơn nằm trong các cấu trúc polysaccharides, các đường đơn

là nguyên liệu quan trọng cho lên men Quá trình thủy phân sinh khối rong biển thường được tiến hành theo hai phương pháp, một là thủy phân rong biển bằng acid loãng, hai là thủy phân bằng enzym, trong đó hai quá trình này chịu tác động của nhiều yếu tố ảnh hưởng

Theo các nghiên cứu [9], [ 6], [38] 1 cho thấy carbohydrat rong biển của các ngành (nâu, đỏ, và xanh) được thủy phân hiệu quả để tạo ra monosacarit bởi acid loãng H2SO4ở nhiệt độ cao Bốn yếu tố quan trọng cho tối ưu đường hóatrong quá trình thủy phân acid H2SO4 loãng được xác định là nhiệt độ phản ứng thời gian , phản ứng nồng độ acid và khối lượng rong biển, ,

Bảng 1.6: Bảng các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân bằng acid

Thành phần

Khối lượng/thể tích

Thời gian (Phút)

Nhiệt độ

◦C

Nồng độ acid (% v/v) Tác giảGracilaria

salicornia sulfuric 1/20 30 120 2 (Wang2011) X, Cladophora

(Võ Thành Trung, 2011)

L japonica sulfuric 1/10 90 120 1 (Ge L , 2011)

Sinh khối rong biển có nhiều dạng poysaccharid phức tạp vì vậy quá trình thủy phân sinh khối này bằng enzym bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố Có hai giai đoạn chính tác động đến quá trình thủy phân bằng enzym là giai đoạn tiền xử lý và giai đoạn thủy phân

Trong giai đoạn tiền xử lý các tác giả thường sử dụng các phương pháp lý học, hóa học, cơ học tác động trực tiếp lên sinh khối rong biển

Các yếu tố quan trọng cho tối ưu đường hóa trong quá trình thủy phân bằng enzyme được xác định là nhiệt độ phản ứng thời gian phản ứng nồng độ enzyme, , ,

và khối lượng rong biển Theo nghiên cứu của tác giả [31] rong Lục Ulva lactucađược thủy phân bởi enzyme Meicelase có hoạt độ 17 Ui/g, thời gian thủy phân 120 giờ, t = 50oC Còn theo nghiên cứu của tác giả [29] rong Lục Chaetomorpha linum.được thủy phân bởi enzyme Celluclast 1.5 L có hoạt độ 15 Ui/g, thời gian thủy phân

24 giờ, t = 50oC, pH = 4.8

Bảng 1.7: Bảng các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân bằng enzyme

Sinh khối Tiền xử

lý Enzyme (rong Tỷ lệ

khô/thể tích dịch)

Liều dùng pH Tác giả

Celluclast 1.5 L 100g/L UI/g 5,5 15

(Nadja Schultz-Jensen, 2013) Ulva lactuca

Citric 0,1M,

121oC,30 phút

Meicelase 66g/L UI/g 17 4,5 Yanagisawa, (Mitsunori

2011)

1.3.3.4 Một số enzym sử dụng cho quá trình thủy phân rong biển

Nhóm phức hệ enzym sử dụng cho quá trình thủy phân rong biển tác động đặc hiệu đến các polysaccharid bao gồm arabinose, celluose, -β glucan, hemicellulose, xylan Các polysaccharid này sẽ bị enzym cắt tại các vị trí đặ hiệu tạo ra các sảc n phẩm olygosaccharid và các monosaccharid (glucose, arabinose, xylose, manose)

- Tên thương phẩm Visocozyme L có mã số (V2010-50ml) được thu nhận từ giống nấm mốc Aspergillus sp của hãng Sigma Enzym này tác động đặc hiệu đến các polysaccharid bao gồm arabinose, celluose, B-glucan, hemicellulose, xylan Hoạt độ: 1000 UI/g chất khô.

Visocozyme L là enzym có khả năng chịu nhiệt cao, hoạt động tốt pH 5.0, ở nhiệt độ 40-50oC

- Tên thương phẩm Cellulase có mã số ( C2605-50ml) được thu nhận từ giống nấm mốc spergillus sp của hãng Sigma Enzym này tác động đặc hiệu đến các Apolysaccharid bao gồm (celluose, hemicellulose)

Hoạt độ: 1000 UI/g chất khô

Cellulase là enzym hoạt động tốt pH 4,8-5,0, ở nhiệt độ 40-50oC

1.3.4 Quá trình lên men dịch thủy phân rong biển

Các dạng nhiên liệu sinh học lỏng như ethanol và butanol được sản xuất từ tảo là quá trình chuyển hóa sinh học các loại đường của sinh khối tảo bởi các tế bào

vi sinh vật như nấm men hoặc vi khuẩn Rong biển giàu carbohydrat nên được sử dụng lên men sản xuất nhiên liệu sinh học Quá trình sản xuất ethanol sinh học từ rong biển, bằng cách chuyển đổi sinh khối rong thành dịch đường sau đó dịch đường được lên men bởi các vi sinh vật

Trong các nhóm vi sinh vật sinh ethanol, nấm men Saccharomyces cerevisiaevẫn là vi sinh vật có ứng dụng rộng rãi nhất S cerevisiae có khả năng tích lũy tới 18% ethanol trong các môi trường có thành phần tương đối đơn giản Nấm men S cerevisiae có thể lên men nhiều đường đơn như glucose, manose đường đôi như sucrose, hoặc đường ba như raffinose Với năng lực lên men cao và là đối tượng được tìm hiểu kỹ nhất, nấm men S cerevisiae là ứng cử viên tiềm năng nhất cho công đoạn chuyển hóa glucose thành ethanol trong sản xuất cồn nhiên liệu từ sinh khối