Luận văn thạc sĩ Công nghệ sinh học: Sản xuất Bioethanol từ nguyên liệu lõi bắp

Tại hội nghị quốc tế về năng lượng do APEC tổ chức từ ngày 27-29 tháng 4 năm 2005 tại Canada, nhiên liệu sinh học đã được chọn để sử dụng cho ngành năng lượng cũng như giao thông vận tải

Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Vật liệu

Lõi bắp được lấy tại huyện Xuân Lộc (tỉnh Đồng Nai) Lõi bắp được rửa sạch, phơi khô và xay nhỏ đến kích thước khoảng 0.1 cm Nguyên liệu được bảo quản nơi khô ráo, nhiệt độ phòng và sử dụng trong vòng 4 tuần Độ ẩm của mẫu khoảng 10%

Enzyme Cellic Ctec2- enzyme thế hệ mới sử dụng cho nguyên liệu thế hệ thứ hai, được cung cấp bởi công ty Novozyme Đây là hỗn hợp các enzyme cellulase, hemicellulase và β-glucosidase Các đặc tính Cellic Ctec2:

 Dạng lỏng, màu nâu vàng

 Hoạt tính: 183.32 UI/g (theo phương pháp CMCase)

Nấm men S cerevisiae (chủng Thermosacc Dry Yeast) được cung cấp bởi công ty Brenntag Đây là nấm men đông khô, dạng hạt mịn, màu vàng; khả năng lên men ở nhiệt độ cao (38 o C), chịu được nồng độ đường và ethanol cao

Hình 3.1: Nấm men S cerevisiae thương mại Thermosacc Dry Yeast (dưới vật kính 40x)

Phương pháp nghiên cứu

Nguyên liệu lõi bắp trước khi đi phân tích được sấy khô 1-2 giờ trong lò sấy đến trọng lượng không đổi, ở nhiệt độ 90-105 o C

Các phương pháp phân tích được tiến hành:

 Xác định hàm lượng cellulose: nguyên tắc của Updegraff (1969)

 Xác định hàm lượng hemicellulose: phương pháp ASTM D1109- 84(2007)

 Xác định hàm lượng lignin: phương pháp lignin Klason cải tiến dựa trên phương pháp tiêu chuẩn ASTM D1106- 96(2007)

 Xác định hàm lượng tro

 Xác định hàm lượng ẩm

 Xác định hàm lượng đường khử: theo phương pháp Bertrand

 Xác định hàm lượng đường glucose và xylose: phân tích sắc ký khí (Chrompack application note 708 GC Varian)

 Xác định pH mẫu bã rắn: phương pháp TCVN 5979 : 1995

 Xác định mật độ tế bào nấm men: bằng buồng đếm hồng cầu

 Xác định hàm lượng ethanol: chưng cất và đo bằng tỉ trọng kế

Hình 3.2: Quy trình tiến hành thí nghiệm

Xử lý sơ bộ: cắt nhỏ, phơi khô

Tiền xử lý H2SO 4 loãng Tiền xử lý SAA Tiền xử lý nổ hơi nước

3.2.2.2 Quá trình tiền xử lý

Tiến hành ba quá trình tiền xử lý khác nhau, theo sơ đồ bên dưới

Sau quá trình tiền xử lý, hỗn hợp được lọc và thu bã rắn Phần bã sẽ rửa nước nhiều lần, sấy khô ở 40 o C đến độ ẩm khoảng 10% và bảo quản a) Tiền xử lý bằng dung dịch H 2 SO 4 loãng

Lõi bắp được xử lý ở điều kiện 121 o C, 1atm với tỉ lệ lõi bắp:dung dich acid là 1:10 (w/v) Tiền xử lý được tiến hành với các nồng độ H 2 SO 4 khác nhau 0.5, 1 và 2%; thời gian xử lý 30, 60, 90 và 120 phút b) Tiền xử lý bằng phương pháp SAA

Lõi bắp được ngâm trong ammonia dung dịch (SAA) 15% với tỉ lệ lõi bắp:ammonia dung dich là 1:10 (w/v) Quá trình được tiến hành với các nhiệt độ 30,

60 và 75 o C; thời gian xử lý 12, 24, 36 và 48 giờ c) Tiền xử lý bằng phương pháp nổ hơi nước

Lõi bắp dùng trong phương pháp này được cắt nhỏ, kích thước 1-2 cm Lượng lõi bắp sử dụng khoảng 200g Quá trình tiến hành với các nhiệt độ 201, 205,

211, 217 và 222 o C với cùng thời gian lưu 2 phút, lưu lượng nước 9 ml/s

Hàm lượng lignin Hàm lượng hemicellulose Hàm lượng đường khử Dịch lọc Acid H 2 SO 4 loãng Phương pháp NH 4 OH (SAA) Phương pháp nổ hơi nước

Hình 3.3: Quy trình tiền xử lý

Bảng 3.3: Các điều kiện tiền xử lý và số lượng mẫu tương ứng

Xử lý Điều kiện Mẫu Xử lý Điều kiện Mẫu

Lõi bắp không xử lý 0 NH 4 OH

Tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân

Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân

Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ nguyên liệu Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ enzyme Khảo sát sơ bộ: chọn phương pháp tiền xử lý thích hợp

Hình 3.4: Quy trình thủy phân

- 38 - a) Khảo sát chọn phương pháp tiền xử lý thích hợp

Bã rắn nguyên liệu sau quá trình tiền xử lý được pha trong dung dịch đệm acetate, pH 5.2, tỉ lệ bã/dung dịch đệm là 9% (w/v), tỉ lệ enzyme Cellic Ctec2/bã rắn là 5% (v/w), thời gian thủy phân 72 giờ ở 50 o C với chế độ lắc 150 vòng/phút b) Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân

Tiến hành thủy phân mẫu nguyên liệu đã tiền xử lý bằng SAA đã chọn với các điều kiện sau: tỉ lệ nguyên liệu/ thể tích đệm 9% (w/v), tỉ lệ enzyem/bã rắn 5% (v/w), pH 5.2, thời gian thủy phân 72 giờ ở 50 o C với chế độ lắc 150 vòng/phút

Lấy 1 ml mẫu dung dịch ở các thời điểm 1, 3, 24, 48 và 72 giờ đem phân tích hàm lượng đường khử c) Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ enzyme Cellic Ctec2

Tiến hành thủy phân mẫu nguyên liệu đã tiền xử lý với tỉ lệ enzyem/bã rắn khác nhau 3, 5, 7 và 9 % (v/w) Điều kiện thủy phân gồm: tỉ lệ nguyên liệu/ thể tích đệm là 9% (w/v), pH 5.2, thời gian thủy phân 48 giờ ở 50 o C với chế độ lắc 150 vòng/phút

Lấy 1 ml mẫu dung dịch ở các thời điểm 1, 3, 24 và 48 giờ đem phân tích hàm lượng đường khử d) Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ nguyên liệu

Tiến hành thủy phân mẫu nguyên liệu đã tiền xử lý với tỉ lệ nguyên liệu/thể tích đệm khác nhau 7, 9, 11, 13, 15, 17 % (w/v) Điều kiện thủy phân gồm: tỉ lệ enzyem/bã rắn 5% (v/w), pH 5.2, thời gian thủy phân 48 giờ ở 50 o C với chế độ lắc

Lấy 1 ml mẫu dung dịch ở các thời điểm 1, 3, 24 và 48 giờ đem phân tích hàm lượng đường khử e) Xác định hàm lượng glucose và xylose trong dịch thủy phân

Phân tích sắc ký khí được thực hiện giúp xác định cụ thể hàm lượng đường glucose và xylose trong mẫu đã đạt hiệu suất thủy phân tốt nhất.

Dịch thủy phân được thu nhận cho quá trình lên men tiếp theo, bã rắn sau thủy phân được loại bỏ

Nấm men đông khô trước khi sử dụng được cho vào nước ấm 40 o C, khuấy trong 20-30 phút Mật độ nấm men là 10.1 x 10 8 tế bào/g nấm men động khô

Bình lên men gồm có: một bình cầu chứa dịch lên men và dịch men giống, miệng bình cầu có nút bằng cao su và bình cầu được nối với 1 lọ thủy tinh thông qua một ống thủy tinh uốn cong Một đầu ống thủy tinh được nối với miệng bình cầu, còn đầu kia nhúng vào dung dịch nước vôi trong [37]

Hàm lượng bioethanol được đo bằng tỉ trọng kế sau quá trình chưng cất a) Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lên men

Tiến hành lên men dịch đường với tỉ lệ nấm men/thể tích dịch là 0.05 % (w/v), nhiệt độ 37 o C, pH 4.8, trong 72 giờ Sau các khoảng thời gian 8, 24, 48 và 72 giờ lên men, lấy khoảng 50 ml dịch đem đi chưng cất. b) Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ nấm men

Tiến hành lên men dịch đường với tỉ lệ nấm men/thể tích dịch đường khác nhau 0.025, 0.05, 0.075 và 0.1 % (w/v) Điều kiện lên men ở nhiệt độ 37 o C, pH 4.8 và trong 48 giờ Sau quá trình lên men, lấy khoảng 50 ml dịch đem đi chưng cất

Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lên men

Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ nấm men

Hình 3.4: Quy trình lên men