Nghiên cứu tiền xử lý rơm rạ để nâng cao hiệu suất thủy phân bằng enzyme cho sản xuất etanol sinh học

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tôi. Các số liệu luận án trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác. Việc tham khảo nguồn tài liệu đƣợc trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo quy định. TẬP THỂ HƢỚNG DẪN HD1: PGS.TS Doãn Thái Hòa TÁC GIẢ Nguyễn Thị Minh Phƣơng HD2: TS. Lê Quang Diễn i LỜI CẢM ƠN Luận án đƣợc hoàn thành kết nỗ lực thân giúp đỡ, động viên tinh thần thầy cô giáo, gia đình, đồng nghiệp, bạn bè. Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme, Viện Kỹ thuật Hóa học, Viện Đào tạo Sau đại học tạo điều kiện cho học tập, thực luận án Trƣờng. Với tất chân thành, xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến tập thể hƣớng dẫn: PGS.TS Doãn Thái Hòa, TS. Lê Quang Diễn gợi mở ý tƣởng khoa học, tạo điều kiện vật chất nhƣ tinh thần cho hoàn thành luận án. Các thầy cô giáo hƣớng dẫn tận tình lòng nhiệt huyết nhà giáo say mê, hiểu biết sâu sắc chuyên môn nhà khoa học. Qua luận án, xin bày tỏ cảm phục, lòng kính trọng biết ơn to lớn thầy cô giáo hƣớng dẫn. Tôi xin chân thành cảm ơn ủng hộ, giúp đỡ mặt Thầy Cô giáo đồng nghiệp Bộ môn Công nghệ Xenluloza Giấy–Viện Kỹ thuật Hoá học, Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Cảm ơn đề tài 04/ĐT.04.09/ NLSH, đề tài nhánh Nghị định thƣ với Vƣơng quốc Anh PGS.TS Doãn Thái Hòa cung cấp enzyme thƣơng phẩm, dụng cụ phân tích hỗ trợ phần kinh phí cho số nghiên cứu luận án. Ngoài ra, luận án nhận đƣợc quan tâm, giúp đỡ nghiên cứu phần lên men dịch đƣờng thành etanol, chỉnh sửa hoàn thiện luận án PGS.TS Trần Đình Mấn – Viện CNSH & TP, Viện Hàn lâm KHCNVN, xin bày tỏ kính trọng tri ơn sâu sắc. Bản luận án quà xin dành tặng cho Bố mẹ, anh chị em, gia đình nhỏ gái Bùi Nguyễn Tƣờng Vy. Hà Nội, ngày 17 tháng 08 năm 2015 TÁC GIẢ Nguyễn Thị Minh Phƣơng ii MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ETANOL SINH HỌC 1.1.Tổng quan nhiên liệu sinh học 1.1.1. Khái niệm phân loại . 1.1.2. Công nghệ sản xuất etanol sinh học 1.1.3. Tình hình sản xuất sử dụng nhiên liệu sinh học nƣớc 1.2. Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối lignocellulose . 1.2.1. Khái niệm sinh khối 1.2.2. Công nghệ tiền xử lý sinh khối lignocellulose cho sản xuất nhiên liệu 1.2.3. Thủy phân sinh khối enzyme cho sản xuất etanol sinh học . 18 1.2.4. Lên men etanol từ dịch thủy phân sinh khối enzyme . 24 1.3. Sản xuất etanol sinh học từ rơm rạ . 30 1.3.1. Tiềm rơm rạ Việt Nam 30 1.3.2. Một số đặc điểm thực vật rơm rạ 30 1.3.3. Công nghệ TXL rơm rạ hiệu cho sản xuất etanol sinh học . 32 CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 38 2.1. Vật liệu . 38 2.1.1. Rơm rạ phƣơng pháp lấy mẫu 38 2.1.2. Hóa chất 38 2.1.3. Enzyme . 38 2.1.4. Chủng vi sinh vật lên men etanol 39 2.2. Phƣơng pháp xác định thành phần sinh khối, cấu tạo giải phẫu số tính chất lý học rơm rạ 40 2.2.1. Phƣơng pháp xác định thành phần sinh khối rơm rạ 40 2.2.2. Phƣơng pháp xác định cấu tạo giải phẫu rơm rạ 40 2.2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu tính chất xơ sợi rơm rạ 41 2.2.4. Phƣơng pháp xác định khối lƣợng thể tích rơm rạ . 41 i 2.2.5. Phƣơng pháp xác định thành phần nguyên tố . 41 2.2.6. Xác định số kết tinh cellulose rơm rạ . 42 2.3. Phƣơng pháp xác định thành phần hóa học rơm rạ 42 2.4. Phƣơng pháp tiền xử lý rơm rạ . 42 2.4.1. Phƣơng pháp TXL rơm rạ axit axetic 44 2.4.2. Phƣơng pháp tiền xử lý rơm rạ kiềm . 44 2.4.3. Phƣơng pháp thu bột xút tẩy trắng từ bột xút rơm rạ 45 2.5. Phƣơng pháp thủy phân rơm rạ 46 2.6. Phân tích thành phần nồng độ đƣờng 46 2.6.1. Phân tích nồng độ đƣờng phƣơng pháp DNS 46 2.6.2. Phân tích thành phần dung dịch đƣờng phƣơng pháp HPLC . 48 2.7. Phƣơng pháp xác định hoạt độ enzyme xylanase cellulase . 48 2.7.1. Xác định hoạt độ endoglucanase 48 2.7.2. Xác định hoạt độ exoglucanase 48 2.7.3. Hoạt độ enzyme β-glucosidase . 49 2.7.4. Xác định hoạt lực xylanase . 49 2.8. Phƣơng pháp lên men etanol 49 2.8.1. Lên men etanol dịch đƣờng thủy phân 49 2.8.2. Xác định hàm lƣợng etanol phƣơng pháp hóa học 50 2.9. Phƣơng pháp xử lý số liệu quy hoạch thực nghiệm Box−Behnken sử dụng phần mềm Design−Expert 7.0.0 . 52 2.9.1. Phƣơng pháp xử lý số liệu thực nghiệm quy hoạch thực nghiệm 52 2.9.2. Tối ƣu hóa trình chế biến rơm rạ . 52 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53 3.1. Đặc điểm cấu tạo, tính chất lý học thành phần hóa học rơm rạ số giống lúa phổ biến Việt Nam . 53 3.1.1. Đặc điểm thành phần sinh khối thân lúa 53 3.1.2. Cấu tạo hiển vi thân lúa . 54 3.1.3. Một số tính chất lý học rơm rạ . 57 ii 3.1.4. Thành phần nguyên tố rơm rạ 60 3.1.5. Thành phần hóa học rơm rạ 61 3.2. Tiền xử lý rơm rạ cho trình đƣờng hóa enzyme 62 3.2.1. Tiền xử lý rơm rạ axit axetic 62 3.2.2. Tiền xử lý rơm rạ kiềm áp suất khí 73 3.2.3. Tiền xử lý rơm rạ kiềm theo phƣơng pháp nấu kín 81 3.3. Tối ƣu hóa trình thủy phân rơm rạ qua tiền xử lý lên men dịch đƣờng thành etanol 105 3.3.1. Tối ƣu hóa trình thủy phân cellulose rơm rạ từ bột xút tẩy trắng 105 3.3.2. Tối ƣu hóa trình thủy phân bột xút 109 3.3.3.Tối ƣu hóa trình thủy phân bột sunfat . 113 3.3.4. Tối ƣu hóa thủy phân rơm rạ sau tiền xử lý axit axetic . 116 3.3.5. Lên men dịch đƣờng thu etanol 120 KẾT LUẬN . 122 KIẾN NGHỊ NGHIÊN CỨU TIẾP THEO . 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 125 DANH MỤC CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN PHỤ LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ BG β−glucosidase Biorefinery Tinh chế sinh khối Bột sunfat Bã rắn thu đƣợc sau tiền xử lý rơm rạ (NaOH +Na2S) Bột xút Bã rắn thu đƣợc sau tiền xử lý rơm rạ NaOH CBH Exo β-1,4-glucanases (β-1,4-exoglucane hydrolase) (Cellobiohydrolase hay Exoglucanase) DMC (Direct microbial conversion) Chuyển hóa vi sinh vật trực tiếp DNS Dinitrosalicylic axit EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) Phổ tán xạ lƣợng tia X EG Endo-β-1,4-glucanases (Endoglucanase) EMP (Embden-Meyerhoff-Panass) Con đƣờng đƣờng phân HPLC (High Performance Liquid Chromatography) Sắc ký lỏng hiệu cao HRTEM (High-resolution transmission electron microscopy) Kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) Ban Liên Chính phủ biến đổi khí hậu Kiềm hoạt tính Là kiềm hữu hiệu quy đổi sang đơn vị Na2O trƣờng hợp nấu xút NaOH, trƣờng hợp nấu sunfat (NaOH+Na2S) KLTB Khối lƣợng trung bình KTĐ Khô tuyệt đối Nấu kiềm Nói chung tiền xử lý rơm rạ NaOH hỗn hợp (NaOH +Na2S) Nấu sunfat Tiền xử lý rơm rạ hỗn hợp (NaOH +Na2S) Nấu xút Tiền xử lý rơm rạ NaOH NLSH Nhiên liệu sinh học SEM (Scanning Electron Microscopy) Kính hiển vi điện tử quét SHF (Separate hydrolysis and fermentation) Thủy phân lên men riêng biệt SSF (Simultaneous saccharification and fermentation) Đƣờng hóa lên men đồng thời TAPPI (The Technical Association of the Pulp and Paper Industry) Hiệp hội giấy bột giấy Mỹ Trích ly kiềm Xử lý bột axetic thu đƣợc dung dịch NaOH điều kiện “mềm” TXL Tiền xử lý XRD (X-ray diffraction) Phổ nhiễu xạ tia X iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Đặc điểm enzyme Cellic® CTec2 Cellic® HTec2 38 Bảng 2.2. Xác định thành phần hóa học rơm rạ theo phƣơng pháp TAPPI 42 Bảng 2.3. Bảng pha loãng cồn 0,25% cho phân tích nồng độ etanol 51 Bảng 3.1. Thành phần sinh khối thân lúa không hạt 54 Bảng 3.2. Kích thƣớc xơ sợi số loại thân thảo ngắn ngày . 58 Bảng 3.3. Khối lƣợng thể tích rơm rạ số giống lúa . 59 Bảng 3.4. Thành phần nguyên tố rơm rạ số giống lúa . 60 Bảng 3.5. Thành phần hóa học rơm rạ số giống lúa 61 Bảng 3.6. Biến đổi cellulose trình TXL (CH3COOH+HCl) 72 Bảng 3.7. Chỉ số độ kết tinh cellulose rơm rạ sau TXL kiềm 78 Bảng 3.8. Thành phần tinh thể, vô định hình cellulose rơm rạ sau nấu xút 78 Bảng 3.9. Thành phần tinh thể, vô định hình cellulose rơm rạ sau nấu sunfat 78 Bảng 3.10. Bảng thống kê yếu tố khảo sát khoảng biến đổi 82 Bảng 3.11. Thiết kế thực nghiệm TXL rơm rạ xút theo Box-Behnken 82 Bảng 3.12. Tối ƣu hóa hàm mục tiêu đƣờng khử thủy phân bột xút theo biến . 85 Bảng 3.13. Ảnh hƣởng NaOH đến thay đổi thành phần cellulose . 89 Bảng 3.14. Thành phần dịch đƣờng sau thủy phân enzyme bột xút 91 Bảng 3.15. Thiết kế thí nghiệm TXL rơm rạ sunfat theo Box-Behnken 93 Bảng 3.16. Tối ƣu hóa hàm mục tiêu đƣờng khử thủy phân bột sunfat theo biến 98 Bảng 3.17. Ảnh hƣởng (NaOH+Na2S) đến thay đổi thành phần cellulose . 100 Bảng 3.18. Thành phần dịch đƣờng sau trình thủy phân enzyme bột sunfat 104 Bảng 3.19. Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình thủy phân bột xút tẩy trắng từ rơm rạ . 106 Bảng 3.20. Thiết kế thí nghiệm thủy phân bột xút tẩy trắng từ rơm rạ theo Box– Behnken 107 Bảng 3.21. Thành phần hóa học rơm rạ ban đầu bột xút tối ƣu . 109 Bảng 3.22. Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình thủy phân bột xút rơm rạ . 110 Bảng 3.23. Thiết kế thí nghiệm thủy phân bột xút tối ƣu từ rơm rạ theo Box−Behnken 110 v Bảng 3.24. So sánh chế độ thủy phân khác bột xút tối ƣu từ rơm rạ . 113 Bảng 3.25. Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình thủy phân bột sunfat rơm rạ 113 Bảng 3.26. Thiết kế thí nghiệm thủy phân bột sunfat tối ƣu từ rơm rạ theo Box−Behnken . 114 Bảng 3.27. So sánh chế độ thủy phân khác bột sunfat tối ƣu từ rơm rạ 116 Bảng 3.28. Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình thủy phân bột rơm rạ sau TXL 117 Bảng 3.29. Thiết kế thí nghiệm thủy phân bột rơm rạ sau TXL (CH3COOH+HCl) trích ly kiềm theo Box−Behnken 117 Bảng 3.30. So sánh điều kiện thủy phân tối ƣu loại bột từ rơm rạ . 119 Bảng 3.31. Hiệu suất lên men etanol dịch đƣờng bột rơm rạ sau thủy phân . 120 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sản xuất etanol sinh học từ sinh khối lignocellulose . Hình 1.2. Sản lƣợng nhiên liệu sinh học giới . Hình 1.3. Cấu tạo vách tế bào thực vật Hình 1.4. Cấu tạo phân tử cellulose . Hình 1.5. Các đơn vị cấu trúc lignin . 10 Hình 1.6. Thủy phân cellulose cellulase . 19 Hình 1.7. Cơ chế thủy phân xylan xylanase . 22 Hình 1.8. Sơ đồ phân giải glucose thành Pyruvate 26 Hình 1.9. Cấu tạo thân lúa . 31 Hình 1.10. Cấu tạo hiển vi thân lúa 31 Hình 2.1. Ảnh hƣởng nhiệt độ pH đến hoạt tính enzyme CTec 39 Hình 2.2. Hình thái chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae BG1và vị trí phân loại 39 Hình 2.3. Hình ảnh minh họa lúa, rơm rạ tách hạt lúa Khang Dân 40 Hình 2.4. Hình ảnh minh họa chuẩn bị nguyên liệu rơm rạ cho nghiên cứu . 43 Hình 2.5. Thiết bị tiền xử lý rơm rạ theo phƣơng pháp nấu kín . 45 Hình 2.6. Bột xút tẩy trắng từ rơm rạ . 45 Hình 2.7. Thủy phân bột sau tiền xử lý hỗn hợp enzyme CTec2 HTec2 . 46 Hình 2.8. Bột sunfat tối ƣu cho nghiên cứu trình thủy phân enzyme 46 Hình 2.9. Sự phụ thuộc nồng độ đƣờng khử mật độ quang học . 47 Hình 3.1. Rơm rạ lúa Khang Dân . 54 Hình 3.2. Cấu tạo hiển vi lóng thân lúa Khang Dân . 55 Hình 3.3. Cấu tạo hiển vi lóng thân lúa Q5 56 Hình 3.4. Cấu tạo hiển vi đốt thân lúa 57 Hình 3.5. Phổ XRD rơm rạ Khang Dân 59 Hình 3.6. Ảnh hƣởng nồng độ axit clohydric đến chuyển hóa rơm rạ . 64 Hình 3.7. Ảnh SEM rơm rạ Khang Dân trƣớc tiền xử lý 65 Hình 3.8. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL axit axetic (có bổ sung 1% HCl thể tích) 65 vii Hình 3.9. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL axit axetic (có bổ sung 2% HCl thể tích) 66 Hình 3.10. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL axit axetic (có bổ sung 3% HCl thể tích) . 66 Hình 3.11. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL axit axetic (có bổ sung 4% HCl thể tích) . 66 Hình 3.12. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL axit axetic (có bổ sung 5% HCl thể tích) . 67 Hình 3.13. Ảnh hƣởng nhiệt độ đến hiệu suất đƣờng khử 67 Hình 3.14. Ảnh hƣởng thời gian xử lý đến hiệu suất đƣờng khử . 68 Hình 3.15. Ảnh hƣởng trình trích ly kiềm đến hiệu suất bột hiệu suất đƣờng hóa . 69 Hình 3.16. Ảnh hƣởng trích ly kiềm đến mức tách loại hợp chất rơm rạ 70 Hình 3.17. Sự biến đổi thành phần hóa học rơm rạ sau trình TXL axit axetic kết hợp với trích ly kiềm 71 Hình 3.18. Phổ XRD rơm rạ bột rơm rạ sau tiền xử lý (CH3COOH+HCl) 72 Hình 3.19. Ảnh hƣởng mức sử dụng kiềm hoạt tính tới hiệu suất bột hiệu suất đƣờng khử 74 Hình 3.20. Ảnh hƣởng mức sử dụng kiềm hoạt tính tới mức tách loại lignin 75 Hình 3.21. Ảnh hƣởng mức sử dụng kiềm đến mức tách loại chất vô 76 Hình 3.22. Ảnh hƣởng mức sử dụng kiềm đến lƣợng cellulose bị hòa tan (1-Nấu xút; 2-Nấu sunfat) 76 Hình 3.23. Phổ XRD rơm rạ ban đầu bột xút sau TXL 77 Hình 3.24. Phổ XRD rơm rạ ban đầu bột sunfat sau TXL . 77 Hình 3.25. Ảnh SEM rơm rạ trƣớc sau TXL . 80 Hình 3.26. Ảnh hƣởng yếu tố công nghệ tiền xử lý rơm rạ xút theo phƣơng pháp nấu kín 83 Hình 3.27. Ảnh hƣởng đồng thời mức sử dụng xút nhiệt độ . 84 Hình 3.28. Ảnh hƣởng đồng thời mức sử dụng xút thời gian 85 Hình 3.29. Ảnh hƣởng đồng thời thời gian xử lý nhiệt độ . 85 Hình 3.30. Tối ƣu hóa hiệu suất đƣờng khử bột xút rơm rạ theo yếu tố ảnh hƣởng . 86 viii Thống kê thành phần sinh khối rơm rạ Bắc hƣơng Bảng 1.2. Thống kê thành phần sinh khối rơm rạ Bắc hƣơng STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 KLTB Khối lƣợng rạ (g) 1,38 1,69 1,43 1,19 1,17 0,83 1,60 1,63 1,57 1,60 1,30 1,35 2,04 1,73 1,83 1,22 1,22 0,81 1,16 0,83 1,64 1,28 1,30 1,32 1,86 1,30 1,78 1,07 1,57 1,59 1,55 2,04 1,38 1,69 1,43 Khối lƣợng rơm (g) Khối lƣợng rơm rạ (g) Rạ, % Rơm% 0,64 0,87 0,92 0,62 0,29 0,56 0,16 0,32 0,29 0,27 0,76 0,61 0,82 0,55 0,29 0,57 0,54 0,38 0,44 0,37 0,39 0,30 0,21 0,73 0,64 0,67 0,63 0,70 0,90 0,44 0,76 0,53 0,64 0,87 0,92 2,02 2,57 2,34 1,81 1,46 1,39 1,76 1,95 1,86 1,87 2,06 1,96 2,85 2,28 2,12 1,79 1,76 1,18 1,60 1,20 2,03 1,58 1,51 2,04 2,50 1,98 2,40 1,77 2,46 2,03 2,31 2,57 2,02 2,57 2,34 68,26 65,97 60,90 65,98 80,11 59,81 91,16 83,48 84,34 85,62 63,10 68,82 71,46 75,95 86,47 68,26 69,16 68,14 72,44 69,07 80,76 80,84 86,27 64,44 74,29 65,93 73,93 60,55 63,59 78,25 67,26 79,48 68,26 65,97 60,90 71,98 31,74 34,03 39,10 34,02 19,89 40,19 8,84 16,52 15,66 14,39 36,90 31,18 28,54 24,06 13,53 31,74 30,84 31,86 27,56 30,93 19,24 19,16 13,73 35,56 25,71 34,07 26,07 39,45 36,41 21,75 32,74 20,52 31,74 34,03 39,10 28,02 140 Thống kê thành phần sinh khối rơm nếp Bảng 1.3. Thống kê thành phần sinh khối rơm rạ nếp STT Khối lƣợng rạ (g) 0,68 0,96 0,90 0,71 0,64 0,39 0,74 0,82 0,90 10 0,55 11 0,74 12 0,73 13 0,82 14 0,79 15 0,71 16 0,61 17 0,51 18 0,47 19 0,88 20 0,62 21 0,46 22 0,74 23 0,61 24 0,70 25 0,65 26 0,51 27 0,58 28 0,66 29 0,65 30 0,47 31 0,72 32 0,54 33 0,50 34 0,68 35 0,96 Khối lƣợng trung bình, % Khối lƣợng rơm Khối lƣợng rơm Rạ, % (g) rạ (g) 0,53 1,21 55,94 0,48 1,44 66,80 0,33 1,23 73,02 0,27 0,98 72,14 0,36 1,00 63,70 0,31 0,70 55,88 0,37 1,10 66,69 0,37 1,19 69,04 0,63 1,52 58,94 0,31 0,86 63,98 0,72 1,46 50,81 0,46 1,19 61,59 0,34 1,16 70,79 0,34 1,12 70,19 0,33 1,04 68,18 0,44 1,05 57,98 0,42 0,94 54,90 0,25 0,72 65,30 0,34 1,22 72,36 0,24 0,86 72,00 0,23 0,69 66,91 0,26 1,00 74,14 0,30 0,90 67,17 0,33 1,03 68,10 0,26 0,91 71,59 0,33 0,84 60,33 0,32 0,90 64,04 0,23 0,89 73,84 0,36 1,01 64,12 0,30 0,77 60,88 0,27 0,99 72,95 0,45 0,99 54,82 0,36 0,86 57,65 0,53 1,21 55,94 0,48 1,44 66,80 65,11 Rơm, % 44,06 33,20 26,98 27,86 36,30 44,12 33,31 30,96 41,06 36,03 49,19 38,41 29,21 29,81 31,82 42,02 45,10 34,70 27,64 28,00 33,10 25,86 32,83 31,90 28,41 39,67 35,96 26,16 35,88 39,12 27,05 45,18 42,35 44,06 33,20 34,89 141 Thống kê thành phần sinh khối rơm rạ BC 15 Bảng 1.4. Thống kê thành phần sinh khối rơm rạ BC15 STT Khối lƣợng rạ Khối lƣợng rơm (g) (g) Khối lƣợng rơm Rạ, % rạ (g) Rơm, % 1,22 0,66 1,88 64,70 35,30 1,50 0,66 2,16 69,49 30,51 1,91 0,83 2,74 69,60 30,40 1,12 0,80 1,93 58,31 41,69 1,32 0,55 1,87 70,62 29,38 0,94 0,46 1,41 67,12 32,88 1,88 0,74 2,62 71,76 28,24 1,13 0,85 1,97 57,09 42,91 0,70 0,53 1,22 56,91 43,09 10 1,33 0,62 1,95 68,11 31,89 11 0,75 0,91 1,66 45,28 54,72 12 1,29 0,77 2,05 62,57 37,43 13 0,64 0,61 1,25 51,03 48,97 14 1,57 0,70 2,26 69,15 30,86 15 2,35 0,82 3,17 74,10 25,90 16 0,99 0,93 1,92 51,74 48,26 17 1,52 0,58 2,10 72,37 27,63 18 1,48 0,58 2,05 71,92 28,08 19 1,45 0,90 2,35 61,53 38,47 20 1,54 0,69 2,22 69,21 30,79 21 2,25 0,61 2,87 78,65 21,35 22 1,89 0,61 2,50 75,58 24,42 23 1,53 0,51 2,04 75,21 24,79 24 1,40 0,58 1,99 70,65 29,35 25 1,94 0,69 2,63 73,65 26,35 26 1,86 0,68 2,54 73,38 26,62 27 1,93 0,62 2,55 75,74 24,26 28 2,20 0,81 3,01 73,07 26,93 29 1,77 0,57 2,34 75,49 24,51 30 1,49 0,54 2,03 73,39 26,61 31 1,12 0,65 1,77 63,38 36,62 32 1,49 0,55 2,04 72,93 27,07 33 2,25 0,51 2,76 81,55 18,45 34 1,92 0,79 2,71 71,00 29,00 35 1,43 0,92 2,34 Khối lƣợng trung bình, % 60,90 70,82 39,10 29,18 142 Thống kê thành phần sinh khối rơm rạ Q5 Bảng 1.5. Thành phần sinh khối rơm rạ Q5 STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 Khối lƣợng rạ (g) Khối lƣợng rơm (g) Khối lƣợng rơm rạ (g) Rạ, % 1,61 0,75 2,36 68,06 1,49 1,04 2,53 58,86 1,63 0,69 2,32 70,35 1,20 0,39 1,59 75,35 1,66 0,66 2,32 71,60 0,92 0,44 1,36 67,46 1,89 0,53 2,42 78,05 1,48 0,62 2,10 70,45 1,98 0,70 2,68 73,97 1,66 0,77 2,44 68,29 1,49 0,67 2,16 68,79 1,12 0,55 1,67 67,15 1,25 0,89 2,14 58,57 1,78 0,49 2,26 78,55 1,46 0,86 2,32 62,96 1,49 0,90 2,39 62,21 1,25 0,80 2,05 61,08 0,98 0,83 1,81 53,93 1,50 0,71 2,21 67,84 1,63 0,84 2,46 66,10 1,33 0,59 1,91 69,40 1,57 0,54 2,10 74,53 1,30 0,80 2,10 61,86 1,69 0,83 2,52 67,23 1,26 0,94 2,20 57,16 1,28 0,52 1,80 71,32 1,26 0,72 1,98 63,53 1,30 0,50 1,79 72,33 1,48 0,86 2,33 63,35 1,18 0,64 1,81 64,99 1,01 0,85 1,86 54,19 1,17 0,66 1,83 64,09 0,82 0,56 1,38 59,59 1,56 0,76 2,32 67,27 1,31 0,56 1,86 70,21 1,89 0,53 2,42 78,12 1,62 0,76 2,38 68,05 1,70 0,34 2,04 83,34 1,15 0,65 1,80 64,05 0,82 0,80 1,62 50,67 1,34 0,88 2,22 60,43 Rơm, % 31,94 41,15 29,66 24,65 28,40 32,54 21,95 29,55 26,03 31,71 31,21 32,85 41,44 21,46 37,04 37,79 38,93 46,07 32,16 33,90 30,60 25,47 38,14 32,77 42,84 28,68 36,47 27,67 36,65 35,01 45,81 35,91 40,41 32,73 29,79 21,88 31,95 16,66 35,95 49,33 39,57 143 42 2,48 43 1,08 44 1,47 45 1,72 46 1,64 47 1,02 48 1,42 49 1,59 50 1,38 51 0,95 52 1,00 53 0,88 54 1,32 55 1,64 56 0,94 Khối lƣợng trung bình, % 0,24 0,39 0,64 0,91 0,73 0,70 0,60 0,50 0,85 0,66 0,75 0,80 0,62 0,53 0,85 2,71 1,47 2,11 2,62 2,36 1,72 2,01 2,08 2,23 1,61 1,75 1,68 1,94 2,17 1,79 91,27 73,34 69,86 65,44 69,19 59,38 70,31 76,19 61,86 59,12 57,38 52,28 68,07 75,79 52,46 66,74 8,73 26,67 30,14 34,56 30,81 40,62 29,69 23,81 38,14 40,88 42,62 47,72 31,94 24,21 47,54 33,26 Phụ lục 2. Cấu tạo giải phẫu rơm rạ số giống lúa Khang Dân Q5 Hình 2.1. Cấu tạo hiển vi mặt cắt ngang phần lóng rơm rạ Khang Dân Q5 144 Khang Dân Q5 Hình 2.1. Cấu tạo hiển vi đốt thân lúa Khang Dân Q5 (mặt cắt ngang) 145 Phụ lục 3. Hình thái kích thƣớc xơ sợi rơm rạ 3.1. Hình thái xơ sợi rơm rạ số giống lúa Khang Dân Q5 Hình 2.2. Hình thái xơ sợi rơm rạ số giống lúa 3.2. Kích thƣớc xơ sợi rơm rạ số giống lúa Bảng 3.2. Thống kê kích thƣớc xơ sợi rơm rạ Khang Dân, Q5 STT Độ phóng đại X10 X10 X10 X10 Kích thƣớc sợi Khang dân ảnh (mµ) Dài Rộng 1612 17 1623 14 1999 15 2216 14 Kích thƣớc sợi Khang Dân thực (mµ) Dài Rộng 827 832 1025 1136 Kích thƣớc sợi Q5 ảnh (mµ) Dài Rộng 2444 1652 1710 1938 19 23 21 15 Kích thƣớc sợi Q5 thực (mµ) Dài Rộng 3055 24 2065 29 2138 27 2423 19 146 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 X10 2025 X10 2177 X10 2000 X10 2189 X10 1566 X10 2190 X10 1513 X10 1479 X10 1600 X10 1449 X10 1491 X10 1543 X10 2136 X10 2081 X10 1605 X10 2019 X10 2012 X10 1776 X10 2020 X10 1492 X10 1604 X10 2100 X10 1563 X10 1554 X10 1569 X10 1513 X10 1718 X10 2066 X10 1894 X10 2103 X10 2112 Trung bình 14 14 14 13 15 14 13 15 16 18 17 18 13 14 13 13 13 11 11 14 16 16 11 17 13 14 15 11 15 16 11 1038 1116 1025 1122 803 1123 776 758 821 743 764 791 1096 1067 823 1036 1032 911 1036 765 823 1077 802 797 804 776 881 1059 971 1079 1083 932 7 7 7 8 9 7 7 6 8 8 2169 1221 2192 1809 1999 1938 1870 1803 2005 1998 1810 2217 2016 2324 1591 1792 1484 2444 1652 1710 1938 2169 1221 2192 1809 16 18 11 12 24 23 13 14 22 15 21 20 16 17 19 18 18 19 23 21 15 16 18 11 12 2711 1526 2739 2261 2499 2423 2338 2254 2506 2498 2263 2771 2520 2905 1989 2240 1855 3055 2065 2138 2423 2711 1526 2739 2261 20 22 14 15 30 29 16 18 28 19 26 25 20 21 24 23 23 24 29 27 19 20 22 14 15 1904 18 2380 22 147 Phụ lục 4. Khối lƣợng thể tích rơm rạ số giống lúa Bảng 4.1. Thống kê khối lƣợng thể tích rơm Khang Dân, lúa nếp ST T 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 KL lúa Thể tích Khang dân lúa Khang (g) dân (cm3) 5,17 22,82 3,14 13,75 2,52 10,44 2,23 10,24 2,91 14,73 2,19 9,09 3,52 16,98 2,23 11,43 3,61 15,10 2,23 12,12 3,14 14,02 2,47 12,89 4,55 19,67 3,79 17,88 4,06 18,69 4,36 19,33 4,68 18,23 3,43 16,60 4,48 20,62 3,66 16,76 4,02 16,62 2,72 14,57 3,92 21,51 2,51 15,47 6,07 22,35 3,50 14,70 2,37 13,58 2,10 10,38 3,00 14,75 3,98 19,22 4,30 19,07 3,67 17,56 4,40 19,07 4,61 17,92 Khối lƣợng thể tích Khang dân (g/cm3) 0,23 0,23 0,24 0,22 0,20 0,24 0,21 0,20 0,24 0,19 0,22 0,19 0,23 0,21 0,22 0,23 0,26 0,21 0,22 0,22 0,24 0,19 0,18 0,16 0,27 0,24 0,18 0,20 0,20 0,21 0,23 0,21 0,23 0,26 KLTB 0,22 Khối lƣợng mẫu lúa nếp (g) 1,13 1,91 1,39 2,32 2,56 0,97 2,12 2,09 1,49 2,01 2,15 2,32 2,60 2,16 2,18 2,31 2,07 2,01 2,05 2,26 1,95 1,69 2,07 1,19 1,57 1,85 2,25 2,24 1,86 1,30 1,98 1,63 1,33 1,69 2,81 Thể tích mẫu lúa nếp (cm3) 4,04 8,41 5,71 9,91 8,64 3,68 5,76 9,84 5,63 7,95 8,55 9,44 10,80 8,79 9,21 8,48 7,69 7,83 8,32 9,26 7,71 5,84 8,08 4,69 6,65 6,97 9,30 7,27 7,23 5,16 6,74 6,49 5,16 6,61 11,00 Khối lƣợng thể tích lúa nếp (g/cm3) 0,28 0,23 0,24 0,23 0,30 0,26 0,37 0,21 0,27 0,25 0,25 0,25 0,24 0,25 0,24 0,27 0,27 0,26 0,25 0,24 0,25 0,29 0,26 0,25 0,24 0,27 0,24 0,31 0,26 0,25 0,29 0,25 0,26 0,26 0,25 0,26 148 Bảng 4.2. Thống kê khối lƣợng thể tích rơm rạ Q5 BC15 STT KL lúa Q5 (g) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 4,56 4,48 3,36 6,28 5,42 4,09 4,70 4,57 4,01 5,39 3,08 4,33 2,13 2,91 4,35 5,25 4,46 2,92 5,24 4,55 4,48 3,91 4,90 3,81 3,16 3,41 5,34 4,31 4,05 4,06 4,56 4,48 3,36 6,28 5,42 4,09 4,70 Thể tích lúa Q5 (cm3) 17,72 17,03 14,62 21,99 20,19 15,09 16,43 16,76 14,72 20,50 10,87 16,60 9,17 12,08 17,84 22,80 18,16 13,27 20,81 19,16 19,56 14,20 17,00 14,64 13,61 14,19 18,42 17,13 16,75 18,25 17,73 17,04 14,63 21,99 20,19 15,09 16,43 KL thể tích Q5 KL lúa Thể tích (g/cm3) BC15 (g) lúa BC15 (cm3) 0,25 4,73 16,97 0,26 4,45 17,79 0,23 6,14 22,46 0,28 5,09 17,74 0,26 5,75 19,63 0,27 5,40 20,41 0,28 4,00 14,49 0,27 3,57 14,12 0,27 4,94 20,94 0,26 4,19 17,16 0,28 3,92 15,32 0,26 3,19 14,52 0,23 3,12 12,23 0,24 3,76 15,39 0,24 3,63 14,40 0,23 5,37 21,26 0,24 2,43 11,01 0,22 2,69 10,60 0,25 4,53 19,94 0,23 4,15 15,62 0,22 3,31 12,51 0,27 4,18 17,97 0,28 3,92 16,15 0,26 4,74 19,60 0,23 4,15 16,96 0,24 4,00 15,93 0,29 4,10 16,50 0,25 4,53 17,17 0,24 4,11 16,01 0,22 5,36 19,61 0,25 4,13 20,43 0,26 3,41 14,06 0,23 4,87 20,10 0,28 4,73 16,96 0,26 4,45 17,78 0,27 6,14 22,46 0,28 5,09 17,74 KL thể tích BC15 (g/cm3) 0,28 0,25 0,27 0,29 0,29 0,27 0,28 0,25 0,24 0,24 0,26 0,22 0,26 0,25 0,25 0,25 0,22 0,25 0,23 0,27 0,26 0,23 0,24 0,24 0,25 0,25 0,25 0,26 0,26 0,27 0,20 0,24 0,24 0,28 0,25 0,27 0,29 149 KLTT trung bình 0,25 0,25 Phụ lục 5. Thành phần nguyên tố rơm rạ số giống lúa 5.1. Xác định thành phần nguyên tố rơm rạ Khang Dân phổ STEM−EDX Hình 5.1. Phổ SEM−EDX rơm rạ Khang Dân 5.2. Thành phần nguyên tố rơm rạ BC15 150 Hình 5.2. Phổ SEM EDX rơm rạ BC15 5.3. Thành phần nguyên tố rơm rạ OM 4900 Hình 5.3. Phổ SEM EDX rơm rạ OM 4900 151 Phụ lục 6. Thành phần dịch đƣờng thu đƣợc trình thủy phân 152 153 154 155 [...]... hàm lƣợng các chất vô cơ tƣơng đối cao (có thể chiếm trên 12%), là yếu tố gây khó khăn cho quá trình chế biến sinh- hóa học Vì vậy để nâng cao hiệu quả chuyển hóa rơm rạ thành etanol sinh học, cần có những nghiên cứu sâu và hệ thống Do đó, tác giả đã chọn đề tài: Nghiên cứu tiền xử lý rơm rạ để nâng cao hiệu quả thủy phân bằng enzyme cho sản xuất etanol sinh học để góp phần giải quyết những vấn đề... nội dung nghiên cứu của đề tài Mục tiêu của đề tài - Góp phần bổ sung cơ sở lý luận trong công nghệ sản xuất etanol sinh học từ nguồn sinh khối lignocellulose, làm cơ sở xây dựng và áp dụng các quy trình công nghệ sản xuất etanol sinh học từ rơm rạ ở Việt Nam - Xác lập đƣợc các chế độ công nghệ thích hợp TXL rơm rạ bằng axit hữu cơ và kiềm mạnh, nhằm nâng cao hiệu quả thủy phân bằng enzyme để thu đƣờng... lên men thành etanol - Xác định và làm sáng tỏ sự biến đổi của các thành phần hóa học cơ bản của rơm rạ trong quá trình TXL - Đề xuất quy trình hiệu quả cao sản xuất etanol sinh học từ rơm rạ và khả thi ở quy mô công nghiệp Các nội dung nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu đặc điểm cấu tạo và một số tính chất lý − hóa học của rơm rạ một số giống lúa phổ biến ở Việt Nam; Nghiên cứu TXL rơm rạ bằng axit axetic... este từ mỡ động vật nhƣ mỡ cá basa 1.1.2.2 Công nghệ sản xuất etanol sinh học thế hệ II Sản xuất etanol sinh học thế hệ II sử dụng sinh khối lignocellulose thƣờng dựa vào ba phƣơng pháp chính là: thủy phân sinh khối bằng enzyme, hóa lỏng hoặc khí hóa Quá trình thủy phân sinh học sinh khối bằng enzyme thƣờng gồm hai công đoạn chính là tách lignin từ sinh khối và tạo đƣờng đơn từ phần carbohydrate sau... đƣợc sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng este hóa (transesterification) [57,82]  Nhiên liệu rắn: Một số loại NLSH rắn mà các nƣớc đang phát triển sử dụng hàng ngày trong công việc nấu nƣớng hay sƣởi ấm là gỗ, và các loại phân gia súc khô 1.1.2 Công nghệ sản xuất etanol sinh học 1.1.2.1 Công nghệ sản xuất etanol sinh học thế hệ I Sản xuất etanol sinh học thế hệ I sử dụng enzyme để thủy. .. lực cao, làm cơ sở cho việc xây dựng quy trình công nghệ khả thi sản xuất etanol sinh học Về cơ sở lý luận: Đã xác định đƣợc đặc điểm cấu tạo và thành phần hóa học chính của rơm rạ một số giống lúa năng suất cao phổ biến ở Việt Nam, sự phân hủy và biến đổi cấu trúc của chúng trong quá trình chuyển hóa thành etanol sinh học 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ETANOL SINH HỌC 1.1.Tổng quan về nhiên liệu sinh học. .. môi trƣờng Nhóm nghiên cứu của PGS Doãn Thái Hòa, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nghiên cứu áp dụng cộng nghệ hiện đại để sản xuất 100 lít etanol sinh học thế hệ II từ phế liệu gỗ keo, gỗ bạch đàn năm 2010 [1] Nhóm nghiên cứu của PGS Tô Kim Anh đã nghiên cứu tạo enzyme tái tổ hợp thủy phân lignocelluloses phục vụ sản xuất cồn nhiên liệu [11] Nhóm của PGS Vũ Nguyên Thành đã nghiên cứu công nghệ và... quyết định khi xem xét công nghệ TXL hiệu quả là: năng suất đƣờng thu đƣợc, kích thƣớc của nguyên liệu và tiêu hao năng lƣợng cho TXL 1.2.3 Thủy phân sinh khối bằng enzyme cho sản xuất etanol sinh học Thủy phân sinh khối lignocellulose (quá trình phân hủy, thối, mục) trong tự nhiên xảy ra do tác động của vi sinh vật nhƣ là một phần của chu trình carbon [130,78] Để thủy phân hoàn toàn lignocellulose cần... sản lƣợng ngô sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ dùng để sản xuất etanol Hoa Kỳ đặt chỉ tiêu sản xuất cồn sinh học để cung cấp 46% nhiên liệu cho xe hơi năm 2010, 100% vào năm 2020 [21] Đức là một nƣớc tiêu thụ xăng sinh học nhiều nhất trong khối EU, trong đó có khoảng 0,48 triệu lít etanol Nguyên liệu chính sản xuất etanol là củ cải đƣờng Pháp là nƣớc thứ hai tiêu thụ nhiều etanol sinh học trong cộng đồng... clohydric và kiềm cho quá trình đƣờng hóa bằng enzyme; Nghiên cứu tối ƣu hóa thủy phân cellulose và hemicellulose bằng hỗn hợp enzyme thƣơng phẩm Cellic® CTec2, Cellic® HTec2; Thử nghiệm lên men etanol Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Kết quả của Luận án là cơ sở khoa học, là tiền đề cho các nghiên cứu xây dựng và áp dụng công nghệ phù hợp để chuyển hóa nguồn nguyên liệu sinh khối lignocellulose rơm rạ là phế . lignocellulose cho sản xuất nhiên liệu 8 1.2.3. Thủy phân sinh khối bằng enzyme cho sản xuất etanol sinh học 18 1.2.4. Lên men etanol từ dịch thủy phân sinh khối bằng enzyme 24 1.3. Sản xuất etanol sinh. Thành phần hóa học của rơm rạ 61 3.2. Tiền xử lý rơm rạ cho quá trình đƣờng hóa bằng enzyme 62 3.2.1. Tiền xử lý rơm rạ bằng axit axetic 62 3.2.2. Tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm ở áp suất khí quyển. Nghiên cứu tiền xử lý rơm rạ để nâng cao hiệu quả thủy phân bằng enzyme cho sản xuất etanol sinh học để góp phần giải quyết những vấn đề đã nêu ở trên. 3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu