Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ thân và hạt của cây cao lương ngọt sorghum bicolor

Luận văn Thạc sĩ khoa học MỞ ĐẦU Trong tiến trình phát triển, quốc gia đặt vấn đề an toàn lượng lên hàng đầu Đứng trước nguy nguồn lượng hóa thạch có hạn trái đất dần đến cạn kiệt, nguồn lượng dần giới khoa học người quan tâm Chúng đánh giá nguồn lượng quan trọng tương lai Một nguồn lượng lên nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh vật, thân thiện với môi trường gây hiệu ứng nhà kính, đặc biệt, nhiên liệu có khả tái sinh gần vô tận [33, 36] Nhiên liệu sinh học có nhiều loại, ý đến ethanol tính ưu việt nó, thay cho xăng, dầu pha lẫn với xăng để chạy động Ethanol nhiên liệu sản xuất phương pháp lên men chưng cất loại ngũ cốc chứa tinh bột chuyển hóa thành đường đơn ngô, lúa mạch, lúa mì, củ cải đường, củ sắn Ethanol sản xuất từ loại cỏ có chứa cellulose Đây nguồn nguyên liệu tái tạo có khả phân hủy sinh học, nên việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu giảm bớt lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt [16] Sử dụng ethanol làm nhiên liệu mang lại nhiều giá trị ethanol có trị số octan cao (RON=109) nên pha vào xăng truyền thống làm tăng trị số octan hỗn hợp nhiên liệu Từ đó, giúp tăng khả chống kích nổ, tăng tỉ số nén động cơ, nâng cao hiệu suất cháy… kết giúp tiết kiệm nhiên liệu; đồng thời, công suất moment xoắn tốt làm động vận hành êm tăng tuổi thọ động Cao học K17 Page Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học Ngoài ra, ethanol nhiên liệu giúp giảm khí thải nhà kính nên thân thiện với môi trường, giá thành rẻ giảm chi phí nhiên liệu cho người tiêu dùng [34, 38] Từ lợi ích mà ethanol nhiên liệu mang lại nhà máy, công ty đẩy nhanh dây chuyền sản xuất từ nhiều nguyên liệu khác Những nguồn nguyên liệu quen thuộc như: lúa, ngô, khoai, sắn…đang thay dần nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật không làm ảnh hưởng đến an ninh lượng thực cao lương Cây cao lương loại lương thực, thân có hàm lượng đường cao Thân cao lương giống mía, thu dịch ép thân dùng làm nguyên liệu để sản xuất ethanol thay cho nguyên liệu truyền thống, phần bã ép hạt cao lương sử dụng để sản xuất ethanol Quy trình sản xuất ethanol từ cao lương thân thiện với môi trường so với cho đường mật khác Khi ethanol cháy sản sinh sulphur từ mía, hàm lượng octane cao[11, 28] Trên giới, nước Braxin, Mexico, Nigeria Ấn Độ, Trung Quốc, Philippin… đưa cao lương vào sản xuất ethanol nhiên liệu từ sớm Không nước phát triển châu Á, Phi Mỹ La-tinh, Mỹ Liên minh châu Âu quan tâm đến công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học từ cao lương Cây cao lương trồng diện tích 42 triệu héc-ta 99 quốc gia vùng lãnh thổ, nhiều Mỹ, Nigeria, Ấn Độ, Trung Quốc, Mexico, Sudan, Argentina Sau nước ép, lên men để chuyển hóa thành ethanol thô Ethanol sau chưng cất dehydrat hóa giống sản xuất ethanol từ hạt Tại Mỹ bã ép thường sử dụng để làm chất đốt để sản xuất điện bán Cao học K17 Page Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học cho nhà máy nhiệt điện, bã thải sử dụng làm phân bón Ngoài phần thân dùng để điều chế nhiên liệu sinh học, hạt lúa miến dùng để nấu cháo nghiền thành bột làm bánh ăn nhanh Lá dùng làm thức ăn cho gia súc phần rễ làm chất đốt [6, 41] Ở Việt Nam, cao lương trồng nhiều nơi, đặc biệt tỉnh miền núi phía Bắc Nhà nước quan tâm xúc tiến việc nghiên cứu cao lương để xây dựng vùng nguyên liệu cho sản xuất ethanol nhiên liệu Nhiều công trình khoa học gần đẩy mạnh việc nghiên cứu cao lương để đưa vào sản xuất ethanol sinh học, đáp ứng nhu cầu nhiên liệu ngày tăng Từ lợi ích cao lương ngọt, xin đề xuất thực đề tài : “Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ thân hạt cao lương Sorghum bicolor” Cao học K17 Page Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học Chương 1.1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU Nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học dạng lượng tái tạo, sản xuất từ nguyên liệu sinh học – sinh khối, tức từ thực vật, động vật sản phẩm phụ chúng Như vậy, nhiên liệu sinh học sản xuất từ sản phẩm nông lâm nghiệp vốn lương thực thực phẩm, hay làm từ trồng thực phẩm, chí làm từ phế thải nông lâm nghiệp [25] Ngày nay, công nghệ nhiên liệu sinh học trọng phát triển Do nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt, mà nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm bật so với loại nhiên liệu truyền thống than đá dầu mỏ: Là nguồn nhiên liệu có khả tái tạo không gây ô nhiễm môi trường; gây hiệu ứng nhà kính loại nhiên liệu hóa thạch; có nguồn gốc từ sinh khối nên khai thác mà không cần đòi hỏi kỹ thuật đại phức tạp tốn kém, tạo hội cho địa phương, khu vực quốc gia toàn giới tự bảo đảm cho nguồn cung cấp lượng cách độc lập, mặt khác phụ thuộc vào tài nguyên nhiên liệu hóa thạch biến động giá thị trường [40] Có nhiều cách để phân loại nhiên liệu sinh học Dưới hai cách phân loại phổ biến Cách thứ nhiên liệu sinh học chia thành nhóm:  Diesel sinh học (Biodiesel): dẫn xuất từ loại dầu sinh học (thường thực thông qua trình transester hóa cách cho phản Cao học K17 Page Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học ứng với loại rượu phổ biến methanol Diesel sinh học sử dụng thay cho diesel  Cồn sinh học (Bio-ethanol): cồn (ethanol) chế biến thông qua trình lên men sản phẩm hữu tinh bột, cellulose, lignocellulose Việc sản xuất ethanol sinh học từ nguồn tinh bột thực phẩm cho không bền vững ảnh hưởng tới an ninh lương thực Việc sản xuất cồn sinh học từ sinh khối sinh khối phế thải nông nghiệp không ảnh hưởng đến anh ninh lượng thực nên hướng nhiều triển vọng  Khí sinh học (Biogas): tạo sau trình ủ kên men vật liệu hữu sản phẩm tạo thành dạng khí (Metan đồng đẳng khác) dùng làm nhiên liệu đốt cháy thay cho gas từ sản phẩm dầu mỏ Sản xuất khí sinh học phát triển từ lâu có nhiều mô hình triển khai rộng rãi [20, 21] Cách thứ hai dựa vào nguồn gốc nguyên liệu dùng để sản xuất nguyên liệu sinh học chia nguyên liệu sinh học thành ba hệ:  Nhiên liệu sinh học hệ thứ từ loại trồng ăn lương thực, thực phẩm, ví dụ: Mía, cải, ngũ cốc, dầu mỡ động thực vật  Nhiên liệu sinh học hệ thứ hai chủ yếu từ phụ phẩm phế thải sản xuất, sinh hoạt có nguồn gốc hữu cơ, ví dụ: Phế thải nông lâm nghiệp (rơm rạ, trấu, bã mía, thân ngô, mùn cưa, gỗ vụn…), chăn nuôi (phân súc vật, bùn cống rãnh…) sinh hoạt (dầu, mỡ thải)  Nhiên liệu sinh học hệ thứ ba từ tảo (nước nước biển), jatropha curcas (cây cộc rào hay dầu mè), cỏ swichgrass, halophyte [14] 1.2 Ethanol nhiên liệu Cao học K17 Page Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học Ethanol, biết đến rượu êtylic hay rượu ngũ cốc hay cồn, hợp chất hữu cơ, nằm dãy đồng đẳng rượu metylic, dễ cháy, không màu, rượu thông thường có thành phần đồ uống chứa cồn Công thức hóa học C 2H5OH hay CH3-CH2-OH , hay CH3-CH2-OH, viết tóm tắt C2H6O Ethanol nhiên liệu gọi xăng sinh học hay xăng sạch, nguồn lượng tái tạo sản xuất từ sinh khối sản phẩm nông nghiệp Nó sản xuất phương pháp lên men chưng cất loại ngũ cốc chứa tinh bột chuyển hóa thành đường đơn ngô, lúa mạch, lúa mì, củ cải đường, củ sắn Ethanol sản xuất từ cellulose Với nguyên liệu nhờ trình phân giải vi sinh vật sản xuất ethanol, sau tách nước, bổ sung chất phụ gia thành ethanol biến tính gọi ethanol nhiên liệu biến tính hay cồn nhiên liệu Ethanol tinh khiết dùng thay nhiên liệu hóa thạch để chạy động pha với xăng theo tỷ lệ định phụ gia [9, 31] Do có nguồn gốc từ trồng nên ethanol mang lại nhiều lợi ích: an toàn lượng, giá nhiên liệu thấp, giảm khí thải nhà kính, sử dụng nhiên liệu có sẵn địa phương nên không bị phụ thuộc nhiên liệu nhập khẩu, tái sinh nông nghiệp, tạo thêm nhiều việc làm cho nông dân bảo vệ lớp đất bề mặt Mặt khác, khí phát thải từ ethanol sinh học độc xăng, lâu dài có lợi cho sức khỏe người hệ sinh thái [34, 38, 41] 1.3 Cây cao lương Cao học K17 Page Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học Cây cao lương (sorghum bicolor) thuộc Chi Lúa miến (Sorghum), Họ Hòa thảo (Poaceae) Cao lương trồng C 4, điểm bù CO2 thấp, quang hô hấp thấp, thoát nước thấp suất sinh học cao Hình Cây cao lương Sorghum biolor (L.) Moench Đây loại lương thực, cao từ – mét, tốc độ sinh trưởng nhanh, phát triển tốt vùng nhiệt đới cận nhiệt đới, đất trồng thích hợp có pH từ 5-8,5 Cao lương loại dễ trồng, thích ứng rộng, có khả chịu hạn tốt, lượng nước cần cung cấp cho phát triển chúng vụ ¼ lượng nước trồng mía/vụ Chi phí trồng cao lương rẻ lần so với trồng mía Thời gian sinh trưởng cao lương ngắn (từ 100-115 ngày), suất khoảng 95-125 tấn/ha [33, 37] Cây cao lương trồng nhiều nơi giới Mỹ, Ấn Độ, Nigeria, Trung Quốc, Mexico, Sudan Argentina Bên cạnh lương thực, thân có hàm lượng đường cao nên cao lương sử dụng làm nguyên liệu cho ngành sản xuất nhiên liệu sinh học để sản xuất ethanol sinh học thay cho nguyên liệu truyền thống [19, 27, 36] 1.4 Quá trình lên men rượu từ dịch ép thân cao lương nhờ nấm men Cao học K17 Page Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học 1.4.1 Đặc điểm dịch ép thân cao lương Dịch thân cao lương chứa hàm lượng đường lên men cao, bao gồm đường như: glucose, sucrose, fructose Ngoài ra, dịch thân có số loại đường khác như: xylose, ribose, arabinose, sorbose, galactose, mannose, polyglucose…[22] 1.4.2 Cơ sở hoá sinh lên men ethanol Quá trình lên men ethanol nhờ nấm men sở việc chế tạo loại rượu, bia, cồn glycerin Quá trình ứng dụng việc làm nở bột mỳ chế tạo số nước giải khát Trong trình nấm men điều kiện kị khí chuyển hoá glucose thành ethanol trước hết đường Embden- Meyerhof Phản ứng thật bao gồm tạo thành mol ethanol, mol CO mol ATP mol glucose lên men Do gam glucose lý thuyết tạo 0,51g rượu Tuy nhiên sản lượng đạt lên men thực tế thường không vượt 90-95% số lý thuyết Sở dĩ phần chất dinh dưỡng sử dụng để tổng hợp sinh khối cho phản ứng liên quan tới trì tế bào Cũng có phản ứng phụ xảy (thường dẫn tới hình thành glycerol succinat) tiêu thụ tới 4-5% chất tổng số Nếu loại trừ phản ứng sản lượng ethanol tăng thêm 2,7% [8] Cao học K17 Page Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học Hình Sơ đồ tổng quát trình lên men ethanol từ glucose 1.4.3 Quá trình lên men rượu 1.4.3.1 Quá trình lên men Cơ chế trình lên men rượu xảy sau: Đường chất dinh dưỡng hấp thụ qua bề mặt tế bào nấm men thẩm thấu vào bên Ở enzyme tác dụng qua nhiều giai đoạn trung gian để cuối tạo sản phẩm rượu khí cacbonic Hai chất khuếch tán tan vào môi trường xung quanh Rượu có khả hoà tan nhanh dung dịch lên men, khí cacbonic hoà tan khuếch tán chậm, lúc đầu hoà tan hoàn toàn, sau tạo thành bọt khí bám quanh tế bào nấm men, tế bào bọt khí dần lên, tới bề mặt bọt khí vỡ tan hợp thành tiếng động (hiện tượng men dậy) Bọt khí tan, tế bào nấm men lại chìm xuống tiếp xúc với dịch đường để hấp thụ tiếp tục lên men Trong trình lên men, có khoảng 95% đường biến thành rượu khí cacbonic, lại chuyển hoá tạo sản phẩm khác đường sót (bao gồm nhóm axit, este, aldehyt alcol có số cacbon Cao học K17 Page Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học lớn Lên men rượu tạo axit hữu bao gồm axit acetic, lactic, citric, pyruvic succinic lượng axit lactic acetic chiếm tỷ lệ nhiều [15] Có phương pháp lên men bao gồm lên men tĩnh lên men liên tục + Lên men tĩnh: Các đặc trưng phương thức bao gồm thời gian đòi hỏi cho việc sử dụng hoàn toàn chất 36-48 giờ, nhiệt độ giữ 20-30 C pH ban đầu điều chỉnh tới 4,5 Tuỳ thuộc vào chất nguyên liệu lên men hiệu suất thu hồi đạt khoảng 90-95% số lý thuyết với nồng độ ethanol cuối 10-16% (w/v) Công nghệ lên men tĩnh dùng nhiều khứ vận hành dễ dàng, đòi hỏi thấp khử trùng triệt để, không cần có công nhân tay nghề cao, nguy tổn thất tài nguyên liệu dễ xử lý Tuy nhiên nhược điểm vốn có hệ thống hiệu suất lên men thấp thời gian quay vòng cao độ dài pha lag kéo dài dẫn đến yêu cầu phải có cải tiến + Lên men liên tục: Lên men liên tục loại bỏ hao tốn thời gian lên men tĩnh Tuy nhiên phương thức gặp nhược điểm nhiễm tạp khó giữ tốc độ lên men cao tế bào nấm men bị chết nhiều thiếu oxy Để khắc phục người ta thêm số chất Tween 80, ecgosterol hay axit linolenic vào môi trường lên men cho nấm men sinh trưởng hiếu khí trước giai đoạn lên men kị khí [7, 9] Cao học K17 Page 10 Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học 3.3.1.2 Ảnh hưởng pH bột dịch đến trình dịch hóa Thí nghiệm tiến hành với nồng độ bột dịch 30%, tỷ lệ enzyme Termamyl bổ sung 0,12%, nhiệt độ 95 0C, thời gian 30 phút với pH thay đổi từ 4,5 -8 Kết thể hình 20 Hình 20 Ảnh hưởng pH đến trình dịch hóa pH có ảnh hưởng lớn đến trình dịch hóa Ở giá trị pH axit pH kiềm, độ nhớt dịch tăng Ở pH 6,5 giá trị DE dịch hóa cao (đạt 18,5) độ nhớt dịch đạt giá trị thấp ( đạt 4,12), điều có nghĩa pH tối thích cho enzym Termamyl hoạt động pH 6,5 Vì vậy, pH 6,5 lựa chọn cho nghiên cứu 3.3.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ tới trình dịch hóa Termamyl enzyme α - amylase chịu nhiệt, theo khuyến cáo nhà sản xuất, Termamyl hoạt động khoảng nhiệt độ từ 90 -100 0C Để Cao học K17 Page 71 Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học xác định nhiệt độ tối thích cho emzyme họat động, thí nghiệm tiến hành với nhiệt độ thay đổi từ 85 – 1000C Hình 21 Ảnh hưởng nhiệt độ đến trình dịch hóa Biểu đồ cho thấy nhiệt độ có ảnh hưởng đến trình dịch hóa: nhiệt độ tỷ lệ thuận với DE dịch hóa tỷ lệ nghịch với độ nhớt Điều có nghĩa nhiệt độ tăng DE dịch hóa tăng độ nhớt giảm Ở nhiệt độ 85 0C, DE dịch hóa đạt 16,5, độ nhớt 5,64; đó, tăng nhiệt độ lên 100 0C DE dịch hóa đạt 18,1 độ nhớt 3,75 Tuy nhiên, nhiệt độ 95 0C giá trị DE dịch hóa đạt cao (18,5) độ nhớt tương đối thấp (4,12) Vì vậy, nhiệt độ dịch hóa 95 0C lựa chọn cho nghiên cứu 3.3.1.4 Ảnh hưởng nồng độ enzyme Termamyl đến trình dịch hóa Thí nghiệm tiến hành với nồng độ bột dịch 30% với pH 6,5 Dịch bổ sung Termamyl tỷ lệ 0.06; 0,08; 0,10; 0,12 0,14% (tính theo bột cao lương), sau nâng nhiệt độ lên 950C, thời gian dịch hóa 30 phút Li tâm, xác Cao học K17 Page 72 Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học định hàm lượng chất khô (Bx), DE dịch hóa độ nhớt dịch Kết thể ở hình 22 Hình 22 Ảnh hưởng của nồng độ Termamyl đến quá trình dịch hóa Qua biểu đồ cho thấy nồng độ Termamyl có ảnh hưởng đến trình dịch hóa Với nồng độ Termamyl 0,06% giá trị DE dịch hóa đạt cao (DE dịch hóa = 16,5) Vì vậy, tỷ lệ Termamyl 0,06% lựa chọn cho nghiên cứu 3.3.1.5 Ảnh hưởng thời gian đến trình dịch hóa Thí nghiệm tiến hành với nồng độ bột dịch 30%, pH 6,5, tỷ lệ Termamyl bổ sung 0,06%, nhiệt độ dịch hóa 950C, thời gian dịch hóa thay đổi từ -50 phút Li tâm, xác định hàm lượng chất khô (Bx), DE dịch hóa độ nhớt dịch Kết ghi bảng 17 Cao học K17 Page 73 Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học Bảng 17 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình dịch hóa DE Độ nhớt dịch hóa (cp, 300C) 7,90 5,31 10 10,2 4,84 15 13,5 4,56 20 14,2 4,18 25 15,8 3,96 30 16,5 3,74 35 16,6 3,41 40 16,6 3,03 45 16,7 2,96 10 50 16,7 2,74 STT Thời gian (phút) Kết cho thấy giá trị DE dịch hóa tăng tỷ lệ thuận với thời gian cụ thể kéo dài thời gian từ 5-30 phút, giá trị DE dịch hóa tăng từ 7,9 – 16,5 Nếu tiếp tục kéo dài thời gian dịch hóa lên 50 phút, DE dịch hóa tăng không đáng kể, đồng thời việc kéo dài thời gian tốn nhiên liệu Vì vậy, thời gian dịch hóa 30 phút lựa chọn 3.3.1.6 Xác định nồng độ enzyme đường hóa thích hợp Thí nghiệm tiến hành với nồng độ bột dịch 30% với pH 6,5, tỷ lệ Termamyl bổ sung 0,06%, nhiệt độ dịch hóa 95 0C thời gian dịch hóa 30 Cao học K17 Page 74 Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học phút Hạ nhiệt xuống 650C, bổ sung AMG với nồng độ 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 0,6% đường hóa 60 phút Li tâm, xác định hàm lượng chất khô (Bx) DE đường hóa Hình 23 Ảnh hưởng của nồng độ AMG đến quá trình đường hóa Nồng độ AMG có ảnh hưởng đến trình đường hóa: giá trị DE đường hóa tăng tỷ lệ thuận với nồng độ AMG sử dụng Ở nồng độ AMG 0,5% giá trị DE đường hóa đạt giá trị cao (DE = 97) Nếu tiếp tục tăng nồng độ AMG lên 0,6%, giá trị DE đường hóa không tăng (DE = 97) Vì vậy, nồng độ AMG 0,5% lựa chọn cho nghiên cứu 3.3.1.7 Xác định thời gian đường hóa thích hợp Thí nghiệm tiến hành với nồng độ bột dịch 30% với pH 6,5, tỷ lệ Termamyl bổ sung 0,06%, nhiệt độ dịch hóa 95 0C thời gian dịch hóa 30 phút Tiếp theo, thí nghiệm hạ nhiệt xuống 65 0C, bổ sung AMG với nồng 0,5%, thời gian đường hóa thay đổi từ 30 - 90 phút Li tâm, xác định hàm lượng chất khô (Bx) DE đường hóa Kết ghi bảng 18 Cao học K17 Page 75 Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học Bảng 18 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình đường hóa Thời gian Chất khô DE (phút) (Bx) đường hóa 30 14,0 93 40 14,5 95 50 15,0 97 60 15,6 98 70 16,2 98 80 16,2 98 90 16,2 98 Từ số liệu cho thấy giá trị DE tăng tỷ lệ thuận với thời gian đường hóa (trong khoảng thời gian từ 30 – 60 phút), nhiên, kéo dài thời gian đường hóa 60 phút, giá trị DE đường hóa không tăng, điều giải thích lượng tinh bột dịch thủy phân hết Vì vậy, thời gian đường hóa 60 phút lựa chọn cho nghiên cứu Quá trình lên men chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố tỷ lệ giống bổ sung, nguồn dinh dưỡng, thời gian , nhân tố định đến hiệu suất trình lên men Chúng tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố này, để chọn điều kiện tối ưu cho trình lên men 3.3.2 Nghiên cứu điều kiện lên men cồn từ dịch thủy phân hạt cao lương Cao học K17 Page 76 Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học 3.3.2.1 Xác định tỷ lệ giống bổ sung Sinh khối của giống nấm men 48 tuổi (nhận được bằng li tâm) được bổ sung vào môi trường lên men 180Bx theo tỷ lệ 1,8 x 106 , 3,8 x 107, 8,3 x 107, 5,0 x 108 tb/ml, lên men ở 300C Đếm số lượng tế bào nấm men dịch, xác định hàm lượng CO2 tạo thành, hàm lượng đường sót hàm lượng cồn axit tổng sau lên men (bảng 19) Bảng 19 Ảnh hưởng của tỷ lệ giống nấm men bổ sung đến trình lên men Axit tổng theo H2SO4 Tỷ lệ nấm men Độ cồn (tế bào/ml) (%v/v) 1,8 x 106 8,2 8,63 3,63 3,8 x 107 8,6 8,07 3,63 8,3 x 107 8,3 7,79 3,77 5,0 x 108 8,3 7,82 3,82 Đường dư (g/l) (g/l) Qua bảng số liệu tỷ lệ giống bổ sung có ảnh hưởng đến trình lên men cồn Với điều kiện lên men, tỷ lệ tế bào nấm men 3,8 x 10 tế bào/ml cho hàm lượng cồn cao (đạt 8,6%v/v) Vì vậy, tỷ lệ giống bổ sung 3,8 x 107 tế bào/ml lựa chọn 3.3.2.2.Xác định nguồn dinh dưỡng bổ sung đến trình lên men cồn Thí nghiệm tiến hành với dịch đường hóa hạt cao lương 180Bx với tỷ lệ tiếp giống 3,8 x 107 tế bào/ml, có bổ sung dinh dưỡng MgSO4, (NH4)2SO4, KH2PO4, ure (theo bảng 22), lên men 300C ngày Xác định hàm lượng cồn, đường dư axit tổng sau lên men Cao học K17 Page 77 Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học Bảng 20 Ảnh hưởng nguồn dinh dưỡng bổ sung đến trình lên men hạt cao lương Thành phần dinh dưỡng (%) TT MgSO4 (NH4)2SO KH2PO4 Ure Đường dư Độ cồn Axit tổng (g/l) (%v/v) (g/l) - 0,3 0,5 - 7,03 1,94 0,05 0,3 - - 7,89 8,3 1,47 0,05 - 0,5 - 7,66 8,3 1,57 0,05 - 0,5 0,136 7,14 8,8 1,67 0,05 0,3 0,5 - 7,22 8,5 1,62 - - - - 25,18 6,00 1,91 Kết bảng 20 cho thấy tất mẫu bổ sung dinh dưỡng nitơ, photpho magie cho kết lên men tốt mẫu đối chứng (mẫu 6) không bổ sung dinh dưỡng Trong số mẫu thí nghiệm, mẫu số với thành phần dinh dưỡng gồm MgSO4 0,05%, KH2PO4 0,5% ure 0,136% độ cồn thu cao (đạt 8,8%v/v) Vì vậy, tỷ lệ dinh dưỡng bổ sung MgSO 0,05%, KH2PO4 0,5% ure 0,136% lựa chọn 3.3.2.3 Xác định trình lên men cồn từ dịch thủy phân hạt cao lương Thí nghiệm tiến hành với dịch đường hóa hạt cao lương 18 0Bx với tỷ lệ giống tiếp 3,8 x 107 tế bào/ml, bổ sung dinh dưỡng MgSO 0,05%, KH2PO4 0,5% Cao học K17 Page 78 Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học ure 0,136% Quá trình lên men thực 300C ngày Theo dõi lượng CO2 tạo thành xác định hàm lượng cồn, đường dư sau lên men Kết trình bày bảng 21 Bảng 21 Ảnh hưởng thời gian đến trình lên men hạt cao lương Thời gian CO2 Đường dư Độ cồn (ngày) (g/200ml) (g/l) (%v/v) 0 180 39,5 150 1,9 23,6 93,33 5,7 9,6 21,56 6,7 3,4 7,56 8,7 1,6 7,41 8,8 0,7 6,75 8,9 0,5 6,75 8,9 Số liệu cho thấy hàm lượng cồn dịch thủy phân hạt cao lương đạt giá trị cao sau ngày lên men (đạt 8,8 %v/v) Việc kéo dài thời gian lên men đến ngày, hàm lượng cồn dịch tăng không đáng kể (từ 8,8% lên 8,9%) tốn nhân công không tận dụng thiết bị lên men Vì vậy, thời gian lên men ngày lựa chọn Như vậy, so với sản xuất ethanol nhiên liệu từ dịch ép thân ( độ cồn đạt % v/v) hạt cao lương cho độ cồn thấp (8,8%v/v), so với bã ép thân cao lương ( độ cồn đạt 3,85 % v/v) độ cồn cao Tuy nhiên xét Cao học K17 Page 79 Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học khía cạnh công sức sản xuất ethanol từ dịch ép thân tiêu tốn công đoạn, thời gian nhất, lại dễ làm Mặt khác, xét hiệu kinh tế cao Trong đó, trình sản xuất ethanol từ bã thân cao lương hạt cao lương phải nhiều công sức hơn, tiến hành lên men trực tiếp mà phải trải qua giai đoạn xử lý Cao học K17 Page 80 Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT KẾT LUẬN Đề tài nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ thân hạt cao lương Sorghum bicolor đạt số kết sau: Đã xác định hàm lượng dịch ép thân cao lương 800 ml/kg mẫu tươi Đã lựa chọn chủng nấm men H12A.4 có khả lên men tốt dịch ép thân cao lương tối ưu điều kiện cho trình lên men chủng sản xuất Đã nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố đến trình lên men dịch ép thân, xác định điều kiện tối ưu hàm lượng ethanol thu % v/v Đã tiến hành nghiên cứu bước xử lý bã ép thân, yếu tố ảnh hưởng đến trình thủy phân, lên men, thu hàm lượng ethanol 3,85 % v/v Đã nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình dịch hóa, đường hóa lên men hạt cao lương thu kết hàm lượng ethanol 8,8% v/v ĐỀ XUẤT Vấn đề lượng đề tài mà quốc gia quan tâm, việc tìm nguồn lượng thay cho nguồn lượng hóa thạch vô cấp thiết Tôi xin đề xuất số ý kiến sau : - Cao lương trồng thích hợp với điều kiện Việt Nam, cần nghiên cứu mở rộng quy mô - Quy trình sản xuất nhiên liệu sinh học từ cao lương giải pháp tối ưu, cần tiếp tục nghiên cứu triển khai để đưa vào ứng dụng thực tế Cao học K17 Page 81 Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học TÀI LIỆU THAM KHẢO I Tài liệu tiếng Việt Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng (2006), Tái lần thứ 6, Hóa sinh học, Nhà xuất Giáo dục Phạm Thị Trân Châu, Đỗ Ngọc Liên, Nguyễn Huỳnh Minh Quyên (2010), Hóa sinh học chất phân tử lớn hệ thống sống, Nhà xuất Giáo dục Phạm Thị Trân Châu, Phan Tuấn Nghĩa (2007), Công nghệ sinh học, Enzyme ứng dụng, Nhà xuất Giáo dục Công ty Thanh Phong - Thái Bình (2009), “Báo cáp kết thí nghiệm xác định hàm lượng đường lúa miến mẫu công ty Thanh Phong Thái Bình, Hà Nội Nguyễn Thanh Hằng (2005), Chọn chủng nấm men thích hợp cho lên men rượu cồn từ nguyên liệu tinh bột sắn, Tạp chí Nông nghiệp Phát triển Nông thôn kì tháng 7: 71 – 74 Võ Minh Kha, Phạm Bằng Cường (2009), Nhiệm vụ nông nghiệp kỉ 21, Báo Nông nghiệp Việt Nam số 1/1/2009 Đinh Thị Kim Nhung (2006), Lên men rượu vang vải thiều chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae LC3, Tạp chí Sinh học, 28 (1): 91 – 95 Nguyễn Thế Trang (2007), Nghiên cứu khả lên men rượu chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae môi trường dịch chiết me rừng (Phyllanthus emblyca L) Tạp chí Nông nghiệp Phát triển Nông thôn, 12 +13: 113 – 115 II Tài liệu tiếng Anh Badger, P.C., (2002) “Ethanol from Cellulose: A General Review.” Trends in New Crops and Uses, 10, pp 50 - 75 10 Bian Y., Yazaki S., Inoue M and Cai H., (2006), “QTLs for Sugar Content of Stalk in Sweet Sorghum” (Sorghum bicolor L Moench), Chinese Academy of Agricultural Sciences, 5, pp 736-744 11 Blummel M and Parthasarathy Rao P (2006), “Economic value of sorghum stover traded as fodder for urban and peri - urban dairy production in Hyderabad, India”, International Sorghum and Millets Newsletter, 47, pp 97-100 Cao học K17 Page 82 Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học 12 Boopathy L.D.A.R (2008), “Cellulosic ethanol production from sugarcane bagasse without enzymatic saccharification” International Journal of Biochemistry, 31, pp 67 - 85 13 Bulawayo B., Bvochora J M Muzondo M I., Zvauya R., 1996 “Ethanol production by fermentation of sweet-stem sorghum juice using various yeast strains”, World Journal of Microbiology & Biotechnology, 12 (4), pp 357-360 14 Cadavid E O., Lopez C C Tofalo R., Paparella A and Suzzi G., (2008), “Detecion and identification of wild yeasts in Champus, a fermented Colombian maize beverage, Food Microbilogy, 25, pp 771 – 777 15 Casey G P., Ingledew W M (1986), “Ethanol tolerance in yeast”, CRC Critical Reviews in Microbiology,13(3), pp.219-280 16 Chisti Y (2007), “Biodiesel from microalgae”, Biotechnology Advances, 25, pp 294–306 17 Claassen P A M , De Vrije T., Budde M A W (2004), “Biologycal hidrogen production from sweet sorghum by thermophilic bacteria”, 2nd World Conference on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, 10-14 May 2004, Rome, Italy, pp 1522-1525 18 Coughlan M.P and M.A Folan (1979), “Cellulose and cellulases: Food for thought, food for the future?”, International Journal of Biochemistry, 10(2), pp 103-108 19 EU (2008) Provisional Text of the European Directive on the Promotion of the use of energy from renewable sources Brussels 20 FAO (2008) The State of Food and Agriculture - Biofuels - Prospects, Risks and Opportunities, Rome, Italy 21 FAO (2009), Algae-based biofuel: A review of challenges opportunities for developing countries, Rome, Italy 22 Hadi A.A.A.M.R (2009), “Production of bioethanol from sweet sorghum: A review”, Journal of Agricultural Research, 4(9), pp 772-780 23 Kangama C O., Rumei X (2005), “Production of crystal sugar and alcohol from sweet sorghum” ,African Journal of Food Agriculture and Nutritional Development, (2), pp 673-679 24 Lakkana L., Pornthap T., Sunan N., Prasit J., Pattana L., (2006), “Ethanol production from sweet sorghum juice in batch and fed-batch fermentations Cao học K17 Page 83 Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học bu saccharomyces cerevisiae TISTR 5048”, Technology and Innovation for sustainable Development conference, faculty of enginerring, Khon Kaen University, Thailand, pp 389-393 25 Ludwig T G., Goldberg H J V., (1956), “The anthrone menthod for the determination of carbohidrates in food and in oral rinsing”, Journal of Dental Research, 35 (1), pp 90-94 26 Mandels M (1975), “Microbial sources of cellulase”, Biotechnol Bioeng Symp, 5(81-106) 27 Mehmood S., Gulfraz M., Rana N F., Ahmad A., Ahring B K., Minhas N and Malik M F., 2009 Ethanol production from Sorghum bicolor using both separate and simultaneous saccharification and fermentation in batch and fed batch systems, African Journal of Biotechnology, (12): 28572865 28 Michael H L., James W R., Joe L O., Mark T H., Rene F O., (2006), The Economics of Ethanol from Sweet Sorghum Using the MixAlco Process, Agricultural and Food Policy Center, The Texas A&M University System 29 Murray S C., Rooney W L., Hamblin M T., Mitchell S E and Kresovich S, (2009), Sweet sorghum genetic diversity and association mapping for brix and height, The plant genome, (1), pp 48 -62 30 Nimbkar N and Rajvanshi A (2003) Research in India Finds Sorghum Well-Suited for Ethanol Production, Seed World, 14, 31 Osburn L., and Osburn J., (1993), Biomass Resources for Energy and industry, Website www.ratical.org/renewables 32 Percival Zhang, Y.H., M.E Himmel, and J.R Mielenz (2006), “Outlook for cellulase improvement: Screening and selection strategies”, Biotechnology Advances, 24(5), pp 452-481 33 Reddy B V S, Ramsh S., Reddy P S , Ramaiah B., Salimath P M and Kachapur R., 2005 Swet sorghum a potential alternative raw material for bio-ethanol and bio-energy International Sorghum and Millets Newsletter 46: 79 – 86 34 Renewable Fuels Association, (2001), Ethanol: Clean Air, Clean Water, Clean Fuel, Washington Cao học K17 Page 84 Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học 35 Pameri R, Spagna G, (2007), Glucosidase in cellular and acellular form for winemaking application Enzyme Microbiological Technology 40: 382 – 389 36 Parsad S., Singh A., Jain N., and Joshi H C (2007), Ethanol Production from Sweet Sorghum Syrup for Utilization as Automotive Fuel in India, American Chemical Society http://www.fao.org/docrep/T4470E/t4470e06.htm#TopOfPage 38 Shapouri, H.,(2003), “The U.S Biofuel Industry: Present and Future”, unpublished manuscript presented at the 2003 Conference Agrodemain, Reims, France 39.Virkola N.E (1975), “Available cellulose materials: Symposium on enzymatic hydrolysis of cellulose”, Aulanko, pp 23 40.Wang H.T., T Liu, L.S Liu, Y Lu, and H.Z Wu (2004), “Novel Cellulase profile of Tricoderma ressei Strain Constructed by cbh Gene Replacement with eg3 Gene Expression Cassette”, Acta Biochimicaet Biophysica Sinica, 36(10), pp 667-672 41.World Energy Council, (1994), New Renewable Energy Resources London, Kogan Page 42 Yemm E W., Willis A J (1954), “The Estimation of Carbohydrates in Plant Extracts by Anthrone”, Biochem Journal, 57(3), pp 508-514 37 Cao học K17 Page 85 Bùi Thị Hoàng Yến [...]... pháp nghiên cứu 2.3.1 Sản xuất ethanol từ dịch ép thân cao lương ngọt Quy trình sản xuất ethanol từ dịch ép thân cao lương ngọt được tiến hành theo sơ đồ trên hình 10 Thân cao lương ngọt Ép thân lấy dịch Lọc dịch ép Nấm men Lên men dịch ép Hơi Cất dịch lên men l no ha Et Cao học K17 Page 32 Chất dinh dưỡng bổ sung Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học Hình 10 Quy trình sản xuất ethanol từ dịch... nhiễm các vi sinh vật không mong muốn [8] 1.5 Sản xuất ethanol từ bã cây cao lương ngọt 1.5.1 Đặc điểm cấu tạo của bã cây cao lương ngọt Thân cây cao lương ngọt gồm hai phần: phần ruột bao gồm chủ yếu là đường sucrose và phần vỏ ngoài là các sợi lignocellulose Sau khi ép hết dịch đường thì thu được bã [40] Bã cao lương ngọt chứa 55% glucan (cellulose), 20% xylan và một lượng nhỏ arabinan (2%), hàm lượng... ethanol từ dịch ép thân cao lương ngọt 2.3.1.1 Xác định lượng dịch ép trong thân cao lương Máy ép mía được sử dụng để ép thân cao lương, và để phù hợp với quy mô của máy, thì sáu thân cây cao lương ngọt (gồm cả ngọn và gốc) được lấy để chặt thành từng đoạn nhỏ khoảng 70 cm sấy khô đến khối lượng không đổi ở 1050C Sự chênh lệch khối lượng trước và sau khi ép chính là lượng nước có trong thân Thể tích dịch... axit ở nhiệt độ cao Hình 6 Cấu trúc vi sợi cellulose trong thành tế bào thực vật 1.5.2 Những khó khăn trong việc đường hóa bã cây cao lương Đường hóa bã cây cao lương là bước đầu trong quy trình sản xuất ethanol sinh học từ bã cây cao lương Có nhiều trở ngại khi sản xuất ethanol từ bã thải nông nghiệp Những hạn chế đó là do những liên kết dày đặc giữa lignin và phần polysaccharide của thành tế bào... enzyme là một điều vô cùng cần thiết Để tăng hiệu quả thủy phân của cellulase, người ta phải tiến hành tiền xử lý bã cây cao lương ngọt Có rất nhiều phương pháp xử lý bã như xử lý bằng hơi nước, bằng acid, base…mỗi phương pháp đều có thế mạnh riêng và thích hợp với từng loại bã thực vật nhất định [12] 1.6 Sản suất ethanol từ hạt cây cao lương ngọt 1.6.1 Cấu tạo tinh bột Tinh bột là một polysaccharide dự... dịch tối đa trong cây được tính theo lượng nước trong cây Khối lượng giảm 1g tương ứng với 1 ml dịch có trong thân (do khối lượng riêng của nước bằng 1g/ ml) 2.3.1.2 Phương pháp ép dịch Thân cao lương có nhiều đặc điểm giống thân cây mía, do đó trong nghiên cứu sử dụng máy ép mía để thu dịch ép Thân cao lương khi thu hoạch trên đồng ruộng, được róc lá sơ bộ, sau đó được chặt thành từng đoạn nhỏ có kích... này hoạt động ở pH tối ưu khoảng 4,0 và nhiệt độ tối ưu là 750 Cao học K17 Page 29 Bùi Thị Hoàng Yến Luận văn Thạc sĩ khoa học Glucoamylase có khả năng phân huỷ hoàn toàn tinh bột, glycogen, amylopectin, dextrin cuối, panose, isomantose và mantose tới glucose [35] Chương 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu 2.1.1 Cao lương ngọt - Mẫu thân cao lương do Viện Môi trường Nông nghiệp... Thường Tín Hà Nội, trung bình mỗi cây đạt chiều cao 3 – 4 m Sau khi thu hoạch các cây được róc lá trước khi tiến hành các nghiên cứu - Hạt cao lương ngọt được xay thành bột do Viện Môi trường Nông nghiệp cung cấp 2.1.2 Chủng vi sinh vật Các chủng nấm men (31 chủng) sử dụng trong nghiên cứu được Viện Công nghiệp thực phẩm và bộ môn Vi sinh vật trường đại học Khoa học Tự nhiên cung cấp Các enzyme dịch hóa... hợp của bản thân nó Các dẫn liệu về mức độ chịu cồn của một số chủng nấm men phụ thuộc nhiều vào thành phần axit béo trong màng tế bào chất cho thấy rằng thành phần axit béo kích thích hoặc kìm hãm sự tiết ethanol ra khỏi bào tương Kết quả cũng chứng minh rằng ethanol tạo ra trong quá trình lên men ức chế sự sinh trưởng của tế bào nấm men nhiều hơn là ethanol được đưa từ ngoài vào một cách nhân tạo Cao. .. Thành tế bào của bã cao lương ngọt là một phức cấu trúc bao gồm các sợi cellulose bị bao quanh bởi hemicellulose, pectin, protein thành tế bào và các hợp chất phenolic Carpita và Gibeaut (1993) đã đưa ra 2 kiểu thành tế bào: kiểu I đặc trưng cho thực vật hai lá mầm, thành tế bào có chứa nhiều pectin, protein và xyloglucan Kiểu II (thực vật một lá mầm -Cao lương ngọt) bao gồm một lượng Cao học K17 Page