1. ĐẶT VẤN ĐỀ MỞ ĐẦU Lignocellulose là sinh khối phong phú nhất và có khả năng tái tạo nhanh. Nhiều loại lignocellulose có chứa hàm lƣợng cellulose cao (30-50%) [149] là nguồn nguyên liệu tốt cho sản xuất cellulose và thủy phân thành dịch đƣờng cho lên men sản xuất nhiều sản phẩm có giá trị. Trong đó sản xuất bioethanol từ lignocellulose là một hƣớng có tiềm năng đáp ứng nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch [127, 144]. Do đặc điểm về cấu trúc, lignocellulose cần qua một công đoạn tiền xử lý để có thể thủy phân thành dịch đƣờng cho lên men. Tiền xử lý có vai trò phá vỡ cấu trúc lignin hoặc hòa tan lignin, hòa tan hemicellulose và phá vỡ cấu trúc tinh thể của cellulose giúp tăng cƣờng khả năng tiếp xúc của các enzyme cellulase với cellulose trong bƣớc thủy phân [14, 46, 57]. Các thành phần của lignocellose có thể đƣợc sử dụng riêng rẽ cho sản phẩm có giá trị. Hơn nữa, sự có mặt của lignin, hemicellulose và sản phẩm phân hủy của chúng có thể gây ức chế sự thủy phân và quá trình lên men sau này [17, 86, 153]. Phân đoạn là biện pháp tiền xử lý (TXL) cho phép tách lignocellulose thành những thành phần riêng, nhờ vậy có thể sử dụng hiệu quả các thành phần này. Cellulose thu đƣợc có hàm lƣợng cao [153, 160] có thể đƣợc sử dụng cho nhiều mục đích nhƣ sản xuất giấy, tơ sợi, cellulose vi tinh thể [94, 125] hay thủy phân thành dịch đƣờng cho lên men bao gồm lên men sản xuất ethanol. Bã mía là một nguồn sinh khối tiềm năng. Ở Việt Nam, lƣợng bã mía, phụ phẩm từ sản suất đƣờng mía, ƣớc đạt 6-7 triệu tấn/năm, tập trung ở các nhà máy, là yếu tố thuận lợi lớn cho sử dụng nguồn sinh khối này. Với hàm lƣợng cellulose cao 40-45% [93, 111], bã mía là nguyên liệu thích hợp cho sản xuất cellulose hay thủy phân thành dịch đƣờng cho lên men. Việc sử dụng bã mía để sản xuất cellulose hay dịch đƣờng cho lên men nói chung và sản xuất ethanol nói riêng còn là giải pháp giúp giải quyết triệt để vấn đề phát sinh chất thải từ bã mía ở các nhà máy và là giải pháp toàn diện thân thiện với môi trƣờng. Góp phần giải quyết vấn đề này, chúng tôi tiến hành “Nghiên cứu phân đoạn lignocellulose bã mía bằng axit formic thu nhận cellulose sử dụng làm nguyên liệu sản xuất bioethanol”.
BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGÔ DUY SẠ NGHIÊN CỨU PHÂN ĐOẠN LIGNOCELLULOSE BÃ MÍA BẰNG AXIT FORMIC THU NHẬN CELLULOSE SỬ DỤNG LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIOETHANOL LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC HÀ NỘI - 2017 MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT IV DANH MỤC BẢNG V DANH MỤC HÌNH VI MỞ ĐẦU 1 ĐẶT VẤN ĐỀ ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 CÔNG NGHỆ SINH KHỐI TỪ LIGNOCELLULOSE 1.2 NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE BÃ MÍA 1.2.1 Thành phần, cấu trúc lignocellulose bã mía 1.2.2 Bã mía vấn đề sử dụng bã mía 12 1.3 TIỀN XỬ LÝ LIGNOCELLULOSE TRONG SẢN XUẤT BIOETHANOL 13 1.3.1 Ảnh hƣởng cấu trúc lignocellulose tới khả thủy phân cellulose enzyme14 1.3.2 Các biện pháp tiền xử lý lignocellulose 16 1.3.3.Lựa chọn kỹ thuật phân đoạn lignocellulose axit formic 27 1.4 ENZYME THỦY PHÂN CELLULOSE 28 1.4.1 Các enzyme thủy phân cellulose 29 1.4.2 Hoạt động hệ enzyme cellulase 30 1.5 THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ETHANOL TỪ CELLULOSE 33 1.5.1 Thủy phân lignocellulose lên men dịch thủy phân 33 1.5.4 Các phƣơng pháp thủy phân lên men sử dụng sản xuất ethanol từ lignocellulose 36 1.5.2 Sự ức chế trình thủy phân cellulose cellulase 39 1.5.3 Các chất ức chế hoạt động nấm men 41 1.5.5 Nấm men Saccharomyces cerevisiae 44 CHƯƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 46 2.1 VẬT LIỆU, HÓA CHẤT, THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 46 2.2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47 I 2.2.1 Phƣơng pháp phân tích 47 2.2.2 Thiết kế thí nghiệm 52 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 60 3.1 PHÂN ĐOẠN CELLULOSE BÃ MÍA BẰNG AXIT FORMIC 60 3.1.1 Thành phần bã mía nghiên cứu 60 3.1.2 Ảnh hƣởng điều kiện phân đoạn đến hàm lƣợng glucan bã sau phân đoạn tỷ lệ lignin loại bỏ 61 3.1.3 Nghiên cứu tác động đồng thời điều kiện phân đoạn cellulose bã mía axit formic theo phƣơng pháp formiline 66 3.1.4 Một số tính chất cellulose bã mía phân đoạn formiline 71 3.1.5 Mối liên hệ hàm lƣợng lignin, số kết tinh cellulose tới khả thủy phân cellulose bã mía phân đoạn 75 3.1.6 Chế độ phân đoạn bã mía axit formic 76 3.1.7 Ảnh hƣởng rửa kiềm tới chất lƣợng cellulose bã phân đoạn axit formic 80 3.1.8 Phân đoạn cellulose bã mía axit formic nồng độ bã rắn cao 86 3.1.9 Các thành phần dịch phân đoạn cellulose bã mía axit formic 89 3.2 THỦY PHÂN CELLULOSE BÃ MÍA PHÂN ĐOẠN BẰNG AXIT FORMIC 92 3.2.1 Một số đặc điểm chế phẩm enzyme NS 22192 92 3.2.2 Ảnh hƣởng nồng độ enzyme đến hiệu suất thủy phân cellulose bã mía phân đoạn 94 3.2.3 Ảnh hƣởng nồng độ bã rắn tới thủy phân cellulose bã mía phân đoạn enzyme 95 3.2.4 Động học trình thủy phân cellulose bã mía phân đoạn 97 3.2.5 Ảnh hƣởng ức chế nồng độ glucose dịch thủy phân 99 3.2.6 Thủy phân cellulose bã mía phân đoạn nồng độ bã rắn cao (20%) 101 3.3 LÊN MEN ETHANOL TỪ BÃ MÍA PHÂN ĐOẠN FORMILINE 105 3.3.1 Khả lên men dịch thủy phân cellulose bã mía phân đoạn 105 3.3.2 Thủy phân lên men gián đoạn (SHF) 20% bã mía phân đoạn 107 3.3.3 Thủy phân lên men đồng thời bã mía phân đoạn formiline 109 3.3.4 So sánh hiệu SSF SHF 114 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 118 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 128 PHẦN PHỤ LỤC PHỤ LỤC ẢNH CHỤP MẪU BÃ MÍA, DỊCH TXL TRONG QUÁ TRÌNH ĐỂ NGUỘI II 1.1 Ảnh chụp mẫu bã mía 1.2 Ảnh chụp dịch TXL trình để nguội PHỤ LỤC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MỘT SỐ CHỈ TIÊU HÓA LÝ CELLULOSE BÃ MÍA, ẢNH SEM CẤU TRÚC CÁC MẪU BÃ MÍA 2.1 Ảnh FESEM cấu trúc mẫu bã mía 2.2 Kết phân tích số kết tinh: 1.3 Kết phân tích mức formyl hóa cellulose PHỤ LỤC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ANOVA BỞI PHẦN MỀM DESIGN EXPERT CHO CÁC MÔ HÌNH TÁC ĐỘNG ĐỒNG THỜI CỦA ĐIỀU KIỆN PHÂN ĐOẠN 11 3.1 Kết phân tích ANOVA cho mô hình hàm lƣợng glucan 11 3.2 Kết phân tích ANOVA cho mô hình hàm lƣợng lignin lại 13 3.1 Kết phân tích ANOVA cho mô hình hiệu suất thủy phân cellulose bã phân đoạn 14 3.4 Các phƣơng án phân đoạn đề xuất bở phần mềm Design Expert theo mục tiêu hàm lƣợng glucan bã 90% 16 PHỤ LỤC CÁC ĐƢỜNG CHUẨN SỬ DỤNG CHO PHÂN TÍCH HÀM LƢỢNG CÁC CHẤT 19 4.1 Đƣờng chuẩn phân tích hàm lƣợng đƣờng khử theo phƣơng pháp DNS 20 4.2 Đƣờng chuẩn phân tích hàm lƣợng glucose D glucose GOD-POD kit 20 4.3 Đƣờng chuẩn phân tích hàm lƣợng gluocse, hàm lƣợng ethanol HPLC 21 PHỤ LỤC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CÁC MẪU BÃ MÍA 21 5.1 Kết phân tích HPLC thành phần bã mía 21 5.2 Kết phân tích hàm lƣợng cellulose Viện Công nghiệp giấy xenluylô 26 PHỤ LỤC ẢNH CHỤP MẪU THỦY PHÂN, LÊN MEN 27 6.1 Ảnh chụp hiển vi sợi cellulose trình thủy phân 27 6.2 Ảnh chụp mẫu thí nghiệm thủy phân 27 PHỤ LỤC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH HÀM LƢỢNG ETHANOL 29 7.1 Đƣờng chuẩn xác định hàm lƣợng ethanol 29 7.2 Kết phân tích hàm lƣợng ethanol 30 III DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ/thuật ngữ viết tắt Ý nghĩa từ/thuật ngữ viết tắt AFEX Nổ ammonia - Ammonia fiber explosion CBD Miền gắn với cellulose enzyme - Cellulose binding domain CBH Enzyme thủy phân liên kết (1-4)-β-D glucosid từ đầu mạch cellulose - Cellobiohydrolase CMC Carboxymethyl cellulose CrI Chỉ số kết tinh cellulose- Cellulose crystallinity index DNS Axit dinitrosalicylic DP Mức độ polyme hóa- Degree of polymeization EDTA Axit ethylene diamine tetraacetic FESEM Kính hiển vi điện tử quét trƣờng phát xạ - Field-emission scanning electronic microscope FPU Hoạt tính enzyme thủy phân giấy lọc- Filter paper units HL Hàm lƣợng HMF 5-hydroxy-2-methyl furfural NREL OD SHF SSF TAPPI Phòng thí nghiệm lƣợng tái tạo quốc gia Mỹ - National renewable energy laboratory Mật độ quang- Optical density Thủy phân lên men riêng rẽ - Separate hydrolysis and fermentation Thủy phân lên men đồng thời - Simultaneous saccharification and fermentation Hiệp hội kỹ thuật Công nghiệp Giấy Bột giấy (Mỹ) Technical association of the pulp and paper industry TXL Tiền xử lý UI Đơn vị hoạt tính enzyme quốc tế- International unit XRD Nhiễu xạ tia X- X ray diffraction IV DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Thành phần lignocellulose từ nguồn khác Bảng 1.2 Các phương pháp phân đoạn lignocellulose dung môi 23 Bảng 1.3 Tính chất đặc tính thủy phân cellululase 32 Bảng 1.4 Các chất ức chế, nồng độ phát nồng độ ức chế S.cerevisiae 43 Bảng 2.1 Bố trí thí nghiệm nghiên cứu tác động đồng thời điều kiện phân đoạn bã mía axit formic sử dụng phần mềm Design Expert 53 Bảng 3.1 Bố trí điều kiện thí nghiệm kết hàm lượng glucan, hàm lượng lignin hiệu suất thủy phân bã thu sau phân đoạn formiline 67 Bảng 3.2 Các mô hình phụ thuộc hàm lượng glucan, hàm lượng lignin hiệu suất thủy phân cellulose bã sau phân đoạn vào nhiệt độ, nồng độ formic thời gian phân đoạn xây dựng phần mềm Design expert 69 Bảng 3.3 Chỉ số kết tinh cellulose bã mía phân đoạn axit formic chế độ khác 71 Bảng 3.4 Kết phân tích hàm lượng formic dịch thủy phân axit H2SO4 mẫu bã mía phân đoạn formiline với chế độ rửa kiềm khác 73 Bảng 3.5 Một số phương án phân đoạn theo mục tiêu 90% glucan đưa phần mềm Design Expert 77 Bảng 3.6 Hàm lượng lignin tối đa dịch phân đoạn nồng độ bã rắn khác (tính theo hàm lượng lignin bã) 87 Bảng 3.7 Tỉ lệ thu hồi lignin dịch phân đoạn kết tủa 90 Bảng 3.8 So sánh số trình SSF nồng độ bã rắn cao sử dụng chất lignocellulose khác nhau, phương pháp TXL khác 112 V DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Một số sản phẩm chuyển hóa có giá trị từ cellulose đường Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất bioethanol từ sinh khối lignocellulose Hình 1.3 Cấu trúc lignocellulose Hình 1.4 Công thức hóa học cellulose Hình 1.5 Mô tả cấu trúc cellulose tế bào thực vật Hình 1.6 Cấu trúc chung lignin 10 Hình 1.7 Cấu trúc hemicellulose 11 Hình 1.8 Biến đổi cấu trúc số loại nguyên liệu lignocellulose trước sau nổ 18 Hình 1.9 Mô tả cấu trúc lignocellulose TXL với axit siêu máy tính 20 Hình 1.10 Sơ đồ phân đoạn lignocellulose dung môi 21 Hình 1.11 Sơ đồ phân đoạn dung môi formicodeliTM giới thiệu Chempolis 26 Hình 1.12 Mô tả tác động phối hợp thủy phân cellulose hệ cellulase với có mặt LMPO 31 Hình 1.13 Hoạt động thủy phân cellobiohydrolase 32 Hình 1.14 Thiết kế thiết bị thủy phân sử dụng cho trình thủy phân lignocellulose nồng độ bã rắn cao 35 Hình 1.15 Yêu cầu lượng cho chưng cất để thu sản phẩm có hàm lượng ethanol 94% 36 Hình 1.16 Sơ đồ hình thành chất ức chế lên men từ lignocellulose 43 Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu bố trí thí nghiệm luận án 52 Hình 3.1 Kết phân tích thành phần bã mía nguyên liệu sử dụng nghiên cứu 60Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ tới khả phân đoạn cellulose bã mía axit formic 61 Hình 3.3 Ảnh hưởng thời gian tới khả phân đoạn cellulose bã mía axit formic 62 Hình 3.4 Ảnh hưởng kích thước bã tới khả phân đoạn cellulose bã mía axit formic 63 Hình 3.5 Ảnh hưởng khuấy trộn tới khả phân đoạn cellulose bã mía axit formic 64 Hình 3.6 Ảnh hưởng nồng độ formic tới khả phân đoạn cellulose bã mía 65 Hình 3.7 Khả hòa tan lignin bã mía axit formic nồng độ formic khác 66 Hình 3.8 Đồ thị bề mặt 3D biểu diễn ảnh hưởng điều kiện phân đoạn tới hiệu phân đoạn 70 Hình 3.9 Mối liên hệ số kết tinh cellulose, hàm lượng lignin bã mía phân đoạn formiline với nhiệt độ phân đoạn 72 Hình 3.10 Ảnh chụp FESEM sợi cellulose trước sau phân đoạn 74 Hình 3.11 Tương quan hàm lượng lignin- số kết tinh khả thủy phân bã mía phân đoạn 75 VI Hình 3.12 Đồ thị bề mặt 2D biểu diễn mối liên hệ điều kiện phân đoạn với kết phân đoạn 77 Hình 3.13 Khả thủy phân cellulose bã mía NS 22192 79 Hình 3.14 Ảnh hưởng thời gian rửa kiềm đến hàm lượng lignin lại khả thủy phân bã mía sau xử lý 81 Hình 3.15 Ảnh hưởng nhiệt độ trình rửa kiềm đến hàm lượng lignin lại khả thủy phân bã mía sau xử lý 82 Hình 3.16 Ảnh hưởng tỉ lệ rắn/lỏng trình rửa kiềm đến khả loại bỏ lignin bã sau phân đoạn 83 Hình 3.17 Ảnh hưởng chế độ tách dịch đến hàm lượng lignin bã sau phân đoạn lượng NaOH cần dùng cho rửa kiềm 84 Hình 3.18 Hàm lượng lignin, hàm lượng glucan bã phân đoạn nồng độ bã rắn khác 87 Hình 3.19 Tỉ lệ thu hồi bã glucan bã mía phân đoạn formiline 88 Hình 3.20 Thành phần chất tan dịch phân đoạn 15% bã mía axit formic 90 Hình 3.21 Hình ảnh lignin kết tủa dịch phân đoạn bã mía axit formic để nguội 91 Hình 3.22 So sánh khả thủy phân NS221912 Cellic Ctec2 92 Hình 3.23 Độ ổn định hoạt tính enzyme điều kiện thủy phân 93 Hình 3.24 Ảnh hưởng nồng độ enzyme tới hiệu suất thủy phân cellulose bã mía phân đoạn 94 Hình 3.25 Ảnh hưởng nồng độ bã rắn tới thủy phân 95 Hình 3.26 Ảnh mẫu thủy phân cellulose bã mía với nồng độ bã rắn khác 96 Hình 3.27 Động học trình thủy phân cellulose bã mía axit formic 98 Hình 3.28 Ảnh hưởng hàm lượng glucose dịch thủy phân đến tốc độ thủy phân hiệu suất thủy phân cellulose bã mía phân đoạn 100 Hình 3.29 Kết thủy phân 96h nồng độ bã rắn 20% sử dụng phương pháp batch, fed batch 101 Hình 3.30 Diễn biến hiệu suất thủy phân, hàm lượng glucose với trình thủy phân 20% bã rắn 104 Hình 3.31 Diễn biến trình lên men dịch thủy phân bã mía phân đoạn formiline 105 Hình 3.32 Kết lên men SHF 20% bã mía phân đoạn formiline 108 Hình 3.33 Hiệu suất thủy phân diễn biến tăng hiệu suất thủy phân nhiệt độ khác 110 Hình 3.34 Mức độ hóa lỏng bã 24 đầu trình thủy phân 111 Hình 3.35 Kết lên men SSF 20% bã rắn 37°C 30°C 111 Hình 3.36 Diễn biến hàm lượng glucose trình SSF 30°C 113 Hình 3.37 So sánh trình SSF SHF sử dụng 20% bã rắn 115 - VII MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Lignocellulose sinh khối phong phú có khả tái tạo nhanh Nhiều loại lignocellulose có chứa hàm lƣợng cellulose cao (30-50%) [149] nguồn nguyên liệu tốt cho sản xuất cellulose thủy phân thành dịch đƣờng cho lên men sản xuất nhiều sản phẩm có giá trị Trong sản xuất bioethanol từ lignocellulose hƣớng có tiềm đáp ứng nguồn nhiên liệu thay cho nhiên liệu hóa thạch [127, 144] Do đặc điểm cấu trúc, lignocellulose cần qua công đoạn tiền xử lý để thủy phân thành dịch đƣờng cho lên men Tiền xử lý có vai trò phá vỡ cấu trúc lignin hòa tan lignin, hòa tan hemicellulose phá vỡ cấu trúc tinh thể cellulose giúp tăng cƣờng khả tiếp xúc enzyme cellulase với cellulose bƣớc thủy phân [14, 46, 57] Các thành phần lignocellose đƣợc sử dụng riêng rẽ cho sản phẩm có giá trị Hơn nữa, có mặt lignin, hemicellulose sản phẩm phân hủy chúng gây ức chế thủy phân trình lên men sau [17, 86, 153] Phân đoạn biện pháp tiền xử lý (TXL) cho phép tách lignocellulose thành thành phần riêng, nhờ sử dụng hiệu thành phần Cellulose thu đƣợc có hàm lƣợng cao [153, 160] đƣợc sử dụng cho nhiều mục đích nhƣ sản xuất giấy, tơ sợi, cellulose vi tinh thể [94, 125] hay thủy phân thành dịch đƣờng cho lên men bao gồm lên men sản xuất ethanol Bã mía nguồn sinh khối tiềm Ở Việt Nam, lƣợng bã mía, phụ phẩm từ sản suất đƣờng mía, ƣớc đạt 6-7 triệu tấn/năm, tập trung nhà máy, yếu tố thuận lợi lớn cho sử dụng nguồn sinh khối Với hàm lƣợng cellulose cao 40-45% [93, 111], bã mía nguyên liệu thích hợp cho sản xuất cellulose hay thủy phân thành dịch đƣờng cho lên men Việc sử dụng bã mía để sản xuất cellulose hay dịch đƣờng cho lên men nói chung sản xuất ethanol nói riêng giải pháp giúp giải triệt để vấn đề phát sinh chất thải từ bã mía nhà máy giải pháp toàn diện thân thiện với môi trƣờng Góp phần giải vấn đề này, tiến hành “Nghiên cứu phân đoạn lignocellulose bã mía axit formic thu nhận cellulose sử dụng làm nguyên liệu sản xuất bioethanol” ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tƣợng nghiên cứu : Bã mía, cellulose thu nhận từ bã mía kỹ thuật phân đoạn - Phạm vi nghiên cứu: Kỹ thuật phân đoạn cellulose bã mía axit formic; thủy phân cellulose bã mía phân đoạn thu đƣợc, nghiên cứu lên men ethanol từ cellulose bã mía MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN - Xây dựng đƣợc quy trình phân đoạn cellulose bã mía axit formic, thu nhận cellulose (có hàm lƣợng cao) làm nguyên liệu cho sản xuất bioethanol - Nghiên cứu thủy phân lên men cellulose bã mía phân đoạn nhằm đạt nồng độ cồn dịch lên men cao NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu phân đoạn bã mía axit formic + Khảo sát điều kiện trình phân đoạn bã mía axit formic + Nghiên cứu tác động đồng thời điều kiện phân đoạn bã mía axit formic + Một số đặc tính vật lý cellulose bã mía phân đoạn khả thủy phân cellulose bã mía thu đƣợc - Nghiên cứu thủy phân cellulose bã mía phân đoạn enzyme + Ảnh hƣởng nồng độ enzyme, nồng độ bã rắn tới hiệu suất thủy phân + Ảnh hƣởng ức chế thủy phân cellulose enzyme glucose + Động học trình thủy phân cellulose bã mía phân đoạn thu đƣợc + Thủy phân bã mía phân đoạn nồng độ bã rắn 20% - Nghiên cứu lên men ethanol từ cellulose bã mía phân đoạn + Lên men dịch thủy phân cellulose bã mía phân đoạn + Nghiên cứu phƣơng án nâng cao nồng độ ethanol dịch lên men hiệu suất thu hồi ethanol từ cellulose bã mía phân đoạn Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN - Ý nghĩa khoa học: + Các kết luận án bổ sung thêm kiến thức trình phân đoạn cellulose từ nguyên liệu lignocellulose axit formic Luận án cung cấp sở khoa học cho lựa chọn kỹ thuật phân đoạn bã mía axit formic + Cung cấp sở khoa học cho lựa chọn kỹ thuật thủy phân lên men ethanol từ cellulose bã mía phân đoạn axit formic đạt hiệu suất thu hồi ethanol cao - Ý nghĩa thực tiễn: + Kết nghiên cứu cho phép phát triển công nghệ sản xuất cellulose từ bã mía ứng dụng cho phát triển vật liệu cellulose làm nguyên liệu sản xuất sản phẩm sinh học, nâng cao giá trị phụ phẩm bã mía 4.1 Đƣờng chuẩn phân tích hàm lƣợng đƣờng khử theo phƣơng pháp DNS 1.2 y = 0.9674x - 0.0059 R² = 0.9947 OD 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Hàm lƣợng đƣờng khử (g/L) Phƣơng pháp dựng: 300 µl dung dịch có nồng độ glucose từ đến 1g/L (sử dụng glucose phân tích Sigma, độ tinh khiết 99,5%) đƣợc trộn với 600 µl thuốc thử DNS để phản ứng xảy nhiệt độ 95-1000C thời gian phút làm nguội nhiệt độ phòng Tiến hành đo OD dịch phản ứng bƣớc sóng 540 nm máy so màu UV/Visible GeneQuat 1300 Hàm tuyến tính OD hàm lƣợng đƣờng khử dung dịch đƣợc xây dựng sử dụng đồ thị tuyến tính XY Scatter excel 4.2 Đƣờng chuẩn phân tích hàm lƣợng glucose D glucose GOD-POD kit Phƣơng pháp dựng: Lấy 150 µl thuốc thử GOD-POD vào giếng phản ứng lấy lƣợng xác 15 µl dịch có nồng độ glucose từ đến 1g/L (sử dụng glucose phân tích Sigma, độ tinh khiết 99,5%) vào giếng phản ứng, trộn Để phản ứng xảy nhiệt độ 40-500C thời gian 20 phút điều kiện tối Kết thúc phản ứng, tiến hành đo OD bƣớc sóng 510 nm, sử dụng hệ thống đọc khay vi thể Synergy HT Multi-Mode Microplate Reader 1.4 y = 1.1889x + 0.0662 R² = 0.9988 1.2 OD 0.8 0.6 OD 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Hàm lƣợng glucose (g/L) 20 4.3 Đƣờng chuẩn phân tích hàm lƣợng gluocse, hàm lƣợng ethanol HPLC Các đƣờng chuẩn phân tích hàm lƣợng gluocse, hàm lƣợng ethanol đƣợc mô tả với kết phân tích PHỤ LỤC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CÁC MẪU BÃ MÍA 5.1 Kết phân tích HPLC thành phần bã mía - Đƣờng chuẩn HPLC xác định thông số thành phần bã mía 21 - Kết phân tích bã mía thô Hàm lƣợng Glucan 39,91%, lignin 29,07%, hemicellulose 24,15 % 22 - Kết phân tích mẫu Run Phân đoạn tiến hành với chế độ: nhiệt đô 110°C, thời gian 50 phút, nồng độ formic 70% Hàm lƣợng Glucan 79,56%, hemicellulose 1,21% 23 - Kết phân tích mẫu Run Phân đoạn tiến hành với chế độ: nhiệt đô 130°C, thời gian 50 phút, nồng độ formic 60% Hàm lƣợng Glucan 82,73 %, hemicellulose 0% - Kết phân tích mẫu Run Phân đoạn tiến hành với chế độ: nhiệt đô 90°C, thời gian 50 phút, nồng độ formic 70% Hàm lƣợng Glucan 63,92%, hemicellulose 10,47% 24 - Kết phân tích mẫu Run 10 Phân đoạn tiến hành với chế độ: nhiệt đô 130°C, thời gian 90 phút, nồng độ formic 80% Hàm lƣợng Glucan 92,28%, hemicellulose 0% 25 5.2 Kết phân tích hàm lƣợng cellulose Viện Công nghiệp giấy xenluylô (theo phƣơng pháp Kürschner-Hoffer - sử dụng axit nitric rƣợu tác nhân phản ứng để tách loại lignin, hemicellulose) 26 PHỤ LỤC ẢNH CHỤP MẪU THỦY PHÂN, LÊN MEN 6.1 Ảnh chụp hiển vi sợi cellulose trình thủy phân 0h 48h 200h 6.2 Ảnh chụp mẫu thí nghiệm thủy phân 0h 96h - Ảnh mẫu thủy phân feed batch 27 20%- feed lần 20%- feed lần 20%- feed lần 20%- feed lần 20%- feed lần 20%- feed lần 20%- feed lần 20%- feed lần 20%- feed lần 0h 48h 72h - Ảnh chụp mẫu thủy phân thiết bị khuấy trộn 28 0h PHỤ LỤC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH HÀM LƢỢNG ETHANOL 7.1 Đƣờng chuẩn xác định hàm lƣợng ethanol 29 7.2 Kết phân tích hàm lƣợng ethanol - Khả lên men dịch thủy phân - đối chứng (glucose) 30 - Khả lên men dịch thủy phân - đối chứng 48h 31 - Khả lên men dịch thủy phân - đối chứng 72 - Khả lên men dịch thủy phân - 32 - Khả lên men dịch thủy phân - 48 - Khả lên men dịch thủy phân - 72 33 - Kết lên men SSF- mẫu SSF với tiền thủy phân 50°C, nhiệt độ lên men 37°C, tổng thời gian 96 - Kết lên men SSF- mẫu SSF với tiền thủy phân 50°C, nhiệt độ lên men 30°C, tổng thời gian 96 34 ... Nghiên cứu phân đoạn lignocellulose bã mía axit formic thu nhận cellulose sử dụng làm nguyên liệu sản xuất bioethanol ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tƣợng nghiên cứu : Bã mía, cellulose thu nhận. .. từ bã mía kỹ thu t phân đoạn - Phạm vi nghiên cứu: Kỹ thu t phân đoạn cellulose bã mía axit formic; thủy phân cellulose bã mía phân đoạn thu đƣợc, nghiên cứu lên men ethanol từ cellulose bã mía. .. quy trình phân đoạn cellulose bã mía axit formic, thu nhận cellulose (có hàm lƣợng cao) làm nguyên liệu cho sản xuất bioethanol - Nghiên cứu thủy phân lên men cellulose bã mía phân đoạn nhằm