Nghiên cứu phân đoạn lignocellulose bã mía bằng axit formic thu nhận cellulose sử dụng làm nguyên liệu sản xuất bioethanol (tt)

MỞ ĐẦU 1.Lý chọn đề tài Lignocellulose loại vật liệu phổ biến trái đất có chứa hàm lượng cellulose cao (30-50%) Để sử dụng cellulose cho sản xuất sản phẩm có giá trị cao giấy cao cấp, loại sợi trắng, cellulose vi tinh thể… cần phải tách lignin, hemicellulose, thu riêng cellulose với hàm lượng cao Đối với sản xuất bioethanol sản phẩm lên men khác từ cellulose, để thủy phân được, cellulose cần tiền xử lý, mở cấu trúc cellulose, tạo điều kiện cho cellulase tiếp cận dễ dàng với chất, đồng thời tách lignin, hemicellulose, giúp loại bỏ ức chế lignin tới phản ứng thủy phân cellulose thành đường giảm tạo thành dẫn xuất lignin gây ức chế trình lên men sau Để đạt nồng độ đường cao dịch thủy phân, hàm lượng cellulose chất cần nâng cao tối đa Ở Việt Nam, lượng lignocellulose bã mía, phụ phẩm từ sản suất đường mía ước đạt 6-7 triệu tấn/năm, tập trung nhà máy, yếu tố thuận lợi lớn cho sử dụng nguồn sinh khối Phân đoạn cellulose bã mía cho phép thu cellulose có hàm lượng cao thủy phân lên men cách dễ dàng sử dụng cho nhiều mục đích có giá trị khác 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 tượng 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 được, nghiên cứu lên men ethanol từ cellulose bã mía Mục tiêu đề tài - Xây dựng quy trình phân đoạn cellulose bã mía axit formic, thu nhận cellulose (có hàm lượng 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 + Nghiên cứu tác động đồng thời điều kiện phân đoạn + Một số tính chất cellulose bã mía phân đoạn formiline - Nghiên cứu thủy phân cellulose bã mía phân đoạn axit formic + Ảnh hưởng nồng độ enzyme, nồng độ bã rắn tới hiệu suất thủy phân + Ảnh hưởng ức chế thủy phân cellulose glucose + Động học trình thủy phân cellulose bã mía phân đoạn thu + Thủy phân bã mía phân đoạn nồng độ bã rắn 20% - Nghiên cứu lên men ethanol từ cellulose bã mía phân đoạn axit formic + Khả lên men dịch thủy phân cellulose bã mía phân đoạn + Nghiên cứu nâng cao nồng độ ethanol dịch lên men hiệu suất thu hồi ethanol từ cellulose bã mía phân đoạn Ý nghĩa khoa học 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 sản xuất cellulose bã mía, ứng dụng làm vật liệu nguyên liệu cho sản phẩm sinh học nâng cao giá trị phụ phẩm bã mía + Kết nghiên cứu sở cho phát triển công nghệ sản xuất bioethanol từ bã mía Việt nam Đóng góp luận án - Đánh giá tác động đồng thời điều kiện phân đoạn xây dựng mô hình ảnh hưởng điều kiện phân đoạn đến hiệu phân đoạn cellulose bã mía axit formic, đánh giá ảnh hưởng điều kiện rửa kiềm đến hàm lượng lignin, hiệu suất thủy phân cellulose bã mía phân đoạn - Là nghiên cứu Việt Nam sử dụng axit formic để phân đoạn bã mía thu cellulose Quá trình phân đoạn bã mía theo chế độ lựa chọn cho phép thu cellulose có độ 90,02±1,47%, thủy phân với hiệu suất 90,04±0,53% glucan; dịch thủy phân lên men dễ dàng, hiệu suất lên men đạt 90,34±1,19% - Cellulose bã mía phân đoạn chuyển hóa thành ethanol đạt hiệu suất thu hồi 81,66 ±1,88%, nồng độ ethanol dịch lên men SSF đạt 82,46±3,42 g/L (>10% v/v), tiếp cận yêu cầu công nghiệp sản xuất ethanol Cấu trúc luận án - Chương Tổng quan tài liệu - Chương Vật liệu, phương pháp nghiên cứu - Chương Kết nghiên cứu thảo luận - Kết luận kiến nghị CHƢƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU Sản xuất bioethanol gồm công đoạn chính: Tiền xử lý sinh khối lignocellulose, thủy phân cellulose lên men tạo ethanol Quá trình tiền xử lý (TXL) coi bước có vai trò định, có tác động lớn đến tất bước toàn trình Các phương pháp TXL cho phép thu cellulose có khả thủy phân dễ dàng enzyme Tuy vậy, phương pháp TXL có đặc điểm riêng Một số phương pháp thủy nhiệt, nổ hơi, TXL axit, làm làm hòa tan hemicellulose phá vỡ liên kết lignin-carbonhydrate Bã thu từ biện pháp TXL có hàm lượng lignin lớn Biện pháp TXL kiềm cho phép hòa tan loại bỏ lignin làm cắt ngắn thủy phân lignin tạo thành nhiều sản phẩm gây ức chế hoạt động nấm men, khả loại bỏ hemicellulose kiềm hạn chế Một số phương pháp TXL phân đoạn dung môi, TXL dung dịch ion lỏng, giúp hòa tan loại bỏ hoàn toàn lignin khỏi cấu trúc lignocellulose cho phép thu cellulose với hàm lượng cao nhờ cho phép đạt nồng độ đường cao dịch thủy phân, giúp giảm chi phí trình sản xuất nói chung, đặc biệt chi phí trình chưng cất Quá trình phân đoạn dung môi, dung môi thu hồi tái sử dụng giúp giảm chi phí sản xuất, thân thiện với môi trường Thủy phân công đoạn có vai trò đặc biệt quan trọng, để thương mại hóa sản xuất ethanol từ lignocellulose, thủy phân cần phải tạo dịch đường có nồng độ đường đủ lớn Điều đạt dễ dàng với bã có hàm lượng cellulose cao Lên men dịch thủy phân cellulose bị ảnh hưởng chất ức chế tạo thành trình TXL Đã có nhiều công trình nghiên cứu phân đoạn bã mía axit formic đạt kết khả thi với hiệu suất thu hồi ethanol hấp dẫn, nhiên ảnh hưởng tương tác tác nhân điều kiện phân đoạn chưa làm rõ Bên cạnh động học trình thủy phân lên men dịch thủy phân trình lên men thủy phân đồng thời nguyên liệu cho mục tiêu thu nhận ethanol nồng độ cao chưa khảo sát chi tiết CHƢƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu nghiên cứu - Bã mía: Bã mía từ nhà máy đường Lam Sơn- Thanh Hóa sấy đến độ ẩm 8- 10%, nghiền tới mm mm, tách bỏ phần mùn vụn - Enzyme: NS 22192 Novozyme, Đan Mạch 160 FPU/ml; Cellic Ctec 2, Novozyme, 238 FPU/ml - Nấm men: S cerevisiae Ethanol Red®, Fermentis, Pháp, hiệu suất ethanol đạt 94% (0,48g/g glucose) 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp phân tích - Xác định độ ẩm bã - Phân tích thành phần bã mía (lignin, carbohydrate) - Xác định hàm lượng tro - Xác định số kết tinh cellulose - Chụp FESEM cấu trúc bề mặt bã mía - Xác định hàm lượng formic - Xác định hàm lượng đường khử Axit dinitrosalicylic - Xác định hàm lượng glucose - Xác định hàm lượng xylose, arabinose, galactose - Xác định hoạt độ FPU - Xác định hàm lượng ethanol - Đánh giá tăng trưởng nấm men 2.2.2 Thiết kế thí nghiệm Phân đoạn: Cân bã (7,5-20%) vào bình TXL hay thiết bị Parr, bổ sung axit formic (nồng độ 60-80%) đến tổng khối lượng mẫu, đậy nắp bình TXL Sau đó, bình TXL gia nhiệt (90-130ºC) để tiến hành trình phân đoạn, trì nhiệt độ yêu cầu thời gian phân đoạn Kết thúc phân đoạn, mẫu đem tách dịch rửa kiềm Tách dịch bã phân đoạn: Bã sau phân đoạn nguội có nhiệt độ 80ºC để thoát dịch tự nhiên, ly tâm hay ép vắt đến để tách loại dịch TXL, rửa nước pH ép vắt đến độ ẩm 70-73% Rửa kiềm bã phân đoạn: Bã sau tách dịch trộn với dịch kiềm 0,5% với tỉ lệ bã/dịch kiềm 1/15 hay sử dụng tỉ lệ NaOH/ bã khô 0,05 0,1 g/g, tỉ lệ bã/nước rửa 1/10, xử lý nhiệt độ thời gian cần thiết xay bã máy xay dao cắt Philips HR2001 với thời gian phút để cắt nhỏ bã Bã sau rửa lại nước pH 7, ép vắt đến độ ẩm 70-73% Thủy phân: Cân bã mía ướt thu sau phân đoạn biết độ ẩm vào bình thủy phân Thêm đệm citrate (0,1 M, pH 4,8), 2% dung dịch 2% sodium azide 0,01% chloramphenicol theo thể tích (để ức chế vi sinh vật), nước theo yêu cầu Đưa bình thủy phân vào tủ ổn nhiệt, lắc 150 vòng/phút 30 phút để nâng nhiệt độ dịch thủy phân lên nhiệt độ thủy phân (30-50ºC) cho enzyme (5-64 FPU/g bã khô), thủy phân tiến hành thời gian 72-96 Lên men dịch thủy phân: Dịch thủy phân trùng (110ºC, 30 phút), để nguội nhiệt độ phòng bổ sung dinh dưỡng nấm men 0,01% chloramphenicol theo thể tích để ức chế phát triển vi khuẩn Bổ sung nấm men S cerevisiae (Ethanol Red®) (2 g/L) hoạt hóa với nước vô trùng Lên men thực nhiệt độ 30ºC 72h Thủy phân lên men đồng thời (SSF) với bƣớc tiền thủy phân: Cho bã mía ướt (20% w/v) vào bình thủy phân Bổ sung dinh dưỡng trùng 121ºC 20 phút Làm nguội nhiệt độ phòng bổ sung chloramphenicol, enzyme (30 FPU/g bã khô), đệm citrat (0,1M, pH 4,8) Tiền thủy phân thực 50ºC thời gian 6h 24h thiết bị thủy phân khuấy, tốc độ khuấy 90 v/ph để hóa lỏng mẫu Sau đó, bổ sung nấm men S cerevisiae (Ethanol Red®) (đã hoạt hóa với nước vô trùng) SSF thực nhiệt độ 30ºC 37ºC Sau 24h, SSF chuyển sang thực tủ ổn nhiệt, tốc độ lắc 150 v/ph 96h CHƢƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phân đoạn cellulose bã mía axit formic 3.1.1 Thành phần bã mía nghiên cứu Kết phân tích thành phần bã mía cho thấy, bã mía sử dụng có thành phần: cellulose 39,91 ± 2,65%, hemicellulose 24,15 ± 2,97%, lignin 29,07 ± 1,44 % lignin tan axit 5,32 ± 0,2% Hàm lượng glucan (%) 100 50 76.71 63.92 86.4 56.79 90.64 67.44 33.17 90 110 121 Nhiệt độ (0C) Hàm lượng Glucan (%) 100 73.9780 60 40 20 Tỉ lệ lignin loại bỏ (%) 3.1.2 Ảnh hưởng điều kiện phân đoạn đến hàm lượng glucan bã sau phân đoạn tỷ lệ lignin loại bỏ 3.1.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ 130 Tỉ lệ lignin loại bỏ (%) Hình 3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ tới khả phân đoạn cellulose bã mía axit formic (Thí nghiệm thực với axit formic 70%, thời gian 60 phút.) Nhiệt độ có ảnh hưởng mạnh tới hàm lượng glucan bã sau phân đoạn tỉ lệ lignin loại bỏ Tỷ lệ lignin loại bỏ tăng mạnh nhiệt độ tăng từ 110ºC lên 121ºC (tăng tương ứng 9,69 10,56%) so với nhiệt độ tăng từ 121ºC lên 130ºC (tăng tương ứng 4,24 6,53%) 3.1.2.2 Ảnh hưởng thời gian phân đoạn 100 80 60 40 20 83.58 86.4 68.59 80 60 40 20 89.76 72.3 67.44 Tỉ lệ lignin loại bỏ (%) Hàm lượng glucan (%) Thời gian có ảnh hưởng không lớn tới kết phân đoạn Thời gian từ 10 tới 90 phút hàm lượng glucan tỉ lệ lignin loại bỏ tăng đáng kể từ 83,58 68,59% lên 89,76 72,3% Tuy nhiên thời gian phân đoạn tăng từ 10 lên 60 phút, kết khác biệt không nhiều 10 60 90 Thời gian phân đoạn (phút) Hàm lượng Glucan (%) Tỉ lệ lignin loại bỏ (%) Hình 3.2 Ảnh hưởng thời gian tới khả phân đoạn cellulose bã mía axit formic (Thí nghiệm thực với axit formic 70%, nhiệt độ 121ºC) 3.1.2.3 Ảnh hưởng kích thước bã Kích thước bã có ảnh hưởng không rõ ràng tới kết phân đoạn Tăng kích thước bã nguyên liệu từ 1mm lên 7mm làm hàm lượng glucan giảm nhẹ từ 86,60% 84,51% Trong đó, tỉ lệ lignin loại bỏ lại tăng nhẹ từ 67,38% lên 71,30% 3.1.2.4 Ảnh hưởng khuấy trộn Khuấy trộn có ảnh hưởng không rõ ràng tới hiệu phân đoạn Hàm lượng glucan bã có xu hướng tăng nhẹ tăng tốc độ khuấy trộn, nhiên mức tăng không đáng kể Trong mức loại bỏ lignin lại cho thấy xu hướng giảm nhẹ tăng tốc độ khuấy 100 80 60 40 20 81.9 86.4 90.56 84.58 67.44 61.97 60 70 Nồng độ formic (%) Hàm lượng Glucan (%) 100 80 60 40 20 Tỉ lệ lignin loại bỏ (%) Hàm lượng glucan (%) 3.2.2.5 Ảnh hưởng nồng độ formic Tăng nồng độ formic dùng cho phân đoạn, hàm lượng glucan bã phân đoạn tỉ lệ lignin loại bỏ tăng 80 Tỉ lệ lignin loại bỏ (%) Hình 3.3 Ảnh hưởng nồng độ formic tới khả phân đoạn cellulose bã mía Lignin hòa tan (g/L) (Phân đoạn thực nhiệt độ 121ºC thời gian 60 phút.) 160 120 80 40 72.4 71.64 62 103.8 66 70 74 78 Nồng độ formic (%) 135.34 82 Hình 3.4 Khả hòa tan lignin bã mía thu hồi từ dịch phân đoạn axit formic nồng độ formic khác Khả hòa tan lignin chịu ảnh hưởng lớn nồng độ formic Tăng nồng độ formic khoảng từ 70 đến 80%, khả hòa tan lignin tăng mạnh Kết khảo sát cho thấy điều kiện trình phân đoạn bao gồm nhiệt độ, nồng độ formic, thời gian phân đoạn có ảnh hưởng mức có ý nghĩa đến khả phân đoạn bã mía axit formic Kích thước bã mức độ khuấy trộn ảnh hưởng rõ ràng đến hiệu phân đoạn Các kết sử dụng cho lựa chọn thông số khảo sát cho nghiên cứu tác động đồng thời điều kiện trình phân đoạn bã mía axit formic 3.1.3 Nghiên cứu tác động đồng thời điều kiện phân đoạn cellulose bã mía axit formic theo phương pháp formiline Bố trí thí nghiệm kết trình bày Bảng 3.1 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 Thí nghiệm Điều kiện phân đoạn Nhiệt Nồng độ Thời độ formic gian (°C) (% w/w) (phút) 14 11 17 16 13 15 12 10 90 90 110 130 130 90 110 110 110 110 110 130 90 90 110 130 130 60 60 60 60 60 70 70 70 70 70 70 70 80 80 80 80 80 10 90 50 10 90 50 10 50 50 50 90 50 10 90 50 10 90 A1 Mã hóa B2 C3 -1 -1 1 -1 0 0 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 -1 0 0 0 1 1 -1 -1 -1 0 -1 -1 Thông số đánh giá HL Hàm Hiệu suất Glucan lượng thủy phân (%) lignin Glucan (%) (%) 50.82 58.86 77.31 83.14 82.73 63.92 72.14 79.56 77.33 76.71 79.07 91.23 64.80 73.18 85.88 86.51 92.28 26.76 22.65 13.50 11.40 9.47 19.38 15.66 13.40 11.07 12.53 12.40 8.58 21.52 17.26 9.54 6.73 5.39 10.89 16.83 54.55 72.51 65.24 24.36 44.69 54.40 55.20 55.07 61.34 73.11 31.58 47.08 77.92 90.59 91.44 1: Nhiệt độ phân đoạn; 2: Nồng độ formic; 3: Thời gian phân đoạn Kết phân tích ANOVA phần mềm Design expert theo mô hình bề mặt đáp ứng, xây dựng mô hình phụ thuộc yếu tố đánh giá vào yếu tố khảo sát (Bảng 3.2) Mô hình xây dựng có độ tin cậy cao (R2 0.98), thích ứng tốt cho dự kiến kết đạt theo điều kiện cụ thể (Predict R20.91) Bảng 3.2 Các mô hình phụ thuộc hàm lượng glucan, hàm lượng lignin hiệu suất thủy phân cellulose bã mía phân đoạn vào nhiệt độ, nồng độ formic thời gian phân đoạn xây dựng phần mềm Design expert Phương trình mô hình hồi theo yếu tố nghiên cứu: R2 Hàm lượng lignin (Lignin %) = 12.14 – 6.6*A – 2.33*B -1.49*C + 1.52*A2 + 1.57*C2 Hàm lượng glucan (Glucan %) = 78.85 + 12.43*A + 4.98*B + 2.87 C - 1.92*A*B - 4.5*C2 Hiệu suất thủy phân glucan (Hiệu suất thủy phân %) = 55.28 + 26.22* A + 11.86*B + 3.17*C – 3.48*A*C – 9.4*A2 + 8.1*B2 0.98 Adjust R2 0.97 Predict R2 0.95 0.99 0.97 0.91 0.99 0.98 0.93 A= nhiệt độ; B= nồng độ formic; C=thời gian R2= bình phương sai số mô hình xây dựng Adjust R2= bình phương sai số mô hình cho điểm thêm vào phạm vi khảo sát Predict R2= cho thấy mức chấp nhận với liệu dự đoán mô hình[153] A B C D E F Hình 3.5 Đồ thị bề mặt 3D biểu diễn ảnh hưởng điều kiện phân đoạn tới hiệu phân đoạn (Hàm lượng lignin bã-Lignin (%)(A, B), hàm lượng glucan -Glucan (%)(C, D), hiệu suất thủy phân glucan- Hiệu suất thủy phân (%)(E, F)bã mía phân đoạn formiline) Kết Bảng 3.1, phân tích mô hình xây dựng (Bảng 3.2) đồ thị Hình 3.5 cho thấy, phạm vi nghiên cứu, nhiệt độ, nồng độ formic hai thông số ảnh hưởng mạnh nhất, tỉ lệ nghịch hàm lượng lignin bã tỉ lệ thuận với hàm lượng glucan, hiệu suất thủy phân cellulose bã 3.1.4 Một số tính chất cellulose bã mía phân đoạn formiline Hàm lượng lignin (%) CrI (%) 80 60 40 20 30 R² = 0.9877 20 10 R² = 0.8193 Hàm lượng lignin (%) Chỉ số kết tinhCrI (%) 3.1.4.1 Chỉ số kết tinh cellulose, hàm lượng lignin bã Chỉ số kết tinh phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ với sai số R2=0,9877 cho thấy nhiệt độ có vai trò quan trọng, định số kết tinh cellulose bã sau phân đoạn Tăng nhiệt độ TXL giúp giảm số kết tinh cellulose thu Hàm lượng lignin lại có quan hệ tuyến tính với nhiệt độ phân đoạn, R² = 0,8193 80 90 100 110 120 Nhiệt độ phân đoạn (oC) 130 140 Hình 3.6 Mối liên hệ số kết tinh cellulose, hàm lượng lignin bã mía phân đoạn formiline với nhiệt độ phân đoạn 3.1.4.2 Mức formyl hóa cellulose Các mẫu bã mía phân đoạn rửa kiềm đạt hiệu suất khử formin hóa 100% Để khử formin hóa hoàn toàn, rửa kiềm thực với chế độ NaOH 0,05g/g, 105°C 60 phút hay NaOH 0,1g/g, 80°C phút 3.1.4.3 Đánh giá cấu trúc bề mặt cellulose thông qua phân tích hình ảnh FESEM Sau trình phân đoạn, thành phần vô định hình bề mặt giảm giúp bề mặt sợi cellulose trở lên nhẵn 3.1.5 Mối liên hệ hàm lượng lignin, số kết tinh cellulose tới khả thủy phân cellulose bã mía phân đoạn Hiệu suất thủy phân có quan hệ tỉ lệ nghịch với hàm lượng lignin, R2=0,9668 (Hình 3.7A), cho thấy hàm lượng lignin có ảnh 10 R² = 0.8676 80 60 R² = 0.9668 40 20 10 20 30 Hàm lượng lignin (%) Hs thủy phân glucane (%) Chỉ số kết tinh- CrI Hiệu suất thủy phân (%) 100 80 60 40 20 Chỉ số kết tinhCrI (%) Hiệu suất thủy phân glucan (%) hưởng định đến hiệu suất thủy phân Trong mối quan hệ tương tác với lignin, số kết tinh có ảnh hưởng không rõ ràng đến hiệu suất thủy phân (R2=0,722) (Hình 3.7B) Chỉ số kết tinh có quan hệ lỏng lẻo với hàm lượng lignin (R2=0,8676) A 100 80 60 40 20 R² = 0.722 40 B 50 60 Chỉ số kết tinh (CrI %) 70 Hình 3.7 Tương quan hàm lượng lignin- số kết tinh khả thủy phân bã mía phân đoạn A) mối liên hệ hàm lượng lignin với số kết tinh, hiệu suất thủy phân, B) mối liên hệ số kết tinh với hiệu suất thủy phân 3.1.6 Chế độ phân đoạn bã mía axit formic 3.1.6.1 Lựa chọn chế độ phân đoạn bã mía axit formic Vùng mục tiêu Hình 3.8 Đồ thị bề mặt 2D biểu diễn mối liên hệ điều kiện phân đoạn với kết phân đoạn Quan hệ nhiệt độ(tempºC), nồng độ formic(FA %) với A) hàm lượng lignin bã -Lignin (%), hàm lượng glucan bã -Glucan (%), hiệu suất thủy phân glucan- Hiệu suất thủy phân (%) thời gian phân đoạn 60 phút phần mềm Design Expert Có thể lựa chọn phương án phân đoạn dựa mục tiêu hàm lượng glucan bã, hàm lượng lignin lại hay mục tiêu thủy phân glucan (Hình 3.8) Trong luận án này, mục tiêu thu bã có hàm lượng cellulose (glucan) cao nhằm cho phép bã thu được ứng dụng cho mục đích khác nhau, đồng thời nghiên cứu thủy phân, lên men ethanol đạt nồng độ cao Theo đó, hàm lượng glucan cần đạt ≥90% 11 Bảng 3.3 Một số phương án phân đoạn theo mục tiêu 90% glucan đưa phần mềm Design Expert Phương án Nhiệt độ (°C) Nồng độ formic (%) w/w Thời gian (phút) HL Glucan (%) Hàm lượng lignin (%) Hiệu suất thủy phân Glucan (%) 10 129,44 125,00 121,11 121,13 120,81 129,77 121,26 130,00 129,97 130,00 80,00 80,00 80,00 80,00 80,00 77,12 78,10 75,01 72,14 72,82 21,55 30,24 86,53 40,92 42,07 90,00 59,73 81,49 53,50 45,04 90,00 90,00 90,00 90,00 90,00 90,00 90,00 90,00 90,00 89,89 6,21 6,37 6,76 6,58 6,60 6,60 6,71 6,67 6,89 6,91 90,93 89,44 88,81 87,90 87,77 84,09 84,07 80,24 76,87 77,88 Các phương án đề xuất Bảng 3.3 cho thấy, khoảng nhiệt độ thấp nhất, vùng121°C, với nồng độ formic 80%, hàm lượng glucan đạt 90% hiệu suất thủy phân theo lý thuyết đạt cao (87,90% - 88,81%); nồng độ formic giảm, hiệu suất thủy phân giảm rõ rệt Thời gian cho phân đoạn có ảnh hưởng không lớn đến kết phân đoạn Tuy nhiên thời gian tăng từ 40,92 đến 86,53 phút, hiệu suất thủy phân tăng từ 87,90 lên 88,1% Mức tăng không nhiều thời gian gần 90 phút dài trình phân đoạn, gây tốn nhiên liệu thực trình Vì lựa chọn thời gian 40-60 phút để thực nghiệm trình phân đoạn Trên sở phương án đề xuất, kết thí nghiệm thực hiện, mục tiêu nghiên cứu v.v., lựa chọn phương án phân đoạn nhiệt độ 121ºC, nồng độ formic 80%, thời gian 40-60 phút để phân đoạn bã mía thu nhận cellulose sử dụng cho nghiên cứu tiếp đề tài Tính theo mô hình (Bảng 3.2), kết dự kiến đạt hàm lượng glucan 90%, hàm lượng lignin lại 6,37% hiệu suất thủy phân 72 87,13% với thời gian phân đoạn 60 phút Tiến hành thực nghiệm phân đoạn bã mía theo chế độ này, bã thu có hàm lượng glucan 90,02±1,47%, lignin 6,43±0,32%, hiệu suất thủy phân 90,04 ± 0,53%,tương tự với kết dự đoán Mô hình xây dựng có ý nghĩa thực tiễn cao 12 100 80 60 40 20 24 48 Thời gian (h) HSTP Avicel (%) HSTP Bã thô (%) HSTP Bã TXL (%) A 90.04 71.12 83.73 64.16 72.55 46.38 Tốc độ thủy phân (g/L*h) Hiệu suất thủy phân (%) 3.1.6.2 Khả thủy phân bã mía phân đoạn chế độ phân đoạn lựa chọn 72 Tốc độ TP Avicel (g/L*h) Tốc độ TP bã thô (g/L*h) Tốc độ TP bã TXL (g/L*h) 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 24 B 48 Thời gian (h) 72 Hình 3.9 Khả thủy phân cellulose bã mía NS 22192 A) Hiệu suất thủy phân B) Tốc độ thủy phân theo thời gian Bã mía TXL formiline có khả thủy phân tốt, tốc độ thủy phân, hiệu suất thủy phân đạt cao rõ ràng so với Avicel Bã mía chưa qua phân đoạn khả thủy phân enzyme 3.1.7 Ảnh hưởng rửa kiềm tới chất lượng cellulose bã phân đoạn axit formic Hiệu suất thủy phân Glucane (%) Lignin lại (%) 100 80 60 40 20 HS thủy phân glucan (%) 92.8450 91.51 87.88 84.39 47.45 20.44 13.76 8.08 8.47 6.11 4.98 ĐC-/rửa nước Rửa nước 30 60 120 Thời gian rửa kiềm (phút) Hàm lượng lignin lại (%) 3.1.7.1 Ảnh hưởng thời gian rửa bã với kiềm tới khả loại bỏ lignin thủy phân bã sau xử lý Rửa bã với kiềm khoảng thời gian rửa khác từ 5120 phút, hàm lượng lignin giảm từ 20,44% 8,08 - 4,98 %, thủy phân với hiệu suất tương ứng 84,39 - 92,84 % Rửa bã sau phân đoạn với kiềm giúp loại nhanh phần lignin tách trình phân đoạn (bị kết tủa nhiệt độ, nồng độ formic giảm, bám bề mặt sợi cellulose) Thời gian thích hợp cho xử lý với kiềm 60 phút Hình 3.10 Ảnh hưởng thời gian rửa kiềm đến hàm lượng lignin lại khả thủy phân bã mía sau xử lý (NaOH 0,1g/g bã, nhiệt độ rửa kiềm 105ºC ) 3.1.7.2 Ảnh hưởng nhiệt độ trình rửa kiềm tới khả loại bỏ lignin thủy phân bã sau xử lý 13 Rửa kiềm tiến hành nhiệt độ khác từ 60-121ºC hàm lượng lignin giảm từ 20,44% 7,49-5,68% ứng với hiệu suất thủy phân đạt 82,42-94,24% HS thủy phân glucan (%) 82.42 20.44 13.76 47.45 7.49 94.2450 90.10 88.90 87.78 6.55 6.11 6.18 5.68 80 105 110 121 ĐC/rửa Rửa nước nước 60 Hàm lượng lignin lại (%) Hiệu suất thủy phân Glucane (%) Lignin lại (%) 100 80 60 40 20 Nhiệt độ rửa kiềm (0C) Hình 3.11 Ảnh hưởng nhiệt độ trình rửa kiềm đến hàm lượng lignin lại khả thủy phân bã mía sau xử lý (NaOH 0,1g/g, thời gian rửa kiềm 60 phút ) Hiệu rửa kiềm đạt cao 60ºC cho thấy rửa kiềm bã sau phân đoạn axit formic khác biệt với trình TXL kiềm thông thường, dễ dàng loại bỏ phần lignin tách từ trình phân đoạn Nhiệt độ thích hợp cho rửa kiềm bã sau phân đoạn axit formic khoảng 80-105ºC 3.1.7.3 Ảnh hưởng tỉ lệ rắn lỏng dùng cho trình rửa kiềm đến hàm lượng lignin bã Trong khoảng thí nghiệm, thay đổi tỉ lệ rắn/ lỏng không ảnh hưởng nhiều đến khả loại bỏ lignin bã Sau rửa kiềm, hàm lượng lignin lại giảm từ 20,44% đối chứng 5,34 đến 6,11% Quá trình xử lý bã với kiềm thực tỉ lệ nước rửa/bã rắn 1/3 Hàm lượng glucan(%) Hàm lượng lignin (%) 3.1.7.4 Ảnh hưởng chế độ tách dịch tỉ lệ NaOH dùng cho rửa kiềm bã mía phân đoạn đến hàm lượng lignin, hàm lượng glucan bã Chế độ tách dịch sau phân đoạn khác có ảnh hưởng lớn đến hàm lượng lignin lại bã Tách dịch bã sau phân đoạn ép vắt nóng 80ºC giải pháp hiệu Giảm hàm lượng lignin trước rửa kiềm cho phép giảm hàm lượng kiềm sử dụng A 100 80 60 40 20 74.66 73.79 81.39 67.64 39.91 16.67 17.42 13.76 20.44 Ly tâm 20 phút Ly tâm phút Vắt ép nóng Để (W 66,87%) (W 71,67%) (W 68,99%) (W 83%) Chế độ vắt Glucan (%) Lignin lại (%) 14 29.07 Bã nguyên liệu 20,44 13,76 Hàm lượng lignin trước rửa (%) Hàm lượng glucan (%) Hàm lượng lignin (%) Hàm lượng (%) 4.47 93.21 6.11 89.93 Hàm lượng lignin (%) Hàm lượng lglucan (%) 94 92 90 88 86 30 Lignin trước rửa kiềm (g/L) Lignin sau rửa kiềm (%) 20.44 20 13.76 7.49 10 6.57 0.1 0.05 Tỷ lệ NaOH sử dụng (g/g bã khô) B C Hình 3.12 Ảnh hưởng chế độ tách dịch đến hàm lượng lignin bã sau phân đoạn lượng NaOH cần dùng cho rửa kiềm A) Ảnh hưởng chế độ tách dịch đến hàm lượng lignin sau phân đoạn (Phân đoạn thực nhiệt độ 121°C, thời gian 60 phút, axit formic nồng độ 80%); B) Ảnh hưởng hàm lượng lignin sau phân đoạn đến hàm lượng lignin sau rửa kiềm (NaOH 0,1 g/g bã khô, nhiệt độ 105°C, thời gian 60 phút), C) (NaOH 0,1 g/g 0,05 g/g bã khô, nhiệt độ 60°C, thời gian 30 phút) Hàm lượng glucan (%) Hàm lượng lignin (%) 3.1.8 Phân đoạn cellulose bã mía axit formic nồng độ bã rắn cao Kết hàm lượng lignin, hàm lượng glucan mẫu phân đoạn với nồng độ bã rắn 10, 15 20% khác biệt không nhiều tương tự đối chứng sử dụng 7,5% bã rắn (Hình 3.13) Quá trình phân đoạn hoàn toàn thực nồng độ bã cao tới 20% 100 80 60 40 20 Glucan TB (%) 90.02 6.11 7,5% HL Lignin lại (%) 88.28 88.70 6.81 7.54 10% 15% Nồng độ bã TXL 89.16 7.40 20% Hình 3.13 Hàm lượng lignin, hàm lượng glucan bã phân đoạn nồng độ bã rắn khác Hiệu suất thu hồi (%) (Phân đoạn nhiệt độ 121ºC, 60 phút axit formic nồng độ 80% Tách dịch ép vắt nóng 80ºC độ ẩm 71-72%, rửa bã với kiềm tỉ lệ 0,05g NaOH/g bã khô, nhiệt độ 105ºC, thời gian 60 phút) 100 80 60 40 20 Bã thu hồi sau rửa kiềm Tỷ lệ thu hồi bã (%) Hiệu suất thu hồi glucan (%) Hình 3.14 Tỉ lệ thu hồi bã glucan bã mía phân đoạn formiline (Phân đoạn 15% bã rắn sử dụng axit formic 80%, 121ºC, 60 phút Tách dịch ép vắt nóng 80ºC độ ẩm khoảng 71-72%, rửa bã với kiềm tỉ lệ 0,05g NaOH/g bã khô, nhiệt độ 105ºC, thời gian 60 phút) 15 Quá trình phân đoạn điều kiện không làm thủy phân đáng kể cellulose, tỉ lệ thu hồi bã sau rửa kiềm đạt 45,01 ± 0,42%, lượng glucan thu hồi 97,00 ± 0,91% Từ kết nghiên cứu, quy trình phân đoạn rửa bã mô tả sau: Bã mía (nồng độ bã 20%, độ ẩm bã 9-10%) Phân đoạn (nồng độ bã rắn 20%, axit forrmic 80%, 1210C, 60 phút) Tách dịch (ép vắt nóng 80ºC, độ ẩm bã 68-69%) Rửa nước (pH 7) Rửa kiềm (tỉ lệ NaOH 0,05g/g bã, tỉ lệ bã/nước 1/3, 1050C, 60 phút) Rửa nước (pH 7) Bã phân đoạn (hàm lượng glucan 89,16 ± 1,45 %, hàm lượng lignin 7,40 ± 1,29%, không chứa hemicellulose) 3.1.9 Khả thu hồi thành phần từ dịch phân đoạn cellulose bã mía axit formic Hàm lượng dịch TXL (g/L) Tỉ lệ tổng đường hòa tan (%) Tỉ lệ tổng… 3.1.9.1 Thành phần chất tan dịch phân đoạn cellulose bã mía axit formic 100 80 60 40 20 Lignin hòa tan Đường khử Tỉ lệ (%) Glucose Hàm lượng (g/L) Hình 3.15 Thành phần chất tan dịch phân đoạn 15% bã mía axit formic 16 Dịch phân đoạn 15% bã rắn chứa hàm lượng đường khử 37,03 g/L, tương ứng với 26,83% chất khô bã sử dụng cho trình phân đoạn Hàm lượng lignin hòa tan dịch TXL sau trung hòa pH 4,13 g/L, chiếm 18,18% lượng lignin dịch phân đoạn Tương ứng, có 81,82% lượng lignin dịch phân đoạn kết tủa tách 3.1.9.2 Khả thu hồi lignin từ dịch phân đoạn bã mía axit formic Lượng lignin tách khỏi dịch phân đoạn pha loãng tới 71,05% sử dụng dịch NaOH 10% với tỷ lệ pha loãng 1,5 lần so với dịch TXL tới 56,58% với pha loãng nước tỷ lệ pha loãng lần 3.2 Thủy phân cellulose bã mía sau phân đoạn axit formic 3.2.1 Một số đặc điểm chế phẩm enzyme NS 22192 3.2.1.1 Khả thủy phân cellulose bã mía chế phẩm NS 22192 Chế phẩm enzyme NS 22192 có khả thủy phân tương đương chế phẩm thương mại Ctec2 3.3.1.2 Độ bền hoạt tính enzyme theo thời gian Hoạt tính enzyme trì tốt trình thủy phân, chu kỳ bán hủy enzyme 215 Như giảm hoạt tính enzyme có ảnh hưởng không nhiều đến kết thủy phân Hiệu suất thủy phân glucan (%) 3.2.2 Ảnh hưởng nồng độ enzyme đến hiệu suất thủy phân cellulose bã mía phân đoạn 150 84.35 100 89.49 90.72 40 50 63.29 50 23.82 5.59 10 20 30 Enzyme (FPU/g bã khô) Hình 3.16 Ảnh hưởng nồng độ enzyme tới hiệu suất thủy phân cellulose bã mía phân đoạn (nồng độ bã rắn 1,5%, nhiệt độ 50ºC, lắc 150 vòng/phút thời gian 72 giờ) 17 Thủy phân bã mía tiền xử lý axit formic thực hiệu nồng độ enzyme 30 FPU/bã khô với enzyme NS 22192 Novozyme 100 90.28 90.04 87.96 15.59 40.95 88.00 82.95 77.08 124.49 154.23 15% 20% 200 160 120 80 40 80 60 40 20 2% 5% 10% Nồng độ bã rắn(%) Hàm lượng glucose (g/L) Hàm lượng glucose (g/L) Hiệu suất thủy phân glucan (%) 3.2.3 Ảnh hưởng nồng độ bã rắn tới thủy phân cellulose bã mía phân đoạn enzym Hiệu suất thủy phân (%) Hình 3.17 Ảnh hưởng nồng độ bã rắn tới thủy phân (nhiệt độ 50ºC, lắc 150 vòng/phút thời gian 96 giờ, nồng độ enzyme 30 FPU/g bã khô) Hiệu suất thủy phân glucan bã mía phân đoạn đạt > 90% nồng độ bã rắn ≤ 5% có xu hướng giảm nồng độ bã rắn ≥ 10% Nồng độ đường dịch thủy phân đạt tới 154,23 g/L nồng độ bã rắn 20% 3.2.4 Động học trình thủy phân bã mía sử dụng enzymes NS 22192 5% 2% Tốc độ thủy phân (g/l*h) 10% 10% 5% 10 A 24 46 68 Thời gian thủy phân (h) 10% 90 24 B 5% 2% 46 68 Thời gian (h) 100 50 C 24 Thời gian thủy phân (h) 96 90 Hiệu suất thủy phân glucan (%) Hàm lượng glucose (g/L) 100 80 60 40 20 Hình 3.18 Động học trình thủy phân cellulose bã mía axit formic A)Hàm lượng glucose dịch thủy phân; B)Tốc độ thủy phân; C) Hiệu suất thủy phân (nhiệt độ 50ºC, pH 4,8, lắc 150 vòng/phút, nồng độ enzyme 30 FPU/g bã khô) Quá trình thủy phân nồng độ bã rắn ≤ 10%, khoảng 50% cellulose thủy phân thời gian giờ, 70% cellulose thủy phân hết thời gian 24 Kết cho thấy trình thủy phân tiến hành theo phương pháp fed batch hay 18 thủy phân lên men đồng thời (SSF), fed batch hay SSF nên thực khoảng thời gian từ đến 24 A 90.72 89.75 79.42 35.54 100 80 40 0 DC 5% 10% 20% (0%) Hàm lượng glucose ban đầu (%) Hàm lượng glucose(g/L) Hiệu suất thủy phân Glucan(%) Tốc độ thủy phân g/l*h) 200 Hiệu suất thủy phân glucan (%) Hàm lượng glucose (g/l) 3.2.5 Ảnh hưởng ức chế nồng độ glucose dịch thủy phân B DC (0%) 9.0 5% 10% 6.0 3.0 0.0 24 Thời gian thủy phân (hour) Hình 3.19 Ảnh hưởng hàm lượng glucose dịch thủy phân đến tốc độ thủy phân hiệu suất thủy cellulose bã mía phân đoạn A) Hiệu suất thủy phân glucan theo thời gian, B) Diễn biến tốc độ thủy phân (nồng độ bã rắn 5%, 50ºC, pH 4,8, lắc 150 vòng/phút, nồng độ enzyme 30 FPU/g bã khô) Nồng độ đường mức 50 g/L, tốc độ thủy phân thủy phân bị giảm tới 55,74% chưa ảnh hưởng đến hiệu suất thủy phân sau 96 Nồng độ glucose mức 100 g/L làm giảm tốc độ thủy phân tới 77,37%, làm giảm hiệu suất thủy phân sau 96 Ở nồng độ glucose 200 g/L trình thủy phân diễn chậm chạp, sau 96h hiệu suất thủy phân đạt 35,54% 100 80 60 40 20 120.66 148.96 157.47 160.99 60.33 74.48 78.74 80.50 79.61 39.81 24 48 72 Thời gian thủy phân (h) 20%- HSTP 180 140 100 60 20 96 Hàm lượng glucose (g/L) Hiệu suất thủy phân (%) 3.2.6 Thủy phân cellulose bã mía phân đoạn nồng độ bã rắn cao (20%) theo phương pháp khác Ở nồng độ bã rắn 20%, thủy phân fed batch không giúp cải thiện khả thủy phân bã thu Khuấy trộn giúp tăng tốc độ thủy phân giai đoạn đầu không giúp tăng hiệu suất thủy phân Để tăng hiệu suất thủy phân cuối nồng độ bã rắn cao 20% hơn, cần có giải pháp giảm hàm lượng đường dịch thủy phân 20%- HL Glucose Hình 3.20 Diễn biến hiệu suất thủy phân, hàm lượng glucose với trình thủy phân 20% bã rắn (Phản ứng thực điều kiện 50ºC, pH 4,8, nồng độ enzyme 30 FPU/g bã khô, khuấy 90 vòng/phút) 19 Quá trình thủy phân nồng độ bã rắn 20% sử dụng khuấy trộn, hiệu suất thủy phân đạt 39,81% sau 60,32% sau 24 tương ứng với nồng độ glucose 79,61 120,66 g/L (Hình 3.20).Sau đó, hiệu suất thủy phân tăng nhanh để đạt 74,48% sau 48 Các kết sử dụng để lựa chọn thời điểm tiến hành SSF Kết nghiên cứu thủy phân cho thấy bã mía phân đoạn axit formic rửa với kiềm sau thủy phân dễ dàng enzyme, hiệu suất thủy phân đạt 90,04 ± 0,53% sau 96h Hơn 70% cellulose bã thủy phân dễ dàng, phần khoảng 50% (tương ứng với phần cellulose vô định hình bã) thủy phân nhanh Nồng độ glucose dịch thủy phân đạt 160,99 ± 0.45 g/L nồng độ bã rắn 20% tương ứng với hiệu suất thủy phân 80,50% sau 96 3.3 Lên men ethanol từ bã mía phân đoạn formiline 140 2.2 120 91.50 100 91.50 80 60 1.7 1.2 54.13 40 0.7 20 0.00 0 0.2 24 48 72 Thời gian (h) Sinh khối (OD) HL gluocse (g/l), HL ethanol (g/l), Hiệu suất ethanol (%) 3.3.1 Khả lên men dịch thủy phân DTP-Hiệu suất ethanol (%) ĐC-Hiệu suất ethanol (%) DTP-Glucose (g/l) DTP-Ethanol (g/l) ĐC-Glucose (g/l) ĐC-Ethanol (g/l) DTP-Sinh khối (OD) ĐC-Sinh khối (OD) Hình 3.21 Diễn biến trình lên men dịch thủy phân bã mía phân đoạn (Dịch thủy phân 15% bã mía ly tâm để thu dịch trong, dịch glucose tinh khiết nồng độ tương đương dịch thủy phân, trùng 110ºC 30 phút, bổ sung dinh dưỡng Lên men sử dụng chế phẩm Ethanol Red® 2g/L, hoạt hóa nước cất tỉ lệ 2,5/1 15 phút trước cấy men; dung tích mẫu 100ml, tốc độ lắc 120 v/ph, nhiệt độ lên men 30ºC.) Dịch thủy phân không gây ức chế đáng kể trình lên men Hiệu suất lên men đạt 90,34% (98,73% đối chứng) 3.3.2 Thủy phân lên men gián đoạn (SHF) 20% bã mía phân đoạn SHF 20% bã rắn, thủy phân thực 50ºC 96 giờ, kết thúc thủy phân toàn dịch thủy phân (cả bã) trùng, bổ sung nấm men lên men, hiệu suất lên men đạt 86,69 % (95,56 % 20 Hàm lượng ethanol (g/L), Hiều suất lên men (%) so với đối chứng) Kết cho thấy bã mía phân đoạn chứa chất ức chế nấm men, có ảnh hưởng không nhiều tới kết lên men Đối chứng 100 Dịch thủy phân 86.69 70.58 90.71 69.40 50 Hiệu suất lên men (%) HL Ethanol (g/l) Hình 3.22 Kết lên men SHF 20% bã mía phân đoạn formiline (dịch thủy phân 20% bã mía chứa 159,63 g/L glucose, dịch glucose tinh khiết 150 g/L glucose, nấm men khô g/L, nhiệt độ lên men 30ºC, tốc độ lắc 120 v/ph, thời gian lên men 72h) 3.3.3 Thủy phân lên men đồng thời bã mía phân đoạn formiline 100 89.75 80.67 78.08 Hiệu suất thủy phân glucan (%) Hiệu suất thủy phân (%) 3.3.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ đến khả thủy phân enzyme NS22192 50 50 37 30 Nhiệt độ thủy phân (0C) A B 110 10%-50 ᵒC 10%-37 ᵒC 90 70 50 30 24 48 72 96 Thời gian thủy phân (h) Hình 3.23 Hiệu suất thủy phân diễn biến tăng hiệu suất thủy phân nhiệt độ khác A Hiệu suất thủy phân cellulose bã mía nhiệt độ khác (nồng độ bã 5%, enzyme 30 FPU/g bã khô, tốc độ lắc 150 v/ph, nhiệt độ 30, 37,50ºC, thời gian thủy phân 96h), B Diễn biến hiệu suất thủy phân 500C 370C (nồng độ bã 10%, enzyme 30 FPU/g bã khô, tốc độ lắc 150 v/ph, nhiệt độ 50, 37ºC, thời gian thủy phân 96h) Thủy phân 30ºC hiệu suất thủy phân đạt >96% 37ºC 87% 50ºC, cho phép xem xét áp dụng vào trình thủy phân thời gian cho trình thủy phân kéo dài 3.3.3.2 Thủy phân lên men đồng thời (SSF) 20% bã mía phân đoạn Hàm lươnbgj ehanol (g/L) Hiệu suất thủy phân (%) 100 SSF 6h-37 ᵒC 82.46 SSF 24h- 37 ᵒC 78.57 SSF 6h-30 ᵒC 81.66 77.80 80.72 79.93 HL Ethanol (g/l) HS thu hồi ethanol (%) 21 Hình 3.24 Kết lên men SSF 20% bã rắn 37ºC 30ºC (SSF thực với enzyme 30 FPU/g bã khô, thủy phân tiến hành với 6h, 24h 50ºC thiết bị khuấy, tốc độ khuấy 90 v/ph; nấm men (Ethanol Red®) g/L Sau 24h, SSF thực tủ ổn nhiệt, tốc độ lắc 150 v/ph 96h) Hàm lượng glucose (g/L) Quá trình SSF với 6h tiền thủy phân 50ºC 90h SSF 37ºC cho hiệu suất thu hồi ethanol hàm lượng ethanol đạt 81,66% 82,46 g/l SSF 30ºC đạt 95 % so với trình thực 37ºC Sự có mặt glucose dịch thủy phân (Hình 3.26) cho thấy, SSF 30ºC, hiệu suất ethanol giảm phần cellulose chưa thủy phân Điều giải léo dài thời gian SSF 100 93.53 84.03 SSF-30 ᵒC 50 2.32 0 24 48 Thời gian (h) 1.03 72 1.07 96 Hình 3.25 Diễn biến hàm lượng gluocse trình SSF 30ºC (Thủy phân thực hàm lượng bã rắn 20%, enzyme 30 FPU/g bã khô, thủy phân tiến hành với 6h 50ºC thiết bị khuấy, tốc độ khuấy 90 v/ph; nấm men Ethanol Red® g/L Sau 24h, SSF thực tủ ổn nhiệt 30ºC, tốc độ lắc 150 v/ph 96h) 3.3.4 So sánh SSF SHF bã mía phân đoạn SSF cho kết hàm lượng ethanol dịch lên men, hiệu suất ethanol cao rõ ràng so SHF SSF 37ºC với tiền thủy phân 50ºC cho hiệu suất thu hồi ethanol đạt 81,66 %, hàm lượng ethanol đạt tới 82,46 g/L (10,45% v/v) đáp ứng yêu cầu công nghiệp Hàm lượng ethanol (g/L), Hiều suất lên men (%) 120 80 82.46 SSF 70.58 SHF 81.66 69.89 40 HL Ethanol (g/l) HS thu hồi ethanol (%) Hình 3.26 So sánh trình SSF SHF sử dụng 20% bã rắn (SHF thực với 96h thủy phân 50ºC 72h lên men 30ºC, SSF thực với 6h tiền thủy phân 50ºC, 90h SSF 37ºC) Bã mía TXL axit formic theo phương pháp formiline chuyển hóa tốt thành ethanol Hiệu suất lên men dịch thủy phân đạt 90,34 ± 1,19% Hiệu suất thu hồi ethanol đạt 81,66 ± 1,88%, hàm lượng ethanol dịch lên men đạt 82,46 ± 3,42 g/L KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: 22 Đã khảo sát nghiên cứu ảnh hƣởng điều kiện phân đoạn, rửa bã phân đoạn: - Xây dựng mô hình ảnh hưởng điều kiện phân đoạn đến kết phân đoạn gồm: Hàm lượng lignin (%) = 12,14 – 6,6*A – 2,33*B -1,49*C + 1,52*A2 + 1,57*C2 Hàm lượng glucan (%) = 78,85 + 12,43*A + 4,98*B + 2,87 C – 1,92*A*B – 4,5*C2 Hiệu suất thủy phân glucan (%) = 55,28 + 26,22* A + 11,86*B + 3,17*C – 3,48*A*C – 9,4*A2 + 8,1*B2 Với A= nhiệt độ, B= nồng độ formic, C=thời gian, mã hóa tương ứng với A:90ºC = -1, 110 ºC = 0, 130 ºC = 1; B: 60% = -1, 70% = 0, 80% = 1; C: 10 phút = -1, 50 = 0, 90 = Các mô hình có độ tin cậy cao, cho phép dự đoán kết phân đoạn theo điều kiện cụ thể - Rửa kiềm bã sau phân đoạn dễ dàng loại nhanh lignin tách từ trình phân đoạn bám bề mặt cellulose làm tăng mạnh hiệu suất thủy phân cellulose bã - Quá trình phân đoạn cellulose bã mía bao gồm: Bã mía nồng độ bã rắn 20%, phân đoạn axit formic nồng độ 80% nhiệt độ 121oC thời gian 60 phút Tách dịch sau phân đoạn nhiệt độ 80oC, rửa với nước pH 7, rửa kiềm với tỉ lệ 0,05g NaOH/g bã khô tỉ lệ rắn lỏng 1/3, nhiệt độ 105oC 60 phút Rửa bã pH nước Bã phân đoạn có thành phần glucan 89,16±1,45%, lignin 7,40±1,29%, không chứa hemicellulose Cellulose bã mía phân đoạn axit formic đƣợc thủy phân dễ dàng enzyme - Quá trình thủy phân nồng độ bã rắn ≤10%, 50% cellulose thủy phân thời gian giờ, 70% cellulose thủy phân hết thời gian 24 - Ở điều kiện 30 FPU/g bã (NS22912 Novozyme), nhiệt độ 50oC, thời gian 96h, bã mía sau phân đoạn thủy phân với hiệu suất 90,04 ± 0,53% glucan ; Nồng độ đường dịch thủy phân đạt 160,99 ± 0,45 g/L nồng độ bã rắn 20% Nghiên cứu chuyển hóa cellulose bã mía phân đoạn thành ethanol, cho thấy: 23 - Dịch thủy phân không gây ức chế trình lên men nấm men S cerevisiae Ethanol Red® Hiệu suất lên men ethanol đạt tới 90,34 ±1,19% hiệu suất lý thuyết - Phương thức thủy phân lên men đồng thời (SSF) 37oC với bước tiền thủy phân 50oC phương pháp khả thi để thu nhận ethanol từ cellulose bã mía phân đoạn với axit formic Quá trình thực nồng độ bã rắn 20%, tiền thủy phân 50oC sau thủy phân lên men đồng thời 37oC 96 giờ, hiệu suất thu hồi ethanol nồng độ ethanol tương ứng đạt tới 81,66 ±1,88% 82,46±3,42 g/L (10,45±0,43% v/v), đáp ứng yêu cầu công nghiệp Kiến nghị: - Nghiên cứu hệ thống thiết bị đảo trộn thích hợp cho phân đoạn cellulose bã mía nồng độ bã rắn cao, nghiên cứu trình phân đoạn nồng độ bã rắn ≥ 30% - Nghiên cứu thiết bị tách dịch bã sau phân đoạn để phù hợp cho ép vắt bã nhiệt độ cao giảm tối đa hàm ẩm bã sau vắt - Nghiên cứu giải pháp tách tái sử dụng bã sau SSF Việc tách để tái sử dụng bã sau lên men giúp giảm lượng enzyme sử dụng đồng thời tạo thuận lợi cho trình chưng cất thu hồi etahnol 24 ... KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phân đoạn cellulose bã mía axit formic 3.1.1 Thành phần bã mía nghiên cứu Kết phân tích thành phần bã mía cho thấy, bã mía sử dụng có thành phần: cellulose. ..- 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. .. axit formic, đánh giá ảnh hưởng điều kiện rửa kiềm đến hàm lượng lignin, hiệu suất thủy phân cellulose bã mía phân đoạn - Là nghiên cứu Việt Nam sử dụng axit formic để phân đoạn bã mía thu cellulose