LUẬN văn CÔNG NGHỆ hóa bước đầu KHẢO sát TIỀN xử lý và THỦY PHÂN vỏ CACAO để làm NGUYÊN LIỆU CHO QUÁ TRÌNH lên MEN BIOETHANOL BẰNG SACCHAROMYCES CEREVISIAE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC BƢỚC ĐẦU KHẢO SÁT TIỀN XỬ LÝ VÀ THỦY PHÂN VỎ CACAO ĐỂ LÀM NGUYÊN LIỆU CHO QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIOETHANOL BẰNG SACCHAROMYCES CEREVISIAE CÁN BỘ HƢỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN TS Lê Thị Kim Phụng Nguyễn Văn Pháp GVC.ThS Hoàng Minh Nam MSSV: 2092149 Ngành: Cơng Nghệ Hóa Học-Khóa 35 Tháng 4/2013 LỜI CẢM ƠN Qua thời gian làm luận văn phịng thí nghiệm Trọng điểm CNHH Dầu Khí – Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, tơi hướng dẫn giúp đỡ tận tình q thầy cơ: Th.s Hồng Minh Nam, Bộ mơn Q Trình & Thiết Bị, Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Trường Đại học Bách Khoa, TP Hồ Chí Minh Cám ơn thầy tạo điều kiện cho em làm luận văn trường Đại Học Bách Khoa TS Lê Thị Kim Phụng, Bộ mơn Q Trình & Thiết Bị, Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Trường Đại học Bách Khoa, TP Hồ Chí Minh Em cám ơn cô giúp cho em vào thực tập Công Ty Cổ Phần XNK Domesco Đồng Tháp, môi trường cho em trải nghiệm công việc thực tế Cám ơn cô xếp công việc động viên, bảo em để thực đề tài luận văn ThS Trần Thị Tưởng An, Trường Đại học Bách Khoa, TP Hồ Chí Minh Cám ơn tận tình hướng dẫn chi tiết cơng việc, hỗ trợ kinh phí cho em ln động viên em suốt trình làm luận văn Cám ơn anh (chị) làm việc phịng thí nghiệm, bạn lớp Kỹ Thuật Hóa Học – ĐHBK, với bạn lớp Cơng Nghệ Sinh Học trường Đại Học Bình Dương, Đại Học Kỹ Thuật TPHCM, giúp đỡ chia sẻ khó khăn trình làm luận văn Một lần xin chân thành cám ơn quý thầy cô bạn Sinh viên thực Nguyễn Văn Pháp i LỜI TÓM TẮT Bioethanol nguồn nhiên liệu đầy hứa hẹn tương lai thay cho nguồn nhiên liệu hóa thạch, nguồn nhiên liệu tái tạo Bioethanol tồn dạng lỏng sử dụng thích nghi nguồn nhiên liệu cho tương lai Tuy nhiên, sản phẩm bioethanol có nguồn gốc từ tinh bột dễ bị biến động tinh bột nguồn lương thực người Nếu sử dụng lương thực để sản xuất bioethanol làm cho giá lương thực tăng cao Như vậy, làm bất bình ổn giá lương thực, tác động xấu đến thị trường lương thực nước Việc sử dụng tinh bột nguyên liệu giàu đường đẩy giá lương thực bioethanol tăng cao so với sản xuất đường hóa học Trong đó, giá vật liệu trả 40 – 75% tổng chi phí sản xuất ethanol Vì vậy, việc thay nguồn nguyên liệu yêu cầu cho việc sản xuất bioethanol Như nguồn nguyên liệu phụ phẩm ngành nông nghiệp: rơm rạ, bã mía, vỏ cacao, vỏ cam chanh, … Hiện nay, phần vỏ cacao phế thải sau bóc hạt tác nhân gây hại cho môi trường Đề tài nhằm xác định giá trị dinh dưỡng vỏ trái cacao để xử lí chuyển giao vào trình lên men để thu cồn với hiệu suất cao Theo nghiên cứu nhà khoa học nước ngoài, vỏ trái cacao chứa hàm lượng glucid cao nên việc sử dụng để chuyển hóa thành đường glucose để lên men tạo rượu ethanol có hiệu Tuy nhiên, vỏ trái cacao tươi không sấy khơ đến độ ẩm thích hợp điều kiện cho vi sinh vật có hại phát triển Nên đề tài khảo sát nguyên liệu lên men ngun liệu có độ ẩm thích hợp, để bảo quản lâu sẵn sàng cung cấp nguyên liệu cho nghiên cứu Để đạt hiệu suất lên men cao cần phải khảo sát yếu tố: thời gian lên men; nhiệt độ, pH, dịch lên men Từ đó, chọn điều kiện tối ưu để thu ethanol nhiều ii MỤC LỤC Danh mục hình vi Danh mục bảng vii Danh mục phụ lục viii CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu bioethanol 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Phương pháp sản xuất bioethanol 1.2 Sản xuất ethanol sinh học từ nguyên liệu lignocellulose 1.2.1 Các bước lên men bioethanol từ nguyên liệu lignocellulose 1.2.2 Quy trình tổng hợp ethanol từ lignocellulose 1.3 Tổng quan phụ phẩm chế biến trái 1.4 Các phương pháp thủy phân 10 1.4.1 Phương pháp vật lý 10 1.4.2 Phương pháp hóa học 11 1.4.3 Phương pháp sinh học 12 1.5 Giới thiệu cacao 15 1.5.1 Tên khoa học 15 1.5.2 Thành phần giá trị dinh dưỡng vỏ trái cacao 15 1.5.3 Tình hình sản xuất tiêu thụ cacao nước ta 16 1.6 Nấm men tham gia trình lên men rượu 17 1.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình lên men 18 1.7.1 Thời gian 18 1.7.2 Nhiệt độ 19 1.7.3 Hàm lượng giống nấm men 19 1.7.4 Nồng độ dịch lên men 19 1.7.5 Thành phần chất dinh dưỡng môi trường lên men 19 1.7.6 Nồng độ CO2 môi trường 20 1.7.7 pH 20 iii 1.8 Tình hình sản xuất tiêu thụ bioethanol giới Việt 20 1.8.1 Trên giới 20 1.8.2 Tại Việt Nam 23 1.9 Các cơng trình nghiên cứu sản xuất bioethanol 25 1.9.1 Trên giới 25 1.9.2 Ở Việt Nam 26 CHƢƠNG 2.VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1 Thời gian địa điểm nghiên cứu 28 2.2 Đối tượng nghiên cứu 28 2.3 Vật liệu nghiên cứu 28 2.3.1 Nguyên vật liệu 28 2.3.2 Thiết bị dụng cụ dùng nghiên cứu 29 2.4 Bố trí thí nghiệm 29 2.4.1 Thí nghiệm Khảo sát giá trị dinh dưỡng nguyên liệu 29 2.4.2 Thí nghiệm Tiền xử lý nguyên liệu 29 2.4.3 Thí nghiệm Khảo sát phương pháp thủy phân 31 2.4.4 Thí nghiệm Khảo sát thơng số ảnh hưởng đến trình lên men 33 2.5 Phương pháp phân tích 35 2.5.1 Phương pháp vi sinh: 35 2.5.2 Phương pháp hóa lý 36 2.6 Xử lý số liệu 40 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 41 3.1 Khảo sát giá trị dinh dưỡng vỏ cacao 41 3.2 Khảo sát nguyên liệu tiền xử lý dung dịch NaOH HCl 41 3.3 Khảo sát phương pháp thủy phân 45 3.4 Khảo sát điều kiện tối ưu trình lên men 49 3.4.1 Khảo sát thời gian lên men 49 3.4.2 Khảo sát nhiệt độ lên men 54 3.4.3 Khảo sát ảnh hưởng pH đến trình lên men 56 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 iv Tài liệu tham khảo 61 v DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1 Q trình chuyển đổi sinh khối lignocellulose thành ethanol Hình 1.2 Ảnh hưởng trình tiền xử lý đến quy trình biến đổi lignocellulose thành ethanol Hình 1.3 Cơ chế trình nổ 11 Hình 1.4 Vị trí phân cắt cellulase 13 Hình 1.5 Cấu tạo acid  - galacturonic khung cấu tạo pectin 14 Hình 1.6 Cơ chế hoạt động enzyme pectinesterase (PE) 14 Hình 1.7 Trái cacao chín 15 Hình 1.8 Thành phần cấu tạo trái cacao 15 Hình 1.9 Sản lượng ethanol giới theo lĩnh vực qua năm 23 Hình 1.10 Hai nhà máy công suất lớn quy mô lớn Việt Nam 24 Hình 2.1 Sơ đồ lên men bioethanol thử nghiệm 34 Hình 2.2 Nhân giống nấm men mơi trường SDB 37 Hình 3.1 Vỏ cacao sau xử lý kiềm 42 Hình 3.3 Kết đường khử thủy phân nguyên liệu enzyme 47 Hình 3.4 Kết cellulose thủy phân nguyên liệu enzyme 48 Hình 3.5 Bộ dụng cụ lên men 51 Hình 3.6 Sự thay đổi tổng số chất rắn hòa tan theo thời gian lên men 51 Hình 3.7 Sự thay đổi độ cồn theo thời gian lên men 52 Hình 3.8 Sự thay đổi đường khử theo thời gian lên men 53 Hình 3.9 Sự thay đổi hiệu suất chuyển hóa đường khử theo thời gian lên men 53 Hình 3.10 Kết lên men ảnh hưởng nhiệt độ 54 Hình 3.11 Kết lên men ảnh hưởng pH 56 vi DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1 Năng lượng tạo đốt cháy lít nhiên liệu Bảng 1.2 Thành phần hóa học số phụ phẩm trái Bảng 1.3 Diện tích sản lượng số trồng nước ta năm 2011 (theo Tổng cục thống kê) 10 Bảng 1.4 Ảnh hưởng loại nấm men đến hiệu suất tạo ethanol 18 Bảng 1.5 Tổng hợp sản xuất ethanol giới 22 Bảng 1.6 Sản xuất Ethanol Mỹ từ 1981 - 2010 22 Bảng 1.7 Tổng số nhà máy ethanol công suất Mỹ qua năm 23 Bảng 1.8 Một số nhà máy sản xuất ethanol Việt Nam 24 Bảng 3.1 Giá trị dinh dưỡng vỏ cacao tươi 41 Bảng 3.2 Kết khảo sát nguyên liệu tiền xử lý với dung dịch NaOH 42 Bảng 3.3 Kết khảo sát tiền xử lý nguyên liệu với dung dịch acid 43 Bảng 3.4 Kết thủy phân enzyme 46 Bảng 3.5 Kết khảo sát thời gian lên men 50 Bảng 3.6 Kết khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến trình lên men 54 Bảng 3.7 Kết khảo sát ảnh hưởng pH đến trình lên men 56 vii DANH MỤC PHỤ LỤC Trang PHỤ LỤC 1: GIỚI THIỆU VỀ LIGNOCELLULOSE 65 PHỤ LỤC 2: HÌNH THÁI VÀ CẤU TẠO TẾ BÀO NẤM MEN 67 PHỤ LỤC 3: CÁCH XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN ĐỊNH LƯỢNG ĐƯỜNG KHỬ 69 PHỤ LỤC 4: ĐƯỜNG CHUẨN ĐỊNH LƯỢNG ĐƯỜNG KHỬ (DNS) 69 viii CHƢƠNG TỔNG QUAN CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu bioethanol 1.1.1 Khái niệm Bioethanol rượu ethanol sinh học thu từ trình lên men vi sinh loại nguyên liệu chứa đường từ tinh bột, cellulose nhờ vào phản ứng trung gian thủy phân thành đường vi sinh Bioethanol tổng hợp thông qua trình sinh học, vi sinh sử dụng nguồn nguyên liệu đường làm thức ăn để thực hô hấp kỵ khí thải ethanol khí CO2 Trong đó, ethanol có nguồn gốc dầu mỏ tổng hợp thơng qua q trình hóa học, khơng có mặt tham gia thể sống trình tạo ethanol Cả trình tổng hợp tạo ethanol có tính chất sau [12]: ETHANOL Công thức phân tử C2H5OH Khối lượng phân tử 46.07 g/mol Trạng thái: lỏng, không màu (từ -117 oC – 78 oC) Tỉ trọng 0.789 kg/l Điểm sôi 78.5 oC Điểm đông đặc -1170C Giới hạn nổ: 3.5% v/v; 19% v/v Áp suất hơi: 38 oC, 50mmHg pKa = 15.9 Độ nhớt 1.200 mPa.s (20 oC) Chỉ số octane 99 SVTH: Nguyễn Văn Pháp MSSV: 2092149 ... BÀN LUẬN 41 3.1 Khảo sát giá trị dinh dưỡng vỏ cacao 41 3.2 Khảo sát nguyên liệu tiền xử lý dung dịch NaOH HCl 41 3.3 Khảo sát phương pháp thủy phân 45 3.4 Khảo sát điều... tối ưu trình lên men 49 3.4.1 Khảo sát thời gian lên men 49 3.4.2 Khảo sát nhiệt độ lên men 54 3.4.3 Khảo sát ảnh hưởng pH đến trình lên men 56 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN... dưỡng vỏ cacao tươi 41 Bảng 3.2 Kết khảo sát nguyên liệu tiền xử lý với dung dịch NaOH 42 Bảng 3.3 Kết khảo sát tiền xử lý nguyên liệu với dung dịch acid 43 Bảng 3.4 Kết thủy phân