Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)

Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa công bố công trình khác Hà Nội, 2015 i LỜI CẢM ƠN Trong q trình nghiên cứu hồn thành luận án này, nhận nhiều giúp đỡ quý báu thầy cô giáo, nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực đồng nghiệp bạn bè Đầu tiên tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Ngô Quốc Anh PGS.TS Đỗ Quang Kháng tận tình hướng dẫn tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Hóa Học, Phòng Quản lý Tổng hợp, anh chị em phòng Cơng nghệ Vật liệu Mơi trường – Viện Hóa Học đồng nghiệp ngồi Viện tạo điều kiện thuận lợi giúp thực luận án hoàn thành thủ tục cần thiết Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân bạn bè quan tâm, động viên giúp đỡ suốt q trình học tập hồn thành luận án Hà Nội, ngày tháng Tác giả Luận án ii năm 2015 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU Chương 1- TỔNG QUAN 1.1 VAI TRÒ VÀ TIỀM NĂNG CỦA ETHANOL SINH HỌC 1.1.1 Vai trò ethanol sinh học 1.1.2 Tiềm sản xuất ethanol sinh học 1.1.3 Sản xuất sử dụng nhiên liệu sinh học 1.1.4 Các nguyên liệu thường dùng để sản xuất ethanol ngày .6 1.1.5 Lên men sản xuất ethanol 10 1.2 RONG BIỂN 12 1.2.1 Giới thiệu chung .12 1.2.2 Hình thái - Phân loại loài rong biển Việt Nam .12 1.2.3 Phân bố, khai thác sản xuất rong biển 14 1.2.4 Tổng quan rong nâu .16 1.3 PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP: RƠM, RẠ Ở VIỆT NAM .23 1.3.1 Phế thải nông nghiệp 23 1.3.2 Thành phần hóa học phế thải nông nghiệp 23 1.4 VI SINH VẬT TRONG XÚC TÁC QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN .29 1.4.1 Vi sinh vật 29 1.4.2 Xúc tác sinh học trình thủy phân .31 1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC THUỘC LĨNH VỰC CỦA LUẬN ÁN 39 1.5.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 39 1.5.2 Các nghiên cứu nước 43 Chương - NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47 2.1 NGUYÊN VẬT LIỆU 47 iii 2.1.1 Các nguyên vật liệu chứa cellulose 47 2.1.2 Các chủng vi sinh .48 2.1.3 Hóa chất 50 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 51 2.2.1 Phương pháp hypoclorit tách cellulose từ rơm rạ 51 2.2.2 Phương pháp xác định độ ẩm rong biển khô .52 2.2.3 Xác định protein tổng số phương pháp Kieldahl .52 2.2.4 Phương pháp xác định hàm lượng tro 53 2.2.5 Xác định hàm lượng lipid tổng số phương pháp Folch 54 2.2.6 Phương pháp định lượng đường khử theo phương pháp acid dinitrosalicylic (DNS) 55 2.2.7 Phương pháp tiền xử lý phế thải rong nâu .57 2.2.8 Phương pháp xử lí số liệu 60 2.3 XÂY DỰNG QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU 61 2.3.1 Quy trình thủy phân carbohydrate rong nâu phế thải nông nghiệp 61 2.3.2 Quy trình dự kiến lên men dịch đường tạo ethanol sinh học 64 2.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố đến trình thủy phân carbohydrate rong nâu .65 2.3.4 Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố đến trình lên men tạo ethanol 70 Chương 3- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 75 3.1 Nghiên cứu chuẩn bị nguyên vật liệu sản xuất nhiên liệu sinh học 75 3.1.1 Xác định hàm lượng carbohydrate rong nâu thu Nha Trang Hải Phòng 75 3.1.2 Xác định hàm lượng cellulose tách từ rơm rạ 76 3.1.3 Nghiên cứu thu nhận xúc tác sinh học cho sản xuất bioethanol 78 3.2 Nghiên cứu trình thủy phân carbohydrate từ nguồn nguyên liệu thành saccharide hòa tan .81 3.2.1 Thủy phân carbohydrate rong nâu 81 3.2.2 Nghiên cứu thủy phân cellulose tách chiết từ rơm rạ .91 3.2.3 Đánh giá chung q trình thủy phân chuyển hóa carbohydrate rong biển, phế thải nông nghiệp thành đường 106 iv 3.3 Nghiên cứu q trình lên men sản phẩm trung gian hòa tan 108 3.3.1 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình lên men rong nâu phế thải nông nghiệp .110 3.3.2 Nghiên cứu lên men sản phẩm trung gian glucose từ trình thủy phân rơm rạ chủng Saccharomyces cerevisiae V7028 .116 3.4 Chuyển hóa phế thải rong nâu thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học kết hợp với acid 118 3.4.1 Hàm lượng cellulose có phế thải rong nâu sau q trình tách alginate 118 3.4.2 Hiệu trình thủy phân lên men .119 Nhận xét 120 KẾT LUẬN 126 CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 PHỤ LỤC v Đỗ Trung Sỹ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Diễn giải ADP Adenosin diphosphate ATP Adenosin triphosphate BGL Glucosidase BHT Butylated hydroxy toluen CBH Cellobiohydrolase DNS Acid dinitrosalicylic EG Endoglucanase FAO Food and Agriculture Organization HPLC High performance liquid chromatography 10 IR Infrared spectroscopy 11 IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry 12 NADH Nicotinamide adenine dinucleotide 13 OD Optical density 14 PVA Polyvinyl alcohol 15 SHF Separate hydrolysis and fermentation 16 SPSS Statistical Package for the Social Sciences 17 SSF Simultaneous saccharification and fermentation 18 UV – VIS Ultraviolet–visible spectroscopy iv Đỗ Trung Sỹ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tính chất hố lý quan trọng số nhiên liệu Bảng 1.2 Sản lượng ethanol giới .6 Bảng 1.3 Một số dự án sản xuất ethanol Việt Nam Bảng 1.4 Các dạng carbohydrate ngành rong biển .14 Bảng 1.5 Thành phần hóa học phế thải nông nghiệp (%) 23 Bảng 1.6 Cellulose tinh khiết nguyên liệu 24 Bảng 1.7 Vi sinh vật phân huỷ lignocellulose 31 Bảng 2.1 Các loài rong nâu thu hái để nghiên cứu 48 Bảng 2.2 Các chủng vi sinh vật để thủy phân cellulose .49 Bảng 2.3 Các chủng vi sinh vật cho lên men ethanol 49 Bảng 2.4 Các hóa chất sử dụng luận án .50 Bảng 2.5 Mật độ quang dãy dung dịch chuẩn glucose theo phương pháp DNS .57 Bảng 3.1 Kết xác định thành phần sinh hóa lồi rong nâu 75 Bảng 3.2 Kết xác định hàm lượng đường khử tạo thành trình thủy phân rong nâu lượng enzyme Cellic HTech2 khác .81 Bảng 3.3 Kết xác định hàm lượng đường khử tạo thành trình thủy phân rong nâu enzyme Cellic HTech2 giá trị pH khác .83 Bảng 3.4 Kết xác định hàm lượng đường khử tạo thành trình thủy phân rong nâu enzyme Cellic HTech2 nhiệt độ khác .85 Bảng 3.5 Kết xác định hàm lượng đường khử tạo thành thời điểm khác trình thủy phân rong nâu enzyme Cellic HTech2 87 Bảng 3.6 Kết xác định hàm lượng đường khử dịch thủy phân rong nâu qua xử lí acid kết hợp với enzyme Cellic HTech2 89 v Đỗ Trung Sỹ Bảng 3.7 Kết xác định hàm lượng cellulose glucose thời điểm khác trình thủy phân cellulose dịch lên men chủng vi khuẩn C32 92 Bảng 3.8 Kết xác định hàm lượng cellulose glucose thời điểm khác trình thủy phân cellulose dịch lên men chủng vi khuẩn C36 92 Bảng 3.9 Kết xác định hàm lượng cellulose glucose thời điểm khác trình thủy phân cellulose dịch lên men chủng vi khuẩn Hud 4-1 93 Bảng 3.10 Kết xác định hàm lượng cellulose glucose thời điểm khác trình thủy phân cellulose dịch lên men chủng xạ khuẩn 7P 93 Bảng 3.11 Kết xác định hàm lượng cellulose glucose thời điểm khác trình thủy phân cellulose dịch lên men chủng nấm A terreus 93 Bảng 3.12 Sự tạo thành glucose trình thủy phân cellulose số chủng vi sinh Việt Nam 94 Bảng 3.13 Hiệu suất thủy phân cellulose chủng vi sinh 95 Bảng 3.14 Kết xác định hàm lượng đường khử tạo thành trình thủy phân cellulose dịch enzyme nấm Aspergillus terreus thời điểm khác giá trị pH khác 99 Bảng 3.15 Kết xác định hàm lượng đường khử tạo thành trình thủy phân cellulose enzyme nấm Aspergillus terreus nhiệt độ khác .100 Bảng 3.16 Ảnh hưởng lượng cellulose enzyme ban đầu tới lượng glucose thu 101 Bảng 3.17 Ma trận kế hoạch thực nghiệm kết 101 Bảng 3.18 Xác địnhh giá trị tối ưu cho hàm lượng glucose nhận .104 vi Đỗ Trung Sỹ Bảng 3.19 Kết xác định hàm lượng đường khử trước sau thay đổi tỷ lệ nấm men trình lên men chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae V7028 .110 Bảng 3.20 Kết xác định hàm lượng đường khử trước sau lên men nấm Saccharomyces cerevisiae V7028 giá trị pH khác .113 Bảng 3.21 Kết xác định hàm lượng đường khử trước sau lên men nấm Saccharomyces cerevisiae V7028 thời điểm khác .115 Bảng 3.22 Các thông số động học trình lên men ethanol chủng Saccharomyces cerevisiae V7028 .117 Bảng 3.23 Ảnh hưởng nồng độ acid loãng tới hàm lượng khử tạo thành trình thủy phân 119 vii Đỗ Trung Sỹ DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cơng thức Haworth hai gốc polymer phân tử acid alginic 19 Hình 1.2 Công thức cấu tạo alginate 19 Hình 1.3 Cấu trúc alginate .20 Hình 1.4 Cấu trúc hóa học loại fucoidan chiết tách từ rong nâu 21 Hình 1.5 Cấu trúc phân đoạn fucoidan 21 Hình 1.6 Cấu trúc phân tử cellulose hemicellulose 25 Hình 1.7 Cấu trúc không đồng phân tử cellulose 26 Hình 1.8 Cấu trúc lignin .28 Hình 1.9 Đường cong sinh trưởng vi sinh vật ni cấy gián đoạn .29 Hình 1.10 Cơ chế thủy phân cellulose 36 Hình 1.11 Sơ đồ thủy phân cellulose hệ enzyme cellulase 36 Hình 1.12 Cơ chế thủy phân glycoside enzyme -glucosidase .37 Hình 1.13 Sơ đồ thiết bị thủy phân phương pháp acid Brazil , 39 Hình 2.1 Các mẫu rong nghiên cứu 47 Hình 2.2 Phế thải nơng nghiệp (rơm, rạ) trước sau xử lý học 48 Hình 2.3 Phương pháp Hypoclorit tách cellulose từ rơm rạ 51 Hình 2.4 Đường chuẩn tương quan nồng độ glucose độ hấp thụ 57 Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm kết hợp thủy phân acid enzyme 60 Hình 2.6 Sơ đồ trình thủy phân carbohydrate rong nâu .61 Hình 2.7 Sơ đồ trình thuỷ phân carbohydrate phế thải nơng nghiệp 63 Hình 2.8 Quy trình dự kiến sản xuất ethanol 64 Hình 2.9 Sơ đồ thí nghiệm xác định yếu tố ảnh hưởng đến trình thủy phân .66 Hình 2.10 Sơ đồ thí nghiệm kết hợp thủy phân acid enzyme 70 viii ... Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học làm đề tài nghiên cứu cho luận án Mục tiêu nghiên cứu đề tài là:  Xác định thành. .. ưu trình lên men ethanol từ dịch thủy phân rong biển phế thải nông nghiệp Đánh giá hiệu q trình chuyển hóa carbohydrate từ rong biển phế thải nông nghiệp thành ethanol sinh học Chương 1- TỔNG... xuất rong biển 14 1.2.4 Tổng quan rong nâu .16 1.3 PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP: RƠM, RẠ Ở VIỆT NAM .23 1.3.1 Phế thải nông nghiệp 23 1.3.2 Thành phần hóa học phế thải nông nghiệp