Khảo sát nâng cao hiệu quả quá trình lên men bioethanol từ vỏ cacao bằng phương pháp ssf​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHẢO SÁT NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIOETHANOL TỪ VỎ CACAO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SSF Ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Giảng viên hướng dẫn : Th.S Trần Thị Tưởng An Sinh viên thực MSSV: 1151110531 : Hồ Thùy Bảo Trân Lớp: 11DSH05 TP Hờ Chí Minh, 2015 Đờ án tớt nghiệp LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng, đồ án tốt nghiệp “Khảo sát nâng cao hiệu quả quá trình lên men bioethanol từ vỏ cacao bằng phương pháp SSF” cơng trình nghiên cứu thực cá nhân tôi, thực sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức dựa hướng dẫn Th.S Trần Thị Tưởng An Các số liệu sử dụng đờ án trung thực có ng̀n gớc cụ thể, rõ ràng Nội dung đờ án có tham khảo sử dụng số nhận xét, đánh giá từ các tài liệu thông tin đăng tải các sách, tác phẩm, tạp chí các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo đồ án Đồ án tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Đồ án tốt nghiệp cột mốc quan trọng đời sinh viên, đánh dấu tồn quá trình học tập nghiên cứu ở giảng đường đại học Để có điều kiện thực đờ án tớt nghiệp hồn thành chương trình học năm trường Đại học Công Nghệ TP.HCM em nhận dạy tận tình với kinh nghiệm quý báu từ quý thầy cô khoa Công nghệ sinh học Thực phẩm-Môi trường trường Đại học Công Nghệ TP.HCM Lời đầu tiên em xin cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Công Nghệ TP.HCM, Ban chủ nhiệm khoa Công nghệ sinh học - Thực phẩm - Môi trường tập thể các thầy cô giúp đỡ tạo điều kiện cho em thực đồ án Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Th.S Trần Thị Tưởng An, trường Đại học Bách Khoa TP.Hờ Chí Minh Cơ người giúp em đến với hướng nghiên cứu này, đồng thời người trực tiếp hướng dẫn, bảo tận tình, truyền đạt các kiến thức, kinh nghiệm chuyên môn, tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hồn thành tớt đờ án động viên em śt quá trình em thực đề tài phòng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học Biomass, Đại học Bách Khoa TP.Hờ Chí Minh Em xin gửi lời cảm ơn đến các anh, các chị các bạn làm việc phòng thí nghiệm nhiệt tình hỗ trợ em suốt thời gian làm việc ở Cuối cùng, xin cảm ơn hỗ trợ, giúp đỡ, động viên tồn thể gia đình śt quá trình hồn thành đờ án tớt nghiệp, śt quá trình học tập vừa qua Mặc dù cố gắng để thực đề tài cách hồn chỉnh nhất Song b̉i đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, tiếp cận với thực nghiệm máy móc đại hạn chế kiến thức, kinh nghiệm nên không tránh khỏi thiếu xót Em rất mong góp ý quý thầy cô các bạn để kiến thức em lĩnh vực hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực Hồ Thùy Bảo Trân Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC HÌNH ẢNH vi MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Tình hình nghiên cứu sản xuất bioethanol từ vỏ trái cacao Mục tiêu đề tài Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Các kết đạt đề tài Kết cấu đồ án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Giới thiệu Bioethanol 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Các hệ bioethanol 1.1.3 Tình hình sản xuất tiêu thụ bioethanol giới Việt Nam 1.1.4 Lợi ích, hạn chế ứng dụng bioethanol 11 1.1.5 Nguồn nguyên liệu lignocellulose 12 1.2 Quá trình biến đởi bioethanol từ nguyên liệu lignocellulose 13 1.2.1 Quá trình tiền xử lý 14 1.2.2 Quá trình thủy phân 17 1.2.3 Quá trình lên men 17 1.3 Giới thiệu Cacao 22 1.3.1 Tên khoa học cacao 22 1.3.2 Thành phần giá trị dinh dưỡng vỏ trái cacao 22 1.3.3 Tình hình sản xuất tiêu thụ cacao ở nước ta 23 1.4 Tình hình nghiên cứu bioethanol giới 24 i Đồ án tốt nghiệp 1.5 Giới thiệu nấm men Saccharomyces cerevisiae 26 1.5.1 Phân loại khoa học 26 1.5.2 Đặc điểm hình thái 26 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27 2.1 Thời gian địa điểm nghiên cứu 27 2.2 Đối tượng nghiên cứu 27 2.3 Vật liệu nghiên cứu 27 2.3.1 Vật liệu 27 2.3.2 Dụng cụ thiết bị 28 2.4 Phương pháp nghiên cứu 28 2.4.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 29 2.4.2 Phương pháp bớ trí thí nghiệm 29 2.5 Các phương pháp phân tích 34 2.5.1 Phương pháp vi sinh 34 2.5.2 Phương pháp hóa lý 36 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 3.1 Khảo sát giống nấm men 42 3.1.1 Quan sát hình thái nấm men 42 3.1.2 Xây dựng đường cong sinh trưởng Saccharomyces cerevisiae 42 3.2 Khảo sát thành phần hóa học vỏ cacao khơ 43 3.3 Khảo sát tiền xử lý với acid oxalic 44 3.4 Thủy phân vỏ cacao enzyme Viscozym 45 3.5 Khảo sát thời gian lên men sau thủy phân (SHF) 47 3.6 Khảo sát thủy phân lên men đồng thời (SSF) 49 3.6.1 Khảo sát thời gian SSF 50 3.6.2 Khảo sát nhiệt độ lên men SSF 54 3.6.3 Khảo sát tỉ lệ giống bổ sung 56 3.6.4 Khảo sát tỉ lệ enzyme bổ sung 59 3.6.5 Khảo sát ảnh hưởng tốc độ khuấy lắc 61 ii Đồ án tốt nghiệp 3.7 Khảo sát thành phần dinh dưỡng bổ sung lên men SSF 63 3.7.1 Khảo sát ảnh hưởng nờng độ peptone đến quá trình lên men SSF 63 3.7.2 Khảo sát ảnh hưởng nờng độ glucose đến quá trình SSF 65 3.7.3 Khảo sát ảnh hưởng K2HPO4 đến quá trình lên men SSF 67 3.7.4 Khảo sát ảnh hưởng MnSO4 đến quá trình lên men SSF 68 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHI 71 4.1 Kết luận 71 4.2 Kiến nghị 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 iii Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Cfu Colony forming unit Cty Công ty DNS Acid 3,5- dinitrosalicylic đv Đơn vị EtOH Ethanol EU European Union h Giờ HPLC High-performance liquid chromatography KH CN Khoa học Công nghệ MeOH Methanol PL Phụ lục PNV Petro Vietnam S cerevisiae Saccharomyces cerevisiae SDA Sabouraud’s Dextrose Agar SDB Sabouraud’s Dextrose Broth SHF Separate hydrolysis and fermentation SSCF Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation SSF Simultaneous Saccharification and Fermention TXL Tiền xử lý iv Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các hệ bioethanol Bảng 1.2 Tổng sản lượng bioethanol hàng năm giới Bảng 1.3 Danh sách nhà máy bioethanol sinh học sản xuất 10 Bảng 1.4 Các phương pháp tiền xử lý hóa học 16 Bảng 1.5 Những thuận lợi bất lợi phướng pháp tiền xử lý acid 16 Bảng 1.6 Các phương pháp tiền xử lý sinh học 17 Bảng 1.7 Các quá trình lên men 20 Bảng 1.8 Thành phần vỏ cacao khô 22 Bảng 1.9 Tình hình nghiên cứu bioethanol giới 25 Bảng 2.1 Bảng thực thí nghiệm lên men SSF 33 Bảng 3.1 Thành phần hóa học vỏ cacao khơ 44 Bảng 3.2 Thành phần hóa học vỏ cacao khơ sau tiền xử lí 45 Bảng 3.3 Kết thủy phân theo thời gian 46 v Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Thị phần sản xuất bioethanol sinh học giới Hình 1.2 Thành phần lignocelluloses 13 Hình 1.3 Sơ đồ chuyển đổi sinh khối lignocelluolose thành bioethanol 14 Hình 1.4 Nấm men Saccharomyces cerevisiae 26 Hình 2.1 Sơ đồ quá trình thực thí nghiệm………………………………… 29 Hình 3.1 Đặc điểm hình thái Saccharomyces cerevisiae 42 Hình 3.2 Đường cong sinh trưởng S.cerevisiae 42 Hình 3.3 Vỏ cacao khô 43 Hình 3.4 Sự thay đổi các thành phần theo thời gian lên lên men SHF 48 Hình 3.5 Sự thay đổi các thành phần theo thời gian lên men SSF .51 Hình 3.6 Sự thay đổi các thành phần theo nhiệt độ quá trình lên men SSF 55 Hình 3.7 Sự thay đởi các thành phần theo tỉ lệ cấy giống lên men SSF 57 Hình 3.8 Sự thay đổi các thành phần theo tỉ lệ enzyme bở sung quá trình lên men SSF 60 Hình 3.9 Sự thay đổi các thành phần theo tốc độ khuấy quá trình lên men SSF 62 Hình 3.10 Sự thay đổi các thành phần theo nồng độ pepton bổ sung quá trình lên men SSF 64 Hình 3.11 Sự thay đổi các thành phần theo nờng độ glucose bở sung quá trình lên men SSF 66 Hình 3.12 Sự thay đổi các thành phần theo nờng độ K2HPO4 quá trình lên men SSF 68 Hình 3.13 Sự thay đổi các thành phần theo nồng độ MnSO4 bở sung quá trình lên men SSF 70 vi Đồ án tốt nghiệp MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Bioethanol (Ethanol sinh học) loại nhiên liệu sinh học đầy hứa hẹn sẽ thay cho nguồn lượng từ các sản phẩm hoá thạch dầu mỏ mà mọi người hướng tới nhằm khắc phục khát lượng tồn cầu Nó sản x́t từ nhiều ng̀n ngun liệu chất thải sinh học khác Nguyên liệu sử dụng sản xuất bioethanol sinh học đậu tương, cọ, hạt cải, hạt cải dầu, mỡ động vật, dầu thực vật, tinh bột đường coi nguyên liệu hệ đầu tiên Những bất lợi các nguyên liệu hệ đầu tiên chúng sử dụng theo cách khác để làm thức ăn cho người sẽ gây lo lắng vấn đề an ninh lương thực - cạnh tranh trồng làm nhiên liệu lương thực Chính vậy, giới theo hướng sản xuất bioethanol từ các nguyên liệu phi thực phẩm có chứa hợp chất cellulose - sinh khới lignocellulose Sử dụng nguyên liệu giàu cellulose hoặc nguyên liệu rẻ tiền chứa nhiều carbohydrate giải pháp hướng đến để tránh việc cạnh tranh với nguồn lương thực người Việt Nam quốc gia nằm ở vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, điều kiện thuận lợi cho phát triển các lồi trờng, đặc biệt các loại nơng nghiệp có giá trị cacao Hiện ở Việt Nam có nhiều cơng trình nghiên cứu ứng dụng vỏ cacao để làm thức ăn chăn nuôi mang lại hiệu cao Bên cạnh đó, vỏ cacao nghiên cứu lĩnh vực sản xuất bioethanol sinh học Dựa vào thành phần hóa học vỏ cacao chủ yếu cellulose, hemicellulose lignin… qua quá trình thủy phân lên men nhờ vi sinh vật chuyển hoá cellulose vỏ cacao thành Bioethanol sinh học Vỏ trái cacao nguồn phế phẩm nông nghiệp giàu lignocellulose nên sử dụng để lên men tạo bioethanol rất hiệu quả, tận dụng nguồn vỏ phế phẩm với lượng thải bỏ năm rất lớn Bên cạnh đó, việc nghiên cứu để tìm phương pháp lên men tốt nhất cho nguồn nguyên liệu vấn đề quan trọng hàng đầu để ứng dụng vào sản xuất bioethanol đại trà Với ưu điểm rẻ tiền, phổ Đồ án tốt nghiệp 5.2 Hàm lượng cellulose theo tỉ lệ enzyme ANOVA Table Source Between groups Within groups Total (Corr.) Multiple Range Tests Cellulose theo tỉ lệ Cellulose theo tỉ lệ Cellulose theo tỉ lệ Cellulose theo tỉ lệ 5.3 Nồng độ cồn theo tỉ lệ enzyme ANOVA Table Source Between groups Within groups Total (Corr.) Multiple Range Tests Cồn theo tỉ lệ Cồn theo tỉ lệ Cồn theo tỉ lệ Cồn theo tỉ lệ Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến quá trình lên men SSF 6.1 Hàm lượng đường theo tốc độ khuấy ANOVA Table Source Between groups Within groups Total (Corr.) 11 Đồ án tốt nghiệp Multiple Range Tests Đường khử ở tốc độ khuấy 200 vòng Đường khử ở tốc độ khuấy 150 vòng Đường khử ở tốc độ khuấy 100 vòng Đường khử ở tốc độ khuấy 50 vòng 6.2 Hàm lượng cellulose theo tốc độ khuấy ANOVA Table Source Between groups Within groups Total (Corr.) Multiple Range Tests Cellulose ở tốc độ khuấy 150 vòng Cellulose ở tốc độ khuấy 200 vòng Cellulose ở tốc độ khuấy 100 vòng Cellulose ở tốc độ khuấy 50 vòng 6.3 Nồng độ cồn theo tốc độ khuấy ANOVA Table Source Between groups Within groups Total (Corr.) Multiple Range Tests Cồn ở tốc độ khuấy 50 vòng Cồn ở tốc độ khuấy 100 vòng Cồn ở tốc độ khuấy 150 vòng Cồn ở tốc độ khuấy 200 vòng 12 Đồ án tốt nghiệp Khảo sát thành phần dinh dưỡng bổ sung quá trình lên men SSF 7.1 Ảnh hưởng của nờng đợ peptone bở sung đến quá trình SSF 7.1.1 Hàm lượng đường theo nồng độ peptone Multiple Range Tests peptone % peptone % peptone % peptone 1% 7.1.2 Hàm lượng cellulose theo nồng độ peptone ANOVA Table Source Between groups Within groups Total (Corr.) Multiple Range Tests Cellulose theo nồng độ peptone 4% Cellulose theo nồng độ peptone 3% Cellulose theo nồng độ peptone 2% Cellulose theo nồng độ peptone 1% 7.1.3 Nồng độ cồn theo nồng độ peptone ANOVA Source Between groups Within groups Total (Corr.) Multiple Range Tests Cồn theo nồng độ peptone 1% Cồn theo nồng độ peptone 2% Cồn theo nồng độ peptone 3% Cồn theo nồng độ peptone 4% 13 Đồ án tốt nghiệp 7.2 Ảnh hưởng của nồng độ glucose bổ sung đến quá trình lên men SSF 7.2.1 Hàm lượng đường khử theo nồng độ glucose ANOVA Table Source Between groups Within groups Total (Corr.) Multiple Range Tes Đường khử ở glucose 2% Đường khử ở glucose 3% Đường khử ở glucose 1% Đường khử ở glucose 4% 7.2.2 Hàm lượng cellulose theo nồng độ glucose ANOVA Table Source Between group Within groups Total (Corr.) Multiple Range Tests Cellulose ở nồng độ glucose 3% Cellulose ở nồng độ glucose 4% Cellulose ở nồng độ glucose 2% Cellulose ở nồng độ glucose 1% 7.2.3 Nồng độ cồn theo nồng độ theo glucose ANOVA Table Source Between groups Within groups Total (Corr.) Multiple Range Tests Cồn theo nồng độ glucose 1% Cồn theo nồng độ glucose 2% Cồn theo nồng độ glucose 3% Cồn theo nồng độ glucose 4% 14 Đồ án tốt nghiệp 7.3 Ảnh hưởng của nồng độ K2HPO4 bổ sung đến quá trình lên men SSF 7.3.1 Hàm lượng đường theo nồng độ K2HPO4 ANOVA Table Source Between group Within groups Total (Corr.) Multiple Range Tests Ðường khử ở nồng độ K2HPO4 0,2% Ðường khử ở nồng độ K2HPO4 0,4% Ðường khử ở nồng độ K2HPO4 0,1% Ðường khử ở nồng độ K2HPO4 0,3% 7.3.2 Hàm lượng cellulose theo nồng độ K2HPO4 ANOVA Table Source Between groups Within groups Total (Corr.) Multiple Range Tests Cellulose theo nồng độ K2HPO4 0,2% Cellulose theo nồng độ K2HPO4 0,4% Cellulose theo nồng độ K2HPO4 0,3% Cellulose theo nồng độ K2HPO4 0,1% 7.3.3 Nồng độ cồn theo nồng độ K2HPO4 ANOVA Table Source Between groups Within groups Total (Corr.) Multiple Range Tests Cồn ở nồng độ K2HPO4 Cồn ở nồng độ K2HPO4 Cồn ở nồng độ K2HPO4 0,3% Cồn ở nồng độ K2HPO4 15 Đồ án tốt nghiệp 7.4 Ảnh hưởng của nờng đợ MnSO4 bở sung đến quá trình lên men SSF 7.4.1 Hàm lượng đường theo nồng độ MnSO4 ANOVA Table Source Between groups Within groups Total (Corr.) Multiple Range Tests Ðường khử ở nồng độ MnSO4 0,04% Ðường khử ở nồng độ MnSO4 0,03% Ðường khử ở nồng độ MnSO4 0,02% Ðường khử ở nồng độ MnSO4 0,01% 7.4.2 Hàm lượng cellulose theo nồng độ MnSO4 ANOVA Table Source Between groups Within groups Total (Corr.) Multiple Range Tests Cellulose MnSO4 0,04% Cellulose MnSO4 0,03% Cellulose MnSO4 0,02% Cellulose MnSO4 0,01% 7.4.3 Nồng độ cồn theo nồng độ MnSO4 ANOVA Table Source Between groups Within groups Total (Corr.) Multiple Range Tests Cồn ở nồng độ MnSO4 0,01% Cồn ở nồng độ MnSO4 0,02% Cồn ở nồng độ MnSO4 0,03% Cồn ở nồng độ MnSO4 0,04% 16 Đồ án tốt nghiệp PHỤ LỤC D Hình ảnh thí nghiệm Dịch lọc làm Lignin cốc crubcible Dịch lên men sau tiền xử lý trung hòa với NaOH Xác định đường khử với thuốc thử DNS Máy ly tâm Máy đo quang phổ Tủ lắc Tủ cấy vi sinh Tủ ủ vi sinh Giống nấm men S.cerevisiae Máy lọc nước Máy đo độ ẩm Máy cô quay chân không 17 ... sản xuất bioethanol ở Việt Nam Nghiên cứu ? ?Khảo sát nâng cao hiệu quá trình lên men bioethanol từ vỏ cacao phương pháp SSF” đặt nhằm mục đích sử dụng phương pháp SSF để lên men nguồn... quá trình lên men bioethanol đạt hiệu cao Nội dung nghiên cứu Khảo sát giống nấm men Khảo sát sớ thành phần hóa học vỏ cacao Khảo sát điều kiện tiền xử lý cho vỏ cacao acid oxalic Khảo. .. lên men bioethanol 19 Đồ án tốt nghiệp Bảng 1.7 Các quá trình lên men Quá trình SHF SSF SHCF SSCF 1.2.3.2 Các giống vi sinh vật lên men bioethanol Nấm men đối tượng chủ yếu lên men