Nghiên cứu quá trình sản xuất ethanol từ rau rác thải tại chợ nông sản thực phẩm thủ đức​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ RAU RÁC THẢI TẠI CHỢ NÔNG SẢN THỰC PHẨM THỦ ĐỨC Ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Giảng viên hướng dẫn : TS HỒNG QUỐC KHÁNH CN NGƠ ĐỨC DUY Sinh viên thực MSSV: 0851110098 : LÊ XUÂN HUY Lớp: 08DSH1 TP Hồ Chí Minh, 2012 Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC Trang DANH MỤC HÌNH ẢNH iv DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC SƠ ĐỒ VÀ ĐỒ THỊ viii LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Nhiên liệu sinh học 1.1.1 Ưu điểm nhiên liệu sinh học 1.1.2 Nhược điểm nhiên liệu sinh học .5 1.2 Tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học giới Việt Nam 1.2.1 Tình hình giới 1.2.2 Tình hình Việt Nam 1.2.3 Triển vọng ethanol tương lai 1.3 Các nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học 1.3.1 Nguyên liệu chứa tinh bột .7 1.3.2 Nguyên liệu chứa đường- mật rỉ 1.3.3 Nguyên liệu chứa lignocellulose 1.3.3.1 Cellulose 1.3.3.2 Hemicellulose 10 1.3.3.3 Lignin 11 1.4 Sơ lược nguồn nguyên liệu rau 11 1.4.1 Tình hình sản xuất rau củ Việt Nam 11 1.4.2 Thành phần rau 12 1.4.2.1 Chất khô 12 1.4.2.2 Chất béo 14 i Đồ án tốt nghiệp 1.4.2.3 Acid hữu 14 1.4.2.4 Vitamin 14 1.5 Quy trình sản xuất ethanol từ rau rác thải 15 1.5.1 Tổng quát 15 1.5.2 Tiền xử lý 15 1.5.2.1 Các phương pháp tiền xử lý học 15 1.5.2.2 Các phương pháp tiền xử lý hóa học 15 1.5.2.3 Tiền xử lý sinh học 16 1.5.3 Quá trình thủy phân 16 1.5.3.1 Các nguồn sản xuất enzyme cellulase 16 1.5.3.2 Enzyme cellulase 17 1.5.3.3 Cấu trúc enzyme cellulase 17 1.5.3.4 Cơ chế thủy phân cellulose enzyme cellulase 18 1.5.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến qúa trình thủy phân 19 1.5.4 Quá trình lên men 21 1.5.4.1 Nấm men Sacharomyces cerevisiae 21 1.5.4.2 Cơ chế hóa sinh học q trình lên men 21 1.5.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình lên men 23 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1 Vật liệu hóa chất 25 2.1.1 Rau rác thải 25 2.1.2 Enzyme cellulase 25 2.1.3 Nấm men Sacharomyces cerevisiae 26 2.1.4 Các hóa chất sử dụng 26 2.2 Các thiết bị sử dụng 26 2.3 Các phương pháp sử dụng 28 ii Đồ án tốt nghiệp 2.3.1 Phương pháp xác định hàm lượng cellulose 28 2.3.2 Phương pháp định tính ethanol 29 2.3.3 Phương pháp đo nồng độ đường khử 30 2.3.4 Phương pháp xác định hoạt tính enzyme 32 2.3.5 Phương pháp nuôi cấy đếm nấm men 34 2.3.6 Phương pháp Cordebard 36 2.4 Trình tự nghiên cứu 39 2.4.1 Quy trình cơng nghệ 39 2.4.2 Thuyết minh quy trình 40 2.4.2.1 Giai đoạn tiền xử lý 40 2.4.2.2 Giai đoạn thủy phân enzyme cellulase 41 2.4.2.3 Giai đoạn lên men nấm men Sacharomyces cerevisiae .44 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 46 3.1 Giai đoạn tiền xử lý chất 46 3.2 Giai đoạn thủy phân enzyme cellulase 48 3.3 Giai đoạn lên men nấm men Sacharomyces cerevisiae 53 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 58 4.1 Kết luận 58 4.2 Đề nghị 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 iii Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH ẢNH Số tt Hình 1.1 Hình 1.2 Cấu Mối ligno Hình 1.3 Cơng Hình 1.4 Kiểu Hình 1.5 Cầu Hình 1.6 Cầu Hình 1.7 Cơ c Hình 2.1 Rau Hình 2.2 Vị tr Hình 2.3 S.cer Hình 2.4 Hệ th iv Đồ án tốt nghiệp Hình 2.5 Máy Hình 2.6 Máy Hình 2.7 Tủ h Hình 2.8 Tủ sấ Hình 2.9 Bể ổ Hình 2.10 Cân Hình 2.11 Dung Hình 2.12 Dung Hình 2.13 Dung Na2S Hình 2.14 Bã r Hình 2.15 Bã r v Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC BẢNG Stt Bảng 1.1 Một Bảng 1.2 Diện Bảng 1.3 Hàm Bảng 1.4 Thàn Bảng 1.5 Dựn Bảng 1.6 Dựn Bảng 3.1 Bảng 3.2 Sự th NaO Sự th NaO Bảng 3.3 Nồng Bảng 3.4 Nồng Bảng 3.5 Nồng vi Đồ án tốt nghiệp Nồng Bảng 3.6 dụng Bảng 3.7 Sự th Bảng 3.8 Sự th Bảng 3.9 Sự th vii Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC SƠ ĐỒ VÀ ĐỒ THỊ Stt Đồ thị 2.1 Đồ thị 2.2 Biểu đồ 3.1 Biểu đồ 3.2 Biểu đồ 3.3 Biểu đồ 3.4 Biểu đồ 3.5 Biểu đồ 3.6 Biểu đồ 3.7 Biểu đồ 3.8 Biểu đồ 3.9 Đồ án tốt nghiệp Qua bảng 3.6 biểu đồ 3.6 cho thấy tăng lượng enzyme sử dụng từ 0,25ml (3,264 UI/ml) lên 1ml (13,059 UI/ml) lượng glucose thu sau phản ứng tăng nhanh (0,37g đến 0,75g) lượng enzyme tăng từ 1ml (13,059 UI/ml) lên 1,5 ml (19,588 UI/ml) lượng glucose thu tăng chậm giao động khoảng 0,75g đến 0,77g, điều cho thấy lượng enzyme sử dụng 1ml (13,059 UI/ml) tối ưu 3.3 Giai đoạn lên men nấm men Sacharomyces cerevisiae  Thí nghiệm 7: Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến trình lên men ethanol sử dụng giống nấm men S.cerevisiae Bảng 3.7 Sự thay đổi lượng ethanol theo nhiệt độ 53 Đồ án tốt nghiệp Biểu đồ 3.7 Sự thay đổi lượng ethanol theo nhiệt độ Qua bảng 3.7 biểu đồ 3.7 cho thấy tăng nhiệt độ lên men từ 20 C đến 25 C lượng ethanol thu tăng (1,37g/100ml đến 1,6g/100ml) nhiệt 0 độ tăng lên 30 C 35 C lượng ethanol tạo thành bắt đầu giảm (1,48g/100ml cịn 0,45g/100ml) điều cho thấy nhiệt độ có ảnh hưởng khơng nhỏ đến q trình lên men, nghiên cứu chọn nhiệt độ tối ưu cho trình lên men 25 C  Thí nghiệm 8: Khảo sát ảnh hưởng pH dịch đường lên trình lên men ethanol sử dụng giống nấm men Saccharomyces cerevisiae Bảng 3.8 Sự thay đổi lượng ethanol sau trình lên men ứng với giá trị pH khác 54 4.5 3.5 2.67 2.5 1.5 0.5 pH4 Biểu đồ 3.8 Sự thay đổi lượng ethanol tạo sau trình lên men pH khác Qua bảng 3.8 biểu đồ 3.8 cho thấy thay đổi pH dịch đường lên men từ pH4 đến pH5 lượng ethanol thu tăng nhanh (2,67g/100ml đến 3,95g/100ml) cao pH5 lượng ethanol thu 3,95g100ml, hiệu suất đạt cao 64%, từ pH5 đến pH5.5 lượng ethanol thu giảm mạnh (3,95g/100ml cịn 2,48g/100ml) Vì pH dịch đường lên men có ảnh hưởng lớn đến trình lên men, chủng vi sinh vật có khoảng pH thích ứng cho sinh trưởng phát triển khác nhau, khoảng pH hoạt động nấm men S.cerevisiae nằm khoảng pH4.5-5 Đối với nghiên cứu chọn pH tối ưu cho trình lên men pH5 55 Đồ án tốt nghiệp  Thí nghiệm 9: Khảo sát ảnh hưởng lượng nấm men S.cerevisiae sử dụng đến trình lên men ethanol Bảng 3.9 Lượng ethanol tạo thành sau trình lên men mật độ nấm men khác 4.5 3.5 2.5 1.5 0.5 0,6 Biểu đồ3.9 Lượng ethanol tạo thành sau trình lên men mật độ nấm men 8 8 0,6.10 CFU/ml, 1,2.10 CFU/ml, 1,8.10 CFU/ml, 2,4.10 CFU/ml t 56 80 70 60 50 40 30 20 10 Biểu đồ 4.0 Hiệu suất trình lên men mật độ nấm men 0,6.10 CFU/ml, 8 1,2.10 CFU/ml, 1,8.10 CFU/ml, 2,4.10 CFU/ml Qua bảng 3.9, biểu đồ 3.9 4.0 cho thấy lượng ethanol tạo thành cao tỷ lệ mật độ nấm men 2,4.10 CFU/ml (4,1g/100ml, 4,58g/100ml), cho hiệu suất cao 8 (67,7%, 58,1%), tiếp đến mật độ nấm men 1,2.10 CFU/ml, 0,6.10 CFU/ml 1,8.10 CFU/ml Điều cho thấy lượng ethanol tạo thành chịu ảnh hưởng mật độ nấm men đồng thời chịu ảnh hưởng hàm lượng glucose dịch thủy phân nên sử dụng mật độ nấm men 2,4.10 CFU/ml hiệu 57 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 4.1 Kết luận - Kết xử lý bã rau nguyên liệu điều kiện dung môi NaOH 2% thời gian ủ 24 tương đối tốt so với Ca(OH)2 2% Na2CO3 2% Khi tiến hành xử lý điều kiện 1kg rau nguyên liệu sau xử lý cịn lại 24g - Q trình thủy phân bã rau nguyên liệu enzyme cellulase sau tiền xử lý pH 4.8, nhiệt độ 50 C lượng enzyme sử dụng 1ml (13,059UI/ml) tối ưu Như 1kg rau nguyên liệu sau trình tiền xử lý thủy phân thu 18g đường khử - Quá trình lên men dịch đường Sacharomyces cerevisiae sau thủy phân điều kiện thời gian 24 giờ, pH 5.0, nhiệt độ 25 C mật độ nấm men 2,4.10 CFU/ml tốt Như tiến hành lên men điều kiện 1kg rau thu 10,458g/l ethanol 4.2 Đề nghị Do thời gian có hạn nên chưa khảo sát hết điều kiện tối ưu, sau đưa số đề nghị: - Khảo sát ảnh hưởng nồng độ chất đến trình thủy phân lên men - Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến trình lên men - Khảo sát ảnh hưởng nồng độ đường dịch lên men đến trình lên men 58 Đồ án tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Nguyễn Đình Thưởng, Nguyễn Thanh Hằng, Công nghệ sản xuất kiểm tra cồn etylic , Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [2] Nguyễn Đức Lượng, Công nghệ enzyme, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2001 [3] Nguyễn Thị Ngọc Bích, Kỹ thuật cellulose giấy, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2003 [4] Nguyễn Đức Lượng (chủ biên), Cao Tường, Nguyễn Ánh Tuyết, Lê Thị Thủy Tiên,Tạ Thu Ngọc Anh, Nguyễn Thúy Hương, Phan Thị Huyền (2004), Công nghệ enzyme, Nxb Đại học Quốc Gia [5] Nguyễn Đức Lượng (2006), Vi sinh vật công nghiệp tập 2, Nxb Đại Học Quốc Gia [6] Nguyễn Đức Lượng (chủ biên), Phan Thị Huyền, Nguyễn Ánh Tuyết, Thí nghiệm vi sinh vật học, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia tp.Hồ Chí Minh [7] Nguyễn Văn Mùi, Thực hành hóa sinh học, Nxb Khoa học kỹ thuật [8] Trịnh Hoài Thanh, Nghiên cứu trình xử lý rơm rạ để chế biến cồn nhiên liệu, Bộ môn Máy thiết bị- mơn cơng nghệ hóa học Tiếng anh [9] Charles E Wyman, Handbook on Bioethanol: Product and Utilization, Taylor and Francis, 1996.p 119- 285 [10] Hetti Palonen, Role of lignin in the enzymatic hydrolysis of lignocellulose VTT Biotechnology, 2004, p 11-39 [11] Kim, Bruce E Dale, Global potential bioethanol production from wasted crops, Science Direct, Biomass and Bioenergy 26, 2004, p.361-375 59 Đồ án tốt nghiệp [12] Mohammad J Taherzadeh Keikhosro Karimi, (2008) Pretreatment of Lignocellulosic Wastes to Improve Ethanol and Biogas Production: A Review, International Journal of Molecular Sciences, 9, 1621-1651 [13] Ilona Sárvári Horváth, Carl Johan Franzén, Mohammad J Taherzadeh, Claes Niklasson, Gunna Lidén, Effect of Fufural on the Respiratory Metabolism of Saccharomyces Cerevisiae in Glucose-Limited Chemostats, American Scociety for Microbiology vol.69, 07/2004, p.4076-4086 [14] Sun, Y and J Cheng, 2002 Hydrolysis of lignocellulosic material from ethanol production: A review Bioresour Technol, 83: 1-11 Các trang web [15] http://www.pvn.vn/?portal=news&page=detail&category_id=104&id=3643 [16] http://vi.wikipedia.org/wiki/Nhiên_liệu_sinh_học [17] http://www.pvoil.com.vn/zone/119-tong-quan-ve-nhien-lieu-sinh-hoc.aspx [18] http://baigiang.violet.vn/present/show/entry_id/5590149 [19] http://www.outreach.canterbury.ac.nz/chemistry/documents/ethanol.pdf 60 Đồ án tốt nghiệp PHỤ LỤC  Đồ thị đường chuẩn glucose 0,5mg/ml Bảng 4.1 Kết đo mật độ quang đường chuẩn glucose 0,5mg/ml Đồ thị 4.1: Đồ thị đường chuẩn glucose 0,5mg/ml Đồ án tốt nghiệp  Đồ thị đường chuẩn glucose 10mg/ml Bảng 4.2 Kết đo mật độ quang đường chuẩn glucose 10mg/ml Đồ thị 4.2 Đồ thị đường chuẩn glucose 10mg/ml  Xác định hàm lượng cellulose Đồ án tốt nghiệp Khối lượng mẫu giấy, sấy khô đến trọng lượng không đổi: Giấy 1= 0,77(g) Giấy 2= 0,78(g) Giấy 3= 0,78(g) Khối lượng mẫu sau sấy đến trọng lượng không đổi: Mẫu (1+ giấy 1)= 0,98(g) Mẫu (2+giấy 2)= 1,00(g) Mẫu (3+giấy 3)= 1,07(g) Khối lượng mẫu là: a1= Mẫu (1+ giấy 1) – Giấy 1= 0,98 – 0,77= 0,21(g) a2= Mẫu (2+giấy 2) – Giấy 2= 1,00 – 0,78= 0,22(g) a3= Mẫu (3+giấy 3) – Giấy 3= 1,07 – 0,78= 0,29(g) Hàm lượng cellulose là:  X1 = = = 21% X2 = = = 22% X3 = = = 29% X= Định tính etanol = 24% - Sau để yên 30 phút màu mẫu chuyển thành xanh lơ - Phương trình phản ứng: 2K2Cr2O7 + 3C2H5OH + 16 HNO3 4Cr(NO3)3 + 4KNO3 + 3CH3COOH + 11H2O Đồ án tốt nghiệp Hình 4.1 Dịch lên men trước cho dung dịch nitrocromic Hình 4.2 Dịch lên men đổi màu xanh lơ sau cho dung dịch nitrocromic vào  Hoạt tính enzyme cellulase thương mại E1-5 = 0,762 EC1-5= 0,008 SC1-5= 0,016 ∆ E1-5= E1-5 - EC1-5 + SC1- = 0,77 Nồng độ glucose thực giải phóng: x= 73,022mg Hoạt tính enzyme cellulase: FPU = mg glucose giải phóng x 0,185 = 73,022 x 0,185 = 13,059 UI/ml  Mật độ nấm men Số lượng tế bào 1ml mẫu nghiên cứu tính cơng thức: Đồ án tốt nghiệp N = [(a/b) x 400/0,1] x 10 x 10 Số tế bào ô vuông lớn (80 ô vuông nhỏ) n 240TB Số ô vuông nhỏ ô vuông lớn 80 Độ pha loãng n = 10 lần Số lượng tế bào ml mẫu: N= 120.10 TB/ml= 1,2.10 CFU/ml  Tính hiệu suất - Hiệu suất trình tiền xử lý - Hiệu suất trình thủy phân - Hiệu suất trình lên men ... 2.1.1 Rau rác thải Đối tượng nghiên cứu: rau hư lấy chợ Nơng Sản Thực Phẩm Thủ Đức a b c Hình 2.1( a,b,c) Rau rác thải chợ Nông Sản Thực Phẩm Thủ Đức Hình 2.2 Vị trí chợ Nơng Sản Thực Phẩm Thủ. .. từ rau rác thải chợ chợ Nông Sản Thực Phẩm Thủ Đức”…để sản xuất ethanol Mục đích nghiên cứu - Khảo sát sơ đặc điểm rau rác thải chợ nông sản thực phẩm Thủ Đức - Tiền xử lý chất thải - Khảo sát... thực phẩm gia công, cơng nghiệp gieo trồng cho mục đích làm ngun liệu, phế phẩm hữu rác … để tìm nguồn ngun liệu thay thế, em tiến hành nghiên cứu? ?? Nghiên cứu trình sản xuất ethanol từ rau rác thải