Nghiên cứu chế độ xử lý bã mía cho mục tiêu lên men bioethanol

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: Nghiên cứu chế độ xử lí bã mía cho mục tiêu lên men bioethanol Tác giả luận văn: Lê Duy Khương Khóa: 2009 Người hướng dẫn: PGS.TS TƠ KIM ANH Nội dung tóm tắt: a Lý chọn đề tài: Năm 2007, phủ phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025” nhằm tạo dạng lượng tái tạo thay cho nhiên liệu hóa thạch, góp phần bảo đảm an ninh lượng bảo vệ môi trường: đến năm 2015 sản lượng ethanol dầu thực vật đạt 250 nghìn (pha triệu E5 B5), đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu nước đến 2025 đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu Trong nguyên liệu lignocellulose, bã mía nguồn lignocellulose tập trung Nếu lượng sinh khối chuyển hóa thành đường lên men được, bã mía nguồn nguyên liệu quan trọng cho mục tiêu sản xuất cồn nhiên liệu nước ta nói riêng giới nói chung b Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Để tài tập trung lựa chọn chế độ xử lý bã mía bao gồm tiền xử lí bã mía, thủy phân hệ enzym cellulase nghiên cứu thu nhận dịch đường lên men Hiện việc thủy phân hemicellulose tạo chủng lên men từ đường 5C có thành cơng bước đầu chưa thực sẵn sàng áp dụng, hệ cellulase sử dụng để thủy phân bã mía thành glucose cho mục tiêu lên men c.Tóm tắt đọng nội dung đóng góp tác giả o Khảo sát để lựa chọn phương án tiền xử lí bã mía o Khảo sát khả áp dụng laccase kết hợp với tiền xử lí hóa-lý o Đã lựa chọn chế độ sử dụng laccase cho xử lí dịch sau tiền xử lí, làm tăng hiệu suất thu hồi ethanol o Lựa chọn tỷ lệ enzym cellulase thủy phân bã mía d Phương pháp nghiên cứu: Lựa chọn nguyên liệu lignocellulose cho nghiên cứu Khảo sát chế độ tiền xử lí nguyên liệu tác nhân hóa nhiệt bao gồm axítnhiệt, kiềm-nhiệt kết hợp nhiệt kiềm với laccase Hiệu tiền xử lí đánh giá thơng qua hiệu thủy phân bã mía mức giảm hàm lượng lignin bã mía trước sau tiền xử lí Nghiên cứu loại phenol dịch sau tiền xử lí laccase, nhằm giảm ức chế tế bào nấm men Hiệu loại phenol đánh giá thông qua hiệu suất thu hồi ethanol lượng phenol trước sau xử lí Nghiên cứu tối ưu tỷ lệ bổ sung enzym hệ cellulase thời gian thủy phân bã mía, thí nghiệm được đưa theo phần mềm Design Expert (DX-7) Phương án tối ưu kiểm tra thực nghiệm e Kết luận Đã khảo sát điều kiện tiền xử lí lựa chọn chế độ tiền xử lí bã mía sau: + Bã mía sấy 45oC, bổ sung kiềm với 0,1g NaOH/g bã mía, q trình thực nhiệt độ 121oC thời gian 60 phút, cho hiệu thủy phân bã mía cao so với axít, vơi + Phối hợp laccase (40÷70) U/g bã mía tiền xử lí làm tăng hiệu thủy phân bã mía lên 284,15±4,6 mg đường khử/g bã mía (tăng 8,2% so với khơng phối hợp laccse), làm giảm hàm lượng lignin tới 72% (tăng 3,1% so với khơng phối hợp laccase) Bã mía xử lí với chế độ lựa chọn thủy phân hiệu với 31,5/53,61/20,47 (CMCase/FPU/CBU)/g bã mía, thời gian thủy phân 40,5 giờ, đạt 435 mg đường khử/g bã mía 3.Laccase sử dụng loại phenol khử độc dịch thủy phân, làm tăng hiệu suất thu hồi ethanol tới 76,27±4,67% (tăng 68% so với không khử độc) Luan Van Tot Nghiep MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN .11 1.1 Nhiên liệu sinh học 11 1.2 Bã mía, nguyên liệu tập trung cho sản xuất bioethanol 13 1.2.1 Cellulose .14 1.2.2 Hemicellulose 15 1.2.3 Lignin 18 1.3 Tiền xử lí nguyên liệu lignocellulose 19 1.3.1 Tiền xử lí nguyên liệu lignocellulose phƣơng pháp lý 20 1.3.2 Tiền xử lí lignicellulose phƣơng pháp hóa học 20 1.3.3 Tiền xử lí lignocellulose phƣơng pháp hóa lý 24 1.4 Tiền xử lí lignocellulose phƣơng pháp sinh học .25 1.4.1 Peroxidase 25 1.4.2 Lacase chế phân hủy lignin 27 1.5 Thủy phân cellulose .31 1.5.1 Thủy phân lignocellulose phƣơng pháp hóa học 31 1.5.2 Thủy phân lignocellulose sử dụng enzym 31 1.6 Lên men ethanol dịch thủy phân 34 CHƢƠNG II: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37 2.1 Vật liệu 37 2.1.1 Bã mía 37 2.1.2 Enzym hóa chất 37 Le Duy Khuong Vien Cong nghe Sinh hoc & Cong nghe Thuc pham Luan Van Tot Nghiep 2.1.3 Chủng vi sinh vật 37 2.1.4 Dụng cụ thiết bị 38 2.2 Các phƣơng pháp phân tích 38 2.2.1 Xác định độ ẩm bã mía phƣơng pháp sấy đến trọng lƣợng không đổi 38 2.2.2 Xác định hàm lƣợng cellulose ằng phƣơng pháp Kurshner 38 2.2.3 Xác định hàm lƣợng lignin theo phƣơng pháp iến tính Komarov 39 2.2.4 Xác định hàm lƣợng đƣờng khử dung dịch 41 2.2.5 Xác định hoạt độ enzym .42 2.2.6 Xác định hàm lƣợng phenol tổng số dung dịch phƣơng pháp Folin Ciocalteau 46 2.3 Phƣơng pháp nghiên c ứu .47 2.3.1 Ảnh hƣởng nhiệt độ sấy bã mía 47 2.3.2 Nghiên cứu lựa chọn tác nhân tiền xử lí hóa-nhiệt bã mía 48 2.3.3 Khảo sát vai trị laccase tiền xử lí 49 2.3.4 Ảnh hƣởng thời gian xử lí hóa-nhiệt 49 2.3.5 Tối ƣu tỷ lệ enzym hệ cellulase 49 2.3.6 Khảo sát vai trò khử độc dịch thủy phân lignocellulose laccase 49 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 52 3.1 Lựa chọn nguyên liệu lignocellulose sử dụng nghiên cứu .52 3.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ sấy ã mía đến hiệu trình thủy phân 52 3.3 Tiền xử lí bã mía với H2 SO4 53 3.4 Tiền xử lí mơi trƣờng kiềm Ca(OH)2 NaOH .54 3.5 Tiền xử lí hóa nhiệt kết hợp với laccase .58 3.6 Ảnh hƣởng thời gian xử lí NaOH- nhiệt đến hiệu thủy phân bã mía 60 3.7 Ảnh hƣởng tỷ lệ enzym hệ cellulase đến hiệu thủy phân bã mía 60 3.8 Nghiên cứu kỹ thuật khử phenol dịch tiền xử lí laccase 66 3.8.1 Ảnh hƣởng nhiệt độ tới khả khử phenol laccase 67 Le Duy Khuong Vien Cong nghe Sinh hoc & Cong nghe Thuc pham Luan Van Tot Nghiep 3.8.2 Ảnh hƣởng thời gian tới khả khử phenol laccase 69 3.8.3 Ảnh hƣởng nồng độ laccase tới khả loại phenol dịch 69 KẾT LUẬN 72 KIẾN NGHỊ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC 80 Le Duy Khuong Vien Cong nghe Sinh hoc & Cong nghe Thuc pham Luan Van Tot Nghiep LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn cần có thời gian dài làm việc tập trung, chăm chỉ, với giúp đỡ hỗ trợ thầy cô, gia đình ạn bè Trƣớc tiên, tơi muốn nói lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình hỗ trợ, khuyến khích động viên tơi thời gian thực luận văn Tôi muốn cảm ơn đặc biệt tới PGS.TS Tô Kim Anh, Viện CN sinh học CN Thực phẩm, ngƣời hƣớng n cho lời khuyên, kiến thức nghiên cứu thời gian thực luận văn Tôi xin cảm ơn thầy cô Viện Công nghệ Sinh học Thực phẩm, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội kinh nghiệm kiến thức mà thầy cho em trình học làm nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn Ths Phùng Thị Thủy, KS Lê Tuân, KS Nguyễn Thị Huyền, tạo điều kiện thuận lợi tơi hồn thành luận văn Cuối cùng, xin cảm ơn Viện đào tạo sau đại học Trƣờng đại học Bách Khoa - Hà Nội tạo điều kiện cho tơi hồn thành thủ trong trình học bảo vệ luận văn Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2011 Tác giả Lê Duy Khƣơng Le Duy Khuong Vien Cong nghe Sinh hoc & Cong nghe Thuc pham Luan Van Tot Nghiep LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất số liệu nghiên cứu đề tài hồn tồn trung thực Các thí nghiệm đƣợc tiến hành cách nghiêm túc q trình nghiên cứu, khơng có chép từ ất kỳ tài liệu khoa học Tác giả Lê Duy Khƣơng Le Duy Khuong Vien Cong nghe Sinh hoc & Cong nghe Thuc pham Luan Van Tot Nghiep DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT - ABTS: 2,2' -azinobis-3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonate - AFEX- Ammonia filber explosive - CBU: Celobiase unit - CFU: Colony forming unit - CMC: Carboxyl-methyl cellulose - DNS: Dinitro salicylic - DX: Design expert - FAO: Food and agriculture organization - FC: Folin ciocalteau - FPU: Filter paper unit - GJ: Gigajoule - HBT: 1-Hydroxybenzotriazole - HMF: Hydroxy methyl furfural - Lac: Laccase - LiP: Lignin peroxidase - MnP: Manganese peroxidase - OPEC: Organization of the Petroleum Exporting Countries - SHF: Separate hydrolysis and fermentation (thủy phân lên men riêng rẽ ) - SSF: Simultaneous saccharification and fermentation (thủy phân lên men đồng thời) - VA: Veratryl alcohol Le Duy Khuong Vien Cong nghe Sinh hoc & Cong nghe Thuc pham Luan Van Tot Nghiep DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Thành phần số loại nguyên liệu lignocellulose 13 Bảng 3.1 : Các yếu tố đầu vào khoảng biến đổi 61 Bảng 3.2 : Các chế độ thực nghiệm kết hiệu thủy phân bã mía thiết kế theo DX-7 61 Bảng 3.3 : Kết phân tích phƣơng sai c mơ hình 62 Bảng 3.4: Các chế độ kết hiệu thủy phân bã mía theo DX-7 65 Bảng 3.5 : So sánh hiệu chế độ thủy phân bã mía 70 Le Duy Khuong Vien Cong nghe Sinh hoc & Cong nghe Thuc pham Luan Van Tot Nghiep DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Mơ cấu trúc ngun liệu bã mía 14 Hình 1.2: Cấu trúc lignocellulose 15 Hình 1.3 Mạch acetyl-4-O-methylglucuronoxylan .16 Hình 1.4: Mạch glucomannan 17 Hình 1.5: Mạch galactoglucomannan 17 Hình 1.6: Mạch arabinoglucuronoxylan .18 Hình 1.7: Cấu trúc mạng lignin 18 Hình 1.8: Mơ cấu trúc lignocellulose trƣớc sau tiền xử lí 19 Hình 1.9: Q trình phân c mối liên kết C-C 26 Hình 1.10: Cơ chế xúc tác peroxidase 27 Hình 1.11: Cơ chế laccase tác động đến lignin 28 Hình 1.12: Cơ chế phân hủy lignin dạng biến đổi laccase .30 Hình 1.13: Cơ chế trình thủy phân cellulose hệ enzym cellulase 33 Hình 1.14: Sự ức chế tế bào nấm men chất ức chế sinh 35 Hình 3.1 : Thành phần bã mía nghiên c ứu 52 Hình 3.2: Ảnh hƣởng nhiệt độ sấy tới hiệu thủy phân ã mía 53 Hình 3.3: Kết tiền xử lí axít H2 SO4 54 Hình 3.4 : Kết tiền xử lí ã mía mơi trƣờng kiềm 55 Hình 3.5 : So sánh kết tiền xử lí bã mía 57 Hình 3.6: Đánh giá vai trò laccase tiền xử lí bã mía 59 Hình 3.7: Hiệu thủy phân bã mía theo thời gian hóa nhiệt 60 Hình 3.8: Kết bề mặt đáp ứng hiệu suất thủy phân bã mía 63 Hình 3.9: Kết khảo sát vai trị laccase khử độc dịch tiền xử lí laccase 69 Le Duy Khuong Vien Cong nghe Sinh hoc & Cong nghe Thuc pham ... phần vào q trình nghiên cứu nâng cao hiệu xử lí lignocellulose chung, đề tài tơi chọn ? ?Nghiên cứu chế độ xử lí bã mía cho mục tiêu lên men bioethanol? ?? Nội dung vấn đề nghiên cứu bao gồm: o Khảo... kiện tiền xử lí lựa chọn chế độ tiền xử lí bã mía sau: + Bã mía sấy 45oC, bổ sung kiềm với 0,1g NaOH/g bã mía, q trình thực nhiệt độ 121oC thời gian 60 phút, cho hiệu thủy phân bã mía cao so... tiền xử lí bã mía o Khảo sát khả áp ụng laccase kết hợp với tiền xử lí hóa -lý o Khảo sát khả khử độc dịch tiền xử lí enzym laccase o Lựa chọn tỷ lệ enzym cellulase thủy phân bã mía o Đƣa chế độ xử