Nghiên cứu các điều kiện thủy phân rong lục bằng chế phẩm enzym ứng dụng trong sản xuất cồn nhiên liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LA THỊ AN NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN THỦY PHÂN RONG LỤC BẰNG CHẾ PHẨM ENZYM ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ SINH HỌC Mã đề tài: 10BCNSH-NT13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : Lê Như Hậu Nguyễn Thanh Hằng Hà Nội - Năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LA THỊ AN NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN THỦY PHÂN RONG LỤC BẰNG CHẾ PHẨM ENZYM ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Mã đề tài: 2012BCNTP1 – KT1 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Thanh Hằng Hà Nội - Năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Học viên: La Thị An Nơi đào tạo: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm Người hướng dẫn : PGS TS Nguyễn Thanh Hằng Tên luận văn: Nghiên cứu điều kiện thủy phân rong lục chế phẩm enzym ứng dụng sản xuất cồn nhiên liệu Nội dung cam đoan: Tơi xin cam đoan, suốt q trình nghiên cứu luận văn thạc sĩ, hướng dẫn bảo tận tình giáo viên hướng dẫn Tơi tiến hành nghiên cứu luận văn cách trung thực, toàn nội dung báo cáo luận văn trực tiếp thực Tất nghiên cứu không chép từ báo cáo khoa học, luận văn tiến sĩ, thạc sĩ hay sách tác giả Xác nhận giáo viên hướng dẫn Hướng dẫn Học viên PGS TS Nguyễn Thanh Hằng La Thị An i LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thanh Hằng tận tình trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ suốt trình thực đề tài Tơi xin trân trọng cảm ơn thầy, cô giáo viện công nghệ sinh học công nghệ thực phẩm – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tạo điều kiện giúp đỡ tơi suốt khóa học thời gian thực đề tài Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện cho học tập nghiên cứu suốt q trình học Cuối cùng, tơi muốn bày tỏ lịng cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp động viên, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Học viên LA THỊ AN ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC BẢNG V DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ VI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .3 1.1 Sự phát triển ethanol từ nguyên liệu rong biển 1.1.1 Tình hình nghiên cứu sản xuất ethanol từ rong biển 1.1.2 Triển vọng phát triển nhiên liệu sinh học Việt Nam .5 Tình hình nghiên cứu nước: 1.2 Nguyên liệu sản xuất ethanol từ rong biển 1.2.1 Thành phần hóa học loại rong biển .8 1.2.2 Tiềm từ nguồn nguyên liệu rong biển 1.3 Công nghệ sản xuất ethanol từ rong biển .11 1.3.1 Sơ đồ sản xuất ethanol từ rong biển .11 1.3.2 Quá trình tiền xử lý 12 1.3.3 Quá trình thủy phân rong biển .12 1.3.4 Quá trình lên men dịch thủy phân rong biển 19 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .20 2.1 Vật liệu 20 2.1.1 Rong Chaetomorpha sp., Ngành Chlorophyta, Lớp Ulvophyceae, Bộ Cladophorales, Họ Cladophoraceae .20 2.1.2 Enzym 20 2.2 Thiết bị sử dụng nghiên cứu 20 2.3 Phương pháp phân tích 21 2.3.1 Xác định độ ẩm .21 2.3.2 Xác định tro (khoáng) 21 iii 2.3.3 Xác định hàm lượng nitơ protein .21 2.3.4 Xác định hàm lượng lipid 21 2.3.5 Xác định hàm lượng carbohydrat tổng số sản phẩm sau thủy phân 21 2.3.6 Xây dựng đường chuẩn cho phương pháp phân tích Dubois 23 2.4 Phương pháp nghiên cứu 24 2.4.1 Xử lý sơ 24 2.4.2 Tiền xử lý 24 2.4.3 Thủy phân enzyme 25 2.5 Phương pháp toán học 26 2.6 Thống kê số liệu .27 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 28 3.1 Thành phần hóa học rong Chaetomorpha sp 28 3.2 Khảo sát khả thủy phân rong lục enzyme Cellulase enzyme Viscozyme 28 3.3 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ enzym đến trình thủy phân rong lục enzyme Viscozyme L 29 3.4 Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến trình thủy phân 30 3.5 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến trình thủy phân rong lục .31 3.6 Khảo sát ảnh hưởng pH đến trình thủy phân rong lục .32 3.6 Tối ưu hóa điều kiện thủy phân rong Chaetomorpha sp để thu nhận dịch thủy phân có hàm lượng đường cao 33 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 PHỤ LỤC 46 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các công ty tham gia sản xuất nhiên liệu sinh học từ rong biển .4 Bảng 1.2 : Diện tích ni sản lượng rong biển thời điểm khảo sát (2009) dự kiến đến năm 2015 .7 Bảng 1.3: Thành phần hóa học loại rong biển [24] Bảng 1.4: So sánh suất nuôi trồng nguồn sinh khối 10 Bảng 1.5 Thành phần hóa học rong biển đường tạo thành thủy phân loài rong biển 13 Bảng 1.6: Bảng yếu tố ảnh hưởng đến trình thủy phân acid .17 Bảng 1.7: Bảng yếu tố ảnh hưởng đến trình thủy phân enzyme 18 Bảng 2.1: Các mức nồng độ đường glucose pha loãng giá trị OD tương ứng đo bước sóng 490 nm 23 Bảng 3.1: Thành phần hóa học rong Chaetomorpha sp .28 Bảng 3.2: Kết thủy phân rong Lục hai loại enzyme Viscozyme L Cellulase 29 Bảng 3.7: Ma trận thực nghiệm .35 Bảng 3.8: Kết mơ hình hồi quy tuyến tính excel 35 Bảng 3.9: Kết tính bước chuyển động (∆j) yếu tố 36 Bảng 3.10: Tối ưu hóa điều kiện thủy phân rong theo Box-wilson 37 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ sản xuất ethanol từ rong biển 11 Hình 2.1: Lập biểu đồ đường chuẩn từ kết đo mẫu chuẩn 23 Hình 2.2: Phổ màu dịch đường chuẩn mẫu thí nghiệm xác định theo phương pháp Dubois 24 Hình 2.3: Sơ đồ xử lý thủy phân rong biển 26 Hình 3.1 Ảnh hưởng nồng độ enzym đến trình thủy phân 30 Hình 3.2 Ảnh hưởng thời gian đến trình thủy phân 31 Hình 3.3: Ảnh hưởng nhiệt độ đến trình thuỷ phân .32 Hình 3.4: Ảnh hưởng pH đến trình thuỷ phân .33 Hình 3.5: Sơ đồ xử lý thủy phân rong biển 39 vi MỞ ĐẦU Nước ta nằm vùng nhiệt đới gió mùa Đơng Nam châu Á với hệ thống sông suối dày đặc với 3260 km bờ biển, 3000 đảo quần đảo hệ sinh thái điển hình vùng nước thềm lục địa rộng lớn rạn san hô, rừng ngập mặn, chuỗi đầm phá ven biển, hệ cửa sông, chúng nơi sinh sống phát triển hàng vạn loài thủy sinh vật Trong đó, rong tảo biển đối tượng giới quan tâm lĩnh vực sản xuất nhiên liệu sinh học nhằm thay cho nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt Rong tảo biển có chứa thành phần hóa học quan trọng như: chất khống vơ cơ, lipid, protein, carbonhydrate, , đồng thời đa dạng chủng loại, phong phú sản lượng, khả sinh sản sinh trưởng nhanh Hiện giới giai đoạn nghiên cứu sử dụng rong tảo biển sản xuất nhiên liệu sinh học hệ thứ ba (thế hệ thứ đường, bột ngũ cốc; hệ thứ hai bã mía đường, sản phẩm phụ nông nghiệp, phế thải gỗ, ) Rong tảo biển khơng có lignin xem rong tảo biển vật liệu dễ phân giải thành glucose thực vật cạn, đặc biệt hàm lượng carbonhydrate số loài rong cao từ 40% - 79,4% (Gelidium amansi) hiệu suất chuyển hóa q trình lên men ethanol khoảng 70% Do đó, rong tảo biển biết đến nguồn nguyên liệu tiềm để sản xuất nhiên liệu sinh học hệ nhiên liệu sinh học thứ ba Bên cạnh đó, rong biển có sản lượng tự nhiên lớn, vòng đời sinh trưởng ngắn, dễ thu hoạch, giá thành rẻ đặc biệt không cạnh tranh với đất nông nghiệp không sử dụng nước Mục đích: Nghiên cứu điều kiện thủy phân rong lục chế phẩm enzym ứng dụng sản xuất cồn nhiên liệu Đối tượng nghiên cứu: Rong lục Chaetomorpha sp Phạm vi nghiên cứu: Xác định thông số công nghệ thủy phân rong lục chế phẩm enzym Ý nghĩa khoa học đề tài Góp phần tìm nguồn nguyên liệu thay cho nguồn nguyên liệu phổ biến sản xuất bioethanol ảnh hưởng đến an ninh lương thực chất đốt Giải vấn đề kỹ thuật sản xuất ethanol nhiên liệu từ rong lục Hàm lượng carbohydrate (mg/ml) 59 57 55 53 51 49 47 45 pH pH pH 4.5 pH pH 5.5 pH Giá trị pH Hình 3.4: Ảnh hưởng pH đến q trình thuỷ phân 3.6 Tối ưu hóa điều kiện thủy phân rong Chaetomorpha sp để thu nhận dịch thủy phân có hàm lượng đường cao Sau tiến hành thí nghiệm thăm dị, chúng tơi chọn yếu tố nồng độ enzyme, nhiệt độ thời gian để tối ưu hóa điều kiện thủy phân rong Chaetomorpha sp phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm Khoảng xác định yếu tố sau: Các biến số Nồng độ enzyme: X1 [0.6-1] Thời gian: X2 [24-36] Nhiệt độ X3 [30- 60] Đơn vị ml Giờ o C 33 Các khoảng cách biến số 0,2 10 Mức thí nghiệm: Mức thí nghiệm X1 X2 X3 Mức gốc 0,8 30 45 Khoảng biến đổi 0,2 10 Mức 36 60 Mức 0,6 24 30 Chỉ tiêu cần tối ưu: hàm lượng carbonhydrat hịa tan dịch thủy phân có y -> max Ma trận thực nghiệm thiết lập theo phương pháp yếu tố đầy đủ với số thí nghiệm N = 2k = 23 = N: số thí nghiệm số mức thí nghiệm số yếu tố ảnh hưởng - Lập ma trận thực nghiệm: Dùng bình tam giác 50ml, cân cho vào bình 5g nguyên liệu có độ ẩm 15% Bổ sung vào bình 50ml dung dịch 0,5% acid H2SO4 Dùng que thủy tinh trộn nút bình bơng khơng thấm nước hấp tiền xử lý 121oC 30 phút Hấp xong để nguội bổ sung nồng độ enzyme theo tỷ lệ (30 50 UI/1g nguyên liệu) Các bình tam giác giữ điều kiện nhiệt độ 30 600C Sau 24 36 mang xác định hàm lượng carbonhydrat dịch thủy phân 34 Bảng 3.7: Ma trận thực nghiệm Stn X1 X2 X3 Y1 Y2 Y3 Y -1 -1 -1 34,7 35,1 34,4 34,7 -1 -1 48,3 46,7 48,1 47,7 -1 -1 53,2 52,7 52,4 52,7 -1 1 52,5 51,4 52,1 52 -1 -1 35,9 37,1 35,6 36,2 -1 44,8 42,5 43,1 43,5 1 -1 50,5 49,6 48,5 49,5 1 52,9 51,9 52,2 52,3 Bảng 3.8: Kết mơ hình hồi quy tuyến tính excel Các thơng số mơ hình hồi quy Mơ hình hồi quy tuyến tính Giá trị R (Hệ số tương quan bội) 0,92 Biểu giá trị (0