Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành ethanol sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Phạm Công Minh NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI BÈO TÂY THÀNH ETHANOL SINH HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Công Minh NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI BÈO TÂY THÀNH ETHANOL SINH HỌC Chuyên ngành: Khoa học Môi trƣờng Mã số: 60 85 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nguyễn Mạnh Khải Hà Nội - Năm 2012 Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Sinh khối nhiên liệu sinh học 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Các dạng nhiên liệu sinh học 1.1.3 Những lợi ích sử dụng nhiên liệu sinh học 1.2 Etanol sinh học 10 1.2.1 Tính chất lý hố học Etanol 10 1.2.2 Phƣơng pháp sản xuất Etanol sinh học 10 1.2.3 Tình hình sản xuất sử dụng Etanol sinh học 20 1.4 Vai trò vi sinh vật việc phân giải hợp chất hữu 28 1.4.1 Cellulosese vi sinh vật phân giải cellulosese 28 1.4.2 Hemicellulosese vi sinh vật phân giải hemicellulosese 30 1.5 Vai trò vi sinh vật trình lên men rƣợu 32 1.5.1 Quá trình lên men rƣợu 32 1.5.2 Nấm men dùng sản xuất rƣợu etylic 33 1.6 Bèo tây thực trạng sử dụng bèo tây Việt Nam 34 1.6.1 Đặc điểm bèo tây 34 1.6.2 Sự phân bố bèo tây Việt Nam 34 1.6.3 Thực trạng sử dụng bèo tây Việt Nam 35 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 37 2.1.1 Đối tƣợng nghiên cứu 37 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 37 2.2.1 Phƣơng pháp tiền xử lý 37 2.2.2 Phƣơng pháp thủy phân 37 2.2.3 Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng đƣờng khử 37 2.2.4 Phƣơng pháp lên men 38 2.2.5 Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng Etanol 39 K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 40 3.1 Thành phần khả phát triển bèo tây 40 3.1.1 Thành phần lý hóa học bèo tây 40 3.1.2 Khả phát triển bèo tây 41 3.2 Kết thí nghiệm thủy phân chuyển hóa bèo tây thành đƣờng 42 3.2.1 Ảnh hƣởng thời gian 42 3.2.2 Ảnh hƣởng nồng độ axit 43 3.2.3 Ảnh hƣởng tỷ lệ rắn/lỏng 44 3.2.4 Thành phần bã bèo sau trình thuỷ phân 46 3.3 Khả chuyển hóa sản phẩm thủy phân thành Etanol 47 3.3.1 Xây dựng đƣờng chuẩn Etanol 47 3.3.2 Phân tích nồng độ Etanol mẫu 48 3.3.3 So sánh với nghiên cứu trƣớc 51 3.4 Đề xuất quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây 53 3.5 Đánh giá khả phát triển sản xuất Etanol sinh học từ bèo tây 53 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 55 KẾT LUẬN 55 KHUYẾN NGHỊ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Thành phần cellulose, hemicellulose lignin SK [42] 11 Bảng 2: Thành phần đƣờng tro nguyên liệu SK [43] 12 Bảng 3: Các phƣơng pháp xử lý sơ [26] 15 Bảng 4: Tổng sản lƣợng Etanol hàng năm số nƣớc [28] 22 Bảng 5: So sánh số tiêu Etanol, xăng ETBE 24 Bảng 6: Sản lƣợng lý thuyết Etanol sinh từ nguyên liệu khô [20] 26 Bảng Thành phần khối lƣợng bèo tây 40 Bảng Sản lƣợng độ che phủ bèo tây 41 Bảng Ảnh hƣởng yếu tố thời gian đến khả thủy phân 42 Bảng 10 Ảnh hƣởng nồng độ axit đến khả thủy phân 43 Bảng 11 Ảnh hƣởng tỷ lệ rắn/lỏng đến khả thủy phân 44 Bảng 12 Thành phần chất rắn cịn lại sau q trình thuỷ phân 46 Bảng 13 Khả chuyển hoá hydratcacbon trình thuỷ phân 47 Bảng 14 Hàm lƣợng Etanol tạo sau trình lên men 49 Bảng 15 Hàm lƣợng Etanol đƣờng khử trình lên men 50 Bảng 16 Dự kiến sản lƣợng Etanol ứng với diện tích mặt nƣớc thành phố 54 K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học DANH MỤC HÌNH Hình 1: Q trình thủy phân lên men để sản xuất Etanol sinh học [35] 13 Hình 2: Thủy phân axit sunfuric loãng [39] 16 Hình 3: Thủy phân axit sunfuric đặc [38] 17 Hình Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân lên men tách riêng 19 Hình Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân lên men đồng thời 20 Hình Cấu trúc cellulose 28 Hình Cấu trúc phân tử Hemicellulose 31 Hình Ảnh hƣởng yếu tố thời gian đến khả thủy phân 43 Hình Ảnh hƣởng nồng độ axit đến khả thủy phân 44 Hình 10 Ảnh hƣởng tỷ lệ rắn/lỏng đến khả thủy phân 45 Hình 11 Đƣờng chuẩn Etanol 48 Hình 12 Sắc ký đồ mẫu phân tích Etanol qua ngày 49 Hình 13 Hàm lƣợng Etanol tạo sau trình lên men 50 Hình 14 Mối quan hệ hàm lƣợng Etanol đƣờng khử trình lên men 51 Hình 15 Quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây 53 K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học MỞ ĐẦU Ngày nay, giới đứng trƣớc nguy khủng hoảng lƣợng trầm trọng Theo dự báo nhà khoa học giới, nguồn lƣợng từ sản phẩm hoá thạch dầu mỏ bị cạn kiệt vòng 40- 50 năm Để ổn định đảm bảo an ninh lƣợng đáp ứng cho nhu cầu ngƣời nhƣ ngành công nghiệp, nhà khoa học tập trung nghiên cứu tìm nguồn nhiên liệu mới, nghiên cứu phát triển nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối động, thực vật hƣớng tạo nguồn nhiên liệu thay phần nguồn nhiên liệu hoá thạch cạn kiệt, đảm bảo an ninh lƣợng cho quốc gia Sử dụng nhiên liệu sinh học có ƣu điểm nhƣ giảm thiểu nhiễm khí thải độc hại từ động cơ, tiết kiệm nguồn nhiên liệu hóa thạch dầu mỏ, tăng hiệu suất động cơ, mặt khác nhiên liệu sinh học thải vào đất có tốc độ phân hủy sinh học cao nhanh gấp lần so với nhiên liệu hóa thạch Etanol sinh học (Bio-Etanol) loại nhiên liệu sinh học, đƣợc sản xuất chủ yếu phƣơng pháp lên men chƣng cất loại ngũ cốc chứa tinh bột chuyển hóa thành đƣờng đơn, thƣờng đƣợc sản xuất từ loại nông nghiệp hàm lƣợng đƣờng cao nhƣ ngô (ở Mỹ), lúa mì, lúa mạch, mía (ở Brazil) Ngồi ra, Etanol sinh học cịn đƣợc sản xuất từ cỏ có chứa hợp chất cellulose Etanol từ cellulose đƣợc sản xuất thành công đƣa vào sử dụng làm nhiên liệu nhiều nƣớc giới Hiện nay, việc sản xuất Etanol từ loại lƣơng thực gây lo ngại vấn đề an ninh lƣơng thực giới Chính vậy, giới theo hƣớng sản xuất Etanol từ nguyên liệu chứa hợp chất cellulose Việt Nam quốc gia nằm vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, điều kiện thuận lợi cho phát triển lồi tảo, bèo tây Trên giới có cơng trình nghiên cứu ứng dụng khả hấp thụ kim loại nặng bèo tây để làm mơi trƣờng nƣớc mặt Bên cạnh đó, bèo tây K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học đƣợc nghiên cứu lĩnh vực sản xuất Etanol sinh học Dựa vào thành phần hóa học bèo tây chủ yếu cellulose hemicellulose, qua trình thủy phân lên men nhờ vi sinh vật, chuyển hoá cellulose bèo tây thành Etanol sinh học Với ƣu điểm nhƣ rẻ tiền, phổ biến có khả phát triển nhanh, bèo tây nguồn nguyên liệu tiềm trình nghiên cứu sản xuất Etanol sinh học Chính ý nghĩa thiết thực đó, luận văn tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây (Eichnoria) thành Etanol sinh ho ̣c” Để đạt đƣợc mục tiêu nêu trên, đề tài tiến hành nội dung nghiên cứu sau: - Nghiên cứu số điều kiện tối ƣu trình thủy phân bèo tây thành đƣờng đơn tác nhân hóa học - Xác định hàm lƣợng Etanol tạo sau trình lên men vi khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109, phân lập từ trình ủ phân cừu cỏ Napiergrass khơ - Đề xuất quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây xây dựng kịch áp dụng cho thủy vực thiên nhiên K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Sinh khối nhiên liệu sinh học 1.1.1 Khái niệm Sinh khối (SK) vật liệu hữu có nguồn gốc từ sinh vật có khả tái tạo nhƣ cối, phân gia súc… SK đƣợc xem phần chu trình cacbon tự nhiên Cacbon từ khí đƣợc biến đổi thành vật chất sinh học qua trình quang hợp thực vật Khi phân giải đốt cháy, cacbon quay trở lại khí đất Vì cacbon khí đƣợc giữ mức tƣơng đối ổn định Các vật liệu hữu đƣợc tạo thành q trình địa chất tạo than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên khơng đƣợc gọi SK Nhiên liệu hố thạch có nguồn gốc SK thời cổ xƣa đƣợc xem nằm ngồi chu trình cacbon từ lâu.Việc đốt cháy chúng làm hàm lƣợng CO2 khí ổn định Nhiên liệu sinh học (NLSH) loại nhiên liệu có nguồn gốc từ SK - từ sinh vật sống sản phẩm phụ từ q trình chuyển hóa chúng (ví dụ nhƣ phân gia súc) Chúng thuộc loại lƣợng tái tạo hoàn toàn khác với loại lƣợng khác nhƣ hóa thạch, hạt nhân 1.1.2 Các dạng nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học đƣợc sử dụng 03 dạng sau [40]: - Dạng rắn (SK rắn dễ cháy): củi, gỗ than bùn - Dạng lỏng: Các chế phẩm dạng lỏng nhận đƣợc trình chế biến vật liệu nguồn gốc sinh học nhƣ: + Cồn sinh học - loại cồn có nguồn gốc sinh học, ví dụ: Etanol sinh học từ đƣờng mía, ngô đƣợc sử dụng làm nhiên liệu phụ gia pha xăng Braxin, Mỹ vài nƣớc khác; mEtanol sinh học (hiện đƣợc sản xuất chủ yếu từ khí tự nhiên, song từ SK) K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học + Dầu mỡ loại nguồn gốc sinh học: diezel sinh học (Biodiezel) sản phẩm chuyển hóa ester từ mỡ động vật dầu thực vật; Phenol loại dung môi, dầu nhựa thu đƣợc q trình nhiệt phân gỗ, v.v… - Dạng khí: Metan thu đƣợc từ trình phân hủy tự nhiên loại phân, chất thải nông nghiệp rác thải - Biogas; Hydro thu đƣợc nhờ cracking hyđrocacbon, khí hóa hợp chất chứa cacbon phân ly nƣớc dòng điện hay thơng qua q trình quang hóa dƣới tác dụng số vi sinh vật; sản phẩm khí khác từ q trình nhiệt phân khí hóa SK (các loại khí cháy thu đƣợc q trình nhiệt phân gỗ) 1.1.3 Những lợi ích sử dụng nhiên liệu sinh học Sử dụng NLSH giảm thiểu ô nhiễm khí nhà kính NLSH đƣợc sản xuất từ SK, loại vật liệu xuất phát từ sinh vật (chủ yếu thực vật) phần chu trình cacbon ngắn CO2 mà hấp thụ từ khơng khí qua q trình quang hợp quay trở lại bầu khí chúng bị chuyển hóa thành lƣợng Để coi nguồn lƣợng tái tạo kho sinh khối phải đƣợc trì khơng thay đổi Bởi chu trình khơng có lƣợng CO2 thừa NLSH chạy xe phát tán ngƣợc trở lại nên NLSH đƣợc coi yếu tố "cân mặt mơi trƣờng" thuộc chu trình Hiện nay, hàng năm tồn giới phát thải khoảng 25 tỷ khí độc hại khí nhà kính Nồng độ khí CO2, loại khí nhà kính chủ yếu, tăng 30% so với thời kỳ tiền công nghiệp (từ 280 ppm tăng lên 360 ppm), nhiệt độ trái đất tăng 0,2- 0,40C Nếu khơng có giải pháp tích cực, nồng độ khí nhà kính tăng đến 400 ppm vào năm 2050 500 ppm vào cuối kỷ XXI, nhiệt độ trái đất tăng thêm 2-40C, gây hậu khôn lƣờng môi trƣờng sống Sử dụng NLSH so với xăng dầu khống giảm đƣợc 70% khí CO2 30% khí độc hại, NLSH chứa lƣợng cực nhỏ lƣu huỳnh, chứa 11% K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học quả, đề tài lựa chọn khối lƣợng bèo tây thủy phân 3g (tỷ lệ 1: 30) tối ƣu để sử dụng cho thí nghiệm Từ thơng số khảo sát (thời gian thủy phân, nồng độ axit tỷ lệ rắn/ lỏng), đề tài lựa chọn điều kiện tối ƣu trình thủy phân bèo tây dung dịch axit H2SO4 loãng là: Thể tích axit H2SO4 V = 120ml Khối lƣợng bèo: 3g Nồng độ axit H2SO4: 7% Thời gian thủy phân: 50 phút Nhiệt độ: 1000C 3.2.4 Thành phần bã bèo sau trình thuỷ phân Sau lựa chọn đƣợc thơng số tối ƣu cho q trình thuỷ phân, ta tiến hành thuỷ phân bèo tây với thơng số tối ƣu Q trình thuỷ phân đƣợc tiến hành Sản phẩm dung dịch đƣờng đƣợc chuẩn bị cho q trình lên men, cịn bã bèo đƣợc phân tích thành phần chất rắn cịn lại Bảng 12 Thành phần chất rắn cịn lại sau q trình thuỷ phân Nguyên liệu Sau trình ban đầu (g) thuỷ phân (g) Cellulose 1,02 0,692 Hemicellulose 1,29 0,593 Lignin 0,24 0,218 Khác 0.45 0,415 3,0 1,685 STT Hợp chất Tổng cộng Từ số liệu thành phần chất rắn cịn lại sau q trình thuỷ phân bảng 12, tính đƣợc khả chuyển hố hydrocacbon trình thuỷ phân axit nhƣ sau: K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 46 Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Bảng 13 Khả chuyển hoá hydratcacbon trình thuỷ phân Ngun liệu % chuyển hố ban đầu (g) hydrocacbon Cellulose 1,02 32,20 Hemicellulose 1,29 54,08 Lignin 0,24 9,21 Khác 0.45 7,78 STT Hợp chất Kết bảng 13 cho thấy hemicelluloses hợp chất có khả chuyển hố hydrocacbon tốt 54,08 % trình thuỷ phân axit H2SO4, tiếp đến cellulose 32,2 %, ligini 9,21% Kết rằng: lignin hợp chất khó chuyển hố q trình thuỷ phân axit Điều phù hợp với nghiên cứu giới trình thuỷ phân nguy 3.3 Khả chuyển hóa sản phẩm thủy phân thành Etanol 3.3.1 Xây dựng đường chuẩn Etanol Các dung dịch Etanol đƣợc pha theo nồng độ định trƣớc đƣợc đo máy sắc ký khí GC Từ kết đo đƣợc, vẽ đƣợc đồ thị biểu diễn mối quan hệ nồng độ Etanol diện tích peak – xác định đƣờng chuẩn Etanol 250000 y = 3158.6x R2 = 0.9976 Diện tích Peak 200000 150000 100000 50000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Nồng độ Etanol (mg/l) K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 47 Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Hình 11 Đường chuẩn Etanol 3.3.2 Phân tích nồng độ Etanol mẫu Sau thủy phân bèo tây điều kiện tối ƣu, dịch thu đƣợc tiến hành lên men nhờ vi khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109 Cứ sau 24h lấy mẫu lần đem phân tích hàm lƣợng Etanol máy sắc ký khí GC, thu đƣợc sắc ký đồ nhƣ sau: Ngày 1: S = 3426 Ngày 2: S = 13447 Ngày 3: S = 22795 Ngày 4: S = 15188 K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 48 Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Ngày 5: S = 6078 Ngày 6: S = 7196 Hình 12 Sắc ký đồ mẫu phân tích Etanol qua ngày Thời gian lƣu chuẩn Etanol 2,1 phút Từ sắc đồ phân tích mẫu cho thấy thời điểm 2,1 phút phát có Etanol mẫu Bảng 14 Hàm lượng Etanol tạo sau trình lên men Nồng độ Etanol Tỷ lệ lên men (mg/l) (mg/g) 3426 1,08 0,033 Ngày 13447 4,26 0,128 Ngày 22795 7,22 0,217 Ngày 15198 4,81 0,144 Ngày 7196 2,28 0,068 Ngày 6078 1,92 0,058 Mẫu Diện tích peak Ngày K15 Cao học Mơi trƣờng Phạm Công Minh Trang 49 Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Nồng độ etanol Tỷ lệ lên men 0.5 Nồng độ Etanol (mg/l) 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Thời gian (ngày) Hình 13 Hàm lượng Etanol tạo sau trình lên men Từ đồ thị hình 13, thấy ngày vi khuẩn chƣa thích nghi đƣợc với mơi trƣờng chất mới, hoạt động vi khuẩn giai đoạn yếu Những ngày vi khuẩn thích nghi đƣợc với môi trƣờng phản ứng lên men tạo Etanol tăng mạnh Đến ngày thứ nồng độ Etanol đạt giá trị cao (7,22 mg/l), tƣơng đƣơng hàm lƣợng Etanol 0,217 mg/g Nguyên nhân trình lên men yếm khí sản phẩm tạo khơng Etanol mà cịn có sản phẩm phụ khác nhƣ phenol, furfural, axit lactic…hạn chế khả lên men vi sinh vật làm giảm hàm lƣợng Etanol mẫu Mặt khác, nồng độ Etanol mẫu tăng cao chủng vi sinh bị “say” Etanol, khả chuyển hóa đƣờng thành Etanol bị suy giảm Bảng 15 Hàm lượng Etanol đường khử trình lên men Mẫu Nồng độ Etanol (mg/l) Nồng độ đƣờng khử (g/l) Ngày 1,08 2,75 Ngày 4,26 2,62 K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 50 Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Ngày 7,22 2,08 Ngày 4,81 1,25 Ngày 2,28 0,89 Ngày 1,92 0,54 Nồng độ Etanol Hàm lượng đường khử 3.00 Nồng độ Etanol (mg/l) 7.00 2.50 6.00 2.00 5.00 4.00 1.50 3.00 1.00 2.00 0.50 1.00 0.00 Hàm lƣợng đƣờng khử (g/l) 8.00 0.00 Thời gian (ngày) Hình 14 Mối quan hệ hàm lượng Etanol đường khử trình lên men Theo hình 14, mối quan hệ nồng độ Etanol hàm lƣợng đƣờng khử quan hệ tỉ lệ nghịch Ban đầu, hàm lƣợng đƣờng giảm chậm lƣợng Etanol sinh Khi hàm lƣợng đƣờng giảm mạnh (độ dốc đƣờng trình tăng) lƣợng Etanol sinh tăng vọt Sau hàm lƣợng Etanol đạt đến giá trị cực đại bắt đầu giảm dần, cịn hàm lƣợng đƣờng khử tiếp tục giảm, gần đến 3.3.3 So sánh với nghiên cứu trước Kết cho thấy lƣợng Etanol tạo từ trình lên men dịch thủy phân bèo tây không cao Theo kết nghiên cứu Naoto Urano (2007) bèo tây sau thủy phân axit lên men từ 1kg bèo tây khơ K15 Cao học Mơi trƣờng Phạm Công Minh Trang 51 Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học tạo 22,4 ml Etanol tƣơng ứng 17,67g Tuy nhiên, vi sinh vật sử dụng nghiên cứu nấm men đƣợc phân lập phát triển mơi trƣờng có chứa bèo tây Do phù hợp với môi trƣờng lên men cho hiệu suất sản xuất Etanol lớn Nấm men đƣợc xác định nghiên cứu Candida intermedi Còn theo kết nghiên cứu thạc sĩ Trần Đăng Thuần (2009) vi khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109 sau lên men trực tiếp từ lignocellulose khác lƣợng Etanol tạo đạt 0,16 – 0,42 g/g Điều cho thấy chất dịch thủy phân chƣa phù hợp với vi khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109, làm cho hoạt động vi sinh vật không đạt hiệu cao Cũng xuất phát từ nguồn nguyên liệu bèo tây, nhóm T.Kasthuri, D Gowdhaman V Ponnunami Ấn độ nghiên cứu sản xuất Etanol quy trình gồm bƣớc: (i) Tiền xử lý axit sulfuric với nồng độ khác nhau, sau đƣợc trung hồ NaOH, (ii) Dung dịch sau trình tiền xử lý đƣợc lên men vi khuẩn Zymomonas mobilis Nghiên cứu thực phƣơng pháp lên men theo mẻ thuỷ phân, lên men đồng thời để so sánh kết Tiếp theo tối ƣu hoá thông số đặc trƣng nhƣ pH, nhiệt độ, hàm lƣợng enzyme, hàm lƣợng chất để thu đƣợc sản lƣợng Etanol cao Lƣợng Etanol thu đƣợc điều kiện tối ƣu 68,3 g/l Một nhóm nhà khoa học khác gồm Kumar A, Singh LK, Ghosh S sử dụng loại nấm men Pichia stipitis thuộc họ ascomycetous để sản xuất Etanol từ nguyên liệu bèo tây Bèo tây đƣợc tiền xử lý axit loãng để tận dụng tối đa hàm lƣợng hemicelluloses bèo tây cho trình lên men Etanol sau Kết nghiên cứu sản lƣợng Etanol 0,425 g/g K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 52 Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học 3.4 Đề xuất quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây Từ kết nghiên cứu trên, đề tài đề xuất quy trình điều chế Etanol từ bèo tây nhƣ sau: Bèo tây Xử lý sơ (phơi khô, nghiền nhỏ) Thủy phân axit (3g bèo, H2SO4 7% 1000C, 50 phút) Trung hòa NaOH Lọc giấy lọc Klebsiella oxytoca THLC0109 Lên men ngày Chƣng cất Bã ủ làm phân bón Ethanol Hình 15 Quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây 3.5 Đánh giá khả phát triển sản xuất Etanol sinh học từ bèo tây  Xây dựng kịch ứng dụng quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 53 Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Dựa kết nghiên cứu khả sinh trƣởng bèo tây sản lƣợng Etanol, đề tài xây dựng kịch ứng dụng quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây diện tích mặt nƣớc hồ khu vực thành phố Hà Nội Đề tài ƣớc tính sản lƣợng bèo tây thu đƣợc diện tích mặt nƣớc quận thành phố Hà Nội với độ che phủ mặt nƣớc bèo tây 30kg/m2 Từ đó, tính đƣợc lƣợng Etanol thu đƣợc áp dụng quy trình sản xuất Etanol Kết sản lƣợng Etanol sản phâm trình bày bảng 14: Bảng 16 Dự kiến sản lượng Etanol ứng với diện tích mặt nước thành phố STT Quận Khối lƣợng bèo tây tƣơi (tấn) Khối lƣợng bèo tây khô (tấn) 11,7 3510 403,7 87,59 Diện tích mặt nƣớc (ha) Sản lƣợng Etanol (kg) Hồn Kiếm Ba Đình 63,55 19065 2192,5 475,77 Đống Đa 36,128 10838 1246,4 270,47 Hai Bà Trƣng 40,35 12105 1392,1 302,08 Hoàng Mai 100,6 30180 3470,7 753,14 Long Biên 25,5 7650 879,8 190,91 Tây Hồ 508,5 152550 17543,3 3806,89 Thanh Xuân 19,6 5880 676,2 146,74 Kết ƣớc tính nhƣ bảng 14 cho thấy, bèo tây nguồn nguyên liệu để sản xuất Etanol tƣơng lai K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 54 Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu, đề tài “Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học” thu đƣợc số kết quả: Bèo tây sau đƣợc phơi tự nhiên, sấy khô đến khối lƣợng không đổi có màu nâu nhạt, độ ẩm 88,5 % Đề tài xác định đƣợc thông số tối ƣu cho trình thủy phân bèo tây dung dịch H2SO4 loãng: Thời gian thủy phân: 50 phút Nồng độ axit H2SO4: 7% Khối lƣợng bèo thủy phân: 3g Sau trình lên men nhờ vi khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109, 3g bèo tây khơ đƣợc chuyển hóa thành Etanol hàm lƣợng Etanol đạt giá trị cao thời điểm ngày 0,217 mg/g KHUYẾN NGHỊ Đề tài nghiên cứu điều kiện tối ƣu cho trình thủy phân (thời gian thủy phân, nồng độ axit, khối lƣợng bèo tây) mà chƣa xét đến điều kiện khác có ảnh hƣởng đến lƣợng đƣờng đƣợc tạo nhƣ áp suất, nhiệt độ Trong điều kiện thời gian hạn hẹp, đề tài chƣa nghiên cứu đƣợc quy trình sản xuất Etanol, q trình thủy phân cellulose diễn dƣới tác dụng enzyme, cần tiếp tục nghiên cứu theo hƣớng Trong trình nghiên cứu, đề tài xác định đƣợc tổng hàm lƣợng đƣờng khử dựa tính theo glucoza làm sở đánh chƣa xác định rõ đƣợc hàm lƣợng loại đƣờng Cacbon Cacbon, cần nghiên cứu thêm vấn đề K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 55 Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Nghiên cứu, thử nghiệm trình lên men dịch thủy phân bèo tây số vi sinh vật khác để so sánh hiệu suất lên men Đề tài chƣa nghiên cứu ảnh hƣởng sản phẩm trung gian trình thủy phân đến trình sinh trƣởng phát triển chủng vi sinh vật dùng để lên men nhƣ axit acetic, phenol, andehit aromatic (furfural_OC4H3CHO) K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 56 Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Thị Ngọc Bích (2003), Kỹ thuật cellulose giấy, Nhà xuất Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh Nguyễn Lân Dũng (1982), Thực hành Vi sinh vật học, Nxb Đại học Trung học Chuyên nghiệp, Hà Nội Nguyễn Quang Khải, Hội thảo Phát triển lƣợng bền vững Việt Nam, Những vấn đề phát triển lƣợng SK Việt Nam Nguyễn Đức Lƣợng (1996), Nghiên cứu tính chất số vi sinh vật có khả tổng hợp xenluloza cao, Luận án PTSKHKT, Hà Nội Trần Diệu Lý (2008), Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ, khóa luận tốt nghiệp, Thành phố Hồ Chí Minh Nguyễn Thị Hằng Nga (2009), Nghiên cứu khả sản xuất ethanol sinh ho ̣c từ phụ phẩm nông nghiệp, luận văn thạc sỹ, Hà Nội Lê Đình Quang (2008), “Nhiên liệu sinh học – Lợi ích khổng lồ nhƣng cịn nguy cơ”, Tạp chí Tài ngun mơi trƣờng, số 21, tr.24-25 Nguyễn Đình Thƣởng (2000), Cơng nghệ sản xuất & kiểm tra cồn etylic, Nxb Khoa học Kỹ thuật, tr.107-173 Nguyễn Thị Tĩnh (2009), Đánh giá tiềm năng lƣợng sinh khối đề xuất phƣơng án sử dụng phụ phẩm ngô huyện Phúc Thọ, Hà Nội, khóa luận tốt nghiệp, Hà Nội 10 Trần Cẩm Vân (2004), Giáo trình vi sinh vật môi trƣờng, Nhà xuất Đại học Quốc Gia, tr.79-82 11 Thủ tƣớng phủ (2007), “Đề án phát triển nhiên-liệu-sinh-học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”, Hà Nội 12 Tổng Cục Thống kê, Niên giám thống kê 2010 13 http://www.khoahoc.com.vn/khampha/sinh-vat-hoc/thuc-vat/3247_Beotay-May-loc-nuoc.aspx K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 57 Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học 14 http://www.hieuhoc.com/khoahochay/chitiet/cong-nghe-che-tao-giay-tubeo-tay-2010-05-03 15 http://www.ovsclub.com.vn/show_article.php?aid=17844&lg=vn, Nhiên liệu sinh học Etanol: hy vọng hay ảo vọng 16 http://tailieu.vn, Nhiên liệu sinh học - nguồn lƣợng tái tạo quan trọng tƣơng lai 17 http://tailieu.vn/view-document/vi-sao-nhien-lieu-sinh-hoc-chua-duocquan-tam-o-nuoc-ta.14940.html?lang=en, 2007, Vì nhiên liệu sinh học chƣa đƣợc quan tâm nƣớc ta, Sinh học Việt Nam Tiếng Anh 18 Anjanabha Bhattacharya (2010), Water hyacinth as a potential biofuel crop, USA 19 Badger, P.C (2002), Trends in new crops and new uses, Etanol from cellulose: Ageneral review, p 17–21 20 Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; and Stryer, Lubert (2002), Biochemistry,Spinger 21 Biotechnology for Fuels and Chemicals- Applied Biochemistry and Biotechnology 22 Cheng-shung gong, li-fu chen, Michael C Flickinger, Ling- Chang Chiang, andGeorge T Tsao (1981), Applied and environmental microbiology: Production of Etanol from D-Xylose by Using DXylose Isomerase and Yeasts, p 430-436 23 Gaur A.C (1980), Microbial decomposition of organic matterial and humus in soiland compost, FAO/UNDP,p.59 24 Isarankura-Na-Ayudhya (2007), Appropriate Technology for the Bioconversion of Water Hyacinth (Eichhornia crassipes) to Liquid Ethanol, Mahidol University, Bangkok, Thailand K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 58 Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học 25 James D Kerstetter, Ph.D.John Kim Lyons(2001), Wheat straw for ethanol 26 Jeris J S and A W Regan (1973), “The effect of pH, nutrient, storage and paper content”, Controllong environmental for oplimal composting, p 16- 22 27 Naoto Urano (2007), Ethanol production from the water hyacinth Eichhornia crassipes by yeast isolated from various hydrospheres, Tokyo University, Japan 28 Production in Washington: A Resource, Technical, and Economic Assessment,p.18 29 E.F Ruiz, E.G Uribe and J.M Martínez, Biomass and Productivity of Water Hyacinth and Their Application in Control Programs, E.L Gutiérrez 30 Rockville Maryland (2005), Breaking the biological barriers to cellulosic ethanol 31 Se Hoon Kim (2004) , Lime pretreatment and enzymatic hydrolysis of corn stover, p.6 32 Sheela Srivastava, P S Srivastava (2003), Understanding Bacteria, Springer 33 Sin R.G.H (1951), Microbial decomposition of cellulose, Rainhold, New York 34 Tran Dang Thuan (2009), Single-Stage Conversion of Lignocellulosic Materials to Ethanol in a Single-Strain and Co-Culture System, luận văn thạc sỹ, Taipei 35 Yan Lin (2006), “Ethanol fermentation from biomass resources: current state and prospects”, Microbiol Biotechnol 69, pp 627-642 36 Ye Sun, Jiayang Cheng (2001), Hydrolysic of lignocellulosic materials for ethanol production, North Carolina State University, USA K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 59 Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học 37 http://www wikipedia.org 38 www.wisbiorefine.org, Fermentation of Lignocellulosic Biomass K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 60 ... từ nguyên liệu bèo tây K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 40 Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học 3.1.2 Khả phát triển bèo tây Bèo tây mƣời lồi có tốc độ sinh trƣởng mạnh... K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 39 Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thành phần khả phát triển bèo tây 3.1.1 Thành phần... 39 K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang Nghiên cứu khả chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 40 3.1 Thành phần khả phát triển bèo tây