Nghiên cứu khả năng sản xuất etanol sinh học từ phế phẩm nông nghiệp tại Việt Nam

Sản xuất nông nghiệp và thực trạng sử dụng phế PPNN ở Việt Nam 1. Tình hình sản xuất nông nghiệp

Ở Việt Nam, theo nghiên cứu thuộc đề tài “Nghiên cứu công nghệ xử lý một số loại PPNN bằng nước áp suất cao để thu dung dịch đường có khả năng lên men tạo thành Etanol” của Nguyễn Hoàng Dũng (Đại học Bách Khoa, TP.HCM), PPNN được sử dụng là rơm, rạ, trấu. Nguyễn Thị Hằng Nga 27 Cao học Môi trường K15 Cả 3 loại phụ phẩm trên được xử lý hơi nước ở nhiều chế độ thí nghiệm khác nhau, sau đó chúng được phân tích bằng acid để xác lập chế độ tối ưu cho quá trình xử lý hơi nước. Trên cơ sở đó, nghiên cứu quá trình thủy phân Enzym và lên men để chứng minh khả năng chuyển hóa rơm rạ, trấu là các nguồn phế PPNN chủ yếu hiện nay thành cồn nhiên liệu.

Tùy theo từng vùng mà thân cây ngô có thể bị thải bỏ tại ruộng hoặc được vận chuyển về nhà sử dụng cho các mục đích khác nhau như làm thức ăn cho gia súc, làm chất đốt cho đun nấu trong gia đình. Ở trong đất có rất ít loài vi khuẩn có khả năng tiết ra đủ bốn loại enzym trong hệ enzym xelluloza mà thường mỗi nhóm vi sinh vật chỉ sản sinh ra một loại enzym tương ứng. Do vậy các nhóm vi sinh vật phải phối hợp với nhau để phân giải cơ chất trong mối quan hệ tương hỗ, thông thường bao gồm các vi sinh vật sau: Pseudomonas, Xellulomonas, Achromonobacter, Clostridium, Ruminococus.

Khác với cellulose, phân tử hemicellulose nhỏ hơn nhiều thông thường không quá 150 gốc đường, được nối với nhau không chỉ bằng liên kết -1,4 mà còn bằng liên kết -1,3 và -1,6 glucozit tạo ra mạch ngắn và phân nhánh. Nguyễn Thị Hằng Nga 33 Cao học Môi trường K15 Vì độ polyme thấp, phân nhánh và hỗn hợp nhiều đường nên hemicellulose không có cấu trúc chặt chẽ như ở cellulose và độ bền hóa lý cũng thấp hơn. Ngoài ra, một số loài nấm sợi như Mycotheciumverrucria, Chactomium, Stachybtrys… một số loài nấm xốp trắng cũng có khả năng phân giải hemicellulose như: Corrodusversicolor, Polyrus anceps, Phanerochaete, aspergillus fumigatus… và nhóm xạ khuẩn gồm Streptomyces, Pseudomonas, Bacillus… [31,36].

Vai trò của vi sinh vật trong quá trình lên men rượu [12]

Khả năng này thường thấy ở vi sinh vật sống trong dạ cỏ động vật nhai lại như: Bacillus, Bacteriodes, Butyvibrio, Ruminococus và các vi khuẩn chi Clostridium. Lúc đầu CO2 hòa tan hoàn toàn, dần dần tạo thành các bọt khí bám quanh tế bào men và lớn dần tới mức lực đẩy Archimedes lớn hơn khối lượng tế bào men cộng bọt khí. Mặt khác, lên men ở nồng độ thấp sẽ làm giảm năng suất của thiết bị, tốn nhiều hơi khi chưng cất và làm tăng tỉ lệ tổn thất rượu trong bã và nước thải.

Vì vậy khi xem xét một trường hợp cụ thể ta cần đặt chúng trong một thể thống nhất, phải căn cứ vào điều kiện cụ thể, trang thiết bị ở từng cơ sở sản xuất để định ra chế độ kỹ thuật phù hợp nhằm đạt hiệu quả sản xuất cao nhât. Đặc điểm nổi bật của nấm men chìm là một số chủng có chứa enzym α-galactozidaza có khả năng lên men hoàn toàn đường rafinoza, còn đối với nấm men nổi thì chỉ một số ít chủng có khả năng chuyển hóa đường rafinoza thành rượu và cacbonic và đường chỉ vào khoảng 1/3 tổng số đường. Giấm chín (là dịch nhận được sau lên men) bao gồm các chất dễ bay hơi như rượu, este, aldehyt và một số alcol có số cacbon lớn hơn hai, các rượu này ta quen gọi là rượu cao phân tử hay còn gọi là dầu fusel hay dầu khét.

Tuy là hỗn hợp nhiều cấu trúc nhưng trong thành phần của giấm chín chứa chủ yếu là rượu etylic và nước, vì thế khi nghiên cứu người ta xem giấm chín hỗn hợp hai cấu tử. Khi tăng áp suất của hệ thống hai cấu tử, cấu tử nào khi bay hơi đòi hỏi nhiều năng lượng thì hàm lượng tương đối của nó sẽ tăng trong hỗn hợp đẳng phí. Đối với hỗn hợp rượu- nước, nếu tiến hành chưng cất ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thì % nước trong hỗn hợp đẳng phí sẽ nhiều hơn, còn nồng độ rượu trong hỗn hợp sẽ thấp hơn 97,2% V.

Phương pháp nghiên cứu 1. Các phương pháp hoá lý

Nguyễn Thị Hằng Nga 38 Cao học Môi trường K15 tinh (đã vô trùng), trang đều lên mặt môi trường trong hộp petri. Sau khi trang xong dùng giấy gói lại và chuyển các hộp petri chứa vi sinh vật vào tủ ấm và nuôi cấy ở điều kiện nhiệt độ thích hợp. Phương pháp đánh giá hoạt tính sinh học vi sinh vật Phương pháp xác định hoạt tính phân giải cellulose [8].

Nguyên tắc của phương pháp: enzym celluloseza thuỷ phân CMC trong môi trường sẽ tạo vòng thuỷ phân có màu vàng xung quanh lỗ đục đã được nhỏ dịch vi sinh vật và hiện màu bằng dung dịch lugol. Dựa vào hệ số giữa đường kính vòng thuỷ phân (D) và đường kính đục lỗ (d) người ta xác định được hoạt tính CMC- aza của vi sinh vật. Thân cây ngô sau khi phơi (sấy) khô, chặt nhỏ 2-3 cm, nghiền nhỏ bằng máy nghiền được bột nguyên liệu.

Trung hòa dung dịch sau quá trình xử lý sơ bộ bằng dung dịch KOH sau đó lọc bằng giấy lọc hoặc bông thấm nước được dịch lọc và chất rắn. Nguyễn Thị Hằng Nga 40 Cao học Môi trường K15 Trung hòa bằng dung dịch KOH sau đó lọc bằng giấy lọc thu được dịch thủy phân bằng axit và chất rắn sau khi sấy khô CR2. Dịch nấm men Saccharomyces cerevisiae đã lựa chọn lắc trong 2 ngày được sử dụng để làm tác nhân cho quá trình lên men.

Lựa chọn chủng VSV cho quá trình thủy phân và lên men 1. Lựa chọn chủngVSV phân giải hợp chất hydratcacbon

Nguyễn Thị Hằng Nga 41 Cao học Môi trường K15 CHƯƠNG 3- KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN. Lựa chọn chủng VSV cho quá trình thủy phân và lên men. Khi nuôi cấy trên máy lắc ở nhiệt độ 370C, tốc độ 150 vòng/phút) trong môi trường dịch thể tạo thành các hạt nhỏ. Với mục tiêu sử dụng có hiệu quả chủng xạ khuẩn ACT 06 cho quá trình thủy phân thân cây ngô, đề tài tiến hành nghiên cứu và kiểm tra hoạt tính sinh học và các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của chủng ACT 06 như nhiệt độ, pH. Kiểm tra hoạt tính sinh học CMC của chủng xạ khuẩn ACT 06 theo phương pháp (2.2.2.2) cho thấy chủng ACT 06 có khả năng phân giải cellulose.

Kết quả đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến sinh trưởng và phát triển của chủng ACT 06 được trình bày trong Bảng 12. Nguyễn Thị Hằng Nga 44 Cao học Môi trường K15 Số liệu nghiên cứu ở Bảng 12 cho thấy chủng ACT06 có thể sinh trưởng và phát triển tốt và đạt mật độ cao khi được nuôi cấy trong khoảng nhiệt độ từ 35-500C. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến sinh trưởng của chủng ACT 06, đề tài sử dụng dung dịch đệm Mc Iivaine để điều chỉnh giá trị pH ban đầu của môi trường dịch thể.

Từ các kết quả nghiên cứu trình bày ở trên, chủng ACT 06 là chủng VSV có khả năng chuyển hóa các hợp chất hydratcacbon tốt nhất. Để phục vụ cho công tác nghiên cứu lên men sản xuất etanol, đề tài đã tiến hành lựa chọn chủng nấm men có khả năng lên men etanol cao dựa vào hồ sơ chủng giống vi sinh vật được lưu giữ tại Bộ môn Sinh học Môi trường – Viện Môi trường Nông nghiệp và chủng nấm men do Bộ môn Vi sinh vật- Viện Thổ nhưỡng Nông hóa cung cấp. Đề tài đã tiến hành đánh giá khả năng lên men rượu bằng cách đánh giá định tính thông qua việc hình thành CO2 hình thành: Ống Durham được cho ngược chiều vào ống môi trường lên men dịch thể (A2).

Thành phần lý, hóa học của thân cây ngô sau thu hoạch

Như vậy, SA.03 là chủng nấm men có khả năng lên men cao và được đề tài lựa chọn sử dụng trong quá trình lên men. Nguyễn Thị Hằng Nga 47 Cao học Môi trường K15 Thân cây ngô sau khi sấy khô tuyệt đối được phân tích hàm lượng cellulose, hemicellulose và lignin. Đây là một nguyên liệu SK tiềm năng cho việc sản xuất etanol nếu các điều kiện thủy phân và lên men được nghiên cứu một cách hiệu quả.

Đề xuất quy trình sản xuất etanol từ thân cây ngô

Trên thực tế sản xuất từ nguyên liệu tinh bột thì hàm lượng cồn trong dịch giấm chín đạt từ 6 đến 9,5% về thể tích. Kết quả hàm lượng etanol trong nghiên cứu này tuy không cao nhưng cũng cho thấy rằng, thân cây ngô là nguyên liệu rất có triển vọng cho việc sản xuất etanol. Như vậy, để sản xuất dịch có chứa 1 lít (103 ml) etanol cần dùng khối lượng thân cây ngô sau thu hoạch là.

Tính toán tương tự theo quy trình 2 ta có kết quả như sau: để sản xuất lượng dịch có chứa 1 lít etanol từ thân cây ngô theo quy trình 2 ta cần dùng khối lượng thân cây ngô.