Thử nghiệm lên men dịch sau thủy phân để thu etanol đƣợc tiến hành với rơm rạ đã qua tiền xử lý theo các phƣơng pháp khác nhau, sử dụng chủng giống Saccharomyces cerevisiae BG1, có khả năng lên men đƣờng C6. Chuẩn bị dịch đƣờng sau thủy phân từ bột rơm rạ theo phƣơng pháp TXL khác nhau ở mục 3.3.2; 3.3.3; 3.3.4. Dịch đƣờng sau khi xử lý đƣợc pha loãng và đƣa về nồng độ 80,0 g/l nhƣ bảng 3.31 (thông qua các nghiên cứu sơ bộ) để đạt đƣợc hiệu quả lên men etanol tốt nhất.
Quá trình lên men đƣợc tiến hành với lƣợng tiếp giống 8%, ở 30o
C, lên men trong 72h. Kết quả thu đƣợc là tất cả các mẫu dịch đƣờng đều có khả năng lên men tốt với hiệu suất khá cao tùy thuộc vào tính chất của các dịch đƣờng tƣơng ứng (bảng 3.31).
Bảng 3.31. Hiệu suất lên men etanol dịch đƣờng bột rơm rạ sau thủy phân Dịch thủy phân Hiệu suất thu bột, % so với rơm rạ khô Nồng độ đƣờng (g/l) Đƣờng sót (g/l) Đƣờng sử dụng (g) Khối lƣợng cồn lý thuyết (g) Khối lƣợng cồn thực tế (g) Hiệu suất etanol (ml/ kg rơm rạ) Bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic và trích ly kiềm 55,0% 80,05 29,38 3,5724 1,925 1,200 178 Bột xút 50,3% 24,64 3,6672 1,978 1,347 210 Bột sunfat 56,3% 26,97 3,6206 1,952 1,269 203
Do chỉ sử dụng lên chủng lên men đƣờng C6 là Saccharomyces cereviase BG1 nên lƣợng đƣờng sót của cả 03 loại dịch thủy phân của bột xút, bột sunfat, bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic và trích lý kiềm đều khá lớn, dao động từ 24,6 đến 29,4 g/l. Với lƣợng đƣờng sót sau khi lên men dịch thủy phân bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic và trích ly kiềm lớn nhất là 29,38 so với dịch thủy phân bột xút và bột sunfat rơm rạ nên hiệu quả chuyển hóa thành etanol thu đƣợc của dịch thủy phân bột này là thấp nhất. Dịch đƣờng của bột xút có khả năng lên men etanol tốt hơn. Tuy nhiên để tăng hiệu quả của cả quá trình chuyển hóa từ rơm rạ thành etanol cần tiếp tục nghiên cứu khả năng lên men đƣờng pentose thành etanol nhằm nâng cao hiệu suất cuối của toàn bộ quá trình.
Do hiệu suất thu etanol khác nhau phụ thuộc rất nhiều yếu tố nhƣ: bản chất rơm rạ, hiệu suất thu bột sau tiền xử lý, thành phần dịch đƣờng thu đƣợc sau thủy phân và các chất ức chế có thể có (trong quá trình tiền xử lý còn sót lại bị hấp phụ lên xơ sợi, các chất độc bị nhiễm do VSV sinh ra trong quá trình thủy phân và lên men). Ngoài ra, hiệu suất thu etanol còn phụ thuộc vào các yếu tố lên men: khả năng chuyển hóa của chủng vi sinh vật
Saccharomycescerevisiae BG1, tỷ lệ bổ sung chủng giống, điều kiện lên men (nuôi cấy), các vi chất dinh dƣỡng bổ sung cho quá trình lên men. Trong nghiên cứu này, chỉ tiến hành lên men etanol thăm dò từ dịch đƣờng thu đƣợc theo các phƣơng pháp TXL khác nhau và
121 xác định khối lƣợng etanol thu đƣợc cho tính toán hiệu suất thu etanol. Các nghiên cứu chuyên sâu khảo sát ảnh hƣởng của các yếu tố khác nhau đến quá trình lên men đƣợc tiếp tục tiến hành sau.
Với hiệu suất thu bột cao nhất đạt 56,3%, hiệu suất sinh etanol khá cao đạt 203 ml/kg rơm rạ chỉ với chủng giống lên men đƣờng C6, chọn sơ đồ đề xuất quá trình chuyển hóa rơm rạ thành etanol sinh học là chuyển hóa bằng tác nhân sunfat (NaOH+Na2S) theo phƣơng pháp nấu kín ở mức dùng kiềm hoạt tính 7% so với rơm rạ khô tuyệt đối, nhiệt độ 100oC, trong vòng 120 phút nhƣ sau (hình 3.69).
122
KẾT LUẬN
Từ các kết quả nghiên cứu tổng quan tài liệu; tính chất của rơm rạ một số giống lúa phổ biến của Việt Nam; quá trình TXL rơm rạ, đƣờng hóa bằng enzyme, lên men etanol và đặc điểm biến đổi của các hợp chất cao phân tử của rơm rạ trong quá trình chuyển hóa thành etanol sinh học, có thể rút ra các kết luận sau:
1. Rơm rạ là nguồn sinh khối lignocellulose tiềm năng và có tính chất phù hợp làm nguyên liệu cho sản xuất etanol sinh học, theo nhiều phƣơng pháp và công nghệ TXL, lên men hiện đại có thể áp dụng, phù hợp với ứng xu hƣớng và nhu cầu bức thiết về phát triển nhiên liệu sinh học của Thế giới và Việt Nam;
2. Đã xác định đƣợc cấu tạo hiển vi của thân cây lúa Khang Dân và Q5, nhƣ điển hình của rơm rạ, với 05 loại tế bào đặc trƣng cho cây một lá mầm là: biểu bì, hạ bì, tế bào mô mềm, tế bào cƣơng mô, tế bào bó mạch trong và ngoài;
3. Có sự khác biệt nhất định về đặc điểm sinh khối của rơm rạ giữa các giống lúa khác nhau: khối lƣợng rơm rạ của 5 giống lúa dao động trong khoảng 1,37-2,22 g/cây (khảo sát 05 giống lúa); Rơm rạ của hai giống lúa có chiều dài xơ sợi 932-2380 μm, chiều rộng 7-12 μm, trung bình lớn hơn so với một số dạng vật liệu tƣơng tự nhƣ thân cỏ Voi lai VA06 và thân cây ngô. Khối lƣợng thể tích của rơm rạ có thể đạt trung bình là 0,22-0,26 g/cm3. Trên 40% xơ sợi của rơm rạ có cấu trúc tinh thể;
4. Rơm rạ của 03 giống lúa khác nhau có hàm lƣợng carbohydrate 56,5-65,0%, lignin 18,22-19,54%; các chất vô cơ 11,23-14,67%; các chất trích ly bằng etanol 3,45-5,30%; các chất tan trong nƣớc 13,70-18,15%. Ngoài ra, thành phần dễ phân hủy sinh học của rơm rạ chiếm hơn 50%, vì vậy cần có phƣơng pháp lƣu trữ và bảo quản phù hợp khi sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất etanol cũng nhƣ các sản phẩm hữu ích khác;
5. Cũng nhƣ các dạng vật liệu lignocellulose khác, TXL rơm rạ là công đoạn quyết định tính khả thi và hiệu quả đƣờng hóa bằng enzyme. Để nâng cao hiệu suất thủy phân, phƣơng pháp TXL nhằm mục đích tách loại lignin là hiệu quả nhất, trong đó xử lý bằng axit axetic và hydroxit natri có bổ sung chất trợ tách loại lignin là những phƣơng pháp phù hợp, cho phép chuyển hóa 95-98% cellulose thành đƣờng.
6. Tiền xử lý rơm rạ (hai công đoạn) bằng axit axetic có bổ sung axit clohydric, kết hợp với trích ly kiềm và thủy phân bằng enzyme, cho hiệu suất đƣờng khử đạt 46,9% so với rơm rạ, lên men etanol thành công với lƣợng etanol thu đƣợc là 178 ml/kg rơm rạ ban đầu. Chế độ công nghệ thích hợp nhƣ sau:
- Công đoạn 1 (xử lý bằng axit axetic bổ sung axit clohydric): Tỉ lệ (axit axetic/axit clohydric): 98/2 về thể tích dung dịch dạng tinh khiết; Nhiệt độ xử lý: 100oC; Thời gian xử lý: 90 phút.
- Công đoạn 2 (trích ly kiềm): Mức sử dụng NaOH: 2,5% so với bột rơm rạ sau TXL bằng (CH3COOH+HCl); Nhiệt độ xử lý: 70oC; Thời gian: 30 phút;
- Thủy phân bằng enzyme: nồng độ cơ chất (rơm rạ sau TXL) là 10-11%; Mức sử dụng enzyme (hỗn hợp enzyme thƣơng phẩm Cellic® CTec2 và Cellic® HTec2, với tỉ lệ tƣơng ứng 4:1 về thể tích) là 17,8 U/g; Thời gian thủy phân: 113,4 h.
123 7. Tiền xử lý rơm rạ bằng dung dịch NaOH, với mức sử dụng NaOH 5% so với rơm rạ khô, ở nhiệt độ 100oC, trong 120 phút, kết hợp với thủy phân (theo chế độ công nghệ tối ƣu) với nồng độ cơ chất (rơm rạ sau TXL) 10,7%, mức sử dụng enzyme (hỗn hợp enzyme thƣơng phẩm Cellic®
CTec2 và Cellic® HTec2, với tỉ lệ tƣơng ứng 4:1 về thể tích) 15,6 U/g; thời gian thủy phân 94,2h, cho hiệu suất đƣờng khử đạt 49,2% so với rơm rạ, lên men etanol thành công với lƣợng etanol thu đƣợc là 210 ml/ kg rơm rạ ban đầu.
8. Tiền xử lý rơm rạ bằng dung dịch NaOH có bổ sung chất trợ tách loại lignin (Na2S), với mức sử dụng kiềm hoạt tính 7% so với rơm rạ khô, ở nhiệt độ 100oC, trong 120 phút; kết hợp với thủy phân (theo chế độ công nghệ tối ƣu) với nồng độ cơ chất (rơm rạ sau TXL) 11,0%, mức sử dụng enzyme (hỗn hợp enzyme thƣơng phẩm Cellic® CTec2 và Cellic® HTec2, với tỉ lệ tƣơng ứng 4:1 về thể tích) 16,2 U/g; thời gian thủy phân 114,7 h, cho hiệu suất đƣờng khử (có hàm lƣợng glucose 33,3%; xylose 13,4%, galactose 4% và arabinose 1,3%) đạt 52,96% so với rơm rạ, lên men etanol thành công với lƣợng etanol thu đƣợc là 203 ml/ kg rơm rạ ban đầu
9. Tiền xử lý rơm rạ theo các phƣơng pháp khác nhau, có tác dụng tách loại các thành phần không phải carbohydrate, nhƣ lignin, các chất vô cơ, các chất trích ly, đồng thời làm biến đổi cấu trúc và hình thái của xơ sợi, nhờ đó quá trình thủy phân bằng enzyme đƣợc cải thiện. Để đạt hiệu suất thủy phân cao nhất có thể, cần tách loại khoảng 75-78% lignin khi sử dụng axit axetic. Đối với trƣờng hợp TXL bằng kiềm, chỉ cần tách loại khoảng 65% lignin;
10. Tiền xử lý bằng axit axetic hoặc kiềm đều kéo theo phân hủy một phần carbohydrate, khoảng 4,8-6,2% so với khối lƣợng ban đầu trong rơm rạ ở chế độ công nghệ thích hợp/tối ƣu, trong đó xử lý bằng axit gây tổn thất cellulose ít hơn (khoảng 4,8%), chủ yếu là lƣợng cellulose vô định hình, do đó độ kết tinh của cellulose sau TXL cao hơn (8-9% so với ban đầu).
11. Nghiên cứu tối ƣu hóa các thông số quá trình thủy phân bột rơm rạ sau TXL bằng hỗn hợp enzyme đã giúp nâng cao hiệu suất thủy phân lên từ 2,5 đến 4,9% tùy thuộc vào tính chất của từng loại bột sau TXL, đồng thời đã giảm mức dùng enzyme xuống từ 29,9 đến 36,6%, giảm thời gian thủy phân, hóa chất (dung dịch đệm citrate) sử dụng.
12. Các phƣơng pháp TXL rơm rạ và thủy phân bằng enzyme cho sản xuất etanol sinh học, đều khả thi ở quy mô công nghiệp, có thể thu hồi hóa chất để tái sử dụng, ít tiêu hao năng lƣợng. Đề xuất sơ đồ chuyển hóa etanol từ rơm rạ bằng phƣơng pháp nấu sunfat, với mức dùng kiềm hoạt tính 7%, nhiệt độ 100oC, thời gian 120 phút, quá trình thủy phân bằng hệ enzyme thƣơng phẩm Cellic CTec2 và Cellic HTec2 và lên men với chủng
124
KIẾN NGHỊ NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Nghiên cứu thu hồi hóa chất và thu nhận các sản phẩm phụ từ quá trình TXL rơm rạ bằng axit axetic và kiềm, đồng thời tái sử dụng nƣớc và tận dụng/xử lý chất thải;
Mở rộng nghiên cứu thủy phân bột sau TXL sử dụng các chế phẩm enzyme khác, tối ƣu hóa quá trình lên men etanol, đƣờng hóa và lên men đồng thời;
Triển khai nghiên cứu chuyển hóa rơm rạ thành etanol ở quy mô pilot để đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật và môi trƣờng.
125
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt
1. Doãn Thái Hòa và cộng sự (2011) Nghiên cứu áp dụng công nghệ hiện đại để sản xuất etanol nhiên liệu từ gỗ phế liệu nguyên liệu giấy. Báo cáo tổng kết đề tài 04/HĐ−ĐT.04.09/NLSH.
2. Đặng Tuyết Phƣơng, Trần Thị Kim Hoa, Bùi Hải Linh, Hoàng Yến, Vũ Anh Tuấn (2009) Rơm rạ - Một nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng ở Việt Nam. Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghi Xúc tác và Hấp Phụ toàn quốc lần thứ V, Hải Phòng, tr. 289-302.
3. Hoàng Quốc Lâm (2000) Nấu và tẩy trắng rơm lúa mì đen trong môi trường xúc tác – dung môi hữu cơ axit foocmic/axit axetic, Tạp chí Công Nghiệp Giấy (10).
4. Lê Quang Diễn, Nguyễn Thị Minh Nguyệt, Nguyễn Thị Loan, Vũ Văn Vĩnh (2013)
Cấu tạo và tính chất tạo giấy của thân cây ngô. Tạp chí Hóa học, 51 (2C), tr. 920-925.
5. Nguyễn Lân Dũng Nguyễn Đăng Đức, Đặng Hồng Miên, Nguyễn Vĩnh Phƣớc, Nguyễn Đình Quyến, Nguyễn Phùng Tiến, Phạm Văn Ty (1976), Một số phương pháp nghiên cứu vi sinh vật, tập 2, NXB KH&KT, Hà Nội.
6. Nguyễn Mậu Dũng (2012) Ước tính lượng khí thải từ đốt rơm rạ ngoài đồng ruộng ở vùng đồng bằng sông Hồng. Tạp chí Khoa học và Phát triển, Trƣờng Đại học Nông nghiệp Hà Nội, Tập 10, số 1, tr. 190 – 198.
7. Nguyễn Ngọc Đệ (2008) Giáo trình cây lúa. Trƣờng Đại học Cần Thơ. Viện nghiên cứu phát triển đồng bằng sông Cửu Long.
8. Nguyễn Nhƣ Hiền (2005) Sinh học đại cương: Chương 2. Cấu tạo tế bào của cơ thể sống. Nhà xuất bản Đại học quốc gia Hà Nội, tr. 20 – 46.
9. Nguyễn Thị Minh Nguyệt (2009) Cấu tạo giải phẫu và thành phần hóa học cơ bản của thân cỏ Voi lai – Varisme số 6 (VA06), Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, số 6, tr. 100-104.
10. Nguyễn Tiến Bân, Nguyễn Nhƣ Khanh (1979) Phương pháp nghiên cứu thực vật. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
11. Tô Kim Anh và cộng sự (2010) Nghiên cứu tái tạo enzyme tái tổ hợp thủy phân lignocelluloses phục vụ sản xuất cồn nhiên liệu. Báo cáo tổng kết đề tài KC. 04.22/ 06−10.
12. Trần Thanh Phong, Đỗ Quý Hải. Giáo trình enzyme. Thƣ viện học liệu mở URL: http://voer.edu.vn/c/c6628b9e
13. Vũ Nguyên Thành và cộng sự (2010) Nghiên cứu công nghệ và hệ thống thiết bị sản xuất cồn nhiên liệu từ phế phụ phẩm nông nghiệp (biomass). Báo cáo tổng kết đề tài KC 04.07/06−10.
126 14. Website Tổng cục thống kê Việt Nam (2014) http://www.gso.gov.vn/default.aspx? tabid=390&idmid=3&ItemID=15303
15. www.worldenergyoutlook.org/investment (2014) World energy investment outlook. Special Report of the International Energy Agency (IEA).
16. Ethanolrfa.org. (sd). http://www.ethanolrfa.org/pages/statistics.
Tài liệu tham khảo tiếng Anh
17. Alan E. Comyns (2014) Biomass Futures. Focus on Catalysts. Issue 4, p.1. DOI: 10.1016/S1351-4180(14)70090-X.
18. Alvira, P., Tomas-Pejo, E., Ballesteros, M., Negro, M.J., (2010) Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: A review. Bioresour Technol, 101, pp. 4851-61.
19. Akin, D.E., Rigsby, L.L., Sethuraman, A., Morrison, W.H.-III., Gamble, G.R., Eriksson, K.E.L., (1995) Alterations in structure, chemistry, and biodegradability of grass lignocellulose treated with the white rot fungi Ceriporiopsis subvermispora and Cyathus stercoreus. Appl. Environ. Microbiol., 61(4), pp. 1591–1598.
20. Anne Kallioinen (2014) Development of pretreatment technology and enzymatic hydrolysis for biorefineries. VTT Technical Research Centre of Finland.
21. Anup Pradhan, Charles Mbohwa (2014) Development of biofuels in South Africa: Challenges and opportunities. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 39, pp. 1089– 1100.
22. Anuj Kumar Chandel, Gajula Chandrasekhar, Konakalla Radhika, Rudravaram Ravinder, Pogaku Ravindra (2011) Bioconversion of pentose sugars into ethanol: A review and future directions. Biotechnology and Molecular Biology Review, 6(1), pp. 008-020.
23. Ashutosh Mittal, Rui Katahira, Michael E Himmel, David K Johnson (2011) Effects of alkaline or liquid-ammonia treatment on crystalline cellulose: changes in crystalline structure and effects on enzymatic digestibility. Biotechnology for Biofuels, 4:41 http://www.biotechnologyforbiofuels.com/content/4/1/41.
24. ASTM D2395-07a Standard test methods for specific gravity of wood and wood- based materials. Wood and Wood-Base Materials.
25. Ayhan Demirbas (2008) Biofuels sources, biofuel policy, biofuel economy and global biofuel projections. Energy Conversion and Management, 49, pp. 2106–2116.
26. B. И. Азаров, А. В. Оболенская (1999) Химия древесины и синтетических полимеров. Санкт-Петербург.
27. Bachand AM, Mundt KA, Mundt DJ, Montgomery RR (2010) Epidemiological studies of formaldehyde exposure and risk of leukemia and nasopharyngeal cancer: a meta-analysis. Crit. Rev. Toxicol., 40, pp. 85–100. doi:10.3109/10408440903341696 PMID:20085478
127 28. Ballesteros, M., (2010) Enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass. In: Waldron, K. Ed., Bioalcohol Production. Biochemical Conversion of Lignocellulosic Biomass. Woodhead Publishing. pp. 159–177.
29. Bhatia, Y., Mishra, S., Bisaria, V. S. (2005) Purification and characterization of recombinant Escherichia coli-expressed Pichia etchellsii beta-glucosidase II with high hydrolytic activity on sophorose. Applied Microbiology and Biotechnology, 66, pp. 527- 535.
30. Bisaria, V. S. (1991). Bioprocessing of Agro-residues to glucose and chemicals. In: Martin, A. M. Ed. Bioconversion of Waste Materials to Industrial Products. Elsevier, London, pp. 210–213.
31. Buranov, A.U., Mazza G., (2008) Lignin in straw of herbaceous crops. Ind. Crop. Prod., 28, pp. 237–259.
32. Chandra, R.P., Bura, R., Mabee, W.E., Berlin, A., Pan, X., Saddler, J.N., (2007).
Substrate pretreatment: the key to effective enzymatic hydrolysis of lignocellulosics. Adv. Biochem. Eng. Biot., 108, pp. 67–93.
33. Chang, V., Nagwani, M., Holtzapple, M., (1998) Lime pretreatment of crop residues bagasse and wheat straw. Appl. Biochem. Biotechnol., 74, pp. 135–159.
34. Chaturvedi, V., Verma, P. (2013) An overview of key pretreatment processes employed for bioconversion of lignocellulosic biomass into biofuels and value added products. Biotech, 3, pp. 415-431.
35. Chen, Y., Stevens, M., Zhu, Y., Holmes, J., Xu, H., (2013) Understanding of alkaline pretreatment parameters for corn stover enzymatic saccharification. Biotechnol. Biofuels., 6, 8.