3.3.1. Kết quả khảo sát tỷ lệ nấm men bổ sung vào dịch lên men
Tiến hành bố trí thí nghiệm theo sơ đồ hình 2.11 mục 2.5.6. Thu được kết quả thể hiện ở hình 3.7 như sau:
Bảng 3.1. Sự thay đổi hàm lượng đường khử trước và sau lên men khi bổ sung nấm men ở các nồng độ khác nhau.
Tỷ lệ nấm men bổ sung (%) 1 2 3 4 5 6
Hàm lượng đường khử trước
khi lên men (mg) 93.80 93.80 93.80 93.80 93.80 93.80 Hàm lượng đường khử sau khi
lên men (mg) 17.80 14.63 14.00 10.90 6.43 7.17 Hàm lượng đường tiêu tốn cho
Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ nấm men đến hiệu quả lên men ethanol.
Ghi chú: Các chữ cái khác nhau trên các cột phản ánh mức độ khác nhau có ý nghĩa (p< 0,05)
Nhận xét: Kết quả thể hiện ở hình 3.6, bảng 3.2 cho thấy:
- Nồng độ nấm men bổ sung vào dịch lên men là một trong những yếu tối quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả lên men ethanol. Ở mỗi nồng độ nấm men khác nhau cho hiệu quả lên men khác nhau.
- Nồng độ nấm men bổ sung vào dịch lên men càng tăng thì hiệu quả lên men càng cao, hàm lượng đường khử còn lại càng ít và đạt cực tiểu tại nồng độ nấm men 5% (6,43mg, kết quả này cho thấy lượng đường khử tiêu tốn cho quá trình lên men so với ban đầu chưa lên men (93,8mg) là 87,37mg). Nhưng nếu tăng nồng độ nấm men lên 6% thì hiệu qủa lên men không tăng nữa. Qua xử lí số liệu bằng SPSS, ta thấy tại nồng độ 5% và 6% hàm lượng đường còn lại không có sự khác nhau về mặt thống kê ở mức ý nghĩa 0.05%. Nồng độ nấm men bổ sung vào dịch lên men là 5% cho hiệu quả lên men cao và tiết kiệm chi phí nhất.
- Ban đầu hàm lượng đường khử trong dịch là 93.8 mg, sau khi quá trình lên men kết thúc hàm lượng đường khử còn lại ở nồng độ nấm men 1% là 14.6 mg cho hiệu suất lên men 81%, 5% là 6.43mg cho hiệu suất lên men cao 93,14 %.
Thảo luận:
Qua kết quả thực nghiệm trên ta thấy:
- Đường là nguồn nguyên liệu chính mà nấm men sẽ sử dụng chuyển hóa thành cồn. Tuy nhiên nồng độ dịch đường quá cao sẽ dẫn đến làm tăng áp suất thẩm thấu và làm mất cân bằng trạng thái sinh lí nấm men. Kết quả là rượu nhiều sẽ ức chế không những các tạp khuẩn mà còn cả nấm men.
- Trong quá trình lên men, nấm men thông qua con đường trao đổi chất và năng lượng để chuyển hóa các đường phân tử lượng thấp thành ethanol và CO2. Vì vậy, số lượng tế bào nấm men phải đủ để quá trình lên men ethanol diễn ra triệt để và hiệu suất thu hồi ethanol cao.
- Ở 1% - 4%, nồng độ nấm men bổ sung quá ít trong khi đó lượng cơ chất lớn, tốc độ lên men phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ nấm men bổ sung có nghĩa là hiệu quả lên men tăng dần từ 1% - 4%, nhưng hiệu suất lên men không cao, lượng đường còn còn lại lại nhiều do thiếu tế bào nấm men sử dụng. Mặt khác, nấm men sẽ sử dụng nhiều đường cho quá trình sinh trưởng, phát triển làm tiêu tốn thời gian và nguyên liệu. Khi tăng nồng độ nấm men lên 5% nồng độ nấm men và nồng độ cơ chất tương ứng với nhau nên cho hiệu quả lên men là cao. Nếu tiếp tục tăng nồng độ nấm men lên 6% cao, nồng độ cơ chất không tăng thì tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ cơ chất, khi đó nồng độ cơ chất giảm, làm nồng độ ethanol giảm theo và gây lãng phí trong sản xuất.
Từ các số liệu và phân tích trên cho thấy lên men etanol dịch rong Nâu đạt hiệu cao khi bổ sung nấm men ở 5%.
3.3.2. Kết quả khảo sát pH môi trường dịch lên men thích hợp
Tiến hành bố trí thí nghiệm theo sơ đồ hình 2.12 mục 2.5.7. Thu được kết quả thể hiện ở hình 3.8 như sau:
Bảng 3.2. Sự thay đổi hàm lượng đường khử trước và sau lên men ở các pH môi trường khác nhau.
pH môi trường 4 4.5 5 5.5
Hàm lượng đường khử trước khi lên men (mg) 93.80 93.80 93.80 93.80 Hàm lượng đường khử sau khi lên men (mg) 15.77 10.90 6.43 11.90 Hàm lượng đường tiêu tốn cho lên men ethanol (mg) 78.03 82.90 87.37 81.90
Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH môi trường đến hiệu quả lên men ethanol.
Ghi chú: Các chữ cái khác nhau trên các cột phản ánh mức độ khác nhau có ý nghĩa (p< 0,05)
Nhận xét:
Kết quả thể hiện ở hình 3.8 cho thấy:
- pH khác nhau cho hiệu quả lên men khác nhau.
- Ở pH = 4, hiệu quả lên men là thấp nhất, hàm lượng đường còn lại trong dịch lên men nhiều và nhiều gần gấp 2 lần ở pH = 5.
- Ở pH = 4.5 và 5.5 hiệu quả lên men tuy cao hơn ở pH = 4 nhưng hàm lượng đường còn lại chưa được nấm men sử dụng vẫn còn nhiều. Qua xử lí số liệu bằng SPSS, cho thấy ở 2 pH này hiệu quả lên men ethanol không khác nhau về mặt thống kê ở mức ý nghĩa 0.05%.
- Hiệu quả lên men dịch rong Nâu đạt cao nhất ở pH = 5, Lượng đường khử trước khi đem lên men đạt 93.8 (mg), sau lên men ở pH = 5 còn còn lại lại 6.43 (mg). Hiệu suất lên men cao 93,14 % còn pH = 4 chỉ 83%.
Thảo luận:
Nồng độ H+ của dịch lên men có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nấm men. Chúng có khả năng làm thay đổi điện tích các chất của vỏ tế bào, làm tăng hoặc giảm mức độ thẩm thấu các chất dinh dưỡng cũng như chiều hướng của quá trình lên men. Mỗi vi sinh vật chỉ có thể hoạt động tốt trong trạng thái ion nhất định, trạng thái này phụ thuộc vào pH môi trường dịch lên men.
pH = 4, 4.5 thấp làm nấm men không hoạt động được, khi pH tăng cao lên pH = 5.5 tạo ra sản phẩm có độ chua thấp, dễ bị nhiêm tạp, tạo điều kiện cho vi sinh vật tạp, tạo điều kiện nấm men dại hoạt động, đồng thời sinh ra các sản phẩm không mong muốn như glycerin, hay các acid hữu cơ…Theo đó pH tối ưu cho quá trình lên men ethanol dịch rong Nâu là 5,0.
Từ các số liệu và phân tích trên cho thấy lên men etanol dịch rong Nâu đạt hiệu cao khi pH môi trường lên men bằng 5.0.
3.3.3. Kết quả khảo sát thời gian lên men tạo ethanol
Tiến hành bố trí thí nghiệm theo sơ đồ hình 2.13 mục 2.5.8. Thu được kết quả thể hiện ở hình 3.9 như sau:
Bảng 3.3. Sự thay đổi hàm lượng đường khử trước và sau lên men ở các thời gian lên men khác nhau.
Thời gian lên men 2 3 4 5 6
Hàm lượng đường khử trước khi lên
men (mg) 93.80 93.80 93.80 93.80 93.80 Hàm lượng đường khử sau khi lên men
(mg) 14.70 10.57 4.17 4.67 5.10 Hàm lượng đường tiêu tốn cho lên men
ethanol (mg) 79.10 83.23 89.63 89.13 88.70
Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của thời gian lên men đến hiệu quả lên men dịch rong Nâu.
Ghi chú: Các chữ cái khác nhau trên các cột phản ánh mức độ khác nhau có ý nghĩa (p< 0,05)
Nhận xét:
Kết quả thể hiện ở hình 3.8 cho thấy:
- Thời gian là một trong các yếu tố đến ảnh hưởng hiệu quả lên men. Thời gian khác nhau cho hiệu quả lên men khác nhau.
- Theo thời gian lên men hàm lượng đường còn lại trong dịch giảm dần. Nhưng kéo dài tới ngày thứ 4 thì lượng đường còn lại ít nhấtcó nghĩa là lượng đường chuyển hóa nhiều, hiệu quả lên men đạt cao nhất, ta thấy nếu kéo dài thời gian đến 5, 6 ngày thì hiệu quả lên men không tăng nữa.
- Thời gian 2, 3 ngày hàm lượng đường còn lại nhiều, hiệu quả lên men không cao.
- Qua xử lí số liệu theo SPSS, ở 3 mức thời gian 4 ngày, 5 ngày, 6 ngày lượng đường chuyển hóa không có sự khác nhau về mặt thống kê ở mức ý nghĩa 0.05%. Có nghĩa là, 3 mốc thời gian này hiệu quả lên men ethanol là như nhau.
Thảo luận:
Thời gian lên men phụ thuộc vào tỷ lệ nấm men bổ sung vào và pH dịch môi trường lên men. Nếu nồng độ nấm men lớn thì thời gian lên men sẽ kết thúc nhanh. Khoảng thời gian đầu 1, 2 ngày khi có mặt của oxy, nấm men sử dụng cơ chất để tăng sinh khối, sinh trưởng và phát triển, còn sự lên men chưa được mạnh mẽ. Bắt đầu ngày thứ 3 trở đi là thời gian lên men ethanol mạnh hơn, khi đó hàm lượng ethanol sinh ra càng tăng và hàm lượng đường giảm dần đến một mức thời gian nào đó hiệu suất lên men đạt cực đại quá trình lên men kết thúc. Nếu tiếp tục kéo dài thời gian lên men sẽ tổn thất hàm lượng ethanol tạo thành, các vi sinh vật lạ phát triển mạnh đặc biệt là vi khuẩn lactic làm chua dịch lên men, xuất hiện mùi lạ.
Từ các số liệu và phân tích trên cho thấy lên men etanol dịch rong Nâu đạt hiệu cao khi lên men trong thời gian 4 ngày.
3.4. Đề xuất quy trình sản xuất ethanol sinh học từ rong Nâu 3.4.1 Quy trình sản xuất ethanol sinh học từ rong Nâu 3.4.1 Quy trình sản xuất ethanol sinh học từ rong Nâu
Hình 3.10. Quy trình sản xuất ethanol sinh học từ rong Nâu
30 vòng/phút Nhiệt độ: 500C Áp suất <100 mbar t (phút) cô quay: 60 phút
Rong Nâu
Thủy phân bằng acid Bổ sung nước
Dịch thủy phân
Vô hoạt enzyme, Lọc
Thủy phân bằng enzyme Trung hòa
Lên men ethanol Trung hòa Thu nhận ethanol Chưng cất Xử lí và xay nhỏ Bã [H2 SO4] = 2% Nhiệt độ tp: 120 0C Thời gian tp: 120 phút [enzyme] = 6% pH = 4.5 Nhiệt độ: 55 0C Thời gian: 45h Nhiệt độ thường [Nấm men] = 5% pH = 5.0
3.4.2 Thuyết minh quy trình
Nguyên liệu rong Nâu
Rong Nâu khô sau khi được mua tại các chợ đầu mối ở Nha Trang vận chuyển vể nơi sản xuất và phơi khô lại, nếu không sử dụng ngay phải bảo quản rong Nâu trong điều kiện tốt nhất để tránh ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm sau này. Chất lượng nguyên liệu ban đầu là yếu tố ảnh hưởng lớn đến chất lượng ethanol sau này.
Xử lí và xay nhỏ
Xử lí nhằm mục đích loại những tạp chất khô không mong muốn trong nguyên liệu. Dùng tay để phân loại, loại những loài rong tạp, cát, sạn, san hô và tạp chất còn bán trên rong.
Cắt và xay nhỏ nhằm mục đích phá vỡ một phần cấu trúc của tế bào, tăng diện tích tiếp xúc giữa acid và cơ chất. Tạo điều kiện cho quá trình thủy phân diễn ra với hiệu suất cao nhất. Dùng kéo và máy xay khô để thực hiện.
Bổ sung nước
Nước là nhân tố không thể thiếu cho qúa trình thủy phân. Nước tạo môi trường thuận lợi để phản ứng thủy phân diễn ra nhanh chóng và đạt hiệu suất cao nhất. Nước dùng bổ sung vào để thủy phân là nước cất một lần.
Thủy phân cacbonhydrat bằng acid
Mục đích: Đây là quá trình chuyển các polysaccharide của rong Nâu thành các monosaccharide hòa tan.
Tiến hành: Cho dung dịch H2 SO4 đậm đặc với nồng độ 2% vào hỗn hợp nước và rong Nâu khô cắt nhỏ. Tiến hành thủy phân trong thiết bị hấp vô trùng (autoclave) ở nhiệt độ 120 0C và áp suất cao trong thời gian 120h.
Trung hòa
Mục đích: Công đoạn này nhằm mục đích trung hòa lượng acid đem đi thủy phân, để tạo môi trường thuận lợi cho enzyme viscozyme hoạt động sau này.
Tiến hành: Tiến hành cho vài giọt chỉ thị phennolphatalenin 1% trong cồn 900, sau đó dùng NaOH 20% và 1% chuẩn đến khi dịch thủy phân cacbonhydrat đổi màu, dùng giấy đo pH để kiểm tra pH dịch.
Thủy phân cacbonhydrat bằng enzyme viscozyme
Mục đích: Tăng hiệu quả thủy phân cacbonhydrat trong rong Nâu
Tiến hành: bổ sung ezyme viscozyme với nồng độ từ 6% so với nước bổ sung, đem đi thủy phân tiếp tục cacbonhydrat còn lại trong rong Nâu ở nhiệt 550C, trong thời gian từ 45h, pH môi trường 4,5.
Vô hoạt enzyme
Mục đích là đình chỉ hoạt đông của enzyme viscozyme bằng cách cho mẫu đã thủy phân vào nước đang đun sôi, giữ nhiệt cho nước sôi trong 10 phút.
Lọc
Lọc bỏ cặn rong Nâu đã thủy phân xong, tạo điều kiện thuận lợi cho việc xác định các chỉ tiêu hóa học và các công đoạn tiếp theo.
Dịch thủy phân cacbonhydrat trong rong Nâu
Sau khi thủy phân carbonhydat trong rong Nâu ta thu được dịch đường, dịch này đem đi lên men tạo ethanol sinh học.
Trung hòa dịch đường
Công đoạn này nhằm mục đích trung hòa lượng acid đem đi thủy phân, để tạo môi trường thuận lợi cho nấm men hoạt động sau này.
Tiến hành cho vài giọt chỉ thị phennolphatalenin 1% trong cồn 900, sau đó dùng NaOH 20% và 1% chuẩn đến khi dịch đường đổi màu, dùng giấy đo pH để kiểm tra pH dịch đường.
Lên men ethanol
Mục đích: của công đoạn này là chuyển hóa các loại đường đơn có trong dịch thủy phân rong Nâu thành ethanol sinh học.
Tiến hành: Điều chỉnh pH môi trường dịch lên men bằng dung dịch đệm CH3COOH/CH3COONa có pH = 5, bổ sung nấm men với tỷ lệ 5%, đem đi lên men ở nhiệt độ phòng với thời gian thời gian lên men là 4 ngày.
Chưng cất
Sau khi lên men ethanol kết thúc, tiến hành chưng cất để thu lượng ethanol tạo thành.
Sử dụng thiết bị Cô quay Chân không ở nhiệt độ 500C để chưng cất đuổi ethanol ra khỏi dịch lên men, thu nhận ethanol .
Thu nhận ethanol
Dịch ethanol thu được sau chưng cất được bảo quản trong các lọ thủy tinh có nắp đậy kín. Phải được cất chứa trong khu vực thông gió tốt, tránh xa ánh sáng mặt trời, các nguồn gây cháy và các nguồn nhiệt khác.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết quả
Qua thời gian nghiên cứu tại phòng thí nghiệm trường Đại học Nha Trang đến nay tôi đã hoàn thành đề tài và thu được các kết quả như sau:
- Xác định được hàm lượng cacbonhydrat trong rong Nâu Sargassum polycystum.
- Tìm được các thông số tối ưu cho quá trình thủy phân rong Nâu
Sargassum polycystum:
Nồng độ H2SO4: 2%
Nhiệt độ thủy phân bằng acid: 120 0C
Thời gian thủy phân bằng acid: 120 phút
Nồng độ enzyme: 6%
pH môi trường lên men bằng enzyme: 4.5
Nhiệt độ thủy phân bằng enzyme: 55 0C
Thời gian thủy phân bằng enzyme: 45h
- Tìm được các thông số tối ưu cho quá trình lên men thu nhận ethanol sinh học.
Nồng độ nấm men bổ sung vào: 5%
pH môi trường lên men: 5.0
Thời gian lên men: 4 ngày
2. Kiến nghị
- Nghiên cứu các thông số kỹ thuật trong giai đoạn chưng cất để thu được lượng ethanol lớn nhất.
- Nghiên cứu chế độ lên men dịch thủy phân cacbonhydrat trong rong nâu bằng các chủng nấm men và vi sinh vật khác.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt
1. Hoàng Minh Nam, (2009). “Nghiên cứu công nghệ sản xuất và thiết bị liên tục xử lý rơm xạ bằng hơi nước để lên men ethanol”. Báo cáo đề tài cấp Bộ, Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh.
2. Lê Như Hậu và công sự, (2000). Đề tài “Nghiên cứu và đề xuất giải pháp khai thác hợp lý và bền vững cho rong nguyên liệu sản xuất ethanol ở ven biển Nha Trang”.
3. Lê Như Hậu và cộng sự, (2010). “Tiềm năng rong biển làm nguyên liệu sản xuất ethanol nhiên liệu tại Việt Nam”. Báo cáo hội nghị Khoa học kỷ niệm 35 năm Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam – Hà Nội.
4. Lương Đức Phẩm, (2006). Nấm men công nghiệp, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
5. Trần Thị Luyến, Đỗ Minh Phụng, Nguyễn Anh Tuấn, Ngô Đăng Nghĩa, (2004). Chế biến rong biển, NXB Nông nghiệp TP. Hồ Chí Minh.
Tiếng Anh
6. Aisa Y et al (2005) Fucoidan induces apoptosis of human HS-sultan cells accompanied by activation of caspase-3 and down-regulationc o f ERK