3.2.1. Kết quả xác định nồng độ enzyme thủy phân thích hợp
Tiến hành bố trí thí nghiệm theo sơ đồ hình 2.6 mục 2.5.1. Thu được kết quả thể hiện ở hình 3.1 như sau:
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ enzyme đến hàm lượng đường khử tạo thành.
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 3.1 cho thấy:
- Khi nồng độ enzyme càng tăng hiệu quả thủy phân càng cao có nghĩa là lượng đường khử tạo thành càng nhiều và đạt cực đại tại nồng độ enzyme 6% (67,63 mg). Nhưng nếu tăng nồng độ enzyme lên 7% thì lượng đường khử
tạo thành không tăng nữa và qua xử lí SPSS cho thấy rõ nồng độ enzyme tại 6% và 7% không có sự khác nhau về mặt thống kê ở mức ý nghĩa 0.05%.
- Hàm lượng đường khử tăng rất chậm từ nồng độ 0% - 3%, theo kết quả xử lí SPSS cho thấy, hàm lượng đường khử tạo ra ở 0%, 1%, 2% không có sự khác nhau về mặt thống kê ở mức ý nghĩa 0.05%.
- Hàm lượng đường khử tạo thành tăng mạnh từ nồng độ enzyme 3% - 6%, cụ thể hàm lượng đường khử tạo thành ở 6% (67,63mg) gấp 25.52 lần so với nồng độ enzyme 2% (5,3mg), gấp gần 10 lần so với nồng độ enzyme 3% và gần 5 tại 4% (13,97mg).
Thảo luận:
- Enzyme viscozyme xúc tác cho các phản ứng thủy phân cacbonhydrat trong rong Nâu làm các liên kết trong các hợp phần cao phân tử như xenluloza, Laminaran, Manitol…bị phân cắt, sau đó sản phẩm thủy phân được tách ra khỏi cơ chất và khuếch tán vào trong dung dịch, dẫn đến tăng độ hòa tan của các phân tử trong nước.
- Khi nồng độ enzyme thấp 0 – 4%, lượng cơ chất lớn, vận tốc thủy phân phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ enzyme. Khi nồng độ enzyme tăng, tốc độ phản ứng thủy phân tăng đến một giá trị giới hạn v = vmax thì nếu tiếp tục tăng nồng độ enzyme, tốc độ phản ứng thủy phân bởi enzyme tăng không đáng kể, thậm chí không tăng.
- Khi nồng độ cơ chất thấp, nhiều phân tử enzyme có trung tâm hoạt động tự do và sự cung cấp hạn chế cơ chất sẽ xác định tốc độ phản ứng. Ngược lại nồng độ cơ chất cao, hầu hết các trung tâm hoạt động bị chiếm lĩnh do đó lúc này số lượng phân tử enzyme lại là yếu tố quyết định phản ứng.
- Phản ứng thủy phân rong Nâu hiệu quả cao, triệt để và tốn ít chi phí khi nồng độ cơ chất có trong rong Nâu và nồng độ enzyme viscozyme bổ sung bên ngoài vào phải tương ứng với nhau.
Từ các số liệu và phân tích trên cho thấy thủy phân cacbonhydrat trong rong Nâu bằng enzyme viscozyme đạt hiệu cao ở nồng độ enzyme 6%.
3.2.2. Kết quả xác định pH môi trường thủy phân thích hợp
Tiến hành bố trí thí nghiệm theo sơ đồ hình 2.7 mục 2.5.2. Thu được kết quả thể hiện ở hình 3.3 như sau:
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH môi trường đến hàm lượng đường khử tạo thành.
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 3.2 cho thấy:
- pH môi trường khác nhau cho hiệu quả thủy phân rong Nâu khác nhau - Ở pH = 4.0, 5.5, 6.0 không có sự khác nhau về mặt thống kê ở mức ý nghĩa 0.05% có nghĩa là ở 3 mức pH này enzyme viscozyme hoạt động như
nhau và hiệu quả thủy phân rong Nâu ( tạo đường khử) không đạt hiệu quả cao, hàm lượng đường khử tạo thành từ 39,97 – 43,2 mg.
- pH môi trường thủy phân dịch rong Nâu = 5.0 hiệu quả thủy phân tốt hơn ở 3 mức pH = 4.0, 5.5, 6.0, hàm lượng đường khử tạo thành là 52,87 (mg) gấp hơn 1,3 lần ở pH = 4.0 (39,97mg). Nhưng hàm lượng đường khử tạo ra đạt cực đại ở pH = 4.5 tới 59.8 (mg).
Thảo luận:
pH môi trường là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme trong quá trình thủy phân, mỗi enzyme có một khoảng hoạt động tối thích riêng. Ở enzyme viscozyme đề tài sử dụng có khoảng pH hoạt động tối thích từ 3.7 – 6.3, nhưng tùy vào mỗi điều kiện môi trường hoạt động khác nhau mà giá trị pH tối thích của enzyme trong điều kiện đó có sự thay đổi để enzyme hoạt động tối thích nhất.
Từ các số liệu và phân tích trên cho thấy thủy phân cacbonhydrat trong rong Nâu bằng enzyme viscozyme đạt hiệu cao ở pH = 4.5.
3.2.3. Kết quả xác định nhiệt độ thủy phân thích hợp
Tiến hành bố trí thí nghiệm theo sơ đồ hình 2.8 mục 2.5.3. Thu được kết quả thể hiện ở hình 3.4 như sau:
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân đến sự tạo thành đường khử.
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 3.3 cho thấy:
- Ở các nhiệt độ khác nhau sự tạo thành đường khử khác nhau có nghĩa là hiệu quả thủy phân khác nhau.
- Nhiệt độ càng tăng hiệu quả thủy phân càng cao và đạt cực đại ở 550C (74,47mg), nếu tiếp tục tăng nhiệt độ đến 60 0C (72,73mg) thì hiệu quả thủy phân có xu hướng giảm với tốc độ không đáng kể.
- Qua xử lí số liệu bằng SPSS tại nhiệt độ 55 0C và 600C cho hiệu quả thủy phân là như nhau, không có sự khác nhau về mặt thống kê ở mức ý nghĩa 0.05%. Ở nhiệt độ 550C, ta thấy hiệu quả thủy phân là cao nhất và tốn ít chi phí nhất.
Thảo luận:
Bản chất của enzyme là protein nên khi tăng hay giảm nhiệt độ thường có thể ảnh hưởng tới hoạt tính của enzyme, enzyme thể hiện hoạt tính cao nhất ở một giới hạn nhiệt độ thích hợp nhất định. Thông thường đối với đa số enzyme thì nhiệt độ thích hợp nằm trong khoảng từ 40 – 50oC, ở nhiệt độ lớn hơn 70oC đa số enzyme bị mất hoạt tính. Do vậy, nhiệt độ 70oC gọi là nhiệt độ tới hạn của enzyme. Khi nhiệt độ thấp hơn 70oC, trong phạm vi thích hợp nếu nhiệt độ tăng 10oC thì tốc độ thủy phân tăng 1,2 – 2 lần.
Trong phạm vi lý học, tốc độ của phản ứng tăng lên cùng với sự tăng của nhiệt độ. Nhưng khi vượt quá phạm vi nào đó, các phản ứng được enzyme xúc tác bị ảnh hưởng do sự biến tính của phân tử protein-enzyme. Kết quả này phụ thuộc vào nhiệt độ tối thích của enzyme, là nhiệt độ mà tại đó tốc độ phản ứng enzyme đạt cực đại. Mỗi enzyme có nhiệt độ tối thích khác nhau. Sự khác nhau này tùy thuộc vào nguồn gốc của các enzyme, tùy theo từng điều kiện từng sự khác nhau về tính nhạy cảm với nhiệt độ của phân tử protein-enzyme.
Ngoài ra, rong Nâu phơi khô nên hàm lượng chất khô sẽ tăng, khi cắt và xay nhỏ, một phần cấu trúc tế bào của rong bị phá vỡ. Đây là điều kiện để enzyme tiếp xúc với cơ chất dễ dàng, đồng thời nhiệt độ cao các tế bào rong Nâu dãn nở tối đa nên tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thủy phân.
Từ các số liệu và phân tích trên cho thấy thủy phân cacbonhydrat trong rong Nâu bằng enzyme viscozyme đạt hiệu cao nhiệt độ 55 0C.
3.2.4. Kết quả xác định thời gian thủy phân thích hợp
Tiến hành bố trí thí nghiệm theo sơ đồ hình 2.9 mục 2.5.4. Thu được kết quả thể hiện ở hình 3.5 như sau:
Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến sự tạo thành đường khử.
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 3.4 cho thấy:
- Thời gian thủy phân cũng là một trong những yếu tố quyết định đến hiệu quả thủy phân.
- Thời gian càng dài thì hiệu quả thủy phân tăng và đạt cực đại ở 45h, nhưng nếu tiếp tục tăng đến 50h, 55h sẽ không thu lại hiệu quả thủy phân, ngược lại hàm lượng đường còn giảm đi như 45h tạo 71.07 mg đường khử nhưng kéo dài 50h lượng đường khử giảm còn 67.53mg. Lượng đường khử tạo thành ở 45h (71.07mg) tăng gấp gần 1,3 lần so với lượng đường khử tạo thành ở 40h (50,30 mg).
- Qua xử lí kết quả bằng SPSS cho thấy, ở 3 mốc thời gian 45h, 50h, 55h hàm lượng đường khử tạo thành không có sự khác nhau về mặt thống kê ở mức ý nghĩa 0.05%. Để tiết kiệm chi phí và thời gian ta thấy thời gian thủy phân rong Nâu 45h cho hiệu quả thủy phân cao nhất tức lượng đường khử tạo thành là lớn nhất.
Thảo luận:
Thời gian thủy phân kéo dài hay rút ngắn đều ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình do enzyme tác động và chất lượng sản phẩm thủy phân thu được. Thời gian kéo dài thì enzyme có điều kiện để cắt mạch triệt để, tăng khả năng tiếp xúc giữa enzyme và cơ chất, dẫn đến sự biến đổi sâu sắc của cơ chất. Nhưng nếu kéo dài thời gian thủy phân quá mức thì các vi sinh vật lạ phát triển, hoạt động sinh ra nhiều sản phẩm thứ cấp, đồng thời khi thời gian kéo dài hiệu quả kinh tế giảm, chỉ áp dụng thí nghiệm, trong sản xuất không áp dụng.
Thời gian thủy phân rút ngắn, sự phân cắt cellulose trong rong Nâu chưa triệt để. Hiệu suất thủy phân kém và gây lãng phí nguyên liệu và khó khăn cho công đoạn sau.
Từ các số liệu và phân tích trên cho thấy thủy phân cacbonhydrat trong rong Nâu bằng enzyme viscozyme đạt hiệu cao khi thủy phân trong 45h.
3.2.5. Kết quả xác định nồng độ viscozyme thủy phân cacbonhydrat trong rong Nâu khi kết hợp thủy phân acid và enzyme
Qua khảo sát thí nghiệm cho thấy, acid H2SO4 có khả năng thủy phân cacbonhydrat trong rong Nâu ở điều kiện thích hợp là:
Nồng độ acid H2SO4: 2%
Nhiệt độ thủy phân: 120 0C
Thời gian thủy phân: 120 (phút)
Vì vậy, tôi tiến hành cố định các thông số trên để thủy phân cacbonhydrat trong rong Nâu bằng acid H2SO4 trước. Sau đó trung hòa lượng
acid còn lại trong mẫu thủy phân, bổ sung viscozyme với nồng độ lần lượt là 0.1%, 0.5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%. Tiếp tục đem đi thủy phân cacbonhydrat còn lại trong rong Nâu ở những điều kiện thích hợp cho quá trình thủy phân cacbonhydrat bằng viscozyme đã nghiên cứu ở trên là:
Nhiệt độ thủy phân: 55 0C
Thời gian thủy phân: 45h
pH môi trường thủy phân: 4.5
Tiến hành bố trí thí nghiệm theo sơ đồ hình 2.10 mục 2.5.5. Thu được kết quả thể hiện ở hình 3.6 như sau:
Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng nồng độ enzyme viscozyme kết hợp aicd đến sự tạo thành đường khử.
Ghi chú: Các chữ cái khác nhau trên các cột phản ánh mức độ khác nhau có ý nghĩa (p< 0,05)
Nhận xét:
- Ta thấy khi thủy phân có kết hợp với acid và enzyme, hiệu quả thủy phân cacbonhydrat trong rong Nâu tăng gần 1,5 lần so với chỉ thủy phân bằng enzyme viscozyme.
- Nồng độ enzyme viscozyme càng tăng, hiệu quả thủy phân càng cao, nhưng tăng đến nồng độ bằng 7% thì hiệu quả thủy phân không tăng nữa, thậm chí giảm.
- Ở các nồng độ 0.5%, 1%, 2%, 3%, 4% hiệu quả lên men tăng lên không đáng kể. Qua xử lí số liệu ta thấy ở các nồng độ này hiệu quả thủy phân không có sự khác nhau về mặt thông kê ở mức ý nghĩa 0.05%.
- Từ nồng độ 5% - 7% hiệu quả lên men tăng lên nhanh và đạt cực đại ở nồng độ 6% hàm lượng đường khử tạo thành tăng gấp gần 1,5 lần so với nồng độ 4%.
- Ở nồng độ 6% và 7% hiệu quả thủy phân không có sự khác nhau về mặt thống kê ở mức ý nghĩa 0.05%. Để tiết kiệm chi phí sản xuất, nồng độ enzyme viscozyme bổ sung vào thủy phân kết hợp 6% cho hiệu quả thủy phân là tối ưu nhất.
Thảo luận:
- Ban đầu khi ta thủy phân cacbonhydrat bằng acid trước, dưới tác dụng của chất xúc tác là acid và nhiệt độ cao các liên kết nhị dương trong cơ chất bị phân cắt, sản phẩm thủy phân được tách ra khỏi cơ chất và khuếch tán vào trong dung dịch. Đồng thời, rong Nâu sau khi làm khô được xay nhỏ đã phá vỡ một phần cấu trúc tế bào nên acid dễ dàng ngấm sâu và tăng cường tiếp xúc với cơ chất. Ngoài ra dưới tác dụng của nhiệt độ cao và xúc tác acid, manitol trong tế bào khuếch tán ra ngoài. Dịch sau thủy phân triệt để bằng aicd có hàm lượng đường gần 44(mg) đường khử. Tiếp tục đem đi thủy phân bằng enzyme, enzyme xúc tác cho phản ứng thủy phân phá hủy tế bào cắt các liên kết cellulose, Laminaran, fuccodin,… còn còn lại lại trong mẫu thủy phân
cacbonhydrat trong rong Nâu tạo ra các sản phẩm đường có phân tử thấp như cellobiose và cuối cùng là glucose.
- Khi nồng độ enzyme thấp từ 0,1-5%, lượng cơ chất lớn, vận tốc thủy phân phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ enzyme. Khi nồng độ enzyme tăng lên 6%, tốc độ phản ứng thủy phân tăng đến một giá trị giới hạn v = vmax thì nếu tiếp tục tăng nồng độ enzyme từ 7% trở lên, tốc độ phản ứng thủy phân bởi enzyme tăng không đáng kể, thậm chí không tăng.
Từ các số liệu và phân tích trên cho thấy thủy phân cacbonhydrat trong rong Nâu bằng phương pháp kết hợp acid và enzyme viscozyme đạt hiệu cao ở nồng độ enzyme viscozyme 6%.
3.3. Kết quả các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men tạo ethanol sinh học 3.3.1. Kết quả khảo sát tỷ lệ nấm men bổ sung vào dịch lên men 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