Thời gian nuôi cấy (giờ)
3.7.2. Khảo sát và lựa chọn loại nguyên liệu đầu vào là chế phẩm phân hủy lignocellulose từ rơm rạ cho sự tạo thành hydro
lignocellulose từ rơm rạ cho sự tạo thành hydro
3.7.2.1. Nghiên cứu điều kiện thích hợp cho tiền xử lý rơm rạ
Tiền xử lý bằng dung di ̣ch amoniac10%
Xử lý bằng a moniac 10% chỉ phản ứng với lignin, cellulose và phá vỡ mối liên kết carbohydrate- lignin mà không làm giảm đường được sử dụng cho quá trình lên men H2 Trong nghiên cứu này điều kiê ̣n nhiê ̣t đô ̣, thời gian và nồng độ amoniac
đã được thử nghiệm để xác định một điều kiện hiệu quả nhất và loại bỏ có chọn lọc các lignin.
Bảng 3.11. Kết quả tiền xử lý rơm rạ bằng NH3 10% trong thời gian 30 phút
Nhiệt độ xƣ̉ lý (0C) Tỷ lệ % Lignin loại bỏ Hàm lƣợng Glucose đƣơ ̣c xƣ̉ lý 30 3,12 38,07 80 6,28 39,25 100 7,92 41,32 121 51,35 55,79
Bảng 3.11 cho thấy dung dịch nước amoniac gần như khơng có phản ứng với rơm rạ ở 30oC/30 phút vì rất ít hàm lượng lignin bị loại. Ở nhiệt độ trung bình từ 80oC đến 100oC/30 phút loại bỏ 3,0 - 7,0% lignin. Ở nhiệt đô ̣ 121oC loại bỏ đươ ̣c tỷ lê ̣ lignin cao nhất là 55,79%.
Bảng 3.12. Kết quả tiền xử lý rơm rạ bằng NH3 10% ở 121oC
Thời gian xƣ̉ lý (phút) Tỷ lệ % Lignin loại bỏ Hàm lƣợng Glucose đƣơ ̣c xƣ̉ lý(%) 10 17,02 50,74 20 37,17 51,28 30 45,65 52,76 40 46,49 54,69 50 52,08 56,74 60 65,21 57,07
Tăng thời gian tiền xử lý bằng dung di ̣ch ammoniac 10% từ 10 phút đến 60 phút ở 121oC đã thu được kết quả trong 60 phút loại bỏ được 65,21 % lignin. Hàm lươ ̣ng glucose xử lý là 57,07 %. Kết quả trên chỉ ra rằng tiền xử lý bằng dung dịch nước amoniac 10% có hiệu quả nhất ở 121oC trong 60 phút.
Tiền xử lý bằng dung di ̣ch axít sulfuric 1%
Hemicellulose trong sinh khối lignocellulose có thể có đươ ̣c hịa tan bởi axit sulfuric loãng. Ở nhiệt độ cố định 121oC trong 30 phút và tỷ lệ rắn và chất lỏng, 1:10 (w / v) tiền xử lý với acid sulfuric 1,0% và 1,5% đã gần như giống nhau phân giải được 58- 60 % xylose.
Bảng 3.13. Kết quả tiền xử lý rơm rạ bằng axít sulfuric 1% ở 121oC
Thời gian xƣ̉ lý (phút) Hàm lƣợng Xylose đƣơ ̣c xƣ̉ lý(%) 10 39,78 20 42,56 30 53,76 40 59,08 50 65,97 60 51,08
Qua Bảng 3.13 cho thấy nếu tiền xử lý với axit sulfuric 1% ở nhiệt độ 121oC trong thời gian 50 phút thì sẽ cho hiê ̣u quả cao nhất và xử lý được 65,97% xylose. Kết quả này tương tự như báo cáo của Kim và cộng sự [12] cho rằng 60 - 80% hemicellulose dễ dàng thủy phân khi tiền xử lý với H2SO4 1.0% ở 121o C trong 50 phút.
3.7.2.2. Thành phần của rơm rạ sau tiền xử lý
Theo phương pháp 2.3.4, có được kết quả phân tích thành phần của rơm rạ như sau: 41% cellulose; 17.8% lignin; và một số chất khác Những nghiên cứu này tương tự với những nghiên cứu trước đó của Nguyễn Tâm Anh và cộng sự trên rơm ra ̣ Hà n Quốc 2009: Thành phần Rơm rạ chứa 41,4% cellulose; 9,6 % hemicellulose và 22,8% lignin.
Phương pháp tiền xử lý kết hợp giữa NH3 và H2SO4 cho thấy một vài ưu điểm. Trước hết, tạo ra được dung dịch thủy phân bao gồm những loại đường có sẵn dễ lên men, đặc biệt là pentose. Thứ hai, cellulose trong dung dịch thủy phân có thể sở hữu khả năng tiếp cận với enzyme thủy phân do tác động tương tác của NH3 và H2SO4. Hệ thống cellulase có thể hoạt động hiệu quả trên nền cơ chất và cung cấp nguồn glucose dồi dào cho sự phát triển của vi khuẩn. Thành phần chính của dung dịch thủy phân được trình bày trong Bảng 3.14.
Bảng 3.14.Thành phần của dung dịch thủy phân sau khi xử lý rơm rạ với
NH3 và H2SO4 Thành phần Phần rắn (%) Phần dung dịch (%) Glucose 60.16 ± 0.34 3.19± 0.01 Xylose 2.84 ±0.03 15.46 ± 0.09 Lignin 4.99 ± 0.03 Khơng có
3.7.2.3. Sản lượng hydro sử dụng cơ chất rơm rạ đã qua xử lý
Để xác định ảnh hưởng của cơ chất rơm rạ đến sản lượng hydro, chủng nghiên cứu được nuôi cấy trong thời gian từ 24 giờ đến 120 giờ sử dụng cơ chất rơm rạ thô và rơm rạ đã qua tiền xử lý với nồng độ 5g/L. Kết quả được thể hiện trong hình 3.12
Hình 3.12. Ảnh hưởng của cơ chất rơm rạ thô và cơ chất rơm rạ đã qua xử lý đối
với sự tạo thành hydro của chủng nghiên cứu
Bảng 3.15 dưới đây thể hiện kết quả các tham số khi sử dụng rơm rạ chưa qua tiền xử lý và rơm rạ đã qua tiền xử lý làm cơ chất tại thời điểm nuôi cấy 120 giờ.
Bảng 3.15. Sản lượng hydro sử dụng rơm ra thô và rơm rạ đã qua xử lý làm cơ chất
Các tham số Rơm rạ thô Rơm rạ qua tiền xử lý
Sản lƣợng hydro
(mmol/L)
3.26 ± 0.05 11.52 ± 0.13
Hiệu suất tạo hydro (mmol/g cơ chất)
2.27 ± 0.01 2.70 ± 0.01
Chuyển đổi glucose (%) 37.49 ± 0.19 72.95 ± 0.35
Chuyển đổi xylose (%) 48.61 ± 0.25 95.74 ± 0.48
Mức tiêu thụ cơ chất (%)
28.65 ± 0.16 85.42 ± 0.41
Dựa vào những kết quả trên cho thấy: tiền xử lý rơm rạ giúp làm tăng sản lượng hydro một cách đáng kể so với khi không qua tiền xử lý. Sản lượng hydro đạt mức cao nhất11.52 mmol/L, cao hơn gần 4 lần so với khi sử dụng rơm rạ thô làm cơ chất (3.28 mmol/L), với 85.4% cơ chất được tiêu thụ, mức độ chuyển hóa đường là 95.7% đối với xylose và 73% với glucose. Phương pháp tiền xử lý rơm rạ với NH3 và H2SO4 dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao trong nồi hấp, nước nóng cũng như
0 2 4 6 8 10 12 14 24 48 72 96 120 144 rơm rạ thô rơm rạ qua tiền xử lý
Thời gian nuôi cấy (giờ)
S
ản lư
ợng hydr
o (mmol
NH3 hay H2SO4 có thể xâm nhập vào các cấu trúc tế bào của rơm rạ, do đó do tác động của NH3 giúp loại bỏ lignin và sự pha lỗng của H2SO4 nâng cao hiệu quả của q trình phân giải cellulose/hemicellulose. Trong các khía cạnh kĩ thuật, tiền xử lý hiệu quả được coi là phương pháp bảo quản các phân đoạn của pentose và hexose, hạn chế sự hình thành các sản phẩm thối hóa gây ức chế sự sinh trưởng của vi sinh vật và tránh được nhu cầu làm giảm kích thước của các hạt sinh khối. Trong phương pháp này, nhiệt độ và thời gian xử lý không quá cao và không quá dài để tránh sự phân hủy của đường.
3.8. Nghiên cứu quá trình sản xuất hydro bằng phƣơng pháp lên men theo mẻ có bổ sung (fed-batch culture) sử dụng nồi lên men 5 L