3. Nội dung nghiên cứu của đề tài
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm
Đề tài tập trung nghiên cứu thực nghiệm đối với hai qua trình: Quá trình thủy phân và Quá trình thủy phần và lên men đồng thời. Quy trình thực nghiệm như sau:
1. Tiền xử lý nguyên liệu
Quy trình tiền xử lý nguyên liệu được thực hiện bằng phương pháp cơ học kết hợp với hóa học để thu được ngun liệu cho q trình tiếp theo
- 200g Rơm rạ được cắt nhỏ thành kích thước 2-3cm và đem đi xay bơng bằng máy xay sinh tố gia đình, thu được sản phẩm rơm rạ bơng xốp.
- Bã rơm rạ được rửa sạch và đưa vào máy nghiền, nghiền nhỏ đến kích thước khoảng 5mm.
- Nguyên liệu sau nghiền nhỏ tiếp tục được xử lý bằng 750ml dung dịch axit H2SO4 0,75% ở 115oC trong 1 giờ. Sau đó lọc và rửa sạch bã.
- Bã tiếp tục được xử lý bằng 750ml dung dịch kiềm NaOH 1,5% ở 115oC trong 1 giờ. Sau đó lọc và rửa sạch bã.
- Để nguội và lọc qua thiết bị lọc để tách phần bã đã được tiền xử lý. Xác định hàm ẩm của nguyên liệu và tiến hành các nghiên cứu tiếp theo.
Sơ đồ mơ tả quy trình thực hiện như sau:
Hình 16: Trình tự tiến hành tiền xử lý rơm rạ
2. Quy trình thủy phân bằng enzyme:
Mơ tả thí nghiệm: Q trình thủy phân cellulose bằng enzyme tiến hành như sau:
- 10g Rơm rạ đã qua tiền xử lý vào bình nón 250ml.
- Bổ sung 75ml dung dịch đệm Natri Acetate 0,1M, (pH thay đổi theo thực nghiệm).
- Bổ sung enzyme Celulase LFG (tỷ lệ % enzyme thay đổi theo thực nghiệm). - Đưa bộ thí nghiệm vào máy lắc điều nhiệt (nhiệt độ thay đổi theo thực
nghiệm) thực hiện lấy mẫu trong trong thời gian 72 giờ. - Lấy mẫu và kiểm tra lượng đường khử tạo thành.
Rơm rạ ban đầu
Xử lý bã rơm rạ bằng dụng dịch axit loãng ở 115oC trong 1 giờ. Lọc và rửa sạch Xử lý bã rơm rạ bằng dụng dịch kiềm ở
115oC trong 1 giờ. Lọc và rửa sạch Bã rơm rạ đã xử lý
Rửa sạch, cắt nhỏ 2-3cm, xay bông. Cắt và nghiền nhỏ và ray ở kích thước 5mm.
Sơ đồ mơ tả quy trình thực hiện như sau:
Hình 17: Sơ đồ quá trình thủy phân Rơm rạ bằng enzyme [11]
Khảo sát các điều kiện tối ưu:
Nghiên cứu này tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố gồm % bã rắn (khô), % enzyme, nhiệt độ, pH, thời gian lên quá trình thủy phân.
Ảnh hưởng của % bã rắn: khảo sát theo tỉ lệ khối lượng bã rắn/ thể tích dung
dịch thay đổi từ 5% đến 15%.
Ảnh hưởng của % enzyme: khảo sát theo tỉ lệ thể tích enzyme / thể tích dung
dịch. Các giá trị khảo sát gồm 1%, 3%, 5%, 7%, 9%.
Ảnh hưởng pH: khảo sát theo pH của dung dịch: Các giá trị pH khảo sát gồm
3; 4; 4,2; 4,4; 4,6; 4,8; 5; 6.
Ảnh hưởng của nhiệt độ: khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên phản ứng thủy
phân enzyme. Các nhiệt độ khảo sát gồm nhiệt độ phòng, 37oC, 40oC, 50 oC, 55 oC, 60oC.
Khảo quá trình thủy phân theo thời gian: mẫu được lấy tại các thời điểm 0
giờ; 1 giờ; 15,75 giờ; 19 giờ; 23 giờ; 24 giờ; 26,5 giờ; 48 giờ và 72 giờ. Rơm rạ đã xử lý
Bổ sung enzyme Celulase LFG (5%) so với cơ chất
Thủy phân ở nhiệt độ 50o
C trong thời gian 72h
Kiểm tra lượng đường khử tạo thành
Bổ sung vào cơ chất 75ml dung dịch đệm Natriacetate 0,1M, pH=5
Hình 19: Bộ dụng cụ thủy phân và lên men đồng thời phân và lên men đồng thời
3. Quy trình thủy phân và lên men đồng thời
Hình 18: Quy trình thủy phân và lên men đồng thời [11]
Mơ tả thí nghiệm:
Q trình thủy phân và lên men đồng thời nguyên liệu cellulose tiến hành như sau:
- 10g Rơm rạ đã qua tiền xử lý vào bình nón 250ml.
- Bổ sung 75ml dung dịch đệm Natri Acetate 0,1M, (pH được thay đổi theo thực nghiệm).
- Bổ sung enzyme Cellulase LFG và nấm men Turbo yeast extra được sử dụng
đồng thời (tỷ lệ % enzyme và mật độ nấm men được thay đổi theo thực nghiệm). Bổ sung enzyme Celulase LFG (5%) Lọc dịch và chưng cất cồn Cồn (Ethanol)
12%-15% cơ chất khô, lên men đồng thời ở 35-39o
C/pH 5/5 ngày Rơm rạ đã được tiền xử lý
Chỉnh pH 5, bổ sung dung dịch lên men
Nấm men 10% Dinh dưỡng và khoáng chất
- Bộ dụng cụ được lắp như hình 19. Bộ dụng cụ này chỉ cho phép CO2 thoát ra khỏi dung dịch chứ khơng cho khí từ mơi trường ngồi lọt vào.
- Đưa bộ thí nghiệm vào máy lắc điều nhiệt, thực hiện lấy mẫu trong trong thời gian 72 giờ.
- Lấy mẫu và kiểm tra lượng đường khử tạo thành.
Khảo sát các điều kiện tối ưu:
Nghiên cứu tiến hành khảo sát ảnh hưởng của: mật độ nấm men trong dung dịch, % enzyme, quá trình theo thời gian.
Các yếu tố khác được giữ cố định, nhiệt độ: 37oC, pH: 4,8, % bã rắn 11%. % enzyme: khảo sát các tỷ lệ enzyme 3%, 5%, 7%, 9%.
Mật độ nấm men trong dung dịch: tiến hành khảo sát theo các giá trị :11,8
triệu tế bào/ml; 23,6 triệu tế bào/ml; 35,4 triệu tế bào/ml; 47,2 triệu tế bào/ml.
Khảo sát quá trình thủy phân và lên men đồng thời theo thời gian. Mẫu được
lấy tại 2 giờ; 21 giờ; 24 giờ; 26 giờ; 51 giờ; 71 giờ.
4. Điều kiện thực nghiệm
Quá trình tiến hành thực nghiệm nghiên cứu khả năng chuyển đổi cellulose từ phụ phẩm nông nghiệp thành ethanol được tiến hành tại Phịng thí nghiệm Tổng hợp – Viện Nước, Tưới tiêu và Môi trường.
Các điều kiện cơ sở vật chất, trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm là các trang thiết bị sẵn có tại phịng.
+ Rơm rạ:
- Rơm rạ lấy từ khu vực trồng lúa tại khu vực ngoại thành Hà Nội và được rửa sạch, phơi khô, bảo quản trong điều kiện khơ, ráo ở nhiệt độ phịng.
+ Enzyme và Nấm men.
- Enzyme sử dụng trong qua trình thực nghiệm là Cellulase LFG, có dạng lỏng mầu nâu đỏ được lấy từ Phịng thí nghiệm vi sinh – Viện Môi trường Nông nghiệp – Bộ Nơng nghiệp và Phát triển Nơng thơn.
Hình 20: Hệ thống phân tích HPCL
- Giống nấm men được sử dụng là Saccharomyces cerevisiae với chủng Turbo
yeast extra được mua tại Công ty Cổ phần Phát triển Công nghệ Thực phẩm
Nam An – Số 30, ngõ 181, Trường Chinh – Hà Nội.
+ Hóa chất.
- Các hóa chất dùng trong q trình nghiên cứu trong phịng thí nghiệm thuộc loại tinh khiết ở mức độ phân tích là các hóa chất chuyên dùng, các hóa chất này có nguồn gốc từ các hãng cung cấp của nhiều nước trên thế giới.
+ Trang thiết bị thực nghiệm:
Các thiết bị dùng cho nghiên cứu thuộc Phịng Thí nghiệm tổng hợp – Viện Nước, Tưới tiêu và Môi trường bao gồm:
- Máy lắc ổn nhiệt Thermoconfort. - Tủ ấm, tủ sấy (Anh).
- Máy đo pH
- Cân điện Shimadzu (Nhật Bản). - Nồi khử trùng.
- Máy ảnh Canon IXUS 75 (Nhật). - Máy sắc ký lỏng HPLC Shimadzu - Và các trang thiết bị, dụng cụ thí
nghiệm khác.