CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1. Chủng giống
3.7. Bước đầu thăm dò, nghiên cứu sự tạo thành hydro từ nguồn rác thải nông nghiệp và nguồn phụ phẩm của quá trình sản xuất bio-diezel nhờ sự lên men kị
3.7.1. Khảo sát và lựa chọn loại nguyên liệu đầu vào-phụ phẩm của quá trình sản xuất bio-diezel cho sự tạo thành hydro
3.7.1.1.Nghiên cứu sự phát triển và sinh hydro của Thermotoga neapolitana sử dụng glycerol tinh khiết và phụ phẩm glycerol
Hình 3.9. Sự phát triển và tạo thành hydro của nuôi cấy với môi trường có cơ chất là glycerol tinh khiết
Thời gian nuôi cấy (giờ) H2, glycerol (mmol/L môi trường)
55
Hình 3.10. Sản phẩm acid hữu cơ được tạo thành bởi sử dụng glycerol tinh khiết
Hình 3.11. Sự phát triển và tạo thành hydro của sử dụng glycerol thô chưa qua tiền xử lý làm cơ chất
Các thí nghiệm sơ bộ cho thấy có thể phát triển sử dụng glycerol. Hình 3.9 và hình 3.11 thể hiện mức độ phát triển và tạo thành hydro, mức độ tiêu thu cơ chất của Thermotoga neapolitana, trong 5.0 g/L glycerol tinh khiết và phụ phẩm glycerol. Ở Hình 3.9, sau 6h nuôi cấy, lượng hydro tăng nhanh chóng. Sau 24h nuôi cấy, pH giảm nhanh xuống dưới mức tối ưu (6.8-7.5). Tốc độ tạo hydro cũng giảm
Thời gian nuôi cấy (giờ) Lượng acd acetic và acid lactic (mmol/L) H2, glycerol (mmol/)mômômômôttrttưe adádstrtrưtrườngtrường)
Thời gian nuôi cấy (giờ)
56
dần. Hiện tượng này cũng tương tự so với việc sử dụng glucose làm cơ chất. Phụ phẩm glycerol được sử dụng là dung dịch glycerol thô bao gồm 0.5-1% (w/v) glycerol được sử dụng trực tiếp để chuẩn bị môi trường nuôi cấy.
Như được thể hiện ở hình 3.11, tốc độ phát triển và tạo thành hydro tương tự trường hợp sử dụng glycerol tinh khiết. Sinh khối thu được từ chủng vi khuẩn này sử dụng phụ phẩm glycerol (970 ± 49 mg DCW/L) cao hơn so với việc sử dụng glycerol tinh khiết (710 ± 35 mg DCW/L). Tuy nhiên, glycerol không được tiêu thụ hoàn toàn sau 49h nuôi cấy. Trong nghiên cứu này, các sản phẩm phụ như acid hữu cơ (acid acetic và acid lactic) cũng được tạo ra. Hình 3.10 thể hiện sản phẩm acid acetic và acid lactic được tạo ra đồng thời với hydro (4-8h nuôi cấy), mức độ của chúng tăng nhanh chóng sau 8 đến 30h nuôi cấy. Một điều đáng lưu ý là acid acetic được tạo ra nhiều hơn so với acidlactic. pH giảm từ mức tối ưu là 7.5 xuống còn 6.2, điều này làm ức chế sự phát triển và sản xuất hydro của vi khuẩn. Hiệu suất hydro được tạo ra sau 49h đối với glycerol tinh khiết và phụ phẩm glycerol lần lượt là 1.02 ± 0.05 mol H2/mol glycerol tiêu thụ và 1.28± 0.06 mol H2/mol glycerol tiêu thụ.
Kết quả trên phản ánh mức độ phát triển và tạo thành hydro khi sử dụng phụ phẩm glycerol làm cơ chất thì cao hơn so với khi sử dụng glycerol tinh khiết làm cơ chất.
Bởi vì phụ phẩm glycerol có thể bao gồm nồng độ muối cao (như NaCl), rượu (như methanol hay ethanol) và chất rắn kết tủa có thể ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của vi khuẩn. Khi sử dụng glycerol thô chưa qua xử lý thì các chất kết tủa từ dung dịch sẽ ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của vi khuẩn. Để tránh hiện tượng này, glycerol thô phải được tiền xử lí trước khi được đưa vào làm cơ chất. Mức hydro sản sinh ra sử dụng glycerol đã qua tiền xử lý thì cao hơn nhiều so với glycerol thô chưa được xử lý.
Phụ phẩm glycerol từ quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học là nguồn cơ chất tiềm năng để nâng cao sự sản xuất hydro của vi khuẩn Thermotoga neapolitana.
3.7.1.2. Xác định các thành phần dinh dưỡng khác cần bổ sung cho quá trình sinh trưởng và quá trình tạo thành H2
Khảo sát và lựa chọn loại nguyên liệu đầu vào - phụ phẩm của quá trình sản xuất sản xuất đậu phụ
57
Bảng 3.9. Các đặc điểm của bã đậu thô và bã đậu đã qua xử lý
Đặc điểm Bã đậu thô Bã đậu đã xử lí
COD (mg/100g trọng lƣợng khô) 135.5 232.3
Tổng Nitơ (%) 1.225 1.274
Tổng photpho (%) 0.255 0.456
SO42- (%) 5.9 16.1
NH4+ - N (mg/ 100g trọng lƣợng khô)
39.81 52.8
PO43-t - P (%) 75.9.10-5 77.5.10-5
Bảng 3.10. Kết quả sản lượng hydro và pH môi trường ở cơ chất bã đậu thô và bã đậu đã qua xử lý
Thời gian (h)
Bã đậu thô Bã đậu đã qua xử lí Sản lượng
(mmol/L)
pH Sản lượng (mmol/L)
pH
6 0 7.4 0 7.3
12 0 7.3 3.3 7.1
18 1.2 7 5.6 6.8
24 2.1 6.7 8.3 6.4
30 3.7 6.4 10.5 6.1
36 4.6 6.1 12.1 5.8
42 5.2 5.9 14.4 5.5
48 5.2 5.7 14.6 5.3
Với cơ chất bã đậu thô, sản lượng hydro thu được tương đối thấp, đạt giá trị
cao nhất là 5.2 mmol/L tại thời điểm 42h đến 48h. Giá trị pH giảm dần từ 7.5 đến 5.7 sau 48h nuôi cấy.
58 Ảnh hưởng của cơ chất bã đậu đã qua xử lý
Khi sử dụng bã đậu đã qua xử lý làm cơ chất cho thấy rằng sản lượng hydro cao hơn nhiều so với lượng hydro khi sử dụng bã đậu thô làm cơ chất. Lượng hydro thu được tăng lên khoảng 2.8 lần và đạt giá trị cao nhất là 14.6 mmol/L tại thời điểm 48h nuôi cấy.
Giá trị pH trong trường hợp này giảm từ 7.5 xuống 5.3 sau 48h nuôi cấy, nhanh hơn so với sự giảm pH ở trường hợp sử dụng bã đậu thô làm cơ chất, thể hiện ở đường đồ thị dốc hơn. Điều này có thể giải thích là do quá trình tiền xử lý cơ chất đã ảnh hưởng đến sự giảm pH nhanh hơn.
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
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 đươ ̣c xử 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 không 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%.
59
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 đươ ̣c xử 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 hòa 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
đươ ̣c xử lý(%)
10 39,78
20 42,56
30 53,76
40 59,08
50 65,97
60 51,08
60
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 Không 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
61
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)
Sản lượng hydro (mmol/L)
62
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 loãng của H2SO4 nâng cao hiệu quả của quá 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 thoái 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.