Hình 4.4: Đƣờng cong sinh trƣởng của nấm men
Theo đƣờng cong sinh trƣởng của nấm men ta có thể thấy rõ các giai đoạn phát triền của chúng. Nhƣ vậy tại thời điểm lên men từ 32h cho đến 48h nấm men đang trong giai đoạn. Vì thế ta tiến hành chọn thời gian là 48h để lấy giống cho lên men.
y = 1.5208x + 6.3875 R² = 0.9659 6.6 6.8 7 7.2 7.4 7.6 7.8 8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Log (TB/m l) OD 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 20 40 60 80 100 120 OD
43 4.2. Khảo sát khả năng lên men đƣờng glucose
Hình 4.5: Dịch đƣờng sau lên men 4.2.1. Khảo sát tỷ lệ giống
Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của % nấm men (v/v) đến quá trình lên men Bảng 4.2: Ảnh hƣởng của % nấm men Tỷ lệ giống (v/v) Độ cồn (%V) Hiệu suất (%) 5% 7.16 73.7 7% 8.6 88.57 10% 7.47 76.96
44 Hình 4.6: Đồ thị biễu diễn độ cồn theo tỷ lệ giống
Kết quả cho thấy mật độ nấm men khoảng 7% (v/v) là thích hợp nhất cho quá trình lên men vì độ cồn ta thu đƣợc là cao nhất. Theo đồ thị trên, khi ta tăng tỷ lệ giống từ 5% (v/v) đến 7% (v/v) thì độ cồn tăng lên khá nhanh từ 7,16% V đến 8,6 %V, nhƣng nếu ta tiếp tục tăng tỷ lệ giống đến 10% (v/v) thì độ cồn lại giảm mạnh xuống 7,47 %V, quá trình chuyển hóa này không tuyến tính với tỷ lệ giống. Điều này cho thấy mỗi loại nấm men sẽ lên men tốt nhất ở một mật độ nhất định, cho dù ta có tiếp tục tăng lên thì hiệu quả quá trình lên men cũng không tăng nữa.
Do bản chất của quá trình lên men là các phản ứng oxi hóa khử diễn ra dƣới tác dụng của enzyme bên trong tế bào nấm men, nên khi ta tăng mật độ giống lên thì số lƣợng các phân tử đƣờng bị oxi hóa cũng tăng lên. Nhƣng khi mật độ nấm men cao chúng sẽ sử dụng đƣờng trƣớc tiên cho việc tăng sinh khối nên điều này không có lợi cho quá trình lên men và có sự cạnh tranh nguồn cơ chất trong môi trƣờng lên men.
6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 4 6 8 10 12 %V % giống (v/v)
45 4.2.2. Khảo sát thời gian lên men
Kết quả khảo sát thời gian lên men thu đƣợc nhƣ sau:
Bảng 4.3: Ảnh hƣởng của thời gian lên men đến độ cồn Thời gian (ngày) Độ cồn (%V)
1 ngày 2.24
2 ngày 4.22
3 ngày 8.68
Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn độ cồn theo thời gian lên men
Khảo sát thời gian lên men đƣờng của nấm men trong 3 ngày, theo đồ thị ta thấy thời gian càng tăng thì độ cồn cũng tăng, sau thời gian lên men 2 ngày độ cồn chỉ tăng từ 2.24%V đến 4.43%V nhƣng sang ngày thứ 3 thì độ cồn tăng nhanh đến 8.6 %V. thời gian lên men ảnh hƣởng đến hiệu quả của quá trình lên men và khả năng lên men của nấm men nếu thời gian lên men quá ngắn nấm men không kip sử dụng hết đƣờng cho quá trình lên men vì thế lƣợng cồn tạo thành ít và lƣợng đƣờng còn sót lại trong môi trƣờng lên men nhiều làm cho hiệu quả của quá trình lên men thấp. Ngƣợc lại nếu thời gian lên men quá dài sẽ sinh ra các sản phẩm phụ làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng cồn thu đƣợc, bên cạnh đó
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 %V
46 lƣợng cồn tạo thành nhiều có thể ức chế lại hoạt động của nấm men nên dù có kéo dài thời gian lên men thì nấm men cũng không thể chuyển hóa đƣờng trong môi trƣờng để tạo đồ cồn cao hon nữa vì mỗi giống nấm men sẽ lên men cho độ cồn nhất định. Nhƣ vậy thì thời gian thích hợp nhất cho quá trình lên men trong nghiên cứu này là 3 ngày.
4.2.3. Khảo sát nồng độ đƣờng
Bảng 4.4: Ảnh hƣởng nồng độ đƣờng đến quá trình lên men Nồng độ đƣờng (w/v) Độ cồn (%V) 7% 3.57 8% 4.43 15% 8.6
Hình 4.8: Đồ thị biểu diễn độ cồn theo nồng độ đƣờng.
Theo đồ thị ta thấy sau ba ngày lên men khi tăng dần nồng độ đƣờng lên từ 8% (w/v) lên 15% (w/v) thì độ cồn tăng rất nhanh từ 4.43 %V đến 8.6%V, điều này là do khi hàm lƣợng đƣờng trong môi trƣờng nhiều thì nấm men có đầy đủ chất dinh dƣỡng để có thể vừa phát triển vừa chuyển hóa đƣờng thành cồn, mặc dù nồng độ đƣờng cao có thể ức chế hoạt động của nấm men nhƣng theo lý thuyết và thực nghiệm trong sản xuất rƣợu
2 3 4 5 6 7 8 9 5% 7% 9% 11% 13% 15% 17% %V Hàm lƣợng đƣờng (% w/v)
47 nồng độ đƣờng khoảng 13 - 15% (w/v) là thích hợp nhất cho nấm men tiến hành lên men vì thế ta chọn nồng độ đƣờng là 15% (w/v) để tiến hành quá trình lên men.
Trong quá trình lên men đƣờng thành cồn khi nồng độ đƣờng cao sẽ tạo áp suất thẩm thấu sẽ lớn ảnh hƣởng đến hiệu quả lên men, dẫn đến nấm men lên men không triệt để làm cho hàm lƣợng đƣờng sót tăng, đồng thời phải kéo dài thời gian lên men và gây tổn hao nguồn nguyên liệu, quá trình lên men không kinh tế. Còn khi nồng độ đƣờng thấp cũng không có lợi cho lên men vì tổn thất do tạo men tăng và không đủ dinh dƣỡng cho nấm men phát triển, độ cồn thu đƣợc thấp và ảnh hƣởng đến chất lƣợng cồn thu đƣợc.
4.3. Độ acid toàn phần 4.3.1. Theo mật độ giống 4.3.1. Theo mật độ giống
Bảng 4.5: Độ acid toàn phần theo mật độ giống Mật độ giống (%) Độ acid toàn phần (g/ml) 5% 2.816 7% 2.912 10% 2.944
Hình 4.9: Đồ thị giữa độ acid toàn phần và tỷ lệ giống. 2.5 2.7 2.9 3.1 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10% 11% Độ acid toàn phần (g/m l) % giống (v/v)
48 Theo đồ thị ta thấy độ acid toàn phần tăng tuyến tính khi ta tăng mật độ giống, nhƣ vậy quá trình tạo ra các sản phẩm phụ xảy ra mạnh ở khi mật độ giống cao. Điều này cho thấy khi tỷ lệ giống nấm men trong dịch lên men càng cao thì ngoài việc chuyển hóa đƣờng cồn thì chúng cũng tham gia chuyển hóa thành các sản phẩm phụ trong đó có acid hữu cơ. Vì thế ta cần chọn mât độ giống thích hợp sao cho vừa tạo đƣợc độ cồn cao nhƣ mong muốn lại vừa hạn chế đƣợc các sản phẩm phụ sinh ra trong quá trình lên men. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.3.2. Theo nồng độ đƣờng
Bảng 4.6: Độ acid toàn phần theo nồng độ đƣờng Nồng độ đƣờng (g/100ml) Độ acid toàn phần (g/ml) 7 2.272 8 2.368 15 2.688 Hình 4.10: Đồ thị giữa nồng độ đƣờng và độ acid tổng.
Theo đồ thị ta thấy khi nồng độ đƣờng càng cao thì hàm lƣợng các acid hữu cơ tạo thành nhiều chứng tỏ các quá trình biến dƣỡng trong tế bào diễn ra mạnh mẽ đồng thời các acid hữu cơ tích lũy nhiều trong môi trƣờng.
2.25 2.3 2.35 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 5 7 9 11 13 15 Độ acid toàn phần (g/m l) Nồng độ đƣờng (g/100ml)
49 4.4. Tiền xử lý và lên men dịch lõi bắp
4.4.1. Đƣờng chuẩn đƣờng tổng
Hình 4.11: Đƣờng chuẩn đƣờng tổng Nồng độ đƣờng các mẫu lên men sau 14, 18 và 21 ngày.
Bảng 4.7: Hàm lƣợng đƣờng theo thời gian xử lý Mẫu Thời gian
(ngày) Hàm lƣợng đƣờng (g/ml) 1 12 ngày 1293.396 2 14 ngày 3170.755 3 18 ngày 6566.981 4 21 ngày 1387.736
Ta thấy sau khi đƣờng hóa hàm lƣợng đƣờng trong lõi bắp rất thấp vì đƣờng chủ yếu nằm trong thành phần của hạt. Quá trình tiền xử lý ở 18 ngày cho hàm lƣợng đƣờng cao nhất, ở thời gian ngắn quá trình vi sinh vật chƣa kịp phân giải hết lignin nên vẫn còn liên kết với cellulose làm cho giảm hiệu suất cùa quá trình đƣờng hóa, khi thời gian dài đến khoảng 21 ngày thì lƣợng đƣờng thu đƣợc ngày càng giảm, do nấm mốc trong quá trình tiền xử lý đã phân giải tiếp một phần cellulose có trong nguyên liệu.
y = 0.0106x + 0.0009 R² = 0.9986 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 10 20 30 40 50 60 OD Hàm lƣợng đƣờng (g/ml)
50 4.4.2. Độ cồn
Sau thời gian lên men 3 ngày độ cồn thu đƣợc theo từng mẫu nhƣ sau: Bảng 4.8: Độ cồn thu đƣợc theo từng mẫu.
Mẫu Độ cồn
1 1.01
2 1.35
3 3.57
4 1.15
Hình 4.12: Độ cồn theo thời gian tiền xử lý
Theo kết quả cho thấy độ cồn thu nhận đƣợc từ dịch tiền xử lý lõi bắp là không cao chỉ cao nhất là 3.57%V vì hàm lƣợng đƣờng sau thu đƣợc từ lõi bắp quá thấp, độ cồn đối với mẫu 3 là mẫu đƣợc xử lý trong 18 ngày tƣơng ứng với mẫu có hàm lƣợng đƣờng cao nhất. Đồng thời trong thành phần lõi bắp sau đƣờng hóa còn có một số đƣờng pentose mà nấm men lại không lên men đƣợc đƣờng pentose nên chỉ có một phần đƣờng glucose đƣợc nấm men chuyển hóa thành cồn làm cho quá trình lên men không triệt để.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 1 2 3 4 %V Mẫu
51
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ
5.1. Kết luận
5.1.1. Khảo sát tỷ lệ giống
Quá trình lên men từ glucose với mật độ giống 7% v/v (khoảng 25,6 triệu tế bào/ ml) cho độ cồn cao nhất là 8.6%V. Nhƣ vậy ta chọn tỷ lệ giống thích hợp cho lên men cồn từ glucose là 7% (v/v).
5.1.2. Thời gian lên men
Khảo sát thời gian lên men glucose của nấm men ta thấy thời gian 3 ngày là tốt nhất cho độ cồn 8.68%V . Vậy chọn thời gian 3 ngày để lên men
5.1.3. Nồng độ đƣờng
Với những nồng độ đƣờng khác nhau, khi lên men với cùng mật độ giống, cùng thời gian thì nồng độ đƣờng 15% (w/v) cho độ cồn cao nhất. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhƣ vậy khi sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae ta thấy điều kiện lên men tốt nhất của nấm men là ở nồng độ đƣờng 15% (w/v), sử dụng 7% (v/v) nấm men và tiến hành lên men trong 3 ngày.
5.1.4. Quá trình tiền xử lý bằng sinh học
Khi khảo sát thời gian tiền xử lý lõi bắp cho thấy thời gian xử lý 18 ngày sẽ cho lƣợng đƣờng sau đƣờng hóa cao nhất khoảng 6.5 g/l.
5.1.5. Lên men dịch tiền xử lý
Quá trình lên men dịch tiền xử lý đƣợc tiến hành ở điều kiện thƣờng với 7% (v/v) nấm men, pH ban đầu là 4.7 và lên men trong 3 ngày để thu nhận cồn, khi đó mẫu đƣợc xử lý 18 ngày cho độ cồn cao nhất 3.57%V.
5.2. Đề nghị
Do điều kiện thiết bị thí nghiệm và thời gian hạn chế nên không thể khảo sát một số yếu tố vì vậy đề nghị cần khảo sát thêm khả năng lên men của nấm men ở những khoảng thời gian dài hơn và với nhiều nồng độ đƣờng khác nhau.
Quá trình đƣờng hóa sử dụng enzyme thƣơng mại nên làm cho quá trình tiền xử lý không đƣợc kinh tế, vì thế cần nghiên cứu sử dụng chế phẩm vi sinh vật để tiến hành
52 đƣờng hóa. Đồng thời cần khảo sát thêm một số chế phầm vi sinh có khả năng tổng hợp cellulase để làm tăng hiệu suất chuyển hóa cellulose.
Do hàm lƣợng đƣờng trong lõi bắp sau khi xử lý thu đƣợc rất thấp vì vậy để tăng hiệu quả lên men nhằm thu nhận độ cồn cao cần cho thêm rỉ đƣờng vào để đạt đƣợc nồng độ thích hợp cho sự lên men của nấm men.
Quá trình tiền xử lý lõi bắp cho lƣợng đƣờng cao nhất khi xử lý ở 18 ngày, sau đó lại tiến hành đƣờng hóa trong 48h và lên men trong 3 ngày, nhƣ vậy thời gian để sản xuất ethanol từ lõi bắp theo phƣơng pháp này quá dài, cần nghiên cứu kết hợp cả quá trình đƣờng hóa và lên men để tiết kiệm thời gian sản xuất.
Trong lõi bắp có thành phần hemicellulose tƣơng đối cao nên khi đƣờng hóa trong dịch đƣờng sẽ có sự xuất hiện của đƣờng xylose, nhƣng nấm men Sacchromyces
cerevisiae lại không có khả năng lên men đƣờng xylose vì thế làm cho quá trình chuyển
hóa đƣờng thành cồn không triệt để nên thu đƣợc độ cồn không cao. Trong khi đó nấm
men Pichia stipitis lại có khả năng lên men tốt đƣờng xylose vì thế nên kết hợp cả 2 loại
nấm men: Saccaromyces cerevisiae và Pichia stipitis trong quá trình lên men để có thể lên men toàn bộ lƣợng đƣờng trong dịch lên men.
Nghiên cứu khả năng phối trộn các nguồn nguyên liệu phế phẩm nông nghiệp khác với lõi ngô để tăng tính linh động trong việc giải quyết nguồn nguyên liệu và nâng cao hiệu quả kinh tế cho quá trình sản xuất bioethanol.
53 TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng Việt
[1]. Nguyễn Đình Thƣởng, Nguyễn Thanh Hằng, 2007. Công nghệ sản xuất và
kiểm tra cồn etylic. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 284 trang.
[2]. Nguyễn Đức Lƣợng, 2006. Công nghệ vi sinh, Tập 1 – Cơ sở vi sinh vật
công nghiệp. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP. HCM. 237 trang.
[3]. Nguyễn Đức Lƣợng, 2006. Công nghệ vi sinh, Tập 2 – Vi sinh vật học công
nghiệp. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP. HCM. 371 trang .
[4]. Nguyễn Đức Lƣợng, Cao Cƣờng, 2003. Thí nghiệm cộng nghệ sinh học (tập
1) – Thí nghiệm hóa sinh học. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP. HCM.
[5]. Nguyễn Đức Lƣợng, Cao Cƣờng, Nguyễn Ánh Tuyết, Lê Thị Thủy Tiên, Tạ Thu Hằng, Huỳnh Ngọc Oanh, Nguyễn Thúy Hƣơng, Phan Thị Huyền, 2004. Công
nghệ enzyme. Nhà xuất bản Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
[6]. Nguyễn Đức Lƣợng, Phan Thị Huyền, Nguyễn Ánh Tuyết, 2006. Thí (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
nghiệm công nghệ sinh học (tập 2) – Thí nghiệm vi sinh vật học. Nhà xuất bản Đại
học Quốc gia TP. HCM.
[7]. Nguyễn Đức Lƣợng. Công nghệ sinh học. Nhà xuất bản Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2001.
[8]. TS. Nguyễn Thế Bảo, TS.Bùi Tuyên, Điều tra quy hoạch các dạng năng
lượng mới trên địa bàn Tp Hồ Chí Minh, Sở Khoa học và Công Nghệ Tp Hồ Chí
Minh, 2001.
Tài liệu tiếng Anh
[9]. Balat M., Malat H., Öz C., 2008. Progress in bioethanol processing.
Progress in Energy and Combustion Science, 34. 551 – 573.
[10]. Demirbas A., 2005. Bioethanol from Cellulosic Materials: A Renewable Motor Fuel from Biomass. Energy Sources, 27. 327-337.
54 [11]. Elba P.S. Bon và Maria Antonieta Ferrara, 2007. Bioethanol production via
enzymatic hydrolysis of cellulosic biomass. FAO seminar held in Rome.
[12]. Galbe M., Zacchi G., 2007. Pretreatment of lignocellulosic materials for efficient bioethanol production. Adv. Biochem. Eng./ Biotechnol, 108. 41 – 6. [13]. Hans P.Blaschek, Thaddeus C. Ezeji. Science of alternative feedstocks. [14]. Heize T., Liebert T., 2001. Unconventional methods in cellulose
functionalization. Progress In Polymer Science. 1689 – 1762.
[15]. Hossain A.B.M.S., Saleh A.A., Aishah S., Boyce A.N., Chowdhury P.P., Naquiddin M., 2008. Bioethanol production from argicultural waste biomass as a renewable bioenergy resource in biomaterials. IFMBE Proceedings, 21.
[16]. Howard R.L., Abotsi E., Jansen van Rensburg E.L., Howard S., 2003. Review: Lignocellulose biotechnology: issues of bioconversion and enzyme production. African Journal of Biotechnology, 2. 602 – 619.
[17]. Kim S., Dale BE., 2004. Global potential bioethanol production from
wasted crops and crop residues. Biomass and Bioenergy, 26. 361 – 375.
[18]. Kumar P., Barrett DM., Delwiche MJ., Stroeve P., 2009. Methods for
Pretreatment of Lignocellulosic Biomass for Efficient Hydrolysis and Biofuel Production. Ind. Eng. Chem. Res., 48. 3713 – 3729.
[19]. Lee J., 1997. Biological conversion of lignocellulosic biomass to ethanol.
Journal of Biotechnology, 56. 1 – 24.
[20]. Mabee WE., Saddler JE., 2010. Bioethanol from lignocellulosics: Status and perspectives in Canada. Bioresource Technology, 101. 4806–4813.
[21]. Mani, S., Lope G. Tabil, A. Opoku (2002), “Bioethanol from Agricultural Crop Residues – an overview”. ASAE/CSAE meeting presentation, Canada.
[22]. Marcia A. Ribeiro, Vanessa M. Cardoso, Manoel N. Mori, Jaime Finguerut, Celia M. A. Galvao và Celina L. Duarte, 2009. Electron beam processing of sugarcane bagasse to cellulose hydrolysis. INAC.
[23]. Otjen, L. & Blanchette, R., 1987. Assessment of 30 white rot basidiomycetes for selective lignin degradation. Holzforschung, 41. 343–349.
55 [24]. Palonen H., 2004. Role of lignin in the enzymatic hydrolysis of
lignocelluloses. VTT Biotechnology. p 11-39.
[25]. Sánchez OJ., Cardona CA., 2008. Trends in biotechnological production of fuel ethanol from different feedstocks. Bioresource Technology, 99. 5270 – 5295. [26]. Soccol CR. et al., 2010. Bioethanol from lignocelluloses: Status and
perspectives in Brazil. Bioresource Technology, 101. 4820 – 4825. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
[27]. Sun Y., Cheng J., 2002. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review. Bioresource Technology, 83. 1 – 11.