Hiệu suất phản ứng thủy phân rơm

Kết thúc quá trình thủy phân ta xác định khối lượng rơm sau khi thủy phân, từ đó tính được hiệu suất của quá trình thủy phân rơm. Kết quả được ghi nhận theo bảng 3.14

Bảng 3.14: Hiệu suất của quá trình thủy phân rơm

Nghiệm thức

pH = 4,5

Khối lượng rơm trước thủy phân

(g)

Khối lượng rơm sau thủy phân

(g)

Hiệu suất quá trình thủy phân rơm

(%)

NT 1 1,000 0,7900 21,00 ± 0,38

NT 2 1,000 0,8040 19,60 ± 0,28

NT1: Dùng dung dịch đệm Na-acetate 0,1M, pH = 4,5

NT2: Không dùng đệm Na-acetate, điều chỉnh pH ban đầu là 4,5

Trong nghiên cứu này, hiệu suất thủy phân rơm thu được từ thí nghiệm có dùng dung dịch đệm Na-acetate 0,1M, pH = 4,5 là cao hơn so với hiệu suất thủy phân khi không sử dụng dung dịch đệm Na-acetate 0,1M, pH = 4,5. Kết quả trên cho thấy vai trò của dung dịch đệm Na-acetate 0,1M, pH = 4,5 làm ổn định giá trị pH tạo điều kiện thuận lợi cho enzyme hoạt động.

3.5. Khảo sát ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt lên quá trình thủy phân rơm

3.5.1. Hàm lượng đường khử

Mục tiêu của thí nghiệm này là khảo sát ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt đến hàm lượng đường khử được tạo rạ trong quá trình thủy phân rơm. Từ thí nghiệm được bố trí ở mục 2.3.5, thu được kết quả hàm lượng đường khử theo bảng 3.15

Bảng 3.15: Hàm lượng đường khử tạo ra khi bổ sung và không bổ sung Tween- 80; 0,1%

Nghiệm thức Hàm lượng đường khử

(mg/g rơm)

Không bổ sung Tween-80; 0,1% 19,87 ± 0,39

Bổ sung Tween-80; 0,1% 21,86 ± 0,18

Trong nghiên cứu này, hàm lượng đường khử thu được từ thí nghiệm có bổ sung Tween-80, 0,1% là cao hơn so với thí nghiệm không bổ sung Tween- 80, 0,1%. Điều này cũng phù hợp những kết quả nghiên cứu về hoạt động của chất hoạt động bề mặt trong quá trình thủy phân. Trong thí nghiệm này có sử dụng Tween-80, 0,1% là một chất hoạt động bề mặt thuộc nhóm noninic có khả năng tăng tốc độ và mức độ đường hóa cellulose. Vì vậy, hàm lượng đường khử được tạo ra từ thí nghiệm có bổ sung Tween-80, 0,1% cao hơn hàm lượng đường khử từ thí nghiệm không bổ sung Tween-80, 0,1%.

3.5.2. Hoạt tính enzyme cellulase và xylanase

Cùng với việc theo dõi hàm lượng đường khử được tạo ra, ta tiến hành xác định hoạt tính của enzyme cellulase và xylanse. Kết quả xác định hoạt tính enzym cellulase và xylanse được trình bày ở bảng 3.16.

Bảng 3.16: Hoạt tính enzym cellulase và xylanase tạo ra khi bổ sung và không bổ sung Tween 80; 0,1%

Nghiệm thức Hoạt tính cellulase (IU/ml) Hoạt tính xylanase (IU/ml) Không bổ sung Tween 80; 0,1% 0,86 ± 0,03 2,72 ± 0,03

Bổ sung Tween 80; 0,1% 0,91 ± 0,01 3,48 ± 0,02 Từ bảng 3.16 vẽ được biểu đồ biểu diễn hoạt tính enzyme cellulase và xylanase như hình 3.8.

0.86 2.72 0.91 3.48 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

Không bổ sung Bổ sung

Tween-80, 0,1% H o ạt t ín h e n zy m e ce llu la se và x yl an se ( IU /m l)

Hoạt tính cellulase (IU/ml) Hoạt tính xylanase (IU/ml)

Hình 3.8: Biểu đồ biểu diễn enzyme cellulase và xylanase tạo ra khi bổ sung và không bổ sung Tween 80; 0,1%

Chất hoạt động bề mặt như Tween 80, SDS, vv, đã được báo cáo để tăng cường hoạt tính của enzyme cellulase bằng cách tăng khả dụng của các chất dinh dưỡng. Cellulase có thể được sử dụng để đường hóa rơm để sản xuất ethanol sinh học, kết quả thử nghiệm 4 nồng độ của Tween 80 trong nghiên cứu và đã tìm thấy nồng độ 0,10% đã tăng cường các hoạt động cellulase. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt lên hoạt tính của enzyme xylanse ít được đề cặp đến nhưng kết quả thí nghiệm cho thấy hoạt tính của enzyme xylanse ở thí nghiệm có bổ sung Tween 80, 0,1% có hoạt tính cao hơn ở thí nghiệm không bổ sung Tween 80, 0,1% [21].

Các chất hoạt động bề mặt có thể sẽ tăng cường hoặc ức chế hoạt động của enzyme cellulose hoặc xylanase. Tween 80 là một chất hoạt động bề mặt có bản chất là nonionic là tăng cường hoạt động của enzyme. Xylanase và cellulase có thể được an toàn sử dụng cùng với chất hoạt động bề mặt có bản chất là nonionic trong quá trình thủy phân [24].

3.5.3. Hiệu suất phản ứng thủy phân rơm

Kết thúc quá trình thủy phân ta xác định khối lượng rơm sau khi thủy phân, từ đó tính được hiệu suất của quá trình thủy phân rơm. Kết quả được ghi nhận theo bảng 3.17

Bảng 3.17: Hiệu suất của quá trình thủy phân rơm

Nghiệm thức

pH = 4,5

Khối lượng rơm trước thủy phân

(g)

Khối lượng rơm sau thủy phân

(g)

Hiệu suất quá trình thủy phân rơm

(%)

NT 3 1,000 0,7893 21,07 ± 0,41

NT 4 1,000 0,7727 22,73 ± 0,36

NT3: Không bổ sung Tween 80; 0,1% NT4: Bổ sung Tween 80; 0,1%

Trong nghiên cứu này, hiệu suất thủy phân rơm thu được từ thí nghiệm có bổ sung Tween-80, 0,1% là cao hơn so với thí nghiệm không bổ sung Tween-80, 0,1%. Điều này cũng phù hợp những kết quả nghiên cứu của các tác giả Castanon, M (1981) và Fatma, H (2010) về hoạt động của chất hoạt động bề mặt trong quá trình thủy phân.

3.6. Thủy phân rơm trong bình lên men với các điều kiện thời gian, mật độ bào tử mốc, pH, chất hoạt động bề mặt đã chọn ở các thí nghiệm trên

Sinh khối lignocellulosic có thể được sử dụng để sản xuất ethanol, một nguồn năng lượng thay thế đầy hứa hẹn đối với dầu thô hạn chế hiện nay. Có hai quá trình chủ yếu tham gia vào chuyển đổi lignocellulosic đó là quá trình thủy phân cellulose để sản xuất đường khử và sự lên men của đường để sản xuất ethanol.

đối cao dựa trên công nghệ hiện tại. Những thách thức chính là năng suất thấp, chi phí cao của quá trình thủy phân. Hiện nay, có nhiều nỗ lực nghiên cứu đáng kể đã được thực hiện để cải thiện quá thủy phân của các vật liệu lignocellulosic.

Trong nghiên cứu này, với 5 gam rơm đã chuẩn bị cho vào 500 ml môi trường Mandle chứa trong bình lên men, duy trì pH ở mức 4,5 bằng dung dịch đệm Natri-acetate 0,1 M, pH 4,5. Sau đó, mang đi hấp khử trùng ở 1210C, trong thời gian 15 phút. Bào tử nấm mốc từ ống nghiệm được chuyển vào lọ thủy tinh có chứa Tween-80, 0,1% đã hấp khử trùng, mật độ bào tử bổ sung được sử dụng là 107 tế bào/ml. Bổ sung dịch bào tử mốc vào hỗn hợp rơm sau khi hấp khử trùng để nguội theo tỉ lệ 10% (v/v). Đặt bình lên men trên máy khuấy từ ở điều kiện nhiệt độ phòng. Tiến hành xác định hàm lượng đường khử, hoạt tính enzyme cellulase và xylanase trong thời gian thủy phân 5 ngày.

3.6.1. Hàm lượng đường khử

Trong nghiên cứu này, rơm được thủy phân bằng hệ enzyme được tạo ra từ nấm mốc Trichoderma reesei. Việc chuyển đường từ lignocellulosic này dựa vào enzyme cellulase và xylanase do nấm mốc tạo ra. Điều kiện thí nghiệm này được chọn theo báo cáo của (Patel.S.J et al., 2007). Thí nghiệm được bố trí như mô tả ở mục 2.2.6, điều chỉnh pH môi trường bằng dung dịch đệm Na- acetate 0,1M, pH 4,5, thu được kết quả hàm lượng đường khử được tạo ra theo thời gian 5 ngày như bảng 3.18

Bảng 3.18: Hàm lượng đường khử sau 5 ngày của 5 gam rơm Mật độ bào tử mốc

(bào tử/ml) Hàm lượng đường khử (mg/g rơm)

107 21,9 ± 0,12

3.6.2. Hoạt tính cellulase và xylanse

Cùng với việc theo dõi hàm lượng đường khử được tạo ra, tiến hành xác định hoạt tính của enzyme cellulase và xylanse. Kết quả xác định hoạt tính enzym cellulase và xylanse được trình bày ở bảng 3.19

Bảng 3.19: Hoạt tính enzym cellulase và xylanase sau 5 ngày Hoạt tính cellulase (IU/ml) Hoạt tính xylanase (IU/ml)

0,91 ± 0,01 3,48 ± 0,02

3.7. Lên men ethanol trong điều kiện cung cấp oxi với hai mức độ khác nhau với chủng Saccharomyces cerevisiae và Pichia stipitis

Trong nghiên cứu này, dịch thủy phân sau thời gian thủy phân rơm 5 ngày với nấm mốc Trichoderma reesei VTT-D-8013, dịch thủy phân được lọc và ly tâm với vận tốc 5000 vòng/phút trong thời gian 10 phút. Sau đó, xác định hàm lượng đường khử trong dịch thủy phân bằng phương pháp DNS. Kết quả đo được hàm lượng đường khử là 21,9 ± 0,12 mg/g nguyên liệu rơm. Nồng độ glucose trong dịch thủy phân dùng để lên men là 0,1 g/l.

Sử dụng 50 ml glucose 6% và 50 ml dịch thủy phân có hoặc không có bổ sung peptone và dịch chiết nấm men, cho lên men lần lượt với hai chủng

Saccharomyces cerevisiae và Pichia stipitis trong thời gian 4 ngày và lắc trên máy lắc với hai vận tốc khác nhau, ở điều kiện nhiệt độ phòng. Trong số các nghiệm thức được bố trí, sau thời gian 4 ngày thu dịch lên men và xác định hàm lượng ethanol bằng phương pháp sắc ký lỏng cao áp, có 4 nghiệm thức cho kết quả của quá trình lên men sinh ethanol đó là nghiệm thức 1, nghiệm thức 4, nghiệm thức 5, nghiệm thức 6 với kết quả như sau:

Theo bảng 3.25 đối với glucose 6% thì ở nghiệm thức 1 cho kết quả hàm lượng ethanol 5,07 g/l cao hơn nghiệm thức 6 cho kết quả hàm lượng ethanol 4,64 g/l. Theo Peiris (1987) đường khử được tạo ra bởi enzyme thủy phân rơm chủ yếu là glucose, xylose và cellobiose. Sản lượng ethanol được tạo ra từ lượng đường khử 4,8% (w/v) của dịch thủy phân rơm bởi nấm men

Saccharomyces cerevisiae 0.6% (w/v) là 10,7 g/1 ethanol và sản lượng ethanol được tạo ra là 18,8 g/1 từ 4,8% (w/v) glucose tinh khiết [29].

Thí nghiệm sử dụng dịch thủy phân có bổ sung pepton và dịch chiết nấm men lên men với giống Pichia stipitis và Sacharomyces cerevisiae với vận tốc

lắc 100 vòng/phút. Kết quả thu được hàm lượng ethanol từ việc lên men dịch thủy phân với giống Pichia stipitis là 40 mg/l và giống Sacharomyces cerevisiae là 69 mg/l. Kết quả này cho thấy tốc độ lắc tương ứng với việc cung cấp oxi khác nhau cũng ảnh hưởng đến khả năng tạo ethanol. Hàm lượng ethanol ở nghiệm thức 4 và 5 thấp hơn nghiệm thức 1 và 6 là do hàm lượng đường trong dịch thủy phân ban đầu thấp 21,9 ± 0,12 mg/g nguyên liệu rơm.

Bảng 3.20: Kết quả nồng độ ethanol NT Thành phần dịch thủy phân Thời gian lưu (h) Diện tích peak Nông độ (g/l)

1 ** Glucose (6%) + Saccharomyces cerevisiae 17,696 1705005 5,07

2 ** Dịch thủy phân + Saccharomyces cerevisiae - - -

3 ** Dịch thủy phân + Pichia stipitis - - -

4 ** Dịch thủy phân Dịch chiết nấm men Pepton 17,129 232032 0,69 5 ** Dịch thủy phân Dịch chiết nấm men Pepton 17,717 11410 0,04

6 * Glucose (6%) + Saccharomyces cerevisiae 17,656 1559095 4,64

7 * Dịch thủy phân + Saccharomyces cerevisiae - - -

8 * Dịch thủy phân + Pichia stipitis - - -

9 * Dịch thủy phân Dịch chiết nấm men Pepton - - - 10 * Dịch thủy phân Dịch chiết nấm men Pepton - - - * Lắc 50 vòng/phút ** Lắc 100 vòng/phút + Pichia stipitis + S. cerevisiae + Pichia stipitis + S. cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae 0.6% (w/v) là 10,7 g/1 ethanol và sản lượng ethanol được tạo ra là 18,8 g/1 từ 4,8% (w/v) glucose tinh khiết [29].

Thí nghiệm sử dụng dịch thủy phân có bổ sung pepton và dịch chiết nấm men lên men với giống Pichia stipitis và Sacharomyces cerevisiae với vận tốc lắc 100 vòng/phút. Kết quả thu được hàm lượng ethanol từ việc lên men dịch thủy phân với giống Pichia stipitis là 40 mg/l và giống Sacharomyces cerevisiae là 69 mg/l. Kết quả này cho thấy tốc độ lắc tương ứng với việc cung cấp oxi khác nhau cũng ảnh hưởng đến khả năng tạo ethanol. Hàm lượng ethanol ở nghiệm thức 4 và 5 thấp hơn nghiệm thức 1 và 6 là do hàm lượng đường trong dịch thủy phân ban đầu thấp 21,9 ± 0,12 mg/g nguyên liệu rơm.

Việc cung cấp khí oxy ở hai mức khác nhau trong quá trình lên men có ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình lên men. Quá trình lên men ở giai đoạn đầu cung cấp oxy là để tăng sinh khối nấm men, giai đoạn giảm oxy để lên men. Tuy nhiên, trong thí nghiệm vẫn giữ mức độ cung cấp oxy trong suốt quá trình dẫn đến hiệu suất lên men thấp.

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN & ĐỀ NGHỊ

4.1 Kết luận

Từ kết quả thí nghiệm khảo sát các yếu tố về thời gian thủy phân, mật độ bào tử mốc, dung dịch đệm pH 4,5 và chất hoạt động bề mặt trong quá trình thủy phân. Kết hợp các điều kiện thí nghiệm trên đã rút ra kết luận sau:

% bã rắn : 1%

Mật độ bào tử mốc : 107 bào tử/ml

Tween-80 : 0,1%

pH : 4,5

Vận tốc khuyấy : 100 vòng/phút

Thời gian : 5 ngày

Kết quả thu được từ việc thủy phân 5 g rơm rạ trong bình lên men ở nhiệt độ phòng kết quả thu được hàm lượng đường khử là 21,9 ± 0,12 mg/g.

4.2 Đề nghị

Để sử dụng nguồn nguyên liệu lignocellulose trong sản xuất bioethanol có hiệu quả hơn tác giả có một số đề nghị sau

Quá trình thủy phân nên sử dụng enzyme để thủy phân rơm rạ hơn là sử dụng trực tiếp vi sinh vật. Những kết quả từ nghiên cứu này cũng đã phần nào chứng minh khả năng tạo ra đường khử tuy nhiên hàm lượng đường thấp.

Nếu như sử dụng vi sinh vật để thủy phân thì phải có buớc tiền xử lý để quá trình thủy phân hiệu quả hơn.

Nghiên cứu để nâng cao hiệu quả của quá trình tiền xử lý là cần thiết. Tiếp tục khảo sát quá trình lên men từ Pichia stipitis.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phạm Thị Ánh Hồng (2003), Kỹ thuật sinh hóa, Nxb Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh.

[2] Phạm Thị Ánh Hồng (2009), Tài liệu thực tập kỹ thuật sinh hóa, Bộ môn sinh hóa, Lưu hành nội bộ.

[3] Nguyễn Văn Mùi (2001), Thực hành hóa sinh học, Nxb Khoa học và Kỹ Thuật Hà Nội.

[4] Nguyễn Đức Lượng (2006), Công nghệ vi sinh tập 2, Nxb Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh.

[5] Trần Diệu Lý (2008), Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ, Luận văn tốt nghiệp Đại học, Trường Đại học Bách khoa,Tp.Hồ Chí Minh.

[6] Đồng Thị Thanh Thu (2002), Giáo trình sinh hóa cơ bản, Tủ sách Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh.

[7] Trần Linh Thước (2005), Phương pháp phân tích vi sinh vật trong nước, thực

phẩm và mĩ phẩm, Nhà xuất bản Giáo dục.

Tài liệu Tiếng Anh

[8] Arja, M. O., (2004), Trichoderma reesei strains for production of cellulases for

the textile industry, Espoo 2004, VTT Publication 550.

[9] Allan M.W., Danny L.R., Krishan K., Klein K.K. 2006. Policies to stimulate biofuel production in Canada: Lessons from Europe and the United States. A BIOCAP research integration program synthesis paper.

[10] Barton, F. E. (1988), Chemistry of Lignocellulose: Methods of Analysis

and Consequences of Structure, Animal Feed Science and Technology, 21,

pp. 279-286.

[11] Chandrakant, P., Bisaria, V.S., (1998), Simultaneous Bioconversion of Cellulose and Hemicellullose to Ethanol, Critical Reviews in Biotechnology, 18 (4), pp. 295-331.

[12] Castanon, M., Wilke, C. R., (1981), Effects of the surfactant tween 80 on enzymatic hydrolysis of newspaper, Biotechnology and Bioengineering, vol 23, pp. 1365–1372.

[13] Colina, A et al., (2003), Xylanase production by Trichoderma reesei rut C-30 on rice straw, Applied Biochemistry Biotechnology, vol 108, pp. 1-3.

[14] Charles, E.W., (1996), Handbook on Bioethanol: Product and Utilization, Taylor&Francis, pp. 119-285.

[15] Demirbas, A., (2007), Producing and using bioethanol as an automotive fuel. Energy sources Part B, 2, pp. 391-401.

[16] Fatma, H. Abd El-Zaher and Fadel., (2010), Production of Bioethanol Via Enzymatic Saccharification of Rice Straw by Cellulase Produced by Trichoderma Reesei Under Solid State Fermentation, New York Science Journal.

[17]. Faaij, A., (2006), Modern biomass conversion technologies, Mitigation and

Adaptation Strategies for Global Change, 11, pp. 343 – 375.

[18] Gray, K. A., Zhao, L. and Emptage, M., (2006), Bioethanol, Current Opinion in Chemical Biology, 10, pp. 1–6.

Hóa chất và môi trường

Hiệu suất của quá trình thủy phân rơm