Tiến hành bố trí thí nghiệm theo sơ đồ hình 2.10, mục 2.4.2.2_c. Thu được kết quả thể hiện trên bảng 3.3 và hình 3.8 như saụ
Bảng 3.3. Sự biến đổi hàm lượng đường khử trước và sau lên men dưới tác động của thời gian lên men.
Thời gian lên men (ngày) 2 3 4 5 6
Hàm lượng đường khử trước lên men
(mg)
47.33 47.33 47.33 47.33 47.33
Hàm lượng đường khử sau lên men (mg)
18.43 10.63 9.53 8.6 8.3
Hình 3.8. Ảnh hưởng của thời gian lên men đến hàm lượng đường khử còn lại sau lên men.
Nhận xét:
Từ kết quả phân tích bảng 3.3 và hình 3.8 cho ta thấy hàm lượng đường khử còn lại ảnh hưởng bởi sự thay đổi của thời gian lên men. Khi càng tăng thời gian lên men thì hàm lượng đường khử còn lại càng giảm và đạt cực tiểu tại thời gian khảo sát là 6 ngày (8.3 mg), đồng thời hàm lượng đường khử đã chuyển hóa lúc này (39.03 mg) cao gấp 1.4 lần so với kết quả tại thời gian lên men là 2 ngày (28.9 mg). 2 ngày đầu lên men, hàm lượng đường khử giảm nhưng không đáng kể. Trong khi sang ngày thứ 3 (10.63 mg), hàm lượng đường khử đã giảm mạnh. Tuy nhiên kể từ ngày thứ 4 (9.53 mg) trở đi, hàm lượng đường khử còn lại tuy có giảm nhưng với số lượng không đáng kể ( so với ngày thứ 5 (8.6 mg) và ngày thứ 6 (8.3 mg) chỉ chênh lệch lần lượt là 0.93 mg và 1.23 mg).
Sự khác biệt giữa chỉ số hàm lượng đường sót các mẫu được thể hiện bằng các chữ cái a, ab, b, c. Đồng thời các kết quả ở thời gian lên men 4 ngày, 5 ngày và 6 ngày là tương đương nhau qua xử lý số liệu bằng phần mềm SPSS 16.0.
Thảo luận:
Kết quả phân tích trên có thể được giải thích cụ thể như sau:
Thời gian cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm. Thời gian lên men phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ lên men, nồng độ đường, chủng nấm men,… Thời gian lên men được tính bắt đầu từ lúc bổ sung nấm men vào môi trường lên men. Ta muốn có nhiều ethanol thì phải chọn thời điểm dừng lên men thích hợp nếu không ethanol sẽ tiếp tục chuyển hóa thành những chất khác không mong muốn.
Trong những giờ đầu lên men, khi có mặt của oxy, nấm men tiếp tục phát triển, còn sự lên men xảy ra chưa mạnh mẽ. Sau đó lượng oxy ngày càng thấp, quá trình hô hấp của tế bào nấm men yếu dần, đồng nghĩa với quá trình lên men xảy ra mạnh mẽ, đây là giai đoạn lên men chính. Trong giai đoạn cuối, lượng đường trong môi trường nghèo đi, quá trình lên men yếu dần, nồng độ rượu tăng dần đến khi quá trình lên men kết thúc.
Từ các số liệu và phân tích trên cho thấy, khi lên men dịch thủy phân rong nâu bằng nấm men Saccharomyces cerevisiae ở tỷ lệ nấm men 2.5%, pH môi trường bằng 5, nhiệt độ phòng và lên men trong 4 ngày thì vừa đảm bảo hiệu quả chuyển hóa đường khử thành ethanol cao nhất, đồng thời vừa đảm bảo tính kinh tế khi áp dụng sản xuất ở quy mô lớn.
3.5. Đề xuất quy trình sản xuất ethanol từ rong nâu Sargassum polycystum
bằng phương pháp hóa học 3.5.1. Quy trình sản xuất
Hình 3.9. Sơ đồ quy trình sản xuất hoàn thiện
Rong nâu khô
Bổ sung nước
Nhiệt độ thủy phân: 1200C Nồng độ acid: 2% Trung hòa Thủy phân bằng acid Lọc Dịch thủy phân Ethanol Acid sunfuric đậm đặc
Thời gian thủy phân: 120phút Xử lý, xay nhỏ
Lên men
Chưng cất
pH môi trường: 5 Tỷ lệ nấm men: 2.5%
Thời gian lên men: 4 ngày Bã
3.5.2. Thuyết minh sơ đồ quy trình
Nguyên liệu
Thu nhận rong Nâu sau khi được phơi khô, nếu không sử dụng ngay phải cho rong Nâu khô trong túi nylon và bảo quản ở nơi khô ráo thoáng mát để tránh ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm sau nàỵ Chất lượng nguyên liệu là yếu tố ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm sau nàỵ
Xử lý, xay nhỏ
Xử lý nhằm mục đích loại những tạp chất thô không mong muốn trong nguyên liệụ Dùng tay để phân loại, loại những loài rong không phải rong Nâu, loại cát, sạn và san hô còn bám trên rong.
Cắt và xay nhỏ nhằm mục đích phá vỡ một phần cấu trúc tế bào, tăng diện tích tiếp xúc giữa acid và cơ chất. Tạo điều kiện cho quá trình thủy phân diễn ra với hiệu suất cao nhất. Dùng kéo và máy xay khô để thực hiện.
Bổ sung nước
Mục đích: tạo môi trường thuận lợi để tăng hoạt lực xúc tác của acid, tăng sự khuếch tán sản phẩm thủy phân, vì vậy phản ứng thủy phân diễn ra nhanh chóng và đạt hiệu suất cao nhất.
Thực hiện: sử dụng nước cất 1 lần để bổ sung vào rong nguyên liệụ
Thủy phân
Mục đích:
Đây là quá trình chuyển các polysaccharide của rong nâu thành các monosaccharide hòa tan. Quá trình này được thực hiện trong môi trường acid dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất caọ
Thực hiện:
Cho dung dịch acid sunfuric đậm đặc với nồng độ 2% vào hỗn hợp nước và rong nâu khô đã được cắt xay nhỏ. Tiến hành thủy phân trong thiết bị hấp vô trùng (autoclave) ở nhiệt độ 1200C và áp suất cao trong thời gian 120 phút.
Lọc
Mục đích: lọc nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc xác định các chỉ tiêu hóa học và các công đoạn kế tiếp.
Thực hiện: sau khi tiến hành thủy phân tiến hành lọc bằng vải và bông lọc, loại bỏ bã rong nâụ
Trung hòa dịch thủy phân
Mục đích: trung hòa lượng dung môi acid sunfuric đem đi thủy phân, để tạo môi trường thuận lợi cho nấm men hoạt động sau nàỵ
Thực hiện: trung hòa dịch thủy phân bằng dung dịch NaOH 20% và NaOH 1% với chất chỉ thị là phenolphtalein 1%.
Lên men
Mục đích: chuyển hóa các loại đường đơn có trong dịch thủy phân rong nâu thành ethanol sinh học.
Thực hiện: điều chỉnh pH môi trường lên men bằng dung dịch đệm CH3COONa/CH3COOH có pH= 5, bổ sung nấm men với tỷ lệ là 2.5% so với thể tích dịch thủy phân. Tiến hành lên men ở nhiệt độ phòng trong thời gian 4 ngàỵ
Chưng cất
Mục đích: sau khi lên men, tiến hành chưng cất để thu lượng ethanol được tạo thành.
Thực hiện: chưng cất bằng thiết bị cô quay chân không ở nhiệt độ 500C, áp suất <100 mbar và thời gian chưng cất là 1 h.
Ethanol
Dung dịch ethanol sau khi chưng cất sẽ được bảo quản trong các lọ thủy tinh có nắp đậy kín ở nhiệt độ phòng.
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN
Kết luận
Qua thời gian nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của trường Đại học Nha Trang, đến nay tôi đã hoàn thành đề tài “Nghiên cứu thủy phân cacbonhydrat từ rong nâu (Sargassum polycystum) bằng phương pháp hóa học và ứng dụng dịch thủy phân trong sản xuất ethanol sinh học”. Cùng với sự hướng dẫn tận tình của Cô giáo và sự giúp đỡ của các bạn cùng nghiên cứu tại phòng thí nghiệm, tôi đã thu được các kết quả như sau:
1. Đã xác định được hàm lượng cacbonhydrat trong rong nâu Sargassum polycystum. 2. Đã thử nghiệm nghiên cứu sử dụng một số loại acid thủy phân rong nâu
S.polycystum: acid ascorbic, acid sunfuric. Kết quả cho thấy acid sunfuric thích hợp cho quá trình thủy phân.
3. Đã xác định được các điều kiện tối ưu cho quá trình thủy phân rong nâu bằng acid sunfuric:
- Nồng độ acid thích hợp : 2%. - Nhiệt độ thủy phân thích hợp : 1200C. - Thời gian thủy phân thích hợp: 120 phút.
3. Đã xác định được các điều kiện tối ưu cho quá trình lên men dịch thủy phẩn rong nâu bằng nấm men Saccharomyces cerevisiae:
- Tỷ lệ nấm men bổ sung thích hợp: 2.5%. - pH môi trường lên men thích hợp: 5. - Thời gian lên men thích hợp : 4 ngàỵ
Đề xuất ý kiến
1. Mở rộng nghiên cứu thủy phân rong nâu bằng enzyme để so sánh hiệu quả lên men của phương pháp nàỵ
2. Nghiên cứu chế độ lên men dịch thủy phân rong nâu bằng các chủng nấm men và vi sinh vật khác.
3. Nghiên cứu phương pháp tinh chế ethanol sau khi chưng cất. 4. Nghiên cứu thiết bị ở phạm vi công nghiệp.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu Tiếng Việt
1. Đặng Văn Hợp (chủ biên), Đỗ Minh Phụng, Nguyễn Thuần Anh, Vũ Ngọc Bộị Phân tích kiểm nghiệm thực phẩm thủy sản. NXB Khoa học và Kỹ thuật.
2. Hoàng Minh Nam, (2009). Nghiên cứu công nghệ sản xuất và thiết bị liên tục xử lý rơm xạ bằng hơi nước để lên men ethanol. Báo cáo đề tài cấp Bộ, Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh.
3. Lê Ngọc Tú, (2009). Hóa sinh công nghiệp. NXB Khoa Học Kỹ Thuật.
4. Lê Như Hậu và công sự, (2000). Đề tài “ Nghiên cứu và đề xuất giải pháp khai thác hợp lý và bền vững cho rong nguyên liệu sản xuất ethanol ở ven biển Nha Trang.
5. Lê Như Hậu và cộng sự, (2010). Tiềm năng rong biển làm nguyên liệu sản xuất ethanol nhiên liệu tại Việt Nam. Báo cáo hội nghị Khoa học kỷ niệm 35 năm Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam – Hà Nộị
6. Lương Đức Phẩm, (2006). Nấm men công nghiệp. NXB Khoa học và Kỹ Thuật. 7. Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Tỵ Vi sinh vật học. NXB Giáo dục. Trang 212-220.
8. Nguyễn Minh Trí. Bài giảng vi sinh vật đại cương. Trường Đại Học Nha Trang. Trang 44-45.
9. Nguyễn Thành Đạt, (2004). Cơ sở sinh học vi sinh vật. Trang 10-36.
10. Trần Thị Luyến. Các phản ứng cơ bản và biến đổi của thực phẩm trong quá trình công nghệ. NXB Nông Nghiệp.
11. Trần Thị Luyến, (1998). Công nghệ chế biến sản phẩm lên men. Trang 7.
12. Trần Thị Luyến, Đỗ Minh Phụng, Nguyễn Anh Tuấn, Ngô Đăng Nghĩa, (2004). Chế biến rong biển. NXB Nông nghiệp TP. Hồ Chí Minh.
13. Vũ Ngọc Bội, Nguyễn Thị Nga, Đặng Tố Uyên. Hướng dẫn thực tập Hóa Sinh. Trường Đại Học Nha Trang.
Tài liệu tiếng Anh
production in Japan. Oceans 2007
15. Anders S Carlsson, Jan B van Beilen, Ralf Moller and Divid Clayton, (2007). Micro – and macro – Algae: Utility for industrial applicaion. CPL Press, Tall Gables, The Sydings, Speen, Newbury, Berks RG14 1RZ, UK.
16. Berna Kılınç, Semra Cirik, Gamze Turan, Hatice Tekogul and Edis Koru, (2013). Seaweed for Food and industrial Applications. Food industry, 31, 735-748. 17. Churl Kim, Hyun Jin Ryu, Sang Hyoun Kim, Jeong – Jun Yoon, Hoon Sik Kim and Yong Jin Kim, (2010). Acidity Tunable Ionic Liquids as Catalysts for Conversion of Agar into Mixed Sugars. Bull. Korean Chem.Soc, Vol 31, No 2 511. 18. Cristina Chuck-Hernandez, Esther Perez-Carrillo, Sergio Ọ Serna-Saldivar, (2009). Production of bioethanol from steam-flaked sorghum and maizẹ Journal of Cereal Science, 50, 131-137.
19. DuBok Choi, Heung Sun Sim, Yu Lan Piao, Wu Ying, Hoon Cho, (2009). Sugar production from raw seaweed using the enzyme method. Industrial and Engineering Chemistry, 15, 12-15.
20. Henry Lyons, Yannick Lerat, Micheles Stanley, Michael Bo Rasmussen, (2009). A review of the potential of marine algae as a source of biofuel in Ireland. Sustanable energy Ireland (SEI).
21. Kazunori Nakashima et al, (2011). Direct bioethanol product from cellulose by the combination of cellulase-displaying yeast and ionic liquid pretreatment. Green Chemistry, 13, 2948.
22. Krish Purnawan Candra, Sarwono, Sarinah, (2011). Study on bioethanol production using red seaweed Eucheuma cottonii from BonTang sea water. Journal of Coastal Development, Vol 15, No 1, 45-50.
23. Leilei Ge, Peng Wang, Haijin Mou, (2011). Study on saccharification techniques of seaweed wastes for the transformation of ethanol. Renewable Energy, 36, 84-89.
24. Manish Gulati, Karen Kohlmann, Michael R. Ladisch, Robert Hespell & Rodney J. Bothast, (1996). Assessment of ethanol production option for corn
products, 58, 253-264.
25. Masahito Aizawa, Ken Asaoka, Masaya Atsumi, Toshitsugu Sakou, (2007). Seaweed Bioethanol Production in Japan – The Ocean Sumrise Project.
26. Mitsunori Yanagisawa, Kanami Nakamura, Osamu Ariga, Kiyohiko Nakasaki, (2011). Production of high concentrations of bioethanol from seaweeds that contain easily hydrolyzable polysaccharides. Process Biochemistry, 46, 2111-2116.
27. Nathan Mosier et al, (2005). Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology 96, 673-686. 28. SJ Horn, IM Aasen and K Ostgaard, (2000). Ethanol product from seaweed extract. Industrial Microbiology & Biotechnology, 25, 249-254.
29. Sung-Soo Jang, Yoshihito Shiral, Motoharu Uchida and Minato Wakissaka, (2012). Production of mono sugar from acid hydrolysis of seaweed. African Journal of Biotechnology Vol. 11(8),pp. 1953-1963
30. Svei Jarle Horn, (2000). Bioenergy from brown seaweeds. Department of biotechnology Norwegian University of Science and Technology NTNU Trondheim Norwaỵ
Trang web
31. http://www.moit.gov.vn
PHỤ LỤC 1. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HÓA HỌC 1. Xác định độ ẩm của rong biển khô
ạ Nguyên tắc
Dùng nhiệt độ cao làm bay hết hơi nước trong rong. Cân khối lượng rong trước và sau khi sấy khô, từ đó tính ra phần trăm (%) nước có trong rong.
b. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị
- Tủ sấy điều chỉnh được nhiệt độ.
- Cân phân tích có độ chính xác 10-4 gam. - Bình hút ẩm.
c. Cách tiến hành
Sấy cốc đến khối lượng không đổi: Rửa sạch cốc, để khô, sấy ở nhiệt độ 1300C trong khoảng 1giờ, lấy ra làm nguội trong bình hút ẩm, cân, tiến hành sấy tiếp ở nhiệt độ 1300C khoảng 1giờ, làm nguội trong bình hút ẩm, cân, sấy tiếp đến khi nào khối lượng cốc giữa hai lần cân không lệch nhau quá 5.10-4 là được.
Cân chính xác 1.5g rong biển khô (đã cắt nhỏ) cho vào cốc sấy đã xác định khối lượng không đổị Chuyển cốc vào tủ sấy, sấy ở nhiệt độ 800C trong 30 phút. Sau đó nâng nhiệt độ lên 1300C trong 1giờ. Sau đó lấy ra để nguội trong bình hút ẩm, cân khối lượng rồi tiếp tục cho vào tủ sấy trong thời gian 1giờ, lấy ra để nguội ở bình hút ẩm và cân như trên cho tới khi khối lượng không đổị Kết quả giữa 2 lần cân không lệch nhau quá 0.5mg cho mỗi mẫu chất thử.
d. Tính kết quả Độ ẩm tính theo % (%) 100 * ) ( 1 2 1 G G G G X − − = G: Trọng lượng cốc cân (g)
G1: Trọng lượng cốc cân + mẫu ban đầu (g) G2: Trọng lượng cốc cân + mẫu sau khi sấy (g)
2. Xác định protein tổng quát bằng phương pháp Kieldahl ạ Nguyên tắc
Vô cơ hóa rong biển bằng H2SO4 đậm đặc có chất xúc tác đặc biệt, rồi dùng kiềm đặc mạnh NaOH đẩy NH3 từ muối (NH4)2SO4 ra thể tự dọ NH3 được hấp thụ bởi H2SO4 tiêu chuẩn. Sau đó định lượng H2SO4 tiêu chuẩn dư bằng NaOH tiêu chuẩn.
Các phản ứng xảy ra
R – CH – COOH + H2SO4 CO2 + SO2 + H2O + (NH4)2SO4
2NaOH + (NH4)2SO4 = Na2SO4 + 2NH3 + 2H2O
2NH3 + H2SO4 tiêu chuẩn = (NH4)2SO4
2NaOHtiêu chuẩn + H2SO4tiêu chuẩn/dư = Na2SO4 + 2H2O
b. Cách tiến hành
Bước 1: Vô cơ hóa mẫu
Lấy chính xác 10ml mẫu đã pha loãng ở trên, cho cẩn thận vào đáy bình Kjeldahl, thêm 2g hỗn hợp xúc tác CuSO4 và K2SO4 + 5ml H2SO4 đậm đặc. Đặt nghiêng bình Kjeldahl 1 góc 450 trên bếp điện trong tủ Host và tiến hành vô cơ, trong khi vô cơ thì màu sắc chuyển từ màu nâu đen, đến vàng, đến xanh, đến xanh trong hoặc không màu là được, sau khi vô cơ xong, để nguội mẫụ
Bước 2: Sục rửa thiết bị, kiểm tra độ kín thiết bị Bước 3: Chuẩn bị cốc hứng
Lấy cốc thủy tinh 250ml sạch cho vào cốc 20ml H2SO4 0.1N và vài giọt metyl đỏ 0.2%. Đặt cốc dưới đầu ống sinh hàn của thiết bị chưng cất đạm. Đầu ống sinh hàn phải ngập vào dung dịch trong cốc.
Bước 4: Chưng cất
Sau khi vô cơ hóa mẫu xong để nguội rồi đổ từ từ dung dịch trong bình
NH2
Nhiệt độ xúc tác
Kjeldahl vào bình chưng cất, dùng nước cất tráng đi tráng lại bình vài lần, nước tráng cũng chuyển cả vào bình chưng cất, cho vài giọt phenolphtalein 1% vào bình chưng cất. Sau đó thêm từ từ dung dịch NaOH 30% vào bình chưng cất cho đến khi dung dịch trong bình có màu đỏ hoặc tím đỏ là được. Dùng nước cất tráng đường ống dẫn vào bình chưng cất.
Lắp kín thiết bị, cho nước chảy vào ống sinh hàn rồi bắt đầu chưng cất,