Nghiên cứu về sản lượng rong biển tại Việt Nam và Khánh Hòa:
Hiện nay tại Việt Nam chưa có bất kỳ tác giả nào công bố kết quả nghiên cứu về sản xuất ethanol sinh học từ rong biển mà chỉ dừng nghiên cứu khảo sát sản lượng rong biển phục vụ sản xuất ethanol và nghiên cứu một số thành phần hóa học của một số loại rong có tại Việt Nam, trong đó có hàm lượng polysaccharide, như tác giả Lê Như Hậu và cộng sự của Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang với 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” năm 2010 đã công bố, trữ lượng các ngành rong biển tại Nha Trang như sau: Khu vực vịnh Nha Trang có diện tích rong Mơ 546.20hạ Rong Mơ phát triển thành thảm với sinh lượng trung bình đạt 571.90g khô/m2, trữ lượng 4840.4 tấn khô/năm. Rong Đỏ là 231.97 tấn khô/năm và rong lục là 16.53 tấn khô/năm[5]. Tác giả cũng công bố kết quả nghiên cứu
trong báo cáo hội nghị khoa học nhân dịp kỷ niệm 35 năm Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam diễn ra tại Hà Nội vào tháng 10 năm 2010 là Rong biển Việt Nam gồm những chi có sản lượng lớn Sargassum, Hormophysa, Hydroclathrus (rong nâu); Gracilaria, Hydropuntia, Hypnea, Kappaphycus (Rong Đỏ); Ulva,
Chaetomorpha, Cladophora (Rong Lục), hiện nay có thể khai thác 79,126.3 tấn rong khô trên diện tích 75,322.0 hạ Diện tích mặt nước có tiềm năng nuôi trồng và khai thác rong biển trong thời kỳ 2010-2015 khoảng 900,000 ha với sản lượng 600- 700,000 tấn khô/năm.[5]Như vậy, rong biển Việt Nam, cũng như rong biển tại các vùng biển Khánh Hòa có trữ lượng rất lớn, có khả năng đáp ứng nguồn nguyên liệu cho công nghệ sản xuất ethanol sinh học ở quy mô công nghiệp bằng khai thác nguồn nguyên liệu tự nhiên và nuôi trồng bằng mô hình kết hợp hoặc luân canh trong các ao nuôi tôm và ở các bãi triều ven biển, đặc biệt vùng ven biển Nha Trang các nhóm rong có trữ lượng lớn là rong đỏ, rong lục và rong mơ.
Như vậy, từ các tài liệu đã công bố tại Việt Nam và trên thế giới cho thấy, sản lượng rong biển rất dồi dào với giá thành thấp, trong rong biển chứa một hàm lượng cacbonhydrat cao nên việc sử dụng rong biển để sản xuất ethanol sinh học là khả thị
CHƯƠNG IỊ ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu
2.1.1. Rong nâu
Rong nâu: Sargassum mcclure (S.mcclure), Sargassum polycystum (S.polycystum), Sargassum microcystum (S.microcystum), Sargassum binderi (S.binderi). Rong được mua tại các đầu nậu từ Nha Trang. Rong đã được phơi khô và chứa trong các túi PP, được bảo quản ở nơi khô ráo thoáng mát. Sau đó vận chuyển về phòng thí nghiệm dùng dần.
Rong sau khi đem về được xử lý để loại các tạp chất cũng như các loài rong tạp. Sau đó được bảo quản ở điều kiện như trên. Mỗi lần thí nghiệm sẽ lấy một ít đem đi cắt và xay nhỏ. Yêu cầu rong không được có các hiện tượng như bị ẩm, bị mốc trên bề mặt rong.
(a) (b)
(c) (d)
Hình 2.1. Các loại rong nâu được sử dụng trong nghiên cứu (a) S.microcystum,
2.1.2. Nấm men Saccharomyces cerevisiae
Có tên thương mại là nấm men Themosacc Dry yeast, sản phẩm của hãng Lauemanol – Canadạ Thường dùng để lên men rượu, cồn. Nấm men được mua từ Công ty TNHH Thương mại – Dịch vụ Nam Giang, TP. Hồ Chí Minh. Sau khi mua về phải được bảo quản trong ngăn mát tủ lạnh.
Hình 2.2. Nấm men Saccharomyces cerevisiae
2.1.3. Dụng cụ và hóa chất 2.1.3.1. Dụng cụ 2.1.3.1. Dụng cụ
Bình tam giác, cốc thủy tinh, bình định mức, cốc đong, đũa thủy tinh, ống bóp cao su, pipet, buret, phễu lọc.
2.1.3.2. Thiết bị
Các thiết bị trên các phòng thí nghiệm.
Bảng 2.1. Một số thiết bị sử dụng trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp
Tên máy – thiết bị Thông số kỹ thuật Xuất xứ
CÂN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ BL 320 H - Sản xuất năm 2009. - Độ chính xác 0.001g . - Độ lặp lại : 0.001 g - Độ tuyến tính : 0.003 g
- Đường kính của đĩa cân : 100 x 100 mm - Hiển thị số trên màn hình
SHIMAZU Nhật Bản
- Chuẩn cân tự động - Dùng adaptor : 220V - Kích thước cân:
W213xD342xH153 (mm)
MÁY CÔ QUAY CHÂN KHÔNG RV10 - Sản xuất năm 2009. - Khoảng tốc độ quay: 20 - 270 vòng/phút, hiển thị số tốc độ quaỵ
- Chiều dài khoảng nâng hạ : 140 mm - Khoảng góc điều chỉnh : 0 – 450
- Khoảng nhiệt độ của bếp gia nhiệt từ nhiệt độ môi trường đến 1800C với sai số là +/- 10C.
- Điều kiện môi trường làm việc: nhiệt độ: 5 – 400C, độ ẩm: 80%. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Máy được bố trí cổng RS232 và USB để kết nối với các thiết bị ngoại vi khác.
IKA Đức Máy đo pH để bàn Winlab - Khoảng đo pH: -1 – 15 pH - Độ phân giải pH: 0.01 pH - Độ chính xác: +/- 0.01pH (250C)/ : +/- 0.04pH (00C…. 500C) - Khoảng đo điện thế: từ - 2000 đến + 2000 mV.
- Độ phân giải: 1 mV.
- Khoảng đo nhiệt độ: -5 đến +150 0C. - Độ phân giải nhiệt độ: 0.10C.
- Bảo quản đầu dò điện cực bằng muối KCl bão hòạ
- Điện thế: Pin kiềm AA
BỂ LÀM LẠNH TUẦN HOÀN VS – 1902 WF - Sản xuất năm 2009. - Dãi nhiệt độ làm lạnh : - 20…+ 1500C - Kích thước : 325 x 290 x 150 mm - Diện tích làm việc : 350 x 290 mm - Thể tích sử dụng : 14 lít - Độ chính xác nhiệt độ: +/-0.10C tại 370C
- Điều khiển nhiệt độ PID
- Chức năng an toàn khi quá nhiệt và có sensor đo mức nước
VISION Hàn quốc
Máy khuấy từ gia nhiệt
RH basic KTC
- Dung tích khuấy: 15 lít
- Tốc độ khuấy: 100 – 200 rpm - Công suất khuấy: 500W - Nhiệt độ đạt: 3200C - Điện thế: 230V IKA/Đức NỒI HẤP TIỆT TRÙNG LOẠI 110 LÍT - Thể tích buồng làm việc: 110lít - Kích thước ngoài: Hãng sản xuất: Hiraya ma-Nhật
2.1.3.3. Hóa chất
Các hóa chất được sử dụng đều có xuất xứ Trung Quốc, đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng về hóa chất sử dụng trong thí nghiệm thực hành.
WxHxD: 660x1180x650mm (chiều cao khi mở nắp H=1610mm)
- Kích thước buồng mẫu: f x D = 420x795mm
- Nguồn điện sử dụng: 220V/50Hz - Công suất điện tiêu thụ: 4KW - Trọng lượng (xấp xỉ): 81kg
- Khoảng nhiệt độ tiệt trùng: 105 đến 1350C.
- Áp suất hấp sấy tiệt trung lớn nhất: 2.6 bar (0.26Mpa).
- Phạm vi hiển thị nhiệt độ: 5 đến 1350C - Nhiệt độ để giữ ấm: 45-600C
- Phạm vị nhiệt độ cài đặt để hấp sấy agar: 60 đến 1000C
- Buồng hấp sấy mẫu bằng thép không rỉ: SUS304
- Thời gian tiệt trùng: 1 đến 250phút có thể cài đặt
- Thời gian hoạt động theo chu trình tự động từ 1 đến 7 ngày
- Đồng hồ đo áp: 0 tới 0.4Mpa
Bảng 2.2. Một số hóa chất sử dụng trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp Một số chỉ tiêu chất lượng Hóa chất Trạng thái, tính chất Độ tinh khiết (>= %) Cl (<= %) SO4 (<= %) Fe (<= %) As (<= %) Acid sunfuric Chất lỏng sánh không màu CTPT: H2SO4 M= 98.08 95 – 98 0.0003 - 0.00005 0.000003 Acid ascorbic Chất rắn khang màu trắng CTPT: C6H8O6 M= 176.12 - - - - - Sắt (III) sunfat Chất rắn khang màu trắng Fe2(SO4)3 Thành phần không hòa tan (<= 0.001%) 0.0002 0.1 0.01 0.0005 KaliNatri Tatrat Tinh thể màu trắng C4H4O6KNạ .4H2O M= 282.22 99 0.001 0.005 - - Xút Chất rắn khang màu trắng CTPT: NaOH M= 40 96 0.005 0.005 - - Acid acetic Chất lỏng sánh không màu CH3COOH 99.5 0.001 0.0002 0.001 -
Natri acetat Tinh thể màu trắng CH3COONa pH= 7.5-9.0 99 0.002 - - - Đồng Sunfat Tinh thể màu xanh dương CuSO4.5H2O M= 249.68 99 0.001 - 0.003 -
2.2. Nội dung nghiên cứu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Xác định hàm lượng cacbonhydrat trong rong nâu Sargassum polycystum.
Xác lập các điều kiện thủy phân tối ưu bằng một số loại acid.
Xác lập các điều kiện lên men ethanol tối ưu từ dịch thủy phân.
Chưng cất thu hồi ethanol từ dịch lên men.
2.3. Phương pháp nghiên cứu và xử lý số liệu 2.3.1. Phương pháp nghiên cứu 2.3.1. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1.1. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu
ạ Xác định hàm lượng cacbonhydrat trong rong biển theo (AOAC 986.25) Cacbonhydrat (%) = Tổng hàm lượng chất khô – (lipit + protein + tro)
Phân tích hàm lượng tro theo (AOAC 938.08)
Nguyên tắc chung: Tro hoá mẫu bằng nhiệt. Sau đó xác định hàm lượng tro bằng phương pháp khối lượng và xác định độ kiềm của tro bằng phương pháp chuẩn độ.
Phân tích độ ẩm theo TCVN 3700-90
Nguyên tắc chung: Dùng nhiệt để loại bỏ nước khỏi mẫu thử. Hiệu số khối lượng của mẫu thử trước và sau khi sấy khô là lượng ẩm có trong mẫụ
Phân tích hàm lưọng chất béo thô theo TCVN 3703-2009
Nguyên tắc chung: Dùng dung môi hữu cơ chiết rút mỡ của mẫu thử trong máy soclet. Sấy và cân lượng mỡ đã được chiết rút.
Phân tích hàm lượng protein thô theo TCVN 3705-90
Nguyên tắc chung: Vô cơ hóa mẫu thử bằng axit sunfuric đậm đặc, nitơ có trong mẫu thử chuyển thành amon sunfat. Dùng kiềm đặc đẩy amoniac ra khỏi amon sunfat trong máy cất đạm, tạo thành amon hydroxyt, rồi định lượng bằng axit. b. Phương pháp xác định thành phần các loại đường bằng sắc ký trao đổi ion hiệu năng cao trên máy GC-FID Agilent (Mỹ) HP3ICS-3000, cột phân cực nhẹ, SP 17 A, đầu dò PID.
2.3.1.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm
Bố trí thí nghiệm xác định hàm lượng cacbonhydrat trong rong nâu
Sargassum polycystum theo phương pháp cổ điển.
Bố trí thí nghiệm xác lập các điều kiện thủy phân tối ưu bằng một số loại acid theo phương pháp cổ điển.
Bố trí thí nghiệm xác lập các điều kiện lên men ethanol tối ưu từ dịch thủy phân theo phương pháp cổ điển.
2.3.2. Phương pháp xử lý số liệu
Xử lý số liệu nghiên cứu theo phương pháp thống kê, mỗi thí nghiệm làm 3 lần. Kết quả là trung bình cộng của các lần thí nghiệm, xử lý số liệu bằng phần mềm Microsoft Excel 2007, SPSS 16.0.
2.4. Bố trí thí nghiệm
2.4.1. Bố trí thí nghiệm tổng quát 2.4.1.1. Quy trình nghiên cứu dự kiến 2.4.1.1. Quy trình nghiên cứu dự kiến
Hình 2.3. Sơ đồ quy trình dự kiến thu nhận ethanol sinh học từ dịch rong nâu thủy phân bằng acid.
Nhiệt độ thường Rong nâu
khô
Bổ sung nước
Nhiệt độ thủy phân Nồng độ acid Trung hòa Thủy phân bằng acid Lọc Dịch thủy phân Ethanol Loại acid
Thời gian thủy phân Xử lý, xay nhỏ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Lên men
Chưng cất
pH môi trường Tỷ lệ nấm men
Thời gian lên men Bã
2.4.1.2. Thuyết minh sơ đồ quy trình
Nguyên liệu
Thu nhận rong nâu sau khi được phơi khô, nếu không sử dụng ngay phải bảo quản rong nâu khô trong điều kiện tốt nhất 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.
Tiến hành cắt và xay nhỏ để thuận lợi cho công đoạn thủy phân tiếp theọ
Bổ sung nước
Nước là nhân tố không thể thiếu trong quá trình thủy phân. Nước tạo môi trường thuận lợi để phản ứng thủy phân diễn ra nhanh chóng và đạt hiệu suất cao nhất. Nước được dùng là nước cất một lần.
Thủy phân
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
Cho dung dịch acid vào hỗn hợp nước và rong nâu khô đã được cắt xay nhỏ. Sau đó, tiến hành thủy phân trong thiết bị hấp vô trùng (autoclave) ở nhiệt độ và áp suất caọ
Lọc
Lọc nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc xác định các chỉ tiêu hóa học và các công đoạn kế tiếp. Sau khi tiến hành thủy phân tiến hành lọc bằng vải và bông lọc, loại bỏ bã rong nâụ
Trung hòa dịch thủy phân
Công đoạn này nhằm mục đích trung hòa lượng dung môi acid đem đi thủy phân, để tạo môi trường thuận lợi cho nấm men hoạt động sau nàỵ
Tiến hành trung hòa dịch thủy phân bằng dung dịch NaOH 20% và NaOH 1% với chất chỉ thị là phenolphtalein 1%.
Lên men
Mục đích của công đoạn này là chuyển hóa các loại đường đơn có trong dịch thủy phân rong nâu thành ethanol sinh học.
Tiến hành lên men với pH môi trường, tỷ lệ nấm men và thời gian lên men thích hợp. Lên men ở nhiệt độ phòng.
Chưng cất
Sau khi lên men, tiến hành chưng cất để thu lượng ethanol được tạo thành. 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.
2.4.2. Bố trí thí nghiệm chi tiết
2.4.2.1. Bố trí thí nghiệm xác định chế độ thủy phân cacbonhydrat trong rong nâu Sargassum polycystum nâu Sargassum polycystum
ạ Bố trí thí nghiệm lựa chọn loại acid thủy phân cacbonhydrat trong rong nâu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sargassum polycystum thích hợp
Mục đích
Theo một số tài liệu cho thấy, acid ascorbic và acid sunfuric có khả năng thủy phân cacbonhydrat trong rong nâu để tạo ra các đường có khả năng lên men ethanol. Vì vậy tôi tiến hành thí nghiệm với 2 acid: acid sunfuric và acid ascorbic.
Cách tiến hành
Chuẩn bị 3 mẫu thí nghiệm.
Thủy phân ở cùng điều kiện - Khối lượng mẫu: 5g.
- Nhiệt độ thủy phân: 1100C. - Thời gian thủy phân: 100 phút.
Mỗi mẫu cân 5g rong nâu khô đã được xử lý, xay nhỏ. Cho vào bình tam giác 250ml. Sau đó cho thêm 100ml nước cất. Tiến hành bọc kín bình, đem thủy phân ở nhiệt độ 1100C , thời gian 100 phút với các mẫu như sau: mẫu 1 (không bổ sung acid), mẫu 2 ( bổ sung 1% acid sunfuric), mẫu 3 (bổ sung 1% acid ascorbic). Tiếp đó lọc loại bã và xác định hàm lượng đường khử của các mẫu dịch lọc. Từ đó lựa chọn acid thích hợp cho thủy phân rong nâụ
Sơ đồ bố trí thí nghiệm
Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định loại acid thủy phân thích hợp.
Rong nâu khô
Phân loại, xay nhỏ (m=5g)
Bổ sung nước(V=100ml)
Thủy phân
(t0=1100C, T=100 phút)
Lọc
Kiểm tra lượng đường khử
Acid sunfuric 1% Không có acid Acid ascorbic 1%
b. Bố trí thí nghiệm xác định nồng độ acid thủy phân cacbonhydrat trong rong nâu Sargassum polycystum
Mục đích
Sau khi lựa chọn được loại acid thủy phân cacbonhydrat trong rong nâu
Sargassum polycystum thích hợp, tôi tiến hành thí nghiệm xác định nồng độ acid thủy phân. Xác định được nồng độ acid nhằm nâng cao hiệu suất thủy phân và tiết kiệm hóa chất cũng như chi phí thực hiện.
Cách tiến hành
Chuẩn bị 7 mẫu thí nghiệm.
Thủy phân ở cùng điều kiện: - Khối lượng mẫu: 5g.
- Nước cất bổ sung: 100 ml. - Nhiệt độ thủy phân: 1100C. - Thời gian thủy phân: 100 phút.
- Loại acid: kết quả thí nghiệm mục 2.4.2.1_ạ
Mỗi mẫu cân 5g rong nâu khô đã được xử lý, xay nhỏ. Cho vào bình tam giác 250ml. Sau đó cho thêm 100ml nước cất. Sau đó bổ sung loại acid đã được xác định ở thí nghiệm mục 2.4.2.1_a với 7 mẫu ở các nồng độ tương ứng: 0.5%; 1%; 2%; 3%; 4%; 5%; 6%. Tiến hành bọc kín bình, đem thủy phân ở nhiệt độ 1100C, thời gian 100 phút. Tiếp đó lọc loại bã và xác định hàm lượng đường khử của các mẫu dịch lọc. Từ đó lựa chọn nồng độ acid thích hợp cho quá trình thủy phân