nâu thủy phân
ạ Bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ nấm men sử dụng
Mục đích
Xác định được tỷ lệ nấm men Saccharomyces cerevisiae bổ sung vào dịch thủy phân để quá trình lên men diễn ra đạt hiệu quả và tiết kiệm chi phí nhất.
Cách tiến hành
Chuẩn bị 6 mẫu thí nghiệm.
Lên men ở cùng điều kiện: - Khối lượng mẫu: 5 g - pH môi trường: 5
- Nhiệt độ lên men: nhiệt độ phòng - Thời gian lên men: 3 ngày
Cân 5 g rong nâu khô đã được xử lý, xay nhỏ. Cho vào bình tam giác 250ml. Sau đó cho thêm 100ml nước cất. Sử dụng kết quả của các thí nghiệm xác định chế độ thủy phân để thu được dịch thủy phân. Tiếp đó lọc loại bã và trung hòa lượng acid trong dịch bằng dung dịch NaOH 20% với chỉ thị là dung dịch phenolphtalein 1%. Rồi điều chỉnh pH môi trường bằng dung dịch đệm CH3COOH/CH3COONa có pH=5. Tiếp theo, bổ sung nấm men với tỷ lệ tương ứng là 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%. Đem mẫu lên men ở nhiệt độ phòng với thời gian lên men là 3 ngàỵ Chú ý phải khuấy đảo dịch lên men trong 24h đầụ Sau đó đem mẫu đi chưng cất ethanol bằng thiết bị cô quay chân không với số vòng quay 30 vòng/phút, nhiệt độ 500C, áp suất <100 mbar và thời gian cô quay là 60 phút. Tiến hành xác định thể tích dịch thu hồi, xác định hàm lượng đường khử còn sót. Sau khi có kết quả đánh giá, lựa chọn mẫu cho hàm lượng đường còn lại thấp nhất.
Sơ đồ bố trí thí nghiệm
Hình 2.8. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ nấm men bổ sung thích hợp.
Chưng cất Điều chỉnh pH
Kiểm tra lượng đường còn lại Lên men Bổ sung nấm men 0.5% 1% 1.5% 2% 2.5% 3% Xác định tỷ lệ nấm men thích hợp
Rong nâu khô Phân loại, xay nhỏ
(m=5 g)
Bổ sung nước (V=100 ml) Bổ sung acid
Thủy phân
Trung hòa dịch thủy phân
b. Bố trí thí nghiệm xác định pH môi trường lên men thích hợp
Mục đích
Điều chỉnh pH môi trường nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển tăng sinh khối của nấm men, để quá trình lên men đạt hiệu quả tốt nhất.
Cách tiến hành
Chuẩn bị 4 mẫu thí nghiệm.
Lên men ở cùng điều kiện: - Khối lượng mẫu: 5 g.
- Tỷ lệ nấm men: kết quả thí nghiệm mục 2.4.2.2_ạ - Nhiệt độ lên men: nhiệt độ phòng.
- Thời gian lên men: 3 ngàỵ
Cân 5 g rong nâu khô đã được xử lý, xay nhỏ. Cho vào bình tam giác 250ml. Sau đó cho thêm 100 ml nước cất. Sử dụng kết quả của các thí nghiệm xác định chế độ thủy phân để thu được dịch thủy phân. Tiếp đó lọc loại bã và trung hòa lượng acid trong dịch bằng dung dịch NaOH 20% với chỉ thị là dung dịch phenolphtalein 1%. Rồi điều chỉnh pH môi trường bằng dung dịch đệm CH3COOH/CH3COONa có pH tương ứng là 4; 4.5; 5; 5.5. Tiếp theo, bổ sung nấm men với tỷ lệ tương ứng kết quả thí nghiệm mục 2.4.2.2_ạ Đem mẫu lên men ở nhiệt độ phòng với thời gian lên men là 3 ngàỵ Chú ý phải khuấy đảo dịch lên men trong 24h đầụ Sau khi lên men đủ thời gian, đem mẫu đi chưng cất ethanol bằng thiết bị cô quay chân không với số vòng quay 30 vòng/phút, nhiệt độ 500C, áp suất <100 mbar và thời gian cô quay là 60 phút. Tiến hành xác định thể tích dịch thu hồi, xác định hàm lượng đường khử còn lạị Sau khi có kết quả đánh giá, lựa chọn mẫu cho hàm lượng đường còn lại thấp nhất.
Sơ đồ bố trí thí nghiệm
Hình 2.9. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định pH môi trường lên men thích hợp.
4 4.5 5 5.5
Rong nâu khô Phân loại, xay nhỏ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(m=5 g)
Bổ sung nước (V=100 ml) Bổ sung acid
Thủy phân
Trung hòa dịch thủy phân
Lọc
Điều chỉnh pH
Bổ sung nấm men
Chưng cất
Kiểm tra lượng đường còn lại
Lên men
Chọn pH lên men thích hợp
c. Bố trí thí nghiệm xác định thời gian lên men
Mục đích
Việc bố trí thí nghiệm xác định thời gian lên men thích hợp nhằm để tận thu được lượng sinh khối nấm men cao nhất, đồng thời cũng nhằm tiết kiệm thời gian và chi phí lên men.
Cách tiến hành
Chuẩn bị 5 mẫu thí nghiệm.
Lên men ở cùng điều kiện: - Khối lượng mẫu: 5 g.
- Tỷ lệ nấm men: kết quả thí nghiệm mục 2.4.2.2_ạ - Nhiệt độ lên men: nhiệt độ phòng.
- pH môi trường: kết quả thí nghiệm 2.4.2.2_b.
Cân 5 g rong nâu khô đã được xử lý, xay nhỏ. Cho vào bình tam giác 250ml. Sau đó cho thêm 100 ml nước cất. Sử dụng kết quả của các thí nghiệm xác định chế độ thủy phân để thu được dịch thủy phân. Tiếp đó lọc loại bã và trung hòa lượng acid trong dịch bằng dung dịch NaOH 20% với chỉ thị là dung dịch phenolphtalein 1%. Rồi điều chỉnh pH môi trường bằng dung dịch đệm CH3COOH/CH3COONa có pH thích hợp xác định ở thí nghiệm mục 2.4.2.2_b. Tiếp theo, bổ sung nấm men với tỷ lệ tương ứng kết quả thí nghiệm 2.4.2.2_ạ Đem mẫu lên men ở nhiệt độ phòng với thời gian lên men tương ứng là 2 ngày; 3 ngày; 4 ngày; 5 ngày và 6 ngàỵ Chú ý phải khuấy đảo dịch lên men trong 24h đầụ Sau khi lên men đủ thời gian, đem mẫu đi chưng cất ethanol bằng thiết bị cô quay chân không với số vòng quay 30 vòng/phút, nhiệt độ 500C, áp suất <100 mbar và thời gian cô quay là 60 phút. Tiến hành xác định thể tích dịch thu hồi, xác định hàm lượng đường khử còn lạị Sau khi có kết quả đánh giá, lựa chọn mẫu cho hàm lượng đường còn lại thấp nhất.
Sơ đồ bố trí thí nghiệm
Hình 2.10. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định thời gian lên men thích hợp.
Điều chỉnh pH
Bổ sung nấm men
Rong nâu khô Phân loại, xay nhỏ
(m=5 g)
Bổ sung nước (V=100 ml) Bổ sung acid
Thủy phân
Trung hòa dịch thủy phân
Lọc (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Lên men
Chưng cất
Kiểm tra lượng đường còn lại
Chọn thời gian lên men thích hợp
CHƯƠNG IIỊ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả xác định hàm lượng cacbonhydrat trong một số loại rong nâu
Kết quả hàm lượng cacbonhydrat trong một số loại rong nâu khai thác tại vùng biển Nha Trang được thể hiện qua các hình 3.1 dưới đây:
Hình 3.1. Hàm lượng cacbonhydrat của một số loại rong nâu tại vùng biển Nha Trang
Nhận xét:
Từ các kết quả về hàm lượng của một số loại rong nâu phổ biến ở vùng biển Nha Trang, qua hình 3.1 cho thấy:
- Hàm lượng cacbonhydrat giữa các loại rong khác nhau là khác nhaụ Trong đó rong S.polycystum có hàm lượng cacbonhydrat cao nhất (66.83%), còn 3 loại rong còn lại cũng có hàm lượng cacbonhydrat tương đối cao nhưng thấp hơn
Thảo luận:.
Từ các kết quả và phân tích trên cho thấy rong nâu Sargassum polycystum là loài có hàm lượng cacbonhydrat rất cao, thích hợp làm nguyên liệu sản xuất ethanol sinh học.
3.2. Kết quả xác định chế độ thủy phân cacbonhydrat trong rong nâu
Sargassum polycystum
3.2.1. Kết quả xác định acid thủy phân cacbonhydrat trong rong nâu
Sargassum polycystum
Tiến hành bố trí thí nghiệm theo sơ đồ hình 2.4, mục 2.4.2.1_ạ Thu được kết quả thể hiện trên hình 3.2 như sau:
Hình 3.2. Sự thay đổi hàm lượng đường khử khi thủy phân bằng các loại acid khác nhaụ
Nhận xét:
Từ kết quả của hình 3.2 cho thấy, khi thủy phân cacbonhydrat trong rong nâu
Sargassum polycystum bằng các loại acid khác nhau thu được hàm lượng đường khử cũng khác nhaụ
Cụ thể hàm lượng đường khử tạo thành của mẫu thủy phân không bổ sung acid là thấp hơn so với 2 mẫu thủy phân có bổ sung acid.
- Mẫu thủy phân không bổ sung acid có kết quả là 2.3 mg. - Mẫu thủy phân bằng acid ascorbic thu được 16.67 mg.
- Mẫu thủy phân bằng acid sunfuric thu được 29 mg. Đây là dung môi cho kết quả cao nhất trong các loại dung môi được chọn làm thí nghiệm.
Từ kết quả nghiên cứu trên cho thấy mẫu thủy phân bằng acid sunfuric cho hàm lượng đường khử cao gấp 1.8 lần so với mẫu thủy phân bằng acid ascorbic và gấp 12.6 lần so với mẫu không bổ sung acid.
Giữa các mẫu có sự khác biệt được thể hiện qua các chữ cái a, b, c qua xử lý số liệu bằng phần mềm SPSS 16.0.
Thảo luận
Kết quả trên có thể được giải thích như sau:
Mục đích chính của quá trình thủy phân rong nâu là nhằm cắt đứt các liên kết glucocid trong các hợp chất cacbonhydrat để tạo thành các monosaccharide hòa tan, đồng thời cũng nhằm tạo điều kiện thuận lợi để khuếch tán các đường hòa tan vào dịch thủy phân. Tuy nhiên, các đường hòa tan này lại nằm bên trong cấu trúc rong mà cấu trúc ngoài của rong chủ yếu là cellulosẹ
Cellulose là một hợp phần cao phân tử, đơn vị mắc xích là các β-D-glucosẹ Cellulose do các mắc xích β-D-Glucose liên kết với nhau bằng liên kết 1.4 Glucozit do vậy liên kết này thường không bền trong các phản ứng thủy phân. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong môi trường nước nhiệt độ cao tốc độ thủy phân của cellulose rất chậm. Nhưng trong môi trường acid thì phản ứng này diễn ra với tốc độ nhanh hơn. Vì vậy các liên kết bên ngoài tế bào bị cắt đứt, tạo điều kiện cho các đường hòa tan được
khuếch tán ra dịch thủy phân. Vì vậy hàm lượng đường khử xác định được ở 2 mẫu thủy phân bằng acid là cao đáng kể so với mẫu không bổ sung aicd.
Ngoài cellulose, các polysaccharide khác như laminarin, fuccodan cũng dễ bị thủy phân trong môi trường acid. Vì vậy hàm lượng các đường đơn tạo thành và khuếch tán vào dịch thủy phân càng nhiềụ
Có sự khác nhau giữa 2 mẫu thủy phân acid là do hoạt độ xúc tác của acid sunfuric cao hơn nên các liên kết cao phân tử bị bẻ gãy nhiều hơn, tạo điều kiện cho các sản phẩm thủy phân cũng như các đường hòa tan được giải phóng triệt để hơn.
Từ các số liệu và phân tích ở trên cho ta thấy khi sử dụng acid sunfuric làm dung môi xúc tác thì quá trình thủy phân rong nâu diễn ra triệt để và hiệu quả thủy phân cao hơn cả.
3.2.2. Kết quả xác định nồng độ acid thủy phân cacbonhydrat trong rong nâu
Sargassum polycystum
Tiến hành bố trí thí nghiệm theo sơ đồ hình 2.5, mục 2.4.2.1_b. Thu được kết quả thể hiện trên hình 3.3 như saụ
Hình 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ acid đến hàm lượng đường khử tạo thành
Nhận xét:
Từ kết quả nghiên cứu trên hình 3.3 cho thấy, hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân phụ thuộc vào hàm lượng acid sunfuric bổ sung. Khi nồng độ acid tăng thì hàm lượng đường khử cũng tăng và đạt cực đại tại nồng độ 3% (35.67 mg). Từ nồng độ 4% trở đi, hàm lượng đường khử có xu hướng giảm dần (ở 4% thì hàm lượng đường khử trung bình là 31.6 mg, còn ở nồng độ 6% hàm lượng đường khử xác định được chỉ là 18.33 mg).
Có sự khác biệt giữa các mẫu được thể hiện qua các chữ cái a, b, c, d, cd, ẹ Hàm lượng đường khử tạo thành khi bổ sung acid ở nồng độ 2% (34.4 mg) và 3% (35.67 mg) gần tương đương nhau qua xử lý số liệu bằng phần mềm SPSS 16.0.
Thảo luận
Quá trình thủy phân rong nâu bằng acid là do sự xúc tác của: nhiệt độ và acid làm cho các liên kết trong các hợp phần cao phân tử bị phân cắt, sau đó sản phẩm thủy phân được tách ra khỏi cơ chất và khuếch tán vào trong dung dịch, dẫn đến tăng độ hòa tan của các phân tử trong nước.
Nồng độ acid quá thấp sẽ tạo điều kiện không thuận lợi cho phản ứng thủy phân, hàm lượng các đường hòa tan tạo thành sẽ không triệt để.
Khi bổ sung acid đến một lượng nhất định thì hàm lượng các polysaccharide như: laminarin, fuccoidin đã phân giải một lượng lớn so với hàm lượng có sẵn trong nguyên liệụ
Nồng độ acid quá cao sẽ phá hủy bản chất của các đường đơn, làm suy giảm hàm lượng các đường này trong dịch thủy phân. Đồng thời, nếu nồng độ cao thì mức độ ăn mòn thiết bị tăng, gây lãng phí trong quá trình sản xuất ở quy mô lớn.
Từ các số liệu và phân tích ở trên cho ta thấy khi thủy phân rong nâu bằng acid sunfuric đậm đặc ở nồng độ 2% thì hiệu suất thủy phân là tốt hơn cả.
3.2.3. Kết quả xác định nhiệt độ thủy phân cacbonhydrat trong rong nâu
Sargassum polycystum
Tiến hành bố trí thí nghiệm theo sơ đồ hình 2.6, mục 2.4.2.1_c. Thu được kết quả thể hiện trên hình 3.4 như saụ
Hình 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân tới hàm lượng đường khử tạo thành
Nhận xét:
Kết quả phân tích (hình 3.4) cho thấy, nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể trong quá trình thủy phân rong nâu bằng acid sunfuric.
Cụ thể, ở nhiệt độ thấp 1000C, hàm lượng đường khử chỉ là 22.7 mg. Khi thay đổi nhiệt độ thì hàm lượng đường khử càng tăng và đạt cực đại tại 1200C (hàm lượng đường khử là 41.5 mg gấp 1.8 lần so với kết quả tại 1000C).
Tuy nhiên, nếu tăng nhiệt độ lên 1250C thì hàm lượng đường khử có xu hướng giảm với tốc độ giảm không đáng kể (40.06 mg).
Có sự khác biệt giữa các mẫu được thể hiện bằng các chữ cái a, b, c. Trong đó, kết quả hàm lượng đường khử là tương đương nhau tại các cặp thời điểm: 1000C và 1050C; 1100C và 1150C; 1200C và 1250C qua xử lý số liệu bằng phần mềm SPSS 16.0.
Thảo luận
Kết quả trên có thể được giải thích như sau:
Rong nâu phơi khô nên hàm lượng chất khô sẽ tăng, khi cắt và xay nhỏ thì cấu trúc tế bào của rong một phần bị phá vỡ. Đây là điều kiện thuận lợi để acid có thể ngấm sâu và tăng cường tiếp xúc với cơ chất. Khi nhiệt độ càng cao thì các tế bào rong nâu giản nở tối đa nên sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thủy phân cũng như khuếch tán các đường đơn ra ngoài dung dịch. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hoạt lực xúc tác của acid sunfuric càng tăng khi nhiệt độ thủy phân càng tăng. Vì vậy, các liên kết cao phân tử sẽ nhanh chóng bị bẽ gãỵ Nhiệt độ thủy phân thấp thì khả năng tương tác giữa cơ chất và chất xúc tác yếu hơn, khả năng tương tác lên các liên kết cao phân tử cũng kém hơn, nên phản ứng thủy phân diễn ra chậm hơn, do đó hàm lượng đường khử tạo thành ít hơn. Tuy nhiên, khi nhiệt độ quá cao thì một phần các đường đơn sẽ bị phá hủy trong môi trường acid, vì vậy có sự giảm hàm lượng đường khử khi tăng nhiệt độ thủy phân.
Tổng hợp các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân rong Nâu khô Sargassum polycystum bằng acid sunfuric đậm đặc ở nồng độ 2%, cho phép chúng ta chọn nhiệt độ thủy phân ở 1200C là thích hợp nhất.
3.2.4. Kết quả xác định thời gian thủy phân
Tiến hành bố trí thí nghiệm theo sơ đồ hình 2.7, mục 2.4.2.1_d. Thu được kết quả thể hiện hình 3.5 như saụ
Hình 3.5. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến hàm lượng đường khử tạo thành
Nhận xét:
Kết quả phân tích ở hình 3.5 cho thấy, khi thủy phân cùng một lượng rong nâu bằng acid tại các khoảng thời gian khác nhau thì hàm lượng đường khử tạo thành là khác nhaụ Ở giai đoạn đầu từ 60 phút (36.33 mg) đến 90 phút (34.67 mg) thì hàm lượng đường khử tạo thành tăng nhưng với tốc độ chậm. Càng tăng thời gian thủy phân thì hàm lượng đường khử tạo thành càng cao và đạt cực đại tại thời điểm 120 phút (kết quả là 47.33 mg, cao gấp 1.3 lần so với kết quả tại thời gian thủy phân là 60 phút). Tuy nhiên khi tiếp tục kéo dài thời gian thủy phân thì hàm lượng đường khử tạo thành có xu hướng giảm tại các thời điểm 150 phút (38.03 mg) và 180