Corn steep liquor là gì

Why Choose Us

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINHĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTẬN DỤNG BÃ CHƯNG CẤT HỐN HỢP LÊN MENRƠM RẠ THÀNH BIOETHANOL LÀM NGUỒNDINH DƯỠNG THAY THẾ BỘT NGÔCHUYÊN DỤNG TRONG QUÁ TRÌNHSẢN XUẤT BIOETHANOL THEO CÔNG NGHỆTHỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜINgành:CÔNG NGHỆ SINH HỌCChuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌCGiảng viên hướng dẫn : T.S NGUYỄN ĐÌNH QUÂNSinh viên thực hiệnMSSV: 1051110165: THÁI THỊ THÙY TRANGLớp: 10DSH02TP. Hồ Chí Minh, 2014Đồ án tốt nghiệpLỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từGiáo viên hướng dẫn là TS. Nguyễn Đình Quân. Các nội dung nghiên cứu và kếtquả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ côngtrình nghiên cứu nào trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việcphân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau cóghi trong phần tài liệu tham khảo. Ngoài ra, đề tài còn sử dụng một số nhận xét,đánh giá cũng như số liệu của các tác giả, cơ quan tổ chức khác, và cũng được thểhiện trong phần tài liệu tham khảo.Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệmtrước Hội đồng, cũng như kết quả luận văn của mình.Thái Thị Thùy TrangĐồ án tốt nghiệpLỜI CÁM ƠNTrong suốt bốn năm học tập và rèn luyện tại trường, luận văn tốt ngiệp là sảnphẩm đúc kết lại quá trình nghiên cứu và thực hành của sinh viên. Chính vì vậynhững kiến thức mà em đã tiếp thu được là nền tảng vững chắc giúp em hoàn thànhluận văn này. Em xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Công nghệ sinh học - Thựcphẩm - Môi trường, bộ môn Công nghệ sinh học trường đại học Công Nghệ T.p HồChí Minh đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ em trong thời gian qua.Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy TS. Nguyễn Đình Quân là người đãđưa em tới hướng nghiên cứu, đồng thời giúp đỡ về kiến thức cũng như tạo điềukiện để em hoàn thành tốt luận văn này.Em cũng xin cảm ơn chị Trần Phước Nhật Uyên, chị Vũ Lê Vân Khánh, anhPhạm Đình Đông đã nhiệt tình giúp đỡ emEm cũng xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn là chỗ dựa vững chắc trong họctập và là nguồn động lực rất lớn để em phấn đấu.Vì thời gian có hạn, kinh nghiệm lẫn kiến thức chuyên môn còn thiếu và dođiều kiện khách quan nên trong quá trình làm luận văn còn nhiều thiếu sót. Vì vậyem kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của Thầy cô cùng các bạn để em cóthế khắc phục những sai sót nhằm hoàn thiện hơn bài luận văn tốt nghiệp này.Em xin chân thành cảm ơn và gởi lời chúc thành công đến tất cả mọi người.Thái Thị Thùy TrangĐồ án tốt nghiệpMỤC LỤCTÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................1MỞ ĐẦU ....................................................................................................................2Đặt vấn đề ................................................................................................................2Lý do chọn đề tài và nhiệm vụ của luận văn ...........................................................3Lý do chọn đề tài: .................................................................................................3Nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn ......................................................................4CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU..................................................................51.1. Nguyên liệu lignocellulose ...............................................................................51.2. Enzyme cellulase ..............................................................................................71.3. Nấm men Saccharomyces cerevisiae ................................................................91.3.1. Hình thái và cấu tạo nấm men ..................................................................101.3.2. Sinh trưởng của nấm men.........................................................................111.4. Quá trình sản xuất ethanol từ rơm rạ ..............................................................131.4.1. Quy trình chung ........................................................................................131.4.2. Quy trình thực hiện..................................................................................131.4.2.1. Tiền xử lý: ..........................................................................................131.4.2.2. Thủy phân: ........................................................................................161.4.2.3. Lên men ..............................................................................................182.4.2.4. Chưng cất:.........................................................................................221.5. Đối tượng của luận văn ...................................................................................231.5.1. Đặt vấn đề ................................................................................................231.5.2. Bã lên men (SSF Residue) [15] ................................................................241.5.3. Corn steep liquor (CSL) ...........................................................................251.6. Các kỹ thuật chìa khóa cho quá trình lên men. ...............................................261.6.1. Thủy phân và lên men đồng thời (SSF).[20] ............................................261.6.2. Nhập liệu nhiều lần theo đợt. ..................................................................26CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ............282.1. Chuẩn bị nguyên liệu cho quá trình thí nghiệm.............................................29iĐồ án tốt nghiệp2.1.1. Rơm rạ ......................................................................................................29Hình 2.4. Máy cắt tinh ...................................................................................292.1.2. Nguồn dinh dưỡng bã lên men .................................................................312.1.3. Hoá chất sử dụng ......................................................................................324.1.3.1. Enzyme cellulase:...............................................................................334.1.3.2. Nấm men Saccharomyces cerevisiae .................................................332.1.3.3. Corn steep liquor (CSL): ...................................................................342.2. Tiến hành thí nghiệm ......................................................................................342.2.1. Định lượng Nitơ tổng bằng phân tích C H N.[21] ...................................342.2.2. Phân tích thành phần sơ sợi. .....................................................................362.2.2.1. Hóa chất và dụng cụ sử dụng: ...........................................................362.2.2.2. Cách tiến hành: ..................................................................................362.2.3. Phân tích hàm lượng Nitơ hòa tan bằng phương pháp Sorensen. ............382.2.4. Thủy phân và lên men đồng thời. .............................................................392.2.5.1. Nhân giống nấm men Saccharomyces cerevisiae ..............................402.2.5.1.1. Nhân giống men sử dụng bã SSF làm nguồn dinh dưỡng: .........402.2.5.1.2. Sử dụng dịch nước SSF làm môi trường và nguồn dinh dưỡng choquá trình nhân giống men: ..........................................................................422.2.5.1.3. Nhân giống men sử dụng CSL làm nguồn dinh dưỡng: ..............422.2.5.2. Thủy phân và lên men đồng thời. .......................................................422.2.5.2.1. Sử dụng bã SSF làm nguồn dinh dưỡng bổ sung cho quá trìnhSSF:..............................................................................................................452.2.5.2.2. Sử dụng dịch nước SSF làm môi trường và nguồn dinh dưỡng choquá trình SFF: .............................................................................................462.2.5.2.3. Sử dụng CSL làm nguồn dinh dưỡng bổ sung cho quá trình SSF:.....................................................................................................................462.2.5.2.4. Quá trình SSF không sử dụng dinh dưỡng bổ sung: ...................462.2.5.3. Quá trình SSF ở quy mô mini-pilot:...................................................47iiĐồ án tốt nghiệp2.2.5.3.1. Sử dụng bã SSF làm nguồn dinh dưỡng bổ sung cho quá trìnhSSF:..............................................................................................................472.2.5.3.2. Sử dụng dịch nước SSF làm môi trường và nguồn dinh dưỡng choquá trình SSF: ..............................................................................................48CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................503.1. Kết quả phân tích thành phần của rơm. ..........................................................503.1.1. Thành phần rơm khô trước nổ hơi............................................................503.1.2. Thành phần rơm rạ sau nổ hơi. .................................................................513.1.3. Thành phần rơm rạ sau tiền xử lý. ............................................................523.2. Kết quả phân tích xơ sợi các nguồn dinh dưỡng. ...........................................533.3. Kết quả phân tích đạm các nguồn dinh dưỡng. ..............................................543.3.1. Kết quả phân tích mẫu bằng máy phân tích nguyên tố CHN ...................543.3.2. Kết quả phân tích bằng phương pháp chuẩn độ formol (Sorensen) .........553.4. Kết quả nhân giống men: ................................................................................563.5. Kết quả thủy phân và lên men đồng thời: .......................................................573.6. Kết quả SFF ở thiết bị mini-pilot: ...................................................................59KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................61Kết luận ..................................................................................................................61Kết luận về thành phần rơm rạ trước và sau tiền xử lý. .....................................61Kết luận về kết quả phân tích thành phần dinh dưỡng có trong nguồn dinhdưỡng. .................................................................................................................61Kết luận về kết quả thủy phân và lên men đồng thời. ........................................61Kiến nghị................................................................................................................62TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................63PHỤ LỤC ...................................................................................................................1iiiĐồ án tốt nghiệpDANH MỤC CÁC BẢNGBảng 1.1 Thành phần hóa học của rơm rạ ..................................................................6Bảng 1.2. Tỉ lệ các thành phần trong rơm rạ ..............................................................6Bảng 1.3. Thành phần các chất có trong cấu trúc của nấm men được lạnh đông khô....................................................................................................................................10Bảng 1.4. Các thành phần hóa học trong nấm men đông khô[9] .............................10Bảng 1.5. Kết quả phân tích hàm lượng nitơ trong bã lên men bằng thực nghiệm: 24Bảng 1.6. Thành phần của CSL (%KL)[16 ] ............................................................25Bảng 4.1 : Hóa chất sử dụng trong quá trình thực hiện thí nghiệm. ........................32Bảng 2.2 Kết quả thí nghiệm trong bã SSF ..............................................................39Bảng 2.3. Kết quả thí nghiệm trong CSL .................................................................39Bảng 2.4. Tỉ lê thành phần cơ chất cho 1 lần lên men. .............................................44Bảng 2.5. Thành phần cho quá trình SSF .................................................................45Bảng 2.6. Thành phần cho quá trình SSF .................................................................46Bảng 2.7. Thành phần cho quá trình SSF .................................................................46Bảng 2.8. Thành phần cho quá trình SSF .................................................................46Bảng 2.9. thành phần cho quá trình SFF ..................................................................47Bảng 2.10. Khối lượng rơm nhập liệu ......................................................................48Bảng 2.11. Khối lượng rơm nhập liệu ......................................................................48Bảng 2.12. Khối lượng rơm nhập liệu ......................................................................49Bảng 3.1. Thành phần xơ sợi của rơm rạ theo Hồ Tráng Sỹ [26] ............................50Bảng 3.2. Thành phần xơ sợi có trong các nguồn dinh dưỡng. ................................53Bảng 3.3. Kết quả phân tích nitơ tổng. .....................................................................54Bảng 5.4. Kết quả phân tích hàm lượng acid amin. .................................................55ivĐồ án tốt nghiệpDANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNHHình 1.1. Cấu trúc của lignocellulose ........................................................................5Hình 1.2. Cấu trúc của tế bào và thành tế bào của thảo mộc. ....................................7Hình 1.3 . Sơ đồ các bước thủy phân cellulose bởi enzyme cellulase .......................9Hình 1.4. Nấm men Sacchromyces cerevisiae dưới dạng bột khô. .........................10Hình 1.5. Cấu trúc rơm rạ sau tiền xử lý. .................................................................14Hình 1.6. Quy trình sản xuất ethanol từ rơm rạ của hệ thống Pilot ........................23Hình 1.7. Bột ngô (CSL) .........................................................................................25Hình 2.1. Rơm thô ...................................................................................................29Hình 2.2. Rơm sau tiền xử lý....................................................................................29Hình 2.3. Máy cắt thô ..............................................................................................29Hình 2.4. Máy cắt tinh .............................................................................................29Hình 2.5. Thiết bị nổ hơi ..........................................................................................30Hình 2.6. Rơm sau nổ hơi .........................................................................................30Hình 2.7. Rơm được ngâm kiềm ..............................................................................30Hình 2.8. Thiết bị lọc ép ...........................................................................................30Hình 2.9 . Rơm rạ sau tiền xử lý ..............................................................................31Hình 2.10. Bã rắn sau khi sấy ..................................................................................32Hình 2.11. Bã rắn sau khi nghiền .............................................................................32Hình 2.12. Enzyme Cellulase ...................................................................................33Hình 2.13. Nấm men Saccharomyces cerevisiae ....................................................33Hình 2.14. Corn steep liquor (CSL) ........................................................................34Hình 2.15. Viên nang................................................................................................35Hình 2.16. Cân điện tử .............................................................................................35Hình 2.17. Cân điện tử hình ....................................................................................35Hình 2.18. Máy phân tích C H N ...........................................................................35Hình 2.19. Dịch kích hoạt men giống ......................................................................41Hình 2.20. Thiết bị tiệt trùng ....................................................................................41vĐồ án tốt nghiệp.........................................................................41...................................................................................................................................41Hình 2.21. Tủ lắc ......................................................................................................41Hình 2.22. Máy quang phổ kế ..................................................................................41Hình 2.23. Thiết bị ly tâm. .......................................................................................42Hình 4.24. Máy đo độ ẩm .........................................................................................43Hình 2.25. Các erlen chứa rơm trước khi tiệt trùng .................................................44Hình 2.26. Bình thủy phân và lên men đồng thời ....................................................45Hình 2.27. Lấy mẫu sau mỗi lần nhập liệu ...............................................................48Hình 3.1. Thành phần xơ sợi của rơm khô ..............................................................50Hình 5.2. Thành phần xơ sợi của rơm sau nổ hơi. ...................................................51Hình 3.3. Thành phần rơm sau tiền xử lý. ................................................................52Hình 3.4. Sự phát triển của con men trong quá trình nhân giống:(1) 0,1% bã SSF;(2) 200ml dịch nước SSF; (3) 0,1% CSL. .................................................................56Hình 3.5. Nồng độ ethanol trong quá trình SSF theo thời gian:(1) 8% rơm+ 0,15%bã SSF; (2) 8% rơm + dịch nước SSF; (3) 8% rơm + 0,1% CSL; (4) 8% rơm ........57Hình 3.6. Hiệu suất của quá trình SSF theo thời gian:(1) 8% rơm+ 0,15% bã SSF;(2) 8% rơm + dịch nước SSF; (3) 8% rơm + 0,1% CSL; (4) 8% rơm ......................58Hình 3.7. Nồng độ ethanol trong quá trình SSF theo thời gian:(1) 16% rơm+0,15% bã SSF; (2) 16% rơm + dịch nước SSF. ........................................................59viĐồ án tốt nghiệpHình 3.8. Hiệu suất của quá trình SSF theo thời gian:(1) 16% rơm+ 0,15% bã SSF;(2) 16% rơm + dịch nước SSF ..................................................................................60viiĐồ án tốt nghiệpTÓM TẮT LUẬN VĂNHiện nay nguồn nguyên liệu dầu mỏ đang cạn kiệt, cùng với việc giá thànhtăng cao và ô nhiễm môi trường đang là thách thức lớn trong việc sử dụng nhiênliệu trong tương lai. Trong bối cảnh đó, ethanol được đánh giá là nguồn cung cấpnhiên liệu tốt vì con người có khả năng sản xuất với sản lượng lớn, không gây ônhiễm môi trường và có thể thay thế được hoàn toàn cho xăng. Ethanol hoàn toàncó thể sản suất được từ nguồn cellulose thực vật như rơm rạ.Rơm rạ chiếm tỉ lệ lớn trong phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam. Với thànhphần chứa hơn 40% cellulose, rơm rạ là nguồn nguyên liệu thích hợp cho quá trìnhsản xuất ethanol. Trong quá trình lên men ethanol từ rơm rạ, nấm men cần nguồndinh dưỡng bổ sung để sinh sản và sinh trưởng tốt. Nguồn dinh dưỡng đang sửdụng hiện nay là bột ngô chuyên dụng (CSL) cho kết quả rất tốt. Nhưng sau quátrình lên men, lượng bã thải thường được thải bỏ hoặc sử dụng làm phân bón chocây trồng. Luận văn này nghiên cứu khả năng sử dụng bã thải của quá trình lênmen và thủy phân đồng thời để thay thế cho CSL làm nguồn dinh dưỡng bổ sungtrong quá trình lên men rơm rạ thành ethanol.Bã lên men sau khi lấy từ quá trình chưng cất được để lắng chia làm 2 phầnbã rắn và bã lỏng. Bã rắn sấy để giảm độ ẩm xuống dưới 10%, nghiền mịn và tiếnhành phân tích hàm lượng dinh dưỡng (Nitơ, protein). Sau đó tiến hành thủy phânvà lên men đồng thời rơm sử dụng nguồn dinh dưỡng là bã rắn, bã lỏng rồi so sánhvới kết quả khi sử dụng nguồn dinh dưỡng là CSL.Hàm lượng nitơ tổng trong bã lên men là 3,97 % (CSL là 8,42%), hàm lươngnitơ amin tự do là 2,42 g/l (CSL là 3,64 g/l).Kết quả thủy phân và lên men đồng thời cho thấy rằng, bã lên men hoàn toàncó thể thay thế CSL làm nguồn dinh dưỡng cho nấm men sinh trưởng và phát triển.-1Đồ án tốt nghiệpMỞ ĐẦUĐặt vấn đềRơm rạ là một trong những nguồn nguyên liệu dồi dào lignocellulose nhấttrên thế giới. Về tổng sản lượng, lúa là cây trồng quan trọng thứ ba sau lúa mì vàngô. Theo thống kê của FAO sản xuất lúa gạo trung bình thế giới năm 2007 khoảng650 triệu tấn. Thu hoạch 1kg hạt lúa thu được tương ứng 1 - 1,5 kg rơm (Maiorella,1985). Ước tính 650 - 975 triệu tấn rơm rạ được sản xuất mỗi năm trên toàn thế giớivà phần lớn chúng được dùng làm thức ăn cho gia súc và phần còn lại là lãng phí.Nước ta là một nước nông nghiệp với sản lượng gạo hằng năm trên 35 triệutấn. Đồng bằng Sông hồng, khu vực trung du và đồng bằng Sông cửu long là 3 khuvực sản xuất lúa gạo chính của nước ta. Từ đó có thể thấy sản lượng rơm rạ trên cảnước hằng năm là rất lớn và tập trung. Việc giá dầu mỏ tăng lên từng ngày cùng vớitình trạng ô nhiễm môi trường đang dần trở thành một thách thức lớn cho việc sửdụng nhiên liệu trong tương lai. Nguồn rơm rạ dồi dào nhưng những ứng dụng lạihạn chế. Sự lãng phí nguồn năng lượng cùng với ô nhiễm môi trường do việc sửdụng rơm rạ không đúng cách như hiện nay đang dần trở thành mối quan tâm củanhiều nhà khoa học và quản lý.Ethanol được đánh giá là nguồn cung cấp nhiên liệu tốt cho tương lai vì conngười có khả năng sản xuất với sản lượng lớn, không gây ô nhiễm môi trường và cóthể thay thế được hoàn toàn cho xăng. Ethanol hoàn toàn có thể sản suất được từnguồn cellulose thực vật như rơm rạ. Theo đánh giá sơ bộ, lượng rơm rạ hằng nămtrên cả nước nếu được chuyển thành ethanol hoàn toàn có khả năng thay thế toàn bộnhu cầu xăng dầu cả nước như hiện nay.Để quá trình lên men đạt hiệu suất cao, vi sinh vật cần được nuôi cấy vàđược cung cấp nguồn dinh dưỡng thích hợp cho việc sinh sản. Tuy nhiên, cácnguyên liệu biomass nguồn gốc lignocelluloses thường không có đủ hàm lượng nitơcần thiết cho quá trình tạo protein trong chuỗi sinh sản của vi sinh vật (nấm men).Vì vậy, cần phải có một nguồn bổ sung từ bên ngoài.2Đồ án tốt nghiệpNguồn dinh dưỡng đang sử dụng hiện nay tại pilot trường đại học BáchKhoa T.p Hồ Chí Minh là bột ngô chuyên dụng (CSL), đây là nguyên liệu khôngphải lúc nào cũng có sẵn tại địa phương, và có giá trị cao trong công nghệ vi sinh.Trong khi đó bã thải quá trình SSF chứa rất nhiều xác nấm men, và các hợp chấtcarbohydrate nhưng hiện nay chỉ mới được cân nhắc sử dụng làm phân bón hoặcđổ thải ra môi trường. Nếu chúng ta có thể thay CSL bằng bã thải SSF thì quá trìnhsản xuất bioethanol từ rơm rạ sẽ càng bền vững hơn vì bớt phụ thuộc vào nguyênliệu bên ngoài, giảm lượng bã thải, nâng cao hiệu quả sản xuất qua việc tận dụngnhững thành phần có trong bã thải SSF.Trên cơ sở đó, mục tiêu luận văn là nghiên cứu khả năng sử dụng bã thải lênmen để thay thế cho CSL làm nguồn dinh dưỡng bổ sung trong quá trình lên menrơm rạ thành ethanol.Lý do chọn đề tài và nhiệm vụ của luận vănLý do chọn đề tài:Trong những nghiên cứu trước, quá trình lên men sản xuất cồn từ rơm rạ sửdụng nguồn dinh dưỡng là bột ngô chuyên dụng ( tên gọi thương mại là CSL - Cornsteep liquor). Nguồn dinh dưỡng này mang lại hiệu quả khá tốt, tuy nhiên, do nhậpkhẩu từ Pháp và giá thành khá đắt đỏ, hơn nữa lượng bã thải sau chưng cất thườngchỉ được sử dụng làm phân bón hoặc thải ra ngoài môi trường gây lãng phí.Sau khi chưng cất thì xem như hỗn hợp đã được tiệt trùng, việc dùng nó làmnguồn dinh dưỡng sẽ giảm thiểu được việc xử lý có nghĩa là sẽ sử dụng trực tiếpnguồn dinh dưỡng này. Bên cạnh đó trong bã thải còn có thành phần cellulose chưalên men và xác con yeast, khi sử dụng sẽ tận dụng nguồn cellulose, còn xác conyeast sẽ là nguồn dinh dưỡng bổ sung cho con men trong các mẽ lên men sau. Việctận dụng bã sau lên men này sẽ tận thu được lượng ethanol còn trong bã, hơn nữa sẽgiảm thiểu được khối lượng và thể tích chất thải ra môi trường.Tuy nhiên bã thải có hai phần bã rắn và bã lỏng, nên luận văn sẽ nghiên cứuviệc sử dụng bã lỏng để thay thế cho nguồn dinh dưỡng và nước mất, bên cạnh đósẽ nghiên cứu việc sữ dụng bã thải rắn làm nguồn dinh dưỡng thay thế CSL trong3Đồ án tốt nghiệpquá trình thủy phân và lên men đồng thời.Nhiệm vụ nghiên cứu của luận vănNghiên cứu các thành phần dinh dưỡng (Nitơ, protein) trong bã lên men, CSL.Nghiên cứu thành phần rơm rạ trước và sau quá trình thủy phân và lên menđồng thời (SSF).Khảo sát quá trình thủy phân và lên men đồng thời ethanol từ rơm rạ sử dụngcác nguồn dinh dưỡng khác nhau (CSL, bã rắn, bã lỏng).Nghiên cứu vai trò của bã rắn, bã lỏng (bã lên men) làm nguồn dinh dưỡngthay thế bột ngô chuyên dụng trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời.4Đồ án tốt nghiệpCHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU1.1. Nguyên liệu lignocelluloseLignocellulose là vật liệu biomass phổ biến nhất trên trái đất. Lignocellulosecó trong phế phẩm nông nghiệp, trong sản phẩm phụ công của công nghiệp sản xuấtgiấy… Do đó lignocellulose là một nguồn nguyên liệu to lớn cho việc sản xuấtbioethanol. Rơm rạ là một dạng vật liệu lignocellulose.Thành phần chính của vật liệu lignocellulose là cellulose, hemicellulose,lignin, các chất trích ly và tro. Trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chínhvà được bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicellulose vàkết dính như lignin. Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau tạo thànhliên kết cộng hóa trị với nhau. Các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose,galactose, và acid 4-O- methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin [4]Hình 1.1. Cấu trúc của lignocelluloseĐối với các loại thực vật dạng thân gỗ thường chứa khoảng 40% - 60%cellulose, 20% - 40% hemicellulose và 10% - 25% lignin. Tuy nhiên đối với thựcvật dạng thảo mộc hàm lượng lignin thường thấp hơn 20%. Thành phần trong rơmrạ được nghiên cứu và trình bày bởi nhiều tác giả [5]. Ở mỗi điều kiện phát triển vàgiống khác nhau thì thành phần trong rơm rạ cũng khác nhau. Nhìn chung thànhphần rơm rạ được trình bày bởi một số tác giả như sau:5Đồ án tốt nghiệpBảng 1.1 Thành phần hóa học của rơm rạTênThành phânHemicellulose27.7%Cellulose39.7%Xylan20.7%Glucan37.6%Lignin12.7%Tro11.7%Theo báo cáo của phòng thí nghiệm năng lượng sinh học – Đại học BáchKhoa Tp Hồ Chí Minh, thành phần rơm rạ sau khi nổ hơi ở vùng Củ Chi là:Bảng 1.2. Tỉ lệ các thành phần trong rơm rạThành phầncelluloseHemicelluloseLigninTroHàm lượng (%)lượng43.0523.821815.3Bên cạnh thành phần hóa học, tính chất các thành phần trong rơm rạ và cấutrúc tế bào thực vật cũng quan trọng không kém trong việc nghiên cứu xử lý rơm rạ.Cũng giống như động vật, cơ thể thực vật cũng được xây dựng từ các tế bào.Do không được bảo vệ bằng cơ chế phản xạ và miễn dịch, tế bào thực vật được bảovệ kỹ trong lớp vỏ rắn chắc. Về cấu trúc, các tế bào thực vật được sắp xếp đặc khítvà liên kết với nhau rất bền vững. Rắn chắc là yếu tố tạo nên sự bền vững của thựcvật trong tự nhiên. Khi tế bào thực vật chết đi, khối lượng khô của tế bào chủ yếutập trung ở thành tế bào.Các sợi này được gắn lại với nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi,với Trong lignocelluloses các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các vi sợinày được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấncông của ezyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân. [6]6Đồ án tốt nghiệpHình 1.2. Cấu trúc của tế bào và thành tế bào của thảo mộc.1.2. Enzyme cellulaseEnzyme cellulase có bản chất là protein được cấu tạo từ các đơn vị là axitamin, các axit amin được nối với nhau bởi lien kết peptid –CO-NH- . Ngoài ra,trong cấu trúc còn có những phần phụ khác. Cấu trúc hoàn chỉnh của các loạienzyme nhóm endoglucanase (EG) và exoglucanase (CBH) giống nhau trong hệcellulase của nấm sợi, gồm một trung tâm xúc tác và một đuôi tận cùng, phần đuôinày xuất phát từ trung tâm xác tác và được gắn them vùng glycosil hóa, cuối đuôi làvùng gắn kết với cellulose (CBD: cellulose binding domain). Vùng này có vai tròtạo liên kết với cellulose tinh thể. Trong quá trình phân hủy cellulose có sự tươngquan mạnh giữa khả năng xúc tác phân giải cellulose của các enzyme và ái lực củaenzyme này đối với cellulose. [7]Cellulase hoạt động ở pH từ 3-7, nhưng pH tối thích trong khoảng 4-5. Nhiệtđộ tối ưu từ 40-500 C. Hoạt tính cellulase bị phá hủy hoàn toàn ở 800C trong 10-15phút.Enzyme cellulase bị ức chế bởi các sản phẩm phản ứng của nó như glucose,cellobiose và bị ức chế hoàn toàn bởi Hg. Ngoài ra, cellulase còn bị ức chế bởi các7Đồ án tốt nghiệpion kim loại khác như Mn, Ag, Zn nhưng ở mức độ nhẹ. Trọng lượng của enzymecellulase thay đổi từ 30 -110 KDa (Begunin, 1990; Gilkes và cộng sự, 1991).Enzyme cellulase được thu nhận từ các nguồn khác nhau như động vật, thựcvật và vi sinh vật. Trong thực tế người ta thường thu nhận enzyme cellulase từ visinh vật. Các chủng vi sinh vật thường sử dụng như: nấm mốc Aspergillus niger, xạkhuẩn Actinomyces griseus, vi khuẩn Bacillus subtilis, Bacillus pumilis…Dựa vào đặc điểm của cơ chất và cơ chế phân cắt, enzyme cellulase đượcchia thành ba loại: 1,4--D-glucan cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) ; 1,4-glucan 4-glucanohydrolase (EC 3.2.1.4) ;-D--D-glucoside glucohydrolase (EC3.2.1.21) .Từ những nghiên cứu riêng lẽ đối với từng loại enzyme đến nghiên cứu tácđộng tổng hợp của cả ba loại enzyme cellulase, nhiều nhà khoa học đều đưa ra kếtluận chung là các loại enzyme cellulase sẽ thay phiên nhau phân hủy cellulose đểtạo thành sản phẩm cuối cùng là glucose. Theo Erikson và cộng tác viên (1980), cơchế tác động hiệp đồng của 3 loại cellulase như sau: đầu tiên endoglucanase tácđộng vào vùng vô định hình trên bề mặt cellulose, cắt liên kết β-1,4-glucosid và tạora các đầu mạch tự do. Tiếp đó exoglucanase tấn công cắt ra từng đoạn cellobiose từđầu mạch được tạo thành. Kết quả tác động của endoglucanase và exoglucanase tạora các celloligosaccharit mạch ngắn, cellobiose, glucose. β-glucosidase thủy phântiếp và tạo thành glucose.8Đồ án tốt nghiệpHình 1.3 . Sơ đồ các bước thủy phân cellulose bởi enzyme cellulase1.3. Nấm men Saccharomyces cerevisiaeSaccharomyces cerevisiae thuộc:- Bộ: Endomycetales.- Họ: Saccharomycetaceae.Saccharomyces có khoảng 40 loài và các loài trong giống này được biết nhiềudo chúng được ứng dụng trong làm nổi bánh, bia, rượu....Chúng hiện diện nhiềutrong sản phẩm có đường, đất, trái cây chín, phấn hoa.... Nấm men cấu tạo gồm vỏtế bào thành phần là carbohydrat, lipid, protein dầy khoảng 0,5 µm, màng tế bàochất, tế bào chất và nhân. S. cerevisiae thường có cấu tạo hình elip, đường kính lớntừ 5-10nm và đường kính nhỏ từ 1-7nm, tế bào gia tăng kích thước theo độ tuổi.Thể tích tế bào đơn bội là 29 mm3 và tế bào lưỡng bội là 55 mm3. Các tế bào củanấm men mang cấu trúc và chức năng của eukaryote bậc cao, được sử dụng như làmột mô hình hữu ích đại diện cho các tế bào eukaryote. Các thành phần cấu trúc vàhóa học của tế bào được được minh họa theo bảng 2.3 và bảng 2.4[8]9Đồ án tốt nghiệpBảng 1.3. Thành phần các chất có trong cấu trúc của nấm men được lạnh đông khô.Thànhphầntrong cấuĐộ ẩmProteinCarbonhydrateAcidnucleicLipidChấtkhoángtrúcPhần2-5%trăm42-46%30-37%6-8%4-5%7-8%Bảng 1.4. Các thành phần hóa học trong nấm men đông khô[9]Thành phầnCacbonHydroOxyNitoPhosphoMagieKali48.26.533.86.01.00.042.1Phần trămkhối lượngkhô (%)Hình 1.4. Nấm men Sacchromyces cerevisiae dưới dạng bột khô.1.3.1. Hình thái và cấu tạo nấm menNấm men có nhiều hình dạng khác nhau: hình cầu, hình trứng hoặc hìnhovan. Nấm men có thể thay đổi hình dáng và kích thước trong các giai đoạn pháttriển và điều kiện môi trường xung quanh. Hình thái của chúng không thay đổi chỉ ởcác giống nuôi cấy khi còn trẻ trong các môi trường dinh dưỡng tiêu chuẩn.Kích thước tế bào nấm men cũng rất khác nhau, điều đó phụ thuộc vào cácchủng nấm men và điều kiện nuôi cấy, thường là (2,5 - 4,5µm) x (10,5 - 20µm), thểtích tế bào chiếm khoảng từ 50 - 5000µm.10Đồ án tốt nghiệpNấm men là sinh vật đơn bào hiển vi, tế bào cơ bản giống như ở thực vật,động vật. So sánh cấu tạo tế bào nấm men với vi khuẩn ta thấy có sự tiến hóa nhẩyvọt từ nhân sơ đến nhân chuẩn.Thành tế bào nấm men dày khoảng 25nm (chiếm 25% khối lượng khô của tếbào). Đa số nấm men có thành tế bào cấu tạo bởi glucan và mannan. Một số tế bàonấm men chứa kitin và mannan. Trong thành tế bào nấm men còn chứa 10% protein(tính theo khối lượng khô), trong số protein này có một phần là các enzyme. Trênthành tế bào còn thấy có một lượng nhỏ lipid[14].Nhân tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae có chứa 17 đôi nhiễm sắcthể. DNA trong tế bào nấm men đơn bội có khối lượng phân tử là 1 x 1010 Da (1 Da= 1,67 x 10-24 g), so với khối lượng phân tử của DNA vi khuẩn Escherichia coli thìlớn hơn 10 lần nhưng so với DNA của người thì nhỏ hơn 100 lần [10]1.3.2. Sinh trưởng của nấm menThuật ngữ sinh trưởng đối với vi sinh vật bao hàm 2 ý nghĩa: sinh sản vàphát triển. Nấm men có 2 hình thức sinh sản: hữu tính (bằng bào tử) và vô tính(bằng nảy chồi hoặc phân cắt tế bào). Tùy theo điều kiện nuôi cấy mà tế bào nấmmen sẽ sinh sản theo cách cách sinh sản vô tính hay hữu tính.[11]Nảy chồi là phương pháp sinh sản phổ biến nhất ở nấm men. Ở điều kiệnthuận lợi nấm men sinh sôi nảy nở nhanh, quan sát dưới kính hiển vi thấy hầu hếtcác tế bào nấm men nào cũng có chồi. Khi chồi xuất hiện các enzyme thủy phân sẽphân giải phần polysaccharide của thành tế bào cho chồi chui ra khỏi tế bào mẹ.Vật chất mới được tổng hợp sẽ được huy động đến chồi và làm chồi phình to dầnlên, khi đó sẽ xuất hiện một vách ngăn giữa chồi và thành tế bào mẹ. Thành phầncủa vách ngăn cũng tương tự như thành tế bào. Khi tế bào chồi tách khỏi tế bào mẹở chổ tách ra còn giữ lại một vết sẹo của chồi, trên tế bào con cũng mang một vếtsẹo. Các vết sẹo này có thể nhìn thấy rõ khi xử lý bằng thuốc nhuộm nhưcalcafluor hoặc primulin rồi quan sát dưới kính hiển vi huỳnh quang. Dưới kínhhiển vi điện tử càng có thể thấy rất rõ hơn.11Đồ án tốt nghiệpNấm men có khả năng đồng hóa hoàn toàn đường glucose, fructose vàmannose. Ngoài ra tùy thuộc vào giống, nấm men còn có thể đồng hóa hoàn toànhoặc một phần đường galactose. Đường disaccharide thì nấm men đồng hóa rất tốtmaltose và saccharose, đồng hóa hoàn toàn hoặc một phần đường lactose, riêngmelibiose chỉ lên men được khi có enzyme melibiase. Các polysaccharide thì cầnđược phân hủy hoàn toàn nấm men mới sử dụng được.Nấm men có thể tự tổng hợp các acid amin. Tuy nhiên nếu cho các acid aminvào môi trường thì quá trình sinh sản và phát triển của tế bào sẽ nhanh hơn. Dễđồng hóa hơn cả là ion amon NH4+ và amoniac NH3 với lượng sử dụng lớn nhất là20 - 35 mg nitơ/109 tế bào. Nguồn nitơ được coi là tốt nhất và được đồng hóa hoàntoàn là ure.Trong môi trường dinh dưỡng cần phải có một lượng nhất định các chấtkhoáng để đảm bảo cho tế bào phát triển như phospho, kali, natri, magie, kẽm....Đa số các chủng nấm men đang ở giai đoạn nhân giống cần đến các vitaminnhư isositol, canxi pantothenat, thiamin và đặc biệt là biotin. Nồng độ của vitamincó thể ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển là 0,01 - 1,10 mg/l12Đồ án tốt nghiệp1.4. Quá trình sản xuất ethanol từ rơm rạ1.4.1. Quy trình chungRơmTiền xử lýThuỷ phânThuỷ phân và lên men đồng thờiLên menChưng cấtEthanol1.4.2. Quy trình thực hiện1.4.2.1. Tiền xử lý:Để chuyển hóa các carbohydrate (cellulose và hemicellulose) tronglignocellulose thành ethanol, các polymer phải bị bẻ gãy thành những phân tửđường nhỏ hơn trước khi vi sinh vật có thể hoàn tất quá trình chuyển hóa. Tuynhiên, bản chất của cellulose lại là rất bền vững trước sự tấn công của enzyme, nênbước tiền xử lý là bắt buộc để quá trình đường hóa glucose có thể diễn ra tốt.Cellulose ban đầu có thể bị phá hủy bởi acid mà không cần được tiền xử lý.Tóm lại quá trình tiền xử lý nhằm:Tăng vùng vô định hình của cellulose.13Đồ án tốt nghiệpTăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass.Phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose với cellulose.Tránh thất thoát cellulose hay tạo ra những sản phẩm phụ trong quá trìnhthủy phân và lên men.Hình 1.5. Cấu trúc rơm rạ sau tiền xử lý.Các phương pháp tiền xử lý có thể chia thành một số nhóm:Phương pháp vật lý: cắt, xay, nhiệt phân.Phương pháp lý hóa: nổ hơi, nổ sợi kết hợp kiềm, nổ khí CO2.Phương pháp hóa học: xử lý bằng ozone, thủy phân môi trường acid, thủyphân môi trường kiềm, oxy hóa khử lignin..Phương pháp sinh học.Phương pháp xung điện trường.Cấu trúc tinh thể của cellulose: cellulose tự nhiên hình thành cấu trúc tinhthể chống lại được sự tấn công của enzyme. Trong một bài báo của mình, Fan et alước tính rằng tỉ lệ cellulose tinh thể là 50-90%. Tuy nhiên, không có sự liên quangiữa mức độ tinh thể của cellulose và khả năng phân hủy enzyme đối với rơm rạ.[12]Sự bao bọc của lignin quanh cellulose: lignin cùng với hemicellulose tạothành cấu trúc mô vững chắc cực kì. Những mô được bền hóa với lignin tương tự14Đồ án tốt nghiệpnhư nhựa được gia cố bằng sợi, trong đó lignin đóng vai trò kết dính những sợicellulose. Trong thiên nhiên, lignin bảo vệ cellulose khỏi những tác động của môitrường và khí hậu. Lignin là yếu tố ngăn cản sự tấn công của enzyme đến celluloseđược công nhận nhiều nhất. Nhà nghiên cứu cho rằng khả năng thủy phân củaenzyme tăng khi 40-50% lignin bị tách. Tuy nhiên, phải thừa nhận rằng, không cónghiên cứu nào tiến hành loại bỏ lignin mà không kèm theo sự phân hủyhemicellulose. Ngay cả trong phương pháp tiền xử lý nguyên liệu bằng kiềm ở nhiệtđộ thấp, loại bỏ được 70% lignin thì cũng có 5% hemicellulose bị hòa tan.Các phương pháp xử lý cơ học:Các phương pháp thuộc nhóm này không sử dụng hóa chất trong quá trình xửlý. Gồm các phương pháp như: nghiền nát, rọi bằng những bức xạ năng lượng cao,xử lý thủy nhiệt và nổ hơi. Trong đó phương pháp nổ hơi là phương pháp quantrọng nhất, đã được phát triển, áp dụng trên quy mô pilot và được sử dụng trong đềtài nghiên cứu này.Các phương pháp tiền xử lý hóa học:Sử dụng tác động của hóa chất trong quá trình xử lý. Gồm có các quá trìnhchính:Với acid: gồm các phương pháp xử lý với acid loãng, bơm hơi nước có acidvà nổ hơi có acid. Trong đó, acid sulfuric đã được nghiên cứu kĩ lưỡng nhất, hiểnnhiên vì nó rẻ và hiệu quả. Tuy nhiên, vấn đề gặp phải trong xử lý axit là thiết bịphải chịu được ăn mòn cao và lượng thạch cao (CaSO4) sinh ra nhiều từ quá trìnhtrung hòa acid với CaOH.Với kiềm: đã có rất nhiều nghiên cứu liên quan, chủ yếu là về xút hoặc xútcùng các hóa chất khác. Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học cho rằng, dựa trên chi phíhóa chất, thì vôi tôi là hóa chất thích hợp. Detroy et al cho thấy rằng amonia lỏng cóphần hiệu quả trong việc tăng khả năng thủy phân bã rắn, nhưng ethylenediamine cóthể còn hiệu quả hơn. [12]Ngoài ra còn có những phương pháp như xử lý với dung môi hữu cơ: dùngdung môi như ethanol, methanol, acetone để hòa tan lignin; xử lý bằng khí SO2,khí15