Đồ án Thử nghiệm tận dụng bã vỏ chuối sản xuất bioethanol để tiếp tục thu nhận sản phẩm bằng phương pháp thủy phân và lên men đồng thời (SSF) với Saccharomyces cerevisiae và Pichia anomala
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THỬ NGHIỆM TẬN DỤNG BÃ VỎ CHUỐI SẢN XUẤT
BIOETHANOL ĐỂ TIẾP TỤC THU NHẬN SẢN PHẨM
BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN
ĐỒNG THỜI (SSF) VỚI Saccharomyces cerevisiae và Pichia
anomala.
Ngành:
CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Giảng viên hướng dẫn : ThS. TRẦN THỊ TƯỞNG AN
Sinh viên thực hiện : TRẦN THỊ ÁNH NGUYỆT
MSSV: 1311101021 Lớp: 13DSH05
TP. Hồ Chí Minh, 2017
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
LỜI CAM ĐOAN
Là sinh viên năm cuối của trƣờng Đại học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh, nay
đƣợc vinh dự làm đồ án tốt nghiệp để hoàn thành chƣơng trình học của mình.
Tôi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp là công trình nghiên cứu của tôi dƣới sự
hƣớng dẫn của Ths. Trần Thị Tƣởng An tiến hành tại Phòng thí nghiệm Nhiên liệu
sinh học và Biomass, ĐH Bách Khoa, ĐH Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh.
Những số liệu, hình ảnh trong bài hoàn toàn trung thực chƣa từng đƣợc ai công
bố.
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017
Sinh viên thực hiện
Trần Thị Ánh Nguyệt
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên cho con gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cha mẹ, là ngƣời đã sinh thành,
nuôi dƣỡng, giáo dục và động viên, là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho con, là
ngƣời giúp con đứng vững sau những lần vấp ngã.
Em xin chân thành cảm ơn toàn thể quý Thầy Cô Trƣờng Đại học Công Nghệ
TP. Hồ Chí Minh đã nhiệt tình truyền đạt cho em những kiến thức quý giá ngay từ
những ngày đầu tiên bƣớc chân vào giảng đƣờng đại học.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Trần Thị Tƣởng An đã trực
tiếp hƣớng dẫn dìu dắt em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp vừa qua.
Em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Hoài Hƣơng, ngƣời đã giới thiệu em với
cô Trần Thị Tƣởng An để tiến hành làm đề tài.
Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đình Quân đã tạo điều kiện thuận
lợi cho em thực hiện đồ án tại phòng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học và Biomass,
ĐH Bách Khoa, ĐH Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh.
Cảm ơn các bạn Châu Nguyễn Quỳnh Nhƣ, Nguyễn Đăng Nguyên, Võ Mạnh
Hùng, Văn Bảo Huy, Nguyễn Minh Thiện, Võ Thị Thảo Trang, Phạm Nhƣ Ngọc và
anh Nguyễn Anh Duy đã cùng đồng hành, sát cánh và giúp đỡ mình trong suốt
những ngày làm đồ án tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017
SVTH: Trần Thị Ánh Nguyệt
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC ................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ iii
DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. v
LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
1.1. Giới thiệu sơ lƣợc về Bioethanol ................................................................... 4
1.1.1. Khái niệm về Bioethanol.......................................................................... 4
1.1.2. Sản xuất Bioethanol................................................................................. 4
1.2. Nguyên liệu Lignocellulose ........................................................................... 5
1.2.1. Cellulose .................................................................................................. 6
1.2.2. Hemicellulose........................................................................................... 7
1.3.1. Quá trình tiền xử lý.................................................................................. 10
1.3.2. Qúa trình thủy phân................................................................................. 12
1.3.3. Qúa trình lên men .................................................................................... 15
1.4. Giới thiệu sơ lƣợc nguyên liệu vỏ chuối........................................................ 22
1.4.1. Chuối ....................................................................................................... 22
1.4.2. Thànhphần hóa học của chuối ................................................................ 22
1.5.1. Tại Việt Nam ............................................................................................ 25
1.5.2. Trên thế giới............................................................................................. 25
2.1. Địa điểm, thời gian và đối tƣợng nghiên cứu ................................................ 26
2.2. Nguyên vật liệu............................................................................................... 26
i
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2.2.1. Nguyên liệu vỏ chuối ............................................................................... 26
2.2.2. Enzyme ..................................................................................................... 26
2.2.3. Nấm men .................................................................................................. 26
2.2.4. Dụng cụ và thiết bị................................................................................... 26
2.3. Bố trí thí nghiệm............................................................................................. 30
2.3.1. Sơ đồ quy trình......................................................................................... 30
2.3.2. Bố trí thí nghiệm ...................................................................................... 31
2.4. Phƣơng pháp phân tích................................................................................... 33
2.4.1. Phương pháp hóa lý................................................................................. 33
2.4.2. Phƣơng pháp vi sinh. ............................................................................... 40
3.1.1. Saccharomyces cerevisiae....................................................................... 43
3.1.2. Pichia anomala........................................................................................ 44
3.3. Quá trình thủy phân và lên men đồng thời .................................................... 47
4.1. Kết luận ....................................................................................................... 61
4.2. Đề nghị ....................................................................................................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 63
ii
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT: Số thứ tự
SHF: Separate Hydrolysis and Fermentation
SSF: Simultaneous Saccharification Fermentation
SSCF: Simultaneous Saccharification and Cofermentation
Máy UV-VIS: Ultraviolet–visible spectroscopy
HL: Hàm lƣợng
SDA: Sabouraud Dextrose Agar
SDB: Sabouraud Dextrose Broth
iii
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Thành phần lignocellulose ...........................................................................5
Hình 1.2. Tỉ lệ các thành phần có trong lignocellulose ...............................................5
Hình 1.3. Cấu trúc của lignocellulose..........................................................................6
Hình 1.4. Công thức hóa học của cellulose .................................................................7
Hình 1.5. Các đơn vị cơ bản của lignin........................................................................8
sản phẩm.....................................................................................................................13
Hình 1.9. Qúa trình đƣờng phân ................................................................................16
Hình 1.11. S. cerevisiae và P. anomala.....................................................................20
Hình 1.12. Quả chuối sứ.............................................................................................22
Hình 2.1.Sơ đồ bố trí thí nghiệm................................................................................30
Hình 2.4. Mẫu sau khi chuẩn độ acid.........................................................................39
Hình 2.7. Cấy trang ....................................................................................................42
Hình 3.1. Đặc điểm đại thể (a), vi thể (b) của S.cerevisiae.......................................43
Hình 3.7. Sự biến đổi của HL cồn theo thời gian ......................................................49
v
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
LỜI MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Trong bối cảnh hiện nay, thế giới đang đứng trƣớc nguy cơ khủng hoảng năng
lƣợng trầm trọng do nguồn năng lƣợng hóa thạch có hạn trên trái đất đang dần đi
đến cạn kiệt. Từ rất lâu dầu mỏ luôn giữ một vai trò quan trọng trong chiến lƣợc
phát triển kinh tế của mỗi quốc gia, dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm 68 – 80% nguồn
năng lƣợng thế giới. Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới nguồn năng
lƣợng này sẽ bị cạn kiệt trong vòng 40 – 50 năm nữa[15]. Những nguồn năng lƣợng
mới đã và đang dần đƣợc giới khoa học và con ngƣời quan tâm hơn, trong đó
nghiên cứu phát triển nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối động, thực vật
là một hƣớng đi có thể tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế phần nào cho nguồn nhiên
liệu hóa thạch đang cạn kiệt, đảm bảo đƣợc an ninh năng lƣợng cho từng quốc gia.
Nhiên liệu sinh học là nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh vật, thân thiện với môi
trƣờng vì nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học có hàm lƣợng lƣu huỳnh thấp,
không chứa các chất độc hại và các hợp chất thơm, mặt khác khi thải nhiên liệu sinh
học vào đất thì tốc độ phân hủy sinh học nhanh hơn gấp 4 lần so với nhiên liệu dầu
mỏ[16]. Nhiên liệu sinh học ít gây hiệu ứng nhà kính, đặc biệt nhiên liệu này có
khả năng tái sinh và gần nhƣ vô tận.
Bioethanol đƣợc sản xuất bằng phƣơng pháp lên men và chƣng cất từ các loại
ngũ cốc chứa tinh bột (bắp) và đƣờng (mía). Ngoài ra, ethanol có thể đƣợc sản xuất
từ lignocellulose, từ những phụ phẩm có chứa hợp chất cellulose cao.Lignocellulose
là loại biomass phổ biến nhất trên thế giới. Chính vì vậy, sản xuất ethanol từ
biomass cụ thể là lignocellulose từ phế phẩm nông nghiệp là một giải pháp thích
hợp trong bối cảnh giá nhiên liệu tăng cao, ô nhiễm môi trƣờng ngày càng trầm
trọng và vấn đề an ninh lƣợng thực… lại càng đƣợc chú ý và tiếp tục nghiên cứu
hoàn thiên trên thế giới[2].
Hàng năm, sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam tạo ra một lƣợng lớn phế phẩm
nông nghiệp, chủ yếu là lignocellulose từ các mùa vụ. Phế phụ phẩm nông nghiệp
1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
nhƣ rơm rạ, bã mía, vỏ cacao, vỏ chuối… có tiềm năng năng lƣợng lớn, nhƣng việc
sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp dƣới dạng nhiên liệu sinh học vẫn còn hạn chế
và đây đƣợc coi là một hƣớng nghiên cứu mới và cần thiết tại Việt Nam.
Vỏ chuối là nguồn phế phẩm nông nghiệp giàu lignocellulose nên có thể sử
dụng để lên men tạo bioethanol rất hiệu quả, tận dụng đƣợc nguồn vỏ phế phẩm.
Hiện nay, lƣợng vỏ chuối phế thải sau khi bóc vỏ từ các nhà máy sản xuất các sản
phẩm làm từ chuối, các khu chợ, quán xá và hộ gia đình đƣợc thải ra nhƣ rác. Đây
là một trong những tác nhân gây hại cho môi trƣờng. Hoặc chỉ sử dụng một phần để
làm thức ăn cho gia súc mang lại hiệu quả kinh tế không cao. Với tình hình phế
phẩm vỏ chuối nhƣ vậy và qua nhiều công trình liên quan của tác giả đi trƣớc về
bioethanol thì việc lên men vỏ chuối tạo thành rƣợu ethanol là rất có hiệu quả.
Nhƣng mặt khác, sau quá trình lên men vỏ chuối chuyển hóa đƣờng thành ethanol
nhƣ vậy, thì lƣợng đƣờng không chuyển hóa hết và còn sót lại rất cao. Để tiết kiệm
đƣợc chi phí thì việc tái sử dụng lại nguồn bã nguyên liệu là rất cần thiết.
Chính vì ý nghĩa thực tế trên, đề tài “Thử nghiệm tận dụng bã vỏ chuối sản xuất
bioethanol để tiếp tục thu nhận sản phẩm bằng phƣơng pháp thủy phân và lên men
đồng thời (SSF) với Saccharomyces cerevisiae và Pichia anomala” nhằm tìm ra
khả năng tái sử dụng của bã cơ chất vỏ chuối để tiếp tục lên men bioethanol.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của đề tài nhằm khảo sát khả năng thu nhận bioethanol bằng phƣơng
pháp SSF sử dụng bã nguyên liệu vỏ chuối đã lên men trƣớc đó.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu tổng quan tài liệu.
- Khảo sát đặc điểm của S. cerevisiae và P. anomala.
- Khảo sát một số thành phần hóa học của vỏ chuối và bã nguyên liệu lên men
ethanol lần 1.
- Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình lên men bằng nấm men.
2
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
4. Kết quả đạt đƣợc của đề tài
- Khảo sát đƣợc một số thành phần hóa học của vỏ chuối và bã nguyên liệu lên
men lần 1:
o Vỏ chuối khô: độ ẩm 7,5%, độ tro 9,4%, lignin 22,3%, hàm lƣợng đƣờng
khử 142,6 mg/g, hàm lƣợng cellulose 367,8 mg/g.
o Bã nguyên liệu lên men lần 1: độ ẩm 42,0%, lignin 0,15%, hàm lƣợng đƣờng
khử 59,7 mg/g, hàm lƣợng cellulose 38,5 mg/g.
- Các thông số lên men:
o Thời gian lên men là 48h.
o Xác định tỷ lệ giống nấm men bổ sung cho quá trình lên men là 5% (v/v) cho
mỗi loại.
o Xác định tỷ lệ enzyme bổ sung cho quá trình lên men là 0,5% (v/v).
o Xác định nồng độ pH môi trƣờng ban đầu là 5,0.
o Lƣợng ethanol thu đƣợc là 1,6%.
- So với đề tài trƣớc (lên men lần 1)
o Thời gian lên men: 72h
o Tỷ lệ giống nấm men: 9% (v/v)
o Tỷ lệ enzyme bổ sung: 0,7% (v/v)
o pH môi trƣờng ban đầu là 5,5
o Lƣợng ethanol thu đƣợc là 2,75%
Khả năng tái sử dụng: vẫn sinh ra cồn từ bã cơ chất vỏ chuối.
Tiết kiệm về mặt chi phí, năng lƣợng, thời gian…
3
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chƣơng 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Giới thiệu sơ lƣợc về Bioethanol
1.1.1. Khái niệm về Bioethanol
Ethanol theo phƣơng pháp sinh học (gọi tắt là Bioethanol) là ethanol thu
đƣợc từ quá trình lên men vi sinh. Các loại nguyên liệu chứa đƣờng, tinh bột, hoặc
cellulose đƣợc thủy phân thành đƣờng, sau đó đƣợc vi sinh vật sử dụng làm nguồn
thức ăn để thực hiện lên men tạo ra ethanol và khí CO2.
Bioethanol đƣợc sản xuất bằng nguồn nguyên liệu là sinh khối có từ sản
phẩm và phế phẩm nông nghiệp, nguồn nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên và có thể
tái tạo. Với một nƣớc nông nghiệp lâu đời nhƣ Việt Nam thì đây là nguồn nguyên
liệu rất đa dạng và phong phú. Vì vậy tổng hợp ethanol bằng con đƣờng sinh học là
phƣơng pháp thích hợp để nâng cao hiệu quả kinh tế, tận dụng nguồn phế phẩm
nông nghiệp và bảo vệ môi trƣờng.
1.1.2. Sản xuất Bioethanol.
Bioethanol thế hệ thứ nhất
Bioethanol thế hệ thứ nhất là bioethanol làm từ đƣờng, tinh bột bằng cách sử
dụng công nghệ thông thƣờng. Các nguyên liệu cơ bản để sản xuất Bioethanol thế
hệ đầu tiên thƣờng là hạt giống hoặc các loại ngũ cốc nhƣ lúa mì, tinh bột.
Bioethanol thế hệ thứ hai
Bioethanol thế hệ thứ hai đƣợc sản xuất bằng cách lên men thực vật không sử
dụng cho các mục đích thực phẩm (không phải cây lƣơng thực) nhƣ cỏ jatropha, lục
bình,… hoặc phế phẩm nông nghiệp nhƣ rơm rạ, trấu, lá cây, bã mía.
Bioethanol thế hệ thứ ba
Bioethanol thế hệ thứ ba từ tảo (nƣớc ngọt và nƣớc biển), cây Jatropha curcas
(cây cộc rào hay cây dầu mè), cỏ swichgrass, cây halophyte.
4
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.2. Nguyên liệu Lignocellulose
Lignocellulose là vật liệu phổ biến nhất trên trái đất. Trong tự nhiên, chúng ta có
thể tìm thấy lignocellulose ở thực vật hay các chất thải nông nghiệp, lâm nghiệp và
các chất thải rắn trong thành phố.
Lignocellulose là thành phần cấu trúc chính của thành tế bào thực vật. Thành
phần chủ yếu của lignocellulose là cellulose, hemicellulose và lignin (hình 1.1).
Hình 1.1. Thành phần lignocellulose
Hình 1.2. Tỉ lệ các thành phần có trong lignocellulose
5
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Về cơ bản, trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và đƣợc bao
bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lƣới nhƣ hemicellulose và kết dính nhƣ
lignin[11]. Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau và liên kết cộng hóa
trị với nhau (hình 1.3). Các đƣờng nằm ở mạch nhánh nhƣ arabinose, galactose, và
acid 4-O-methylglucuronic là các nhóm thƣờng liên kết với lignin.
Hình 1.3. Cấu trúc của lignocellulose
Trong lignocellulose, các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các sợi
này đƣợc gắn lại với nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi với chiều
rộng khoảng 25nm. Các vi sợi này đƣợc bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp
bảo vệ cellulose khỏi sự tấn công của enzyme cũng nhƣ các hóa chất trong quá trình
thủy phân[9].
1.2.1. Cellulose
Cellulose là hợp chất hữu cơ có công thức (C6H10O5)n, là một polymer mạch
thẳng của D-glucose, các D-glucose đƣợc liên kết với nhau bằng liên kết β 1-4
glucosid. Cellulose là loại polymer phổ biến nhất trên trái đất, độ trùng hợp đạt
đƣợc 3.500 – 10.000 DP. Các nhóm OH ở hai đầu mạch có tính chất hoàn toàn khác
nhau, cấu trúc hemiacetal tại C1 có tính khử, trong khi đó OH tại C4 có tính chất
của rƣợu[1].
Các mạch cellulose đƣợc liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết Van
Der Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là kết tinh và vô định hình. Trong
6
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn
công bởi enzyme cũng nhƣ hóa chất. Ngƣợc lại trong vùng vô định hình, cellulose
liên kết không chặt chẽ với nhau nên dễ bị tấn công[9].
Hình 1.4. Công thức hóa học của cellulose
1.2.2. Hemicellulose
Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp
khoảng 70 – 200 DP. Hemicellulose chứa cả đƣờng 6 gồm glucose, mannose,
galactose và đƣờng 5 gồm xylose, arabinose. Thành phần cơ bản của hemicellulose
là β-D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β-(1-4)[9].
Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguồn nguyên liệu,
tuy nhiên có một vài điểm chung gồm:
Mạch chính của hemicellulose đƣợc cấu tạo từ liên kết β-(1-4).
Xylose là thành phần quan trọng nhất.
Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl O – liên kết với vị trí 2 hoặc 3.
Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thƣờng là disaccharide
hoặc trisaccharide. Sự liên kết của hemicellulose với các nhóm
polysaccharide khác và với lignin là nhờ các mạch nhánh này. Cũng vì
hemicellulose có mạch nhánh nên tồn tại ở dạng vô định hình và vì thế dễ bị
thủy phân.
1.2.3. Lignin
7
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Lignin là một phức hợp hóa học phổ biến đƣợc tìm thấy trong hệ mạch thực
vật, chủ yếu là giữa các tế bào, trong thành tế bào thực vật. Lignin có cấu trúc
không gian 3 chiều, phức tạp, vô định hình, chiếm 17% đến 33% thành phần của gỗ.
Lignin không phải là carbohydrate nhƣng có liên kết chặt chẽ với nhóm này để tạo
nên màng tế bào giúp thực vật cứng chắc và giòn, có chức năng vận chuyển nƣớc
trong cơ thể thực vật (một phần là để làm bền thành tế bào và giữ cho cây không bị
đổ, một phần là điều chỉnh dòng chảy của nƣớc), giúp cho cây phát triển và chống
lại sự tấn công của côn trùng và mầm bệnh. Thực vật càng già, lƣợng lignin tích tụ
càng lớn. Hơn nữa lignin đóng vai trò quan trọng trong chu trình carbon, tích lũy
carbon khí quyển trong mô của thực vật thân gỗ lâu năm, là một trong các thành
phần bị phân hủy lâu nhất của thực vật sau khi chết.
Lignin là một loại polyphenol có cấu trúc mở. Trong tự nhiên lignin chủ yếu
đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng
cellulose và hemicellulose, rất khó để tách lignin ra hoàn toàn.
Lignin là polymer, đƣợc cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, vài đơn vị
cấu trúc điển hình đƣợc đề nghị là: guaiacyl (G), chất gốc là rƣợu trans-coniferyl;
syringly (S), chất gốc là rƣợu trans-sinapyl; p-hydroxylphenyl (H), chất gốc là rƣợu
trans-p-courmary (hình 1.5).
Hình 1.5. Các đơn vị cơ bản của lignin
Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, độ tuổi của cây hoặc cấu
trúc của nó trong gỗ ngoài việc đƣợc phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm và
8
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
cỏ, lignin có thể đƣợc phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicy-syringly
lignin.
Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl. Nghiên
cứu chỉ ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự trƣơng nở của sơ sợi và vì vậy loại
nguyên liệu đó sẽ khó bị tấn công bởi enzyme hơn syringly lignin[9].
Do sự liên kết chặt chẽ của lignin với mạng cellulose và hemicellulose nên yêu
cầu cần một quá trình tiền xử lý ban đầu nhằm phá vỡ cấu trúc giữa lignin-
cacbohydrate giải phóng cellulose, giúp cho quá trình thủy phân bằng enzyme hay
acid diễn ra dễ dàng hơn.
1.3. Qúa trình sản xuất Bioethanol từ lignocellulose
Có rất nhiều nguồn nguyên liệu để sản xuất bioethanol trong đó nguồn nguyên
liệu lignocellulose là nguồn nguyên liệu phong phú để sản xuất bioethanol. Quy
trình sản xuất bioethanol từ nguồn lignocellulose đƣợc thể hiện qua hình 1.6.
Hình 1.6. Quy trình chuyển hóa sinh khối lignocellulose thành bioethanol
9
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Qúa trình lên men ethanol từ các nguồn nguyên liệu lignocellulose cũng giống
nhƣ từ tinh bột hay rỉ đƣờng. Bao gồm 4 bƣớc cơ bản:
- Tiền xử lý nguyên liệu.
- Thủy phân nguyên liệu.
- Lên men.
- Tinh chế sản phẩm (chƣng cất, tách nƣớc, bốc hơi, tách lỏng rắn) tùy thuộc
vào nồng độ cồn mà ta dùng các phƣơng pháp tinh chế khác nhau.
1.3.1. Quá trình tiền xử lý
Mục đích để làm tăng khả năng xâm nhập của enzyme vào cấu trúc nguyên
liệu lignocellulose, làm giảm hàm lƣợng lignin, tăng diện tích bề mặt và mức độ cấu
trúc vô định hình của nguyên liệu, tăng tốc độ thủy phân của enzyme vào cấu trúc
cellulose và làm tăng hàm lƣợng đƣờng[14].
Yêu cầu của quá trình tiền xử lý:
Các tiêu chuẩn để đánh giá quá trình tiền xử lý:
- Giữ lại đƣợc các gốc đƣờng C5, C6 trong thành phần cellulose và
hemicellulose.
- Giảm thiểu đƣợc hàm lƣợng và sự biến chất của lignin trong nguyên liệu.
- Sử dụng ít năng lƣợng.
- Sử dụng các phƣơng pháp và tác nhân tiền xử lý giá thành thấp.
Không có một phƣơng pháp tiền xử lý nào gọi là hoàn thiện, chúng đều tồn tại
các nhƣợc điểm nhƣ: tạo ra các chất hóa học gây ức chế (acid, furan, phenol), tiêu
tốn nhiều năng lƣợng hoặc kém hiệu quả trong phân riêng dung dịch đƣờng và bã
rắn[13].
Điều kiện tiền xử lý xác định là yêu cầu cho từng loại nguyên liệu riêng.Vấn đề
rất quan trọng đó là phải tối ƣu quá trình tiền xử lý nguyên liệu lignocellulose bởi vì
đây là một trong những giai đoạn tốn nhiều chi phí nhất trong quá trình chuyển hóa
10
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
tạo thành ethanol. Ví dụ Mosier et al (2005) đã tính toán rằng quá trình tiền xử lý có
chi phí ~30 UScent/gallon sản phẩm bioethanol[13].
Về cơ bản, phƣơng pháp tiền xử lý phải làm cho cellulose trở nên dễ bị enzyme
thủy phân bằng cách phá vỡ cấu trúc kết tinh của nguyên liệu và để làm đƣợc điều
này thì lớp lignin bao bọc cần phải đƣợc phá bỏ.
Kỹ thuật tiền xử lý nguyên liệu lignocellulose đƣợc chia thành 4 nhóm chính
bao gồm vật lý, hóa học, hóa – lý và sinh học. Tiền xử lý vật lý làm tăng diện tích
bề mặt bằng việc giảm kích thƣớc nguyên liệu. Tiền xử lý hóa học loại bỏ một phần
hemicellulose và lignin, phá vỡ cấu trúc mạng lƣới lignin – hemicellulose. Tiền xử
lý hóa – lý đòi hỏi điều kiện vận hành, kiểm soát cao bởi vì phản ứng xảy ra ở nhiệt
độ và áp suất cao[12]. Tiền xử lý sinh học đƣợc sử dụng để loại bỏ lignin trong cấu
trúc lignocelluloses[7].
Bảng 1.1. Sự tác động của các phƣơng pháp tiền xử lý khác nhau lên cấu trúc
lignocellulose.
Nghiền Nổ hơi
nƣớc
Acid
Kiềm
Oxy
hóa
H
Nổ hơi
CO2
H
Diện tích bề mặt
H
H
H
-
H
-
H
-
Mức độ suy giảm cấu
trúc vô định hình của
cellulose
n.d
-
Độ hòa tan hemicellulose
Loại bỏ lignin
-
-
-
-
H
M
H
H
H
M
H
H
L
M
L
-
H
-
M
L
Hợp chất ức chế sinh ra
Sự thay đổi cấu trúc
lignin
-
H
L
-
H: tác động cao; M: tác động trung bình; L: tác động thấp; n.d: không xác định
( Nguồn: P. Alvira, 2010)
11
Tải về để xem bản đầy đủ
75 trang
9180
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Thử nghiệm tận dụng bã vỏ chuối sản xuất bioethanol để tiếp tục thu nhận sản phẩm bằng phương pháp thủy phân và lên men đồng thời (SSF) với Saccharomyces cerevisiae và Pichia anomala", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- do_an_thu_nghiem_tan_dung_ba_vo_chuoi_san_xuat_bioethanol_de.pdf
