Tải bản đầy đủ

Nghiên Cứu Quá Trình Sản Xuất Ethanol Từ Rau Rác Thải Tại Chợ Nông Sản Thực Phẩm Thủ Đức

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ RAU
RÁC THẢI TẠI CHỢ NÔNG SẢN THỰC PHẨM THỦ ĐỨC

Ngành:

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Giảng viên hướng dẫn : TS. HOÀNG QUỐC KHÁNH
CN. NGÔ ĐỨC DUY
Sinh viên thực hiện
MSSV: 0851110098

: LÊ XUÂN HUY
Lớp: 08DSH1


TP. Hồ Chí Minh, 2012


Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................................iv
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................vi
DANH MỤC SƠ ĐỒ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................................ viii
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU....................................................................... 4
1.1. Nhiên liệu sinh học ................................................................................................... 4
1.1.1. Ưu điểm của nhiên liệu sinh học ...................................................................... 4
1.1.2. Nhược điểm của nhiên liệu sinh học ................................................................ 5
1.2. Tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới và ở Việt Nam .................. 5
1.2.1. Tình hình trên thế giới ....................................................................................... 5
1.2.2. Tình hình ở Việt Nam ........................................................................................ 6
1.2.3. Triển vọng ethanol tương lai ............................................................................. 6
1.3. Các nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học ............................................ 7
1.3.1. Nguyên liệu chứa tinh bột ................................................................................. 7
1.3.2. Nguyên liệu chứa đường- mật rỉ ....................................................................... 7
1.3.3. Nguyên liệu chứa lignocellulose ....................................................................... 7
1.3.3.1. Cellulose ....................................................................................................... 9
1.3.3.2. Hemicellulose............................................................................................. 10
1.3.3.3. Lignin ......................................................................................................... 11
1.4. Sơ lược về nguồn nguyên liệu rau quả................................................................. 11
1.4.1. Tình hình sản xuất rau củ quả tại Việt Nam .................................................. 11
1.4.2. Thành phần rau quả ........................................................................................ 12
1.4.2.1. Chất khô ..................................................................................................... 12
1.4.2.2. Chất béo ..................................................................................................... 14

i


Đồ án tốt nghiệp

1.4.2.3. Acid hữu cơ ................................................................................................ 14
1.4.2.4. Vitamin ....................................................................................................... 14


1.5. Quy trình sản xuất ethanol từ rau rác thải ......................................................... 15
1.5.1. Tổng quát .......................................................................................................... 15
1.5.2. Tiền xử lý .......................................................................................................... 15
1.5.2.1. Các phương pháp tiền xử lý cơ học .......................................................... 15
1.5.2.2. Các phương pháp tiền xử lý hóa học........................................................ 15
1.5.2.3. Tiền xử lý sinh học .................................................................................... 16
1.5.3. Quá trình thủy phân......................................................................................... 16
1.5.3.1. Các nguồn sản xuất enzyme cellulase ...................................................... 16
1.5.3.2. Enzyme cellulase........................................................................................ 17
1.5.3.3. Cấu trúc của enzyme cellulase .................................................................. 17
1.5.3.4. Cơ chế thủy phân cellulose của enzyme cellulase ................................... 18
1.5.3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến qúa trình thủy phân ...................................... 19
1.5.4.

Quá trình lên men...................................................................................... 21

1.5.4.1. Nấm men Sacharomyces cerevisiae .......................................................... 21
1.5.4.2. Cơ chế hóa sinh học của quá trình lên men ............................................ 21
1.5.4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men.......................................... 23
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................ 25
2.1. Vật liệu và hóa chất. .............................................................................................. 25
2.1.1. Rau rác thải ...................................................................................................... 25
2.1.2. Enzyme cellulase .............................................................................................. 25
2.1.3. Nấm men Sacharomyces cerevisiae ................................................................ 26
2.1.4. Các hóa chất sử dụng ...................................................................................... 26
2.2. Các thiết bị sử dụng ............................................................................................... 26
2.3. Các phương pháp sử dụng .................................................................................... 28

ii


Đồ án tốt nghiệp

2.3.1. Phương pháp xác định hàm lượng cellulose .................................................. 28
2.3.2. Phương pháp định tính ethanol ...................................................................... 29
2.3.3. Phương pháp đo nồng độ đường khử ............................................................. 30
2.3.4. Phương pháp xác định hoạt tính enzyme ....................................................... 32
2.3.5. Phương pháp nuôi cấy và đếm nấm men........................................................ 34
2.3.6. Phương pháp Cordebard ................................................................................. 36
2.4. Trình tự nghiên cứu .............................................................................................. 39
2.4.1. Quy trình công nghệ ........................................................................................ 39
2.4.2. Thuyết minh quy trình ..................................................................................... 40
2.4.2.1. Giai đoạn tiền xử lý ................................................................................... 40
2.4.2.2. Giai đoạn thủy phân bằng enzyme cellulase ............................................ 41
2.4.2.3. Giai đoạn lên men bằng nấm men Sacharomyces cerevisiae .................. 44
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN ................................................................ 46
3.1. Giai đoạn tiền xử lý cơ chất .................................................................................. 46
3.2. Giai đoạn thủy phân bằng enzyme cellulase ....................................................... 48
3.3. Giai đoạn lên men bằng nấm men Sacharomyces cerevisiae ............................. 53
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .................................................................. 58
4.1. Kết luận .................................................................................................................. 58
4.2. Đề nghị .................................................................................................................... 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 59

iii


Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Số tt
Hình 1.1
Hình 1.2

Tên hình
Cấu trúc lignocellulose

Số trang

8

Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cầu trúc
lignocellulose

8

Hình 1.3

Công thức hóa học của cellulose

9

Hình 1.4

Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain

10

Hình 1.5

Cầu trúc lignin

11

Hình 1.6

Cầu nối peptide

18

Hình 1.7

Cơ chế quá trình thủy phân

19

Hình 2.1

Rau hư tại chợ Nông Sản Thực Phẩm Thù Đức

25

Hình 2.2

Vị trí địa lý chợ Nông Sản Thực Phẩm Thủ Đức

25

Hình 2.3

S.cerevisiae nhìn dưới kính hiển vi điện tử 40X

26

Hình 2.4

Hệ thống Kjendahl

27

iv


Đồ án tốt nghiệp

Hình 2.5

Máy lắc

28

Hình 2.6

Máy đo quang phổ

28

Hình 2.7

Tủ hấp

28

Hình 2.8

Tủ sấy

28

Hình 2.9

Bể ổn nhiệt

28

Hình 2.10

Cân

28

Hình 2.11

Dung dịch chuyển sang màu vàng khi chuẩn độ bằng Na2S203

37

Hình 2.12

Dung dịch chuyển sang xanh đậm khi cho hồ tinh bột

37

Hình 2.13

Dung dịch chuyển sang xanh lơ khi tiếp tục chuẩn độ bằng
Na2S203

38

Hình 2.14

Bã rau trước tiền xử lý bằng NaOH

40

Hình 2.15

Bã rau sau tiền xử lý bằng NaOH

41

v


Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC BẢNG

Tên bảng

Stt

Số trang

Bảng 1.1

Một số nguyên liệu chứa tinh bột cao

7

Bảng 1.2

Diện tích sản lượng rau theo vùng

12

Bảng 1.3

Hàm lượng hydrocacbon của một số rau quả

13

Bảng 1.4

Thành phần hydrocacbon ở một số loại rau

14

Bảng 1.5

Dựng đường chuẩn glucose 0.5mg/ml

31

Bảng 1.6

Dựng đường chuẩn glucose 10mg/ml

33

Bảng 3.1
Bảng 3.2

Sự thay đổi khối lượng bã sau quá trình tiền xử lý bằng
NaOH, Na2CO3, Ca(OH)2
Sự thay đổi khối lượng bã sau quá trình tiền xử lý bằng
NaOH ở các thời điểm khác nhau

46

47

Bảng 3.3

Nồng độ glucose, hiệu suất tại 25h theo nhiệt độ

48

Bảng 3.4

Nồng độ glucose, hiệu suất tại 25h theo thời gian

50

Bảng 3.5

Nồng độ glucose, hiệu suất tại 25h theo pH

51

vi


Đồ án tốt nghiệp

Bảng 3.6

Nồng độ glucose, hiệu suất tại 25h theo lượng enzyme sử
dụng

52

Bảng 3.7

Sự thay đổi lượng ethanol theo nhiệt độ

53

Bảng 3.8

Sự thay đổi lượng ethanol theo pH

54

Bảng 3.9

Sự thay đổi lượng ethanol theo lượng nấm men sử dụng

56

vii


Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC SƠ ĐỒ VÀ ĐỒ THỊ

Tên sơ đồ và đồ thị

Stt

Trang

Đồ thị 2.1

Đồ thị đường chuẩn glucose 0.5mg/ml

35

Đồ thị 2.2

Đồ thị đường chuẩn glucose 10mg/ml

37

Biểu đồ 3.1
Biểu đồ 3.2

Sự thay đổi khối lượng bã rau sau quá trình tiền xử lý
bằng NaOH 2%, Na2CO3 2%, Ca(OH)2 2%
Sự thay đổi khối lượng bã rau sau quá trình tiền xử lý
bằng NaOH ở các thời điểm khác nhau

46

47

Biểu đồ 3.3

Nồng độ glucose, hiệu suất tại 24h theo nhiệt độ

49

Biểu đồ 3.4

Nồng độ glucose, hiệu suất theo thời gian

50

Biểu đồ 3.5

Nồng độ glucose, hiệu suất theo pH

51

Biểu đồ 3.6

Nồng độ glucose, hiệu suất theo lượng enzyme sử dụng

52

Biểu đồ 3.7

Sự thay đổi nồng độ ethanol theo nhiệt độ

54

Biểu đồ 3.8

Sự thay đổi nồng độ ethanol ở các pH khác nhau

55

Biểu đồ 3.9

Sự thay đổi nồng độ ethanol ở các tỷ lệ nấm men khác
nhau

viii

56


Đồ án tốt nghiệp

LỜI MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Nhu cầu năng lượng của loài người đã hiện diện cách nay hàng ngàn năm, khi con
người biết dùng lửa trong hoạt động hàng ngày để nướng thịt, đuổi thú dữ, đốt rừng
làm rẫy. Kể từ đó nguồn năng lượng từ vật rắn ngày càng trở nên quan trọng, có hơn
hai tỉ người trên thế giới đang dùng chất rắn trong gia đình để nấu nướng và sưởi ấm
mùa đông. Năng lượng có vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội và an
ninh quốc gia. Vì vậy trong chính sách phát triển kinh tế xã hội bền vững, chính sách
năng lượng được đặt lên hàng đầu. Vào thế kỷ 19 gỗ là nguồn năng lượng làm máy
chạy bằng hơi nước trong ngành chuyên chở, giúp phát triển mạnh công nghiệp cơ
giới. Sau đó, con người chế tạo máy phát điện cung cấp nguồn điện năng mới có nhiều
công dụng cho đời sống hàng ngày và thay thế dần những máy chạy bằng hơi nước.
Khi tìm thấy nguồn nhiên liệu trầm tích như than đá, dầu hỏa và khí đốt, con người sử
dụng loại năng lượng không tái tạo này để chạy máy nổ, chủ yếu trong ngành vận tải,
nhiệt và điện năng. Loại nhiên liệu thể lỏng trở nên thông dụng hơn trong ngành vận
chuyển vì dễ sử dụng hơn loại nhiên liệu khí và rắn, và từ đó nguồn năng lượng rắn
được sử dụng giảm dần. Với tốc độ tiêu thụ như hiện nay và trữ lượng dầu mỏ hiện có,
nguồn năng lượng này sẽ nhanh chóng bị cạn kiệt trong vòng 40-50 năm nữa. Để đối
phó tình hình đó, cần tìm ra các nguồn năng lượng thay thế được ưu tiên hàng đầu.
Trong số các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang sử dụng hiện nay (năng
lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân…), năng lượng sinh học đang là
xu thế phát triển tất yếu. Để tìm nguồn nhiên liêu thay thế phần nào việc sử dụng xăng
dầu trong việc vận chuyển, trong những năm gần đây người ta phải tìm kiếm những
phương thức mới sử dụng các nguồn nhiên liệu khác. Chẳng hạn sử dụng ethanol sinh
học pha vào xăng chạy máy để giảm phần nào sự sử dụng xăng. Ở nhiều quốc gia công
nghệ sản xuất ethanol sinh học với nguyên liệu sắn, ngô, khoai, gỗ…rất phổ biến
nhưng sẽ ảnh hưởng đến an ninh lương thực thế giới. Do vậy để sản xuất ethanol sinh
1


Đồ án tốt nghiệp

học phải tìm ra nguồn nguyên liệu thay thế từ những nguồn nguyên liệu tái sinh như:
phế phẩm nông nghiệp, phế phẩm lâm nghiệp, phế phẩm từ nhà máy thực phẩm gia
công, cây công nghiệp được gieo trồng cho mục đích làm nguyên liệu, các phế phẩm
hữu cơ trong rác … do đó để tìm nguồn nguyên liệu thay thế, em tiến hành nghiên cứu”
Nghiên cứu quá trình sản xuất ethanol từ rau rác thải tại chợ tại chợ Nông Sản Thực
Phẩm Thủ Đức”…để sản xuất ethanol.
2. Mục đích nghiên cứu
- Khảo sát sơ bộ đặc điểm rau rác thải tại chợ nông sản thực phẩm Thủ Đức
- Tiền xử lý chất thải
- Khảo sát điều kiện lên men ethanol từ chủng nấm men Sacharomyces cerevisiae
- Thu nhận ethanol sinh học sau lên men.
3. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp xác định hàm lượng cellulose để xác định hàm lượng cellulose
trong rau rác thải
- Phương pháp xác định hoạt tính enzyme cellulase thương mại
- Xác định hàm lượng đường của dịch thủy phân dựa trên cơ sở phản ứng tạo màu
giữa đường khử với thuốc thử acid dinitrosalicycid
- Sử dụng phương pháp nuôi cấy và nhân giống để tăng hoạt lực của S. cerevisiae
- Sử dụng phương pháp đếm nấm men để xác định mật độ nấm men trong 1ml
- Xác định nồng độ ethanol sinh ra bằng phương pháp Cordebard
- Phương pháp phân tích và xử lý số liệu tiến hành sử dụng phần mềm Microsoft
Office Excel 2007.
4. Phạm vi nghiên cứu
- Thí nghiệm được thực hiện tại phòng Vi sinh, Viện Sinh Học Nhiệt Đới,
9/621 xa lộ Hà Nội, Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh.
- Thời gian thực hiện đề tài từ tháng 4 đến tháng 7 năm 2012.
5. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
2


Đồ án tốt nghiệp

Gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan tài liệu
Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Kết quả và biện luận
Chương 4: Kết luận và kiến nghị

3


Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn
gốc động thực vật như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật, ngũ cốc, chất
thải trong nông nghiệp, sản phẩm thải trong công nghiệp. Nhiên liệu sinh học có thể
được phân loại thành các nhóm chính như sau:
- Diesel sinh học (biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và
có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống. Biodiesel được điều chế bằng
cách từ dẫn xuất một số loại dầu mỡ sinh học thông qua quá trình transester hóa cho
phản ứng với các loại rượu phổ biến nhất là methanol.
- Ethanol sinh học (bioethanol) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có thể sử
dụng ethanol sinh học pha trộn vào xăng thay chì. Ethanol được chế biến thông qua
quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, cellulose, lignocellulose.
- Gas sinh học (biogas) là một loại khí hữu cơ gồm methane và các đồng đẳng
khác. Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ phế thải nông
nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí. Biogas có thể dùng làm
nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm dầu mỏ [17].
1.1.1. Ưu điểm của nhiên liệu sinh học
Trước đây nhiên liệu sinh học hoàn toàn không được chú trọng hầu như đây chỉ là
một nhiên liệu thay thế phụ tận dụng ở quy mô nhỏ. Tuy nhiên sau khi xuất hiện khủng
hoảng nhiên liệu ở quy mô toàn cầu cũng như ý thức bảo vệ môi trường được lên cao
nhiên liệu sinh học bắt đầu được chú ý phát triển ở quy mô lớn hơn do có nhiều ưu
điểm nổi bậc so với các loại nhiên liệu truyền thống như sinh ra ít hàm lượng khí gây
hiệu ứng nhà kính và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống.
Các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh. Do đó
chúng giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu không tái sinh truyền thống [16].

4


Đồ án tốt nghiệp

1.1.2. Nhược điểm của nhiên liệu sinh học
Việc sản xuất ethanol sinh học từ các nguồn tinh bột hay từ các cây thực phẩm
được cho là ảnh hưởng đến an ninh lương thực. Khả năng sản xuất ở quy mô lớn cũng
còn kém do nguồn cung cấp không ổn định vì phụ thuộc vào thời tiết và nông nghiệp.
Bên canh đó giá thành sản xuất nhiên liệu sinh học vẫn còn cao hơn nhiều so với nhiên
liệu truyền thống, từ đó việc ứng dụng và sử dụng nhiên liệu sinh học vào đời sống vẫn
chưa phổ biến rộng. Tuy ngày nay ở nhiều quốc gia người ta chú trọng vào sản xuất
nhiên liệu sinh học từ phế phẩm nông nghiệp và công nghiệp [16].
1.2. Tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới và ở Việt Nam
1.2.1. Tình hình trên thế giới
Năng lượng sinh học sẽ góp phần đa dạng hóa nguồn năng lượng, thúc đẩy tăng
trưởng kinh tế, giảm thiểu ô nhiễm nhà kính. Đến năm 2015 thế giới sẽ sử dụng 12%
nhiên liệu sinh học trong toàn bộ nhu cầu năng lượng. Chính quyền Obama và Cơ quan
bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) đã công bố Tiêu chuẩn nhiên liệu tái tạo để thúc đẩy việc
phát triển nhiên liệu sinh học. Theo kế hoạch thì đến năm 2022 nhiên liệu tái tạo phục
vụ giao thông ở Mỹ mỗi năm phải đạt tới 36 tỷ gallon (1gallon=3,785 lít). EPA xác
định cuối năm 2011 phần nhiên liệu sinh học từ chất xơ (cellulose) phải đạt tới 6,6
triệu, phần diesel sinh học phải đạt 800 triệu gallon, phần nhiên liệu có thể tái sinh phải
đạt 13,95 tỷ gallon. Hiện nay xăng E15 (15% ethanol) được coi là sử dụng an toàn cho
ô tô ở Mỹ. Liên minh Châu Âu (EU) quyết định giảm thiểu phát tán khí nhà kính và
giảm nhu cầu nhập khẩu xăng dầu bằng cách thực hiện mục tiêu thay thế 10% nhiên
liệu dùng trong vận tải bằng các nhiên liệu tái tạo. Có 14 quốc gia trong EU thỏa thuận
hợp tác nghiên cứu và triển khai sản xuất nhiên liệu sinh học. Chính phủ Đức xác định
đến năm 2020 ở nước này nguồn năng lượng có thể tái sinh ít nhất cũng phải đạt 30%
tỷ lệ năng lượng được sử dụng. Chính phủ Pháp huy động 1,35 tỷ Euro để hỗ trợ cho
sự phát triển nhiêu liệu sinh học và các nguồn năng lượng tái sinh. Phần Lan quyết
định trong 10 năm tới, mỗi năm huy động 327 triệu euro để dành cho các nguồn năng
lượng tái sinh [18].

5


Đồ án tốt nghiệp

1.2.2. Tình hình ở Việt Nam
Việt Nam có nhiều tiềm năng về nhiên liệu sinh học có thể làm nhiên liệu thay
thế cho xăng dầu có nguồn gốc dầu mỏ. Nhiều loại cây như sắn, ngô, mía... có thể sản
xuất ethanol sinh học mà ở Việt Nam lại có nhiều vùng đất rất thích hợp với các loại
cây trồng này. Sản lượng sắn cả nước năm 2007 là hơn 7 triệu tấn, mía đường hơn 14
triệu tấn và ngô gần 4 triệu tấn. Với sản lượng này có thể đáp ứng được cho nhu cầu
sản xuất ethanol sinh học ở quy mô vừa và nhỏ. Ước tính Việt Nam có thể sản xuất 5
triệu lít ethanol sinh học mỗi năm nếu như có sự điều chỉnh về sản lượng và diện tích
cây trồng. Tuy nhiên tiềm năng về nhiên liệu sinh học là rất lớn, song đến nay các hoạt
động sản xuất ethanol từ mía, tổng hợp điesel từ dầu cây công nghiệp hoặc từ mỡ động
vật chỉ dừng ở quy mô phòng thí nghiệm [17].
Theo Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, Việt Nam sẽ sản xuất
150.000 tấn nhiên liệu sinh học, đáp ứng 0,1% nhu cầu xăng dầu của cả nước và tới
năm 2025 sẽ nâng lên 5%. Tập đoàn Dầu khí quốc gia Việt Nam đã giao Tổng công ty
Dầu Việt Nam nghiên cứu pha chế ethanol với xăng M92 hoặc tương đương M92 có tỷ
lệ 5% ethanol với tên gọi thành phẩm là xăng sinh học E5. Xăng sinh học E5 do PV Oil
pha chế chính thức có mặt trên thị trường từ ngày 1-8-2010 và được người tiêu dùng
ủng hộ và tin dùng.
1.2.3. Triển vọng ethanol tương lai
Cần có những nghiên cứu để tăng hiệu quả của ethanol sinh học thành nhiên liệu
bền vững để thay thế xăng dầu. Điều này có liên quan đến việc giảm chi phí , tăng năng
suất và tăng sự đa dạng của các nguồn nguyên liệu có thể sử dụng. Hướng đi cho
những nghiên cứu để phát triển và cải tiến tạo ethanol sinh học là tìm những phương
pháp chuyển hóa hemicellulose thành đường để lên men.
Những phương pháp hiện nay có thể đạt được hiệu suất 50 – 72% ethanol cho
mỗi gam glucose, giới hạn bởi khả năng chịu ảnh hưởng của nấm men đối với ethanol.
Điều này dẫn đến hướng khả thi nghiên cứu những chủng nấm men có khả năng chịu
ức chế tốt hơn. Ở khía cạnh này, công nghệ sinh học và vi sinh sẽ đóng vai trò rất quan

6


Đồ án tốt nghiệp

trọng trong công nghệ gene, không chỉ ở việc phát triển nấm men, mà còn ở việc phát
triển những giống vi sinh vật khác có khả năng chuyển hóa cellulose và lignin tạo
thành đường và lên men ethanol [17].
1.3. Các nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học
1.3.1. Nguyên liệu chứa tinh bột
Tinh bột là một polysacarit carbohydrates chứa hỗn hợp amylose và amylopectin,
tỷ lệ phần trăm amylose và amylopectin thay đổi tùy thuộc vào từng loại tinh bột, tỷ lệ
này thường từ 20%/80% đến 30%/70%. Tinh bột có nguồn gốc từ các loại cây khác
nhau có tính chất vật lí và thành phần hóa học khác nhau. Chúng đều là các polymer
carbohydrat phức tạp của glucose (công thức phân tử là C6H12O6). Môt số nguyên liệu
chứa hàm lượng tinh bột cao:
Bảng 1.1 Một số nguyên liệu chứa tinh bột cao

1.3.2. Nguyên liệu chứa đường- mật rỉ
Mật rỉ hay rỉ đường là thứ phẩm của công nghệ sản xuất đường thường chiếm tử
3% đến 5% so với lượng mía đưa vào sản xuất. Tỷ lệ phụ thuộc vào chất lượng mía và
công nghệ sản xuất. Bình thường lượng chất khô trong mật rỉ chiếm 80% đến 85%,
nước chiếm 15% đến 20%. Trong số chất khô thì đường chiếm tới 60%, gồm 35% đến
40% là sacharoza và 20% đến 25% là đường khử. Số chất khô còn lại gọi chung là chất
phi đường và gồm 30% đến 32% là hợp chất hữu cơ và 8% đến 10% là chất vô cơ.
1.3.3. Nguyên liệu chứa lignocellulose
Thành phần chính của vật liệu lingocellulose là: cellulose, hemicelluloses, lignin.

7


Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.1. Cấu trúc lignocellulose

Hình 1.2 Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose
Về cơ bản trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và được bao bọc
bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicellulose và kết dính như lignin.
Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau và liên 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 [9].
Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản, các sợi này được gắn lại với nhau
nhờ hemicelluloses tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25nm. Các vi sợi

8


Đồ án tốt nghiệp

này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tác động
của enzyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân [9].
1.3.3.1. Cellulose
Cellulose là chất màu trắng, không mùi, không vị, không tan trong nước ngay cả
khi đun nóng và các dung môi hữu cơ thông thường, tan trong một số dung dịch acid
vô cơ mạnh như: HCl, HNO3… một số dung dịch muối: ZnCl2, PbCl2…
Cellulose là một polymer mạch thẳng của D-glucose được liên kết với nhau bằng
liên kết β 1-4 glucosid. 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 nhóm OH tại C4 có tính chất
của rượu[6].

Hình 1.3. Công thức hóa học cellulose
Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết Van Der
Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là vùng kết tinh và vùng vô định hình. Trong
vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tác
động bởi enzyme cũng như hóa chất. Ngược lại trong vùng vô định hình, cellulose liên
kết không chặt với nhau nên dễ bị tác động. Có hai kiểu cấu trúc của cellulose đã được
đưa ra nhằm mô tả vùng kết tinh và vô định hình [9,3].

9


Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.4. Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain
- Kiểu Fringed Fibrillar: phân tử cellulose được kéo thẳng và định hướng theo
chiều sợi, vùng tinh thể xếp xen kẽ với vùng vô định hình.
- Kiểu Folding chain: phân tử cellulose gấp khúc theo chiều sợi, mỗi đơn vị lặp
lại có độ trùng hợp khoảng 1000. Các đơn vị đó được sắp xếp thành chuỗi nhờ vào các
mạch glucose nhỏ, các vị trí này rất dễ bị thủy phân. Đối với các đơn vị lặp lại hai đầu
là vùng vô định hình, càng vào giữa tính chất kết tinh càng cao, vùng vô định hình sẽ
dễ bị tác động bởi các tác nhân thủy phân hơn vùng tinh thể vì sự thay đổi góc liên kết
của các liên kết cộng hóa trị (β-glucosid) sẽ làm giảm độ bền nhiệt động của liên kết
đồng thời vị trí này không tạo được liên kết hydro [2].
1.3.3.2. Hemicellulose
Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng
70 đến 200 đơn phân, hemicellulose chứa cả đường 6 carbon gồm glucose, mannose,
galactose và đường 5 gồm xylose, arabinose. Thành phần cơ bản của hemicellulose là β
– D xylopyranose liên kết với nhau bằng liên kết β -(14).
Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp gồm:
- Mạch chính của hemicellulose được 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.

10


Đồ án tốt nghiệp

- Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharide hoặc
trisaccharide, sự liên kết của hemicellulose với các 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 [9].
1.3.3.3. Lignin
Lignin là một 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 có thể tách lignin ra hoàn toàn.
Lignin được cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, vài đơn vị cấu trúc điển
hình là: guaiacyl(G), chất gốc là rượu trans-coniferyl; syringyl(S), chất gốc là rượu
trans-sinapyl; p-hydroxylphenyl(H), chất gốc là rượu trans-p-courmary [10].

Hình 1.5. Cấu trúc của lignin
1.4. Sơ lược về nguồn nguyên liệu rau quả
1.4.1. Tình hình sản xuất rau củ quả tại Việt Nam
Trong thời gian qua, diện tích trồng rau quả của Việt Nam phát triển nhanh chóng
và ngày càng có tính chuyên canh cao. Tính đến năm 2004, tổng diện tích trồng rau,
đậu trên cả nước đạt trên 600 nghìn ha, gấp hơn 3 lần so với năm 1991. Đồng bằng
sông Hồng là vùng sản xuất lớn nhất, chiếm khoảng 29% sản lượng rau toàn quốc.
Đồng bằng sông Cửu Long là vùng trồng rau lớn thứ hai của cả nước chiếm 23% sản
lượng rau của cả nước. Tây Nguyên là vùng sản xuất rau lớn thứ ba cho nhu cầu tiêu
thụ thị trường thành phố Hồ Chí Minh và cho xuất khẩu [18].

11


Đồ án tốt nghiệp

Bảng 1.2. Diện tích sản lượng năng suất rau theo vùng

1.4.2. Thành phần rau quả
Thành phần hóa học chung của rau quả: Rau quả gồm 2 thành phần chính là chất
khô và nước.
1.4.2.1. Chất khô
Bao gồm chất khô hòa tan và không hòa tan có trong nguyên liệu. Hàm lượng
chất khô là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nguyên liệu rau quả.
Glucid: Glucid là thành phần chủ yếu trong rau quả chiếm 90% gồm các loại
đường, tinh bột, cellulose, hemicellulose và pectin. Đường trong rau quả nhiều nhất là
glucose, fructose và saccharose ở trang thái tự do và kết hợp. Các loại đường có độ
ngọt khác nhau, thành phần các loại đường trong các loại rau quả không hoàn toàn
giống nhau. Đường dễ tan trong nước nhất là đường nóng. Trong môi trường nước,
sacharose có thể thủy phân thành hỗn hợp đường glucose và fructose( đường khử).
C12H22O11 + H2O = C6H12O6 + C6H12O6
Tinh bột không có vị ngọt không tan trong nước lạnh.
Cellulose giúp tăng cường độ chắc cho nguyên liệu.
Hemicellulose là polysacharid cao phân tử, cùng với cellulose tao ra màng tế bào
của thực vật. Hầu hết không tan trong nước trừ một số pentozan.
Pectin:

12


Đồ án tốt nghiệp

- Trong quả xanh có nhiều protopectin.
- Trong quá trình chín một phần protopectin phân hủy thành pectin hòa tan
Bảng 1.3. Hàm lượng hydrocacbon của một số rau quả (theo % chất khô)

Bảng 1.4. Thành phần hydrocacbon của một số loại rau

13


Đồ án tốt nghiệp

Chất đạm nằm trong rau dưới dạng protid, kèm theo một số aminoacid và amin.
Ngoài ra còn có muối nitrat và muối amon. Chất đạm còn có trong thành phần
glucose.Protid có trong rau quả không nhiều, thường dưới 1% trừ nhóm đậu và nhóm
cải khoảng 3.5- 5.5%. Mặc dù có hàm lượng nhỏ nhưng protid trong rau quả có ảnh
hưởng rất lớn đến quá trình chế biến [18].
1.4.2.2. Chất béo
Rau quả chứa rất ít chất béo 0.1-1%.
Trong hạt có nhiều hơn 15-40%.
1.4.2.3. Acid hữu cơ
Acid hữu có trong rau quả dưới dạng tự do hay kết hợp.
Trong rau quả thường gặp các acid malic (HOOC-CHOH-CH3-CHOH), acid
citric(HOOC-CH2-C(OH)COOH-CH2-COOH), acid tactric (HOOC-CH2(OH)-COOH).
Các acid oxalic (HOOC-COOH), acid fomic (HCOOH) cũng có nhưng hàm lượng rất
thấp [16].
1.4.2.4. Vitamin
Vitamin là yếu tố dinh dưỡng cần thiết cho con người. Phần lớn các vitamin là
các chất không bền. Vitamin chia làm 2 nhóm:
- Vitamin tan trong chất béo
- Vitamin tan trong nước
Ngoài ra, trong rau quả còn chứa tinh dầu, các chất màu, tanin…[18].

14


Đồ án tốt nghiệp

1.5. Quy trình sản xuất ethanol từ rau rác thải
1.5.1. Tổng quát
Tiền xử lý nguyên liệu

Thủy phân nguyên liệu
Lên men dịch đường

 Cơ học
 Hóa học
 Sinh học
Enzyme thủy phân cellulose
Chủng nấm men lên men dịch
đường hiệu quả (Sacharomyces
cerevisiae)

Thu nhận và tinh sạch

1.5.2. Tiền xử lý
Để chuyển hóa cacbohydrate (cellulose và hemicellullose) trong lignocellulose
thành ethanol, các polymer phải được phân cắt thành những phân tử nhỏ hơn trước khi
vi sinh vật hoàn tất quá trình chuyển hóa, nên bước tiền xử lý là bắt buộc để quá trình
đường hóa glucose diễn ra tốt. Một số phương pháp tiền xử lý hiện nay:
1.5.2.1. Các phương pháp tiền xử lý cơ học
Các phương pháp thuộc nhóm này như: Nghiền nát, xử lý nhiệt. Trong đó
phương pháp nghiền nát và sử dụng NaOH được sử dụng trong đề tài nghiên cứu này.
Mục đích của quá trình tiền xử lý:
- Tăng vùng vô định hình của cellulose.
- Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi.
- Phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose [1].
1.5.2.2. Các phương pháp tiền xử lý hóa học
Sử dụng tác động của hóa chất trong quá trình tiền xử lý:
- Sử dụng acid: Gồm các phương pháp xử lý với acid loãng, bơm hơi nước có
acid và nổ hơi có acid. Tuy nhiên, vấn đề gặp phải trong xử lý acid là thiết bị phải chịu

15


Đồ án tốt nghiệp

được ăn mòn cao và lượng thạch cao (CaSO4) sinh ra nhiều từ quá trình trung hòa acid
với CaOH.
- Sử dụng kiềm: Chủ yếu là dùng NaOH, Ca(OH)2 và các hóa chất khác. Trong
nghiên cứu này NaOH 2% được sử dụng để tiền xử lý.
- Ngoài ra còn có những phương pháp như xử lý với dung môi hữu cơ: dùng dung
môi như ethanol, methanol, acetone để hòa tan lignin; xử lý bằng khí SO2, CO2, NH3.
Các quy trình này hiện nay chỉ được sử dụng ở quy mô phòng thí nghiệm [1].
1.5.2.3. Tiền xử lý sinh học
Hiệu quả của tiền xử lý được sử dụng 4 loại nấm trắng thối rữa Hanerochaete
chrysosporium, Trametes versicolor, Ceriporiopsis subvermispora, Pleurotus ostreatus
có khả năng thay đổi cấu trúc trong thành phần của cơ chất như sự thủy phân của các
enzyme.
1.5.3. Quá trình thủy phân
1.5.3.1. Các nguồn sản xuất enzyme cellulase
Người ta thống kê được có hơn 60 loại nấm mốc có khả năng tạo cellulase, gồm
có các loại chính là soft-rot, brown-rot và white-rot. Các loại nấm mốc thuộc nhóm
white-rot có thể phân hủy cả cellulose và lignin. Nhiều nghiên cứu vẫn đang được tiến
hành đối với việc sản xuất cellulase từ vi khuẩn. Gần đây, Coughlan và Ljungdahl
trong nghiên cứu của mình [9] đã tìm được 46 loại vi khuẩn có khả năng sản xuất
cellulase . Các vi khuẩn này có khả năng phân hủy cellulose cả trong điều kiện hiếu khí
và kị khí:
Nhóm kị khí điển hình gồm các giống Acetivibrio, Bacteroides, Clostridium,
Micromonospora, Ruminococcus...
Nhóm hiếu khí bao gồm: Acidothermus, Bacillus, Cellulomonas, Pseudomonas…

16


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×