Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Nghiên cứu điều kiện thủy phân rong lục bằng chế phẩm enzym thô thu đƣợc từ vi s...

Tài liệu Nghiên cứu điều kiện thủy phân rong lục bằng chế phẩm enzym thô thu đƣợc từ vi sinh vật

.PDF
58
519
118

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- HÀ THỊ NHÃ PHƢƠNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN THỦY PHÂN RONG LỤC BẰNG CHẾ PHẨM ENZYM THÔ THU ĐƢỢC TỪ VI SINH VẬT Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Mã đề tài: CNTP13B-14 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THANH HẰNG Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Học viên: Hà Thị Nhã Phƣơng Nơi đào tạo: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm Người hướng dẫn : PGS. TS Nguyễn Thanh Hằng Tên luận văn: Nghiên cứu điều kiện thủy phân rong lục bằng chế phẩm enzym thô thu được từ vi sinh vật Nội dung cam đoan: Tôi xin cam đoan, trong suốt quá trình nghiên cứu luận văn thạc sĩ, dưới sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của giáo viên hướng dẫn, tôi đã tiến hành nghiên cứu luận văn một cách trung thực, toàn bộ nội dung trong báo cáo luận văn được tôi trực tiếp thực hiện. Tất cả các nghiên cứu không sao chép từ các báo cáo khoa học, luận văn tiến sĩ, thạc sĩ hay sách của bất cứ tác giả nào. Học viên Hà Thị Nhã Phƣơng ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thanh Hằng đã tận tình trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã luôn tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt khóa học cũng như trong thời gian tôi thực hiện đề tài này. Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi được học tập và nghiên cứu trong suốt quá trình học. uối c ng, tôi muốn ày t ng cảm ơn gi đ nh, ạn , đ ng nghiệp đã động vi n, giúp đỡ tôi hoàn thành uận v n này. Học viên Hà Thị Nhã Phƣơng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ ii LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. iii MỤC LỤC .................................................................................................................... iv DANH MỤC BIỂU ĐỒ............................................................................................... vii MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1 Chƣơng I: TỔNG QUAN ........................................................................................... 3 1.1. Sự phát triển ethanol nhiên liệu từ nguyên liệu rong biển ................... 3 1.1.1.Tình hình nghiên cứu và sản xuất ethanol nhiên liệu từ rong biển trên thế giới ............................................................................................................................3 1.1.2. Triển vọng về phát triển nhiên liệu sinh học ở Việt Nam..................... 6 1.2. Nguyên liệu sản xuất ethanol từ rong biển ............................................. 8 1.2.1. Thành phần hóa học của các loại rong biển ......................................... 8 1.2.2. Tiềm năng từ nguồn nguyên liệu rong biển .......................................... 10 1.3. Công nghệ sản xuất ethanol từ rong biển ............................................... 12 1.3.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất ethanol từ rong biển .................................... 12 1.3.2. Quá trình xử lý nguyên liệu .................................................................. 13 1.3.3. Quá trình thủy phân rong biển .............................................................. 13 1.3.4. Quá trình lên men dịch thủy phân rong biển ........................................ 19 Chƣơng II: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................. 21 2.1. Vật liệu ....................................................................................................... 21 2.1.1. Sinh khối rong Lục ............................................................................... 21 2.1.2. Vi sinh vật sinh enzyme thủy phân rong Lục ....................................... 21 2.1.3. Hoá chất ................................................................................................ 22 2.1.4. Thiết bị .................................................................................................. 23 2.2. Phƣơng pháp phân tích ............................................................................ 23 2.2.1. Xác định hàm lượng polysaccharid thô từ sinh khối rong Lục............. 23 iv 2.2.2. Xác định tinh bột thô ............................................................................. 24 2.2.3. Xác định Ulvan thô ............................................................................... 25 2.2.4. Xác định hoạt độ của chế phẩm enzyme .............................................. 25 2.2.5. Xác định đường khử theo phương pháp Somogyi – Nelson ............... 26 2.2.6. Xác định hàm lượng carbohydrat hòa tan của dịch rong Lục thủy phân bằng phương pháp Dubois ..................................................................... 27 2.2.7. Phương pháp toán học ........................................................................... 28 2.2.8. Thống kê số liệu .................................................................................... 29 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................... 30 2.3.1. Phương pháp nuôi cấy t hợp bốn chủng vi sinh vật và thu nhận enzyme thô từ cơ chất rong Lục. ..................................................................... 30 2.3.2. Tiền xử lý .............................................................................................. 30 2.3.3. Thủy phân bằng enzyme ....................................................................... 30 Chƣơng III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................................... 31 3.1. Thành phần polysaccharid của rong Lục ................................................ 32 3.2. Sản xuất và xác định hoạt độ enzym của chế phẩm vi sinh vật ............. 33 3.2.1. Giải thích sơ đồ ..................................................................................... 33 3.2.2. Xác định hoạt độ chế phẩm enzyme thô ............................................... 35 3.3. Khảo sát quá trình thủy phân sinh khối rong Lục từ enzyme vi sinh vật .. 36 3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình thủy phân rong Lục ........... 36 3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân rong Lục ... 37 3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy phân rong Lục .. 37 3.4. Tối ƣu hóa điều kiện thủy phân rong lục để thu nhận dịch thủy phân có hàm lƣợng đƣờng cao .......................................................................... 38 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 44 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 48 v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Các công ty đang tham gia sản xuất nhiên liệu sinh học từ rong biển [12] 6 Bảng 1.2. Thành phần hóa học của các loại rong biển [17] ........................................9 Bảng 1.3. Diện tích nuôi và sản lượng rong biển tại thời điểm khảo sát (2009) và dự kiến đến năm 2015 [20] ......................................................................................................10 Bảng 1.4. So sánh năng suất nuôi trồng của các nguồn sinh khối ............................11 Bảng 1.5. Thành phần hóa học rong biển và đường tạo thành bởi thủy phân của các loài rong biển [17] .....................................................................................................14 Bảng 1.6. Bảng các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân bằng axit................18 Bảng 1.7. Bảng các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân bằng enzyme .........18 Bảng 3.1. Thành phần polysaccharid rong Lục...............................................32 Bảng 3.2. Hoạt độ chế phẩm enzyme vi sinh vật khi thủy phân các loại polysaccharid .36 Bảng 3.3. Ma trận thực nghiệm .................................................................................39 Bảng 3.4. Kết quả mô hình hồi quy tuyến tính trên excel.........................................40 Bảng 3.5. Kết quả tính bước chuyển động (∆j) của các yếu tố .................................41 Bảng 3.6. Tối ưu hóa điều kiện thủy phân rong theo Box-wilson ............................42 vi DANH MỤC BIỂU ĐỒ Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất ethanol từ rong biển ........................................12 Hình 2.1. Chế phẩm sinh học TRICHOMIX-DT …...........................................22 Hình 2.2. Quy trình xử lý nguyên liệu và thủy phân rong biển bằng enzyme ..........31 Hình 3.1. Sơ đồ sản xuất chế phẩm enzym từ nuôi cấy các chủng vi sinh vật …….33 Hình 3.2. Canh trường nuôi cấy vi sinh vậy và chế phẩm enzyme thu được ...........35 Hình 3.3. Ảnh hưởng của pH đến quá trình thủy phân .............................................36 Hình 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân .....................................37 Hình 3.5. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy phân....................................38 vii MỞ ĐẦU Kể từ cuộc cách mạng công nghiệp thế giới, nhu cầu về năng lượng trên thế giới ngày càng tăng và được đáp ứng chủ yếu do nguồn nhiên liệu hóa thạch như than, dầu và khí tự nhiên. Tuy nhiên, nhu cầu về năng lượng không ngừng tăng nhanh và nguồn tài nguyên nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt do trữ lượng có hạn mà sự tăng trưởng nhanh chóng của những nền kinh tế có thu nhập thấp, trung bình ngày càng lớn. Mặt khác dân số thế giới đang ngày một tăng lên, dự kiến lượng tiêu thụ khí đốt, than đá, dầu sẽ tăng lên 26% trong 20 năm tiếp theo. Ngoài ra, vấn đề môi trường và kinh tế đang gặp phải nhiều thách thức liên quan đến việc sử dụng tài nguyên nhiên liệu hóa thạch, bao gồm hiệu ứng nhà kính, sự nóng lên toàn cầu, rút xuống sông băng, mực nước biển dâng, mất đa dạng sinh học, dầu thô tăng giá dầu, và mất an ninh năng lượng. Tất cả những yếu tố này đã nhấn mạnh sự cần thiết phải thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch bằng các nguồn nhiên liệu khác sạch có hiệu quả kinh tế và sử dụng cao và có khả năng phục hồi. Nhiên liệu sinh học là một thay thế tuyệt vời cho các nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch truyền thống, vì chúng có thể được sản xuất từ nguồn cung sinh khối tái tạo dồi dào. Trong đó, ethanol nhiên liệu sinh học là một trong những giải pháp ưu tiên trong chính sách năng lượng của nhiều nước trên thế giới. Nhiên liệu sinh học như ethanol ít độc hại, có thể phân hủy và tạo ra các chất gây ô nhiễm ít hơn so với nhiên liệu dầu khí. Các nguồn nguyên liệu đã được nghiên cứu sản xuất ethanol bao gồm các loại cây lương thực, đường mía, lignocellulose từ gỗ, phụ phẩm nông nghiệp… Tuy nhiên những nguồn nguyên liệu này gây tác động không tốt đến an ninh lương thực, kỹ thuật sản xuất, môi trường sản xuất. Do vậy, rong tảo biển là đối tượng đang được thế giới quan tâm trong lĩnh vực sản xuất ethanol nhiên liệu sinh học. Việt Nam là nước nằm ở vùng nhiệt đới gió mùa Đông Nam châu Á với hệ thống sông suối dày đặc cùng với trên 3260km bờ biển, trên 3000 đảo và quần đảo, cùng với hệ sinh thái điển hình trong vùng nước thềm lục địa rộng lớn như các rạn san hô, rừng ngập mặn, chuỗi đầm phá ven biển các hệ cửa sông… chúng là nơi 1 sinh sống và phát triển của hàng vạn các loài thủy sinh vật, trong đó có rong tảo biển. Rong tảo biển là nguồn sinh khối tự nhiên rất đa dạng về chủng loại, phong phú về sản lượng. Thành phần rong tảo biển có hàm lượng polysacchrid cao, có khả năng thủy phân thành các dạng đường đơn, đây là nguồn cơ chất quan trọng cho vi sinh vật thực hiện quá trình lên men sản xuất nhiên liệu sinh học. Bên cạnh đó, rong biển không có lignin, vì vậy có thể xem rong tảo biển là vật liệu dễ phân giải thành glucose hơn các thực vật trên cạn, đặc biệt hàm lượng carbonhydrate trong một số loài rong rất cao từ 40% - 79,4% (Gelidium amansi) và hiệu suất chuyển hóa của quá trình lên men ethanol khoảng 70%. Mặt khác, rong biển có sản lượng tự nhiên lớn, vòng đời sinh trưởng ngắn, khả năng sinh sản và sinh trưởng nhanh, có thể được phát triển trong một loạt các môi trường bao gồm cả nước ngọt, nước mặn, nước thải đô thị mà không cạnh tranh với đất nông nghiệp; không cần phân bón, không gây ô nhiễm môi trường; chi phí sản xuất thấp, dễ thu hoạch… Với rất nhiều những ưu điểm như vậy, hiện nay, rong biển đang được biết đến như là nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản suất ethanol nhiên liệu sinh học thế hệ thứ 3. Trong công nghệ sản xuất ethanol nhiên liệu từ rong biển, quá trình thủy phân rong biển đóng vai trò quan trọng nhằm tạo ra các sản phẩm để tiến hành lên men tạo ra ethanol. Do đó, chúng tôi tiến hành đề tài “Nghiên cứu điều kiện thủy phân rong Lục bằng chế phẩm enzym thô thu được từ vi sinh vật” để ứng dụng trong sản xuất cồn nhiên liệu. Mục đích: Nghiên cứu các điều kiện thủy phân rong Lục bằng chế phẩm enzym thô thu được từ các chủng vi sinh vật. Đối tƣợng nghiên cứu: Rong lục Chaetomorpha sp. Phạm vi nghiên cứu: Xác định các thông số công nghệ thủy phân rong Lục bằng chế phẩm enzym thô thu được từ các chủng vi sinh vật. Ý nghĩa khoa học của đề tài Góp phần tìm nguồn nguyên liệu mới thay thế cho các nguồn nguyên liệu ph biến trong sản xuất bioethanol hiện nay đang ảnh hưởng đến an ninh lương thực và chất đốt. Giải quyết vấn đề kỹ thuật trong sản xuất ethanol nhiên liệu từ rong Lục. 2 Chƣơng I TỔNG QUAN 1.1. Sự phát triển ethanol nhiên liệu từ nguyên liệu rong biển 1.1.1. Tình hình nghiên cứu và sản xuất ethanol nhiên liệu từ rong biển trên thế giới Trên thế giới, tình hình nghiên cứu và sản xuất ethanol từ nguyên liệu rong biển cũng đã được nhiều nước quan tâm. Brazil là nước sẽ xây dựng nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học từ rong biển đầu tiên trên thế giới vào cuối năm 2013. Bên cạnh đó, một số nước cũng đã có các dự án phát triển rong biển công nghiệp. Tại Nhật, dự án Sunrise [7] sản xuất bioethanol từ rong biển Sargassum được nuôi trồng ở ngoài biển Nhật Bản. Kế hoạch của họ bắt đầu vào năm 2012, phát triển công nghệ nuôi rong biển vào năm 2016, và thiết lập một quy trình sản xuất khoảng năm 2020. Nhật Bản bắt đầu triển khai từ tháng 3/2007, theo đó họ sử dụng t ng cộng 10.000km2 mặt nước để trồng loài rong mơ Sargassum hondawara nhằm sản xuất mỗi năm 20 triệu mét khối bioethanol, nghĩa là tương đương với 1/3 nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu của nước này. Tại Na Uy, dự án sản xuất ethanol và các sản phẩm Lipids, Proteins, Iodine từ rong biển theo quỹ tài trợ của BAL’s R&D bắt đầu từ cuối năm 2010. Tại Hàn Quốc, dự án 275 triệu USD trong 10 năm để sản xuất 400 triệu gallon vào năm 2020 xấp xỉ 13% nhu cầu tiêu thụ trong nước. Dự án sẽ nuôi trồng rong biển trên diện tích 8.600 ha. Đầu tháng 11/2008 một dự án hợp tác được ký giữa Hàn Quốc và Indonesia nhằm trồng rong ở các đảo Maluku, Belitung và Lombok để sản xuất biodiesel theo công nghệ Italia [12]. Tương tự, một dự án giữa chính phủ Philippin và Viện Kỹ thuật công nghệ Hàn Quốc, đầu tư 5 triệu USD để trồng 250 acre rong biển và sản xuất ethanol từ công nghệ Hàn Quốc. 3 Dự án Sea Gardens Project của trường University of Costa Rica với tài trợ của World Bank để nuôi trồng rong biển sản xuất bioethanol [12]. Dự án Biomara, phối hợp giữa Hiệp hội Khoa học Biển Scotland và Liên minh châu Âu với sự điều hành của 2 chính phủ Ailen và Scotland, với mục tiêu sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba từ sinh khối tảo. Đã đầu tư 8 triệu USD vào năm 2009, để đánh giá tiềm năng rong biển và chọn dòng miccroalgae để sản xuất quy mô công nghiệp [12]. Tại Chile, dự án sản xuất ethanol từ rong biển của Chile giữa Bio-Architecture Lab (BAL) với Công ty dầu khí ENAP và trường Đại học Los Angeles. Đã đầu tư 5 triệu USD từ năm 2010 để sản xuất 165 triệu lít ethanol vào năm 2012. Tại Ý, dự án giữa thành phố Venice JV và Nhà máy điện, đã đầu tư 200 triệu Euro để sản xuất 40 MW bằng nhiên liệu từ rong biển cung cấp cho 1/2 nhu cầu điện của thành phố và cảng. Ở Argentina vừa khánh thành nhà máy sản xuất diesel sinh học từ tảo đầu tiên tại khu vực Mỹ Latinh của công ty Oilfox S.A với mục tiêu thay thế dần cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học từ dầu đậu tương. Năm 2007, các nhà nghiên cứu của trường Đại học Công nghệ và Khoa học biển (Tokyo University of Marine Science and Technology), viện nghiên cứu Mitsubishi (Mitsubishi Research Institute), Viện Công nghiệp nặng (Mitsubishi Heavy Industries) có kế hoạch triển khai dự án mang tên “Ocean Sunrise Project”, dự án sẽ thành lập nông trại rong biển và xây dựng nhà máy sản xuất ethanol từ rong biển. [7]. Ở Đan Mạch, các viện nghiên cứu và trường đại học như National Evironmental Research Institute (NERI), Technological University of Denmark (Rio DTU), Danish Technology Institute đã chuẩn bị dự án nghiên cứu tiềm năng sản xuất Ethanol từ rong lục Ulva sp. 4 Ở Irael, với dự án kỹ thuật xanh “Green Technology”, đã sản xuất thành công ethanol từ rong biển và tính toán được rằng cứ 5 kg rong khô sẽ sản xuất được 1 lít nhiên liệu sinh học (Irael Seambiotic Ltd). Tại Mỹ, các công ty tham gia vào dự án Nghiên cứu Năng lượng sản xuất nhiên liệu từ rong biển gần đây và đã được Oilgae (2010) thống kê vào danh sách các công ty tham gia sản xuất nhiên liệu sinh học từ rong biển (Bảng 1.1). 5 Bảng 1.1. Các công ty đang tham gia sản xuất nhiên liệu sinh học từ rong biển [12] Hoạt động Công ty Seaweed Energy Solutions (Bồ Đào Nuôi biển và chuyển đ i thành khí ga và Nha) ethanol Green Gold Algae and Seaweed Sciences, Inc (Mỹ) Nuôi ao đất chuyển đ i ethanol Butamax Advance Fuels-Dupont- Nuôi biển rong Bẹ và chuyển đ i thành BioArchitecture Lab-Statoil (Mỹ) ethanol và butanol Seambiotic Ltd (Ireland) Oil Fox (Pháp) Nuôi ao đất và sử dụng khí CO2 từ nhà máy điện- Irael Sản xuất Biodiesel từ rong biển Economic Development Corporation (CORFO) and Bio-Architecture Lab Sản xuất ethanol từ rong biển (BAL)-( Chilean) Blue Sun Energy (Mỹ) Sản xuất nhiên liệu máy bay Holmfjord AS8 (Na Uy) Sản xuất nhiên liệu từ rong biển Sea Gardens Project at the University of Costa Rica Sản xuất nhiên liệu từ rong biển Dự án Sunrise (Nhật) Sản xuất nhiên liệu từ rong biển Sargassum Oilfox S.A (Argentina) Sản xuất nhiên liệu từ rong biển 1.1.2. Triển vọng về phát triển nhiên liệu sinh học ở Việt Nam Tại Việt Nam việc phát triển nhiên liệu sinh học rất có triển vọng, nhiên liệu sinh học có thể làm nhiên liệu thay thế cho xăng dầu có nguồn gốc dầu mỏ. Là một đất nước có nền nông nghiệp lâu đời, nên Việt Nam có nguồn sinh khối thực vật rất đa dạng diện tích đất hoang hóa đồi núi còn nhiều. Nhiều giống cây trồng tại Việt 6 Nam có thể sử dụng làm nguyên liệu cho nhiên liệu sinh học ethanol như sắn, ngô, mía, ngũ cốc và nguồn sinh khối giàu cellulose..., ngoài ra với điều kiện tự nhiên thích hợp đã du nhập được một số giống cây ngoại lai dùng làm cây nguyên liệu cho sản xuất diesel (cây cộc rào Jatropha), bên cạnh đó các sản phẩm phụ có nguồn gốc lipid của quá trình chế biến thủy sản cũng được sử dụng sản xuất nhiên liệu sinh học. Chính sách hỗ trợ và phát triển nhiên liệu sinh học của nhà nước bao gồm nhiều đề án với các quyết định rõ ràng: Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 (Quyết định 177/2007/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ngày 20/11/2007. Quyết định 5368/QĐ-BCT của Bộ Công Thương ngày 6/10/2008 và Quyết định 2696/QĐ-BCT ngày 29/5/2009 về việc phê duyệt danh mục các đề tài, dự án để tuyển chọn để thực hiện trong năm 2009, 2010 nhằm mục đích hiện thực hóa Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025. Quyết định 1842/QĐ-BNN-LN về phê duyệt Đề án “Nghiên cứu, phát triển và sử dụng sản phẩm cây cọc rào (Jatropha curcas L.) ở Việt Nam giai đoạn 20082015 và tầm nhìn đến 2025”. Thông tư liên tịch 147/2009/TTLT-BTC-BCT ngày 21/7/2009 Quy định chế độ quản lý, sử dụng kinh phí ngân sách nhà nước thực hiện Đề án phát triển nhiên liệu sinh học. Sự đầu tư mạnh mẽ của các tập đoàn công ty nhà nước và các công ty tư nhân trong và ngoài nước vào việc phát triển nhiên liệu sinh học ở Việt Nam. Đi đầu trong lĩnh vực này là Tập đoàn Dầu khí quốc gia (PetroVietnam), bên cạnh đó còn có một số công ty T ng Công ty Dầu Việt Nam, TNHH Nhiên liệu Sinh học Phương Đông, Công ty C phần Nhiên liệu Sinh học Dầu khí miền Trung, Công ty C phần Đồng Xanh, Công ty xuất khẩu cá da trơn Agifish, Tập đoàn Saigon Petro, Công ty đồ uống Sài Gòn (SABECO). Tình hình nghiên cứu trong nƣớc: 7 Nhóm nghiên cứu đề tài về biomass, do tiến sĩ Phan Đình Tuấn, trường đại học Bách Khoa TP.HCM phụ trách. Biomass là đề tài nghiên cứu công nghệ xử l các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp như rơm, rạ, trấu... nhằm sản xuất bioethanol, tiến đến xây dựng cơ sở dữ liệu về sản xuất và sử dụng biomass tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, TP.HCM nhằm phục vụ cho việc thiết kế mô hình biomass tại Việt Nam. Tuy nhiên hiện nay, đề tài nghiên cứu đang ở giai đoạn thăm dò, có sự phối hợp với trường đại học Tokyo và đại học sư phạm kỹ thuật Toyohasi, Nhật bản, thời gian triển khai 4/2005-3/2007. Năm 2004 phân Viện vật liệu TP. HCM đã nghiên cứu thành công công nghệ sản xuất dầu biodiesl từ m động vật. Trong đó nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Nguyễn Đình Thành đã ra mắt công nghệ dầu biodiesel từ m cá ba sa, cá tra tại tỉnh An Giang nhằm giải quyết lượng mở thừa. Tại Việt Nam vấn đề nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối tảo là hướng phát triển mới. Hiện tại đã có một số phòng thí nghiệm tiến hành nghiên cứu nhiên liệu sinh học từ tảo. Phòng nghiên cứu tảo của Viện Công nghệ Sinh học đã và đang nghiên cứu Diesel sinh học được sản xuất từ sinh khối vi tảo của Việt Nam. Ngoài ra còn có một nhóm nghiên cứu sản xuất biobutanol từ sinh khối rong Enteromorpha sp. của Viện Sinh học Nhiệt đới. Tuy vậy tất cả các công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học trong thời gian qua từ các nguồn nguyên liệu trên cũng chỉ mới thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm. 1.2. Nguyên liệu sản xuất ethanol từ rong biển 1.2.1. Thành phần hóa học của các loại rong biển Rong biển có hàm lượng polysaccharides cao có tiềm năng làm nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học, được thể hiện ở bảng dưới đây. 8 Bảng 1.2. Thành phần hóa học của các loại rong biển [17] Rong Rong lục Rong đỏ Rong nâu Tỷ lệ nước 70 - 85% 70 - 80% 79 - 90% 80 - 90% Chất khoáng 10 - 25% 25 - 35% 30 - 50% - Carbohydrats 25 - 50% 30 - 60% 30 - 50% (thành phần) (Cellulose, (Agar, (Alginate, tinh bột…) Carrageenan…) Fucoidan…) Cellulose 20 - 40% 2 - 10% 2 - 10% - Proteins 10 - 15% 7 - 15% 7 - 15% 26 - 63% 1 - 2% 1 - 5% 2 - 5% 2 - 40% Lipids 4 - 57% Tuy nhiên, thành phần này lại khác nhau giữa các loài rong biển: rong Lục, Đỏ, Nâu. Điều này tạo ra một nhu cầu lựa chọn đối tượng nuôi trồng và các công nghệ liên quan: gồm tinh bột và cellulose. Carbohydrate trong rong Đỏ gồm: agar, carrageenan, xylane, mannan và một ít cellulose (2 – 10%). Agar chiếm 50 – 70% trọng lượng khô là nguồn carbohydrate chính. Agar và carrageenan thủy phân tạo thành galactose, xylane thành xylose, mannane thành mannose, và rất ít glucose từ cellulose [17]. Qua đó cho thấy hàm lượng glucose được tạo ra từ rong đỏ sau thủy phân là rất thấp, nên rong Đỏ không phải là nguyên liệu thích hợp để sản xuất ethanol. Trong rong Nâu thành phần carbohydrate gồm alginate, fucoidan, laminaran, cellulose. Hàm lượng alginate cao 30 – 40% trọng lượng khô, là nguồn carbohydrate chính trong rong Nâu, và 5 – 6% cellulose. Alginate thủy phân thành D-mannuronic axit và M,D – glucuronic axit hai sản phẩm này tiếp tục thủy phân thành L – fucose, galatose, glucuronic axit quá trình thủy phân cuối tạo ra glucose và mannitol, và 5 – 6% glucose được tạo ra từ cellulose [17]. Mặc dù sản phẩm thủy phân cuối cùng của rong Nâu có chứa nhiều glucose nhưng quá trình thủy phân lại quá phức tạp do phải trải qua nhiều bước. Do vậy việc sản xuất ethanol từ rong Nâu cũng không đạt chất lượng. 9 Carbohydrate trong rong Lục gồm cellulose, tinh bột, xylane, mannose, fructan, paramylon. Trong đó cellulose và tinh bột là hai thành phần chính, cellulose và tinh bột khoảng 40 – 50% [17]. Do vậy khi thủy phân rong Lục sẽ thu được một lượng lớn glucose, ngoài ra glucose còn được thu nhận từ thủy phân paramylon (β – 1,3 – glucan), tạo ra nguồn glucose dồi dào. Rong Lục rất thích hợp làm nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol. 1.2.2. Tiềm năng từ nguồn nguyên liệu rong biển Nước ta nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa Đông Nam với hệ thống sông suối dày đặc cùng với trên 3260 km bờ biển, 3000 đảo và quần đảo đã tạo ra hệ sinh thái ngập mặn có diện tích vô cùng lớn, điển hình hệ sinh thái rừng ngập mặn, chuỗi đầm phá ven biển, các hệ cửa sông. Các hệ sinh thái này là môi trường thích hợp cho các đối tượng rong Lục phát triển. Theo kết quả nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu đánh giá tiềm n ng rong iển Việt Nam sử dụng làm nguyên liệu sản xuất ethanol nhiên liệu” của tác giả Lê Như Hậu, nguồn sinh khối rong biển được thể hiện ở bảng 1.3. Bảng 1.3. Diện tích nuôi và sản lượng rong biển tại thời điểm khảo sát (2009) và dự kiến đến năm 2015 [20] Tiềm năng Hiện trạng Loài Diện tích Sản lượng Diện tích Sản lượng (ha) (tấn khô) (ha) (tấn khô) Rong Lục 62.634 42.056 539.512 2.482.581 Rong Đỏ 11.937 5.500 14.073 57.904 Rong Nâu 2.229 9.489 2.229 9.489 76.800 57.045 555.814 2.549.974 T ng Rong Lục có nguồn sinh khối dồi dào, có thành phần hóa học thích hợp cho sản xuất ethanol, không cạnh tranh lương thực và chất đốt. Vì vậy rong Lục là nguồn nguyên liệu tiềm năng, mang tính n định, lâu dài và có hiệu quả sử dụng cũng như hiệu quả kinh tế cao để sản xuất ethanol nhiên liệu. 10 Một kết quả so sánh dưới đây đã chứng minh sản xuất ethanol nhiên liệu từ rong biển thuận lợi hơn so với thực vật trên cạn. Bảng 1.4. So sánh năng suất nuôi trồng của các nguồn sinh khối Thực vật trên cạn Đường – Tinh bột Nguyên liệu thô Thời gian thu hoạch Năng suất (tấn tƣơi/ha) Khả năng hấp thụ CO2 (tấn/ha) Quá trình sản xuất Gỗ Đường, bắp, các loại củ Thực vật biển Gỗ mục, giấy Rong biển Các loài rong biển 1-2 lần/ năm Ít nhất 8 năm 4-6 lần/ năm 180 9 565 5-10 4,6 36,7 Đơn giản Phức tạp (do tách Đơn giản (không ligin) chứa ligin) Điều kiện nuôi Ánh sáng, CO2, thuỷ Ánh sáng, CO2, thuỷ Ánh sáng, CO2, trồng lợi, đất, phân bón lợi, đất, phân bón nước biển Từ bảng 1.4 cho ta thấy, rong biển có khả năng sinh trưởng và phát triển nhanh, chu kì nuôi trồng ngắn, do vậy có thời gian thu hoạch liên tục nhiều lần trong năm (4 – 6 lần /năm). So với các loại sinh khối trên cạn, sinh khối rong biển lớn, sản lượng thu hoạch hàng năm gấp 3 so với sản lượng cây lương thực và 60 lần so với cây lấy gỗ. Điều kiện canh tác nuôi trồng để rong biển sinh trưởng và phát triển đơn giản hơn so với thực vật trên cạn, không sử dụng vật liệu khó khăn như: thuỷ lợi, phân bón, đất,… nên không gây ô nhiễm môi trường, không cạnh tranh đất canh tác… Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, có vùng biển rộng, là điều kiện thuận lợi để rong biển sinh trưởng và phát triển cho sinh khối lớn. Ngoài ra, trong thành phần của rong biển không chứa ligin nên quá trình xử lý, chế biến nguyên liệu ứng dụng trong quy trình sản xuất ethanol nhiên liệu đơn giản, không yêu cầu kỹ thuật phức tạp. Công nghệ này đầu tư trang thiết bị ít tốn kém, hiệu suất n định. 11 1.3. Công nghệ sản xuất ethanol từ rong biển 1.3.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất ethanol từ rong biển Rong nguyên liệu Rửa mặn và lọc tạp Cắt/nghiền nhỏ Xử l sơ bộ (axit) Chủng giống vi sinh vật Lên men Dịch đường Thủy phân Chưng luyện Tách nước Thu hồi Ethanol Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất ethanol từ rong biển Rong biển là thực vật bậc thấp có cấu tạo tế bào đơn giản, nên quá trình xử lý và thủy phân rong biển không phức tạp như các nguồn sinh khối thực vật khác. Thông thường quá trình xử lý thủy phân rong biển theo các tác giả [12], [21] như sau: Rong biển tươi sau thu hoạch được loại tạp, loại muối sau đó rong được sấy khô mang lưu giữ chuẩn bị cho quá trình thủy phân. Trước khi thủy phân rong được xử l cơ học, xay nghiền nhằm làm nhỏ kích thước rong giúp cho quá trình thủy phân diễn ra dễ dàng. Thủy phân là quá trình phân hủy các polysaccharid thành các oligo – monosaccharid. Quá trình này được tiến hành dưới xúc tác của nhiệt độ cao kết hợp với hóa học (axit, bazơ), hoặc sinh học (enzyme). Kết quả của quá trình thủy phân tạo ra hỗn hợp dung dịch đường và bã rong. 12 1.3.2. Quá trình xử lý nguyên liệu Sau thu hoạch, rong biển được tiền xử lý và thủy phân. Hầu hết các dạng sinh khối phải được xử l trước khi ứng dụng sản xuất nhiên liệu sinh học. Bước đầu tiên của tiền xử lý là loại bỏ sơ bộ các mảnh vụn như đá, cát, ốc, hoặc rác có trong sinh khối, thường thao tác bằng tay hoặc rửa [8]. Sau đó, sinh khối được xay nhỏ giảm diện tích bề mặt giúp nâng cao hiệu quả của quá trình thủy phân [23]. Cuối cùng, sinh khối được làm mất nước 20-30% để kéo dài thời gian bảo quản và giảm chi phí vận chuyển trong trường hợp phải được bảo quản trong thời gian dài hoặc vận chuyển trên quãng đường dài trước khi tiếp tục xử lý [8], [23]. 1.3.3. Quá trình thủy phân rong biển Sau khi tiền xử lý, quá trình thủy phân sinh khối rong biển được diễn ra, các dạng polysaccharid bị thủy phân thành monosaccharid làm nguyên liệu cho quá trình lên men. Rong biển được thủy phân bằng hai phương pháp chính gồm thủy phân bằng axit loãng và thủy phân bằng enzyme. Nghiên cứu thứ nhất cho thấy carbohydrat rong biển của cả ba loại rong (Nâu, Đỏ, và Lục) được thủy phân một cách hiệu quả để tạo ra monosacarit bởi axit H2SO4 loãng ở nhiệt độ cao [15]. Bốn yếu tố quan trọng cho tối ưu quá trình đường hóa trong quá trình thủy phân acid sulfuric được xác định là: nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, nồng độ acid và khối lượng rong biển. Nghiên cứu thứ hai cho thấy khi tiền xử lý NaCl trong rong (Gelidium amansii) có thể cải thiện hiệu quả của quá trình thủy phân bằng enzyme (cellulase, xylanase, and β – glucosidase) và hàm lượng đường của dịch thủy phân tăng 5% so với các mẫu không xử l trước [28]. Nghiên cứu thứ ba chứng minh hiệu quả của việc kết hợp tiền xử lý bằng axit sau đó thủy phân bằng enzyme trong đường hóa rong biển, tạo thành sản lượng đường khử tối đa 0,566 g/g của rong G. amansii và 0,376 g/g của rong Laminaria japonica [16]. 13
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan