BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
PHẠM THỊ MIỀN
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN LÊN MEN ETHANOL
TỪ DỊCH THỦY PHÂN RONG LỤC
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Mã đề tài:
CNTP13B-15
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS NGUYỄN THANH HẰNG
Hà Nội - 2015
LỜI CAM ĐOAN
Học viên: Phạm Thị Miền
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 lên men ethanol từ dịch thủy phân Rong Lục.
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
Phạm Thị Miền
i
LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS.TS
Nguyễn Thanh Hằng, người thầy đã trực tiếp giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong suốt
quá trình học tập và thực hiện nghiên cứu đề tài.
Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới tập thể các Thầy giáo, Cô giáo
của Viện công nghệ sinh học và công nghệ thực phẩm trường đại học Bách Khoa
Hà Nội đã chỉ bảo và cung cấp cho tôi những kiến thức bổ ích cũng như đã tạo điều
kiện cho tôi được học tập và nghiên cứu thạc sĩ.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến người thân, bạn bè đã quan tâm giúp đỡ
trong suốt quá trình nghiên cứu.
Học viên
PHẠM THỊ MIỀN
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................v
DANH MỤC BIỂU ĐỔ ........................................................................................... vi
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN .....................................................................................2
1.1. Sự phát triển ethanol từ nguyên liệu rong biển ...........................................2
1.1.1. Tình hình nghiên cứu và sản xuất ethanol trên thế giới. ...........................2
1.1.2. Những nghiên cứu và triển vọng sản xuất ethanol sinh học từ rong biển ở
Việt Nam. .............................................................................................................4
1.2. Nguyên liệu sản xuất ethanol từ rong biển...................................................5
1.2.1. Thành phần hóa học và những đặc điểm nổi bật của Rong Lục ...............5
1.2.2. Tiềm năng rong biển sản xuất ethanol. .....................................................6
1.3. Công nghệ sản xuất ethanol từ rong biển...................................................10
1.3.1. Quá trình thủy phân rong biển. ...............................................................11
1.3.2. Quá trình lên men ethanol từ dịch thủy phân rong biển. ........................13
1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lên men ethanol ..............................16
CHƢƠNG II. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................19
2.1. Vật liệu ...........................................................................................................19
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ..............................................................................19
2.1.2. Vi sinh vật lên men ethanol ......................................................................19
2.2. Phƣơng pháp phân tích ................................................................................20
2.2.1. Xác định thành phần môi trường lên men ...............................................20
2.2.2. Phương pháp xác định hàm lượng Carbonhydrat tổng số theo phương
pháp Dubois .......................................................................................................22
2.2.3. Xác định hàm lượng ethanol theo phương pháp Bennet 1971 ................24
2.2.4. Xác định hàm lượng ethanol theo phương pháp sắc ký lỏng ..................26
2.2.5. Xác định hiệu suất lên men. .....................................................................26
2.2.6 Phân tích xử lý số liệu trên phần mềm excel 2003. .................................27
iii
2.3. Quá trình thực nghiệm khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình lên
men ethanol từ dịch thủy phân rong Lục. .........................................................27
2.3.1. Thủy phân rong biển bằng axit . ..............................................................27
2.3.2. Hoạt hóa các chủng nấm men trên môi trường Hasen. ...........................27
2.3.3. Xác định số lượng tế bào nấm men..........................................................27
2.3.4. Tiến hành lên men các chủng nấm men. ..................................................27
2.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................28
2.3.6. Khảo sát ảnh hưởng của pH. ...................................................................28
2.3.7. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ..........................................................28
CHƢƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................29
3.1. Xác định thành phần dịch thủy phân rong lục ..........................................29
3.2. Tuyển chọn các chủng nấm men lên men từ dịch thủy phân rong Lục ..30
3.2.1 Xác định số lượng tế bào nấm men...........................................................30
3.2.2. Theo dõi số tế bào của các chủng nấm men trong quá trình lên men
(Thermosacch, Candida ablican, Red ethanol) .................................................30
3.2.3. Quá trình lên men ethanol từ dịch thủy phân rong Lục của Thermosacch..31
3.2.4 Quá trình lên men ethanol từ dịch thủy phân rong Lục của Red ethanol 32
3.2.5. Quá trình lên men ethanol từ dịch thủy phân rong Lục của Candida
ablican ...............................................................................................................33
3.2.6. So sánh quá trình sử dụng Cacbonhydrate hòa tan của ba chủng nấm
men (Thermosacch, Candida ablican, Red ethanol) .........................................34
3.2.7. So sánh quá trình sinh ethanol của ba chủng nấm men (Thermosacch,
Candida ablican, Red ethanol) ..........................................................................35
3.2.8. Xác định hiệu suất lên men của ba chủng nấm men. ...............................36
3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình lên men của Red Ethanol...... 36
3.3.1.Ảnh hưởng của thời gian ..........................................................................36
3.3.2. Ảnh hưởng của pH ...................................................................................37
3.3.3. Ảnh hưởng nhiệt độ..................................................................................38
3.4 Phân tích săc ký quá trình lên men của Red Ethanol. ...............................39
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................42
PHỤ LỤC .................................................................................................................45
iv
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần hóa học tế bào rong ...............................................................6
Bảng 1.2. So sánh năng suất nuôi trồng của các nguồn sinh khối ..............................8
Bảng 1.3. Vi sinh vật lên men ethanol, buthanol từ sinh khối rong biển ..................15
Bảng 2.1. Các mức nồng độ đường glucose pha loãng và giá trị OD tương ứng đo
tại bước sóng 490 nm ...............................................................................23
Bảng 2.2. Các mức nồng độ ethanol pha loãng và giá trị OD tương ứng đo tại bước
sóng 580 nm .............................................................................................25
Hình 2.2. Biểu đồ đường chuẩn ethanol đo được từ mẫu chuẩn ...............................26
Bảng 3.1. Thành phần dịch thủy phân rong lục ........................................................29
Bảng 3.2. Số lượng tế bào nấm men của các chủng nấm men nghiên cứu ...............30
Bảng 3.3. Hiệu suất lên men của ba chủng nấm men ...............................................36
v
DANH MỤC BIỂU ĐỔ
Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất ethanol từ rong biển ........................................10
Hình 2.1. Biểu đồ đường chuẩn từ các kết quả đo được của mẫu chuẩn .................24
Hình 2.2. Biểu đồ đường chuẩn ethanol đo được từ mẫu chuẩn ...............................26
Hình 3.2. Sơ đồ thể hiện quá trình lên men của Thermosacch đối với dịch thủy phân
rong Lục theo thời gian............................................................................31
Hình 3.3. Sơ đồ thể hiện quá trình lên men của Red ethanol đối với dịch thủy phân
rong Lục theo thời gian............................................................................32
Hình 3.4. Sơ đồ thể hiện quá trình lên men của Candida ablican đối với dịch thủy
phân rong Lục theo thời gian ...................................................................33
Hình 3.5. Quá trình sử dụng cacbonhydrate hòa tan của ba chủng nấm men ..........34
Hình 3.6. Quá trình sinh ethanol của ba chủng nấm men .........................................35
Hình 3.7. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình lên men .......................................37
Hình 3.8. Ảnh hưởng của pH đến quá trình lên men ................................................37
Hình 3.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình lên men ........................................38
vi
MỞ ĐẦU
Việt nam có hệ động vật, thực vật vô cùng phong phú, có nhiều gen quý
hiếm đặc trưng cho khí hậu nhiệt đới nóng ẩm. Một trong những điều kiện tạo nên
sự phong phú và giàu có ấy chính là vùng biển nhiệt đới rộng với bờ dài hơn 3000
km bao bọc hết phía đông và nam đất nước. Một trong những nguồn tài nguyên
phong phú và có giá trị mà vùng biển ban tặng cho chúng ta là rong biển.
Trên thế giới Rong biển thuộc vào loại tài nguyên có giá trị kinh tế và được
khai thác từ nhiều năm nay phục vụ nhiều mục đích khác nhau của nền kinh tế quốc
dân. Một trong lĩnh vực sản xuất đang được thế giới quan tâm chính là sản xuất
nhiên liệu sinh học nhằm thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt.
Rong biển ngoài đa dạng về chủng loại, phong phú về sản lượng, khả năng
sinh sản, sinh trưởng nhanh, chúng còn chứa các thành phần hóa học quan trọng
như: chất khoáng vô cơ, lipid, protein, cacbonhydrate…Hầu hết sinh khối từ thực
vật cạn là gỗ có chứa nhiều lignin, mà hiện nay phương pháp thủy phân lignin này
còn gặp nhiều khó khăn. Rong biển không có lignin, do đó qui trình sản xuất nhiên
liệu từ rong biển đơn giản và thuận lợi hơn. Đặc biệt hàm lượng carbonhydrate
trong một số loài rong rất cao từ 40%- 79,4% cùng với hiệu suất chuyển hóa của
quá trình lên men ethanol khoảng 70%. Bên cạnh đó, rong biển có sản lượng tự
nhiên lớn, vòng đời sinh trưởng ngắn, dễ thu hoạch, giá thành rẻ, không cạnh tranh
với đất nông nghiệp, không sử dụng nước ngọt. Đây là nguồn nguyên liệu tiềm năng
cho công nghệ sản xuất cồn sinh học tại Việt Nam.
Mục đích nghiên cứu: nghiên cứu điều kiện lên men ethanol từ dịch thủy
phân rong Lục và ứng dụng trong sản xuất cồn nhiên liệu.
Đối tƣợng nghiên cứu: Rong lục Chaetomorpha sp
Ý nghĩa khoa học của đề tài: Góp phần tìm nguồn nguyên liệu mới thay thế
cho các nguồn nguyên liệu phổ biến trong sản xuất bioethanol hiện nay đang ảnh
hưởng đến an ninh lương thực và chất đốt. Tìm ra những điều kiện lên men ethanol
từ dịch thủy phân rong Lục và ứng dụng sản xuất cồn nhiên liệu.
1
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Sự phát triển ethanol từ nguyên liệu rong biển.
1.1.1. Tình hình nghiên cứu và sản xuất ethanol trên thế giới.
Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu năng lượng ngày một tăng, kéo theo đó
nguồn cung dầu mỏ ngày càng lớn. Nhằm đối phó với giá dầu không ngừng tăng,
nhiều quốc gia trên thế giới đề ra biện pháp khẩn cấp nhằm khuyến khích phát triển
các nguồn nhiên liệu thay thế, trong đó sản xuất nhiên liệu sinh học được nhiều
nước lựa chọn vì lợi ích lớn về kinh tế và môi trường.
Với sự phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật nhiều loại nhiên liệu có nguồn
gốc sinh học đã được phát hiện và ứng dụng rộng rãi. Phân tích tổng thể toàn bộ
quá trình sản xuất cho thấy nhiên liệu sinh học có lợi thế hơn so với nhiên liệu hóa
thạch. Từ việc giảm được lượng Carbon khí thải dẫn đến hiệu ứng nhà kính đến
việc nhiên liệu sinh học ít độc hại và có thể phân hủy tạo ra các chất gây ô nhiễm
ít hơn so với nhiên liệu dầu khí. Trong tất cả các loại nhiên liệu đã được phát hiện,
ethanol là nhiên liệu được sử dụng phổ biến nhất trên nhiều quốc gia.
Ethanol là nhiên liệu sinh học dễ sản xuất, có nguồn nguyên liệu sản suất đa
dạng và phong phú. Các nguồn nguyên liệu đã được nghiên cứu sản xuất ethanol
bao gồm lignocellulose từ gỗ, phụ phẩm nông nghiệp, tinh bột từ các loại hạt,
đường mía, rong tảo. Trong đó các nguồn sinh khối từ gỗ, phụ phẩm nông nghiệp,
đường mía, tinh bột là những nguyên liệu gây tác động đến an ninh lương thực, kỹ
thuật sản xuất và môi trường sản xuất. Do vậy rong tảo biển là nguồn sinh khối
thích hợp cho sản xuất bioethanol. Rong biển có thể được coi như là vũ khí chống
lại sự ấm dần của Trái Đất. Sinh khối rong biển là nguồn polysaccharid vô tận và
rong Lục là rong có chứa nhiều loại đường thích hợp cho sản xuất ethanol.
Trên thế giới, nhiều quốc gia đang tập trung nghiên cứu sản xuất ethanol từ
nguồn sinh khối rong biển, số lượng các nghiên cứu ngày một gia tăng và quy mô
ngày càng lớn.
2
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.
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)
Dự án giữa Indonesia và Hàn Quốc phát triển nhiên liệu sinh học dựa trên
các nguồn nguyên liệu rong biển của Indonesia và sử dụng công nghệ sản xuất
nhiên liệu sinh học của Hàn Quốc. 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.
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.
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.
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.
Tại Chile, dự án sản xuất ethanol từ rong biển của Chile giữa BioArchitecture 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
3
điện của thành phố và cảng.
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.
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. Dự kiến sản xuất 5,3 tỉ gallons ethanol mỗi năm.
Tại Nhật, dự án Sunrise [12] sản xuất biethanol 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.
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.
1.1.2. Những nghiên cứu và triển vọng sản xuất ethanol sinh học từ rong biển ở
Việt Nam.
Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa với hệ thống sông suối dày đặc
cùng hơn 3260km bờ biển, 3000 đảo và quần đảo đã tạo ra hệ sinh thái ngập mặn
có diện tích vô cùng lớn, điển hình là hệ sinh thái rừng ngập mặn, chuỗi đầm phá
ven biển, hệ cửa sông. Các hệ sinh thái này là môi trường thích hợp cho các đối
tượng rong Lục phát triển. Vì thế, ở Việt Nam đã hình thành hướng nghiên cứu
chuyển hóa sinh khối rong biển thành nhiên liệu sinh học ethanol.
Nhóm nghiên cứu đề tài Biomass, xử lý chế phẩm nông nghiệp do tiến sỹ
Phan Đình Tuấn trường Đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh phụ trách.
Năm 2004 phân viện vật liệu thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu hình
4
thành sản xuất dầu biodiesel từ mỡ động vật. Trong đó nhóm nghiên cứu của tiến
sỹ Nguyễn Đình Thành đã ra mắt công nghệ dầu biodiesel từ mỡ cá ba sa, cá tra tại
tỉnh An Giang nhằm giải quyết lượng mỡ thừa.
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 một nhóm nghiên cứu quá trình tiền xử lý và chuyển hóa sinh
khối rong Lục (Enteromorpha intestinalis ) thành đường lên men ứng dụng trong
công nghệ sản xuất ethanol của Viện Sinh học Nhiệt đới. [1]
Tuy vậy các nghiên cứu trên vẫn còn đang đứng trên nhiều thách thức và mới
chỉ được tiến hành trên quy mô phòng thí nghiệm.
1.2. Nguyên liệu sản xuất ethanol từ rong biển.
1.2.1. Thành phần hóa học và những đặc điểm nổi bật của Rong Lục
Rong Lục là thực vật bậc thấp có khả năng quang tự dưỡng, tổng hợp các
chất hữu cơ xây dựng tế bào. Trong rong Lục có chứa lượng lớn sắc tố diệp lục vì
vậy rong có khả năng tổng hợp ra tinh bột và cellulose cao. Theo nghiên cứu của
tác giả Võ Thành Trung – viện công nghệ và ứng dụng Nha Trang cho thấy trong
thành phần hóa học của một số loài rong lục hàm lượng carbonhydrat là cao nhất,
hàm lượng này chiếm trên 50% trong đó hàm lượng cellulose chiếm khoảng 50%.
Ngoài ra theo kết quả của tác giả, loài rong Lục Cladophora socialis đã được tiến
hành thủy phân và lên men ethanol thành công.
Dưới đây là thành phần hóa học của một số loài rong biển:
5
Bảng 1.1. Thành phần hóa học tế bào rong [20]
Rong
Rong Lục
Rong Đỏ
Rong Nâu
Tỷ lệ nước. %
70 – 85
70 – 80
79 – 90
Chất khoáng. %
10 – 25
25 – 35
30 – 50
Carbonhydrat. %
(thành phần)
Protein. %
25 – 50
Cellulose, tinh
bột
10 – 15
30 – 60
(Agar,
Carrageenan)
7 – 15
30 – 50
(Alginate,
Fucoidan)
7 – 15
Lipits. %
1–2
1-5
2–5
1.2.2. Tiềm năng rong biển sản xuất ethanol.
1.2.2.1. Nhiên liệu sinh học từ rong biển
Nhiên liệu sinh học như ethanol và buthanol được sản xuất từ rong biển
thông qua quá trình chuyển đổi sinh học từ sinh khối rong biển bằng nấm men hoặc
vi khuẩn. Bởi trong thành phần rong biển giàu carbonhydrat chính là lợi thế để sử
dụng cho quá trình lên men sản xuất nhiên liệu sinh học. Sinh khối rong biển có thể
thu được bằng nuôi trồng hay thu thập rong biển trôi dạt trong tự nhiên. Sau đó
được rửa bằng nước để đảm bảo quá trình lưu trữ và vận chuyển cho quá trình sản
xuất sau này. Trong sản xuất ethanol sinh học, rong biển được thủy phân để giải
phóng đường sau đó có thể được dùng cho sản xuất ethanol hoặc các nhiên liệu cao
cấp khác.
1.2.2.2. Lợi ích của việc sản xuất nhiên liệu sinh học từ rong biển
Mặc dù trên thế giới đã hình thành nhiều hướng nghiên cứu và phát triển sản
xuất nhiên liệu sinh học tuy nhiên vẫn còn gặp nhiều thách thức. Hiện nay, hai
phương pháp khả thi nhất cho sản xuất nhiên liệu sinh học quy mô lớn là sản xuất
ethanol từ ngô, mía và diesel sinh học từ cây dầu như dầu đậu nành hoặc dầu cọ,
những loại cây lương thực bởi đó là nguồn nguyên liệu dễ kiếm, chứa nhiều tinh
bột, đường hoặc dầu…. Tuy nhiên thực trạng cây lương thực chỉ đáp ứng một phần
6
nhỏ chứ không thể đáp ứng hoàn toàn nhu cầu sử dụng nguyên liệu thay thế. Hơn
nữa, nhu cầu sử sụng cây lương thực làm nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh
học dẫn đến những lo ngại về sự khan hiếm nguồn thực phẩm, giá thành các mặt
hàng thực phẩm tăng cao cùng với những lo ngại về ô nhiễm môi trường đất nông
nghiệp. Nguồn nguyên liệu thay thế đáng tin cậy được tập trung nghiên cứu sâu
rộng là nguồn nguyên liệu phi thực phẩm như chất thải nông nghiệp, chất thải gỗ,
hoặc rong biển,… Đặc biệt, nguồn sinh khối rong biển thực sự là nguồn nguyên liệu
chiếm ưu thế vì nó không chỉ có giá thành thấp, diện tích nuôi trồng có thể thay đổi,
không gây ảnh hưởng tới an ninh lương thực và sự cạnh tranh về đất nông nghiệp.
Tại Mỹ đã có hàng trăm ngàn ôtô chạy bằng ethanol sản xuất từ ngũ cốc và
xăng chạy xe được trộn đến hơn 40% ethanol. Thứ nhiên liệu này ra đời từ quy
trình lên men ngô hoặc lúa mạch. Tuy nhiên thứ rượu của ôtô này đang bị chỉ trích.
Một mẫu ngô mỗi năm chỉ cung cấp gần 4.000 lít ethanol và để sản xuất một lít
ethanol phải tiêu tốn 8.000 lít nước ngọt. Bên cạnh đó, đất nông nghiệp quý giá để
sản xuất lương thực bị mất đi. Vụ ngô năm ngoái, lần đầu tiên nông dân Mỹ thu
hoạch ngô để sản xuất ethanol nhiều hơn là để chăn nuôi. Sản xuất nhiên liệu sinh
học bùng phát đã đẩy giá lương thực, thực phẩm tăng vọt. Vì thế hiện nay nhiều
nhà sinh thái học cho rằng trồng trọt các loại cây năng lượng là hướng đi sai trái.
Trong khi đó tảo không cần đất nông nghiệp. Mặt trời, nước mặn, một chút phân
bón và CO2 là đủ để loài sinh vật nhỏ bé này sinh trưởng. Vì khi quang hợp, chúng
tiêu thụ lượng CO2 tương tự như lượng CO2 thải ra khi đốt dầu được sản xuất từ
chúng, nên nhiên liệu tảo vô hại với khí hậu.
Một kết quả so sánh dưới đây chứng minh sản xuất cồn sinh học từ rong biển
thuận lợi hơn so với thực vật trên cạn
7
Bảng 1.2. So sánh năng suất nuôi trồng của các nguồn sinh khối
Thực vật trên cạn
Thực vật biển
Đường- Tinh bột
Nguyên liệu thô
Thời gian thu
hoạch
Năng suất
(tấn tươi/ha)
Khả năng hấp thụ
CO2 (tấn/ha)
Quá trình sản xuất
Điều kiện nuôi
trồng
Gỗ
Đường, bắp, các
Rong biển
Gỗ mục, giấy
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
Phức tạp
Đơn giản
(do tách ligin)
(không chứa ligin)
loại củ
Đơn giản
Ánh sáng, CO2,
Ánh sáng, CO2,
thuỷ lợi, đất, phân
thuỷ lợi, đất,
bón
phân bón
Ánh sáng, CO2,
nước biển
Tảo biển như một nguồn nguyên liệu hấp dẫn cho sản xuất nhiên liệu thay
thế cho nhiên liệu hóa thạch. Tảo bao gồm các sinh vật quang hợp sống dưới nhiều
môi trường khác nhau và chịu áp lực của tất cả các hệ sinh thái trên trái đất. Trong
điều kiện bình thường tảo sử dụng ánh mặt trời và CO2 trong không khí cho quá
trình đồng hóa được khai thác để sản xuất nhiên liệu sinh học. Tảo biển có rất nhiều
lợi thế, thứ nhất, tảo biển có hiệu suất chuyển đổi photon tương đối cao và có thể
nhanh chóng tổng hợp sinh khối từ chính những nguồn lực dồi dào trong tự nhiên
như ánh sáng mặt trời, CO2 , và các chất dinh dưỡng vô cơ. Ngoài ra tảo biển còn có
khả năng cố đinh CO2 tốt hơn. Thứ hai, tảo biển không chứa hemicellulose và ligin
– thành phần cốt lõi tạo cấu trúc cho hầu hết thực vật trên đất liền, điều đó giúp quá
trình lên men diễn ra một cách dễ dàng hơn. Cuối cùng, tảo biển không cạnh tranh
8
đất canh tác với cây lương thực, nó có thể thích ứng và sống dưới nhiều môi trường
khác nhau như nước ngọt, nước mặn, nước thải sinh hoạt. Khả năng phát triển của
tảo biển trong việc sản xuất nhiên liệu sinh học là một yếu tố vô cùng quan trọng
trong việc sản xuất nhiên liệu sinh học ổn định và bền vững trong tương lai.
Cho đến nay các nhà nghiên cứu đã tìm thấy trong ngành rong Lục có trên
dưới 360 chi và hơn 5700 loài, phần lớn là sống trong nước ngọt, còn nước mặn
chủ yếu là những chi sau đây : Monostroma, Enteromorpha, Ulva, Ulothrix,
Rhizoclonium,
Cladophora,
Chaetomorpha,
Cladophoropsỉs,
Boergesenm,
Valonia, Valoniopsis, Struvea, Boodlea, Microdyction, Caulerpa, Bryopsis,
Codium, Acetabularia v.v...
Nét đặc trưng nhất của các loài trong ngành là có màu lục, sản phẩm quang
hợp là tinh bột. Về cấu tạo, rong có dạng một tế bào đơn giản hoặc chia nhánh
phức tạp; nhiều tế bào dạng phiến, dạng sợi, chia nhánh hoặc không; trừ một vài
trường hợp rong chỉ là một tế bào trần không có vỏ, còn đại đa số đều có vỏ riêng
bằng chất pectin hoặc cellulose. Chất nguyên sinh thành lớp mỏng, ngay sát thành
vỏ tế bào; giữa tế bào là một túi lớn (vacuole) chứa dầy dịch bào. Trong chất
nguyên sinh còn có những túi nhỏ chứa sản phấm của quá trình trao đổi chất.
Đường trong rong lục gồm cellulose, tinh bột, xylane, mannose, fructan,
paramylon. Trong đó cellulose và tinh bột là 2 thành phần chính, cellulose và tinh
bột khoảng 40-50% [16]. 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-1,3glucan), tạo ra nguồn glucose dồi dào. Rong lục rất thích hợp làm nguồn nguyên
liệu để sản xuất ethanol.
Rong lục với thời gian sinh trưởng phát triển nhanh, năng suất vượt trội so
với rong đỏ và rong nâu. Nguồn sinh khối từ rong lục sẽ là sự lựa chọn thích hợp
cho sản xuất ethanol.
9
1.3. Công nghệ sản xuất ethanol từ rong biển.
Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất ethanol từ rong biển
Rong nguyên
liệu
Chủng giống
Rửa mặn
Cắt/nghiền
Dịch đường
Lên men
Xử lý sơ bộ
Thủy
phân
Chưng cất
Tách nước
Thu hồi ethanol
Sau thu hoạch, rong biển được tiền xử lý và thủy phân. Hầu hết các dạng
sinh khối phải được xử lý 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 [15]. Sau đó, sinh khối được xay
nhỏ giảm diện tích bề mặt giúp nâng cao hiệu quả của quá trình thủy phân [26].
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 [15,26].
Theo các tác giả 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 lý cơ học, xây nghiền nhằm làm nhỏ kích thước rong giúp cho
10
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, base), hoặc sinh học (enzym)
Kết quả của quá trình thủy phân tạo ra hỗn hợp dung dịch đường và bã rong.
1.3.1. 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 và thủy phân bằng enzyme.
Thủy phân bằng axit
Dưới xúc tác của axit các polysaccharid của rong sẽ bị cắt nhỏ thành các
oligo hoặc mono saccharid. Axit chứa ion H+ có tác động trực tiếp đến polyme
saccharid tại các liên kết mắt xích nối các monosacchadid tạo ra các oligo hoặc
monosaccharid. Quá trình thủy phân rong của axit tạo ra hỗn hợp dung dịch đường
cần cho quá trình lên men ethanol.
Các dạng acid sử dụng thủy phân sinh khối rong có tính oxi hóa mạnh (HCl,
H2SO4, HCHO….) nhưng đa phần trong các nghiên cứu thủy phân sinh khối rong
biển các tác giả thường sử dụng acid H2SO4 với nồng độ dao động (0,1-5 % V/V)
kết hợp nhiệt độ cao (120-200 oC).
Ngoài thủy phân bằng axit ta còn có thể tiến hành thủy phân bằng enzym.
Thủy phân bằng enzym giúp quá trình thủy phân đạt hiệu quả triệt để hơn tuy nhiên,
trong phạm vi của bài tập trung vào quá trình lên men lên lựa chọn thủy phân bằng
axit sẽ làm giảm được thời gian thủy phân.
Thủy phân bằng enzym
Rong biển được tiền xử lý, trước khi được thủy phân bằng enzym. Tiền xử lý
rong nhằm đảm bảo khả năng tiếp cận của enzym đến các liên
kết của các
polysaccharid. Quá trình tiền sử lý sinh khối rong biển phụ thuộc vào cấu trúc sinh
11
học của mỗi loại rong. Trong sản xuất ethanol đối tượng rong Nâu, Đỏ có quá trình
tiền xử lý đơn giản hơn rong Lục.
Sinh khối rong Lục có kết cấu vỏ tế bào bền vững hơn rong Nâu và rong
Đỏ, nguyên nhân sản phẩm cellulose được tổng hợp từ rong Lục cao hơn các loại
rong khác, do vậy quá trình tiền xử lý cho thủy phân bằng enzym phức tạp hơn.
Rong Lục Chaetomorpha linum được tiền sử lý ở nhiệt độ cao (180, 190, 200 oC
trong 10 phút) sau đó sinh khối Chaetomorpha linum được oxi hóa trong nồng độ
oxi 12 bars. Ngoài ra một phương pháp xử lý khác, sinh khối Chaetomorpha linum
được gây nổ bởi áp suất hơi (1,9 Mpa) sau đó được sử lý ở nhiệt độ 200-210oC
trong 5 phút. Phương pháp thứ ba cho sử lý sinh khối giàu cellulose sử dụng các
bước sóng plasma trong thời gian (20-60 phút), điều kiện bước sóng (ø: 7 cm,
length: 2 cm) [16].
Sau quá trình tiền xử lý, rong Lục được thủy phân bởi nhóm enzym hydrolase
là phức hệ enzym cellulase được thu nhận từ giống vi sinh vật. Trong số những vi
sinh vật có khả năng thủy phân sinh khối rong biển, nấm mốc Trichoderma reesei
được quan tâm nhiều hơn cả. Nấm mốc T. reesei có khả năng sinh một loạt các
enzym phân hủy cellulose thành đường và các cấu thành khác. Hiện nay có nhiều
nghiên cứu tập trung vào đánh giá và phát triển khả năng phân hủy một số chất ức
chế có trong dịch thủy phân nhằm tăng hoạt độ lên men của s. cerevisiae và làm
giảm chi phí cho các công đoạn khử độc dịch thủy phân. Trong công đoạn sản xuất
enzym, một loạt các gene sinh cellulase của Envinia chrysantheiììi, Acidothermus
cellulolyticus đã được tách dòng và thế hiện. Ngoài ra các vi sinh vật thuộc nhóm
sản xuất cellulase truyền thống như Clostriiỉium. Cellulomonas. Trichoderma,
Penicillium, Neurospora. Fusarium, Aspergillus cũng đang được sử dụng.
Nhóm phức hệ enzym này tác động đặc hiệu đến các polysaccharid bao gồm
(arabinose, celluose, β-glucan, hemicellulose, xylan) các polysaccharid này sẽ bị
enzym cắt tại các vị trí đặt hiệu tạo ra các sản phẩm olygosaccharid và các
monosaccharid (glucose, arabinose, xylose, manose). Đây là các loại đường đơn cần
cho quá trình lên men ethanol của vi sinh vật.
12
1.3.2. Quá trình lên men ethanol từ dịch thủy phân rong biển.
Sự lên men rượu là một quá trình sinh học có liên hệ mật thiết tới hoạt động
của nấm men. Đường và các chất dinh dưỡng được hấp thụ qua bề mặt tế bào và
thẩm thấu vào bên trong. Ở đó, các enzym sẽ tác dụng qua nhiều giai đoạn trung
gian để cuối cùng tạo ra sản phẩm là rượu và cacbonic. Trên cơ sở đó, phương trình
phản ứng tổng quát của quá trình lên men rượu như sau:
C6H12O6
2 C2H5OH
+ 2 CO2
Rượu và cacbonic là hai sản phẩm được khuếch tán và tan vào môi trường
xung quanh. Rượu do linh động nên hòa tan nhanh vào dịch lên men còn cacbonic
hòa tan kém và khuếch tán chậm.
Trong sản xuất cồn etylic, nấm men là vi sinh vật được sử dụng phổ biến
nhất. Nấm men có khả năng lên men đường thành rượu và khí cacbonic. Trong mỗi
ngành sản xuất có những đòi hỏi đặc thù về nấm men. Nấm men dùng trong sản
xuất cồn phải có khả năng lên men các đường nhanh và càng triệt để càng tốt, phải
có năng lực lên men mạnh đồng thời phải ổn định và chịu được những thay đổi của
canh trường.
Trong các nhóm vi sinh vật sinh ethanol, nấm men Saccharomycess
cerevisiae vẫn là vi sinh vật ứng dụng rộng rãi nhất. S. cerevisiae có khả năng tích
lũy 18% ethanol trong môi trường có thành phần tương đối đơn giản. Nấm men S.
cerevisiae có thể lên men nhiều đường đơn như glucose, fructose hoặc đường đôi
saccharose, maltose. Với năng lực lên men cao và là đối tượng được tìm hiểu kỹ
nhất, nấm men S. cerevisiae là ứng cử viên tiềm năng nhất cho công đoạn chuyển
hóa glucose thành ethanol trong sản xuất cồn nhiên liêu từ sinh khối.
Quá trình thủy phân chuyển đổi carbonhydrat dự trữ của rong biển thành
đường lên men giúp cho vi sinh vật dễ dàng sử dụng để lên men sinh ethanol. S.
cerevisiae là một loại nấm men đã được ứng dụng trong nhiều nghiên cứu trước
13
- Xem thêm -