Thạc Sĩ Nghiên cứu qui trình sản xuất butanol từ rơm rạ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC
Chuyên ngành: Vi sinh vật học
2011

MỤC LỤC ( Luận văn dài 107 trang có File WORD)

Lời cảm ơn .ii
Muc lục .iii
Danh sách các từ viết tắt .v
Danh mục bảng .vi
Danh mục hình vii

MỞ ĐẦU .1

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2
1.1 SƠ LƯỢC VỀ BIOFUEL .3
1.2 BUTANOL .4
1.2.1 Butanol 4
1.2.2 Butanol sinh học .7
1.3 CÁC NGUỒN BIOMASS CHÍNH Ở VIỆT NAM 7
1.4 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA RƠM RẠ .8
1.5 CÁC ENZYM TRONG QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN RƠM RẠ .9
1.5.1 Giới thiệu sơ lược enzym. 9
1.5.2 Bộ Biomass Kit .10
1.5.3 Enzyme sử dụng trong quá trình thủy phân rơm rạ 11
1.5.3.1 Cellulase 11
1.5.3.2 β-glucanase. 12
1.5.3.3 Hemicellulase 13
1.5.3.4 Xylanase 14
1.6 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BUTANOL TỪ RƠM RẠ .14
1.6.1 Tiền xử lý rơm rạ 15
1.6.1.1 Mục đích nguyên tắc và tầm quan trọng của việc tiền xử lý 15
1.6.1.2 Các phương pháp tiền xử lý .15
1.6.2 Thủy phân .18
1.6.3 Lên men Acetone- Butanol .19
1.6.3.1 Khái niệm chung 19
1.6.3.2 Các quá trình chuyển hóa trong sự lên men .20
1.6.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lên men 25
1.7 CLOSTRIDIUM SACCHAROBUTYLICUM 30

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP .31
2.1 THỜI GIAN VÀ ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU 32
2.2 NGUYÊN LIỆU DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT SỬ DỤNG 32
2.2.1 Nguyên liệu 32
2.2.2 Các thiết bị sử dụng 32
2.2.3 Hóa chất sử dụng 33
2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG .33
2.3.1 Tiền xử lý rơm rạ .33
2.3.2 Xử lý enzym .34
2.3.3 Xác định hàm lượng đường khử bằng phương pháp DNS .34

2.3.4 Phương pháp đo nồng độ Glucose, ABE .34
2.3.5 Phương pháp hoạt hóa vi khuẩn và lên men .35
2.3.5.1 Cấy và bảo quản vi khuẩn .35
2.3.5.2 Phương pháp nhân giống 36
2.3.5.3 Phương pháp đếm vi khuẩn 36
2.3.5.4 Phương pháp lên men 37
2.3.5.5 Phương pháp lấy mẫu .38
2.3.5.6 Phương pháp nhuộm đơn 39
2.4 CÁC BƯỚC THÍ NGHIỆM 39
2.4.1 Sơ đồ nghiên cứu 39
2.4.2 Giai đoạn tiền xử lý rơm rạ 40
2.4.2.1 Tiền xử lý bằng tác nhân vật lý .40
2.4.2.2 Tiền xử lý bằng tác nhân hóa học 40
2.4.3 Thủy phân bằng enzym: .42
2.4.3.1 Tối ưu hóa tổ hợp enzym .42
2.4.3.2 Tối ưu hóa nhiệt độ của tổ hợp enzym 43
2.4.3.3 Tối ưu pH của tổ hợp enzym: 44
2.4.3.4 Thủy phân rơm rạ đã xử lý cồn bằng Biomass Kit 45
2.4.3.5 Thủy phân rơm rạ đã xử lý acetone bằng Biomass Kit 46
2.4.4. Lên men .47
2.4.4.1 Chuẩn bị dịch lên men: .47
2.4.4.2 Lên men đối chứng .48
2.4.4.3 Khảo sát các điều kiện tối ưu cho quá trình lên men 48

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 52
3.1 TIỀN XỬ LÝ RƠM RẠ BẰNG DUNG MÔI HỮU CƠ: 53
3.2 THỦY PHÂN RƠM RẠ BẰNG BIOMASS KIT 56
3.2.1 Tối ưu hóa tổ hợp enzym 56
3.2.2 Tối ưu hóa nhiệt độ của tổ hợp enzym. 57
3.2.3 Tối ưu pH của tổ hợp enzym. .59
3.2.4 Thủy phân rơm rạ đã xử lý cồn bằng Biomass Kit 60
3.2.5 Thủy phân rơm rạ đã xử lý acetone bằng Biomass Kit. 61
3.2.6 Tổng kết giai đoạn thủy phân bằng enzym 63
3.3 KẾT QUẢ GIAI ĐOẠN LÊN MEN. .64
3.3.1 Phản ứng với lượng lớn để thu dịch lên men: .64
3.3.2 Lên men đối chứng 66
3.3.3 Khảo sát các điều kiện tối ưu cho quá trình lên men. .67
3.4 TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT. .70
3.5 THẢO LUẬN 71

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 74
4.1 KẾT LUẬN .75
4.2 ĐỀ NGHỊ. 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
PHỤ LỤC 81




Danh mục bảng

Bảng 1.1 Tính chất của Butanol .5
Bảng 1.2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000 .8
Bảng 1.3 Thành phần của các nguyên liệu lignocellulose .9
Bảng 1.4 Vi khuẩn được sử dụng trong lên men acetone- butanol 28
Bảng 2.1 Xử lý hóa học bằng tác nhân cồn. .41
Bảng 2.2 Xử lý hóa học bằng tác acetone .41
Bảng 2.3 Tối ưu hóa tổ hợp enzym .42
Bảng 2.4 Tối ưu hóa nhiệt độ của tổ hợp enzym. .44
Bảng 2.5 Tối ưu hóa pH của tổ hợp enzym. .45
Bảng 2.6 Thủy phân rơm rạ đã xử lý cồn bằng Biomass Kit 46
Bảng 2.7 Thủy phân rơm rạ đã xử lý acetone bằng Biomass Kit .47
Bảng 3.1 Kết quả các mẫu xử lý cồn theo thời gian. 53
Bảng 3.2 Kết quả các mẫu xử lý acetone theo thời gian 54
Bảng 3.3 Lượng đường khử được tạo ra bởi các tổ hợp enzym khác nhau. .56
Bảng 3.4 Kết quả định lượng đường khử của các mẫu trong thí nghiệm 4. .58
Bảng 3.5 Kết quả định lượng đường khử của các mẫu trong thí nghiệm 5. .59
Bảng 3.6 Kết quả định lượng đường khử sau thủy phân các mẫu ngâm cồn. 60
Bảng 3.7 Lượng đường khử sau thủy phân các mẫu đã xử lý acetone 62
Bảng 3.8 Tổng kết giai đoạn thủy phân 63
Bảng 3.9a Kết quả xác định lượng rơm thu hồi. 65
Bảng 3.9b Kết quả định lượng đường khử của dịch thủy phân rơm rạ .65
Bảng 3.10 Khảo sát khả năng lên men của giống 66
Bảng 3.11 Ảnh hưởng của pH lên quá trình lên men .67
Bảng 3.12 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình lên men .68
Bảng 3.13 Ảnh hưởng của hàm lượng giống lên quá trình lên men 69
Bảng 3.14 Tổng hợp các hiệu suất của quá trình: .71
Bảng 3.15 So sánh pH tại thời điểm tạo ra nhiều butanol .73



Danh mục hình
Hình 1.1 Cấu trúc phân tử của butanol 5
Hình 1.2 Tác dụng của từng enzyme trong cellulase 11
Hình 1.3 Hoạt động thủy phân của glucannase 12
Hình 1.4 Hoạt động của hemicellulase .13
Hình 1.5 Hoạt động của xylanase 14
Hình 1.6. Sơ đồ sản xuất butanol từ rơm rạ 15
Hình 1.7 Sự biến đổi lignocellulose qua tiền xử lý .15
Hình 1. 8 Sự tấn công của các enzyme lên cấu trúc cellulose 19
Hình 1.9 Các giai đoạn chuyển hóa của quá trình đường phân .20
Hình 1.10 Sơ đồ hình thành acid và dung môi .22
Hình 1.11 Sơ đồ hình thành butyrate 23
Hình 1.12 Sơ đồ hình thành ethanol .23
Hình 1.13 Sơ đồ hình thành acetone 24
Hình 1.14 Sơ đồ hình thành Butanol 24
Hình 2.1 Bình lên men 100ml 37
Hình 2.2 Ảnh hưởng pH lên sự lên men 49
Hình 2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ lên sự lên men .50
Hình 2.4 Ảnh hưởng mật độ tế bào giống lên quá trình lên men .51
Hình 3.1 Khối lượng rơm sau khi tiền xử lý cồn 53
Hình 3.2 Khối lượng rơm sau khi tiền xử lý acetone 55
Hình 3.3 Lọc và thu hồi dung môi sau khi xử lý. 55
Hình 3.4 Lượng đường khử được tạo ra bởi các tổ hợp enzym khác nhau. 57
Hình 3.5 Lượng đường khử được tạo ra do hoạt động của tổ hợp enzym với những nhiệt độ khác nhau. . 58
Hình 3.6 Lượng đường khử được tạo ra do hoạt động của tổ hợp enzym với
những pH khác nhau .59
Hình 3.7 Lượng đường khử sau thủy phân các mẫu đã xử lý cồn 60
Hình 3.8 Lượng đường khử sau thủy phân các mẫu đã xử lý acetone 62
Hình 3.9 Bình xử lý acetone sau 0 ngày( A) và sau 3 ngày (B) 64




MỞ ĐẦU

Xã hội loài người ngày càng đi lên, thời đại công nghệ ngày càng mở rộng.Vì được sử dụng với nhu cầu quá lớn, các nguồn nhiên liệu cơ bản như than đá, dầu mỏ ngày càng cạn kiệt.Việc sử dụng những nguồn nhiên liệu cơ bản đó cũng gây ô nhiễm môi trường ngày càng lớn.
Trước tình hình đó, việc kiếm ra các nguồn nhiên liệu sạch thay thế cho các nguồn nhiên liệu cơ bản là điều cấp bách.
Trên thế giới nhu cầu nhiên liệu ethanol , butanol đang phát triển nhanh chóng ở các nước lớn như Hoa Kỳ, Trung Quốc, Ấn Độ, Braxin và Châu Âu nhằm mục tiêu giảm sự tiêu thụ dầu mỏ và tăng sử dụng nhiên liệu sinh học.
Ở Việt Nam vấn đề sản xuất nhiên liệu sinh học ngày càng được chú trọng. Nhiều nhà máy sản xuất cồn và bioethanol đang được đầu tư xây dựng và sản xuất ethanol, butanol.
Mặt khác Việt Nam là quốc gia với truyền thống trồng lúa nước lâu năm. Hàng năm sản lượng phụ phẩm nông nghiệp hay nói cách khác là rơm rạ được thải ra nhiều, một phần nhỏ được sử dụng làm thức ăn cho gia súc hoặc làm phân bón nhưng lượng sử dụng đó chỉ là một phần so với lượng thải ra. Trong khi đó rơm rạ là một nguồn nguyên liệu giàu lignoxenlulose và hemixenlulose có khả năng chuyển đổi thành đường pentose và hexose.
Thêm vào đó, các nghiên cứu về quy trình tạo butanol từ nguồn nguyên liệu biomass ở Việt Nam chưa có nhiều.Từ những vấn đề nêu trên, chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu qui trình sản xuất butanol từ rơm rạ ”