Thạc Sĩ Tiền xử lý, thủy phân và thử khả năng tạo bioethanol từ rơm rạ

MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề
Vào những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, đi đôi với sự phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu sử dụng năng lượng càng tăng nhanh. Theo dự báo của tổ chức Năng lượng thế giới IEO (International Energy Organzation), từ năm 1999 đến 2020 nhu cầu tiêu thụ năng lượng của thế giới sẽ tăng 60%. Nguồn năng lượng có thể chia làm ba dạng: Năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, than đá và khí tự nhiên), năng lượng tái tạo và năng lượng hạt nhân. Hiện nay trên thế giới nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu vẫn là từ nhiên liệu hóa thạch. Hơn nữa, nguồn dầu thô và than đá được sử dụng quá nhiều, tạo ra sự giải phóng Carbon ngược lại vào bầu khí quyển, là nguyên nhân chủ yếu của sự thay đổi khí hậu toàn cầu. Do đó, nhiều quốc gia và tập đoàn năng lượng trên thế giới có chiến lược sử dụng tiết kiệm dầu mỏ đồng thời nghiên cứu sản xuất các nhiên liệu sạch thân thiện với môi trường trong đó có nhiên liệu sinh học.
Nhiên liệu sinh học (NLSH) là loại chất đốt tái tạo sản xuất từ nguyên liệu động thực vật gọi là sinh khối (biomass). Nguồn năng lượng được tạo ra từ biomass chiếm 63% tổng số năng lượng tái tạo. Có nhiều cách phân loại nhiên liệu sinh học (NLSH). Thông thường dựa vào nguồn gốc của các nguyên liệu dùng để sản xuất NLSH có thể chia NLSH thành ba thế hệ:
- NLSH thế hệ thứ nhất từ các loại cây trồng ăn được như lương thực, thực phẩm, ví dụ: Mía, của cải, ngũ cốc, dầu mỡ động thực vật. Nhược điểm cơ bản là đã sử dụng những nguồn tài nguyên sinh khối liên quan đến lương thực dẫn đến mất an ninh lương thực trên thế giới.
- NLSH thế hệ thứ hai chủ yếu từ các phụ phẩm hoặc phế thải trong sản xuất, sinh hoạt có nguồn gốc hữu cơ, ví dụ: Phế thải nông lâm nghiệp (rơm rạ, trấu, bã mía, thân ngô, mùn cưa, gỗ vụn ), chăn nuôi (phân súc vật, bùn cống rãnh ) và sinh hoạt (dầu, mỡ thải). Ưu điểm nổi bật là sử dụng nguồn sinh khối không ảnh hưởng gì đến lương thực, thực phẩm nuôi sống con người và gia súc đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu, đồng thời còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm.
- NLSH thế hệ thứ ba từ tảo (nước ngọt và nước biển), cây jatropha curcas (cây cộc rào hay cây dầu mè), cỏ swichgrass, cây halophyte, có ưu điểm vượt trội là dựa vào nguồn sinh khối phong phú của các loại cây không thuộc cây lương thực, có thể sinh trưởng hoang dại ở cả những nơi đất cằn cỗi với hàm lượng dầu cao. Tuy nhiên đó mới chỉ là nghiên cứu thăm dò ban dầu còn nhiều vấn đề khoa học và công nghệ liên quan đến canh tác, khai thác, chế biến các tài nguyên sinh khối này cần phải giải quyết trước khi NLSH thế hệ ba xuất hiện trên thị trường.
Hiện nay NLSH thế hệ thứ hai được ưu tiên nghiên cứu và sử dụng vì hầu như sẽ không ảnh hưởng đến giá lương thực và đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu. Biomass như rơm rạ, thân cây ngũ cốc và các phế thải nông nghiệp khác được tạo ra hàng năm trên thế giới khoảng hơn nửa tỷ tấn, trong đó châu Á chiếm tới 92%. Rơm rạ là một trong những phế thải nông nghiệp ít giá trị sử dụng, số lượng lớn đặc biệt ở các nước xuất khẩu lúa gạo, như ở Việt Nam. Rơm rạ chiếm hơn 50% tổng trọng lượng cây lúa. Thành phần chủ yếu của chúng bao gồm cellulose, hemicellulose và lignin gắn kết chặt chẽ với nhau bởi những liên kết hidro và liên kết đồng hóa trị. Để có thể sản xuất ethanol, các polymer này cần được phân hủy thành đường đơn và sau đó hỗn hợp đường được lên men thành ethanol. Việc thủy phân lignocellulose theo con đường hóa học và enzyme đều không đơn giản và hao phí về mặt kinh tế. Các nghiên cứu cho thấy một số loài vi sinh vật có khả năng phân hủy lignocellulose trong đó có loài Volvariella volvacea, tên thường gọi là nấm rơm. Nấm rơm được trồng trên nhiều dạng chất thải có lignocellulose như rơm của các cây ngũ cốc, lá chuối, bã mía đường, vỏ quả cọ dầu. (Cai et al., 1999). Giống với nhiều vi nấm, trong quá trình sinh dưỡng, các loại nấm này có khả năng sản sinh trong môi trường nuôi dưỡng chúng hệ enzym để phân giải cellulose, hemicellulose thành các đường đơn sau đó mới hấp thụ làm nguồn dinh dưỡng. V. volvacea sản xuất ra một hệ thống nhiều enzym gồm β-glucosidase, endo-1,4-β-glucanase, cellobiohydrolase chuyển hoá cellulose thành glucose (Cai et al., 1998). Ngoài ra, V. volvacea còn tạo ra laccase là một enzym phân giải lignin và oxy hoá các hợp chất phenol [1]. Việc sử dụng V. volvacea để thủy phân lignocellulose góp phần giảm ô nhiễm môi trường và mang lại hiệu quả kinh tế. Do đó, chúng tôi chọn đề tài “Tiền xử lý, thủy phân và thử khả năng tạo bioethanol từ rơm rạ” với mục tiêu và nội dung cụ thể như sau:
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu: Sử dụng các chủng nấm rơm để tiền xử lý, thủy phân và thử khả năng tạo bioethanol từ rơm rạ từ đó chọn chủng nấm rơm có khả năng thủy phân nguyên liệu lignocellulose tốt nhất.
Nội dung nghiên cứu:
Nuôi cấy nấm rơm trên cơ chất rơm rạ với độ ẩm, hàm lượng dinh dưỡng thích hợp. Theo dõi hoạt tính các enzyme thủy phân cơ chất rơm rạ và sự thay đổi thành phần rơm rạ theo thời gian.
Điện di protein để kiểm tra sự hiện diện của protein enzyme. Lên men bằng nấm men Saccharomyces cerevisiae. Thử khả năng tạo cồn bằng phương pháp sắc ký khí khối phổ GC/MS-headspace

MỤC LỤC
Nội dung Trang
Lời cảm ơn . i
Mục lục ii
Danh mục hình iv
Danh mục bảng . vi
Ký hiệu và viết tắt . vii
MỞ ĐẦU . 1
Chương 1: Tổng quan . 4
1.1. Nguồn rơm rạ ở Việt Nam . 4
1.2. Cấu trúc rơm rạ 4
1.2.1. Cellulose . 5
1.2.2. Hemicellulose 6
1.2.2. Lignin . 7
1.3. Nấm rơm 9
1.3.1. Tổng quát về nấm rơm . 9
1.3.2. Cấu tạo hình thái quả thể nấm rơm 10
1.3.3. Vòng đời của nấm rơm 11
1.3.4. Nguyên liệu trong môi trường trồng nấm 12
1.4. Qúa trình sản xuất bioethanol từ rơm rạ 13
1.4.1. Bioethanol 13
1.4.2. Qúa trình sản xuất bioethanal từ rơm rạ 15
1.4.2.1. Tiền xử lý 15
1.4.2.2. Thủy phân 16
1.4.2.3. Lên men . 26
Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu . 32
2.1. Vật liệu . 32
2.1.1. Nguyên liệu . 32
2.1.2. Thiết bị và dụng cụ 33
2.1.3. Hóa chất . 33
2.2. Phương pháp nghiên cứu 34
2.2.1. Phương pháp phân tích 34
ĐH Quốc gia ĐH Khoa học tự nhiên TP.HCM
iii
2.2.1.1. Phương pháp xác định FPase 34
2.2.1.2. Phương pháp xác định hoạt tính cellulase và xylanase 37
2.2.1.3. Phương pháp xác định hoạt tính laccase 41
2.2.1.4. Xác định hàm lượng protein . 42
2.2.1.5. Phương pháp định lượng đường khử 43
2.2.1.6. Phương pháp xác định thành phần rơm rạ 44
2.2.1.7. Phương pháp xác định hàm lượng glucosamine 45
2.2.1.8. Phương pháp nuôi cấy nấm men 47
2.2.1.9. Điện di phân tích protein 47
2.2.1.10. Đo nồng độ cồn bằng máy sắc ký khí khối phổ . 53
2.2.2. Trình tự nghiên cứu 54
2.2.2.1. Sơ đồ thí nghiệm . 54
2.2.2.2. Tiền xử lý 54
2.2.2.3. Thủy phân . 55
2.2.2.4. Lên men 55
2.2.2.5. Đo nồng độ cồn của các mẫu lên men 55
Chương 3: Kết quả và thảo luận 56
3.1. Hoạt tính enzyme FPase, cellulase, xylanase, laccase của mẫu theo thời gian 56
3.2. Sự thay đổi pH theo thời gian . 59
3.3. Sự tăng trưởng tế bào nấm rơm theo thời gian . 61
3.4. Thành phần rơm rạ thay đổi theo thời gian 62
3.5. Hàm lượng glucose sau thủy phân . 63
3.6. Hàm lượng protein trong dịch nuôi cấy 65
3.7. Xác định protein enzyme bằng điện di SDS-PAGE . 66
3.8. Nồng độ cồn sau lên men . 68
Chương 4: Kết luận và kiến nghị: 69
4.1. Kết luận 69
4.2. Kiến nghị . 69
Tài liệu tham khảo . 71
Phụ lục . 75