Thạc Sĩ Xử lý rơm rạ bằng sợi tơ nấm rơm volvariella volvacea và đánh giá khả năng tạo bioethanol

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.
ĐH Quốc gia ĐH Khoa học tự nhiên TP.HCM
Trang 2
- 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
ĐH Quốc gia ĐH Khoa học tự nhiên TP.HCM
Trang 3
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