Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành ethanol sinh học

Nghiên cứu một số điều kiện tối ưu trong quá trình thủy phân bèo tây thành đường đơn bằng tác nhân hóa học.. Etanol sinh học Bio-Etanol là một loại nhiên liệu sinh học, được sản xuất ch

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây

thành ethanol sinh học

Phạm Công Minh

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS ngành: Khoa học môi trường; Mã số: 60 85 02

Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải

Năm bảo vệ: 2012

Abstract Nghiên cứu một số điều kiện tối ưu trong quá trình thủy phân bèo tây

thành đường đơn bằng tác nhân hóa học Xác định hàm lượng Etanol tạo ra sau quá trình lên men bởi vi khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109, phân lập từ quá trình ủ phân cừu và cỏ Napiergrass khô Đề xuất quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây và xây

dựng kịch bản áp dụng cho một thủy vực thiên nhiên

Keywords Khoa học môi trường; Ethanol sinh học; Bèo tây

Content

MỞ ĐẦU

Ngày nay, thế giới đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng năng lượng trầm trọng Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới, nguồn năng lượng từ các sản phẩm hoá thạch dầu mỏ sẽ bị cạn kiệt trong vòng 40- 50 năm nữa Để ổn định và đảm bảo an ninh năng lượng đáp ứng cho nhu cầu con người cũng như các ngành công nghiệp, các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu tìm ra những nguồn nhiên liệu mới, trong đó nghiên cứu phát triển nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối động, thực vật là một hướng đi có thể tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế phần nào nguồn nhiên liệu hoá thạch đang cạn kiệt, đảm bảo an ninh năng lượng cho từng quốc gia

Sử dụng nhiên liệu sinh học có những ưu điểm như giảm thiểu ô nhiễm khí thải độc hại từ động cơ, tiết kiệm nguồn nhiên liệu hóa thạch dầu mỏ, tăng hiệu suất của động cơ, mặt khác nhiên liệu sinh học khi thải vào đất có tốc độ phân hủy sinh học cao nhanh hơn gấp 4 lần so với nhiên liệu hóa thạch

Etanol sinh học (Bio-Etanol) là một loại nhiên liệu sinh học, được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn, thường được sản xuất từ các loại cây nông nghiệp hàm lượng đường cao như ngô (ở Mỹ), lúa mì, lúa mạch, mía (ở Brazil) Ngoài ra, Etanol sinh học còn được sản xuất từ cây cỏ có chứa hợp chất cellulose Etanol từ cellulose đã được sản xuất thành công và đưa vào sử dụng làm nhiên liệu ở nhiều nước trên thế giới Hiện nay, việc sản xuất Etanol từ các loại cây lương thực đang gây ra sự lo ngại về vấn đề an ninh lương thực trên thế giới Chính vì vậy, thế giới đang đi theo hướng sản xuất Etanol từ các nguyên liệu chứa hợp chất cellulose

Việt Nam là một quốc gia nằm ở vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của các loài tảo, bèo tây Trên thế giới đã có những công trình nghiên

cứu ứng dụng khả năng hấp thụ kim loại nặng của bèo tây để làm sạch môi trường nước mặt Bên cạnh đó, bèo tây cũng đã được nghiên cứu trong lĩnh vực sản xuất Etanol sinh học Dựa vào thành phần hóa học của bèo tây chủ yếu là cellulose và hemicellulose, qua quá trình thủy phân và lên men nhờ vi sinh vật, chuyển hoá cellulose trong bèo tây thành Etanol sinh học Với những ưu điểm như rẻ tiền, phổ biến và có khả năng phát triển rất nhanh, bèo tây sẽ là một nguồn nguyên liệu tiềm năng trong quá trình nghiên cứu sản xuất Etanol sinh học Chính

vì ý nghĩa thiết thực đó, luận văn đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây (Eichnoria) thành Etanol sinh học”

Để đạt được mục tiêu nêu trên, đề tài đã tiến hành các nội dung nghiên cứu sau:

- Nghiên cứu một số điều kiện tối ưu trong quá trình thủy phân bèo tây thành đường đơn bằng tác nhân hóa học

- Xác định hàm lượng Etanol tạo ra sau quá trình lên men bởi vi khuẩn Klebsiella

oxytoca THLC0109, phân lập từ quá trình ủ phân cừu và cỏ Napiergrass khô

- Đề xuất quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây và xây dựng kịch bản áp dụng cho

một thủy vực thiên nhiên

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Sinh khối và nhiên liệu sinh học

1.1.1 Khái niệm

1.1.2 Các dạng nhiên liệu sinh học

1.1.3 Những lợi ích khi sử dụng nhiên liệu sinh học

1.2 Etanol sinh học

1.2.1 Tính chất lý hoá học của Etanol

1.2.2 Phương pháp sản xuất Etanol sinh học

1.2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng Etanol sinh học

1.3 Vai trò của vi sinh vật trong việc phân giải hợp chất hữu cơ

1.3.1 Cellulosese và vi sinh vật phân giải cellulosese

1.3.2 Hemicellulosese và vi sinh vật phân giải hemicellulosese

1.4 Vai trò của vi sinh vật trong quá trình lên men rượu

1.4.1 Quá trình lên men rượu

1.4.2 Nấm men dùng trong sản xuất rượu etylic

1.5 Bèo tây và thực trạng sử dụng bèo tây ở Việt Nam

1.5.1 Đặc điểm của bèo tây

1.5.2 Sự phân bố bèo tây ở Việt Nam

1.5.3 Thực trạng sử dụng bèo tây ở Việt Nam

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

- Mẫu bèo tây được lấy tại hồ khu vực Bắc Linh Đàm, quận Hoàng Mai, Hà Nội Sau khi rửa sạch bèo tây, cắt bỏ phần rễ, sau đó được sấy bằng tủ sấy đến khối lượng không đổi

- Đề tài sử dụng loại khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109 do thạc sĩ Trần Đăng Thuần phân lập từ quá trình ủ phân cừu và cỏ Napier khô tại Đài Loan

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp tiền xử lý

- Bèo tây được sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 700C đến khối lượng không đổi, sau đó được cắt ngắn khoảng 2-3 cm và nghiền nhỏ bằng máy nghiền thành dạng bột Bột bèo được bảo quản trong hộp kín, tránh bị ẩm mốc

2.2.2 Phương pháp thủy phân

Bèo tây được thủy phân trong 120ml dung dịch axit H2SO4 loãng 2,5%, sau đó đun ở

1000C bằng máy điều nhiệt trong 35 phút Làm lạnh đưa về nhiệt độ phòng, trung hòa dung dịch sau thủy phân bằng NaOH sau đó lọc bằng giấy lọc băng xanh Xác định hàm lượng đường khử của dung dịch thu được bằng phương pháp so màu

Trong quá trình thủy phân, mục tiêu của đề tài là tìm ra được các thông số tối ưu có ảnh hưởng trực tiếp đến sản phẩm thủy phân bèo tây: thời gian, nồng độ axit, tỷ lệ rắn lỏng

2.2.3 Phương pháp xác định hàm lượng đường khử

 Xác định đường khử bằng phương pháp axit dinitro-salicylic (DNS)

- Nguyên tắc: Phương pháp này dựa trên cơ sở phản ứng tạo màu giữa đường khử với thuốc thử axit dinitrosalicylic (DNS) Ban đầu dung dịch axit dinitro – salicylic (DNS) có màu vàng nhạt, sau khi phản ứng với đường khử chuyển sang màu da cam – đỏ đậm Cường

độ màu của hỗn hợp phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ đường khử trong một phạm vi nhất định Tiến hành so màu ở bước sóng 550nm Dựa vào đồ thị đường chuẩn của D-glucose với thuốc thử DNS sẽ tính được hàm lượng đường khử của mẫu

Phương trình phản ứng tạo màu giữa đường khử và DNS axit:

2.2.4 Phương pháp lên men

 Nhân giống vi khuẩn lên men:

Môi trường nhân giống gồm (pepton 5g/l; NaCl 5g/l) Lấy 100ml dung dịch môi trường nhân giống đưa vào bình thủy tinh có nút cao su Khử trùng trong nồi hấp ở nhiệt độ 60-700C trong 15 phút

Cấy vi sinh vật vào dung dịch: Công việc được tiến hành trong tủ khuấy vô khuẩn để tránh bị nhiễm các vi sinh vật khác có ảnh hưởng xấu đến vi khuẩn và quá trình lên men sau này Dùng que cấy vòng và được vô khuẩn trên đèn cồn chấm vào lọ đựng vi sinh vật sau đó

từ từ đưa vào bình thủy tinh chứa dung dịch môi trường nhân giống Tiến hành nuôi cấy ở nhiệt độ phòng trong 24h

 Lên men mẫu:

Lấy 100ml dung dịch nước lọc bèo của quá trình thủy phân cho vào bình có nút cao

su Khử trùng trong nồi hấp ở nhiệt độ 60-700C trong 60 phút Sử dụng kim tiêm lấy 1ml dung dịch từ bình nuôi cấy cho vào bình lên men Nuôi ở nhiệt độ phòng Cứ 24h tiến hành lấy mẫu 1 lần, mỗi lần lấy 6ml

2.2.5 Phương pháp xác định hàm lượng Etanol

Dung dịch sau khi lên men được phân tích hàm lượng Etanol trên máy sắc khí GC tại phòng thí nghiệm của Khoa Môi trường, trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Thiết bị sử dụng phân tích Etanol là máy sắc ký khí Detector cộng kết điện tử GC-ECD 2010 của hãng Shimazhu, Nhật Bản

Điều kiện phân tích đã lựa chọn:

- Cột mao quản chiều dài 30m, đường kính trong 0,25 mm;

- Nhiệt độ cổng bơm mẫu: 1200C;

- Nhiệt độ detector ECD: 2800C;

- Khí mang N2 tốc độ dòng 1ml/phút;

- Phương pháp bơm mẫu Splitless

- Chương trình nhiệt độ cột: Nhiệt độ ban đầu là 1200C (giữ trong 1 phút), sau đó tăng lên

1500C với tốc độ 100C/phút và giữ ở 1500C trong 4 phút

- Tổng thời gian chạy mẫu là 8 phút

- Bơm mẫu theo kiểu heat-spray: Gồm 3 bước theo thứ tự (1), (2) và (3):

Mẫu ban đầu (1) được gia nhiệt đến trạng thái bão hòa (2), sau đó hút như ở (3) và bơm vào cổng bơm mẫu của máy sắc ký khí

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thành phần và khả năng phát triển của bèo tây

3.1.1 Thành phần lý hóa học của bèo tây

Phần thân bèo tây ban đầu có màu xanh lá cây, sau khi sấy khô bằng tủ sấy chuyển sang màu nâu nhạt

Khối lượng bèo tây ban đầu: 1kg phơi khô tự nhiên, sấy khô ở 700C đến khối lượng không đổi là 0,115 kg

Như vậy trong bèo tây nghiên cứu có chứa lượng nước:

(1 - 0,115) * 100% = 88,5%

Kết quả phân tích thành phần mẫu bèo tây của Viện Chăn nuôi Việt Nam theo 3 yếu

tố cellulose, hemicellulose và lignin:

Bảng 7 Thành phần khối lượng bèo tây

Trên thế giới, các nghiên cứu về bèo tây đã chỉ ra rằng: hầu hết hàm lượng cellulose

và hemicellulose tập trung tại thân và lá của bèo tây; bộ phận rễ của bèo tây là nơi phân giải các chất ô nhiễm và tích luỹ kim loại nặng, thành phần chủ yếu là lignin Chính vì vậy, đề tài này cũng chỉ sử dụng phần thân và lá của bèo tây để nghiên cứu khả năng sản xuất Etanol

Đây cũng là xu hướng nghiên cứu phù hợp với thế giới trong lĩnh vực sản xuất Etanol từ nguyên liệu bèo tây

3.1.2 Khả năng phát triển của bèo tây

Bèo tây là một trong mười loài cây có tốc độ sinh trưởng mạnh nhất trên thế giới

Tỷ lệ tăng trưởng của bèo tây khoảng 10,33 – 19,15 kg/ha/ ngày (Reddy and DeBusk, 1987) Chúng có khả năng tăng gấp đôi sinh khối trong vòng 14 ngày, sinh khối trung bình lớn nhất của bèo tây là 49,6 kg/m2 Trong điều kiện bình thường, bèo tây có thể bao phủ mặt nước với mật độ 10 kg/m2, mật độ tối đa có thể đạt được là 50 kg/m2

Theo Yount & Crossman, 1970, năng suất của bèo tây trong môi trường nước tự nhiên tại trung tâm và phía Nam Florida, Mỹ là 2 – 29 g bèo khô/m2/ngày Đặc biệt, trong môi trường nước giàu chất dinh dưỡng, năng suất bèo tây có thể đạt tới mức 5 – 52g bèo khô/ m2/ngày

Nhóm các nhà khoa học Mexico, E.L Gutiérrez, E.F Ruiz, E.G Uribe và J.M Martínez nghiên cứu về sinh khối và năng suất bèo tây tại các thuỷ vực, kết quả trong bảng 8 cho thấy sự phát triển của bèo tây tại các đầm và hồ:

Bảng 8 Sản lượng và độ che phủ của bèo tây

Địa điểm

Sản lượng (khô) Độ che phủ

Tổng sinh khối (tấn)

TB (kg/m2)

Lớn nhất (kg/m2)

Trung bình (ha) % diện tích

Theo nghiên cứu của Penfound and Earle, trên lưu vực sông Mê Kông, từ 10 cá thể bèo tây sau khoảng thời gian 8 tháng đã hình thành một quần thể bèo tây với số lượng 655.000 cá thể, che phủ diện tích mặt nước 0,4 ha

Các nghiên cứu trên đã cho ta thấy được khả năng sinh sản cực nhanh của bèo tây Vì vậy, nếu không sử dụng nguồn sinh khối này sẽ rất lãng phí và bèo tây còn có thể gây ra tác dụng tiêu cực với đời sống

3.2 Kết quả thí nghiệm thủy phân chuyển hóa bèo tây thành đường

3.2.1 Ảnh hưởng của thời gian

Tiến hành thủy phân 2,5g bèo tây với dung dịch 120ml H2SO4 2,5% trong các khoảng thời gian 35 – 60 phút ở 1000C Kết quả được thể hiện trong bảng 8:

Bảng 9 Ảnh hưởng của yếu tố thời gian đến khả năng thủy phân

Thời gian thủy phân (phút) Khối lượng đường (g) Tỷ lệ thủy phân (g/g)

0 0.5

1 1.5

2 2.5

Thời gian (phút)

0 0.5 1 1.5

2 Khối lượng đường Tỷ lệ thủy phân

Hình 8 Ảnh hưởng của yếu tố thời gian đến khả năng thủy phân

Từ biểu đồ hình 8, có thể thấy trong khoảng khảo sát 35 – 60 phút thì lượng đường tạo ra chủ yếu trong 50 phút đầu tiên Tại thời điểm 50 phút lượng đường tạo ra đạt giá trị lớn nhất (2,203 g) tương ứng với tỷ lệ thủy phân cao nhất (0,881 g/g) Do vậy đề tài lựa chọn thời gian thủy phân là 50 phút là thời gian tối ưu

3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ axit

Tiến hành thủy phân 3g bèo tây với dung dịch 120ml H2SO4, nồng độ axit khảo sát trong khoảng 3% - 8% trong 50 phút ở 1000C Kết quả thu được thể hiện trong bảng 9:

Bảng 10 Ảnh hưởng của nồng độ axit đến khả năng thủy phân

Nồng độ axit H2SO4(%) Khối lượng đường (g)* Tỷ lệ thủy phân (g/g)

(*): Tính cho 120ml dung dịch axit

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Nồng độ axit (%)

0.0 0.5 1.0 1.5

2.0 Khối lượng đường Tỷ lệ thủy phân

Hình 9 Ảnh hưởng của nồng độ axit đến khả năng thủy phân

Từ biểu đồ hình 9, thấy được trong khoảng khảo sát nồng độ axit H2SO4 thủy phân 3% - 8% thì lượng đường tạo ra ở nồng độ 7% là lớn nhất (2,754 g) tương ứng với tỷ lệ thủy phân cao nhất (0,918 g/g) Do vậy đề tài lựa chọn nồng độ axit H2SO4 7% là nồng độ tối ưu

để sử dụng cho thí nghiệm tiếp theo

3.2.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng

Bèo tây được thủy phân trong 120ml axit H2SO4 7% theo các tỷ lệ rắn/ lỏng là 1:120, 1:60, 1:40, 1:30, 1:24, 1:20 ở 1000C trong 50 phút Kết quả được thể hiện trong bảng 10:

Bảng 11 Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến khả năng thủy phân

Tỷ lệ rắn/ lỏng Khối lượng bèo

tây (g) Khối lượng đường

Tỷ lệ thủy phân (g/g)

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Khối lượng bèo tây (g)

0.0 0.5 1.0 1.5

2.0 Khối lượng đường Tỷ lệ thủy phân

Hình 10 Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến khả năng thủy phân

Từ biểu đồ 10, trong khoảng khảo sát khối lượng bèo tây thay đổi 1 – 6(g), lượng đường tạo ra tỉ lệ thuận với khối lượng bèo tây đem thủy phân thì khối lượng đường thu được càng lớn Vì ở 6g lượng đường tạo ra đạt giá trị lớn nhất 3,593 (g) nhưng tỷ lệ thủy phân chỉ đạt 0,599 (g/g) thấp hơn so với tỷ lệ thủy phân ở 3g (0,729 g/g) Vì vây, xét cả yếu tố sử dụng nguyên liệu hiệu quả, đề tài lựa chọn khối lượng bèo tây thủy phân ở 3g (tỷ lệ 1: 30) là tối ưu

để sử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo

Từ 3 thông số đã khảo sát (thời gian thủy phân, nồng độ axit và tỷ lệ rắn/ lỏng), đề tài

đã lựa chọn ra điều kiện tối ưu của quá trình thủy phân bèo tây bằng dung dịch axit H2SO4

loãng là:

Thể tích axit H2SO4 V = 120ml

Khối lượng bèo: 3g

Nồng độ axit H2SO4: 7%

Thời gian thủy phân: 50 phút

Nhiệt độ: 1000C

3.2.4 Thành phần của bã bèo sau quá trình thuỷ phân

Sau khi đã lựa chọn được bộ thông số tối ưu cho quá trình thuỷ phân, ta tiến hành thuỷ phân bèo tây với các thông số tối ưu Quá trình thuỷ phân được tiến hành Sản phẩm dung dịch đường được chuẩn bị cho quá trình lên men, còn bã bèo sẽ được phân tích thành phần các chất rắn còn lại

Bảng 12 Thành phần chất rắn còn lại sau quá trình thuỷ phân

ban đầu (g)

Sau quá trình thuỷ phân (g)

Từ số liệu về thành phần chất rắn còn lại sau quá trình thuỷ phân ở bảng 12, tính được khả năng chuyển hoá hydrocacbon trong quá trình thuỷ phân bằng axit như sau:

Bảng 13 Khả năng chuyển hoá hydratcacbon trong quá trình thuỷ phân

ban đầu (g)

% chuyển hoá hydrocacbon

Kết quả trong bảng 13 cho thấy hemicelluloses là hợp chất có khả năng chuyển hoá hydrocacbon tốt nhất 54,08 % trong quá trình thuỷ phân bằng axit H2SO4, tiếp đến là

cellulose 32,2 %, ligini 9,21% Kết quả này chỉ ra rằng: lignin là hợp chất rất khó chuyển hoá trong quá trình thuỷ phân bằng axit Điều này phù hợp với các nghiên cứu trên thế giới về quá trình thuỷ phân nguy

3.3 Khả năng chuyển hóa sản phẩm thủy phân thành Etanol

3.3.1 Xây dựng đường chuẩn Etanol

Các dung dịch Etanol được pha theo nồng độ định trước và được đo trên máy sắc ký khí GC Từ kết quả đo được, vẽ được đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ Etanol và diện tích peak – xác định đường chuẩn Etanol

y = 3158.6x

R 2 = 0.9976

0

50000

100000

150000

200000

250000

Nồng độ Etanol (mg/l)

Hình 11 Đường chuẩn Etanol

3.3.2 Phân tích nồng độ Etanol trong các mẫu

Sau khi thủy phân bèo tây ở các điều kiện tối ưu, dịch thu được tiến hành lên men nhờ

vi khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109 Cứ sau 24h lấy mẫu 1 lần đem phân tích hàm lượng Etanol trên máy sắc ký khí GC, thu được các sắc ký đồ như sau:

Ngày 3: S = 22795 Ngày 4: S = 15188