Luận văn tuyển chọn và nghiên cứu Đặc Điểm sinh học của một số chủng vi sinh vật lên men dịch thủy phân từ sinh khối thực vật

phẩm mang giá trí kinh tế cao, có thể ứng dụng cho nhiều ngành công nghiệp như: hoá chất, nhiên liệu, thúc ăn gia súc và đính dưỡng cho con người Trong số những nguồn nguyễn liệu sinh họ

Trang 1

TRAN THI HOA

TUYEN CHON VA NGHIEN CUU DAC DIEM

SINH HỌC CỦA MOT SO CHUNG VI SINH

VAT LEN MEN DICH THUY PHAN TU SINH

KHOI THUC VAT

LUAN VAN THAC SI KHOA HOC

Hà Nội — Năm 2010

Trang 2

MỞ ĐẦU

Hiện nay vẫn để nhiên liệu sinh học trở thành mồi quan târn hàng, đần của các

quốc gia Một trong số các nguồn nhiên liệu sinh học đuợc để cập đến có tính ung,

dụng cao là ethanol Ethanol lả nguồn nhiên liệu sinh học (còn gọi 1a bio-ethanol)

được sử dụng thay thẻ một phần nhiên liệu truyền thống Ethanol nhiên liệu là côn tuyệt đối (hay còn gợi là côn khan, có đỏ cổn 99,7 — 100 %)

Nhiên liệu hóa thạch là nguồn năng lượng chính cho nên kính tế thể giái, tuy

nhiên [heo thời gian nguẫn nhiên liệu này sớm muận sẽ cạn kiệt Ngoài ra việc sử dụng nhiên liệu hỏa thạch đã thải vàn không khi môi lượng rất lớn khi nhả kinh (chú yêu là CO-), việc nảy lảm nhiệt độ không khí trải đất tăng lên, mực nước biển dâng cao Nếu không tích cực hành động có thể dẫn tỏi thiên tai, lũ lụt, an han Chink vi

những điểu đỏ mà nhiều quốc gia, nhiều tập đoàn năng lượng trên thế giới đã có chiến lược kết hợp sử dụng tiết kiệm hiệu quả đầu mỏ, đồng thời đầu tư cho nghiên cứu sử dụng các dạng nhiên liệu sạch thay thẻ một phần xăng dần, trong đó có nhiên

liệu sinh học

Ở nước ta oồn được sản xuất chủ yêu từ nguễn nguyên liệu tỉnh bột và rÍ

đường Sản lượng cổn hiện nay còn thấp và gặp nhiều khó khăn vẻ nguồn nguyên liệu Trên thế giới, việc nghiên cửu sử dụng ethanol để pha với xăng, đấu đã được

tiến hành trong nhiều năm qua Ethanol nhiên liệu được đặc biệt chú ý ở các nước có

nên nông nghiệp phát triển và là mực tiêu hướng đến của đa số quốc gia cỏ nhu cảu

tiêu thụ năng lượng lớn (World ethanol production, 2008-2012)

Theo (Prasad et al., 2006) cdc loại vat liệu thô chứa đường hoặc vật liện có

thể chuyển hoá thành đường đều được sử dụng làm cơ chất lên men sinh ethanol Vật liệu thô bao gam: Nguyên liêu chứa tỉnh bột, nguyên liêu chứa cellulose, phế thải

nông nghiệp và nguyên liệu chứa đường

Sinh khi thực vật là nguễn năng lượng to lớn đối với toàn bộ sự sống trên

hành tỉnh của chúng ta Phân lớn sinh khối Thực vật thải ra từ hoại động nông - lâm nghiện, công nghiệp gỗ, chế biển bội giấy đều bị xem như là “chất thái” và gây ra 6

nhiễm môi truởng, Tuy nhiên, nguồn vật liệu nảy có thể chuyển hoá thành các sản

Trang 3

phẩm mang giá trí kinh tế cao, có thể ứng dụng cho nhiều ngành công nghiệp như:

hoá chất, nhiên liệu, thúc ăn gia súc và đính dưỡng cho con người

Trong số những nguồn nguyễn liệu sinh học cỏ thé sie dung cho sản xuất ethanol thi ngudn sinh khối thực vật giản lignoccllulosc còn ít được khai thác, Để có

thể sản xuất ethanol thì sinh khỏi thực vật cản được hủy phân thành đường don va sau đó hỗn hợp đường hexose (chủ yếu lả glucose) và pentose (chủ yêu là xylose) sẽ

được lên men thành ethanol Việc sử dụng nguồn sinh khối thực vật như: bã mia,

ram ra, phế thải cổng nghiệp (mùn cưa, mật rỉ) cho sản xuất ethanol không ảnh

hưởng tới an ninh lương thực

Sản phẩm thu được của quả trinh thuỷ phân sinh khối thực vật là hỗn hợp cáo

loại đường khác nhau (chủ yếu lả glneose và xylose trong đó xylose chiém 20 — 30%

lượng đường tạo ra) đùng làm nguyên liệu lên men ethanol Bản thân việc lên men

đường xylose cing gap nhiều khó khăn bởi có rất íL các chín vỉ sinh vật có khả

năng thực hiện công đoạn này một cảch hiệu quá (Võ Hồng Nhân và công sự 1993)

Nhìn chimg cthandl có thể được lạo ra từ sự lên mon các loại đường bởi các vỉ

sinh vat: Vỉ khuẩn và nằm men (Hahn- Hagordal B ct aÍ., 2006) Vì vậy việc tìm các

chủng vi sinh vật cỏ khả năng lên men etianol từ 2 nguồn đường glucose, xyloss là

có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiến

'Với mục đích hưởng tới sản xuất cổn nhiên liệu từ sinh khối thực vật chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “7wyễn chạn và nghiên cứu đặc điễm sink hoc cũa một số chững vì sinh: vật lên men dịch thủy phân từ sinh khái Hưực vật" Với

các nội dung chính nỉ san:

>_ Tuyển chọn các chủng có khả năng lần men đường pentoza (xyloza)

>_ Nghiên cửu các đặc điểm sinh học của chủng vi khuân tuyển chọn

> Phân loại định tên chúng ví khuẩn tuyển chọn dựa trên đặc điểm sinh lý, sinh

hỏa và trình tự gen 168 TARN

> Dah gid kha ning lên men cthanol các nguồn đường

>> Nghiên cửu động học quá trình lên men của chủng vi khuẩn

Trang 4

> Nghiên cứu ảnh hướng của các nguằn đỉnh đưỡng và điều kiên nuôi cấy lên

sinh trướng và khả năng lên men sinh ethanol của chủng vi khuẩn

* Đảnh giá bước đâu khả năng lên men địch thuỷ phân tử sinh khối thực vật

(dịch thuỷ phân từ gỗ) của chủng tuyên chọn

Đề tải duge thục hiện tại Phòng Công nghệ vật liệu sinh học, Viện Công,

nghệ sinh học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam, với sự hỗ trợ kinh phi tử

đề tài: “Nghiên cửu áp dung công nghệ hiện đại dé sén xuất cfuianol nhiên Hệm

tir gd phd liệu nguyên liệu giấy”

Trang 5

(Neureiter M et al, 2002), (Sun Y Cheng J., 2003), (V6 Ilễng Nhân và cộng sư,

1993)

1.2.2 Thủy phân bằng enzim

Cellulase 1a những euzyine thủy phân cellulose, các enzyme này được lạo ra ở

rất nhiều sinh vật khác nhau như vi khuẩn, xạ khuẩn, nằm mốc, thực vật, côn trùng

Celinlase cỏ thể tổn tại đưới đạng enzyme đơn hay phúc hệ enzyme còn được gọi là

celluloseme Dựa vào cơ chế xúc lác, cellulase được chia làm 3 laại chỉnh: l} endoglucanase hay 1,4-B-D-Glucan-4-Glucanohydrolase, 2) exoglucanase va 3) B-

Glucosidase Trong, sản xuất ethanol từ biomass, khã năng ứng dụng enzyme cụ thể nhất là thay thể công đoạn thủy phan dùng axit bằng thủy phân ding enzyme Với

vide phan chia rõ rằng giai đoạn thủy phân và lên men hiện nay thường được gọi tắt

Ja SHF (Separate Hydrolysis and Fermentation)

Một trong những cải biến quan trọng trong img dung enzyme 1a cong nghé két

hợp cả hai quá trình đường hóa và lên men trong cùng một công đoạn, hay còn gọi tắt là SSF (Simultancous Saccharification and Fermentation) Trong quy trinh S8F, cnzyme ccllulasc và vỉ sinh vật lên men cỗn được sử dụng đồng thời Lượng đường

tạo ra bởi cnzyme tức thời được chuyển hỏa thành cthanol So với SHF, 8F có thể Jam tăng hiệu suất chuyển hóa cellnlose thành ethanol lên 40% Một trong những

khó khăn là sự khác nhan trong nhiệt độ tdi uu che hoat ddug cia enzyme cellulase (45 - 55°C) và nhiệt độ thích hợp cho vi sinh vật lên ren ethanel (28 - 35°C), Ngoai

ra, một số thanh phân của dịch thủy phân cũng như ethanel tạo ra cũng có tác động ite ché 18n enzyme cellulase (Farrell AE et al., 2006), (Ghosh P Ghose TK., 2003),

Glones AM et al., 1994), (Lee J., 1997), (Rausch KD Belyea RL., 2006), (Lin Y

Tanaka $., 2006) (Jones AM et al 1994), (Võ Hồng Nhân vả công sự., 1993)

1.2.3 Dịch thuy phân tr sinh khối there vit

Nguyên liệu chứa oellulose hay còn gọi là biomass bao gễm: các loại

phẩm cây Irằng như gỗ, phế phụ phẩm nông nghiệp, sản phẩm phụ của công nghiệp giấy Sân xuất cthanol từ phổ phụ phẩm nẻng nghiệp bao gồm các giai đoạn chỉnh

như: xử lý và thủy phân nguyên liệu thành đường đơn, lên men nhờ vi sinh vật, lọc

Trang 6

Tăng 1.1 Năng suất cổn từ các nguyén ligu (Linoj Kumar N.V et al., 2006)

1.2 Các qui trình thuỷ phân sinh khối thực vật

1.2.1 Thủy phân bằng axit

1.3.1.1 Tiền xử Íý nguyên liệu bằng axit đặc

Công nghệ nảy dựa trên việc sử dựng axit đặc để phá hủy cầu trúc tính thể của cellulose sau đó thủy phân bằng axit loãng Các khâu tách axit khỏi đường, thu hồi

và cô đặc axit là những công đoạn mẫu chết của quy trình Trong công nghệ này, axit

đặc sẽ phá húy các liên kết hydro giữa các mạch eellnlose sẽ hình thanh trạng thai đạng gelalin với axil trở nên rất mẫn câm với phản ứng lự thủy phân San khi pha luãng với nước và dưới tác đông của nhiệt cellulosc sẽ nhanh chóng bị thủy phân thanh glucose

Năm 1937 người Đức đã xây dựng và đưa vào hoạt động một số nhà máy sản

xuất cần theo công nghệ thủy phần bằng axit đặc sử dụng axit clahydric Vao nam

1948 người Nhật đã phát trên công nghệ sử cưng axrt sulftric đặc và sản xuất ở quy

mô thương mại Họ đã đưa vào một công nghệ lọc màng mới khi đó cho phép phân tách axit khối dưng địch đường với khả năng thu hổi 80% lượng axit sử đụng Công

nghệ thủy nhân bằng axil dic được tiếp lực phát triển dưới sự lài trợ của Bộ Nông

nghiệp Hoa Kỳ trong những năm của thập niên 1940 và 1980

Trong quy trinh xử lý nguyễn liện này sinh khối thực vật có hàm ẩm 10% được xử lý bằng axit sulfuric néng 49 70 - 77% Luong axit sử dụng sơ với sinh khối

Trang 7

chú yếu tù mía đường Treng khi đó ở Pháp lại chủ yếu sử dụng nguyên liệu củ cải

ethanol Mac đủ đã có nhiêu cỗ gắng việc sản xuất ethanol từ nguồn tải nguyên tái

sinh này trên quy mô công nghiệp còn gặp nhiều khó khăn

Sinh khỗi thực vật giản lignaeellulosc là nguyên liệu phức tạp hơn nhiều sa với tỉnh bột Thành phân chủ chốt của chủng bao pêm ccllulosc, hemicellulose va

Hgnin gắn kết chặt chẽ với nhau bởi những liên kết hydro vả liên kết đồng hóa trị Để

có thể sản xuất ethanol, các polysaccarit nảy cản được thủy phân thành đường đơn và sau đó hỗn hợp đường hexose (chi yéu la glucose) va pentose (cht yéu 14 xylose) sé

được lên men thành athanol Việc thủy phân lignocellulose theo son đường hóa học

va enzyme dén không đơn giản Ngoài ra, trong quá bình thủy phân sử đụng axit

(một công đoạn không thế thiêu trong các công nghệ hiện có) còn phân hủy một

lượng đáng kể các đường tạo thánh những chất độc hại như furfuran (tới 60% tùy theo chế độ thủy phân) đổi với vì sinh vat trong công đoạn lên men tiếp theo Bản thân việc lên men đường xylose (chiêm 20 - 30% lượng đường tạo ra) thành cthaneL cũng gặp nhiêu khỏ khăn bởi có rất ít các chẳng vì sinh vặt có khả năng thục hiện công đoạn này mệt cách hiệu quả

8o sảnh khả năng sản xuất cồn từ các nguồn nghưyên liệu khác nhau (bang 1.1) cho thấy, sinh khối thực vật cho sản lượng ethanol trong đối cao chỉ xếp sau ngô, gạo, đại mạch và lủa mì Dây là điểu thực sự đáng mừng, nhằm giải quyết một

lượng lớn phể thải từ các hoạt đồng nông, lâm nghiệp nhằm bảo vệ môi trrờng Theo

(Ttohlamamn, 2006) Sinh khổi thực vật có thể sản xuất trên 442 tý lit ethanol mỗi

năm

Trang 8

dich 1én men va tién hanh edt cén (Gomez LD et al., 2008), (Moon LIC et al., 2009)

Trang đó, công đoạn chủ chối và quyết định hiện quả sản xuấi cồn nhiên liện từ biomass 1a thủy phân nguyên liệu thành đường Hiện nay có nhiều hưởng tiếp cận văn để nảy lả thủy phân nguyên liệu thông qua tiên xử lý axit và kiếm, nỗ hơi phá vỡ

cấu trúc, xử lý bằng nước nóng, sử đụng, các hỏa chất như CO; và chuyển hóa sinh

học nhờ các enzyme thiy phân (Sanchez QJ Cardona CA, 2008) Phương pháp sử

dụng axit và kiểm loãng kết họp quá trình gia nhiệt được nghiên cứu và ứng dụng

rộng rãi nhất Axit có vai trò loại bỏ các hemicellulose và tạo ra sản phẩm như

xylose, arabinose, glucose, furfural va m61 phan lignin hòa tan (T.avarack TiPel al., 2002) Mội số nxi duoc stk dung nhe axit hydroclaric, axil peractic, nitric, phosphoric (Balat M., 2008), (Sassner P ct al., 2008), (Wei biocthanol production),

va phé bién nhat 1a axit sulfuric (Lloyd TA Wyman CE., 2005) (Sassner P et al.,2008), (Wei., bicethanol production) Vai trò cửa kiểm là loại bỏ lignin khỏi cấu

trúc lignocelhlose tạo điểu kiện thuận lợi cho enzyme cellulase tương tác với

cellulose (Pandey A et al.2000) Neoai ra, tiên xử lý bã mía đưới tác động của kiểm

sẽ phá vỡ câu trúc thành tế bào thông qua các hoạt động như: hỏa tan hemicellulose

Hgnin và silie; thủy phân troni và ester acetic; làm trương nở eellulose và cuối củng 1à dẫn đến phá vỡ cầu Irúc tinh thé ceftulose

1.2.4 Thanh phdn dich thuj phan

Sản phẩm thu được của quá trinh thuỷ phân sinh khắt thực vật là hỗn hợp các

loại đường khác nhau (chú yêu lả glucose và xylose trong đỏ xylose chiêm 20 ~ 30%

lượng đường lạo ra) dùng lâm nguyên liệu lên rnen ethanol

Trong quá trình liên xử lý, bên cạnh các sản phẩm chỉnh, mội số sản phẩm phụ cũng được hình thành như: aliphatic acids (acotie, formic and levulinic acid), cae đông phâu của fưan, các hợp chất của axit phenolic, furfural, Day 14 nhiing sin

phẩm phụ ảnh hưởng đến hoạt động sinh trưởng và trao đổi chất của tế bảo nắm mem, lảm giảm đáng kẻ hiệu suất và thậm chỉ có thể gây ức chế hoản toàn quá trình lên men, làm giảm đáng kể hiệu suất và thậm chí eó thể gây ức chế hoản toàn quá trình lên men Theo một số nghiên cứu, các chất này gia tầng khi quá trinh tiên xử lý

Trang 9

Trang 10

lá L25:1 và nhiệt độ được giữ ở mức đưới 50°C San đỏ nước được bổ sung để pha

loãng axiL tới nồng độ 209% - 30% và gìa nhiệt tới 100% và giữ trong Ih đề quá trình

thủy phân có thể diễn ra Dịch đạng gel được lấy ra khởi hể phản ứng và lọc ép để

lay dich duong va axit Phan chất rấn còn lại sẽ được tái thủy phân lần 2 Dịch đường

và axit sẽ được phân tách sử dụng cột sắc kỷ Công đoạn lên men tiếp theo có thể chuyển hóa được đường thành ethanol với hiện suất 85% với xylose và 92% với glueose Arisenol tuyên bổ rằng có thể thu hồi được 97% axit trong quy trình sản xuất

của mình (Võ 1lễng Nhân vả công sự., 1993}

1.2.12 Tiền xử Í† nguyên liệu bằng axit loãng

Quá trnh thủy phân được thực hiện thông qua 2 giai đoạn Giai đoạn đầu được thục hiện ở chế độ tương đôi ôn hỏa cho việc thủy phân hemicellulose trong

khi đó giai đoạn sau sẽ được thích ứng để thủy phân dang polysacarit bén ving hon nhiên đó lá cellulose Dịch thủy phân từ mối quá trinh được thu hỗi, trưng hỏa và lần

men tạo ethanol Công nghệ sản xuất ethanol dita trên công nghệ thủy phân dùng axit

loãng được người Đức phát triển từ truớc Đại chiến thể giới Lần thứ I Công nghệ

này đã được thương mại hóa ở Mỹ thàng qua một quy trình cải biển vải một bước thủy phân Hiện suất của công nghệ nảy chỉ đạt 125 tít cồntẫn nguyên liện, tuy nhiên với thời gian thủy phân ngẫn hơn rất nhiễn Tắt cả các nhà máy sản xuất cổn từ gỗ kế

trên đã đóng cửa sau Dại chiến I do khả năng cạnh tranh thắp và nhu cầu không cỏn

Năm 1932, người Dức phát triển công nghệ thủy phân theo nguyên lý “dòng chảy”

sử dụng axit sulfrie loãng Trong công nghệ này axit loãng được bơm qua lớp

nguyên liệu va được gọi là công nghệ Scholler Mặc dù hiệu suất thu hồi đường gluteose cao (khoảng 70%) phương pháp vẫn có nhược điểm 14 néng đô đường trong

địch thủy phân thấp

Trong giai đoạn thủy phân nguyên liệu được xử lý bằng dung địch zdL sulfuric 0,7% 6 nhiệt độ 190°C với thời gian lưu là 3 phút Công đoạn tiếp theo được thực hiện ở 215°C với nằng độ axit lá 0,4% và thời gian lưu 3 phút Dịch thủy phản

th mỗi quả trình được thu hồi, trung hòa và lên men tao ethanol Cellulose va lignin

còn lại ở dạng rắn được sử dụng lảm nhiên Hệu cho hoặc sản xuất hơi và điện

Trang 11

Trang 12

Trang 13

1993)

Trang 14

1993)

Trang 15

1993)

Trang 16

Trang 17

Trang 18

năm

Trang 19

Trang 20

CHƯƠNG 1 TONG QUAN TAL LIEU

1.1 Sinh khối thực vật

Sinh khối thực vật hay còn gọi là biomass bao gồm: các loạt sản nhâm cay trỏng như gỗ, phế phụ phẩm nông nghiệp, sản phẩm phụ của công nghiệp giấy Các nguyên liện này chửa thành phân chủ yếu 1a cellulose, hemicelluloses va lignin

Quả trình sản xuất etlhanol có thể thực hiện trên nhiều loại co chất khác nhau,

có thể phân loại các nguyên liệu lên rnen thánh 3 dạng chỉnh: nguyên liệu chứa tinh

bột, nguyễn liện chửa đường và sinh khối thực vật Về mặt bản chất các loạt nguyên liệu này đến chúa hydratcacbon, cơ chất chủ yếu cho lên men ethanol (Prasad et aL„

2006), (Cardona và Sanchez, 2007)

~ Nguyên liệu chúa tình bột

Nguyên liệu chứa linh bội bao gồm: các loại ngũ cốc như ngô, gạo, đại mạch, khoai tây, khoai lang, sắn Những nguyên liên này đã được ứng dụng rộng rai trong

lên men cồn công nghiệp Một sẻ nước điển hình như Mỹ sản xuất cổn chủ yêu từ ngõ, Thái Lan sản xuất từ sẵn và ở nước ta nân rượu có truyền chủ yếu từ nguyên liệu sắn, sạo, ngỏ Ngày nay, việc sử đụng nguyên liệu chứa tĩnh bột gặp phải nhiều trở ngại, do đây là nguồn lương thực chủ yếu phục vụ đời sống con người Vì

iy,

việc mở rộng sản xuất côn nhiên liện sẽ có tác động tiên cực đến an ninh hương thực

trên toán thể giới

- Nguyên liệu chúa đường

Nguyên liệu chứa đường bao gồm: mia đường, củ cải đường và rỉ mài Rỉ mật

là một phụ phẩm của ngành sân xuất đường, Khoảng 75% tổng rï mật của thế giới

được sản xuất tử mía (Saceharum offiearumm) và đa phần còn lại có từ cũ cải đường

(Beta vulgaris) Mia duge trong ở các nước nhiệt đới (Châu A vả Nam Mỹ), còn củ cải đưởng có nguồn gốc ở các vùng ôn đới (Chân Âu và Bắc Mỹ) Thành phan chính

của rỉ mật là đường sucrose và lượng nhỏ đường ølueose, fruetose Nói chung, sản

họng rỉ mật bằng khoảng 1⁄3 sản lượng đường sản xuất Cú khoáng 100 tân cây mía

đem ép thì có 3 - 4 tấn rỉ mật được sân xuất Irazil, Cu ba, Ân Độ sản xuất ethanol

Trang 21

năm

Trang 22

1993)

Trang 23

Trang 24

Trang 25

Trang 26

năm

Trang 27

Trang 28

Trang 29

Trang 30

năm

Trang 31

năm

Trang 32

Trang 33

1993)

Trang 34

Trang 35

năm

Trang 36

Trang 37

Tiêu đề	Tuyển Chọn Và Nghiên Cứu Đặc Điểm Sinh Học Của Một Số Chủng Vi Sinh Vật Lên Men Dịch Thủy Phân Từ Sinh Khối Thực Vật
Tác giả	Tran Thi Hoa
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Công Nghệ Thực Phẩm
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2010
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	500,1 KB