Y HỌC THỰC HÀNH 864 - SỐ 3/2013 45 NGHI£N CøU HçN HîP VI SINH VËT KÞ KHÝ THU NHËN Tõ DÞCH RØ §¦êNG SAU L£N MEN CMS Cã KH¶ N¡NG SINH HYDROGEN NguyÔn Ph¸t Léc, NguyÔn D−¬ng T©m Anh Trường
Trang 1Y HỌC THỰC HÀNH (864) - SỐ 3/2013 45
NGHI£N CøU HçN HîP VI SINH VËT KÞ KHÝ THU NHËN Tõ DÞCH RØ §¦êNG SAU L£N MEN (CMS) Cã KH¶ N¡NG SINH HYDROGEN
NguyÔn Ph¸t Léc, NguyÔn D−¬ng T©m Anh
Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên
TÓM TẮT
Dịch rỉ đường sau lên men cô đặc (CMS –
condensed molasses soluble) là sản phẩm phụ của
quá trình lên men tạo axít glutamic Trong CMS có
một hệ vi sinh vật (VSV) đa dạng có khả năng lên
men tối tạo hydrogen như các chủng Clostridium
khác nhau (Clostridium acetobutylicum, C
pasteurianum, C saccharobutylicum, và C
sporosphaeroides) và chủng Acidaminococcus có
khả năng tiêu thụ glutamate trong CMS nâng cao quá
trình tạo hydrogen Dùng các tác nhân nhiệt, axít HCl
và bazơ NaOH tiền xử lý để thu được hỗn hợp VSV
có khả năng sinh hydrogen Kết quả: Trong đó, tác
nhân axít HCl nồng độ 2N xử lý CMS trong 60 phút
đạt kết quả lên men cao: hàm lượng hydrogen là
585,93 ml/l và hiệu suất là 1,53 mol H2/mol glucose,
tăng 2 lần so với mẫu CMS không xử lý Tối ưu hóa
môi trường nuôi cấy hỗn hợp VSV thu được trong
CMS ở các điều kiện tối ưu: giá trị pH 6,5; nhiệt độ
nuôi 37oC; nồng độ đường ban đầu 5g/l với hàm
lượng hydrogen là 476,57 ml/l và hiệu suất sinh
hydrogen cao 1,60 mol/mol glucose
Từ khóa: vi sinh vật kị khí, hydrogen, dịch rỉ
đường sau lên men (CMS)
CAPPABLE OF GENERATING HYDROGEN
SUMMARY
CMS (condensed molasses solubles) is a
byproduct from molasses microbial fermentation
CMS contains many kinds of micro-organisms such
as Clostridium sp (Clostridium acetobutylicum, C
pasteurianum, C saccharobutylicum, and C
sporosphaeroides) and Acidaminococcus sp., that
could give higher hydrogen product from using
glutamate in CMS Pretreatment CMS with
heat-shock, HCl and NaOH to have a mix of hydrogen
producing bacteria Results: In there, CMS
pretreated with 2N HCl in 60 minutes is better with
585.93 ml/l hydrogen content and 1.53 H2/mol
hydrogen yield, increase twofold than
non-preatreated CMS After that, mix of hydrogen
producing bacteria fermentation is conducted in
optimal conditions: 6.5 of initial pH; room temperature
and 5g/l initial glucose concentration for 48h
fermentation The results obtain are 476.57 ml/l of
hydrogen content with hydrogen production efficiency
is 1.60 mol hydrogen/mol glucose
Keywords: anaerobic microorganism; hydrogen;
condensed molasses soluble (CMS)
ĐẶT VẤN ĐỀ
Việt Nam có nguồn chất thải dồi dào và đa dạng, các chất thải có thành phần hữu cơ cao là một lợi thế cho quá trình xử lý chất thải kết hợp sản xuất nhiên liệu sinh học Dung dịch rỉ đường sau lên men (CMS – Condensed Molasses Fermentation Soluble) là một vấn đề khó khăn trong việc xử lý của các nhà máy sản xuất mì chính [1] Tuy nhiên, CMS chứa hàm lượng carbonhydrate và chất dinh dưỡng cao, cùng với lượng vi sinh vật kị khí đa dạng chính là nguồn cung cấp chủng giống và nguyên liệu tiềm năng cho các quá trình sản xuất hydrogen sinh học [1]
Từ những nhận định, đánh giá về tình hình năng lượng trên thế giới, điều kiện về nguyên liệu tại Việt Nam, để tận dụng nguồn CMS hiệu quả cần có một chủng giống tốt Đó là lý do chúng tôi thực hiện đề
tài: “Nghiên cứu hỗn hợp vi sinh vật kị khí thu nhận từ
dịch rỉ đường sau lên men (CMS – condensed molasses soluble) có khả năng sinh hydrogen” với
mục đích:
- Tìm ra điều kiện tiền xử lý CMS cho hỗn hợp vi sinh vật có khả năng lên men tạo hydrogen cao nhất
- Khảo sát điều kiện nhiệt độ, pH, nồng độ glucose để hỗn hợp vi sinh vật thu nhận từ CMS có khả năng sinh hydrogen cao nhất
PHƯƠNG PHÁP
1 Rỉ đường sau lên men (CMS): được thu nhận
từ Công ty cổ phần hữu hạn Vedan Việt Nam, xã Phước Thái, huyện Long Thành, tỉnh Đồng Nai Mẫu CMS có dạng lỏng, màu nâu sậm, mùi đặc trưng Mẫu được giữ trong thùng 5 lít và trữ ở 4oC
2 Nuôi cấy VSV kị khí: Bình nuôi cấy kỵ khí là
bình serum 120 ml được đậy kín bằng nút cao su và đóng nắp nhôm, mỗi bình chứa 40 ml môi trường nuôi cấy kỵ khí [1] Pha lỏng được khử oxy bằng Na2S với chất chỉ thị là resazurin, khi môi trường bị nhiễm O2 dịch môi trường sẽ hóa hồng Pha khí phía trên được sục khí N2 tinh khiết khoảng 5 phút để loại
bỏ O2 Dòng khí N2 đi vào bên trong bình serum bằng một kim tiêm, một kim tiêm khác dùng làm nơi dòng khí N2 đẩy khí O2 ra tạo môi trường kỵ khí Sau
đó môi trường được hấp khử trùng 121oC trong 15 phút Hỗn hợp VSV được cấy vào môi trường bằng kim tiêm, trong điều kiện có dòng khí N2 tinh khiết để đảm bảo môi trường kỵ khí [3]
3 Phương pháp xử lý CMS: Dựa trên các
nghiên cứu về phương pháp tiền xử lý bùn thải kỵ khí, trong nghiên cứu này sử dụng sốc nhiệt, axít và bazơ là ba tác nhân xử lý CMS Mục đích là để loại
bỏ các mầm VSV không mong muốn, chỉ còn lại VK sinh H2 thông qua lượng H2 sinh ra cao nhất [2]
4 Phương pháp phân tích: sắc kí khí (GC); định
lượng đường khử bằng axít dinitrosalicylic (DNS); định lượng protein nội bào của hỗn hợp VSV có trong
Trang 2Y HỌC THỰC HÀNH (864) - SỐ 3/2013 46
CMS bằng phương pháp Bradfort
KẾT QUẢ
1 Tiền xử lý mẫu CMS
Biểu đồ 1: Hàm lượng hydrogen khi xử lý bằng
NaOH 1N ở các thời gian khác nhau
Hàm lượng hydrogen ở mẻ 2 tăng khi thời gian xử
lý kéo dài từ 20 phút đến 60 phút thì bắt đầu giảm
Lượng hydrogen đạt giá trị lớn nhất tại mẫu CMS xử lý
ở 60 phút là 516,88 ml/l Có thể giải thích rằng, kéo dài
thời gian xử lý bằng bazơ làm cho VSV không sinh H2
và cả VSV sinh H2 bị loại bỏ
Biểu đồ 2: Hiệu suất sinh hydrogen khi xử lý
bằng NaOH 1N ở các thời gian khác nhau
Ở cả mẻ 1 và mẻ 2, mẫu CMS xử lý bằng NaOH 1N
trong thời gian 60 phút đạt hiệu suất lên men không
chênh lệch là 1,50 mol H2/mol glucose và 1,53 mol
H2/mol glucose, cao hơn hẳn với mẫu không xử lý
2 Tối ưu hóa môi trường nuôi cấy
Biểu đồ 3 Hàm lượng hydrogen và hàm lượng
protein VSV nuôi cấy ở pH ban đầu khác nhau Như vậy hệ VSV trong dịch rỉ đường sau lên men này phát triển tốt ở pH trung tính Giá trị pH cao (>7,0) hoặc thấp (<5,0) có thể đã ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme hydrogenase cũng như con đường biến dưỡng của VSV, từ đó làm giảm hiệu suất tạo H2 Với nghiên cứu của Lê Thục Hằng [4] khi tối ưu hóa môi trường nuôi cấy hỗn hợp VSV từ bùn thải kỵ khí đã chọn pH 6,5 là giá trị pH nuôi ban đầu đạt hiệu suất 0,68 mol H2/mol glucose sau 36 giờ lên men
Biểu đồ 4: Hàm lượng hydrogen và hàm lượng
protein VSV nuôi cấy ở nồng độ glucose ban đầu khác nhau
KẾT LUẬN
Hỗn hợp VSV từ dịch rỉ đường sau lên men (CMS) có khả năng tạo hydrogen đã được thu nhận thành công
Hiệu suất sinh
Điều kiện lên men tối ưu đối với hỗn hợp VSV
trong CMS: giá trị pH 6,5; nhiệt độ nuôi 37oC; nồng
độ đường ban đầu 5g/l với hàm lượng hydrogen là
476,57 ml/l và hiệu suất sinh hydrogen cao 1,60
mol/mol glucose
KIẾN NGHỊ
Phân lập để tìm ra chủng VSV có khả năng
sinh H2 với hiệu suất cao có trong CMS
Cần tận dụng hiệu quả thêm những nguồn thải
thực phẩm khác mà ở đây là dịch rỉ đường sau lên
men (CMS), tìm kiếm thêm những nguồn VSV thu nhận từ chất thải công nghiệp thực phẩm bên cạnh những nguồn giống VSV đã được nghiên cứu trước
đó như bùn thải sinh hoạt, phân động vật
Nghiên cứu khả năng lên men trên các nguồn
cơ chất khác như sucrose, xylose, anicotate…
Ứng dụng nghiên cứu lên men ở các hệ thống lên men liên tục, bioreactor
Trang 3Y HỌC THỰC HÀNH (864) - SỐ 3/2013 47
THAM KHẢO
1 Chyi-How Lay, Jou-Hsien Wu, Chin-Lang Hsiao,
Jui-Jen Chang, Chin-Chao Chen, Chiu-Yue Lin (2010),
Biohydrogen production from soluble condensed
molasses fermentation using anaerobic fermentation,
Department of Environmental Engineering and Science,
Feng Chia University, Taiwan
fermentation hydrogen production: various approaches”
Appl Microbiol Biotechnol, 65: 520-529
3 Nguyen TAD, Dark Fermentative Biohydrogen
Production Using Hyperthermophilic Eubacterium Thermotoga nepolitana, Sukyungkwan University, Korea
4 Lê Thục Hằng (2011), Khảo sát khả năng lên
men tạo hydrogen của hỗn hợp vi sinh vật thu nhận từ bùn thải kị khí, Luận văn Thạc sĩ Sinh học, Trường Đại
học Khoa Học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố
Hồ Chí Minh, Tp Hồ Chí Minh