ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC THIẾT KẾ THIẾT BỊ LÊN MEN ETHANOL TỪ RƠM RẠ

LỜI CẢM TẠLời đầu tiên, chúng em xin gửi lời tri ân chân thành sâu sắc nhất đến PGS.TsTRƯƠNG VĨNH đã tạo điều kiện cho chúng em được học môn Đồ Án Công nghệ Hóahọc – có thể nói đây là mô

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

THIẾT KẾ THIẾT BỊ LÊN MEN ETHANOL TỪ RƠM RẠ

Sinh viên thực hiện:Nguyễn Mai ngọc Tuyền

Nguyễn Lê Khánh Linh Ngành: Công nghệ kĩ thuật hoá học

Niên khóa: 2012 - 2016

Tháng 9/2015

THIẾT KẾ THIẾT BỊ LÊN MEN ETHANOL TỪ RƠM RẠ

Tác giảNGUYỄN MAI NGỌC TUYỀNNGUYỄN LÊ KHÁNH LINH

Giáo viên hướng dẫnTh.S NGUYỄN BẢO VIỆT

Đồ Án học kì 2 năm học: 2014 – 2015Ngành: Công nghệ kĩ thuật hóa học

Tháng 9/2015

LỜI CẢM TẠLời đầu tiên, chúng em xin gửi lời tri ân chân thành sâu sắc nhất đến PGS.TsTRƯƠNG VĨNH đã tạo điều kiện cho chúng em được học môn Đồ Án Công nghệ Hóahọc – có thể nói đây là môn học giúp chúng em khái quá, củng cố, tổng hợp , áp dụngcác kĩ năng tính toán và thiết kế thông qua các kiến thức trong 3 năm học tập tại BM.Công Nghệ Hóa Học.

Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô của bộ môn Công nghệ hóahọc, và đặc biệt là Th.S Nguyễn Bảo Việt, người Thầy đã trực tiếp theo sát và hướngdẫn chúng em làm Đồ Án một cách chi tiết và rõ ràng sao cho chúng em dễ hiểu và dễnắm nhất

Trong quá trình thực hiện Đồ Án, cũng như là trong quá trình làm bài báo cáo,khó tránh khỏi sai sót, rất mong các Thầy, Cô bỏ qua Đồng thời, do hạn chế về mặtthời gian, kiến thức nên chúng em còn rất nhiều điều cần được các Thầy, Cô hướngdẫn thêm để chúng em có thể hoàn thiện mình hơn trong suốt quá trình học tập cũngnhư làm việc sau này!

Trân trọng !

DANH SÁCH CÁC BẢNG

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Theo các nhà nghiên cứu thuộc Đại học California, với trữ lượng dầu mỏ toàn cầu1,332 tỷ thùng ( ước tính năm 2008), mức tiêu thụ 85,22 triệu thùng/ngày hiện naytăng 1,3% mỗi năm, dầu mỏ sẽ cạn kiệt vào năm 2041 hoặc chậm nhất vào năm 2054.Trong khi đó, theo tính toán của các nhà nghiên cứu, các nguồn năng lượng mới chỉ cóthể thế chỗ của dầu mỏ sớm nhất là vào năm 2140

Trong các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang được sử dụng hiện nay ( nănglượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân, ) năng lượng sinh học đang là

xu thế phát triển tất yếu, nhất là các nước nông nghiệp và nhập khẩu nguyên liệu, docác lợi ích của nó như: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, tận dụng nguồnnguyên liệu tại chổ,tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, không cần thay đổi cấu trúcđộng cơ cũng như cơ sở hạ tầng hiện có và giá thành cạnh tranh so với xăng dầu.Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, năng lượng sinh học(NLSH) có khả năng là nguồn thay thế

Hiện nay nguồn nhiên liệu sinh học đang được nghiên cứu và sử dụng khá rộng rãinhư bioethanol Có nhiều nguyên nguyên liệu để sản xuất ethanol như ngô, mía, khoai

mì, gạo… tuy nhiên việc sử dụng các nguồn nguyên liệu trên gây ra không ít tranh cãixoay quanh vấn đề an ninh lương thực thế giới Vì vậy, người ta quay sang hướngnghiên cứu bắt đầu chuyển sang rơm rạ như một nguồn nguyên liệu tiềm năng cho nhucầu năng lượng trong tương lai của chúng ta Rơm rạ là một trong những nguyên liệudồi dào lignocellulose nhất trên thế giới Về tổng sản lượng, lúa là cây trồng quantrọng thứ ba sau lúa mì và ngô Theo thống kê của FAO, sản xuất lúa gạo trung bìnhthế giới năm 2007 khoảng 650 triệu tấn

Vừa tận dụng được phế phẩm trong nông nghiệp, làm giảm ô nhiễm môi trường doviệc đốt rơm rạ hàng năm trên thế giới, không ảnh hưởng đến lương thực thế giới.Rơm rạ là nguồn nguyên liệu phổ biến trên khắp thế giới

1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol sinh học trên thế giới

Theo báo cáo F.O.Licht thì Bioethanol được sử dụng làm nhiên liệu đốt trong từnăm 1860 do nha 2khoa học Nicolas Otto ( Đức) khám phá.

Đến năm 1930 thì Mỹ, Braxin, Anh, Pháp, Đức, Ý… Đã bắt đầu sử dụngBioethanol thay thế xăng Nhưng trào lưu này thực sự bùng nổ vào những năm 1970khi nguồn nhiên liệu chính là dầu mỏ bị khủng hoảng nguồn cung ứng

Các nước sản xuất Bioethanol lớn như Braxin, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, và Phápchiếm 84% sản lượng Bioethanol nhiên liệu toàn cầu trong năm 2005

Năm 2006, sản lượng Bioethanol được sử dụng trên thế giới là 50 tỷ lít, trong đó Bioethanol nhiên liệu là 38,5 tỷ lít ( chiếm 77%), Bioethanol công nghiệp là 4 tỷ lít ( chiếm 8%), Bioethanol cho đồ uống là 7,5 tỷ lít (chiếm 15%)

Bảng 1.1: Tình hình sản xuất Bioethanol của các quốc gia qua các năm

http://www.asiacreative.vn/tinh-hinh-san-xuat-va-tieu-thu-ethanol-tren-the-Hiện tại ở Việt Nam đã có những nghiên cứu bước đầu về Ethanol sinh học và từphụ phẩm nông nghiệp và đã có những kết quả khả quan như: “ Nghiên cứu sản xuấtethanol từ nhiên liệu rơm rạ” ( Trần Diệu Lý – 2008), “ Nghiên cứu sản xuất ethanol từphụ phẩm nông nghiệp” (Nguyễn Thị Hằng Nga – 2009), “Ngiên cứu quá trình sảnxuất ethanol từ rơm rạ với sự bổ sung hệ thống enzyme thủy phân và điều kiện tối ưucho quá trình lên men cồn của nấm men Picha Stipis” ( Nguyễn Thị Ngọc Liễu –2010)

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU2.1 Tổng quan về rơm rạ

Nguồn rơm rạ và tình hình sử dụng rơm rạ ở Việt Nam

Sản lượng lương thực cao đồng nghĩa với việc nước ta có một nguồn phế phẩm dồidào Trung bình để tạo ra 1 tấn gạo đã thải ra 1,2 tấn rơm rạ Sản lượng rơm rạ hàngnăm thải ra khoảng 48 triệu tấn Số liệu thống kê hàng năm được trình bày theo bảngbên dưới

Bảng 2.1: Thống kê sản lượng lúa cả nước từ năm 2000 – 2010

2.2 Cấu trúc của rơm rạ

Về thành phần hóa học, rơm rạ chủ yếu chứa cellulose 32 – 47 %, hemicellulose

19 – 27 % và lignin 5 – 24 %, (Garrote et al, 2002; Maiorella, 1983; Saha, 2003;Zamora và Crispin, năm 1995)

Trong hemicellulose các pentoses chiếm ưu thế, trong đó xylose và đường quan trọng nhất chiếm 14,8 - 20,2 % (Maiorella, 1983; Roberto và cộng sự, 2003)

Bảng 2.2: Thành phần cơ bản và các nguyên tố chính của tro trong rơm rạ, trấu gạo và

rơm lúa mì

Rơm rạ Trấu gạo Rơm lúa

mìPhân tích gần đúng (% chất hô) Carbon cố

Ngoài ra trong rơm rạ có nhiều đường pentose, thành phần chủ yếu của cácpentose là xylose tiếp theo là arabinose và hexose

Bảng 2.3: Thành phần hóa học của rơm rạ

Lignocellulo

sic

Hydrate cacbon (%) hydrate cacbonKhông phải

(%)Glucose Mannose Xylose Arabinose Galactose Lignin Tro

(Nguồn: Maiorella, 1985; Roberto et al, 2003)

Về cơ bản trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và được bao bọcbởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicellulose và kết dính như lignin.Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau và liên kết cộng hóa trị với nhau

Các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid methylglucuronic và các nhom thường liên kết với lignin

4-O-Hình 2.1: Cấu trúc của lignocellulose

(Nguồn: www.intechopen.com)Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản Các sợi này được gắn lại với nhaunhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi với chiều rộng khoảng 25 nm Các vi sợinày được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn côngcủa enzyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân

2.2.1 Cellulose

Cellulose là hợp chất hữu cơ có công thức phân tử (C6H10O5)n và là thành phần chủyếu của thành tế bào thực vật, gồm nhiều cellobiose liên kết với nhau, 4-O- (β-D-Glucopyranosyl)-D-glucopyranose Cellulose cũng là hợp chất hữu cơ nhiều nhấttrong sinh quyển, hàng năm thực vật tổng hợp được khoảng 1011 tấn cellulose (trong

gỗ, cellulose chiếm khoảng 50% và trong bông chiếm khoảng 90%)

Hình 2.2: Công thức hóa học của cellulose(Nguồn: www.sci.waikato.ac.nz)Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết VanDer Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là tinh thể và vô định hình Trong vùng

tinh thể, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn công bởienzyme cũng như hóa chất Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose liên kếtkhông chặt với nhau nên dễ bị tấn công Có hai mô hình cấu trúc của cellulose đã đượcđưa ra nhằm mô tả vùng tinh thể và vô định hình như hình bên dưới:

Hình 2.3: Mô hình Fringed Fibrillar và mô hình chuỗi gập

(Nguồn: www.chemed.chem.wisc.edu)Trong mô hình Fringed Fibrillar: phân tử cellulose được kéo thẳng và định hướngtheo chiều sợi Vùng tinh thể có chiều dài 500 Å và xếp xen kẽ với vùng vô định hình Trong mô hình chuỗi gập: phân tử cellulose gấp khúc theo chiều sợi Mỗi đơn vịlặp lại có độ trùng hợp khoảng 1000, giới hạn bởi hai điểm a và b như trên hình vẽ.Các đơn vị đó được sắp xếp thành chuỗi nhờ vào các mạch glucose nhỏ, các vị trí nàyrất dễ bị thủy phân Đối với các đơn vị lặp lại, hai đầu và vùng vô định hình, càng vàogiữa, tính chất kết tinh càng cao Trong vùng vô định hình, các liên kết β - glycosidegiữa các monomer bị thay đổi góc liên kết, ngay tại cuối các đoạn gấp, 3 phân tửmonomer sắp xếp tạo sự thay đổi 180o cho toàn mạch Vùng vô định hình dễ bị tấncông bởi các tác nhân thủy phân hơn vùng tinh thể vì sự thay đổi góc liên kết của cácliên kết cộng hóa trị (β - glycoside) sẽ làm giảm độ bền của liên kết, đồng thời vị trínày không tạo được liên kết hydro

Cellulose có cấu tạo tương tự carbohydrate phức tạp như tinh bột và glycogen Cácpolysaccharide này đều được cấu tạo từ các đơn phân là glucose Cellulose là glucankhông phân nhánh, trong đó các gốc glucose kết hợp với nhau qua liên kết β1,4-glycoside, đây chính là sự khác biệt giữa cellulose và các phân tử carbohydrate phứctạp khác Giống như tinh bột, cellulose được cấu tạo thành chuỗi dài gồm ít nhất 500phân tử glucose Các chuỗi cellulose này xếp đối song song tạo thành các vi sợicellulose có đường kính khoảng 3,5 nm Mỗi chuỗi có nhiều nhóm -OH tự do, vì vậygiữa các sợi ở cạnh nhau kết hợp với nhau nhờ các liên kết hiđro được tạo thành giữacác nhóm -OH của chúng Các vi sợi lại liên kết với nhau tạo thành vi sợi lớn hay còngọi là mixen có đường kính 20 nm, giữa các sợi trong mixen có những khoảng trốnglớn Khi tế bào còn non, những khoảng này chứa đầy nước, ở tế bào già thì chứa đầylignin và hemicellulose (hóa gỗ)

Cellulose có cấu trúc rất bền và khó bị thủy phân Người và động vật không cóenzyme phân giải cellulose (cellulase) nên không tiêu hóa được cellulose, vì vậycellulose không có giá trị dinh dưỡng Tuy nhiên, một số nghiên cứu cho thấy cellulose

có thể có vai trò điều hòa hoạt động của hệ thống tiêu hóa Vi khuẩn trong dạ cỏ củagia súc, các động vật nhai lại và động vật nguyên sinh trong ruột của mối sản xuấtenzyme phân giải cellulose Nấm đất cũng có thể phân hủy cellulose Vì vậy chúng cóthể sử dụng cellulose làm thức ăn (Schwarz, 2001)

2.2.2 Hemicellulose

Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng

70 đến 200 đơn phân Hemicellulose chứa cả đường 6 carbon gồm glucose, mannose

và galactose và đường 5 carbon gồm xylose và arabinose Thành phần cơ bản củahemicellulose là β – D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β -(1,4)

Hình 2.4: Cấu trúc hóa học của hemicellulose

(Nguồn: www.responsiblebusiness.eu)Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy nhiên

có một vài điểm chung gồm:

Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết β -(1,4)

Xylose là thành phần quan trọng nhất

Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharide hoặctrisaccharide Sự liên kết của hemicellulose với các polysaccharide khác và với lignin

là nhờ các mạch nhánh này Cũng vì hemicellulose có mạch nhánh nên tồn tại ở dạng

vô định hình và vì thế dễ bị thủy phân

Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl O – liên kết với vị trí 2 hoặc 3

Hình 2.5: Vị trí nhóm thế của hemicellulose

(Nguồn: www.scientificpsychic.com)Hemicellulose là polysaccharide trong màng tế bào tan trong dung dịch kiềm và cóliên kết chặt chẽ với cellulose, là một trong ba sinh khối tự nhiên chính Cùng vớicellulose và lignin, hemicellulose tạo nên thành tế bào vững chắc ở thực vật Về cấutrúc, hemicellulose có thành phần chính là D-glucose, D-galactose, D-mannose,Dxylose và L-arabinose liên kết với các thành phần khác và nằm trong liên kếtglycoside Hemicellulose còn chứa cả axit 4-O-methylglucuronic, axit D-galacturonic

và axit glucuronic Trong đó, đường D-xylose, L-arabinose, D-glucose và D-galactose

là phổ biến ở thực vật thân cỏ và ngũ cốc Tuy nhiên, khác với hemicellulose thân gỗ,hemicellulose ở thực vật thân cỏ lại có lượng lớn các dạng liên kết và phân nhánh phụthuộc vào các loài và từng loại mô trong cùng một loài cũng như phụ thuộc vào độ tuổicủa mô đó

Tùy theo trong thành phần của hemicellulose có chứa monosaccharide nào mà nó

sẽ có những tên tương ứng như manan, galactan, glucan và xylan Các polysaccharidenhư manan, galactan, glucan hay xylan đều là các chất phổ biến trong thực vật, chủyếu ở các thành phần của màng tế bào của các cơ quan khác nhau như gỗ, rơm rạ,v.v…

Trong các loại hemicellulose, xylan là một polymer chính của thành tế bào thựcvật trong đó, các gốc D-xylopyranose kết hợp với nhau qua liên kết β-1,4-D-

xylopyranose, là nguồn năng lượng dồi dào thứ hai trên trái đất Đa số phân tử xylanchứa nhiều nhóm ở trục chính và chuỗi bên Các gốc thay thế chủ yếu trên khungchính của xylan là các gốc acetyl, arabinosyl và glucuronosy Các nhóm này có đặctính liên kết tương tác cộng hóa trị và không hóa trị với lignin, cellulose và cácpolymer khác

Cấu tạo, số lượng và vị trí của xylan ở các loài thực vật khác nhau là khác nhau.Xylan tồn tại ở dạng O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ cứng (Hình 2.6),hay arabino-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ mềm (Hình 2.7) , hay thành phần cấutạo xylan là axit D-glucuronic, có hoặc không có ete 4-O-methyl và arabinose ở cácoài ngũ cốc

2.2.3 Lignin

Lignin là một phức hợp chất hóa học phổ biến được tìm thấy trong hệ mạch thựcvật, chủ yếu là giữa các tế bào, trong thành tế bào thực vật Lignin là một trong cácpolymer hữu cơ phổ biến nhất trên trái đất Lignin có cấu trúc không gian 3 chiều,phức tạp, vô định hình, chiếm 17% đến 33% thành phần của gỗ Lignin không phải làcarbohyrate nhưng có liên kết chặt chẽ với nhóm này để tạo nên màng tế bào giúp thựcvật cứng chắc và giòn, có chức năng vận chuyển nước trong cơ thể thực vật (một phần

là để làm bền thành tế bào và giữ cho cây không bị đổ, một phần là điều chỉnh dòngchảy của nước), giúp cây phát triển và chống lại sự tấn công của côn trùng và mầmbệnh Thực vật càng già, lượng lignin tích tụ càng lớn Hơn nữa, lignin đóng vai tròquan trọng trong chu trình carbon, tích lũy carbon khí quyển trong mô của thực vậtthân gỗ lâu năm, là một trong các thành phần bị phân hủy lâu nhất của thực vật sau khichết, để rồi đóng góp một phần lớn chất mùn giúp tăng khả năng quang hợp của thựcvật Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vaitrò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose vàhemicellulose Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn

Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và pHthấp như điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nước Ở nhiệt độ phản ứng caohơn 200oC, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose

Những nghiên cứu trước đây cho thấy đối với gỗ cứng, nhóm ether β-O-4 aryl bị pháhủy trong quá trình nổ hơi Đồng thời, đối với gỗ mềm, quá trình nổ hơi làm bất hoạtcác nhóm hoạt động của lignin ở vị trí α như nhóm hydroxy hay ether, các nhóm này

bị oxy hóa thành carbonyl hoặc tạo cation benzylic, cation này sẽ tiếp tục tạo liên kếtC-C

Trong dinh dưỡng động vật, lignin rất đáng quan tâm vì nó không bị tiêu hóa bởienzyme của cơ thể vật chủ Lignin còn liên kết với nhiều polysaccharide và proteinmàng tế bào ngăn trở quá trình tiêu hóa các hợp chất gỗ Gỗ, cỏ khô và rơm rất giàulignin nên tỷ lệ tiêu hóa thấp trừ khi được xử lý hóa học làm cho các liên kết giữalignin với các carbohydrate khác bị bẻ gãy

2.2.4 Các chất trích ly

Có rất nhiều chất thuộc nhóm thành phần này, chủ yếu là các chất dễ hòa tan

Các chất trích ly là những chất hoặc có khả năng hòa tan trong những dung môihữu cơ (như diety ether, methyl terbutyl ether, ether dầu hỏa, diclormethene, acetone,ethanol, methanol, hexan, toluen, terahydrofuran) hoặc trong nước Chính vì thếphương pháp thông dụng nhất để tách nhóm chất này trong việc phân tích thành phần

xơ sợi lignocellulose là dùng trích ly với dung môi ethanol-benzene tỉ lệ 1:2 Nhữngchất này có thể có cả tính ưa dầu và ưa nước và không được xem là thành phần cấu trúccủa gỗ Chất nhựa là những chất ưa dầu, có lẽ thường chiếm tỉ lệ ưu thế trong chất trích

ly, nên thường chất trích ly được gọi là nhựa (resin)

Các chất trích ly thường có màu, mùi và vị khá đặc trưng Chúng rất quan trọng đểgiữ lại những chức năng sinh học của cây Đa phần các chất nhựa bảo vệ gỗ khỏi nhữngtổn thương gây ra bởi vi sinh vật hay côn trùng Terpenoid, steroid, chất béo, và nhữngphần tử phenolic như stilbene, lignan, tanmin và flavonoic đều là những chất trích ly.Các phenolic có thuộc tính diệt nấm và ảnh hưởng đến màu của gỗ Chất béo và sáp,trong nhiều hệ thống sinh học được tận dụng như là nguồn năng lượng trong khiterpenoic và steroic được biết đến là nhựa dầu Nhóm cuối cùng cũng có hoạt tínhkháng vi sinh vật và côn trùng Một số chất trích ly là những dược phẩm quan trọng

Ví dụ, flavonoid được sử dụng như là chất chống tác nhân oxy hóa và chốngvirus

Một số cấu trúc chất trích ly được thể hiện ở những hình sau:

Hình 2.6: Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin); (b)

cathechin (flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo)

(Nguồn: www.scientificpsychic.com)

2.2.5 Tro

Tro là dư lượng còn lại của vật liệu sau khi bị đốt cháy hoàn toàn Trong cácloại gỗ của xứ ôn đới, các nguyên tố khác so với carbon, hydro, oxy và nitơ – chiếmkhoảng 0,1 - 0,5% (so với lượng rắn khô trong gỗ) Với loại gỗ xứ nhiệt đới con số này

có thể là 5% Hàm lượng chất vô cơ được đo bằng hàm lượng tro của mẫu và nó trongkhoảng 0,3 - 1,5% cho hai loại gỗ mềm và gỗ cứng Hàm lượng này phụ thuộc nhiềuvào điều kiện môi trường tăng trưởng của cây và vị trí trong cây Tương tự chất trích

ly, thành phần vô cơ của biomass thường thực hiện chức năng trong một vài con đườngsinh học ở thực vật Kim loại vết thường tồn tại ở dạng phức hợp như magnesiumtrong chlorophyll Một số chất vô cơ từ muối kim loại tồn tại trong vách tế bào thựcvật Calcium thường là kim loại phong phú nhất, sau đó là kali và magnesium

2.3 Cơ chế quá trình thủy phân rơm rạ

Quá trình thủy phân có thể được tóm tắt trong hình sau:

Hình 2.7: Cơ chế quá trình thủy phân

• β-glucosidase tấn công cellobiose và oligosaccharide tan, tạo glucose

2.4 Nguyên liệu men giống

2.4.1 Cơ sở lý thuyết

Lý thuyết quá trình lên men đã được nhiều nhà sinh học nghiên cứu từ rất lâu.Năm 1769, Lavoisier phân tích sản phẩm lên men rượu và nhận thấy khi lên men,đường không chỉ tạo thành ethanol và CO2 mà còn tạo ra acid acetic

Năm 1810, Gay-Lussac nhận thấy rằng cứ 45 phần khối lượng đường sẽ chuyểnthành 23 phần ethanol và 22 phần khí carbonic Trên cơ sở đó ông đưa ra phươngtrình tổng quát như sau:

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + Q

Năm 1857, Louis Pasteur tiếp tục nghiên cứu và thu nhận kết quả sau: cứ 100phần đường saccharose khi lên men sẽ tạo ra 51.1 phần ethanol, 48.4 phần CO2, 32.0phần glycerin, 0.7 phần acid succinic và hai phần các sản phẩm khác Từ đó suy ra cứ

45 phần khối lượng glucose khi lên men sẽ tạo ra 21.8 phần ethanol chứ không phải 23phần như Gay-Lussac đã tính Tuy nhiên phương trình lên men do Gay-Lussac đưa ravẫn đúng và dùng làm cơ sở lý thuyết để tính hiệu suất thu hồi rượu theo lý thuyết.Gay-Lussac còn kết luận sự lên men là quá trình sinh học có liên hệ mật thiết đến sựhoạt động của tế bào nấm men

Vào khoảng 1871-1872 Manaxemi đem nghiền tế bào nấm men với cát thạch anhrồi mới cho vào lên men dịch đường thì hiện tượng lên men vẫn xảy ra.Năm 1879,Buchuer tiến hành nghiền nát tế bào nấm men rồi chiết lấy dịch trong không chứa xácnấm men rồi cho vào dịch đường thì thấy dịch chiết vẫn có khả năng lên men Từ đóngười ta gọi các chất trong dịch tế bào nấm men là zymase Đây chính là hợp chất củanhiều enzyme cùng tham gia chuyển hóa đường thành ethanol và khí carbonic

Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử Quá trình oxy hóa nàylại xảy ra trong cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme, cho nên người tagọi quá trình lên men là quá trình oxy hóa sinh học

Sự tạo thành rượu từ glucose phải trải qua nhiều giai đoạn, sơ đồ hình thành rượu

từ glucose được biễu diễn ở hình bên dưới:

Hình 2.8: Quá trình đường phân

(Nguồn: www.scientificpsychic.com)

2.4.2 Tổng quan về vi khuẩn Zymomonas Mobilis

2.4.2.1 Một số nguồn phân lập Z mobilis

Bảng 2.4: Một số nguồn phân lập vi khuẩn Zymomonas Mobilis

Nguồn phân lập Môi trường Điều kiện, kết quả Người thực hiệnHèm bia Thạch gelatin Xuất hiện khuẩn lạc sauu

11 ngày ở 220C

Barer và Hillic năm 1912Bia tiệt trùng Thạch Agar ( 2%

glucose)

Dịch nước táo Môi trường lỏng

(1% chất chiết men, 0,001%

Khuẩn lạc sau 4 – 5 ngày

ở 300C có dạng hình hạt đậu, đường kính từ 1 – 4mm, màu xanh sậm

Swings và Deley1974

(Nguồn: mobilis-25524)

http://doan.edu.vn/do-an/de-tai-len-men-ethanol-voi-vi-khuan-zymomonas-2.4.2.2 Đặc điểm nhận dạng

• Là một loại vi khuẩn gram âm, có roi dài từ 1 – 1,4µm

• Không hình thành bào tử

• Một số loài có từ 1 – 4 tiêm mao

• Không phát triển trên môi trường thạch hoặc nước thịt dinh dưỡng

• Là loài vi khuẩn vi hiếu khí ( kỵ khí không bắt buộc)

• Có thể lên men đường glucose và fructose

• Tạo ra số mol ethanol và CO2 bằng nhau

• Chứa khoảng 47,5 – 49,5 guanine và cytosine (G + C)

2.4.2.3 Danh pháp

• Giống: Zymomonas

• Loài: Zymomonas mobilis

• Loài phụ: Zymomonas mobilis subsp, mobilis

• Loài phụ: Zymomonas mobilis subsp, pomaceae

2.4.2.4 Thành phần tế bào

Bảng 1Bảng 2Bảng 2.5: Thành phần của tế bào vi khuẩn Zymomonas Mobilis

Thành phần Hàm lượng ( theo khối lượng chất khô)

ATP :Trong điều kiện thiếu thức ăn  – 0,1 µg/mg

• Rất nhạy cma3 với thuốc nhuộm ( Brilliant areen…)

2.4.2.6 Cơ chế chuyển hóa đường thành ethanol bởi Zymomonas mobilis.

Cơ chế lên men chính của vi khuẩn Zymomonas từ nguồn cơ chất glucose và fructose là con đường Entner – Doudoroff

Hình 2.9: Con đường Entner – Doudoroff

(http://doan.edu.vn/do-an/de-tai-len-men-ethanol-voi-vi-khuan-zymomonas-mobilis)

Do đó cân bằng chung của con đường KDPG là:

Hình 2.10: Cân bằng chung của con đường KDPG

( Nguồn:

http://doan.edu.vn/do-an/de-tai-len-men-ethanol-voi-vi-khuan-zymomonas-mobilis-25524)Các enzyme của con đường Entner – Doudoroff có thể kháng cự tốt hơn vớiethanol nên Z mobilis có thể nhanh chóng hấp thu glucose và sản xuất ethanol nhiềuhơn 15% w/v

Màng tế bào của Z mobilis có chứa nhiều loại acid béo giúp nó chịu được nồng độethanol cao

2.4.2.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men

• Nồng độ đường ban đầu

Hệu suất lên men cực đại ứng với 15% (w/v) nồng độ đường ban đầu

Gia tăng nồng độ đường ban đầu từ 15 – 20% sẽ lam 2giam3 hiệu suất lên men

Với 25% (w/v) tất cả các chủng đều giảm khả năng hấp thụ cơ chất và lên menethanol

• Cơ chất

Bảng 3Bảng 4Bảng 2.6: Glucose và fructose

Tốc độ hấp thụ đường riêng cực đại ( g đường/g

Khi nhiệt độ của môi trường lên men tăng từ 30 – 360C ( nồng độ glucosekhông đổi trong hỗn hợp nhập liệu) thì nồng độ sinh khối giảm và tốc độ hấp thuglucose tăng dần.

Khi tăng nhiệt độ khoảng 2 – 30C, hiệu suất chuyển hóa glucose tăng từ 82% đến 90%.Tuy nhiên, nhiệt độ cao quá mức sẽ có nhiều glucose taht61 thaot1 trong canh trường, hiệu suất chuyển hóa giảm còn 65%

• Nồng độ ethanol ban đầu

Nếu có ethanol ban đầu trong môi trường dinh dưỡng thì sẽ làm giảm sản xuất sinh khối, hấp thu cơ chất, sản xuất ethanol ethanol, hiệu suất và hệ số chuyển hóa

đường

Cụ thể: Với môi trường là sucrose có 2,5% ethanol ban đầu thì hiệu suất

eyhanol giảm 48,8%, hiệu suất sinh khối giảm 25%, va 2tong63 lượng đường hấp thụ giảm 28,3%

Với môi trường là glucose có 3% ethanol ban đầu thì hấp thu đường giảm 60 – 65% ( Moreau và cộng sự, 1997)

Ở nồng độ ethanol rất cao (20%, wt/vol), sự lên men bị kiềm hãm hoàn toàn.Thêm ethanol vào quá trình lên men sẽ ức chế khả năng lên men của tế bào

Z.mobilis

2.4.2.8 Một số ưu điểm của Z mobilis là:

• Là một chủng vi sinh vật có khả năng lên men tự nhiên

• Tạo ra ít sinh khối tế bào

• Không cần cung cấp oxy

• Có thể kháng cự với các chất kiềm hãm có trong sản phẩm thủy phân

• Lên men ở pH thấp

• Có thể sinh trưởng ở nồng độ glucose cao

• Tạo ra sản lượng ethanol cao từ glucose ( 95 – 98% hoặc 0,49 – 5,00 g/g)

• Khả năng chịu được nồng dộ ethanol (13% ethanol từ 30% glucose)

• Hiệu suất sna3 xuất riêng cao (2-6 g rhanol/ g chất khô.giờ)

• Tốc độ hấp thụ đường glucose cao ( có thể lên đến 10g glucose g/g chấtkhô.giờ)

2.4.2.9 Nhược điểm

Giới hạn cơ chất hẹp, không có khả năng chuyển hóa các polysaccharide phứctạp như: cellulose, hemicelluloses và tinh bột thành ethanol)

Tạo ra một số sản phẩm phụ như: sorbitol, acetoin, glycerol và acid acetic

hình thành một loại polymer levan ngoại bào

CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH LÊN MEN 3.1 Lựa chọn phương pháp lên men

Các phương pháp lên men tuỳ thuộc đặc điểm sinh lý của vi sinh vật nuôi cấyđối với oxy, ta coi quá trình đó là hiếu khí hay kỵ khí không bắt buộc Đối với lên men

kị khí thực hiện theo phương pháp nuôi cấy chìm, nghĩa là vi sinh vật nuôi cấy ở sâutronh môi trường, thỉnh thoảng khuấy để tăng sự trao đổi giữa tế bào vi sinh vật vớimôi trường trong suốt quá trình không sục khí Với quá trình lên men kỵ khí không bắtbuộc, như trong lên men rượu các giống men khi có oxy thì ngả sang sinh trưởng, tăngsinh khối, khi thiếu oxy thì ngả sang hướng tích tụ etanol Vì vậy lên men rượu thồi kỳđầu thường được cấp không khí để giống nấm men phát triển tốt, sau đó ngừng sục khí

để lên men rượu Lên men hiếu khí được thực hiện nhờ hai phương pháp cơ bản: nuôicấy bề mặt và nuôi cấy bề sâu

• Lựa chọn phương pháp lên men chìm dạng từng mẻ

 Lên men bề sâu trong môi trường lỏng

Lên men chìm là phương pháp được phổ biến rộng nhất trong quy trình lên mencông nghiệp, vì có thể kiểm soát được toàn bộ các khâu trong quá trình một cách dễdàng So với phương pháp lên men bề mặt, thì lên men chìm có nhiều ưu điểm đó là: ítchoán bề mặt (không mất nhiều diện tích), dễ cơ giới hóa và tự động hóa trong quátrình theo dõi Tuy nhiên phương pháp lên men chìm đòi hỏi đầu tư nhiều kinh phí chotrang thiết bị Ngoài ra, nếu một mẻ lên men, vì một lý do nào đó bị xử lý thì khôngthể xử lý cục bộ được, đa phần phải hủy bỏ cả quá trình lên men, gây tốn kém lớn Phếliệu của quá trình lên men thải ra phải kèm theo công nghệ xử lý chống ô nhiễm môitrường Phương pháp này dùng cho cả vi sinh vật kị khí và hiếu khí Đối với nuôi visinh vật kị khí trong quá trình nuôi không cần sục khí chỉ thỉnh thoảng khuấy trộn cònvới vi sinh 30 vật hiếu khí thì phải sục khí liên tục Đây là phương pháp hiện đại đãđược dùng trong khoảng nửa cuối thế kỉ XX và cho kết quả rất to lớn đối với côngnghệ vi sinh Nuôi cấy chìm hay nuôi cấy bề sâu dùng môi trường dịch thể Chủng visinh vật cấy vào môi trường được phân tán khắp mọi điểm và chung quanh bề mặt tếbào được tiếp xúc với dịch dinh dưỡng Đặc điểm này đòi hỏi trong suốt quá trình nuôicấy phải khuấy và cung cấp ôxy bằng cách sục khí liên tục

Ngày nay phương pháp nuôi cấy chìm được dùng phổ biến trong công nghệ visinh để sản xuất men bánh mì, protein đơn bào, các chế phẩm vi sinh làm phân bón,