Nghiên cứu quá trình tiền xử lý, thủy phân và lên men đồng thời tạo ethanol từ thân chuối bằng nấm men kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate

MAI THỊ HỒNG DIỄM NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TIỀN XỬ LÝ, THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI TẠO ETHANOL TỪ THÂN CHUỐI BẰNG NẤM MEN KLUYVEROMYCES MARXIANUS CỐ ĐỊNH TRONG GEL ALGINATE Chuyên ngàn

MAI THỊ HỒNG DIỄM

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TIỀN XỬ LÝ, THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI TẠO ETHANOL TỪ THÂN CHUỐI

BẰNG NẤM MEN KLUYVEROMYCES MARXIANUS

CỐ ĐỊNH TRONG GEL ALGINATE

Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm

Mã số: 60 54 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp.Hồ Chí Minh, Tháng 01 năm 2017

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Tôn Nữ Minh Nguyệt

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Hoàng Kim Anh

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Huỳnh Tiến Phong

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM ngày 12 tháng 01 năm 2017

Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 GS.TS Lê Văn Việt Mẫn

2 PGS.TS Hoàng Kim Anh

3 TS Huỳnh Tiến Phong

4 PGS TS Ngô Đại Nghiệp

……… ………

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 09 – 01 – 1990 Nơi sinh: Tây Ninh

I Tên đề tài: Nghiên cứu quá trình tiền xử lý, thủy phân và lên men đồng thời tạo

ethanol từ thân chuối bằng nấm men Kluyveromyces marxianus cố định trong gel

alginate

II Nhiệm vụ và nội dung:

Nhiệm vụ

 Tiền xử lý bột thân chuối bằng phương pháp hóa học

 Cố định nấm men Kluyveromyces marxianus trong gel alginate.

 Khảo sát ảnh hưởng của enzyme Viscozyme Cassava C trong quá trìnhthủy phân và lên men đồng thời bột thân chuối đã tiền xử lý

Nội dung

 Tìm điều kiện tiền xử lý thích hợp cho bột thân chuối sử dụng dung dịch

H2SO4 và dung dịch NaOH

 Xác định điều kiện cố định nấm men Kluyveromyces marxianus trong gel

alginate phù hợp với quá trình thủy phân và lên men đồng thời bột thânchuối đã qua tiền xử lý

 Khảo sát quá trình thủy phân và lên men đồng thời bột thân chuối đã qua

tiền xử lý sử dụng nấm men Kluyveromyces marxianus cố định trong gel

alginate

III Ngày giao nhiệm vụ: 04 – 07 – 2016

IV Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 04 – 12 – 2016

V Cán bộ hướng dẫn: TS Tôn Nữ Minh Nguyệt

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

Trong khoảng thời gian thực hiện luận văn, tôi đã gặp phải những khó khăn nhất định nhưng với sự quan tâm, giúp đỡ của thầy cô và bạn bè tôi đã hoàn thành luận văn

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô TS Tôn Nữ Minh Nguyệt Cô đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Kế đến, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình đã động viên, ủng

hộ tôi, giúp tôi chinh phục những thử thách và hoàn thành ước mơ của mình

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô trong bộ môn Công Nghệ Thực Phẩm nói riêng và khoa Kỹ Thuật Hóa Học nói chung đã giảng dạy, hỗ trợ những kiến thức giúp tôi có thể vừa hoàn thành luận văn này

Tôi cũng không quên gửi lời cảm ơn đến bạn Nguyễn Vương Thanh Thão, bạn Nguyễn Thị Yến, bạn Trần Minh Sanh và các anh chị, ban bè trong lớp CH2014 –2 đã đồng hành, giúp đỡ tôi trong học tập cũng như thực hiện luận văn này

Tp HCM, tháng 01 năm 2017

Mai Thị Hồng Diễm

Với mục đích sử dụng thân chuối làm cơ chất cho quá trình thủy phân, lên

men đồng thời tạo ethanol sử dụng nấm men Kluyveromyces marxianus cố định

trong gel alginate, nội dung nghiên cứu của luận văn này gồm 2 phần:

Phần 1: nghiên cứu quá trình tiền xử lý thân chuối với dung dịch NaOH, dung dịch H2SO4 Khảo sát các yếu tố như nồng độ dung dịch, nhiệt độ và thời gian tiền xử lý Thân chuối đã tiền xử lý sẽ được tiến hành thủy phân với enzyme Viscozyme Cassava C nhằm đánh giá hiệu quả tiền xử lý, chọn ra điều kiện tiền xử

lý cho hiệu quả cao nhất

Phần 2: khảo sát điều kiện cố định nấm men Kluyveromyces marxianus trong

gel alginate bao gồm nồng độ dung dịch alginte, nồng độ dung dịch CaCl2 Nấm men sau khi cố định sẽ được lên men trong môi trường chứa glucose để đánh giá hiệu quả lên men, mật độ nấm men tự do thoát ra Sau khi chọn được điều kiện cố định nấm men sẽ tiến hành khảo sát ảnh hưởng của nồng độ enzyme Viscozyme Cassava C trong quá trình thủy phân, lên men đồng thời sử dụng thân chuối sau tiền

xử lý làm cơ chất

Kết quả nghiên cứu cho thấy dung dịch NaOH tiền xử lý bột thân chuối hiệu quả hơn dung dịch H2SO4 Qua quá trình thủy phân, bột thân chuối tiền xử lý với dung dịch NaOH ở nồng độ 3,0%, nhiệt độ 60oC, thời gian 6 giờ sau đạt hàm lượng đường khử tăng 386,27% so với bột thân thân chuối không tiền xử lý Điều kiện cố định nấm men phù hợp là dung dịch alginate 1,0%, dung dịch CaCl2 1,0% Sau quá trình thủy phân và lên men đồng thời với nồng độ enzyme Viscozyme Cassava C 15 FPU/g thu được ethanol cao nhất là 13,22 g/L Qua đây thấy được thân chuối thích hợp làm nguyên liệu cho quá trình thủy phân, lên men đồng thời tạo ethanol

The objective of this research was to use banana pseudostem as substrate for simultaneous saccharification and fermentation for the production of ethanol using

Kluyveromyces marxianus immobilized yeast in alginate gel, the experimentation

consisted of two sections:

Section 1: the research of banana pseudostem pretreatment with NaOH,

H2SO4 solution Investigation of factors such as the concentration of solution, temperature and time Pretreated banana pseudostem will be hydrolyzed with enzyme Viscozyme Cassava C to evaluate the effectiveness of pretreatment, select the pretreatment conditions for the highest efficiency

Section 2: investigation the immobilized conditions of the Kluyveromyces marxianus yeast in alginate gels including the concentration of alginte and CaCl2

solution Immobilized yeast will be fermented with the medium containing glucose

to assess the effect of fermentation, free yeast density After selecting immobilized conditions, the effect on the concentration of enzyme Viscozyme Cassava C in simultaneous saccharification and fermentation will surveyed, in wgich pretreated banana pseudostem is used as substrates

The experimental results showed that NaOH solution pretreated banana pseudostem is more efficient than H2SO4 solution After hydrolyzing, banana pseudostem powder pretreated with NaOH solution at a concentration of 3.0%, temperature of 60 °C, time whithin 6 hours reached a increased reducing sugar content by 386.27% over the non pretreated banana pseudostem powder The suitable immobilized conditions were concentration of alginate 1.0% and CaCl21.0% solution After simultaneous saccharification and fermentation which enzyme Viscozyme Cassava C 15 FPU/g, the highest ethanol is 13.22 g/L was obtained In sumary, banana pseudostem is suitable material for simultaneous saccharification and fermentation for the production of ethanol

Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu của tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ nguồn nào

và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH iv

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2

2.1 Lignocellulose 2

2.1.1 Cấu tạo của lignocellulose 2

2.1.1.1 Cellulose 2

2.1.1.2 Hemicellulose 4

2.1.1.3 Lignin 5

2.1.1.4 Chất trích ly và tro 7

2.1.2 Nguyên liệu giàu lignocellulose – thân chuối 8

2.1.2.1 Đặc điểm tự nhiên 8

2.1.2.2 Thành phần hóa học của thân chuối 8

2.1.2.3 Hiện trạng sử dụng và tiềm năng của thân chuối 10

2.2 Quá trình tiền xử lý lignocellulose 11

2.2.1 Quá trình tiền xử lý lignocellulose bằng acid 12

2.2.2 Quá trình tiền xử lý lignocellulose bằng kiềm 14

2.3 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời 16

2.3.1 Quá trình thủy phân 16

2.3.1.1 Enzyme cellulase 17

2.3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme cellulase 18

2.3.2 Quá trình lên men thu nhận ethanol từ lignocellulose 19

2.3.2.1 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời 20

2.3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân và lên men đồng thời 21

2.3.2.3 Nấm men Kluyveromyces marxianus 22

2.3.2.4 Nấm men cố định 23

2.4 Tính mới của luận văn 24

CHƯƠNG 3 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

3.1 Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị 26

3.1.1 Nguyên liệu 26

3.1.2 Hóa chất 28

3.1.3 Thiết bị 28

3.2 Phương pháp nghiên cứu 30

3.2.1 Nội dung nghiên cứu 30

3.2.2 Các quy trình sử dụng trong nghiên cứu 31

3.2.2.1 Quy trình tiền xử lý bột thân chuối 31

3.2.2.2 Quy trình cố định nấm men Kluyveromyces marxianus trong gel alginate 33

3.2.2.3 Quy trình thủy phân và lên men đồng thời bột thân chuối đã tiền xử lý sử dụng nấm men Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate 35

3.2.3 Thiết kế thí nghiệm 36

3.2.3.1 Khảo sát quá trình tiền xử lý bột thân chuối bằng phương pháp hóa học 36

3.2.3.2 Khảo sát quá trình thủy phân và lên men đồng thời bột thân chuối đã tiền xử lý sử dụng nấm men Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate 38

Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch alginate và nồng độ dung dịch CaCl2 đến quá trình cố định nấm men 38

3.2.4 Phương pháp phân tích 40

3.2.4.1 Phân tích hoá lý 40

3.2.4.2 Phân tích vi sinh 41

3.2.5 Công thức tính toán 41

3.2.6 Phương pháp xử lý số liệu 41

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 42

4.1 Thành phần hóa học của bột thân chuối 42

4.2 Khảo sát quá trình tiền xử lý bột thân chuối bằng phương pháp hóa học 43

4.2.1 Tiền xử lý bột thân chuối bằng dung dịch H2SO4 43

4.2.1.1 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch H2SO4 đến quá trình tiền xử lý bột thân chuối bằng dung dịch H2SO4 43

4.2.1.2 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình tiền xử lý bột thân chuối bằng dung dịch H2SO4 45

4.2.2 Tiền xử lý bột thân chuối bằng dung dịch NaOH 47

4.2.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH đến quá trình tiền xử lý bột thân chuối bằng dung dịch NaOH 47

4.2.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tiền xử lý bột thân chuối bằng dung dịch NaOH 49

4.2.2.3 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình tiền xử lý bột thân chuối bằng dung dịch NaOH 51

4.3 Khảo sát quá trình thủy phân và lên men đồng thời bột thân chuối đã tiền xử lý sử dụng nấm men Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate 53

4.3.1 Khảo sát điều kiện cố định nấm men Kluyveromyces marxianus trong gel alginate 53

4.3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch alginate đến quá trình cố định nấm men Kluyveromyces marxianus 53

4.3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch CaCl2 đến quá trình cố định nấm men Kluyveromyces marxianus trong gel alginate 56

4.3.2 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ enzyme Viscozyme Cassava C đến quá trình thủy phân và lên men đồng thời bột thân chuối đã tiền xử lý 59

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

5.1 Kết luận 64

5.2 Kiến nghị 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC HÌNH

Hình 2 1: Mô hình cấu trúc của lignocellulose 2

Hình 2 2: Cấu trúc của cellulose và cellobiose 3

Hình 2 3: Cấu trúc vùng kết tinh và vùng vô định hình của cellulose 4

Hình 2 4: Các monomer của hemicellulose 5

Hình 2 5: Các monomer của lignin 6

Hình 2 6: Cấu trúc của lignin 7

Hình 2 7: Cấu tạo cây chuối 8

Hình 2 8: Cấu trúc nguyên liệu lignocellulose trước và sau tiền xử lý 11

Hình 2 9: Các chất ức chế sinh ra trong quá trình tiền xử lý lignocellulose bằng dung dịch acid 13

Hình 2 10: Các chất ức chế sinh ra từ lignin khi tiền xử lý lignocellulose bằng dung dịch NaOH 15

Hình 2 11: Cơ chế của quá trình thủy phân cellulose với xúc tác enzyme cellulase 18

Hình 3 1: Thân chuối và bột thân chuối 26

Hình 3 2: Nấm men Kluyverromyces marxianus trên môi trường thạch 27

Hình 3 3: Sơ đồ nghiên cứu 30

Hình 3 4: Quy trình tiền xử lý bột thân chuối 31

Hình 3 5: Quy trình thủy phân bột thân chuối đã tiền xử lý 32

Hình 3 6: Quy trình cố định nấm men Kluyveromyces marxianus trong gel alignate 33

Hình 3 7: Quy trình lên men trong thí nghiệm cố định nấm men Kluyveromyces marxianus trong gel alginate 34

Hình 3 8: Quy trình thủy phân và lên men đồng thời bột thân chuối đã tiền xử lý 35 Hình 4 1: Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch H2SO4 đến quá trình tiền xử lý bột thân chuối bằng dung dịch H2SO4 44

Hình 4 2: Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình tiền xử lý bột thân chuối bằng dung dịch H2SO4 46

Hình 4 3: Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH đến quá trình tiền xử lý bột thân chuối bằng dung dịch NaOH 48Hình 4 4: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tiền xử lý bột thân chuối bằng dung dịch NaOH 50Hình 4 5: Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình tiền xử lý bột thân chuối bằng dung dịch NaOH 52Hình 4 6: Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch alginate đến sự sinh trưởng của nấm

men Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate 54

Hình 4 7: Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch alginate đến sự sinh tổng hợp ethanol

của nấm men Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate 55

Hình 4 8: Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch CaCl2 đến sự sinh trưởng của nấm

men Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate 57

Hình 4 9: Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch CaCl2 đến sự sinh tổng hợp ethanol

của nấm men Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate 58

Hình 4 10: Ảnh hưởng của nồng độ enzyme Viscozyme Cassava C đến sự sinh

trưởng của nấm men Kluveromyces marxianus cố định và nấm men Kluveromyces marxianus tự do 60

Hình 4 11: Ảnh hưởng của nồng độ enzyme Viscozyme Cassava C đến sự sinh

tổng hợp ethanol của nấm men Kluyveromyces marxianus cố định và nấm men Kluyveromyces marxianus tự do 61

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1: Thành phần hóa học của thân chuối (% theo khối lượng chất khô) 9

Bảng 2 2: Thành phần hóa học của một số loại lignocellulose (% theo khối lượng chất khô) 9

Bảng 2 3: So sánh các điều kiện khi tiền xử lý bằng các loại kiềm khác nhau 16

Bảng 3 1: Thành phần môi trường nuôi cấy nấm men 27

Bảng 3 2: Danh sách các loại hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 28

Bảng 3 3: Danh sách thiết bị sử dụng trong quá trình nghiên cứu 28

Bảng 3 4: Bố trí thí nghiệm tiền xử lý bột thân chuối bằng dung dịch H2SO4 37

Bảng 3 5: Bố trí thí nghiệm tiền xử lý bột thân chuối bằng dung dịch NaOH 38

Bảng 3 6: Bố trí thí nghiệm khảo sát điều kiện cố định nấm men Kluyveromyces marxianus trong gel alginate 39

Bảng 3 7: Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng nồng độ enzyme Viscozyme Cassava C đến quá trình thủy phân và lên men đồng thời bột thân chuối đã tiền xử lý 40

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

DNS: 3,5 – dinitrosalicylic acid

EDTA: ethylendiamin tetraacetic acid

FPU: filter paper unit

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

Nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt nên nhu cầu tìm ra nguồn năng lượng thay thế trở thành mối quan tâm hàng đầu của các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới Ethanol sinh học được xem là nguồn năng lượng sạch và có tiềm năng, giúp giảm hiệu ứng nhà kính [1], [2] Việc nâng cao hiệu quả kỹ thuật và giảm chi phí cho quy trình sản xuất ethanol sinh học đã được phát triển

Lignocellulose từ phụ phẩm nông nghiệp có sản lượng rất lớn và được xem

là nguồn nguyên liệu dồi dào để sản xuất ethanol Do cấu trúc xơ sợi đặc biệt nên để

có thể thủy phân và lên men lignocellulose thì phải tiến hành tiền xử lý Quá trình này giúp nguyên liệu trở nên xốp, giảm thiểu thành phần lignin, giúp enzyme tiếp cận với cellulose dễ dàng hơn, làm tăng hiệu quả quá trình thủy phân [3] Quá trình tiền xử lý hóa học được ứng dụng rộng rãi để tiền xử lý lignocellulose với hiệu quả cao, rẻ tiền, dễ thực hiện [4], [5]

Ethanol được thu nhận từ lignocellulose thông qua quá trình thủy phân, lên men Khi thủy phân và lên men đồng thời nguyên liệu lignocellulose thì đạt hiệu cao hơn so với quá trình thủy phân và lên men riêng biệt [6], [7], [8] Nhưng trong quá trình này, có những yếu tố không thuận lợi cho nấm men hoạt động như nhiệt

độ, chất ức chế Nấm men cố định trong chất mang sẽ sinh trưởng và sinh tổng hợp ethanol tốt hơn nấm men tự do

Luận văn với mục đích tận dụng phụ phẩm nông nghiệp phổ biến ở Việt Nam – thân chuối để thu nhận ethanol Thân chuối sẽ được tiền xử lý bằng phương pháp hóa học sử dụng dung dịch H2SO4 và dung dịch NaOH Sau đó, bột thân chuối

đã tiền xử lý sẽ được thủy phân và lên men đồng thời sử dụng enzyme Viscozyme

Cassava C và nấm men Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

Lignocellulose là nguồn polymer sinh học có thành phần chất khô chủ yếu là cellulose (38 – 50%), hemicellulose (23 – 32%), và lignin (15 – 25%) (Hình 2.1) Ngoài ra trong lignocellulose còn có thành phần chất trích ly và tro [9] Tuy nhiên,

tỉ lệ của mỗi thành phần khác nhau với các nguyên liệu khác nhau [10], [11] Lignocellulose có thể bao gồm các loại gỗ, phế phẩm của ngành nông nghiệp và đã được nghiên cứu, phát triển nhằm sản xuất nhiên liệu sinh học [12]

Về cơ bản, trong lignocellulose hình thành nên bộ khung chính và được bao xung quanh bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới (hemicellulose) và kết dính (lignin) Mạch chính của hemicellulose cũng được cho là xếp song song với các sợi cellulose còn các nhóm ở mạch nhánh như arabinose, galactose của hemicellulose thường liên kết với lignin Lignin kết dính các chuỗi polysaccharide bằng liên kết ester [13]

Hình 2 1: Mô hình cấu trúc của lignocellulose [14]

Cellulose là chuỗi polymer mạch thẳng của D – glucose liên kết với nhau bằng liên kết β, 1 – 4 glycoside, khác với liên kết α, 1 – 4 glycoside trong tinh bột, liên kết β, 1 – 4 glycoside khiến cho cellulose có cấu trúc cứng chắc hơn [15] Ba

nhóm hydroxyl (– OH) trong từng phân tử glucose có thể hình thành cả liên kết hydro liên phân tử và nội phân tử [12] Liên kết hydro trong cellulose mạnh hơn liên kết van der Waals trong nước 100 lần, nhờ đó cellulose không tan trong nước và phần lớn các dung môi hữu cơ [16]

Cellulose gồm từng cặp glucose nối tiếp nhau, xoay 180o với nhau được gọi

là cellobiose [15] (Hình 2.2) Độ trùng hợp của cellulose ở thực vật nằm trong khoảng từ 7000 đến 15000 DP Hai đầu của chuỗi cellulose có sự khác biệt về hóa học, một đầu có tính khử do có nhóm D – glucopyranose, trong đó nguyên tử carbon C1 nằm ở dạng tự do và một đầu không có tính khử do có nhóm D – glucopyranosyl, trong đó nguyên tử carbon C1 nằm trong liên kết glycoside [15]

Hình 2 2: Cấu trúc của cellulose và cellobiose [15]

Liên kết hydro còn giúp các chuỗi cellulose gắn chặt vào nhau, hình thành nên vùng kết tinh [9] Một đơn vị tinh thể cellulose chứa khoảng 10 chuỗi glucan duỗi thẳng và song song với nhau Cấu hình tinh thể của cellulose được chia làm 6 dạng: I, II, IIII, IIIII,IVI và IVII Trong tự nhiên, vùng kết tinh chủ yếu là cellulose I

và được chia thành 2 dạng nhỏ là Iα và Iβ liên kết với nhau bằng liên kết hydro Cellulose tồn tại dưới dạng kết tinh rất khó bị thủy phân bởi các tác nhân hóa học và sinh học, chỉ có những phân tử nằm trên bề mặt vùng kết tinh thì mới có thể bị tác động Ngoài ra, cellulose trong nguyên liệu còn nằm ở dạng vô định hình, đây là

vùng mà các chuỗi cellulose sắp xếp không có trật tự và liên kết hydro giữa các chuỗi với nhau rất lỏng lẻo, khiến cho cellulose rất dễ bị thủy phân [9] (Hình 2.3) Vùng kết tinh của cellulose có thể chuyển thành vùng vô định hình khi được xử lý với nước ở nhiệt độ 320°C và áp suất 25 MPa [17]

Hình 2 3: Cấu trúc vùng kết tinh và vùng vô định hình của cellulose [18]

Hemicellulose là polymer sinh học phân nhánh có thành phần rất đa dạng, bao gồm pentoses (β – D – xylose, α – L – arabinose), hexoses (β – D – mannose, β – D – glucose, α – D – galactose) và acid uronic (α – D – glucuronic, α – D – O – methylgalacturonic and α – D – galacturonic acids) [19] (Hình 2.4) Trong đó xylan (chuỗi xylose) là thành phần chính của hemicellulose đối với gỗ cứng (sồi, liễu, thích,…) và phế phẩm nông nghiệp (rơm, rạ, thân chuối,…), còn đối với gỗ mềm (thông, vân sam,…) thì thành phần chủ yếu là glucomannan (chuỗi glucomannose) Hàm lượng xylose trong mô của các loại cỏ và ngũ cốc có thể chiếm tới 50% Độ trùng hợp của hemicellulose nằm trong khoảng từ 70 đến 200 tùy vào loại gỗ [9]

Hình 2 4: Các monomer của hemicellulose [20]

Hemicellulose dễ tan hơn cellulose và có thể được tách ra khỏi gỗ bằng phương pháp chiết Tuy nhiên nếu dịch chiết là kiềm có thể khử hoàn toàn nhóm acetyl trong hemicellulose [21] Xylan có thể xem là phần dễ bị chiết ra nhất của hemicellulose bởi acid hoặc kiềm Tuy nhiên, glucomannan gần như không bị chiết trong môi trường acid mà cần môi trường kiềm mạnh hơn để có thể chiết ra [22], [23]

Hemicellulose đóng vai trò như là chất kết nối cellulose và lignin, giúp cho mạng lưới cellulose – hemicellulose – lignin trở nên chắc chắn hơn [24] Trong quá trình tiền xử lý bằng hóa chất và nhiệt độ, các nhóm ở mạch nhánh của hemicellulose sẽ phản ứng trước, rồi sau đó mới tới mạch chính [25]

lignin liên kết với carbohydrate bằng liên kết ester, ether hoặc ketal LCCs cản làm giảm hiệu quả quá trình thủy phân do cản trở sự tiếp xúc của enzyme và carbohydrate Vì vậy, nguyên liệu cần phải được tiền xử lý để tăng bề mặt tiếp xúc

và loại bỏ lignin [26] Ngoài ra, do đơn phân của lignin không phải là đường nên sẽ không thể chuyển hoá thành đường Vì thế, trong quá trình sản xuất ethanol, lignin cần được loại bỏ hoặc tách ra để sử dụng với các mục đích khác [27]

Hình 2 5: Các monomer của lignin [28]

Lignin giữ vai trò như chất keo liên kết giữa hemicellulose và cellulose, giúp củng cố độ bền cho vùng kết tinh của cellulose, giúp cho thực vật phát triển chiều cao dễ dàng [29], [26], [30] Hàm lượng lignin thay đổi theo từng loại thực vật, trong các loại cỏ và phế phẩm nông nghiệp, hàm lượng lignin chiếm khoảng từ 10 đến 20% [26] Sự phân hủy sinh học của lignin chỉ xảy ra dưới nồng độ nitrogen thấp do đó lignin không thể bị phân hủy dưới những điều kiện bình thường của quá trình lên men ethanol Lignin, cũng như hemicellulose, hòa tan vào nước ở nhiệt độ

180oC, pH trung hòa [31] Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu cho thấy, chuỗi lignin bị phân cắt mạnh trong môi trường kiềm do sự tấn công của ion OH– vào liên kết β –

O – 4 aryl ether – đây là liên kết chính trong mạng lưới ba chiều của lignin [29], [26] (Hình 2.6)

Hình 2 6: Cấu trúc của lignin [32]

Chất trích ly và tro chiếm phần rất nhỏ trong lignocellulose Hàm lượng của chúng phụ thuộc rất nhiều vào loài cũng như từng bộ phận khác nhau của cây Ngoài ra, dinh dưỡng, thổ nhưỡng, thời tiết… cũng có ảnh hưởng; đặc biệt đối với hàm lượng Na, K, Cl, P của cây nông nghiệp [29],[33] Những chất này được chia làm hai loại: các chất trích ly được trong dung môi và các chất không trích ly được trong dung môi Những chất trích ly quan trọng nhất là nhựa (chất béo, acid béo và phytosterol), terpene (isoprene alcohol, ketone) và phenol Phương pháp để tách các chất này trong quá trình phân tích thành phần xơ sợi là sử dụng hệ dung môi ethanol/toluene (1:2 (v:v)) trong 8 giờ [34] Các chất không trích ly bao gồm pectin, protein, các chất vô cơ như Si, Ca, Mg,… Các chất vô cơ thường được xác định trong hàm lượng tro của nguyên liệu sau khi nung Do có hàm lượng thấp nên chất trích ly và không trích ly thường không có ảnh hưởng lớn đến độ bền chắc của lignocellulose [35]

2.1.2 Nguyên liệu giàu lignocellulose – thân chuối

Chuối (Musa acuminata) là loại cây ăn trái quan trọng, được trồng rộng rãi

ở các nước nhiệt đới và cận nhiệt đới [36]

Chuối là một trong những loài thân thảo lớn nhất [37] Cây chuối cao từ 2 –

7 m, chuối là loại cây có thân ngầm, gọi là củ chuối (corn) Thân trên mặt đất chỉ

là thân giả do các bẹ lá cấu tạo thành [36] Hoa chuối mọc ra từ thân chuối gồm hoa cái ở trên (khoảng 5 – 15 hàng) và hoa đực ở dưới (bắp chuối) Những bông hoa cái sẽ phát triển thành quả chuối với thịt màu trắng hoặc màu vàng [38] Mỗi thân giả có thể ra 1 buồng chuối Trước khi chết, thân giả sẽ được thay thế bằng thân giả non [36] (Hình 2.7) Chu kỳ này có thể tiếp tục trong vài thế hệ

Hình 2 7: Cấu tạo cây chuối [39]

Thân chuối là lignocellulose do có hàm lượng cellulose, hemicellulose và lignin khá cao (trên 65% khối lượng khô) Thành phần hóa học của các chất trong

thân chuối có thể thay đổi tùy vào giống chuối, tuổi, điều kiện sinh trưởng (Bảng 2.1)

Bảng 2 1: Thành phần hóa học của thân chuối (% theo khối lượng chất khô)

al (2013) là trên 18%) trong khi gỗ thông có hàm lượng lignin là 29,40% [40] Hàm lượng lignin thấp giúp cho quá trình tiền xử lý sẽ dễ dàng hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thủy phân và lên men Thành phần hóa học của thân chuối tương đương với các loại phế phẩm nông nghiệp khác như rơm lúa mì, thân ngô, lõi ngô, lục bình, cỏ kê Mỹ với hàm lượng cellulose khoảng dưới 40% và lignin

13 – 20%, nên có thể xếp thân chuối vào nhóm lignocellulose dạng cỏ và phế phẩm nông nghiệp (Bảng 2.2)

Bảng 2 2: Thành phần hóa học của một số loại lignocellulose (% theo khối

2.1.2.3 Hiện trạng sử dụng và tiềm năng của thân chuối

Chuối là loại cây ăn quả thu hoạch một lần, có nghĩa là sau khi trái đã đạt độ chín và được thu hoạch thì toàn bộ thân giả của cây chuối sẽ bị chặt để cho cây non phát triển, chu kỳ này sẽ tiếp tục qua vài thế hệ của cây cho đến khi năng suất cho trái của cây suy giảm nhiều Do đó, quá trình này tạo ra rất nhiều phụ phẩm như thân chuối (thân giả), lá, hoa, vỏ chuối,… Thân chuối là phế phẩm chính, hằng năm trung bình một hecta trồng chuối sẽ tạo ra 100 tấn thân chuối [36] Thông thường, thân chuối sẽ được để tự phân hủy trên mặt đất nhằm cung cấp chất dinh dưỡng cho đất Tuy nhiên, cách giải quyết này gây ra sự thất thoát một nguồn nguyên liệu lớn, tạo ra lượng lớn khí CO2, mùi hôi khó chịu, gây các vấn đề nghiêm trọng về môi trường Ngoài ra, việc để thân chuối tự phân hủy trên mặt đất còn tạo điều kiện cho

loài nấm Fusarium oxysporum f sp cubense (FOC) gây ra bệnh Panama trên cây

chuối, một trong những nguyên nhân gây hại trầm trọng lên quá trình trồng trọt và thu hoạch chuối [36], [46] Do đó, việc sử dụng nguồn nguyên liệu này một cách thích hợp để giải quyết các vấn đề liên quan đến sinh thái, môi trường và kinh tế là hết sức cần thiết [40]

Trên thế giới, thân chuối được sử dụng vào rất nhiều mục đích như sản xuất giấy, sợi công nghiệp, biogas, thức ăn chăn nuôi [47], [48], [36] Đã có một số nghiên cứu sử dụng thân chuối có ứng dụng trong công nghệ hóa học và thực phẩm như: sản xuất enzyme cellulase và sản xuất acid lactic và sản xuất ethanol [49], [50], [51] Ethanol sinh học đã được các quốc gia trên thế giới quan tâm và nghiên cứu Thay vì sử dụng những nguồn nguyên liệu đắt tiền đi từ tinh bột bắp hay mía

để sản xuất ethanol thì lignocellulose là một sự lựa chọn thích hợp để thay thế vì đây là nguyên liệu không gây ảnh hưởng lớn lên chuỗi cung cấp thực phẩm cho con người [21] Snehal Ingale et al (2014) nghiên cứu sử dụng thân chuối như là nguồn

cơ chất cho nấm men Saccharomyces cerevisiae NCIM 3570 dạng tự do lên men

sinh ethanol bằng phương pháp thủy phân, lên men riêng biệt Kết quả cho thấy sau

72 giờ, nồng độ ethanol cao nhất là 17,10 g/L, hiệu suất 84%, như vậy thân chuối hoàn toàn có thể trở thành một nguyên liệu rẻ tiền để sản xuất ethanol đem lại hiệu quả kinh tế [51]

Riêng ở Việt Nam, theo Lê Bền (2015), diện tích trồng chuối khoảng 150 nghìn ha, chiếm tới gần 20% tổng diện tích cây ăn trái, sản lượng hàng năm lên tới 1,4 triệu tấn Ở nước ta, thân chuối chủ yếu được sử dụng làm thức ăn cho gia súc Chưa có nghiên cứu cũng như ứng dụng thực tiễn về việc sử dụng thân chuối như là một nguồn lignocellulose để sản xuất ethanol Do đó, một quốc gia nông nghiệp như Việt Nam với sản lượng phụ phẩm từ nông nghiệp rất lớn, cụ thể ở đây là thân chuối, hoàn toàn có thể tận dụng nguồn nguyên liệu lignocellulose này để sản xuất ethanol, giúp nâng cao giá trị sử dụng của cây chuối

Lignocellulose là một trong những nguồn năng lượng thay thế đầy hứa hẹn

để sản xuất ethanol Tuy nhiên, cấu trúc của lignocellulose tạo tính bền vững và làm cho hiệu suất quá trình thủy phân thấp Chính vì vậy, nguyên liệu cần phải được tiền

xử lý nhằm làm giảm mức độ kết tinh của cellulose, loại bỏ lignin, hemicellulose và tăng bề mặt tiếp xúc của nguyên liệu, tăng hiệu quả thủy phân cellulose và giảm lượng enzyme sử dụng [3],[11]

Quá trình tiền xử lý lignocellulose được thể hiện trong Hình 2.8

Hình 2 8: Cấu trúc nguyên liệu lignocellulose trước và sau tiền xử lý [11] Cho đến nay, nhiều phương pháp tiền xử lý khác nhau đã được phát triển, có thể được phân loại thành phương pháp sau:

 Phương pháp tiền xử lý vật lý: nghiền, chiếu xạ

 Phương pháp tiền xử lý hóa lý: nổ hơi, hydrothermal, nổ sợi ammonia,

CO2 siêu tới hạn

 Phương pháp tiền xử lý hóa học: dung môi hữu cơ, chất lỏng ion, dung dịch acid, dung dịch kiềm

 Phương pháp tiền xử lý sinh học [9]

Xét về ưu, khuyết điểm; hiệu quả kinh tế của từng phương pháp, cũng như điều kiện tiến hành thí nghiệm thì phương pháp tiền xử lý hóa học bằng dung dịch acid và kiềm chiếm nhiều ưu thế và thuận lợi hơn Chính vì vậy, luận văn này sẽ tiến hành khảo sát quá trình tiền xử lý bột thân chuối bằng dung dịch H2SO4 và dung dịch NaOH để xác định điều kiện tiền xử lý mang lại hiệu quả cao và sử dụng bột thân chuối đã tiền xử lý làm cơ chất cho quá trình thủy phân và lên men đồng thời thu nhận ethanol

2.2.1 Quá trình tiền xử lý lignocellulose bằng acid

Liên kết glucoside của hemicelluloses và cellulose dễ bị acid phá hủy, tiền

xử lý acid có thể được áp dụng để hòa tan một phần hemicellulose từ nguyên liệu lignocellulose, đồng thời tác động tới cấu trúc của cellulose để cải thiện khả năng tiếp cận của enzym với cellulose [52]

Cả acid đậm đặc và acid loãng đều được sử dụng để tiền xử lý nguyên liệu lignocellulose khác nhau Tuy nhiên, tiền xử lý bằng acid đậm đặc có thể gây thoái hóa không mong muốn ở cellulose, sinh nhiều chất ức chế và ăn mòn thiết bị, do đó các acid đậm đặc ít được sử dụng [52] Acid loãng thường được dùng để tiền xử lý

ở nhiệt độ cao (>160oC), thời gian ngắn (10 – 15 phút) hoặc nhiệt độ thấp (<160oC) nhưng thời gian dài hơn (30 – 90 phút) [27] Các acid vô cơ được sử dụng để tiền

xử lý là H2SO4, HCl, H3PO4 và HNO3, phổ biến nhất là H2SO4 loãng ở điều kiện

100 – 200oC với nồng độ 0,5 – 2,5% Các acid hữu cơ như formic, acetic, propionic, fumaric, maleic và oxalic cũng được sử dụng để tiền xử lý Đặc điểm của acid hữu

cơ là khả năng hoà tan lignin cao, hình thành chất ức chế như furfural ít hơn so với acid vô cơ nhưng do lực acid yếu nên nếu dùng acid hữu cơ thì phải dùng với lượng lớn dẫn đến không hiệu quả về mặt kinh tế [52], [53]

Khi tiền xử lý bằng acid vô cơ thì hàm lượng lignin trong nguyên liệu lại

tăng do acid vô cơ không hòa tan được lignin nên cần phải loại bỏ lignin để nâng cao hiệu quả thủy phân của lignocellulose sau tiền xử lý [29]

Ngoài ra, bên cạnh việc hoà tan hemicellulose thì dung dịch acid loãng còn phân cắt lượng hemicellulose hoà tan này thành đường đơn [26] Do vậy, tuỳ thuộc vào nhiệt độ của quá trình mà các loại đường này sẽ bị biến đổi thành các chất ức chế hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật trong quá trình lên men như furfural, 5–hydroxymethylfurfural (5 – HMF) và acid hữu cơ như uronic, formic, levulinic và acetic acid [54], [55] (Hình 2.9) Nồng độ acid càng cao, nhiệt độ tiền xử lý càng cao thì hàm lượng các chất này sau quá trình tiền xử lý càng cao [56]

Hình 2 9: Các chất ức chế sinh ra trong quá trình tiền xử lý lignocellulose bằng

dung dịch acid [57]

Có nhiều tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện tiền xử lý với dung dịch H2SO4 loãng [58], [59] Hernández et al (2013) nghiên cứu phế phẩm vỏ Moringa oleifera được tiền xử lý bằng dung dịch H2SO4 loãng, kết quả khoảng 24,7 – 50,2% xylan được chuyển hóa thành đường [59] García et al (2014) đã tiền xử lý

vỏ quả Jatropha curcas bằng dung dịch H2SO4 nồng độ từ 0,5 – 2,5% ở 110–150°C trong 15 – 45 phút dẫn đến trên 80% cellulose được thủy phân trong quá trình thủy phân bằng enzyme sau khi tiền xử lý [58] Hiệu quả thủy phân của vỏ trấu lúa mì đã được ghi nhận đạt đến 74% sau khi được tiền xử lý với H2SO4 0,75% ở 121oC bởi Saha et al (2005) [60] Cara et al (2008) cũng tiến hành tiền xử lý phế thải từ gỗ của cây olive với H2SO4 1,4% ở 210oC rồi tiến hành thuỷ phân với hiệu suất đạt 76,5% [61] Hiệu suất lên men ethanol đạt 0,47 g/g glucose khi sử dụng bã quả điều

đã qua xử lý với H2SO4 ở 121oC trong 15 phút trong nghiên cứu của Rocha et al (2009) [62]

Vanderghem (2012) nghiên cứu tiền xử lý cỏ Miscanthus x giganteus với tỷ

lệ acid formic/acetic acid/nước là 40/40/20 tại 107oC trong 3 giờ loại bỏ 79,6% lignin và hàm lượng cellulose đạt 75,3% [63]

2.2.2 Quá trình tiền xử lý lignocellulose bằng kiềm

Tiền xử lý kiềm là một trong những phương pháp tiền xử lý lignocellulose được nghiên cứu nhiều nhất Khi nguyên liệu được ngâm trong kiềm, các liên kết ester – acetyl của hemicellulose sẽ bị loại bỏ Hemicellulose bị cắt ra thành các đơn phân và hoà tan vào dung dịch, khiến cho cấu trúc nguyên liệu bị mất đi tính bền vững [26],[29] Thêm vào đó, dung dịch kiềm khiến cho cấu trúc cellulose bị thay đổi – phồng rộp lên Điều này làm giảm tỉ lệ vùng kết tinh, khiến vật liệu trở nên xốp hơn, nhiều lỗ rỗng hơn, làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa enzyme và vật liệu, tạo điều kiện thuận lợi cho sự tiếp cận và xúc tác của enzyme [26], [27] Cấu trúc của lignin khi xử lý với kiềm cũng bị thay đổi Các chuỗi polymer bị phá huỷ chủ yếu

do sự cắt đứt các liên kết β – O – 4 aryl ether Cơ chế của sự phân cắt này vẫn đang được nghiên cứu tuy nhiên việc thuỷ phân nguyên liệu lignocellulose không yêu cầu phải loại bỏ hoàn toàn lignin [26],[29]

Ưu điểm của phương pháp tiền xử lý với kiềm là không gây thoái hoá đường, không làm hình thành các chất ức chế như furfural, 5 – HMF Tuy nhiên, một số đơn phân của lignin (hợp chất phenolic) hình thành sau quá trình tiền xử lý gây ra

sự ức chế quá trình thủy phân và lên men Các hợp chất này phá vỡ màng tế bào nấm men, không cho lớp màng này thực hiện được chức năng hàng rào chọn lọc

bảo vệ tế bào (Hình 2.10) Một ưu điểm khác của phương pháp này là có thể được

sử dụng ở nhiệt độ phòng với thời gian xử lý từ vài giờ đến vài ngày [52], [53] Kumar et al (2009) đã chỉ ra rằng, đối với phế phẩm công nghiệp, việc tiền xử lý bằng dung dịch kiềm sẽ cho hiệu quả cao hơn khi so với việc sử dụng kiềm để tiền

xử lý phế phẩm từ các loại gỗ cứng do hàm lượng lignin thấp Điều này hứa hẹn việc tiền xử lý lignocellulose từ phế phẩm nông nghiệp trong dung dịch kiềm sẽ mang lại kết quả khả quan khi ứng dụng trong thực tế [27]

Hình 2 10: Các chất ức chế sinh ra từ lignin khi tiền xử lý lignocellulose bằng dung

dịch NaOH [64]

Các tác nhân kiềm khác nhau như NaOH, Ca(OH)2, KOH, Na2CO3 và amoniac lỏng, đã được sử dụng để tiền xử lý nhiều nguyên liệu lignocellulose (Bảng 2.3) Trong số đó, dung dịch NaOH và Ca(OH)2 được sử dụng phổ biến [9] Bởi vì dung dịch Ca(OH)2 có độ hòa tan thấp ở nhiệt độ cao cho nên quá trình tiền xử lý Ca(OH)2 thường được thực hiện ở nhiệt độ tương đối thấp trong thời gian dài [65] NaOH có tính base mạnh hơn Ca(OH)2, trong cùng điều kiện tiền xử lý thì hiệu quả tiền xử lý bằng dung dịch NaOH tốt hơn [66] Do đó, NaOH được sử dụng phổ biến trong quá trình tiền xử lý bằng kiềm

Bảng 2 3: So sánh các điều kiện khi tiền xử lý bằng các loại kiềm khác nhau

hoặc dạng khí

1 – 5 % 5 – 15% 0,1g/g nguyên liệu

Mức độ ăn

Kim et al (2006) đã dùng Ca(OH)2 để tiền xử lý vỏ ngô Với hàm lượng 0,17

g Ca(OH)2/1g vỏ ngô thì sau một tuần ở 50oC, 90% gốc acetyl đã bị loại bỏ Sau 16 tuần, ở tất cả các điều kiện nhiệt độ khảo sát (25 – 55oC), cellulose của vỏ ngô gần như không bị ảnh hưởng dù phần lớn hemicellulose đã bị loại bỏ hoặc hoà tan vào dịch tiền xử lý [65] Một nghiên cứu khác, Xu et al (2010) dùng NaOH 2% ở nhiệt

độ 21, 50 và 121oC để tiền xử lý cỏ kê Mỹ, kết quả là sau 96 giờ thì 62,9%, 77,8%

và 85,8% lignin được loại bỏ (tương ứng với các nhiệt độ trên) [67] Azizul et al (2012) tiến hành thí nghiệm trên rơm lúa mạch với dung dịch NaOH 2% ở 100oC trong 60 phút, kết quả là 84,8% lignin và 79,5% hemicellulose đã bị loại bỏ [68]

2.3.1 Quá trình thủy phân

Trong sản xuất ethanol từ nguyên liệu lignocellulose, quá trình thủy phân là cần thiết để thủy phân lignocellulose tạo ra đường cung cấp cho quá trình lên men tạo ethanol tiếp theo Cellulose và hemicellulose được phân cắt thành glucose, xylose và các loại đường khác Lượng lignin còn sót lại trong bước tiền xử lý thì hầu như không chịu tác động trong quá trình thủy phân Lignin thường kết tủa trong quá trình thủy phân và có thể được tách ra từ dịch thủy phân bằng cách lọc hoặc ly tâm [69]

Quá trình thủy phân có thể được xúc tác bằng acid hoặc enzyme [57] Thủy

phân với xúc tác acid thường được tiến hành với các acid vô cơ như H2SO4 và HCl

ở nhiệt độ từ 120oC đến 200oC [70] Quá trình diễn ra nhanh và dễ thực hiện, tuy nhiên nhược điểm là việc có sự hình thành các sản phẩm phụ không chọn lọc gây ức chế quá trình lên men như các acid yếu, furfural,…[71] Hiệu suất ethanol từ quá trình lên men với dịch thủy phân bằng acid loãng chỉ đạt từ 50 – 60% [72] Ngược lại, thủy phân với xúc tác enzyme thu được monosaccharide với hiệu suất cao hơn thủy phân bằng acid vì enzyme cellulase chỉ xúc tác phản ứng thủy phân chứ không xúc tác phản ứng phân hủy đường [73] Ngoài ra, ưu điểm nữa của thủy phân enzyme so với thủy phân acid là điều kiện phản ứng thủy phân enzyme ôn hòa hơn rất nhiều (pH xấp xỉ 5, nhiệt độ khoảng 50oC) tránh gây hao mòn thiết bị, có thể áp dụng được cho quá trình thủy phân và lên men đồng thời [74] Enzyme có thể phân hủy sinh học nên rất thân thiện với môi trường [57] Qua đó việc lựa chọn enzyme

để tiến hành thủy phân nguyên liệu thành các loại đường lên men là hoàn toàn hợp

lý

2.3.1.1 Enzyme cellulase

Cellulase là hệ enzym thủy phân liên kết β – 1,4 trong mạch cellulose Cellulase được phân loại dựa vào trình tự axit amin và các cấu trúc tinh thể của chúng [75] Cellulase được thu nhận từ chủ yếu từ nấm mốc, vi khuẩn, xạ khuẩn

Nấm mốc: Trichoderma viride, Sporotrichum pulverulentum, Penicillium juniculosum, … [76]

Vi khuẩn: Anaerocellum thermophilum, Bacillus subtilis, Clostridium thermocellum, …[77]

Xạ khuẩn: Microbispora bispora, Thermonospora fusca, … [78]

Trong tự nhiên, quá trình thủy phân cellulose hoàn toàn diễn ra bởi hệ ba enzyme cellulase: endoglucanases (EC 3.2.1.4), exoglucanases bao gồm cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91), và β – glucosidase (EC 3.2.1.21) [77] (Hình 2.11)

EC 3.2.1.4: là một endoenzyme, xúc tác thủy phân liên kết β – 1, 4 glycoside

ở giữa mạch phân tử cellulose

EC 3.2.1.91: là một exoenzyme, xúc tác thủy phân liên kết β – 1, 4 glycoside trong phân tử cellulose từ đầu không khử, tạo ra sản phẩm cellobiose

EC 3.2.1.21: có khả năng thủy phân những đoạn oligomer của cellulose và cellobiose Enzyme này thủy phân từ đầu không khử và giải phóng glucose [79] (Hình 2.11)

Hình 2 11: Cơ chế của quá trình thủy phân cellulose với xúc tác enzyme

 Kích thước nguyên liệu

Khi kích thước nguyên liệu giảm tới mức độ nano, diện tích bề mặt riêng của

lignocellulose gia tăng mạnh sẽ giúp cho enzyme dễ dàng tiếp xúc được với cellulose khiến cho quá trình thủy phân enzyme diễn ra hoàn toàn trong thời gian ngắn [81]

 Mức độ kết tinh của cellulose

Mức độ kết tinh của cellulose là một yếu tố quan trọng làm giảm khả năng tiếp xúc với enzyme của cellulose Nhìn chung, một lượng lớn cellulose tồn tại dưới dạng tinh thể đã cản trở đáng kể mức độ thủy phân cellulose bằng tác nhân hóa học

và sinh học Kích thước lớn của cellulase (3 – 18 nm) khiến cho enzyme này chỉ có thể thủy phân trên bề mặt tinh thể cellulose, khiến cho hiệu suất thủy phân enzyme rất thấp [82]

 Sự liên kết của cellulose với hemcellulose và lignin

Hemicellulose và lignin gắn kết chặt chẽ với cellulose nên hàm lượng và sự phân bố hai thành phần này cũng có ảnh hưởng lớn đến khả năng tương tác của enzyme và cellulose làm cho hiệu quả thủy phân giảm [52] Ngoài ra, enzyme cũng

có khả năng bám lên lignin Do đó, việc loại bỏ hemicellulose và lignin là cần thiết

để mở rộng bề mặt tiếp xúc của cellulose và nhằm giảm thiểu sự bám dính của enzyme lên lignin [83]

 Các chất ức chế enzyme

Hoạt tính của enzyme có thể bị ức chế bởi các chất như cellobiose, glucose

và các sản phẩm có thể sinh ra trong quá trình tiền xử lý như acid yếu, furfural, HMF và các hợp chất phenolic tan được [84] Các chất này cũng ảnh hưởng đến nấm men [85] Cellobiose kết hợp với tryptophan tạo thành vật cản ngăn chuỗi cellulose tiếp xúc với trung tâm hoạt động của cellulase [86] Thêm β – glucosidase trong quá trình thủy phân enzyme có thể giảm khả năng ức chế của cellobiose do enzyme này xúc tác thủy phân cellobiose [79] Tuy nhiên, hàm lượng cao glucose

trong dịch thủy phân có thể ức chế cả cellulase và β – glucosidase

2.3.2 Quá trình lên men thu nhận ethanol từ lignocellulose

Quy trình sản xuất ethanol từ lignocellulose là phương pháp tiềm năng để sản xuất nhiên liệu sinh học với chi phí thấp Quá trình này bao gồm bốn giai đoạn cơ bản: tiền xử lý, thủy phân bằng enzym, lên men và chưng cất [79]

Ethanol có thể thu nhận bằng các quá trình khác nhau như thủy phân và lên men riêng biệt – SHF, thủy phân và lên men đồng thời – SSF (quá trình thủy phân

và lên men đồng thời trong đó quá trình lên men sử dụng cơ chất là hexsoe) và đồng thủy phân và đồng lên men – SSCF (quá trình thủy phân và lên men đồng thời trong

đó quá trình lên men sử dụng cơ chất là hexsoe và pentose) Các sản phẩm hình thành trong bước thủy phân của quá trình SHF như cellobiose và glucose, ức chế enzym cellulase cũng như các vi sinh vật lên men [6] Quá trình SSF khắc phục được nhược điểm này

2.3.2.1 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời

Quá trình thủy phân và lên men đồng thời (SSF) được mô tả đầu tiên bởi Takagi et al (1977), đây là sự kết hợp quá trình thủy phân cellulose bằng enzym với quá trình lên men các loại đường chuyển hóa thành ethanol [87]

Với quá trình SSF, lượng đường tạo ra từ quá trình thủy phân được chuyển hóa bởi các vi sinh vật, do đó làm giảm bớt sự ức chế bởi sản phẩm [88], [89] Quá trình SSF làm giảm nguy cơ nhiễm do sự hiện diện của ethanol và giảm thiết bị sử dụng, lượng enzyme sử dụng ít hơn [90], [91], [92] Hiệu suất ethanol của quá trình SSF cao hơn SHF [6], [7], [8] Tuy nhiên, một trong những nhược điểm chính trong một quá trình SSF là nhiệt độ tối ưu cho cả hai giai đoạn thủy phân và lên men Trong khi đó, quá trình thủy phân enzyme có khoảng nhiệt độ tối ưu khoảng 50oC, hầu hết các vi sinh vật lên men có nhiệt độ tối ưu trong khoảng giữa 30 và 37oC [6], [93], [94] Trên 40oC, khả năng tồn tại của nấm men giảm, ảnh hưởng đến hiệu suất sinh tổng hợp ethanol Việc sử dụng nhiệt độ thấp làm giảm hoạt động của enzyme

và làm tăng thời gian của quá trình SSF và lượng enzyme sử dụng

Một giải pháp để cải thiện SSF là sử dụng chủng vi sinh vật sản xuất ethanol chịu nhiệt Để quá trình SSF diễn ra ở nhiệt độ cao hơn, có thể nâng cao tốc độ thủy phân và giảm thời gian cho quá trình SSF và lượng enzyme sử dụng, hiệu suất sinh

tổng hợp ethanol được cải thiện [95] Nấm men chịu nhiệt Saccharomyces, Kluyveromyces, và Fabospora đã được quan sát thấy phát triển ở nhiệt độ trên 40oC

và lên men đường hexose ở 40o

C, 43oC, và 46oC, tương ứng [96] Một số nhà

nghiên cứu đã thử nghiệm với các chủng chịu nhiệt của Saccharomyces cerevisiae,

Kluyveromyces marxianus, và Kluyveromyces fragilis cho quá trình SSF với cơ chất

cellulose [97], [98], [99], [100], [101], [102] Ngoài ra, có một số lợi thế mà có thể được khai thác với việc sử dụng nấm men chịu nhiệt như, tiết kiệm năng lượng thông qua việc giảm chi phí làm mát, hiệu suất thủy phân cao hơn, loại bỏ ethanol liên tục và giảm đáng kể nguy cơ ô nhiễm [103], [104]

2.3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân và lên men đồng

 Mật độ giống nấm men

Nấm men chuyển hóa đường thành ethanol và khí carbonic Mỗi loài nấm men có khả năng lên men khác nhau Cùng loài nấm men nhưng ở những điều kiện lên men khác nhau thì khả năng lên men là khác nhau và sản phẩm của quá trình lên men cũng khác nhau Việc bổ sung tỷ lệ giống lên men cũng phải được lựa chọn [105] Mật độ nấm men thấp sẽ làm giảm hiệu suất ethanol Tuy nhiên, nếu mật độ nấm men quá cao cũng sẽ làm giảm hiệu suất ethanol [106]

 Nhiệt độ

Trong quá trình SSF, nhiệt độ phải phù hợp cho cả enzym cellulase và nấm

men hoạt động hiệu quả Nấm men chịu nhiệt: Fabospora fragilis, Saccharomyces uvarum, Candida brassicae, C lusitaniae và Kluyveromyces marxianus đã được

nghiên cứu sử dụng trong quá trình SSF cho phép quá trình lên men ở nhiệt độ gần với nhiệt độ tối ưu của các enzym [97], [98], [96], [109], [93] Quá trình SSF (cơ chất cellulose) được thưc hiện với hỗn hợp chủng nấm men chịu nhiệt khác nhau cũng đã được nghiên cứu [109], [110]

2.3.2.3 Nấm men Kluyveromyces marxianus

Kluyveromyces marxianus được mô tả lần đầu vào năm 1888 bởi E.C Hansen sau khi được Marx phân lập từ quả nho và đặt tên là Saccharomyces marxianus [111] Tuy nhiên hình thái và khả năng lên men khác với những chủng Saccharomyces trước đó nên năm 1956, Van der Walt đã phân loại Saccharomyces marxianus thành giống mới là Kluyveromyces [112] Giống như Saccharomyces cerevisiae, Kluyvomyces marxianus có thể sử dụng đường bằng cách phosphoryl hóa hoặc lên men ethanol tạo năng lượng [113] Đáng chú ý là Kluyveromyces marxianus có thể phát triển ở nhiệt độ cao từ 45 – 50oC tạo là lượng ethanol tối đa

là 7% (w/v) và 5,5% (w/v) tương ứng [114] Kluyveromyces marxianus đã được

chứng minh là có khả năng phát triển nhanh và sinh tổng hợp ethanol cao ở nhiệt độ cao [115], [116]

Kluyveromyces marxianus có khả năng sử dụng nhiều nguồn cơ chất như hexose, sucrose, xylose, lactose; trong khi đó Saccharomyces cerevisiae không có khả năng sử dụng xylose, lactose [117], [118] Kluyveromyces marxianus có khả

năng lên men cao khi sử dụng cỏ kê Mỹ như nguồn cơ chất để lên men ở 40 – 50oC,

hiệu suất ethanol đạt gần 78% [115] Kluyveromyces marxianus cũng có thể lên

men với cơ chất là dịch whey, bột whey [119], [120]

Khả năng lên men của Kluyveromyces marxianus cố định cũng đã được

nghiên cứu Xuewu và cộng sự (2010) so sánh khả năng lên men của nấm men

Kluyvomyces marxianus tự do và cố định trên gel alginate khi sử dụng whey là cơ chất Ethanol tạo ra bởi nấm men Kluyveromyces marxianus cố định (4,1% v/v) cao hơn nấm men Kluyveromyces marxianus tự do (3,8% v/v) Hơn nữa, tốc độ sử dụng

đường của nấm men tự do cũng thấp hơn nấm men cố định Ở khoảng nhiệt độ 30 –

40oC , hiệu suất ethanol của nấm men cố định cao hơn so với nấm men tự do [121]

(Bảng 2.4) Kluyveromyces marxianus cố định trên các chất mang khác nhau như

gel alginate, khoáng kissiris, bẹ lá chuối đều đem lại hiệu quả lên men ethanol cao hơn so với nấm men tự do [120], [122], [121] Những kết quả nghiên cứu nói trên

cho thấy Kluyvomyces marxianus là loài nấm men có nhiều tiềm năng ứng dụng

trong công nghiệp sản xuất ethanol đặc biệt là lên men ở nhiệt độ cao

Bảng 2 4: So sánh khả năng lên men của Kluyveromyces marxianus tự do và

cố định trong gel alginate [120]

So với nấm men tự do, nấm men cố định có nhiều ưu điểm:

 Tạo điều kiện thuận lợi cho việc tách sinh khối ra khỏi môi trường lên men

 Tăng khả năng tái sử dụng của tế bào

 Tăng mật độ tế bào trong thiết bị sử dụng, dễ dàng điều khiển mật độ tế bào trong lên men

 Hạn chế sự ảnh hưởng của các vi sinh vật tạp lên tế bào

 Thực hiện quá trình lên men liên tục mà tế bào ít bị rửa trôi

 Tăng khả năng chống lại các điều kiện bất lợi của môi trường như sự thay đổi về nhiệt độ, pH, áp suất thẩm thấu hay sự xuất hiện các chất ức chế trong môi trường lên men

Dưạ vào tương tác giữa tế bào và chất mang, kỹ thuật cố định tế bào có thể chia thành 4 nhóm chính:

 Cố định tế bào lên bề mặt chất mang rắn

 Nhốt tế bào vào cấu trúc gel

 Kết bông tế bào

 Vi bao tế bào [124]

Trong đó, kỹ thuật nhốt tế bào vào cấu trúc gel thường được sửu dụng Đây

là kỹ thật bao bọc tế bào vào trong cấu trúc gel nhằm ngăn tế bào khuếch tán ra môi trường xung quanh nhưng vẫn cho phép tế bào trao đổi chất Hiện nay, chất mang thông dụng cho quá trình cố định tế bào nấm men là các loại gel tự nhiên và tổng hợp, trong đó gel alginate là chất mang phổ biến nhất để cố định nấm men do alginate trơ về mặt hóa học, quy trình cố định đơn giản, dễ thực hiện [125] Theo Gulnur Birol et al (1998), ưu điểm chính của chất mang này là độ xốp của mạng gel thuận lợi cho việc khuếch tán cơ chất và sản phẩm [126]

Trên thế giới có nhiều nghiên cứu sử dụng lignocellulose làm cơ chất cho quá trình thủy phân và lên men đồng thời sản xuất ethanol: rơm lúa mì, lá mía và lá

Antigonum leptopus, vỏ cây vân sam, rơm lúa mạch, cây liễu, cỏ Kanlow, cỏ kê Mỹ,

thân ngô [8], [93], [107], [108], [115], [127],[128] Sử dụng các chủng nấm men tự

do Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces marxianus, Kluyveromyces fragilis

Thân chuối đã được nghiên cứu tạo ethanol bằng quá trình thủy phân, lên men riêng biệt qua các nghiên cứu của Chittibatu et al (2011), Gonçalves Filho et

al (2013), Ingale et al (2014), Romero–Anaya et al (2011) [4], [41], [51], [129]

Trên cơ sở tiếp tục phát huy kết quả nghiên cứu trước, luận văn này tập trung nghiên cứu điều kiện tiền xử lý bột thân chuối bằng phương pháp hóa học Sau đó

sử dụng bột thân chuối đã tiền xử lý để thủy phân và lên men đồng thời thu ethanol

Theo các nghiên cứu đã công bố trên thế giới và trong phạm vi nguồn thông tin tiếp cận được, nhận thấy đề tài: “ Nghiên cứu quá trình tiền xử lý, thủy phân và

lên men đồng thời tạo ethanol từ thân chuối bằng nấm men Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate” có những điểm mới:

 Nguyên liệu sử dụng là một loại phế phẩm nông nghiệp – thân chuối chưa được tận dụng ở Việt Nam

 Sử dụng nấm men Kluyveromyces marxianus cố định trong gel alginate

nhằm giúp nấm men hoạt động ổn định với các điều kiện bất lợi

 Thu nhận ethanol từ bột thân chuối đã tiền xử lý bằng phương pháp tthủy phân và lên men đồng thời