Tải bản đầy đủ

Công nghệ xử lý bùn thải giấy theo hướng tái sản xuất nhiên liệu sinh học ethanol (tt)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

PHẠM THỊ THANH HÕA

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ BÙN THẢI GIẤY
THEO HƯỚNG SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC
ETHANOL

Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Mã số: 62.52.03.20

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

TP.HCM, năm 2018
NĂM 2016


Công trình được hoàn thành tại:

VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Địa chỉ: 142 Tô Hiến Thành, Phường 14, Quận 10, TP. HCM
Điện thoại: 028. 38651132 -028. 38637044 Fax: 028. 38655670

Người hướng dẫn khoa học:
1. GS.TS. NGUYỄN VĂN PHƯỚC
2. TS. PHẠM THỊ THU HẰNG

Phản biện độc lập:
1. GS.TS. HUỲNH TRUNG HẢI
2. PGS.TS. PHAN ĐÌNH TUẤN

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp
tại Viện Môi trường và Tài nguyên ngày tháng
năm 2018
Có thể tìm hiểu Luận án tại:
1. Thư viện Viện Môi trường và Tài nguyên
2. Thư viện Khoa học Tổng hợp TP. HCM


1

MỞ ĐẦU
1.

SỰ CẦN THIẾT

Cùng với sự phát triển về mặt kinh tế - xã hội, nhu cầu sử dụng giấy của con
người ngày nhiều và sản lượng giấy sản xuất hàng năm cũng ngày càng cao.
Bên cạnh sự đột phá về sản lượng giấy các vấn đề về ô nhiễm do ngành giấy
gây ra cũng đang được quan tâm. So với các nước trong khu vực và trên thế
giới công nghệ và trình độ sản xuất của Việt Nam còn lạc hậu. Lượng nước thải
và chất thải trên một đơn vị sản phẩm cao hơn rất nhiều. Điều này có nghĩa là
khi xử lý nước thải, lượng bùn thải giấy cũng tăng theo. Ngành giấy Việt Nam
chưa đủ minh chứng khoa học chứng minh bùn thải giấy không gây hại cho


môi trường, vì vậy mỗi công ty đang phải tự tìm cách xử lý và giải quyết lượng
bùn thải này cho riêng mình. Hiện nay, có rất nhiều phương pháp xử lý bùn thải
giấy, mỗi phương pháp có những ưu và nhược điểm riêng. Liên quan đến xử lý
chất thải là tốn kém chi phí, vậy xử lý làm sao để hài hòa cả ba mặt về kỹ thuật
– kinh tế - môi trường đang là vấn đề được quan tâm hiện nay.
Sản xuất nhiên liệu sinh học được từ cellulose trong bùn thải giấy hiện nay
đang là lĩnh vực nhiều kỳ vọng, vì đây là nguồn sinh khối có sẵn và dồi dào.
Bên cạnh đó, cellulose từ nguồn này không cạnh tranh với những nguồn sản
phẩm liên quan đến lương thực thực phẩm.
Tuy nhiên, bùn thải giấy đang được coi như là chất thải gây hại cho môi
trường, chứ không mang lại bất kỳ lợi ích kinh tế và xã hội nào cho dù có tiềm
năng tái sinh cao. Vì vậy, luận án “Nghiên cứu công nghệ xử lý bùn giấy theo
hướng sản xuất nhiên liệu sinh học ethanol” sẽ đưa ra được hướng giải quyết
cho bùn thải giấy theo hướng thân thiện với môi trường và giảm áp lực cho môi
trường, bên cạnh đó còn mang lại giá trị kinh tế đáng kể cho ngành giấy nói
riêng và xã hội Việt Nam nói chung.
2.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Định hướng xử lý bùn thải giấy thành nguồn cơ chất, nhằm tái chế tạo
sản phẩm thứ cấp góp phần phát triển bền vững.
- Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ethanol từ
bùn thải giấy.
3.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Để đạt được mục tiêu trên luận án thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:
- Xác định nồng độ kim loại gây ức chế hoạt động của enzym trong quá
trình thủy phân. Loại ức chế là ức chế cạnh tranh hay không cạnh tranh.


2
- Xây dựng phương trình động học của enzym cellulase với sự có mặt của
tổng các kim loại gây ức chế quá trình thủy phân;
- Tiền xử lý loại bỏ kim loại và lignin trong bùn thải giấy tới ngưỡng thích
hợp hoạt động của enzym;
- Tối ưu hóa quá trình thủy phân bằng enzym với hai loại khác nhau: (1)
enzym tinh khiết đã được công bố để đối chiếu và làm cơ sở khoa học trong
quá trình nghiên cứu; (2) enzym được sử dụng phổ biến trong công nghiệp để
đánh giá khả năng ứng dụng vào thực tế. Từ đó đưa ra được mô hình thực
nghiệm mô tả sự ảnh hưởng giữa các yếu tố trong quá trình thủy phân trên bùn
thải giấy được tiền xử lý kim loại và lignin;
- Thực hiện hai phương pháp lên men: lên men tách biệt từ glucose thủy
phân bùn thải giấy ở điều kiện tối ưu với nấm men Saccharomyces cerevisiae
đã được thử nghiệm và thủy phân và lên men đồng thời mẫu bùn thải giấy đã
được tiền xử lý. Đánh giá hiệu suất tạo bioethanol của hai phương pháp này.
4.

ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
4.1. Đối tƣợng nghiên cứu

- Bùn thải giấy: mẫu bùn thải sơ cấp được chọn từ 2 nguồn vật liệu đầu
vào: (1) bùn thải giấy từ nhà máy sản xuất giấy từ bột giấy và giấy tái chế công ty New Toyo Pulppy Việt nam (2) bùn thải giấy từ nhà máy sản xuất giấy
chỉ từ giấy tái chế - công ty giấy TNHH AFC.
- Enzym cellulase và β-glucosidase được chọn từ 2 nguồn: (1) cặp enzym
tinh khiết sử dụng cho phòng thí nghiệm (Celluclast® 1.5L/ Novozyme 188);
(2) cặp enzym với enzym celluase sử dụng cho công nghiệp (LeafCell/ β-DGlucoside glucohydrolase).
- Nấm men: Chọn nguồn nấm men có hoạt tính cao, được phân lập và
tuyển chọn ở Việt Nam.
4.2. Phạm vi nghiên cứu
Thực hiện trên mô hình phòng thí nghiệm
5.

PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
5.1. Phương pháp thu thập, nghiên cứu tài liệu

- Thu thập, tìm hiểu các tài liệu, sách trong và ngoài nước có các vấn đề
liên quan đến bùn thải giấy.
- Các phương pháp tiền xử lý bùn thải giấy đã được nghiên cứu


3
- Các enzym được sử dụng cho quá trình thủy phân bùn thải giấy thành
đường glucose và các yếu tố ảnh hưởng.
- Các chủng men vi sinh lên men đường glucose thành bioethanol và các
yếu tố liên quan.
5.2. Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm
- Phân tích thành phần của bùn thải giấy: pH, độ ẩm, Carbon tổng,
lignocellulose, phenol và các kim loại như As, Ni, Cu, Pb, Zn, Hg, Cr, Cd, …
- Phương pháp xác định hoạt tính của enzym cellulase và β-glucosidase.
- Phương pháp xác định nồng độ glucose bằng phương pháp DNS.
- Phương pháp xác định mật độ nấm men Saccharomyces cerevisiae.
- Phương pháp xác định nồng độ ethanol từ quá trình lên men.
5.3. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm và xử lý số liệu thống kê
- Quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp bề mặt đáp ứng và thiết kế
cấu trúc có tâm.
- Đánh giá và xử lý số liệu thống kê, đưa ra điều kiện tối ưu của quá trình
thủy phân.
6.

TÍNH MỚI, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
6. 1. Tính mới của đề tài

- Xử lý bùn thải giấy chứa kim loại và lignin thành nguồn nguyên liệu cho
mục đích tái tạo.
- Định hướng sản xuất bioethanol từ bùn thải giấy dựa trên hiệu quả
chuyển hóa cellulose của enzym công nghiệp.
6.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài
- Xác định được ngưỡng nồng độ ion kim loại gây ức chế hoạt động của
enzym thủy phân theo phương pháp FPA.
- Xây đựng phương trình động học enzym cellulase.
- Tiền xử lý đồng thời các ion kim loại và lignin trong bùn thải giấy.
- Xác định được điều kiện tối ưu cho quá trình thủy phân bùn thải giấy
bằng enzym được nghiên cứu.
- Thực hiện thủy phân và lên men theo hai phương pháp, tách biệt và đồng
thời. So sánh và đánh giá hiệu quả của hai phương pháp này.


4
6.3. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
Đưa ra được quy trình công nghệ sản xuất ethanol từ bùn thải giấy với các
nhu cầu nguyên liệu và hóa chất chính.
Tiến trình nghiên cứu đƣợc biểu diễn hình 1.
Bùn thải

giấy

Phân tích và đánh giá
thành phần bùn thải giấy

Khảo sát khả năng ức chế enzym
của kim loại

Không
đạt

Nghiên cứu tiền xử lý kim loại
và lignin

Đánh giá thành phần bùn
thải giấy sau tiền xử lý
Nấm men

Đạt

Thủy phân và lên
men đồng thời

Enzym

Tối ưu hóa quá
trình thủy phân

Enzym
Chưng cất

Lên men
Nấm men

Bioethanol

Hình 1: Tiến trình nghiên cứu của luận án


5
CHƢƠNG 1
1.1

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

Tổng quan về sản xuất giấy

Giấy là một sản phẩm của nền văn minh nhân loại với lịch sử lâu đời
hàng nghìn năm. Thành phần chính của giấy là cellulose một loại polymer
mạch thẳng và dài; hemicellulose với cấu trúc mạch nhánh có trong gỗ, bông
và các loại cây khác. Cellulose và hemicellulose bị bao quanh bởi một mạng
lignin cũng là dạng polymer.
Trong sản xuất giấy ngày nay, quy trình Kraft – sử dụng các hóa chất hỗ
trợ được áp dụng phổ biến nhất. Hiệu suất thu hồi cellulose ở quy trình hóa học
không cao, nhưng quy trình hóa học này cho phép loại bỏ phần lớn lignin, nên
sản phẩm giấy có độ bền tương đối cao.
1.2

Nguồn phát sinh của bùn thải giấy

Bùn thải giấy được hiểu là bùn thải phát sinh từ quá trình xử lý nước thải
ngành giấy.
Dựa vào quy trình xử lý nước thải nói chung, nước thải ngành giấy nói
riêng, nguồn phát sinh bùn thải giấy có thể biểu diễn bằng sơ đồ sau:

Nước
thải

Tiền xử


Cặn

Xử lý
hóa lý

Lắng 1/
tuyển nổi

Xử lý
sinh học

Lắng 2

Bùn
thứ cấp

Bùn
sơ cấp

Tách
nước

Bùn thải
giấy
Hình 1.1: Nguồn phát sinh của bùn thải giấy


6
Thành phần hữu cơ phân hủy sinh học trong bùn thải giấy chiếm khoảng
60 - 80%, còn lại là các thành phần như tro, hydrocarbon đa vòng (PAHs),
phenol và một số kim loại nặng như Ni, Cu, Pb, Zn, Cr, Hg, Cd…
Theo Tài liệu hướng dẫn sản xuất sạch hơn ngành giấy, hàng năm Việt
Nam thải ra khoảng 88.000 – 100.000 tấn bùn thải (từ sản xuất 2,2 triệu tấn
giấy). Nếu lượng bùn thải này được tận dụng sẽ cung cấp một nguồn nhiên liệu
đáng kể cho xã hội và đáp ứng nhu cầu giải quyết ô nhiễm môi trường hiện
nay.
1.2.1. Bùn thải giấy sơ cấp
Bùn thải sơ cấp là bùn thải phát sinh từ quá trình xử lý sơ bộ để loại bỏ
các chất rắn có thể lắng và thu gom trong nước thải. Trong một trạm xử lý nước
thải với bể xử lý sơ cấp và hệ thống bùn hoạt tính truyền thống, bùn sơ cấp
nhiều hơn so với bùn thứ cấp, chiếm khoảng 70% bùn tổng số tính theo trọng
lượng khô.
1.2.2. Bùn thải giấy thứ cấp
Bùn thải thứ cấp sinh ra từ các công trình xử lý nước thải bằng tác nhân
sinh học như bể bùn hoạt tính, bể bùn hoạt tính có màng lọc (MBR), lọc sinh
học và đĩa quay sinh học (RBC). Bùn thứ cấp có hàm lượng chất rắn trong
khoảng 1 – 2% [26].
1.3. Sản xuất năng lƣợng sinh học ethanol
Bùn thải có thể được xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau tùy theo
thành phần và tính chất của mỗi loại bùn.
Bùn thải giấy với thành phần chất hữu cơ cao, trong đó lignocellulose
chiếm chủ yếu. Nhờ vào đặc tính và cấu trúc của lignocellulose, ngoài việc
được xử lý giống các loại bùn thải thông thường khác như thải bỏ, thiêu đốt;
bùn thải giấy còn được xử lý dưới dạng tái sinh như làm vật liệu xây dựng, sản
xuất than hoạt tính và xử lý bằng biện pháp sinh học.
Nhiên liệu sinh học được đề cập ở đây là ethanol có công thức hóa học
C2H6O là loại nhiên liệu có thể tái tạo và phân huỷ sinh học sạch. Bioethanol có
khả năng sinh năng lượng tương đối giống xăng và được sử dụng như là một
loại phụ gia nhiên liệu trộn vào xăng. Ngành công nghiệp giấy tạo ra số lượng
lớn chất thải có chứa hàm lượng lignocellulose cao.
Bùn giấy thải để thích hợp sản xuất ethanol thường là bùn thải sơ cấp
được lấy từ quá trình xử lý hóa lý.


7
1.4. Tình hình nghiên cứu về bùn thải giấy trên thế giới và ở Việt Nam
1.4.1. Nghiên cứu trên thế giới
Nghiên cứu đầ tiên vào năm 1997, Licole Lark và các cộng sựđã nghiên
cứu sản xuất ethanol từ bùn thải giấy. Mẫu được lấy từ một nhà máy tái chế
giấy tại Oconto Falls WI, Mỹ. Sau khi tách nước độ ẩm còn khoảng 62 - 64%.
Thành phần cellulose chiếm 50% và hemicellulose là 10%.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng quá trình đường hóa và lên men đồng thời
với enzym cellulase (Trichoderma) và men Kluveromyces Marxianus, thời gian
lên men trong 72 giờ và lượng enzym cellulase xúc tác là 8 FPU/g bùn thải
giấy khô. Kết quả hiệu suất chuyển hóa khoảng 73%, với nồng độ 32g/l và 35
g/l ethanol thu được từ 180 và 190g/l bùn thải giấy, hiệu suất thu hồi ethanol
trên bùn thải giấy khoảng 18,4%.
Năm 2014, Adnan Cavka và các cộng sựđã lấy mẫu bùn thải giấy tại hai
công ty sản xuất giấy ở Thụy Sĩ với thành phần glucan của hai mẫu lần lượt là
69% và 90% khối lượng khô, thành phần lignin rất thấp với khoảng 3,2% và
0,8%.
Nhóm nghiên cứu sử dụng enzym Celluclast 1.5 và Novozyme 188 tỉ lệ
21: 75 (FPU:CBU) thành các đường đơn saccharide, chủ yếu là glucose và
xylose. Hai mẫu bùn thải giấy cho hiệu suất chuyển hóa ethanol lần lượt là 87%
và 95%.
Nhóm các nhà khoa học Cátia V. T. Mendes và các cộng sự đã nghiên
cứu sản xuất ethanol từ bùn thải giấy sơ cấp nhà máy sản xuất bột giấy và giấy.
Các đường thủy phân này được lên men với Sacchromyces cerevisiae và
Pichia stipitis. Cả hai loại men này đều cho kết quả chuyển hóa giống nhau,
hiệu suất lên men thành ethanol đạt tới 96% so với lượng lớn nhất theo lý
thuyết (0,51g ethanol/g glucose) và tỉ lệ chuyển hóa đạt tới 0,24g ethanol/l/h.
Nantanat Kulsuwan tại trường đại học Công nghệ King Mongkut Thái
Lan (2012) đã công bố nghiên cứu về Sản xuất ethanol từ bùn thải giấy
Nhóm nghiên cứu sử dụng quá trình đường hóa và lên men đồng thời
(SSF) tại nhiệt độ từ 30 – 42oC trong vòng 48h với Accellulase (Genecor), men
K. marxinus 5049 và nồng độ cơ chất bùn thải là 2% (w/v). Với các điều kiện
tối ưu, tổng lượng đường thu được từ cả 3 mẫu bùn thải đã được tiền xử lý
chiếm khoảng 66,67%, lượng ethanol thu được đạt đến 99,5% lượng đường
thủy phân.


8
Li Kang và các cộng sự (2010)đã nghiên cứu chuyển hóa bùn thải giấy
thành ethanol với 2 quy trình đường hóa và lên men đồng thời và đường hóa và
đồng lên men đồng thời.
Trong cuộc thử nghiệm đầu tiên, mẫu bùn thải không tiền xử lý, được
đường hóa tách biệt bằng enzym cellulase. Sự chuyển hóa của enzym không
đem lại hiệu quả tốt vì thành phần tro trong bùn thải làm hạn chế hoạt động của
enzym. Mức pH bị ức chế bởi CaCO3 trong tro vì vậy không thể tạo điều kiện
pH tối ưu cho hoạt động của enzym cellulase.
Với quy trình phản ứng liên tục, hiệu suất ethanol đạt được từ quá trình
SSCF đạt 75 – 81%, đây là sản lượng lớn nhất theo lý thuyết dựa trên tổng các
carbonhydrate cơ bản. Hiệu suất từ quá trình SSF cũng đạt được trong khoảng
74-80% trên lượng glucan.
Trong nghiên cứu này cho thấy lượng ethanol thu được từ quá trình
đường hóa và lên men tách biệt thấp hơn so với đường hóa và lên men liên tục
cho cả quá trình SSF và SSCF. Sự chuyển hóa thấp liên quan đến hoạt động
của enzym cellulase bị ức chế do thành phần chất rắn cao trong bể phản ứng
sinh học và cơ chất nhiều tạp chất.
Qua những nghiên cứu trình bày trên cho thấy những mẫu bùn thải được
lấy để chuyển hóa thành ethanol có lượng cellulose cao, các tạp chất thấp nên
hầu như các nghiên cứu không phải loại bỏ các chất gây ức chế hoạt động của
enzym và vi sinh vật. Các nghiên cứu chỉ đề cập đến tiền xử lý lignin bằng
phương pháp nhiệt, kiềm, axit loãng và một nghiên cứu tiền xử lý tro bằng cách
nghiền nhỏ 75 m và rửa. Riêng nghiên cứu của Nantanat Kulsuwan 2012, có
tiền xử lý lignin bằng axit loãng và rửa, quá trình này cũng làm các ion kim
loại được hòa tan và loại bỏ trong quá trình rửa, nhưng nghiên cứu không đề
cập đến ảnh hưởng của thành phần kim loại.
1.4.2.

Ở Việt Nam

Sản xuất ethanol từ nguyên liệu chứa thành phần cellulose cao cũng đã
và đang được chú trọng nghiên cứu ở Việt Nam. Dự án “Kết hợp bền vững nền
nông nghiệp địa phương với công nghiệp chế biến biomass” (Dự án JICA) do
trường Đại học Bách khoa và Viện Khoa học Công nghiệp – Đại học Tokyo
phối hợp thực hiện (giai đoạn 2009 – 2014) đã thành công trên mô hình thí
nghiệm và thí điểm. Nguyên liệu đầu vào là phế thải nông nghiệp như rơm, rạ,
vỏ trấu, bã mía … đã chuyển hóa thành ethanol.
Về nghiên cứu chuyển hóa bùn thải giấy thành ethanol, đề tài nghiên cứu
cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo mã số B-2011-24-05 “Nghiên cứu công nghệ thủy
phân cellulose từ bã thải nhà máy giấy phục vụ sản xuất nhiên liệu sinh học” đã


9
được thực hiện bởi TS. Lê Đức Trung, Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại
hoc quốc gia thành phố Hồ Chí Minh. Đề tài đã sử dụng enzym Cellusoft L
(EC 3.2.1.4). Theo ký hiệu này, đây là loại enzym Endoglucanase chỉ tác động
đến cellulose vô định hình, còn phần lớn cellulose ở dạng tinh thể thì enzym
này thủy phân rất yếu. Do đó, khả năng thủy phân của enzym không cao so với
các enzym tổ hợp khác. Kết quả hiệu suất thủy phân chỉ với 68% và hiệu suất
chuyển hóa ethanol chỉ đạt 60,39%.

CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT
NHIÊN LIỆU SINH HỌC ETHANOL
Sản xuất ethanol nói chung một quá trình phức tạp với nhiều công đoạn
khác nhau. Chuyển hóa bùn thải giấy thành ethanol cần chú trọng quá trình xử
lý tạp chất ảnh hưởng đến quá trình thủy phân và lên men. Để hiểu bản chất của
quá trình, quy trình biến đổi bùn thải giấy được mô tả dưới đây.
Bùn thải giấy sơ cấp

Tiền xử lý

Thủy phân và lên men
đồng thời
Chƣng cất

Thủy phân
bùn thải giấy

Lên men

Thu hồi bio-ethanol
Hình 2.1: Các bước sản xuất nhiên li u sinh h c ethanol
2.1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TIỀN XỬ LÝ
Tiền xử lý gồm tiền xử lý kim loại và lignin với mục đích:

- Phá bỏ cấu trúc bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose ở
mức phù hợp cho quá trình thủy phân.
- Loại bỏ thành phần kim loại ở mức hoạt động của enzym và nấm men.


10
- Tăng trạng thái xốp của nguyên liệu, qua đó tăng diện tích tiếp xúc bên
ngoài và bên trong của nguyên liệu, thuận lợi cho sự xâm nhập của các tác
nhân thủy phân
2.1.1. Tiền xử lý kim loại: sử dụng axit sulfuric để loại bỏ kim loại tới ngưỡng
không gây ức chế hoạt động của enzym
2.1.2. Tiền xử lý lignin: là quá trình đồng xử lý với tiền xử lý kim loại để đưa
hàm lượng giảm xuống mức thích hợp cho enzym cellulase tiếp xúc với
cellulose.
Tuy nhiên, quá trình tiền xử lý cần đảm bảo lượng cellulose còn lại thích
hợp cho quá trình thủy phân bằng enzym.
2.2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN

2.2.1. Quá trình thủy phân bùn giấy: là quá trình chuyển hóa cellulose có
trong nguyên liệu thành glucose có thể lên men tạo bioethanol. Quá trình này
thực hiện được nhờ sự tham gia của phức hợp enzym cellulase.
- Exoglucanase (EC.3.2.1.91)
- Endoglucanase (EC.3.2.1.4)
- β -glucosidase (EC.3.2.1.21)
2.2.2. Cơ chế tác động của enzym thủy phân
Quá trình enzym cellulase xúc tác thủy phân cơ chất cellulose có thể chia
thành ba giai đoạn sau:
Giai đoạn enzym hấp phụ lên xơ sợi.
Giai đoạn tạo liên kết giữa cellulase và cellulose.
Giai đoạn thủy phân phối hợp của phức hệ enzym cellulose.
2.2. 3. Các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình thủy phân
Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình thủy phân bao gồm: nồng độ cơ chất,
nhiệt độ, pH, nồng độ enzym và các chất ức chế.
2.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN
Là quá trình chuyển hóa glucose trong điều kiện kỵ khí. Glucose trong đề
tài thu được từ quá trình thủy phân cellulose trong bùn thải giấy. Kết quả của
quá trình lên men là nhiên liệu sinh học ethanol.


11
Lên men bùn thải giấy theo hai loại: lên men và thủy phân tách biệt và lên
men và thủy phân đồng thời.
Nấm men được sử dụng là Saccharomyces cerevisiae
CHƢƠNG 3
3.1

VẬT LIỆU, PHƢƠNG PHÁP VÀ BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM

VẬT LIỆU
3.1.1. Bùn thải giấy

Nguồn cơ chất được sử dụng là bùn thải sơ cấp từ nhà máy giấy (bùn thải
giấy). Hai loại hình nhà máy sản xuất giấy phổ biến được chọn là sản xuất giấy
từ bột và giấy tái chế và sản xuất giấy từ giấy tái chế, công ty New Toyo
Pulppy Việt nam đặt ở Bình Dương và công ty TNHH AFC tại Bình Chánh.
3.1.2. Enzym
Enzym cellulase từ 2 nguồn khác nhau:
(1). Enzym cellulase từ Trichoderma reesei tên thương mại là Celluclast®
1.5L, Công ty Novozyme Đan Mạch sản xuất.
(2). Enzym cellulase từ Trichoderma sp. tên thương mại là LeafCell, công
ty LeafClean Tech, Ấn Độ sản xuất.
Enzym β-glucosidase có 2 nguồn:
(1). β-glucosidase từ Aspergillus niger, tên thương mại Novozyme 188,
Công ty Novozyme Đan Mạch sản xuất.
(2). β-glucosidase từ quả hạt nhân, tên thương mại
Glucosideglucohydrolase, sản phẩm của Công ty Sigma-Aldrich, Mỹ.

β–D-

Hai loại enzym này được tạo cặp với nhau. Cặp enzym Celluclast® 1.5L
và Novozyme 188 là enzym sử dụng trong phòng thí nghiệm đã được nghiên
cứu trên thế giới để đối chứng. Enzym LeafCell là enzym thương mại sử dụng
trong công nghiệp, được sử dụng phân hủy cellulose trong trái cây, chưa có
nghiên cứu khoa học nào công bố về khả năng thủy phân cellulose trong bùn
thải giấy của enzym này, được bắt cặp với β-D-Glucoside glucohydrolase.
3.1.3. Nấm men
Mục tiêu của đề tài là sử dụng các công nghệ, sản phẩm đã được nghiên
cứu ở Việt nam, nhằm tận dụng nguồn lực trong nước và giảm giá thành sản
xuất. Vì vậy, đề tài đã kết hợp với Bộ môn Công nghệ Sinh học, trường Đại
học Bách khoa TP.Hồ Chí Minh để sử dụng các nấm men Saccharomyces
cerevisiae thuộc bộ sưu tập giống của Bộ môn này. Ba chủng được ký hiệu là


12
BK1, BK2 và BK3. Ba chủng Saccharomyces cerevisiae này sẽ được thử
nghiệm để chọn ra một chủng phù hợp với mẫu bùn thải giấy của đề tài.
3.2

MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

3.2.1. Khảo sát ngƣỡng ức chế của ion kim loại lên quá trình thủy
phân
a. Khảo sát ngƣỡng ức chế
Mô hình thí nghiệm: được thiết kế sử dụng 3 bình tam giác nắp vặn
250Ml (Duran), nhiệt kế chia vạch từ 0 – 100oC nhãn hiệu Zeal (hình 3.1)
Tiến hành thí nghiệm:
- Cơ chất sử dụng là 5g giấy lọc Whatman No.1 được cắt nhỏ (1mm x
1mm). Cơ chất và dụng cụ đều được hấp tiệt trùng. Enzym được pha trong đệm
acetat, cho vào mô hình với tỉ lệ đơn vị enzym cellulase 20 FPU/g-cellulose và
β-glucosidase 30 CBU/g - cellulose. Tổng cả dung dịch 100mL, đặt trên máy
khuấy từ với tốc độ khuấy 220 vòng/phút và nhiệt độ 50°C trong vòng 48 giờ
- Các ion kim loại của các muối được khảo sát theo các nồng độ khác nhau
đối với từng kim loại: Na+ (1, 5, 10, 15 và 20 mmol/L); Ca2+ (1, 1.5, 2.0, 2.5,
3.0 và 3.5 mmol/L); Mg2+, Al3+, Zn2+ (1,0; 1,3; 1,5; 1,8 và 2,0 mmol/L); Fe3+ và
Fe2+ (0,2; 0,4; 0,6; 0,8 và 1,0 mmol/L). Các ion kim loại này cũng được khảo
sát theo tổng các
kim loại tùy thuộc
vào mức ức chế
hoạt động thủy
phân của enzym.
Đề tài chọn các
muối gốc Cl- do
gốc này không
gây ức enzym
trong quá trình
thủy phân trong
khoảng khảo sát.
Hình 3.1: Mô hình thí nghiệm thủy phân
(1) máy khuấy từ gia nhi t, (2) khay đựng dầu chưng parafin, (3) dung dịch thủy
phân, (4) cá từ, (5) nhi t kế thủy ngân, (6) ống xả nhi t, (7) bình nước.


13
b. Xây dựng phương trình động học của enzym cellulase theo FPA
Dựa trên nồng độ tổng các kim loại gây ức chế hoạt động của enzym được
khảo sát trên, luận án lấy 4 nồng độ kim loại tổng gây ức chế enzym. Giấy lọc
Whatman No.1 được cắt nhỏ (1 x 6cm), mỗi nồng độ kim loại gây ức chế
enzym trên được khảo sát lần lượt với khối lượng giấy 50 mg, 75 mg, 100 mg,
125 mg và 150 mg. Nồng độ enzym cellulase cho vào là nồng độ enzym pha
loãng dùng để xác định hoạt độ cellulase theo FPA, được ủ trong 1 giờ ở nhiệt
độ 50oC, lượng đường tạo ra được phân tích theo phương pháp DNS.
Vận tốc Vmax và hệ số Kmđược tính theo công thức Lineweaver và Burk:

Phương trình động học enzym có chất kìm hãm biểu diễn dưới dạng:
y = Ax + B
Trong đó, y = 1/v , x =1/[S] , A = Km/ Vmax , B =1/ Vmax
v: Vận tốc phản ứng của enzym (mg/phút); km: H số Michaelis-Menten;
Vmax: vận tốc cực đại (mg/phút); S: Nồng độ cơ chất (nồng độ giấy – mg/L).
3.2.2. Phƣơng pháp tiền xử lý kim loại và lignin
Quá trình tiền xử lý kim loại và lignin nhằm mục đích loại bỏ kim loại
xuống dưới ngưỡng gây ức chế quá trình thủy phân của enzym được khảo sát
trên. Đồng thời cũng giảm hàm lượng lignin gây cản trở quá trình tiếp xúc của
cellulase đến cellulose. Tuy nhiên, quá trình tiền xử lý này cũng ảnh hưởng đến
hàm lượng celulose còn lại, vì vậy để quyết định quá trình thủy phân hiệu quả
cần căn bằng cả hai yếu tố loại bỏ kim loại, lignin và giữ hảm lượng cellulose
phù hợp với quá trình thủy phân bằng enzym.
Cách tiến hành:
10 g bùn thải giấy ướt (mẫu bùn công ty New Toyo Pulppy với độ ẩm
75% và mẫu của công ty AFC độ ẩm 77%) cho vào cốc thủy tinh 100 mL. Cho
10 mL H2SO4 0,5 M vào 10g bùn thải giấy, khuấy trộn đều dung dịch và để 10
phút ở nhiệt độ phòng. Trong thời gian này, các hạt giấy sẽ trương phồng và nở
đều. Nồng độ H2SO4 0,5 M này (tổng thể tích khoảng 15 – 20 mL) sẽ được sử
dụng để điều chỉnh giảm từ từ giá trị pH đến mức yêu cầu. Sau khi pH ổn định
theo thời gian khảo sát, dung dịch được lọc ngay sau đó. Rửa 1 lần và lọc, phân
tích kim loại trong phần rắn thu được theo phương pháp ICP-OES.


14
Đánh giá thành phần lignin và cellulose còn lại sau xử lý kim loại
Lignin và cellulose còn lại được khảo sát theo khoảng thời gian và pH phù
hợp từ quá trình loại bỏ kim loại.
3.2.3. Quá trình thủy phân và lên men tách biệt
3.2.3.1. Tối ưu hóa quá trình thủy phân bằng enzym
Quá trình thủy phân bằng enzym được thực hiện bởi 2 loại enzym
cellulase thương mại từ T. reesei, LeafCell (công ty LeafClean, Ấn Độ) và
Celluclast 1.5L (Công ty Novozymes, Đan Mạch). Hai loại enzymβglucosidase, Novozyme 188 từ A. Niger và β-glucosidase từ quả hạnh nhân
được hỗ trợ lần lượt cho Celluclast 1.5L và LeafCell trong quá trình thủy phân.
Sử dụng phương phápbề mặt đáp ứng – thiết kế cấu trúc có tâm để bố trí
thí nghiệm dựa trên các yếu tố ảnh hưởng tập trung chọn được. Làm thí
nghiệm, nhập kết quả vào chạy mô hình, phân tích sự ảnh hưởng vàsự phù hợp
của mô hình.Từ mô hình bề mặt đáp ứng nhận xét sự biến đổi của các yếu tố và
mức tối ưu của quá trình thủy phân.
3.2.3.2. Quá trình lên men tách biệt
Mô hình thí nghiệm: bình cầu 3 cổ 250mL (Duran – Đức), nhiệt kế chia
vạch từ 0 – 100oC nhãn hiệu Zeal, Anh
.

Hình 3.2: Mô hình thí nghi m lên men
(1) Tủ hút, (2) máy khuấy từ gia nhi t, (3) khay đựng dầu chưng parafin, (4) nhi t
kế thủy ngân theo dõi dầu parafin, (5) nhi t kế thủy ngân theo dõi dung dịch thủy
phân, (6) bình nước, (7) ống xả khí và nhi t, (8) ống dẫn khí trơ, (9) bình khí trơ.


15
Các tiến hành: Lượng glucose được sinh ra từ quá trình thủy phân trong
điều kiện tối ưu trên được hấp khử trùng. Tạo môi trường phù hợp cho quá
trình lên men đưa cơ chất và nấm men vào mô hình lên men. Tổng thể tích
dung dịch lên men 250 mL, lượng ethanol được sinh ra (xác định theo 12 giờ
mỗi lần) mang chưng cất bằng thiết bị cô quay chân không với số vòng quay
300 vòng/phút, nhiệt độ 50oC, áp suất <100 mbar. Tiến hành xác định thể tích
dịch thu hồi, nồng độ ethanol theo phương pháp sắc khí ký và lượng đường sót
theo phương pháp DNS.
Các yếu tố cần khảo sát trong quá trình lên men tách biệt là :
- Mật độ tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae
- Thời gian lên men
3.2.3.3. Phƣơng pháp thủy phân và lên men đồng thời
Bùn giấy sau khi tiền xử lý, các dung dịch đệm và môi trường bổ sung
dinh dưỡng được cho vào mô hình bình cầu 3 cổ 250mL (Duran – Đức), tất cả
được tiệt trùng bằng nồi hấp tiệt trùng.
Tiến hành thí nghiệm với thể tích dung dịch tổng cộng 250mL. Bùn thải
giấy được cho vào theo nồng độ khảo sát. Enzym được bổ sung vào đệm acetat
pH=4.8.
Nghiên cứu này tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố
gồm:nồng độ cơ chất (khô), đơn vị enzym cellulose và β-glucosidase, nhiệt độ,
pH và thời gian lên quá trình thủy phân và lên men đồng thời. Một số trong
những yếu tố này được dựa trên các khảo sát về quá trình thủy phân để xác
định khoảng khảo sát chi tiết hơn.
Công thức tính hiệu suất quá trình lên men theo lý thuyết:
(

)

Trong đó: - Lượng đường ban đầu tính theo glucan
- 0,511 là hệ số chuyển hóa đường thành ethanol

( )
( )


16

CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1
4.1.1

KẾT QUẢ THÀNH PHẦN LIGNOCELLULOSE VÀ KIM LOẠI
TRONG MẪU BÙN THẢI GIẤY
Thành phần lignocellulose

Theo mẫu bùn thải nghiên cứu được lấy từ công ty New Toyo Pulppy
Việt Nam và công ty TNHH AFC, thành phần cellulose còn trong cả 2 mẫu bùn
thải khá cao so với mẫu bột giấy đầu vào được bán rộng rãi trên thị trường hiện
nay. Tuy nhiên, thành phần lignin cao cũng gây cản trở cho quá trình chế tạo
bioethanol
Cellulose trong mẫu bùn thải của công ty New Toyo Pulppy và AFC
chiếm lần lượt là 55,22 % và 36,08%, đây là một lượng cellulose có tiềm năng
lớn để thực hiện hiệu quả quá trình thủy phân và thu hồi ethanol
4.1.2

Thành phần kim loại

Các chỉ tiêu bùn thải tại công ty New Toyo Pulppy và AFC cũng tương tự
nhau, có các chỉ tiêu kim loại nồng độ cao là Ca, Na, Mg, Zn, Al và Fe.
Nguyên nhân do bổ sung chất độn trong quá trình phối trộn bột, tẩy mực của
giấy tái chế và quá trình keo tụ tạo bông.
Sự có mặt của cácion kim loại trong bùn thải ở một nồng độ cao không
những ảnh hưởng xấu đến các vi sinh vật mà còn gây ức chế hoặc vô hiệu hóa
hoàn toàn khả năng thủy phân của các enzym cellulase. Vì vậy, để sử dụng bùn
thải giấy để sàn xuất nhiên liệu sinh học ethanol bùn thải giấy cần được tiền xử
lý kim loại.
4.2

KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ ENZYM

Phương pháp xác định hoạt độ enzym cellulase và β– glucosidase theo
phương pháp FPA. Kết quả enzym Celluclast®1.5L có hoạt độ 70,3FPU/mL,
LeafCell có hoạt độ 106 FPU/0,1g. 188 Novozyme có hoạt độ enzym 750
CBU/mL và β-D-Glucoside glucohydrolase có hoạt độ 90 CBU/1 mg.
4.3

KẾT QUẢ ẢNH HƢỞNG CỦA ION KIM LOẠI LÊN HOẠT
ĐỘNG THỦY PHÂN VÀ PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC ENZYM
CELLULASE

Đề tài khảo sát ảnh hưởng của kim loại lên hoạt động thủy phân của
enzym sử dụng cặp enzym của Celluclast®1.5L/ Novozyme 188 (enzym
chuyên sử dụng cho phòng thí nghiệm).


17
4.3.1

Ảnh hưởng của ion kim loại lên hoạt động của enzym thủy phân
Bảng 4.1: Ảnh hưởng của ion kim loại lên quá trình thủy phân
Ion kim loại
Nồng độ kích thích
Nồng độ bắt đầu
(mmol/L)
ức chế (mmol/L)
Na+
1 – 10
15
Ca2+
1–2
3
2+
Mg
1,3
Zn2+
2
Fe2+
1
3+
Fe
0,8
Al3+
1–2
3,5
Tổng 5 ion kim loại
7,5
(không có Na+và Zn2+)

4.3.2

Xây dựng phương trình động học enzym cellulase với sự có mặt của
tổng các ion kim loại

Phương trình động học được xây dựng theo phương pháp FPA với sự
hiện diện của tổng các ion kim loại Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+ và Al3+
Đây là dạng phương trình động học enzymcạnh tranh khi có sự hiện diện
của kim loại trong khoảng nghiên cứu:
(

4.4

)

KẾT QUẢ TIỀN XỬ LÝ KIM LOẠI VÀ LIGNIN

Kết quả công ty NTY với pH từ 3,8 – 4,4 và thời gian 40 - 50 phút cho
hàm lượng cellulose trên 40%, mức phù hợp cho thủy phân hiệu quả, mức pH
tại 3,6 hàm lượng cellulose 36,5% nên xem xét, nhưng trong giới hạn của
nghiên cứu chỉ chọn hàm lượng cellulose được tiền xử lý tại khoảng pH 3,8 –
4,0. Hàm lượng kim loại được loại bỏ khoảng 64,3 – 82% trong khoảng pH
3,6 – 4,0, trong các kim loại khảo sát còn Al chưa loại bỏ được dưới ngưỡng
gây ức chế enzym tại mọi nồng độ cơ chất, vì vậy đây là yếu tố cần chú trọng
nghiên cứu; lignin còn 5,1 – 7,8%, điều kiện này thuận lợi cho quá trình thủy
phân bằng enzym.
Mẫu bùn thải giấy từ công ty AFC sau tiền xử lý nồng độ kim loại Al
còn quá cao so với mức gây ức chế quá trình thủy phân bằng enzym. Trong
khi đó hàm lượng cellulose còn quá thấp (nhỏ hơn 25,6%) sẽ không đạt hiệu
quả tốt khi thủy phân vì vậy đề tài không nghiên cứu tiếp.


18
Nồng độ kim loại trong dung dịch khi thủy phân sẽ phụ thuộc vào lượng
bùn thải giấy đã tiền xử lý cho vào. Chất rắn khảo sát trong quá trình thủy
phân thường khoảng 5 – 10% (w/v), nồng độ kim loại trong dung dịch thủy
phân được tính toán như bảng 4.2.
Bảng 4.2: Dự tính nồng độ kim loại trong dung dịch thủy phân mẫu NTY
Nồng độ bùn thải giấy
(g/L)
Nồng độ Ca (mmol/L)
Nồng độ Mg (mmol/L)
Nồng độ Fe (mmol/L)
Nồng độ Al (mmol/L)

50

60

70

80

90

100

0,65
1,00
0,31
2,68

0,78
1,20
0,37
3,22

0,91
1,40
0,43
3,75

1,03
1,60
0,49
4,29

1,16
1,80
0,55
4,83

1,29
2,00
0,61
5,36

Theo bảng 4.2, dung dịch thủy phân có thể bị ảnh hưởng bởi kim loại Al
ở nồng độ cơ chất 70g/L. Tuy nhiên, các kim loại còn lại đều ở ngưỡng thấp
và kích thích hoạt động của enzym.
KẾT QUẢ TỐI ƢU HÓA QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN
MEN TÁCH BIỆT

4.5
4.5.1

Tối ƣu hóa quá trình thủy phân

Tối ưu hóa quá trình thủy phân để đánh giá chính xác hiệu suất thủy phân
đã được thực hiện sử dụng phần mềm Design Expert. Sáu yếu tố chính ảnh
hưởng tới quá trình thủy phân đã được khảo sát xác định khoảng ảnh hưởng.
Bốn yếu tố được bố trí thực nghiệm và xử lý theo mô hình.
Phương trình thực nghiệm mô tả quá trình tương tác của các yếu tố trong
quá trình thủy phân của hai cặp enzym nghiên cứu Celluclast® 1.5L/
Novozyme 188 và LeafCell/β-D-Glucoside glucohydrolase là:
Cặp enzymCelluclast® 1.5L/ Novozyme 188:
Y =-99,12 + 2,37924x1 + 1,70885x2 + 0,686987x3 + 0,901419x4 + 6,98685*103
x1x2 – 4,97838*10-3x2x4 - 0,021136x12 – 0,038558x22 – 0,010205x32 7,15426*10-3x42
Trong đó : Y là nồng độ glucose (g/L) ; x1, x2, x3, x4 lần lượt là nồng độ
lượng cơ chất (g/L), đơn vị cellulase (FPU/1g cellulose), đơn vị β-glucosidase
(CBU/1g cellulose), và thời gian (giờ).
Nồng độ glucose thu được cao nhất là 27,654 ± 0,340 (g/L) với hiệu suất
thủy phân 80,2%. Nồng độ cơ chất 61g/L, thời gian thủy phân 49 giờ, tỷ lệ
cellulase và β-glucosidase 20:30 (FPU :CBU).


19
Cặp enzymLeafCell/β-D-Glucosideglucohydrolase:
Y = -88,7 + 2,32203x1 + 0,7519x2 + 0,89131x3 + 0,45448x4 + 5,039*10-2 x1x2
– 0,019515x12 – 0,015833 x22 – 0,013237x32 - 4,0323*10-3 x42
Sản lượng glucose cực đại đạt 25,484 g/L ±0,215, hiệu suất thủy phân là
73,7%. Nồng độ cơ chất 62g/L, thời gian thủy phân 48 giờ, tỷ lệ cellulase và βglucosidase 27,5:30 (FPU :CBU).
4.5.2

Lên men tách biệt

Lên men tách biệt được thực hiện với glucose thủy phân thu được ở điều
kiện tối ưu được khảo sát ở trên. Nồng độ glucose được lên men tách biệt lần
lượt là 27,90 và 25,58 g/L với cặp Celluclast® 1.5L/ Novozyme 188 và cặp
LeafCell/ β-D-Glucoside glucohydrolase. Thể tích dung dịch đường lên men
250 mL được hấp khử trùng và tạo môi trường lên men phù hợp với nấm men
BK3 (đã được sàng lọc và định danh). Quá trình lên men tách biệt được thực
hiện với mô hình bình cầu ba cổ.

Hình 4.1: Thời gian lên men tách bi t và nồng độ ethanol
Thời gian lên men với mẫu glucose thủy phân của cả hai cặp enzym đều
hoàn thành trong khoảng 48 - 60 giờ, tại mốc thời gian này cho nồng độ
ethanol cao nhất lần lượt là 16,27 và 14,85 g/L, và lượng glucose sót thấp. Hiệu
suất chuyển hóa glucose thủy phân trong cả hai mẫu là 96-97%. Hiệu suất
chuyển hóa ethanol trên bùn thải giấy đầu vào là 88% đối với cặp enzym
Celluclast® 1.5L/ Novozyme 188 và 80% với cặp LeafCell/ β-D-Glucoside
glucohydrolase.
4.6

KẾT QUẢ QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI

Các yếu tố liên quan như nồng độ cơ chất, thời gian, đơn vị cellulase và
beta-glucosidase cần dựa trên phần thủy phân đã làm trên. Nồng độ cơ chất và


20
đơn vị cellulase trong thí nghiệm với enzym Celluctlast 1.5L tối ưu ở 61 g/L so
với 60g/L và 20,5 FPU so với 20 FPU là khoảng cách không nhiều, nồng độ
glucose chênh lệch không đáng kể (0,3 g/L). Tương tự với nồng độ cơ chất
trong thí nghiệm sử dụng enzym Leafcell giữa 62g/L và 60g/L. Chính vì vậy,
để đồng nhất đầu vào quá trình đường hóa và lên men đồng thời những thí
nghiệm khảo sát ban đầu với các yếu tố là nồng độ cơ chất 60g/L, thời gian 72
giờ, đơn vị cellulase: β-glucosidase là 20:30 (FPU:CBU) với Celluclast® 1.5L/
Novozyme 188 và 27,5:30 (FPU:CBU) với LeafCell/ β-D-Glucoside
glucohydrolase, mật độ tế bào nấm men là 107 (tế bào/mL).
Mức tối ưu cho quá trình đường hóa và lên men đồng thời như sau:
- Cặp enzym Celluclast® 1.5L/ Novozyme 188 và S. cerevisiaeBK3:
nồng độ cơ chất 60g/L, 107 tế bào nấm men/mL, thời gian 72 giờ, lượng enzym
20:30 (FPU: CBU/g – cellulose), pH 5.0, nhiệt độ 35oC và tốc độ khuấy 300
vòng/phút. Nồng độ ethanol thu được khoảng 19,52 g/L và hiệu suất chuyển
hóa ethanol theo lý thuyết là 90%.
- LeafCell/ β-D-Glucoside glucohydrolase và S. cerevisiaeBK3: nồng độ
cơ chất 60g/L, 107 tếbào nấm men/mL, thời gian 72 giờ, lượng enzym 26:30
(FPU: CBU/g – cellulose), pH 5.0, nhiệt độ 35oC và tốc độ khuấy 300
vòng/phút. Nồng độ ethanol đạt được 17,60 g/L và hiệu suất chuyển hóa
ethanol theo lý thuyết là 81%.
Thủy phân và lên men tách biệt với thủy phân và lên men đồng thời:
Trong nghiên cứu này, có sự khác biệt về nồng độ ethanol thu được cuối
cùng giữa thủy phân và lên men tách biệt với thủy phân và lên men đồng thời.
Bên cạnh đó, quá trình lên men khác nhau nên các yếu tố đầu vào quyết định
chi phí sản xuất như nồng độ bùn thải giấy, đơn vị cellulase cũng khác nhau.
Từ kết quả cho thấy quá trình thủy phân và lên men đồng thời vẫn cho ưu thế
hơn vì nồng độ ethanol thu được cao hơn, nguyên liệu đầu vào ít hơn, quá trình
vận hành ít công đoạn hơn.
Bảng 4.3: So sánh thủy phân và lên men tách bi t với thủy phân và lên men
đồng thời
Loại hình Bùn thải Đơn vị cellulase
Tổng thời Nồng độ
Hiệu
lên men
giấy
(FPU)
gian (giờ) ethanol
suất
(g/L)
(g/L)
(%)
Tách biệt
20 FPU - Celluclast
96
16,27
88
60
27,5 FPU - Leafcell
96
14,85
80
Đồng thời
20 FPU - Celluclast
72
19,52
90
60
26 FPU - Leafcell
72
17,60
81


21
Quá trình thủy phân và lên men đồng thời có nhược điểm do nhiệt độ tối
ưu của enzym ở 50oC, trong khi S. cerevisiae tối ưu ở 30oC.
Tuy nhiên, bên cạnh yếu tố nhiệt độ, yếu tố nồng độ glucose cũng ảnh
hưởng mạnh đến khả năng thủy phân của enzym. Ưu điểm nổi bật của loại hình
lên men này là hạn chế được sự ức chế mạnh hoạt động enzym bởi lượng
glucose cao hơn 15g/L, do glucose sinh ra được S. cerevisiae lập tức chuyển
hóa thành ethanol trong điều kiện nhiệt độ hoạt động của cả enzym và nấm
men.
4.7

ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

4.7.1. So sánh kết quả với các nghiên cứu sản xuất ethanol trên thế giới
So sánh với các nghiên cứu trên thế giới, cặp enzym Celluclast® 1.5L/
Novozyme 188 và nấm men Saccharomyces cerevisiae BK3 trong quá trình
thủy phân và lên men đồng thời cho hiệu suất ethanol tương đương với các
nghiên cứu đã thực hiện. LeafCell/ β-D-Glucoside glucohydrolase chưa có
nghiên cứu nào trên thế giới, tuy nhiên so sánh với các hiệu suất đã công bố thì
hiệu suất 81 % là mức hiệu suất phù hợp để đưa vào áp dụng sản xuất bởi vì
enzym Leafcell là enzym công nghiệp nên có lợi thế về kinh tế hơn so với các
enzym phòng thí nghiệm.
Bảng 4.4: So sánh với các nghiên cứu đã thực hi n
Cơ chất

Bài báo

PP tiền
xử lý

Enzym

Bùn thải
giấy (19%)

Licole L.,
1997

Xử lý
nhiệt

Cellulase (8 FPU)

Bùn thải
giấy (6%)

Maria M.,
2010

Xử lý
nhiệt

Bùn thải
giấy (5%)

Chen
2011

Khử tro

Lõi bắp
(9%)
Chất thải
cây chuối
(9%)

Waleed
K. El-Z.
và cộng
sự 2011

Xử lý
nhiệt

Celluclast 1.5 L và
Novozyme 188 tỉ lệ 24 :32
(FPU : CBU)
Cellic Ctec và Novozyme
188 (8 FPU)
Celluclast 1.5 L (7 FPU/g
trấu tiền xử lý)
Celluclast 1.5 L (7 FPU/g
lõi bắp tiền xử lý)

Xử lý
nhiệt

Bùn thải
giấy (15%)

Wang và
cộng sự,
2012

Axit
loãng

Trấu (9%)

Nổ kiềm

Thời
gian
(giờ)
72
72
48
72

Hiệu
suất
(%)
73

85
97
20

72

48

Celluclast 1.5 L (7 FPU/g
CT cây chuối tiền xử lý)

72

16,8

Celluclast 1.5 L (16.8
FPU), Novozyme 188 và
Cellic Ctec 1

72

76,1


22
Bùn thải
giấy (6%)
Bùn thải
giấy (6%)

3.7.2.

Nghiên
cứu này
Nghiên
cứu này

Axit
loãng
Axit
loãng

Celluclast 1.5 L (20FPU)
và Novozyme 188
LeafCell (26 FPU) và β-DGlucoside glucohydrolase

72

90

72

81

Đề xuất công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ethanol từ bùn thải
giấy

Qua nghiên cứu cách xử lý bùn thải giấy để tạo ra sản phẩm thứ cấp thân
thiện với môi trường và thực nghiệm trên mô hình thí nghiệm với hai loại
enzym (phòng thí nghiệm và công nghiệp) đã chứng minh có thể ứng dụng sản
xuất nhiên liệu ethanol theo quy trình sau:
Bùn thải giấy sơ cấp
H2SO4 0,5M,
pH 4,0,
thời gian 50 phút

Bể khuấy trộn 1

Máy ép nƣớc
Nước.
thời gian 5 phút

Bể khuấy trộn 2
Máy ép nƣớc

CH3COONa)

Nhiệt, 35oC
Nhiệt độ 50oC,
áp suất <100 mbar

Nước

thải

Chuẩn bị môi
trường
(CH3COOH,

Nước thải

Enzym
Bể phản ứng
(thủy phân và lên men đồng thời)

Thiết bị chƣng cất

Nấm men
Bã thải

Thu ethanol

Hình 4.2: uy trình công ngh sản xuất nhiên li u sinh h c ethanol


23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. KẾT LUẬN
Từ những kết quả nghiên cứu trên, để đạt được mục tiêu đã đề ra luận án đã
thực hiện:
1. Xác định được nồng độ các kim loại gây ức chế quá trình thủy phân bằng
enzym và loại ức chế là ức chế cạnh tranh, từ đó đưa ra ngưỡng cần loại bỏ kim
loại đối với cả hai mẫu bùn thải nghiên cứu.
2. Quá trình tiền xử lý đã loại bỏ được các kim loại Ca, Mg và Fe thấp hơn
ngưỡng gây ức chế hoạt động của enzym cellulase. Kim loại Al không thể loại
bỏ xuống thấp hơn mức gây ức chế enzymthủy phân tại mọi nồng độ bùn thải
giấy vì phải đảm bảo lượng cellulose còn lại.Vì vậy, nồng độ bùn thải giấy đầu
vào là yếu tố quan trọng để khảo sát trong quá trình thủy phân và lên men.
Lignin xuống thấp hơn 7,8%, là mức phù hợp để enzym tiếp xúc với với
cellulose. Cellulose của mẫu NTY còn khoảng 40 – 45%, tuy nhiên mẫu của
AFC lượng cellulose còn quá thấp để thủy phân bằng enzym (26,5%) nên
không nghiên cứu tiếp.
3. Tối ưu hóa quá trình thủy phân để đánh giá chính xác hiệu suất thủy phân đã
được thực hiện. Phương trình thực nghiệm mô tả quá trình tương tác của các
yếu tố trong quá trình thủy phân của hai cặp enzym nghiên cứu Celluclast®
1.5L/ Novozyme 188 và LeafCell/β-D-Glucoside glucohydrolase là:
Cặp enzym Celluclast® 1.5L/ Novozyme 188:
Y =-99,12 + 2,37924x1 + 1,70885x2 + 0,686987x3 + 0,901419x4 + 6,98685*103
x1x2 – 4,97838*10-3x2x4 - 0,021136x12 – 0,038558x22 – 0,010205x32 7,15426*10-3x42
Trong đó : Y là nồng độ glucose (g/L) ; x1, x2, x3, x4 lần lượt là nồng độ lượng cơ chất
(g/L), đơn vị cellulase (FPU/1g cellulose), đơn vị β-glucosidase (CBU/1g cellulose), và
thời gian (giờ).

Nồng độ glucose thu được cao nhất là 27,654 ± 0,340 (g/L) với hiệu suất
thủy phân 80,2%. Nồng độ cơ chất 61g/L, thời gian thủy phân 49 giờ, tỷ lệ
cellulase và β-glucosidase 20:30 (FPU :CBU).
Cặp enzym LeafCell/β-D-Glucosideglucohydrolase:
Y = -88,7 + 2,32203x1 + 0,7519x2 + 0,89131x3 + 0,45448x4 + 5,039*10-2 x1x2 –
0,019515x12 – 0,015833 x22 – 0,013237x32 - 4,0323*10-3 x42


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×