TẠP CHÍ SINH HỌC 2014, 36(1se): 301-306<br />
<br />
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MỘT SỐ LOẠI SINH KHỐI THẢI TỪ MÍA, SẮN VÀ<br />
ẢNH HƯỞNG CỦA KỸ THUẬT TIỂN XỬ LÝ NHẰM CHUYỂN HÓA<br />
THÀNH CỒN SINH HỌC<br />
Nguyễn Văn Vinh1*, Bùi Minh Trí2, Hyeun Jong Bae3<br />
1<br />
<br />
Trung tâm Khuyến nông tp. Hồ Chí Minh, *vinhnh_25@yahoo.com<br />
2<br />
Trường Đại học Nông Lâm tp. Hồ Chí Minh<br />
3<br />
Trường Đại học Quốc gia Chonnam, Hàn Quốc<br />
<br />
TÓM TẮT: Trong nghiên cứu này, bốn mẫu sinh khối thải từ mía, sắn đã được thu thập, phân tích, những<br />
mẫu này được tiền xử lý bằng kỹ thuật popping, sau đó, được thủy phân bằng enzyme cellulase để lên men<br />
tạo cồn. Cấu trúc bề mặt của mẫu trước và sau quá trình tiền xử lý đã được chụp bằng kính hiển vi điện tử.<br />
Thí nghiệm được bố trí theo kiểu khối đầy đủ hoàn toàn ngẫu nhiên một yếu tố, hai lần lặp lại. Kết quả đã<br />
xác định được trong số bốn mẫu nghiên cứu, mẫu có hàm lượng cơ bản phù hợp nhất cho việc tạo cồn sinh<br />
học là mía cứng, mía mềm và bã sắn, nguyên liệu ít có triển vọng để làm cồn sinh học là thân sắn. Hình<br />
ảnh cấu trúc bề mặt của các nguồn sinh khối thải được chụp ở kích thước 500 µm, 100 µm, 50 µm và 10<br />
µm đã cho thấy, sự thay đổi cấu trúc bề mặt sau quá trình tiền xử lý bằng kỹ thuật popping. Kỹ thuật tiền<br />
xử lý popping đã làm tăng hiệu quả của quá trình thủy phân bằng enzyme cellulase và hiệu quả nhất đối<br />
với nguyên liệu mía cứng, mía mềm, bã sắn. Còn thân sắn tỏ ra chưa hiệu quả.<br />
Từ khóa: Cồn sinh học, nhiên liệu sinh học, phế thải nông nghiệp, tiền xử lý, thủy phân.<br />
MỞ ĐẦU<br />
<br />
Các dạng năng lượng sinh học đang được<br />
quan tâm gồm hai nhóm là dầu sinh học<br />
(biodiesel) và cồn sinh học (bioethanol). Các<br />
nguyên liệu dùng để sản xuất ethanol bao gồm<br />
mía, ngô, sắn (nhiên liệu sinh học thế hệ thứ<br />
nhất) đã được khẳng định về công nghệ và hiệu<br />
quả kinh tế ở qui mô công nghiệp. Tuy nhiên,<br />
ethanol được sản xuất từ các nguồn vật liệu sinh<br />
khối thải như bã mía, bã sắn (nhiên liệu sinh<br />
học thế hệ thứ hai) vẫn đang dừng ở qui mô<br />
nghiên cứu do còn tồn tại những vấn đề liên<br />
quan đến giải pháp công nghệ và hiệu quả kinh<br />
tế chưa được giải quyết triệt để. Việc nghiên<br />
cứu sản xuất ethanol từ sinh khối, cụ thể từ<br />
nguồn phế phẩm nông nghiệp như bã mía, thân<br />
và bã sắn là một xu hướng phù hợp đặc biệt với<br />
Việt Nam. Nghiên cứu này được tiến hành<br />
nhằm đánh giá chất lượng các nhóm nguyên<br />
liệu cũng như tìm ra giải pháp phù hợp chuyển<br />
hóa nguồn nguyên liệu này thành cồn sinh học.<br />
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br />
<br />
Vật liệu là các mẫu bao gồm đại diện nhóm<br />
mía thân cứng (giống K88-65, được thu thập tại<br />
Bình Chánh, thành phố Hồ Chí Minh), mía thân<br />
<br />
mềm (giống mía tím địa phương được thu thập<br />
tại Ninh Sơn, Ninh Thuận), thân sắn (giống KM<br />
140 được thu thập tại tại Châu Đức, Bà RịaVũng Tàu) và bã sắn sau quá trình chế biến tinh<br />
bột sắn (được thu thập tại Long Khánh, Đồng<br />
Nai). Mẫu sau khi được làm khô kiệt, đã được<br />
xay nhỏ và được bảo quản trong túi nylon.<br />
Phân tích thành phần hóa học của mẫu<br />
Thành phần hóa học cơ bản (holocellulose,<br />
Klason lignin, chất chiết và tro) của nguyên liệu<br />
thô và nguyên liệu tiền xử lý được xác định với<br />
các phương pháp chuẩn theo TAPPI (1992).<br />
Phân tích hàm lượng đường đơn trong nguyên<br />
liệu thô và nguyên liệu tiền xử lý được tiến<br />
hành bằng sắc ký khí sử dụng hệ thống sắc ký<br />
CP-9100 (Chrompack, Hà Lan).<br />
Tiền xử lý bằng kỹ thuật popping<br />
Hệ thống để tiền xử lý bằng kỹ thuật<br />
popping bao gồm một bình phản ứng hình trụ<br />
bằng sắt có thể tích 3 lít, có một nắp để đặt và<br />
lấy nguyên liệu, một tay xoay để đóng mở, được<br />
gia nhiệt bằng một bếp gas và đo nhiệt độ, áp<br />
suất bên trong lò phản ứng thông qua bộ xử lý.<br />
100g mẫu được bổ sung thêm 300 ml nước để<br />
đạt độ ẩm 70-75% và giữ trong một giờ, sau đó<br />
cho vào lò phản ứng để tiền xử lý bằng kỹ thuật<br />
301<br />
<br />
Nguyen Van Vinh, Bui Minh Tri, Hyeun Jong Bae<br />
<br />
popping. Bình phản ứng được gia tăng nhiệt độ<br />
từ 15 đến 20oC trong 1 phút đến khi nhiệt độ và<br />
áp suất bên trong bình phản ứng đạt tương ứng<br />
220oC và 15 kg fcm-1. Sau quá trình tiền xử lý<br />
bằng kỹ thuật popping, mẫu được nghiền để đạt<br />
kích thước từ 251-422 µm bằng máy nghiền<br />
Willy gắn các lưỡi thép không gỉ.<br />
Thủy phân bằng enzyme cellulase<br />
Enzyme được sử dụng cho nghiên cứu này<br />
là cellulase (Sigma-Aldrich, St Louis, MO, Hoa<br />
Kỳ) từ nấm Trichoderma reesei. Hoạt tính<br />
enzyme được đo thông qua giấy lọc Whatman<br />
(1% trọng lượng/thể tích), CMC-Na (1% trọng<br />
lượng/thể tích), Avicel (1% trọng lượng/thể<br />
tích) và xylan gỗ bạch dương (1% trọng<br />
lượng/thể tích). Thủy phân bằng enzyme đã<br />
được thực hiện ở 1% trọng lượng khô (trọng<br />
lượng/thể tích) chất nền ban đầu chứa trong một<br />
ống hình nón (50 ml). Enzyme thủy phân được<br />
thực hiện tại 45°C với enzyme cellulase có hoạt<br />
lực 0,58 FPU/10 ul (FPU: filter paper unit)<br />
trong vòng 48 giờ. Việc định lượng đường khử<br />
<br />
glucose được đo bằng phương pháp acid<br />
dinitrosalicylic (DNS).<br />
Mô tả cấu trúc bề mặt của mẫu<br />
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và máy vi<br />
lực nguyên tử sao chép (AFM) được sử dụng để<br />
nghiên cứu cấu trúc bề mặt mẫu trước và sau<br />
khi tiền xử lý. Mẫu được chụp ảnh với kính hiển<br />
vi điện tử quét phát xạ (FE-SEM, JSM-7500F,<br />
Jeol, Nhật Bản) sử dụng điện áp 3 kV. Việc đo<br />
bằng AFM được thực hiện bằng cách sử dụng<br />
hệ thống AutoProbe CP (XE-100, hệ thống Park<br />
Inc, Hàn Quốc). Các hình thái của mẫu chất<br />
lỏng trước và sau tiền xử lý cũng đã được chụp<br />
ảnh bằng cách sử dụng một kính hiển vi điện tử<br />
truyền qua (TEM, JEM 1010, Jeol, Nhật Bản)<br />
trên một phần siêu mỏng màu với 1% dung dịch<br />
KMnO4 và gắn vào lưới không tráng niken.<br />
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br />
<br />
Thành phần hóa học của các nguồn sinh khối<br />
thải trước khi tiền xử lý bằng kỹ thuật<br />
popping<br />
<br />
Bảng 1. Thành phần hóa học chính trong các mẫu thu thập<br />
Nguồn sinh khối thải<br />
Mía cứng<br />
Mía mềm<br />
Thân sắn<br />
Bã sắn<br />
<br />
Holocellulose<br />
(%)<br />
74,30±0,45 d<br />
63,24±0,19 c<br />
57,73±0,57 b<br />
42,91±0,24 a<br />
<br />
Kết quả từ bảng 1 cho thấy, hàm lượng<br />
hollocellulose trong 4 loại nguyên liệu biến<br />
thiên từ 42,91-74,30%, trong đó mía thân cứng<br />
(xem ở vật liệu nghiên cứu) có hàm lượng<br />
hollocellulose cao nhất và bã sắn có hàm lượng<br />
thấp nhất. Hàm lượng hollocellulose giữa hai<br />
nguồn nguyên liệu mía và sắn cũng có sự khác<br />
biệt có ý nghĩa về mặt thống kê.<br />
Với công nghệ hiện nay, lignin không thể<br />
chuyển hóa thành ethanol, vì vậy, nguyên liệu<br />
có hàm lượng lignin cao sẽ ít có giá trị làm<br />
nguyên liệu sản xuất ethanol. Kết quả ở bảng 1<br />
cho thấy, hàm lượng klason lignin trong 4 loại<br />
nguyên liệu biến thiên khá lớn trong khoảng từ<br />
10,14-20,91%. Bã sắn có hàm lượng thấp nhất,<br />
do đó có thể thuận tiện trong quá trình chuyển<br />
302<br />
<br />
Klason lignin<br />
(%)<br />
17,11±0,34 c<br />
15,99±0,31 bc<br />
20,91±0,06 d<br />
10,14±0,27 a<br />
<br />
Chất trích ly<br />
(%)<br />
10,73<br />
10,10<br />
4,87<br />
0,82<br />
<br />
Tro<br />
(%)<br />
4,57<br />
4,67<br />
2,66<br />
1,78<br />
<br />
hóa tạo ethanol.<br />
Kết quả phân tích thành phần cơ bản của 4<br />
loại sinh khối thải mía thân cứng, mía mềm,<br />
thân sắn và bã sắn cho thấy, 2 mẫu mía và thân<br />
sắn có triển vọng hơn trong việc sản xuất<br />
ethanol.<br />
Ảnh hưởng của tiền xử lý bằng kỹ thuật<br />
popping đến thành phần hóa học, hàm lượng<br />
đường đơn và cấu trúc bề mặt của các nguồn<br />
sinh khối thải<br />
Hình 1 cho thấy, hàm lượng holocellulose<br />
của 4 mẫu nghiên cứu sau khi tiền xử lý bằng kỹ<br />
thuật đều giảm hơn so với nguyên liệu ban đầu từ<br />
22,51-31,61%. Điều này chứng tỏ tiền xử lý bằng<br />
kỹ thuật đã làm phân hủy cellulose và<br />
hemicellulose trong mẫu. Với cùng một áp suất<br />
<br />
TẠP CHÍ SINH HỌC 2014, 36(1se): 301-306<br />
<br />
a80.00<br />
<br />
N.liệu<br />
Sau popping<br />
<br />
Đối với chỉ tiêu chất tách chiết được, sau<br />
quá trình tiền xử lý, hàm lượng chất tách chiết ở<br />
cả 4 mẫu nghiên cứu đều cao hơn so với nguyên<br />
liệu ban đầu. Điều này cho thấy, trong quá trình<br />
tiền xử lý, có thể một lượng cellulose,<br />
hemicellulose và các chất khác trong thành phần<br />
cấu trúc của sinh khối thải đã bị phân hủy thành<br />
các đơn phân (monomer) đã làm gia tăng hàm<br />
lượng chất tách chiết được sau khi tiền xử lý và<br />
hàm lượng tro ở cả bốn mẫu nghiên cứu cũng<br />
đều gia tăng.<br />
b<br />
<br />
25.00<br />
<br />
Hàm lượng klason lignin<br />
(%)<br />
<br />
Hàm lượng holocellulose (%)<br />
<br />
tiền xử lý là 15 kg fcm-1, các loại mẫu khác nhau<br />
sẽ có mức phá hủy cấu trúc cũng như giảm hàm<br />
lượng holocellulose khác nhau, trong đó mẫu bã<br />
sắn là giảm mạnh nhất (31,61%). Khác với hàm<br />
lượng holocellulose, hàm lượng klason lignin sau<br />
khi tiền xử lý của 4 mẫu trên lại khác nhau so với<br />
nguyên liệu ban đầu. Đối với mía thân cứng và<br />
thân sắn, sau tiền xử lý có hàm lượng klason<br />
lignin cao hơn trước tiền xử lý, mía thân mềm và<br />
bã sắn có hàm lượng klason lignin không thay<br />
đổi so với trước và sau tiền xử lý.<br />
<br />
70.00<br />
60.00<br />
50.00<br />
40.00<br />
30.00<br />
20.00<br />
10.00<br />
<br />
20.00<br />
<br />
N.liệu<br />
Sau popping<br />
<br />
15.00<br />
10.00<br />
5.00<br />
0.00<br />
<br />
0.00<br />
Mía cứng<br />
<br />
Mía mềm<br />
<br />
Thân khoai mì<br />
<br />
Mía cứng<br />
<br />
Bã khoai mì<br />
<br />
18.00<br />
16.00<br />
14.00<br />
12.00<br />
10.00<br />
8.00<br />
6.00<br />
4.00<br />
2.00<br />
0.00<br />
<br />
N.liệu<br />
Sau popping<br />
<br />
d<br />
6.00<br />
<br />
Thân khoai mì<br />
<br />
Bã khoai mì<br />
<br />
N.liệu<br />
Sau popping<br />
<br />
5.00<br />
Hàm lượng tro (%)<br />
<br />
Hàm lượng chất trích ly<br />
được(% )<br />
<br />
c<br />
<br />
Mía mềm<br />
<br />
Nguồn sinh khối thải<br />
<br />
Nguồn sinh khối thải<br />
<br />
Mía cứng<br />
<br />
Mía mềm<br />
<br />
Thân KM<br />
<br />
Bã khoai mì<br />
<br />
Nguồn sinh khối thải<br />
<br />
4.00<br />
3.00<br />
2.00<br />
1.00<br />
0.00<br />
Mía cứng<br />
<br />
Mía mềm<br />
<br />
Thân KM<br />
<br />
Bã khoai mì<br />
<br />
Nguồn sinh khối thải<br />
<br />
Hình 1. Thành phần hóa học chính có trong các mẫu thu được từ mía<br />
và sắn trước và sau khi tiền xử lý bằng kỹ thuật popping<br />
a. hàm lượng holocellulose; b. hàm lượng klason lignin;<br />
c. hàm lượng chất trích ly được; d. hàm lượng tro.<br />
<br />
Ảnh hưởng của tiền xử lý bằng kỹ thuật<br />
popping đến chỉ tiêu các loại đường đơn của<br />
mía cứng, mía mềm, thân sắn, bã sắn<br />
Bảng 2 cho thấy, trong ba loại đường 5<br />
carbon (gồm rhamnose, arabinose và xylose),<br />
hàm lượng đường xylose chiếm tỷ lệ cao nhất.<br />
Trong ba loại đường 6C (mannose, galactose<br />
và glucose), glucose chiếm tỷ lệ cao nhất.<br />
Trong 6 loại đường khảo sát, glucose chiếm tỷ<br />
lệ chủ yếu do glucose có đơn phân (monomer),<br />
là nguyên liệu chủ yếu tạo nên sinh khối thải,<br />
<br />
còn xylose là các đơn phân (monomer) cấu trúc<br />
nên hemicellulose. Hàm lượng glucose có<br />
trong các mẫu mía thân cứng, mía thân mềm,<br />
thân sắn và bã sắn cao hơn so với nguyên liệu<br />
ban đầu (bảng 2). Điều này cho thấy, trong quá<br />
trình tiền xử lý có thể đã xảy ra quá trình phân<br />
hủy và cắt mạch trong cellulose từ đó làm tăng<br />
hàm lượng đường glucose. Đối với chỉ tiêu<br />
tổng hàm lượng đường đơn, tổng lượng đường<br />
đơn của mía thân cứng, mía thân mềm, thân<br />
sắn và bã sắn sau khi tiền xử lý đều cao hơn so<br />
với nguyên liệu ban đầu.<br />
303<br />
<br />
Nguyen Van Vinh, Bui Minh Tri, Hyeun Jong Bae<br />
<br />
Bảng 2. Hàm lượng một số đường đơn của các mẫu thu được từ mía và sắn trước và sau quá trình<br />
tiền xử lý<br />
Nguyên liệu<br />
Mía cứng<br />
Mía mềm<br />
Thân KM<br />
Bã sắn<br />
NL<br />
0,23<br />
0,31<br />
0,21<br />
0,45<br />
Rha (%)<br />
pop<br />
0,23<br />
0,20<br />
0,29<br />
0,40<br />
NL<br />
2,65<br />
2,60<br />
0,71<br />
1,52<br />
Ara (%)<br />
pop<br />
1,02<br />
1,31<br />
0,58<br />
1,03<br />
NL<br />
17,14±1,36bc<br />
14,95±0,63b<br />
6,60±0,33a<br />
4,09±0,07a<br />
Xyl (%)<br />
pop<br />
16,10±1,01cd<br />
14,53±1,32c<br />
8,07±0,13b<br />
4,77±0,58a<br />
NL<br />
0,45<br />
0,39<br />
1,04<br />
0,83<br />
Man (%)<br />
pop<br />
0,47<br />
0,42<br />
0,99<br />
0,68<br />
NL<br />
0,74<br />
0,67<br />
0,94<br />
2,75<br />
Gal (%)<br />
pop<br />
0,56<br />
0,88<br />
0,90<br />
1,96<br />
NL<br />
27,43±0,77ab<br />
25,38±1,13ab<br />
28,09±1,24b<br />
36,48±1,13c<br />
Glu (%)<br />
pop<br />
32,23±1,02b<br />
29,64±0,70ab<br />
30,58±0,59ab<br />
37,66±0,75c<br />
NL<br />
48,65<br />
44,30<br />
37,59<br />
46,12<br />
Tổng (%)<br />
pop<br />
50,61<br />
46,98<br />
41,41<br />
46,50<br />
Rha. rhamnose; Ara. arabinose; Xyl. xylose; Man. mannose; Gag. galactose; glu. glucose; NL. nguyên liệu<br />
trước khi tiền xử lý bằng kỹ thuật popping; pop: nguyên liệu sau khi tiền xử lý.<br />
<br />
a<br />
<br />
a<br />
<br />
b<br />
<br />
2. Kích thước 500 µm<br />
b<br />
<br />
4. Kích thước 50 µm<br />
<br />
a<br />
<br />
a<br />
<br />
b<br />
<br />
3. Kích thước 100 µm<br />
b<br />
<br />
5. Kích thước 10 µm<br />
<br />
Hình 2-5. Cấu trúc bề mặt của mía thân cứng trước (a) và sau quá trình tiền xử lý (b)<br />
Ảnh hưởng của tiền xử lý bằng kỹ thuật<br />
popping đến cấu trúc mía thân cứng, bã sắn<br />
Để nghiên cứu những thay đổi về cấu trúc<br />
siêu hiển vi của mẫu sau quá trình tiền xử lý,<br />
mẫu đã được chụp và quan sát cấu trúc dưới kính<br />
hiển vi điện tử. Kết quả thể hiện ở hình 2 cho<br />
thấy, cấu trúc của mía cứng có sự thay đổi qua<br />
các hình ảnh chụp ở các kích thước 500 µm, 100<br />
µm, 50 µm, 10 µm trước và sau tiền xử lý, đặc<br />
biệt rõ ràng khi quan sát ở kích thước 10 µm.<br />
304<br />
<br />
Ở kích thước 500 µm và 100 µm, mía thân<br />
cứng sau khi được tiền xử lý có cấu trúc bị phá<br />
vỡ một phần so với ban đầu (hình 2, 3). Ở kích<br />
thước 50 µm và 10 µm, sự thay đổi cấu trúc bề<br />
mặt của mía thân cứng rõ nét nhất qua biểu hiện<br />
các nguyên liệu bị phá vỡ một phần so với ban<br />
đầu (hình 4, 5).<br />
Bã sắn là phần xơ còn lại khi đã lấy hết tinh<br />
bột trong củ sắn, trước khi tiền xử lý, bã sắn có<br />
cấu trúc dạng mạng lưới với những lỗ trống do<br />
<br />
TẠP CHÍ SINH HỌC 2014, 36(1se): 301-306<br />
<br />
tinh bột đã bị lấy đi. Mạng lưới sinh khối thải<br />
này chằng chịt, làm cho cấu trúc của bã sắn bền<br />
vững. Sau khi tiền xử lý, kích thước của bã sắn<br />
đã giảm đi đáng kể so với ban đầu, thể hiện rõ ở<br />
các kích thước 500 µm, 100 µm và 50 µm,<br />
nhưng thể hiện rõ nhất ở kích thước 500 µm<br />
(hình 6). Ở kích thước 10 µm, cấu trúc của bã<br />
sắn đã bị phá vỡ một cách rõ ràng nếu so với cấu<br />
trúc trơn láng ở nguyên liệu ban đầu (hình 9).<br />
a<br />
<br />
b<br />
<br />
6. Kích thước 500 µm<br />
b<br />
<br />
a<br />
<br />
Như vậy, cấu trúc bề mặt của các nguyên<br />
liệu mía cứng, bã sắn sau khi được tiền xử lý<br />
đều thay đổi khá rõ so với ban đầu. Các nguyên<br />
liệu cũng bị phá vỡ có các tiểu phần có kích<br />
thước nhỏ hơn và các thành phần bao bọc<br />
cellulose như hemicellulose và lignin cũng đã bị<br />
phá vỡ tạo thuận lợi cho việc thủy phân của<br />
enzyme ở giai đoạn sau.<br />
<br />
a<br />
<br />
b<br />
<br />
7. Kích thước 100 µm<br />
b<br />
<br />
a<br />
<br />
8. Kích thước 50 µm<br />
9. Kích thước 10 µm<br />
Hình 6-9. Cấu trúc bề mặt của bã sắn trước (a) và sau quá trình tiền xử lý (b)<br />
a<br />
<br />
b<br />
<br />
Hình 10. Hàm lượng đường glucose của các mẫu thu được từ mía và sắn trước (a)<br />
và sau khi được tiền xử lý (b) sau 24 giờ và 48 giờ thủy phân bằng enzym cellulase<br />
Ảnh hưởng của thủy phân bằng enzym<br />
cellulase đến hàm lượng glucose của mía<br />
cứng, mía mềm, thân sắn, bã sắn<br />
<br />
glucose tăng lên sau quá trình thủy phân bằng<br />
enzyme là do cellulase đã cắt đứt các liên kết β1-4 glucosid từ cellulose và giải phóng glucose.<br />
<br />
Hình 10 cho thấy, hàm lượng đường glucose<br />
của mía thân cứng, mía thân mềm, thân sắn và<br />
bã sắn sau khi được thủy phân bằng enzym<br />
cellulase đã cao hơn hẳn so với mẫu không<br />
được thủy phân bằng và sự khác biệt có ý nghĩa<br />
thống kê ở mức p=0,05. Hàm lượng đường<br />
<br />
Khi được thủy phân bằng enzym cellulase,<br />
hàm lượng đường glucose từ những mẫu đã<br />
được tiền xử lý cao hơn hẳn so với các mẫu<br />
không được tiền xử lý (có ý nghĩa thống kê ở<br />
mức p=0,05). Trong đó, mía thân cứng, mía<br />
thân mềm, thân sắn và bã sắn có hàm lượng<br />
305<br />
<br />