KHẢ NĂNG SỬ DỤNG VI SINH VẬT LÀM TÁC NHÂN SINH HỌC
SẢN XUẤT ETHANOL TỪ THÂN CÂY NGÔ
guyễn Thị Hằng ga
1
Summary
Ability to use microorganisms as biological factor produced ethanol from corn trunk
The project “Ability to use microorganisms as biological factor produced ethanol
from corn trunk” have conducted at Institute for Agricultural Environment, Vietnam
Academy of Agricultural Sciences. The result of study showed that the maize trunk after
harvesting have high hydratcacbon compounds and other mineral elements, this material
can produce bio-ethanol production. To research using maize trunk after harvesting as
raw materials for production of bio-ethanol using the help of microorganisms is not only
promising solution for creating biomass for alternative sources, but also reducing the
adverse impact on the environment.
Keywords: Microorganisms, ethanol, corn trunk.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
1
Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh
khối động, thực vật đang là một hướng đi
có thể tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế phần
nào nguồn nhiên liệu hoá thạch đang ngày
càng cạn kiệt, đảm bảo an ninh năng lượng
cho từng quốc gia.
Ethanol sinh học (bio-ethanol) là một
loại nhiên liệu sinh học dạng cồn, được sản
xuất chủ yếu bằng phương pháp lên men và
chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có
thể chuyển hóa thành đường đơn, thường
được sản xuất từ các loại cây nông nghiệp
hàm lượng đường cao. Hiện nay, việc sản
xuất ethanol từ các loại cây nông nghiệp
đang gây ra sự lo lắng về vấn đề an ninh
lương thực - sự cạnh tranh giữa cây trồng
1
Viện Môi trường Nông nghiệp.
làm nhiên liệu và cây lương thực. Chính vì
vậy, thế giới đang đi theo hướng sản xuất
ethanol từ các nguyên liệu chứa hợp chất
cellulose.
Thành phần thân cây ngô sau thu hoạch
giàu hợp chất hydratcacbon và các nguyên
tố khoáng khác, là nguyên liệu tiềm năng để
sản xuất ethanol nhiên liệu. Việc nghiên
cứu sử dụng thân cây ngô sau thu hoạch
làm nguyên liệu sản xuất ethanol nhiên liệu
có sử dụng sự trợ giúp của vi sinh vật đang
là một trong những giải pháp đầy hứa hẹn
thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa
học trong và ngoài nước.
II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
1. Vật liệu nghiên cứu
- Thân cây ngô sau khi đã thu hoạch 2
ngày.
- Các chủng vi sinh vật lên men ACT
01, 06, 17, 18.
Trong nghiên cứu có sử dụng các
phương pháp thường quy được chuNn hóa
trong phòng thí nghiệm:
2. Phương pháp nghiên cứu
2.1. Phương pháp xác định hoạt tính phân
giải cellulose
Xác định hoạt tính phân giải cellulose
bằng phương pháp khuếch tán trên thạch đĩa.
Nguyên tắc của phương pháp: Enzym
celluloseza thuỷ phân CMC trong môi
trường sẽ tạo vòng thuỷ phân có màu vàng
xung quanh lỗ đục đã được nhỏ dịch vi
sinh vật và hiện màu bằng dung dịch lugol.
Dựa vào hệ số giữa đường kính vòng thuỷ
phân (D) và đường kính đục lỗ (d) người ta
xác định được hoạt tính CMC- aza của vi
sinh vật.
2.2. Phương pháp thuỷ phân bằng vi
sinh vật
Sau quá trình xử lý sơ bộ và trung hòa,
bố trí các công thức như sau: Cân 50g CR1
cho vào bình tam giác 1000ml thêm 500ml
nước cất, sau đó bổ sung dịch lắc vi sinh vật
theo các tỷ lệ 1%, 3% và 5% về thể tích.
Trong quá trình thủy phân, theo dõi
các chỉ tiêu: Mật độ vi sinh vật, hàm lượng
đường khử sau 1, 2, 3, 5, 7 ngày; thành
phần của chất rắn thu được sau khi lọc
CR3 (sấy khô).
2.3. Phương pháp lên men
Dịch nấm men Saccharomyces
cerevisiae đã lựa chọn lắc trong 2 ngày
được sử dụng để làm tác nhân cho quá trình
lên men. Thể tích dịch lên men dùng cho
mỗi công thức 1000ml. Lượng dịch nấm
men bổ sung là 10% (v/v). Mỗi công thức
nhắc lại 3 lần.
Điều kiện lên men: Nhiệt độ = 30
o
C;
pH = 5,5; thời gian: 5 ngày.
Chỉ tiêu theo dõi: pH, hàm lượng
đường khử, hàm lượng ethanol
2.4. Phương pháp đo hàm lượng ethanol
Mẫu được đo tại Viện Công nghệ sinh
học và Thực phNm - Đại học Bách khoa Hà
N ội.
III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
1. Thành phần lý, hóa học của thân cây
ngô sau thu hoạch
Thân cây ngô được lấy từ Trung tâm
Giống, Phân bón và Cây trồng. Sau khi thu
bắp được 2 ngày, thân cây ngô được thu
gom phơi khô tự nhiên. Thân cây ngô sau
khi phơi khô tự nhiện có màu nâu nhạt, mùi
hơi hôi. Kết quả phân tích thành phần lý,
hóa học của thân cây ngô được trình bày ở
bảng 1.
Bảng 1. Thành phần lý hóa học
của thân cây ngô sấy khô
Hợp chất Phần trăm theo
khối lượng khô (%)
Độ ẩm 73
Cellulose 24, 07
Hemicellulose 37,19
Lignin 7,82
Khác 30,92
Tổng 100,00
Số liệu bảng 1 cho thấy, thân cây ngô
chứa chủ yếu là hemicellulose (37,19%) và
cellulose 24,07%. Đây là một nguyên liệu
sinh khối tiềm năng cho việc sản xuất
ethanol nếu các điều kiện thủy phân và lên
men được nghiên cứu một cách hiệu quả.
2. Lựa chọn chủng VSV phân giải hợp
chất hydratcacbon
Để phục vụ cho mục đích nghiên cứu,
đề tài đã sử dụng vật liệu là các chủng xạ
khuNn có khả năng chuyển hóa hợp chất
hydratcacbon do Bộ môn Vi sinh vật - Viện
Thổ nhưỡng Nông hóa và Bộ môn Sinh học
Môi trường - Viện Môi trường Nông nghiệp
cung cấp, các chủng VSV sử dụng trong
nghiên cứu đều có lý lịch rõ ràng và được
định tên đến loài, đảm bảo an toàn sinh học
khi ứng dụng trong thực tế sản xuất. Kết
quả đánh giá hoạt tính sinh học CMC và
khả năng sinh trưởng và phát triển các
chủng VSV trong môi trường dịch thể từ 0
giờ đến 72 giờ nuôi cấy được trình bày
trong bảng 2.
Bảng 2. Mật độ tế bào và hoạt tính sinh học CMC 4 chủng VSV nghiên cứu
Ký hiệu Mật độ tế bào (CFU/ml) Đường kính vòng phân giải CMC (D-d)
24 giờ 48 giờ 72 giờ 24 giờ 48 giờ 72 giờ
ACT 01 5,77. 10
7
6,20.10
8
4,14.10
8
25 31 33
ACT 06 2,47.10
6
7,31. 10
8
6,12. 10
8
28 33 40
ACT 17 2,18. 10
8
8,34.10
8
5,22.10
8
26 30 35
ACT 18 1,87. 10
6
3,56.10
8
2,34.10
8
26 32 37
Số liệu bảng 2 cho thấy, cả 4 chủng
VSV sử dụng trong nghiên cứu đều đạt mật
độ cao tại thời điểm 48 giờ, tuy nhiên
chủng ACT 06 có hoạt tính sinh học cao so
với 3 chủng còn lại ACT 01, ACT 17 và
ACT 18. Dựa vào kết quả này, đề tài đã lựa
chọn chủng ACT 06 đề tiếp tục sử dụng với
mục đích làm tác nhân sinh học chuyển hóa
hợp chất hydratcacbon.
Chủng ACT 06 (Streptomyces
thermocoprophilus) khi được nuôi cấy trên
môi trường thạch đĩa (A1) cho khuNn lạc có
màu trắng đục, bề mặt nhăn, mùi ngái,
khuNn lạc ăn sâu vào bề mặt thạch, sau 3
ngày nuôi cấy khuNn lạc có đường kính từ
1,5 - 2,3mm. Khi nuôi cấy trên máy lắc ở
nhiệt độ 37
0
C, tốc độ 150 vòng/phút trong
môi trường dịch thể tạo thành các hạt nhỏ.
Khi nuôi cấy tĩnh thì tạo váng trên môi
trường dịch thể.
3. Lựa chọn chủng vi sinh vật cho quá
trình lên men
Chủng vi sinh vật sử dụng trong lên
men ethanol sử dụng trong nghiên cứu được
lựa chọn từ bộ chủng vi sinh vật được lưu
giữ tại Bộ môn Sinh học Môi trường - Viện
Môi trường Nông nghiệp và chủng nấm
men do Bộ môn Vi sinh vật - Viện Thổ
nhưỡng Nông hóa. Đề tài đã tiến hành đánh
giá khả năng lên men rượu bằng cách đánh
giá định tính thông qua việc hình thành
CO
2
: Ống Durham được cho ngược chiều
vào ống môi trường lên men dịch thể. Sau
khi khử trùng khí trong ống bị loại hết, môi
trường ngập kín ống. Sau khi cấy nấm men,
khí CO
2
sinh ra đNy môi trường ra khỏi ống.
Ống chứa khí CO
2
sẽ nổi lên. Ống nổi lên
càng nhiều thì lượng CO
2
sinh ra càng
nhiều. Kết quả nghiên cứu cho thấy, ống
Durham trong môi trường lên men sử dụng
SA.03 bị đNy lên nhiều nhất chứng tỏ trong
ống sử dụng SA.03 khí CO
2
sinh ra nhiều
nhất so với 2 chủng SA.01 và SA.02. Như
vậy, SA.03 là chủng nấm men có khả năng
lên men cao và được đề tài lựa chọn sử
dụng trong quá trình lên men.
4. Khả năng chuyển hóa hợp chất
cacbonhydrat trong thân cây ngô thành
đường đơn
Để đánh giá khả năng chuyển hóa hợp
chất cacbonhydrat trong thân cây ngô, đề tài
tiến hành phân tích thành phần các chất
trong mẫu chất rắn thu đã được xử lý sơ bộ,
thủy phân bằng axit và thủy phân bằng vi
sinh vật. Kết quả phân tích hàm lượng
cellulose, hemicellulose và lignin được
trình bày trong bảng 3.
Bảng 3. Phần trăm theo khối lượng các thành phần chính trong nguyên liệu
sau các quá trình xử lý sơ bộ và thủy phân
TT Thành phần
Phần trăm theo khối lượng (%)
Nguyên
liệu ban
đầu
Xử lý sơ bộ
(H
2
SO
4
0,5%,
121
0
C, 1giờ)
Thủy phân bằng axit
(H
2
SO
4
2%, 121
0
C,
1giờ)
Thủy phân vi sinh vật,
3% dịch lắc ACT06,
sau 3 ngày
1 Cellulose 24, 07 37,67 39,83 18,80
2 Hemicellulose 37,19 22,90 9,52 24,01
3 Lignin 7,82 6,77 8,58 8,22
4 Khác 30,92 32,66 42,07 49,33
Tổng cộng 100,00 100,00 100,00 100,00
Số liệu bảng 3 cho thấy tỷ lệ % của
cellulose, hemicellulose, lignin và các hợp
chất khác trong nguyên liệu đã thay đổi so
với ban đầu sau khi được xử lý sơ bộ. Kết quả
phân tích cũng cho thấy sau quá trình thủy
phân bằng axit H
2
SO
4
2% và dịch SK chủng
ACT 06, thành phần của nguyên liệu tiếp tục
thay đổi. Tuy nhiên có sự khác biệt: Ở công
thức thủy phân bằng axit H
2
SO
4
2% tỷ lệ %
hemicellulose giảm đi rõ rệt trong khi đó
công thức thủy phân bằng vi sinh vật tỷ lệ %
cellulose giảm mạnh hơn với hemicellulose.
Bảng 4. Khả năng chuyển hydratcacbon trong quá trình thủy phân bằng axit
Hợp chất
Nguyên liệu đầu vào (gr) Sau quá thủy phân (gr) % chuyển hóa của
Thủy phân
bằng vi sinh vật
Thủy phân
bằng axit vô cơ
Bằng
vi sinh vật
Bằng axit
vô cơ Vi sinh vật Axit vô
cơ
Cellulose 18,84 18,84 6,98 14,26 63,0 24,3
Hemicellulose 11,45 11,45 8,91 3,41 22,2 70,2
Lignin 3,39 3,39 3,05 3,07 10,0 9,4
Khác 16,32 16,32 14,60 15,06 10,5 7,7
Tổng 50,00 50,00 37,12 35,80 25,76 28,4
Số liệu trên cho thấy, ở điều kiện 121
0
C
trong vòng 1 giờ, axit sunfuric 2% có khả
năng chuyển hóa tới 70,2% hàm lượng
hemicellulose, 24,3% cellulose và 9,45
lignin trong nguyên liệu đầu vào. Như vậy
sự chuyển hóa cho phép dự đoán rằng
đường khử tạo thành trong dịch thủy phân
bằng axit chủ yếu là đường 5- cacbon. Số
liệu bảng 4 cho thấy, cellulose chuyển hóa
khá lớn nhờ tác nhân vi sinh vật là chủng
ACT 06, số liệu phân tích cũng cho thấy vi
sinh vật đã sử dụng hợp chất cellulose trong
nguyên liệu làm thức ăn đồng thời chuyển
hóa thành đường.
Từ các kết quả nghiên cứu trình bày ở
trên cho thấy, hiệu suất chuyển hóa của
cellulose và hemicellulose thành đường và
các hợp chất khác như sau:
- Quá trình xử lý chỉ dùng axit:
+ Đối với cellulose: 4,5+ (100- 4,5)/100
x 24,3 = 27,7%.
+ Đối với hemicellulose: 62,4 + (100-
62,4)/100 x 70,2 = 88,8%.
- Quá trình xử lý có sử dụng chủng vi
sinh vật ACT 06:
+ Đối với cellulose: 4,5 + (100-
4,5)/100 x 63,0 = 64,7%.
+ Đối với hemicellulose: 62,4 + (100-
62,4)/100 x 22,2 = 70,7%.
Kết quả này cho thấy, quá trình xử lý
chỉ sử dụng axit vô cơ loãng có khả năng
thủy phân đến 88,8% hợp chất
hemicellulose, trong khi đó chỉ thủy phân
được 27,7% hàm lượng cellulose trong thân
cây ngô. Còn quá trình xử lý kết hợp axit vô
cơ loãng và chủng vi sinh vật ACT 06 có
khả năng chuyển hóa 70,7% lượng celluose
và 64,7% lượng hemicellulose trong thân
cây ngô khô. Như vậy phương pháp xử lý
kép bao gồm quá trình xử lý sơ bộ bằng axit
loãng và quá trình thủy phân bằng vi sinh
vật cho hiệu quả chuyển hóa hợp chất
hydratcacbon cao hơn.
5. Hiệu suất của quá trình lên men
Để nghiên cứu đánh giá khả năng lên
men của chủng SA.03 đối với các dịch lên
men, đề tài đã bố trí thí nghiệm với 5 công
thức lên men trong thời gian 5 ngày, ở nhiệt
độ 30
0
C, pH = 5,5 thể tích dịch lên men là 1
lít có bổ sung 10% dịch sinh khối SA.03:
LM1: Dịch lên men là dịch lọc thu
được của quá trình xử lý sơ bộ bằng H
2
SO
4
0,5% ở 121
0
C trong 1 giờ.
LM2: Dịch lên men là dịch thủy phân
bằng axit với axit H
2
SO
4
2%, ở 121
0
C trong
1 giờ;
LM3: Dịch lên men là hỗn hợp gồm
dịch lọc thu được của quá trình Xử lý sơ bộ
bằng H
2
SO
4
0,5% ở 121
0
C trong 1 giờ và
dịch thủy phân bằng axit với axit H
2
SO
4
2%, ở 121
0
C trong 1 giờ;
LM4: Dịch lên men là hỗn hợp gồm
dịch lọc thu được của quá trình xử lý sơ bộ
bằng H
2
SO
4
0,5% ở 121
0
C trong 1 giờ và
dịch thủy phân bằng vi sinh vật thu được
sau quá trình thủy phân bằng cách bổ sung
3% dịch lắc ACT 06 trong 3 ngày.