Đánh giá chất lượng một số loại sinh khối thải từ mía, sắn và ảnh hưởng của kỹ thuật tiển xử lý nhằm chuyển hóa thành cồn sinh học - Nguyễn Văn Vinh

TẠP CHÍ SINH HỌC 2014, 36(1se): 301-306 301 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MỘT SỐ LOẠI SINH KHỐI THẢI TỪ MÍA, SẮN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA KỸ THUẬT TIỂN XỬ LÝ NHẰM CHUYỂN HÓA THÀNH CỒN SINH HỌC Nguyễn Văn Vinh1*, Bùi Minh Trí2, Hyeun Jong Bae3 1Trung tâm Khuyến nông tp. Hồ Chí Minh, *vinhnh_25@yahoo.com 2Trường Đại học Nông Lâm tp. Hồ Chí Minh 3Trường Đại học Quốc gia Chonnam, Hàn Quốc TÓM TẮT: Trong nghiên cứu này, bốn mẫu sinh khối thải từ mía, sắn đã được thu thập, phân tích, những mẫu này được tiền xử lý bằng kỹ thuật popping, sau đó, được thủy phân bằng enzyme cellulase để lên men 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. Thí nghiệm được bố trí theo kiểu khối đầy đủ hoàn toàn ngẫu nhiên một yếu tố, hai lần lặp lại. Kết quả đã xác định được trong số bốn mẫu nghiên cứu, mẫu có hàm lượng cơ bản phù hợp nhất cho việc tạo cồn sinh học là mía cứng, mía mềm và bã sắn, nguyên liệu ít có triển vọng để làm cồn sinh học là thân sắn. Hình ảnh cấu trúc bề mặt của các nguồn sinh khối thải được chụp ở kích thước 500 µm, 100 µm, 50 µm và 10 µm đã cho thấy, sự thay đổi cấu trúc bề mặt sau quá trình tiền xử lý bằng kỹ thuật popping. Kỹ thuật tiền xử lý popping đã làm tăng hiệu quả của quá trình thủy phân bằng enzyme cellulase và hiệu quả nhất đối với nguyên liệu mía cứng, mía mềm, bã sắn. Còn thân sắn tỏ ra chưa hiệu quả. Từ khóa: Cồn sinh học, nhiên liệu sinh học, phế thải nông nghiệp, tiền xử lý, thủy phân. MỞ ĐẦU Các dạng năng lượng sinh học đang được quan tâm gồm hai nhóm là dầu sinh học (biodiesel) và cồn sinh học (bioethanol). Các nguyên liệu dùng để sản xuất ethanol bao gồm mía, ngô, sắn (nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất) đã được khẳng định về công nghệ và hiệu quả kinh tế ở qui mô công nghiệp. Tuy nhiên, ethanol được sản xuất từ các nguồn vật liệu sinh khối thải như bã mía, bã sắn (nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai) vẫn đang dừng ở qui mô nghiên cứu do còn tồn tại những vấn đề liên quan đến giải pháp công nghệ và hiệu quả kinh tế chưa được giải quyết triệt để. Việc nghiên cứu sản xuất ethanol từ sinh khối, cụ thể từ nguồn phế phẩm nông nghiệp như bã mía, thân và bã sắn là một xu hướng phù hợp đặc biệt với Việt Nam. Nghiên cứu này được tiến hành nhằm đánh giá chất lượng các nhóm nguyên liệu cũng như tìm ra giải pháp phù hợp chuyển hóa nguồn nguyên liệu này thành cồn sinh học. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu là các mẫu bao gồm đại diện nhóm mía thân cứng (giống K88-65, được thu thập tại Bình Chánh, thành phố Hồ Chí Minh), mía thân mềm (giống mía tím địa phương được thu thập tại Ninh Sơn, Ninh Thuận), thân sắn (giống KM 140 được thu thập tại tại Châu Đức, Bà Rịa- Vũng Tàu) và bã sắn sau quá trình chế biến tinh bột sắn (được thu thập tại Long Khánh, Đồng Nai). Mẫu sau khi được làm khô kiệt, đã được xay nhỏ và được bảo quản trong túi nylon. Phân tích thành phần hóa học của mẫu Thành phần hóa học cơ bản (holocellulose, Klason lignin, chất chiết và tro) của nguyên liệu thô và nguyên liệu tiền xử lý được xác định với các phương pháp chuẩn theo TAPPI (1992). Phân tích hàm lượng đường đơn trong nguyên liệu thô và nguyên liệu tiền xử lý được tiến hành bằng sắc ký khí sử dụng hệ thống sắc ký CP-9100 (Chrompack, Hà Lan). Tiền xử lý bằng kỹ thuật popping Hệ thống để tiền xử lý bằng kỹ thuật popping bao gồm một bình phản ứng hình trụ bằng sắt có thể tích 3 lít, có một nắp để đặt và lấy nguyên liệu, một tay xoay để đóng mở, được gia nhiệt bằng một bếp gas và đo nhiệt độ, áp suất bên trong lò phản ứng thông qua bộ xử lý. 100g mẫu được bổ sung thêm 300 ml nước để đạt độ ẩm 70-75% và giữ trong một giờ, sau đó cho vào lò phản ứng để tiền xử lý bằng kỹ thuật Nguyen Van Vinh, Bui Minh Tri, Hyeun Jong Bae 302 popping. Bình phản ứng được gia tăng nhiệt độ từ 15 đến 20oC trong 1 phút đến khi nhiệt độ và áp suất bên trong bình phản ứng đạt tương ứng 220oC và 15 kg fcm-1. Sau quá trình tiền xử lý bằng kỹ thuật popping, mẫu được nghiền để đạt kích thước từ 251-422 µm bằng máy nghiền Willy gắn các lưỡi thép không gỉ. Thủy phân bằng enzyme cellulase Enzyme được sử dụng cho nghiên cứu này là cellulase (Sigma-Aldrich, St Louis, MO, Hoa Kỳ) từ nấm Trichoderma reesei. Hoạt tính enzyme được đo thông qua giấy lọc Whatman (1% trọng lượng/thể tích), CMC-Na (1% trọng lượng/thể tích), Avicel (1% trọng lượng/thể tích) và xylan gỗ bạch dương (1% trọng lượng/thể tích). Thủy phân bằng enzyme đã được thực hiện ở 1% trọng lượng khô (trọng lượng/thể tích) chất nền ban đầu chứa trong một ống hình nón (50 ml). Enzyme thủy phân được thực hiện tại 45°C với enzyme cellulase có hoạt lực 0,58 FPU/10 ul (FPU: filter paper unit) trong vòng 48 giờ. Việc định lượng đường khử glucose được đo bằng phương pháp acid dinitrosalicylic (DNS). Mô tả cấu trúc bề mặt của mẫu Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và máy vi lực nguyên tử sao chép (AFM) được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc bề mặt mẫu trước và sau khi tiền xử lý. Mẫu được chụp ảnh với kính hiển vi điện tử quét phát xạ (FE-SEM, JSM-7500F, Jeol, Nhật Bản) sử dụng điện áp 3 kV. Việc đo bằng AFM được thực hiện bằng cách sử dụng hệ thống AutoProbe CP (XE-100, hệ thống Park Inc, Hàn Quốc). Các hình thái của mẫu chất lỏng trước và sau tiền xử lý cũng đã được chụp ảnh bằng cách sử dụng một kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM, JEM 1010, Jeol, Nhật Bản) trên một phần siêu mỏng màu với 1% dung dịch KMnO4 và gắn vào lưới không tráng niken. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Thành phần hóa học của các nguồn sinh khối thải trước khi tiền xử lý bằng kỹ thuật popping Bảng 1. Thành phần hóa học chính trong các mẫu thu thập Nguồn sinh khối thải Holocellulose (%) Klason lignin (%) Chất trích ly (%) Tro (%) Mía cứng 74,30±0,45 d 17,11±0,34 c 10,73 4,57 Mía mềm 63,24±0,19 c 15,99±0,31 bc 10,10 4,67 Thân sắn 57,73±0,57 b 20,91±0,06 d 4,87 2,66 Bã sắn 42,91±0,24 a 10,14±0,27 a 0,82 1,78 Kết quả từ bảng 1 cho thấy, hàm lượng hollocellulose trong 4 loại nguyên liệu biến thiên từ 42,91-74,30%, trong đó mía thân cứng (xem ở vật liệu nghiên cứu) có hàm lượng hollocellulose cao nhất và bã sắn có hàm lượng thấp nhất. Hàm lượng hollocellulose giữa hai nguồn nguyên liệu mía và sắn cũng có sự khác biệt có ý nghĩa về mặt thống kê. Với công nghệ hiện nay, lignin không thể chuyển hóa thành ethanol, vì vậy, nguyên liệu có hàm lượng lignin cao sẽ ít có giá trị làm nguyên liệu sản xuất ethanol. Kết quả ở bảng 1 cho thấy, hàm lượng klason lignin trong 4 loại nguyên liệu biến thiên khá lớn trong khoảng từ 10,14-20,91%. Bã sắn có hàm lượng thấp nhất, do đó có thể thuận tiện trong quá trình chuyển hóa tạo ethanol. Kết quả phân tích thành phần cơ bản của 4 loại sinh khối thải mía thân cứng, mía mềm, thân sắn và bã sắn cho thấy, 2 mẫu mía và thân sắn có triển vọng hơn trong việc sản xuất ethanol. Ảnh hưởng của tiền xử lý bằng kỹ thuật popping đến thành phần hóa học, hàm lượng đường đơn và cấu trúc bề mặt của các nguồn sinh khối thải Hình 1 cho thấy, hàm lượng holocellulose của 4 mẫu nghiên cứu sau khi tiền xử lý bằng kỹ thuật đều giảm hơn so với nguyên liệu ban đầu từ 22,51-31,61%. Điều này chứng tỏ tiền xử lý bằng kỹ thuật đã làm phân hủy cellulose và hemicellulose trong mẫu. Với cùng một áp suất TẠP CHÍ SINH HỌC 2014, 36(1se): 301-306 303 tiền xử lý là 15 kg fcm-1, các loại mẫu khác nhau sẽ có mức phá hủy cấu trúc cũng như giảm hàm lượng holocellulose khác nhau, trong đó mẫu bã sắn là giảm mạnh nhất (31,61%). Khác với hàm lượng holocellulose, hàm lượng klason lignin sau khi tiền xử lý của 4 mẫu trên lại khác nhau so với nguyên liệu ban đầu. Đối với mía thân cứng và thân sắn, sau tiền xử lý có hàm lượng klason lignin cao hơn trước tiền xử lý, mía thân mềm và bã sắn có hàm lượng klason lignin không thay đổi so với trước và sau tiền xử lý. Đối với chỉ tiêu chất tách chiết được, sau quá trình tiền xử lý, hàm lượng chất tách chiết ở cả 4 mẫu nghiên cứu đều cao hơn so với nguyên liệu ban đầu. Điều này cho thấy, trong quá trình tiền xử lý, có thể một lượng cellulose, hemicellulose và các chất khác trong thành phần cấu trúc của sinh khối thải đã bị phân hủy thành các đơn phân (monomer) đã làm gia tăng hàm lượng chất tách chiết được sau khi tiền xử lý và hàm lượng tro ở cả bốn mẫu nghiên cứu cũng đều gia tăng. 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 Mía cứng Mía mềm Thân khoai mì Bã khoai mì Nguồn sinh khối thải H àm lư ợ ng h ol oc el lu lo se (% ) N.liệu Sau popping 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 Mía cứng Mía mềm Thân khoai mì Bã khoai mì Nguồn sinh khối thải H àm lư ợ n g k la so n li g n in (% ) N.liệu Sau popping 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 Mía cứng Mía mềm Thân KM Bã khoai mì Nguồn sinh khối thải H àm lư ợ n g c h ất t rí ch ly đ ư ợ c( % ) N.liệu Sau popping 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 Mía cứng Mía mềm Thân KM Bã khoai mì Nguồn sinh khối thải H àm lư ợ n g t ro ( % ) N.liệu Sau popping Hình 1. Thành phần hóa học chính có trong các mẫu thu được từ mía và sắn trước và sau khi tiền xử lý bằng kỹ thuật popping a. hàm lượng holocellulose; b. hàm lượng klason lignin; c. hàm lượng chất trích ly được; d. hàm lượng tro. Ảnh hưởng của tiền xử lý bằng kỹ thuật popping đến chỉ tiêu các loại đường đơn của mía cứng, mía mềm, thân sắn, bã sắn Bảng 2 cho thấy, trong ba loại đường 5 carbon (gồm rhamnose, arabinose và xylose), hàm lượng đường xylose chiếm tỷ lệ cao nhất. Trong ba loại đường 6C (mannose, galactose và glucose), glucose chiếm tỷ lệ cao nhất. Trong 6 loại đường khảo sát, glucose chiếm tỷ lệ chủ yếu do glucose có đơn phân (monomer), là nguyên liệu chủ yếu tạo nên sinh khối thải, còn xylose là các đơn phân (monomer) cấu trúc nên hemicellulose. Hàm lượng glucose có trong các mẫu mía thân cứng, mía thân mềm, thân sắn và bã sắn cao hơn so với nguyên liệu ban đầu (bảng 2). Điều này cho thấy, trong quá trình tiền xử lý có thể đã xảy ra quá trình phân hủy và cắt mạch trong cellulose từ đó làm tăng hàm lượng đường glucose. Đối với chỉ tiêu tổng hàm lượng đường đơn, tổng lượng đường đơn của mía thân cứng, mía thân mềm, thân sắn và bã sắn sau khi tiền xử lý đều cao hơn so với nguyên liệu ban đầu. a b c d Nguyen Van Vinh, Bui Minh Tri, Hyeun Jong Bae 304 Bảng 2. Hàm lượng một số đường đơn của các mẫu thu được từ mía và sắn trước và sau quá trình tiền xử lý Nguyên liệu Mía cứng Mía mềm Thân KM Bã sắn NL 0,23 0,31 0,21 0,45 Rha (%) pop 0,23 0,20 0,29 0,40 NL 2,65 2,60 0,71 1,52 Ara (%) pop 1,02 1,31 0,58 1,03 NL 17,14±1,36bc 14,95±0,63b 6,60±0,33a 4,09±0,07a Xyl (%) pop 16,10±1,01cd 14,53±1,32c 8,07±0,13b 4,77±0,58a NL 0,45 0,39 1,04 0,83 Man (%) pop 0,47 0,42 0,99 0,68 NL 0,74 0,67 0,94 2,75 Gal (%) pop 0,56 0,88 0,90 1,96 NL 27,43±0,77ab 25,38±1,13ab 28,09±1,24b 36,48±1,13c Glu (%) pop 32,23±1,02b 29,64±0,70ab 30,58±0,59ab 37,66±0,75c NL 48,65 44,30 37,59 46,12 Tổng (%) pop 50,61 46,98 41,41 46,50 Rha. rhamnose; Ara. arabinose; Xyl. xylose; Man. mannose; Gag. galactose; glu. glucose; NL. nguyên liệu trước khi tiền xử lý bằng kỹ thuật popping; pop: nguyên liệu sau khi tiền xử lý. 2. Kích thước 500 µm 3. Kích thước 100 µm 4. Kích thước 50 µm 5. Kích thước 10 µm Hình 2-5. Cấu trúc bề mặt của mía thân cứng trước (a) và sau quá trình tiền xử lý (b) Ảnh hưởng của tiền xử lý bằng kỹ thuật popping đến cấu trúc mía thân cứng, bã sắn Để nghiên cứu những thay đổi về cấu trúc siêu hiển vi của mẫu sau quá trình tiền xử lý, mẫu đã được chụp và quan sát cấu trúc dưới kính hiển vi điện tử. Kết quả thể hiện ở hình 2 cho thấy, cấu trúc của mía cứng có sự thay đổi qua các hình ảnh chụp ở các kích thước 500 µm, 100 µm, 50 µm, 10 µm trước và sau tiền xử lý, đặc biệt rõ ràng khi quan sát ở kích thước 10 µm. Ở kích thước 500 µm và 100 µm, mía thân cứng sau khi được tiền xử lý có cấu trúc bị phá vỡ một phần so với ban đầu (hình 2, 3). Ở kích thước 50 µm và 10 µm, sự thay đổi cấu trúc bề mặt của mía thân cứng rõ nét nhất qua biểu hiện các nguyên liệu bị phá vỡ một phần so với ban đầu (hình 4, 5). Bã sắn là phần xơ còn lại khi đã lấy hết tinh bột trong củ sắn, trước khi tiền xử lý, bã sắn có cấu trúc dạng mạng lưới với những lỗ trống do a b a b a b a b TẠP CHÍ SINH HỌC 2014, 36(1se): 301-306 305 tinh bột đã bị lấy đi. Mạng lưới sinh khối thải này chằng chịt, làm cho cấu trúc của bã sắn bền vững. Sau khi tiền xử lý, kích thước của bã sắn đã giảm đi đáng kể so với ban đầu, thể hiện rõ ở các kích thước 500 µm, 100 µm và 50 µm, nhưng thể hiện rõ nhất ở kích thước 500 µm (hình 6). Ở kích thước 10 µm, cấu trúc của bã sắn đã bị phá vỡ một cách rõ ràng nếu so với cấu trúc trơn láng ở nguyên liệu ban đầu (hình 9). Như vậy, cấu trúc bề mặt của các nguyên liệu mía cứng, bã sắn sau khi được tiền xử lý đều thay đổi khá rõ so với ban đầu. Các nguyên liệu cũng bị phá vỡ có các tiểu phần có kích thước nhỏ hơn và các thành phần bao bọc cellulose như hemicellulose và lignin cũng đã bị phá vỡ tạo thuận lợi cho việc thủy phân của enzyme ở giai đoạn sau. 6. Kích thước 500 µm 7. Kích thước 100 µm 8. Kích thước 50 µm 9. Kích thước 10 µm Hình 6-9. Cấu trúc bề mặt của bã sắn trước (a) và sau quá trình tiền xử lý (b) Hình 10. Hàm lượng đường glucose của các mẫu thu được từ mía và sắn trước (a) và sau khi được tiền xử lý (b) sau 24 giờ và 48 giờ thủy phân bằng enzym cellulase Ảnh hưởng của thủy phân bằng enzym cellulase đến hàm lượng glucose của mía cứng, mía mềm, thân sắn, bã sắn Hình 10 cho thấy, hàm lượng đường glucose của mía thân cứng, mía thân mềm, thân sắn và bã sắn sau khi được thủy phân bằng enzym cellulase đã cao hơn hẳn so với mẫu không được thủy phân bằng và sự khác biệt có ý nghĩa thống kê ở mức p=0,05. Hàm lượng đường glucose tăng lên sau quá trình thủy phân bằng enzyme là do cellulase đã cắt đứt các liên kết β- 1-4 glucosid từ cellulose và giải phóng glucose. Khi được thủy phân bằng enzym cellulase, hàm lượng đường glucose từ những mẫu đã được tiền xử lý cao hơn hẳn so với các mẫu không được tiền xử lý (có ý nghĩa thống kê ở mức p=0,05). Trong đó, mía thân cứng, mía thân mềm, thân sắn và bã sắn có hàm lượng a b a b a b a b a b Nguyen Van Vinh, Bui Minh Tri, Hyeun Jong Bae 306 glucose trước và sau tiền xử lý tại thời điểm 24 giờ có sử dụng enzyme tương ứng 1,73-3,50 mg/ml; 2,70-3,30 mg/ml; 1,25-2,45 mg/ml và 1,90-4,25 mg/ml. Điều này cho thấy, quá trình tiền xử lý đã làm thay đổi cấu trúc các nguyên liệu, làm tăng diện tích tiếp xúc giữa enzyme và cellulose, dẫn đến làm tăng hiệu quả thủy phân của enzym. Cũng theo hình 4, tác động thủy phân nguyên liệu của enzyme cellulase hầu như chỉ xảy ra sau 24 giờ. Khi tăng thời gian thủy phân, hàm lượng đường glucose của các nguyên liệu tăng nhưng không có ý nghĩa thống kê ở mức p=0,05. KẾT LUẬN Kết quả đã xác định được trong số 4 mẫu sinh khối thải nông nghiệp nghiên cứu, mẫu có hàm lượng cơ bản phù hợp để chuyển hóa tạo cồn sinh học là mía thân cứng, mía thân mềm, thân sắn và bã sắn. Hình ảnh cấu trúc bề mặt của các nguồn sinh khối thải đã cho thấy có sự thay đổi cấu trúc bề mặt sau quá trình tiền xử lý bằng kỹ thuật popping. Kỹ thuật tiền xử lý popping đã làm tăng hiệu quả của quá trình thủy phân bằng enzyme cellulase và hiệu quả nhất đối với nguyên liệu bã sắn, mía cứng và mía mềm, riêng nguyên liệu thân sắn tỏ ra chưa hiệu quả. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Michener B., Scarlata C., Hames B., 2005. Biomass analysis technology team, laboratory analatical procedure. Program Biomass of NREL of the U.S. 2. Sluiter A., Hames B., Hyman D., Payne C., Ruiz R., Scarlata C., Sluiter J., Templeton D., Wolfe J., 2008. Determination of total solids in biomass and total dissolved solids in liquid process samples. National Renewable Energy Laboratory of the U.S (NREL/TP-510-42621). 3. TAPPI, 1992. TAPPI Test Methods. TAPPI, Atlanta. Georgia, USA. 4. Wi S. G., Chung B. Y., Lee Y. G., Yang D. J., Bae H. J, 2011. Enhanced enzymatic hydrolysis of rapeseed straw by popping pretreatment for bioethanol production. Bioresource Technology, 102: 5788-5793. 5. Wood T. M., Bhat K. M., 1988. Methods for measuring cellulase activities. In: Wood, W. A., Kellogg, S. T. (Eds.), Methods Enzymol. Academic Press, Inc., London, 160: 87-112. QUALITY ASSESSMENT OF BIOMASS RESIDUES FROM SUGAR CANE, CASSAVA AND THE EFFICACY OF PRETREATMENT TECHNIQUE TO CONVERSE INTO BIOETHANOL Nguyen Van Vinh1, Bui Minh Tri2, Hyeun Jong Bae3 1Agricultural Extension Center of Ho Chi Minh city, 2Nong Lam University, Ho Chi Minh city 3Chonnam National University, Korea SUMMARY The aim of this research was to assess the quality of four agricultural waste biomass from sugar cane and cassava in Vietnam, the effect of pretreatment technique and the effect of cellulase enzyme in hydrolysis process to transform them into bioethanol. The agriculture biomass residues samples were collected, analysed, treated physically with popping technology. The treated samples then hydrolised using cellulase enzyme then fermented to produce ethanol. Surface structure of samples before and after the pretreatment were obtained by scanning electron microscopy. The result indicated that agricultural waste biomass from sugarcane and cassava pulp possessed component were highly favorable for bioethanol production. In contrast, the component from cassava sterm was not favorable for bioethanol production. Images of surface structures shot in 500 µm, 100 µm, 50 µm and 10 µm resolution of lignocellulose materials showed obviouly change of surface structure after popping pretreatment. Keywords: Bioethanol, biofuel, enzymatic hydrolysis, popping pretreatment, waste biomass. Ngày nhận bài: 15-7-2013