BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MƠN CƠNG NGHỆ SINH HỌC KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG QUY TRÌNH TẠO ETHANOL SINH HỌC TỪ THÂN CÂY NGÔ Ngành học : CÔNG NGHỆ SINH HỌC Sinh viên thực : NGUYỄN CHÍ HIỀN Niên khóa : 2008 – 2012 Tháng 7/2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MƠN CƠNG NGHỆ SINH HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG QUY TRÌNH TẠO ETHANOL SINH HỌC TỪ THÂN CÂY NGƠ Hƣớng dẫn khoa học Sinh viên thực TS BÙI MINH TRÍ NGUYỄN CHÍ HIỀN Tháng 7/2012 LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn: Ban Giám hiệu trƣờng đại học Nơng Lâm thành phố Hồ Chí Minh, Ban chủ nhiệm Bộ Môn Công nghệ sinh học, tất quý thầy cô truyền đạt kiến thức cho suốt q trình học tập trƣờng Q thầy môn CNSHTV tạo điều kiện giúp đỡ tơi thực khóa luận tốt nghiệp Gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS Bùi Minh Trí, ngƣời tận tình bảo, hƣớng dẫn, góp ý không ngừng quan tâm, động viên suốt trình thực luận văn tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn đến tất anh chị làm việc Viện Nghiên Cứu Công Nghệ Sinh Học Mơi Trƣờng nhiệt tình giúp đỡ bảo suốt thời gian thực khóa luận Các bạn lớp DH08SH ln bên tôi, giúp đỡ, động viên, chia sẻ thời gian thực tập nhƣ suốt năm học vừa qua Cảm ơn bạn sinh viên thực khóa luận tốt nghiệp Viện Nghiên Cứu Cơng Nghệ Sinh Học Mơi Trƣờng nhiệt tình giúp đỡ động viên, chia sẻ suốt thời gian thực tập Cha mẹ, bậc sinh thành sinh nuôi dƣỡng tôi, em gia đình ln quan tâm, ủng hộ tơi học tập hồn thành khố luận tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực NGUYỄN CHÍ HIỀN i TĨM TẮT Tình hình nguồn ngun liệu hóa thạch ngày cạn kiệt việc tái tạo phải chờ khoảng thời gian dài Trong hƣớng nghiên cứu mới, sử dụng nguồn sinh khối lignocellulose để tạo ethanol sinh học mà không ảnh hƣởng đến nguồn lƣơng thực- thực phẩm đảm bảo an ninh lƣợng gới Thân ngô nguồn sinh khối lignocellulose dồi Việt Nam Vì việc nghiên cứu sản xuất ethanol sinh học thân ngô điều cần thiết Quá trình nghiên cứu gồm nội dung sau khảo sát nồng độ NH4OH (5%; 10%; 15%; 20%; 25%) thích hợp cho việc tiền xử lý; khảo sát nồng độ enzyme celluase (1,5%; 3%; 6%) thời gian (48; 72; 96 giờ) tối ƣu cho trình thủy phân; khảo sát nồng độ enzyme celluase (1,5%; 3%; 6%), thời gian (48 giờ; 72giờ; 96 giờ) lƣợng nấm men (0,5 g; g; g) ảnh hƣởng đến trình lên men đồng thời; khảo sát thời gian (48giờ ; 72giờ; 96 giờ) lƣợng nấm men (0,5 g; g; g) ảnh hƣởng đến trình lên men phân đoạn Kết xác định đƣợc cellulose 35,5%, lignin 20,3%, tro 5,6%, độ ẩm 7%, chất trích ly 10% Tiền xử lý thu hồi kết cellulose cao nồng độ NH4OH 10% Thủy phân tối ƣu nồng độ enzyme cellulase 6% thời gian 72 đạt hiệu suất 88,23% Lên men đồng thời hiệu nồng độ enzyme celluase 6%, thời gian 96 lƣợng nấm men g đạt hiệu suất 57,03% Lên men phân đoạn hiệu thời gian 96 lƣợng nấm men g đạt hiệu suất 72,36% ii SUMMARY Thesis title “Construction process of creating bioethanol from corn stover” The situation of fossil fuel sources increasingly exhausted and the reproduction must waited to in long time In new research, using sources of lignocellulose biomass to produce bioethanol without affecting the food supply and assure security energy globe Corn stalks is also one of the abundant lignocellulosic biomass resources in Vietnam Therefore the research production of bio-ethanol on corn stover is essential The process of research includes surveyed the concentration NH4OH (5%; 10%; 15%; 20%; 25%) suitable for the pretreatment; surveyed the concentration of enzyme celluase (1,5%; 3%; 6%) and time (48 hours; 72 hours; 96 hours) the optimal for hydrolysis; surveyed the concentration of enzyme celluase (1,5%; 3%; 6%),time (48 hours; 72 hours; 96 hours) and volume yeast (0,5 g; g; g) affect the fermentation process simultaneously; surveyed time (48 hours; 72 hours; 96 hours) and volume yeast (0,5 g; g; g) affect the fermentation process segments The results have identified cellulose 35,5%; lignin 20,3%; ash 5,6%; moisture 7%; substances extraction 10% Pretreatment high cellulose recovery results at concentrations of NH4OH 10% Hydrolyzed the optimal in concentration of enzyme cellulase 6% and time 72 hour hit performance 88,23% Ferment simultaneously effective in concentrations enzyme celluase 6%, time 96 hours and volume yeast g hit performance 57,03% Ferment segment effective in time 96 hours and volume yeast g hit performance 72,36% iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii SUMMARY iii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH SÁCH CÁC BẢNG viii DANH SÁCH CÁC HÌNH ix Chƣơng MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Nội dung thực Chƣơng TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Tổng quan ngơ ngun liệu sử dụng đề tài 2.1.1 Đặc điểm thực vật học, nguồn gốc phân bố 2.1.1.1 Đặc điểm thực vật học 2.1.1.2 Nguồn gốc phân bố 2.1.2 Diện tích trồng ngơ Việt Nam 2.1.3 Đặt điểm thành phần hóa học thân ngô 2.1.3.1 Đặc điểm thân ngô 2.1.3.2 Thành phần hóa học 2.2 Hiện trạng sử dụng lƣợng thân ngô Việt Nam 2.3 Nguyên liệu lignocellulose 2.3.1 Cellulose 2.3.2 Hemicellulose 2.3.3 Lignin 10 2.3.4 Các chất trích ly 12 2.3.5 Tro 13 2.4 Cấu trúc lignocellulose 14 2.5 Quá trình sản xuất ethanol từ sinh khối 15 2.5.1 Tổng quát 15 iv 2.5.2 Tiền xử lý 16 2.6 Sơ lƣợc nhiên liệu sinh học ethanol nhiên liệu 18 2.6.1 Nhiên liệu sinh học 18 2.6.2 Ethanol nhiên liệu 20 2.6.2.1 Lịch sử ethanol nhiên liệu 20 2.6.2.2 Tình hình phát triển ethanol nhiên liệu giới 21 2.6.2.3 Tình hình ethanol nhiên liệu Việt Nam 24 2.6.2.4 Triển vọng ethanol tƣơng lai 26 Chƣơng VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27 3.1 Thời gian địa điểm nghiên cứu 27 3.2 Vật liệu nghiên cứu 27 3.2.1 Thu thập mẫu 27 3.2.2 Thiết bị hóa chất sử dụng 27 3.2.2.1 Thiết bị dụng cụ 27 3.2.2.2 Hóa chất sử dụng 27 3.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 28 3.3.1 Phân tích thành phần mẫu thân ngơ 28 3.3.1.1 Kiểm tra độ ẩm phân tích tro 28 3.3.1.2 Phân tích chất trích ly 28 3.3.1.3 Phân tích Klason lignin 29 3.3.1.4 Phân tích cellulose 29 3.3.2 Khảo sát ảnh hƣởng nồng độ NH4OH đến tiêu cellulose lignin 30 3.3.2.1 Mục đích 30 3.3.2.2 Bố trí thí nghiệm 30 3.3.2.3 Cách thức thực 30 3.3.2.4 Phân tích thành phần mẫu sau tiền xử lý 30 3.3.3 Khảo sát ảnh hƣởng thời gian nồng độ enzyme đến nồng độ đƣờng thu đƣợc 31 3.3.3.1 Mục đích 31 3.3.3.2 Bố trí thí nghiệm 31 v 3.3.3.3 Cách thức thực 31 3.3.3.4 Chỉ tiêu theo dõi 31 3.3.4 Lên men mẫu nấm men Saccharomyces cerevisiae 31 3.3.4.1 Khảo sát ảnh hƣởng lƣợng nấm men với nồng độ enzyme đến hàm lƣợng ethanol thu đƣợc sau lên men đồng thời 31 3.3.4.2 Khảo sát ảnh hƣởng lƣợng nấm men thời gian đến hàm lƣợng ethanol thu đƣợc sau lên men phân đoạn 32 3.3.5 Phƣơng pháp xử lý số liệu 32 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 4.1 Kết phân tích thành phần thân ngô 33 4.2 Ảnh hƣởng nồng độ NH4OH đến tiêu cellulose lignin 33 4.3 Ảnh hƣởng thời gian nồng độ enzyme đến nồng độ đƣờng thu đƣợc 34 4.4 Lên men tạo ethanol 35 4.4.1 Ảnh hƣởng hàm lƣợng nấm men với nồng độ enzyme đến hàm lƣợng ethanol thu đƣợc sau lên men đồng thời 35 4.4.2 Ảnh hƣởng lƣợng nấm men thời gian đến hàm lƣợng ethanol thu đƣợc sau lên men phân đoạn……………………………………………………………37 4.5 Quy trình sản xuất ethanol sinh học từ thân ngô 37 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 39 5.1 Kết luận 39 5.2 Đề nghị 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 PHỤ LỤC vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT DME dimethyl ether DMF 2,5- dimethyl furan E5 Xăng chứa 5% ethanol E10 Xăng chứa 10% ethanol E25 Xăng chứa 25% ethanol E40 Xăng chứa 40% ethanol E50 Xăng chứa 50% ethanol E60 Xăng chứa 60% ethanol E85 Xăng chứa 85% ethanol TCN Trƣớc công nguyên SAA Soaking In Aqueous Ammonia vii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1 Diện tích trồng ngơ Việt Nam từ 1961 - 2009 Bảng 2.2 Thành phần hóa học thân ngô Bảng 2.3 Tỷ lệ thành phần lignocellulose số nguồn sinh khối .6 Bảng 2.4 Sản lƣợng lý thuyết ethanol từ nguyên liệu khô 24 Bảng 4.1 Tỷ lệ cellulose ligninn có sau tiền xử lý ………………………….33 Bảng 4.2 Hàm lƣợng ethanol sau 48 lên men (mg) 35 Bảng 4.3 Hàm lƣợng ethanol sau 72 lên men (mg) 36 Bảng 4.4 Hàm lƣợng ethanol sau 96 lên men (mg)………………………………36 Bảng 4.5 Hàm lƣợng ethanol sau lên men (mg)…………………………………… 37 viii 4.4.2 Ảnh hƣởng lƣợng nấm men thời gian đến hàm lƣợng ethanol thu đƣợc sau lên men phân đoạn Bảng 4.5 Hàm lƣợng ethanol sau lên men (mg) Thời gian lên men Hàm lƣợng nấm men Hàm lƣợng ethanol Hiệu suất (giờ) (g) (mg) (%) 0,5 104,85 f 27,87 1,0 157,73 d 41,92 2,0 226,31 b 60,15 0,5 112,18 e 29,82 1,0 170,62 c 45,35 2,0 271,84 a 72,25 0,5 113,73 e 30,23 1,0 174,69 c 46,43 2,0 272,24 a 72,36 48 72 96 Các chữ hàng khác có khác biệt (P