Thứ sáu, 05/06/2020 | 23:30

Thứ sáu, 05/06/2020 | 23:30
Cập nhật 08:10 ngày 14/05/2020

Nghiên cứu thủy phân phế liệu gỗ keo tai tượng tạo đường xylose để nuôi cấy nấm men Candida Utilis

TÓM TẮT
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu quá trình nhiều công đoạn chế tạo dịch đường xylose từ phế liệu gỗ keo tai tượng ở quy mô pilot, cho sản xuất nấm men từ chủng Candida utilis. Trước tiên, phế liệu gỗ được thủy phân bằng axit sunfuric loãng để thu dịch thủy phân. Ở công đoạn thứ hai, dịch thủy phân được xử lý ngược biến, trung hòa và làm sạch, để thu được dung dịch đường. Các điều kiện công nghệ thích hợp của các công đoạn chế tạo xylose đã được xác định, theo đó hiệu suất xylose và glucose đạt tương ứng 7,8% và 0,9% so với phế liệu gỗ. Dung dịch đường thu được có nồng độ xylose và glucose tương ứng khoảng 14,7 g/L và 1,8 g/L, pH 5, phù hợp cho nuôi cấy nấm men.
Từ khóa: Keo tai tượng, thủy phân gỗ, xylose, lên men nấm men, candida utilis. 
1. MỞ ĐẦU
Như đã biết, nếu như thủy phân cellulose thành glucose có thể sử dụng 2 phương pháp, là thủy phân xúc tác axit [8] và thủy phân xúc tác enzyme [7], thì đối với hemicellulose (pentosane) hiện chưa có xúc tác enzyme phù hợp và hiệu quả [4]. Nguyên do chính là hemicellulose bao gồm nhiều loại polysaccarit khác nhau, liên kết với nhau trong mô tế bào gỗ [9], vì vậy để thủy phân bằng enzyme cần một tổ hợp enzyme đặc hiệu. Điều này thực sự khó khăn đối với lĩnh vực chuyển hóa sinh khối lignocellulose ứng dụng công nghệ sinh học [2].
Các quy trình công nghệ hiện đại ứng dụng ở quy mô công nghiệp cho thấy, sử dụng xúc tác enzyme có thể mang lại những lợi ích chính về mặt môi trường, hay hiệu suất đường cao, nhưng lại không thực sự hiệu quả, bởi tác dụng của enzyme khá hạn chế đối với những loại cơ chất có cấu trúc xơ sợi đặc thù như cellulose hay hemicellulose [9,10]. Vì vậy, để đường hóa vật liệu lignocellulose, thủy phân axit vẫn là vấn đề cần nghiên cứu triển khai đối với mỗi loại nguyên liệu khác nhau, với mỗi mục tiêu khác nhau, để đánh giá mức độ chuyển hóa chúng thành sản phẩm sinh học [6].
Một số kết quả nghiên cứu đã công bố về thủy phân phế liệu gỗ ở những điều kiện khác nhau, có sử dụng axit sunfuric làm xúc tác [1,3,5] cho thấy hiệu quả khá khác biệt đối với mỗi loại nguyên liệu, và để đạt được kết quả theo mục tiêu, cần áp dụng các điều kiện công nghệ khác nhau. Bên cạnh đó, dịch thủy phân chứa đường thu được từ thủy phân sử dụng xúc tác axit, không phù hợp cho quá trình lên men, vì vậy cần nghiên cứu xử lý để nâng cao chất lượng sinh học.
Mặt khác, với mục địch đường hóa toàn bộ polysaccarit của phế liệu gỗ, thủy phân bằng axit được xem như là một công đoạn tiền xử lý nguyên liệu cho thủy phân cellulose bằng enzyme.
Nghiên cứu này nhằm mục đích xác định được điều kiện công nghệ thích hợp thủy phân pentosane của phế liệu gỗ keo tai tượng, để thu đường xylose, xử lý dịch đường phù hợp cho quá trình lên men của nấm men.
2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. Nguyên vật liệu
Nguyên liệu sử dụng cho nghiên cứu, là dăm mảnh vụn phế liệu gỗ keo tai tượng (Acacia mangium), phế liệu của quá trình chế biến dăm mảnh của Tổng Công ty Giấy Việt Nam, có thành phần hóa học cơ bản bao gồm: cellulose 40,94% (TAPPI method T17 wd-70), lignin 21,16% (TAPPI T222), pentosane 14,98% (TAPPI T223).
Hóa chất sử dụng là dạng PA xuất xứ Trung Quốc, Sigma Aldrich.
Chủng nấm men Candida utilis NBRC 10707, Nhật Bản.
2.2. Phương pháp thủy phân bằng axit
Thủy phân phế liệu gỗ được tiến hành trong nồi nấu inox dung tích 1lít, gia nhiệt bằng bể glyxerin. Mỗi nồi tiến hành với 50g nguyên liệu khô tuyệt đối. Dung dịch axit sunfuric có nồng độ tùy 
theo mục tiêu của từng thực nghiệm, được bổ sung sao cho tỉ lệ rắn/lỏng đạt 1/8. Quá trình gia nhiệt bắt đầu từ nhiệt độ 1000C, với tốc độ gia nhiệt trung bình 10C/phút đến nhiệt độ tối đa cần thiết và bảo ôn trong thời gian nhất định ở nhiệt độ tối đa. Kết thúc quá trình thủy phân, dịch đường được chiết, đun sôi trong 90 phút, làm nguội và lấy mẫu phân tích [1,11]
Thủy phân mẻ lớn ở điều kiện công nghệ tối ưu, để thu dịch thủy phân cho nghiên cứu xử lý dịch đường sau thủy phân, được tiến hành trong thiết bị phản ứng dung tích 3,5 với 300g nguyên liệu.
2.3. Phương pháp xử lý dịch đường sau thủy phân
Dịch thủy phân sau khi lọc bằng giấy lọc được xử lý qua 3 công đoạn: ngược biến đường bằng cách đun sôi dịch đường ở các mức nhiệt độ khác nhau, rồi trung hòa bằng Ca(OH)2 và NH3, tách cặn và các chất lơ lửng bằng cách lọc qua giấy, chân không.
2.4. Phương pháp phân tích dịch đường
Thành phần, hàm lượng dịch đường được phân tích bằng HPLC, sử dụng máy Agilent 1200 Series, với Detector RID G1328B, cột phân tích Prevail Carbohydrate ES - GRACE 250x4,6mm, sử dụng phẩn mềm xử lý số liệu Agilent 2D LC ChemStation Software (G2170BA) Version B 04.01 trên hệ điều hành WINDOWN XP.
Hiệu suất đường được tính bằng tỉ lệ (%) giữa khối lượng đường thu được từ mỗi mẫu thực nghiệm, và khối lượng mẫu phế liệu gỗ đã sử dụng cho thủy phân theo thực nghiệm đó.
III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Ảnh hưởng của điều kiện thủy phân đến hiệu suất đương và tín chất của dịch đường
Có thể thấy, polysaccarit (holocellulose) của phế liệu gỗ keo tai tượng, bao gồm cellulose và pentosane, chỉ chiếm 55,92%, thấp hơn so với gỗ sử dụng làm nguyên liệu giấy, có hàm lượng holocellulose khoảng 65%.
Nghiên cứu này nằm trong nghiên cứu tổng thể đường hóa toàn bộ polisaccarit của gỗ thành xylose và glucose, để sử dụng cho nuôi cấy nấm men từ chủng Candida utilis cho sản xuất protein đơn bào làm thức ăn chăn nuôi. Với mục tiêu này, quá trình đường hóa bằng cần tiến hành sao cho có thể tách được đường C5 và C6 riêng biệt ở mức tối đa có thể. Như đã nêu trên, thủy phân pentosane để thu đường C5 chỉ có thể sử dụng axit sunfuric, còn đường hóa cellulose có thể sử dụng xúc tác là axit ở nhiệt độ cao hơn hoặc enzyme ở nhiêt độ thấp. Vì vậy, phương pháp đường hóa phế liệu gỗ trong trường hợp này là thủy phân hai công đoạn. Công đoạn thứ nhất thủy phân pentosane bằng axit sunfuric loãng ở nhiệt độ thấp hơn để thu được đường C5. Tuy nhiên ngay cả ở nhiệt độ thấp, một phần cellulose vẫn có thể bị đường hóa. Vì vậy mục tiêu của nghiên cứu, là xác định được điều kiện công nghệ thích hợp, để đạt hiệu suất đường C5 (xylose) cao nhất có thể, đồng thời giữ được cellulose ở mức bị thủy phân thấp nhất có thể.
Bằng một loạt thực nghiệm thăm dò ảnh hưởng của nhiệt độ tới mức độ thủy phân và phân hủy đường tạo thành trong quá trình thủy phân, đã xác định được nhiệt độ thủy phân thích hợp là 1400C.
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ H2SO4 trong khoảng 0,1-1,0% ở nhiệt độ 1400C trong 40 phút (hình 1) cho thấy, đường C5 thu được chỉ là xylose. Khi nồng độ axit tăng từ 0,1% đến 0,5% thì hiệu suất xylose cũng tăng mạnh từ 0,2% đến 7,1%, nhưng khi tiếp tục tăng nồng độ axit lên đến 1,0% thì hiệu suất đường giảm xuống 6,3%, do ở nồng độ axit cao một phần xylose đã bị phân hủy thành furfural, đã được tìm thấy trong dịch đường. Hợp chất này là một trong những thành phần ức chế quá trình lên men của nấm men.
Hình 1: Ảnh hưởng của nồng độ axit sunfuric tới hiệu suất xylose (1) và glucose (2)
Phân tích hàm lượng pentosane của bã rắn sau thủy phân và tính toán, với các mức nồng độ axit trong dung dịch như trên, đã có tới 74,05% pentosane bị phân hủy và tách khỏi nguyên liệu. Như vậy đã có khoảng 40% xylose tạo thành bị chuyển hóa thành furfural và các hợp chất khác. Để đạt hiệu suất đường thích hợp, đã chọn nồng độ axit thích hợp là 0,75%.
Thực nghiệm thủy phân bằng dung dịch H2SO4 nồng độ 0,75% ở nhiệt độ 1400C trong thời gian từ 25-50 phút. Kết quả thu được (hình 2) cho thấy khi tăng thời gian thủy phân từ 25 phút đến 40 phút, hiệu suất xylose tăng từ 5,5% đến 7,1%, sau đó giảm xuống còn 6,2% sau 50 phút phản ứng. Phân tích hàm lượng pentosane của bã rắn sau thủy phân ở các mức thời gian khác nhau và đánh giá sự phân hủy đường, đồng thời xác định hiệu suất đường, đã xác định được hiệu suất xylose đạt tối đa ở mức 7,1% so với nguyên liệu, qua đó có thể thấy kéo dài thời gian sẽ kéo theo sự phân hủy xylose tạo thành. Để đạt hiệu suất xylose cao, thời gian thủy phân 40 phút đã lựa chọn là thích hợp.
Thời gian thủy phân (phút)
Hình 2: Ảnh hưởng của thời gian thủy phân tới hiệu suất xylose (1) và glucose (2)
Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu suất đường hóa trong khoảng nhiệt độ 120-1500C (hình 3) có thể thấy, ở nhiệt độ thấp (1200C) quá trình thủy phân polysaccarit gần như mới chỉ bắt đầu. Hiệu suất xylose chỉ đạt 0,69%, đồng thời có một lượng nhỏ glucose tạo thành (0,03%). Nhiệt độ tăng đã thúc đẩy phản ứng thủy phân mạnh hơn và hiệu suất đường, lên mức 4,1% ở 1300C và 7,1% ở 1400C, nhưng giảm xuống còn 4,63% ở 1500C. Glucose tạo thành không bị phân hủy thành các hợp chất khác. 
Hình 3: Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân tới hiệu suất xylose (1) và glucose (2)
Như vậy, điều kiện công nghệ thích hợp đường hóa phế liệu gỗ keo tai tượng để chế tạo đường C5 được xác định: nồng độ axit sunfuric 0,75%; tỉ lệ rắn/lỏng 1/8; tăng ô từ nhiệt độ từ 1000C trong 35 phút, bảo ôn ở 1400C trong 40 phút. Bởi tỉ lệ rắn lỏng 1/8 đủ để cho toàn bộ dăm mảnh gỗ ngập trong dung dịch axit. Lượng chất lỏng lớn hơn sẽ dẫn đến tiêu hao nước, năng lượng gia nhiệt, đồng thời nồng độ đường thu được thấp hơn. Bên cạnh đó, quá trình thủy phân (gia nhiệt và bảo ôn) cần tiến hành trong thời gian ngắn nhất có thể, để tránh phân hủy đường khi kéo dài thời gian ở nhiệt độ cao. Trong thực tế, quá trình thủy phân được bắt đầu từ nhiệt độ khoảng 90-1000C, trong thời gian 35-45 phút [4,6,11] từ điều kiện công nghệ này, đã nghiên cứu chuyển quy mô thực nghiệm trong thiết bị phản ứng dung tích 3,5L. Từ 1,2 kg phế liệu gỗ, đã thu được tổng cộng 6,24 lít dịch đường với hàm lượng xylose là 14,72 g/lít, glucose 1,81 g/lít và furfrural 0,33 g/lít. Như vậy, tiến hành quá trình ở quy mô pilot cho hiệu suất xylose đạt 6,4% và 7,8% tương ứng khi chưa ngược biến và sau ngược biến; glucose 0,93% và furfural 0,17%. Qua đó có thể thấy, thời gian tăng ôn ngắn hơn (17 phút so với 35 phút) giảm được sự phân hủy của xylose thành furfural.
3.2. Xử lý dịch đường sau thủy phân
Do dịch đường thu được sau thủy phân vẫn chứa một lượng oligosaccarit, nên để nâng cao hiêu suất xylose và glucose, đã tiến hành quá trình ngược biến đường, thực chất là quá trình thủy phân tiếp theo của các oligosaccarit thành monosaccarit tương ứng. Dịch đường sử dụng cho nghiên cứu là dịch đường thu được từ thủy phân mẻ lớn, như đã trình bày ở trên.
Đun nhẹ dịch đường trong khoảng thời gian 30-90 phút cho thấy hiệu suất xylose tăng đáng kể, từ 6,4% khi không xử lý lên 7,8% sau khi đung sôi 90 phút. Tuy nhiên, nếu kéo dài thời gian xử lý, chẳng hạn trong trường hợp thực nghiệm với thời gian đun sôi kéo dài 420 phút, hiệu suất xylose giảm xuống chỉ còn 6,6%, do đường đã bị mùn hóa.
Dịch đường sau ngược biến, đã được trung hòa lần lượt tới pH=3,5 bằng dung dịch Ca(OH)2 nồng độ 40g/L và tới pH=5 bằng NH3. Tiêu hao Ca(OH)2 và NH3 tương ứng là 31 ml/L và 5 ml/L dịch đường. Giá trị pH 4,5-5,0 là mức pH phù hợp cho quá trình lên men nấm men.
Dịch đường sau trung hòa được tách cặn và các chất lơ lửng bằng cách lắng có bổ sung chất trợ lắng, rồi lọc trong. Cặn CaSO4 và các chất lơ lửng khác là những thành phần ức chế quá trình lên men nấm men, vì vậy cần tách chúng ra khỏi dịch đường. Hàm lượng các chất lơ lửng trong dịch đường trong quá trình lắng không bổ sung chất trợ lắng, xác định được trong khoảng 0,72 g/L đến 1,25 g/L tùy thuộc vào thời gian để lắng tương ứng từ 30 phút đến 120 phút. Vì vậy bổ sung chất trợ lắng là cần thiết, để nâng cao hiệu kết tụ các chất lơ lửng và tách chúng ra khỏi dịch đường.
Bằng một loạt thực nghiệm sử dụng chất trợ lắng với mức sử dụng trong khoảng 0,05-0,5 g/L, ở nhiệt độ phòng, đã lựa chọn và xác định được mức sử dụng chất trợ lắng PAC là 0,2 g/L, nhiệt độ xử lý thích hợp là 70-800C, thời gian lắng thích hợp sau xử lý là 120 phút.
Dịch đường sau xử lý đã được thử nghiệm nuôi nấm men từ chủng Candida utilis, cho nấm men phát triển tốt. So với dịch đường chưa xử lý sau thủy phân, nấm men khhoong phát triển được, thì sau khi xử lý nấm men đã phát triển được. Tuy nhiên để đạt hiệu quả cao nuôi cấy nấm men, cần nghiên cứu tối ưu hóa thành phần dịch đường sử dụng cho nuôi cấy.
IV. KẾT LUẬN
Đã xác lập được điều kiện công nghệ thích hợp chế tạo dịch đường từ phế phế liệu gỗ keo tai tượng ở quy mô pilot 300 g/mẻ, theo phương pháp thủy phân bằng axit, cho hiệu suất xylose và glucose tương ứng đạt 7,8% và 0,9% so với khối lượng phế liệu gỗ.
Với điều kiện công nghệ thủy phân và xử lý dịch thủy phân thích hợp, từ 1 kg phế liệu gỗ có thể thu được khoảng 5 lít dung dịch đường, có nồng độ xylose và glucose tương ứng khoảng 15 g/L và 1,8 g/L, phù hợp cho nuôi cấy nấm men từ chủng Candida utilis.
Lời cảm ơn
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Bộ Công Thương theo đề tài mã số 06.ĐT.06.19/CNSHCB.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Aicha Nancib, Naassa Diboune, Nabil NanciS, Joseph Boudrant, 2017, Statistical optimization of dilute acid hydrolysis of wood sawdust for lactic acid production, Journal of Applied Biotechnology & Bioengineering, 4(1):502-509.
[2] Althuri Avanthi,Sanjeev Kumar,Knawang Chhunji Sherpa & Rintu Banerjee, 2017, Bioconversion of hemicelluloses of lignocellulosic biomass to ethanol: an attempt to utilize pentose sugars, Biofules, 8(4), 431- 444.
[3] Gebreyohannes Gebrehiwot, Sekarathil Anuradha Jabasingh, Abubeker Yimam, 2017, Production of Cellulosic Ethanol from Wood Sawdust by Sulphuric acid Hydrolysis, Journal of Petroleum Engineering & Technology, 7(3), 30-35.
[4] Frederic Delbecq,YantaoWang, Anitha Muralidhara, Karim E Ouardi, Guy Marlair, and Christophe Len, 2018, Hydrolysis of Hemicellulose and Derivatives - A Review of Recent
Advances in the Production of Furfural, Frontiers in Chemistry, 6, 146-175.
[5] I.S.M. Rafiqul, A.M.MimiSakinah, 2012, Kinetic studies on acid hydrolysis of Meranti wood sawdust for xylose production, Chemical Engineering Science, 71, 431- 437.
[6] Kumar, A.K.; Sharma, S, 2017, Recent updates on different methods of pretreatment of lignocellulosic feedstocks: A review. Bioresource and Bioprocess, 4, 7-14.
[7] Mohammad J. Taherzadeh and Keikhosro Karimi, 2007, Acid-based Hydrolysis Process for Ethanol from Lignocellulosis Materials: A Review, BioResources 2(3), 472-499.
[8] Mohammad J. Taherzadeh and Keikhosro Karimi, 2007, Enzyme-based Hydrolysis Process for Ethanol from Lignocellulosis Materials: A Review, BioResources 2(4), 707-738.
[9] Run-Cangsun, 2010, Cereal Straw as a Resource for Sustainnable Biomaterials and Biofuels, Chapter 4: Hemicellulose, Elsevier, 73-130.
[10] Tian, Shuang-Qi & Zhao, Ren-Yong & Chen, Zhi-Cheng, 2018, “Review of the pretreatment and bioconversion of lignocellulosic biomass from wheat straw materials,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, Elsevier, vol. 91(C), pages 483-489 (2018).
[11] O.H.rpuropbeBa, M.B.XapuHa, 2016, KucnoTHbiũ rugpojiU3 rni^ennrono3ocogepwaro^ero cbipbfl, BecTHUK TexHonoruMecHoro yHUBepcuTeTa, 19(1), 128-132.
PREPARATION OF XYLOSE SOLUTION FROM ACACIA MANGIUM
WOOD SAWDUST FOR YEAST PRODUCTION
ABSTRACT
This paper presents the research results of multistage process for xylose preparation from acacia mangium wood sawdust at pilot scale for Candida utilis yeast production. Firstly, wood sawdust was hydrolyzed by dilute sulfuric acid for obtaining of hydrolysate. At the second stage, the hydrolysate submerged reversion, neutralizing, and purification for obtaining of sugar sulotion. The optimal technological conditions of process stages for xylose preparation were chosen which given the yield of xylose and glucose of 7.8% w/w and 0.9% w/w oven dry wood sawdust respectively. The obtained sugar solution has a xylose and glucose concentration of 14.7 g/L and 1.8 g/L respectively and pH 5 suitable for growing yeast.
Key words: acacia mangium, wood hydrolysis, xylose, yeast fermentation, candida utilis
LÊ QUANG DIỄN, NGUYỄN HOÀNG CHUNG, THÁI ĐÌNH CƯỜNG, PHẠM TUẤN ANH - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
(Bài đăng Trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, số 41 tháng 4 năm 2020)


Bài cùng tác giả

Bài khác

Tổng số lượt truy cập :
  • 1
  • 2
  • 5
  • 0
  • 4
  • 4
  • 1
lên đầu trang