BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ VỎ HẠT ĐIỀU Họ tên sinh viên: NGUYỄN QUỐC THẮNG NGUYỄN BÌNH PHƯƠNG THANH TRÚC Ngành: CƠNG NGHỆ HĨA HỌC Niên khóa: 2009 - 2013 Tp HCM, 08/2013 NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ VỎ HẠT ĐIỀU Tác giả NGUYỄN QUỐC THẮNG NGUYỄN BÌNH PHƯƠNG THANH TRÚC Khóa luận đệ trình để đáp ứng u cầu cấp Kỹ sư ngành Cơng Nghệ Hóa Học Giáo viên hướng dẫn PGS TS Trương Vĩnh Tháng 8, 2013 i Đại Học Nông Lâm Tp HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Bộ mơn cơng nghệ hóa học Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc -NHIỆM VỤ LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ HĨA HỌC HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN QUỐC THẮNG MSSV: 09139170 NGUYỄN BÌNH PHƯƠNG THANH TRÚC NGÀNH: CƠNG NGHỆ HÓA HỌC MSSV: 09139210 LỚP: DH09HH Đầu đề luận án: NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ VỎ HẠT ĐIỀU Nhiệm vụ (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu): Nghiên cứu trình thủy phân vỏ hạt điều Nghiên cứu trình lên men glucose lên men dịch thủy phân Ngày giao nhiệm vụ luận án: 03/2013 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/08/2013 Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn PGS TS Trương Vĩnh Toàn Nội dung yêu cầu LATN thông qua Bộ môn Ngày … Tháng … Năm 2013 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ luận án: ii LỜI CẢM ƠN Luận  văn  là  tác  phẩm  của  một  sinh  viên  trước  khi  rời khỏi  trường đại  học.  Để  hoàn thành  luận  văn,  sinh  viên  cần  phải  áp  dụng  tất  cả  các  kiến  thức  và  hiểu biết mà mình đã tích luỹ được trong suốt những năm học ở trường. Chính  vì  vậy  những  kiến  thức  mà  em đã  tiếp  thu  được  trong  4  năm  học  tại  trường  Đại Học Nông Lâm là  nền  tảng  vững  chắc  giúp  em hoàn  thành  luận  văn  này.  Chúng  em  xin  chân  thành  cảm  ơn  các  thầy  cô  trong  môn CƠNG NGHỆ HĨA HỌC vì đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ trong suốt những năm vừa qua Chúng em  xin  chân  thành  cảm  ơn  thầy  PGS TS Trương Vĩnh,  thầy  là  người  đã  giúp  chúng  em  đến  với hướng nghiên cứu này, đồng thời cũng là  người tận tình chỉ bảo, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm và tạo mọi điều kiện  thuận lợi để em có thể hồn thành tốt luận văn Cuối  cùng,  chúng  em  xin  cảm  ơn  bạn  bè  và  người  thân  trong  gia  đình,  những  người  ln  chỗ  dựa  vững  chắc  và  luôn  ủng  hộ  chúng em  trong  mọi  việc Sinh viên thực Nguyễn Quốc Thắng Nguyễn Bình Phương Thanh Trúc iii MỤC LỤC TRANG TỰA i  LỜI CẢM ƠN iii  MỤC LỤC iv  TÓM TẮT vii  ABSTRACT viii  DANH SÁCH CÁC HÌNH ix  DANH SÁCH BẢNG xi  DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT xii  CHƯƠNG MỞ ĐẦU 3  1.1  Đặt vấn đề 3  1.2  Mục đích đề tài 4  1.3  Nội dung 4  1.4  Yêu cầu 4  1.5  Phương pháp nghiên cứu 4  CHƯƠNG TỔNG QUAN 5  2.1  Tổng quan điều [10] 5  2.2.1  Tên gọi xuất xứ .5  2.2.2  Vai trò kinh tế Việt Nam 6  2.2.3  Tiềm triển vọng điều 7  2.2  Sơ lược nguyên liệu Lignocellulose, Biofuel, Ethanol nhiên liệu .11  2.2.1  Nguyên liệu lignocellulose .11  2.2.2  Biofuel [1] 21  2.2.3  Ethanol [15] 23  2.3  Quá trình sản xuất ethanol 27  2.3.1  Sơ đồ tổng quát 27  2.3.2  Thủy phân 28  iv 2.3.3  2.4  Lên men [6] 39  Phương pháp đo lường xác định số 53  2.4.1  Phương pháp chiết Soxhlet [7] .53  2.4.2  Phương pháp xác định hàm lượng đường 54  2.4.3  Xác định hàm lượng Ethanol sắc ký khí [18] 56  2.4.4  Phương pháp thống kê – xử lý số liệu [13] 60  CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 62  3.1  Đối tượng nghiên cứu 62  3.1.1  Thời gian địa điểm nghiên cứu 62  3.1.2  Đối tượng nghiên cứu 62  3.1.3  Chuẩn bị nguyên liệu 62  3.2  Thiết kế thí nghiệm 63  3.2.1  Quy trình thực 63  3.2.2  Sơ đồ bố trí thí nghiệm 64  3.3  Phương pháp phân tích 65  3.3.1  Phương pháp xác định hàm lượng đường – phương pháp Miller [9] 65  3.3.2  Phương pháp xác định hàm lượng Ethanol 67  3.4  Thí nghiệm 1: khảo sát yếu tố nguyên liệu 69  3.4.1  Thí nghiệm 1.1: độ ẩm nguyên liệu [5] 69  3.4.2  Thí nghiệm 1.2: hàm lượng CNSL [16] 71  3.4.3  Thí nghiệm 1.3: xác định hàm lượng chất trích ly [6] 74  3.4.4  Thí nghiệm 1.4: xác định hàm lượng cellulose [4] .75  3.4.5  Thí nghiệm 1.5: xác định hàm lượng lignin [7] 79  3.4.6  Thí nghiệm 1.6: xác định hàm lượng tro [7] 82  3.5  Thí nghiệm 2: xác định điều kiện tối ưu trình thủy phân 83  3.5.1.  Thí nghiệm 2.1: xây dựng đường chuẩn glucose 83  3.5.2.  Thí nghiệm 2.2: khảo sát trình thủy phân .84  3.6  Thí nghiệm 3: khảo sát q trình lên men 86  3.6.1  Thí nghiệm 3.1: so sánh hoạt tính lên men loại nấm men .86  3.6.2  Thí nghiệm 3.2: Khảo sát lên men 87  3.7  Thí nghiệm 4: lên men dịch thủy phân điều kiện tối ưu 89  v CHƯƠNG KẾT QỦA – THẢO LUẬN 91  4.1  Kết thí nghiệm 1: khảo sát yếu tố nguyên liệu .91  4.1.1  Thí nghiệm 1.1: độ ẩm nguyên liệu – TCVN 4048:2011 91  4.1.2  Thí nghiệm 1.2: phân tích thành phần vỏ hạt điều 91  4.1.3  Thí nghiệm 1.3: hàm lượng CNSL .93  4.2  Kết thí nghiệm 2: thí nghiệm thủy phân 94  4.2.1  Thí nghiệm 2.1: xây dựng đường chuẩn glucose 94  4.2.2  Thí nghiệm 2.2: khảo sát trình thủy phân .96  4.3  Kết thí nghiệm 3: khảo sát q trình lên men 106  4.3.1  Thí nghiệm 3.1: so sánh hoạt tính lên men loại nấm men 106  4.3.2  Thí nghiệm 3.2: khảo sát lên men 107  4.4  Kết thí nghiệm 4: lên men dịch thủy phân điều kiện tối ưu 111  CHƯƠNG KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 113  TÀI LIỆU THAM KHẢO 116  PHỤ LỤC A .119  PHỤ LỤC B .121  PHỤ LỤC C .128  PHỤ LỤC D .129  vi TÓM TẮT Vỏ hạt điều chiếm tỷ lệ lớn phụ phẩm chế biến thực phẩm Việt Nam Với thành phần chứa 50% cellulose hemicellulose, vỏ hạt điều nguyên liệu thích hợp cho trình sản xuất ethanol sinh học Luận văn nghiên cứu trình sản xuất ethanol sinh học từ vỏ hạt điều chia làm hai phần Phần đầu nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố: nồng độ acid, thời gian thủy phân phần hai nghiên cứu trình lên men lên men dịch thủy phân Vỏ hạt điều nghiền nhỏ khơng qua tiền xử lý Sau tiến hành thủy phân acid sunfuric lên men nấm men Saccharomyces  cerevisiae Kết cho thấy, trình thủy phân diễn tốt điều kiện: nồng độ acid đạt 5%, thời gian phản ứng giờ, 100 oC, tương ứng nồng độ glucose đạt 17.6 mg/ml Từ thí nghiệm thủy phân ta xác định điều kiện tối ưu, áp dụng cho thí nghiệm lên men dịch thủy phân bước chuẩn bị mẫu, sau tiến hành lên men dịch thủy phân Q trình thu 17% ethanol theo thể tích vii ABSTRACT Cashew nut shell large proportion of the food processing by-products in Vietnam With components that contain more than 50% cellulose, cashew nut shell material is suitable for the production of ethanol This paper studies the production of fuel ethanol from cashew nut shell and is divided into two parts The first section studies the impact of factors: acid concentration, hydrolysis time and the second fermentation research base hydrolysis and fermentation Cashew nut shell is crushed and without pretreatment Then conducted sulfuric acid hydrolysis and fermentation by Saccharomyces cerevisiae Results showed that hydrolysis takes place in the best conditions: 5% acid concentration, reaction time h, 100 ° C, corresponding glucose concentrations obtained 17.6 mg / ml From hydrolysis experiments we determined the optimal conditions, then fermentation hydrolysis in such conditions This process gained 17% ethanol by volume viii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1: Cấu trúc vỏ Biomass 11  Hình 2.2: Cấu trúc khơng gian thành thực vật .12  Hình 2.3: Cấu trúc cellulose 12  Hình 2.4: Mơ hình mơ tả cấu trúc cellulose 13  Hình 2.5: Cấu trúc hóa học hemicellulose 15  Hình 2.6: Cấu trúc galactoglucomanan .15  Hình 2.7: Cấu trúc arabinoxylan 16  Hình 2.8: Đơn vị cấu trúc lignin (từ trái sang: p-coumaryl alcohol, coniferyl alcohol, sinapyl alcohol) 16  Hình 2.9: Mạng cấu trúc lignin 17  Hình 2.10: Một số ví dụ chất trích ly (a) abietic acid; (b) cathechin; (c) palmitic acid 19  Hình 2.11: Cấu trúc thành phần tiêu biểu CNSL 20  Hình 2.12: Tình hình sản xuất ethanol nhiên liệu giới 25  Hình 2.13: Sơ đồ tổng quát trình sản xuất Ethanol nhiên liệu .27  Hình 2.14: Cơ chế trình thủy phân .29  Hình 2.15: Sơ đồ mơ tả giai đoạn trình thủy phân .33  Hình 2.16: Mơ hình thủy phân theo giả thiết Mok Antal 34  Hình 2.16: Sơ đồ động học trình thủy phân hemicellulose 37  Hình 2.17: Mơ hình động hoc theo Kobayashi Sakai 37  Hình 2.18: Nấm men kính hiển vi 45  Hình 2.19: Chu trình sinh hóa q trình lên men 48  Hình 2.20: Sơ đồ chuyển hóa pyruvate .48  Hình 2.21: Ảnh hưởng nhiệt độ đến sinh trưởng nấm men 49  Hình 2.22: Bộ chiết Soxhlet 53  Hình 2.23: Nguyên lý khúc xạ kế .54  Hình 2.24: Sơ đồ hệ thống sắc ký khí 57  Hình 3.1: Nguyên liệu đầu vào 62  Hình 3.2: Vỏ hạt điều sau nghiền qua rây 1mm 62  Hình 3.3: Quy trình sản xuất Ethanol nhiên liệu từ vỏ hạt điều 63  ix ... tài: ? ?Nghiên cứu quy trình sản xuất ethanol sinh học từ vỏ hạt điều? ?? Khóa luận tốt nghiệp GVHD: PGS TS Trương Vĩnh 1.2 Mục đích đề tài  Nghiên cứu khả sản xuất ethanol sinh học từ vỏ hạt điều. .. độ dịch lên men;  Đưa quy trình cơng nghệ sản xuất ethanol sinh học từ vỏ hạt điều  Đánh giá tính khả thi sản xuất ethanol sinh học từ vỏ hạt điều 1.5 Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp xử... HĨA HỌC MSSV: 09139210 LỚP: DH09HH Đầu đề luận án: NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ VỎ HẠT ĐIỀU Nhiệm vụ (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu): Nghiên cứu trình thủy phân vỏ hạt điều