Tóm tắt Quátrình thủy phân bùn thải giấy bằng enzyme được tối ưu hóa bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) - Thiết kế cấu trúc có tâm (CCD). Phương trình thực nghiệm mô tả quá trình tương tác giữa 4 yếu tố và đồ thị bề mặt đáp ứng cho thấy sản lượng glucose cực đại 27,918g/L, hiệu suất chuyển hóa cellulose 80,4%. Ba thí nghiệm được thực hiện với điều kiện thủy phân tối ưu của mô hình, kết quả thu được sản lượng glucose là 27,724± 0,320 (g/L), tương đương với kết quả của mô hình. Từ khóa: Tối ưu hóa, thủy phân, bùn thải giấy, cellulase, phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) thiết kế cấu trúc có tâm (CCD). OPTIMISATION PAPER SLUDGE HYDROLYSIS PROCESS BY ENZYME THROUGH RESPONSE SURFACE METHODOLOGY-CENTRAL COMPOSITE DESIGN Phạm Thị Thanh Hòa Doctorate Candidate of Environment and Resources, Vietnam National University of HCMC Lecturer of Ho Chi Minh City University of Food Industry Nguyễn Văn Phước Prof. Dr. Director of Institute for Environment and Resources Vietnam Ho Chi Minh City National University Abstract Hydrolysis process of paper sludge by enzyme was optimized by the response surface methodology (RSM) central composite design (CCD). An experimental equation describing the interaction of four factors and response surface graphs show a maximum glucose amount of 27.918 g/L and cellulose transform efficiency of 80.4%. Three experiments were implemented under optimal hydrolysis conditions of the model illustrated a glucose output of 27.724 ± 0.320 (g/L), similar to the model result. Keywords: Optimisation, hydrolysis, paper sludge, enzyme, response surface method (RSM) central composite design (CCD). 1. Giới thiệu Cùng với sự phát triển của ngành nông nghiệp và công nghiệp ở Việt Nam, lượng rác thải từ hai ngành này ngày càng lớn gây áp lực cho việc xử lý chúng và tác động tiêu cực tới môi trường. Rác thải như rơm rạ, trấu, xơ dừa, bùn thải giấy, có thành phần lignocellulose cao là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất nhiên liệu sinh học bio-ethanol. Bio-ethanol hay còn gọi là cồn sinh học có công thức hóa học là C2H5OH, được bổ sung vào xăng để giảm lượng nhiên liệu hóa thạch phải khai thác. Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch đồng nghĩa với nguồn tài nguyên bị cạn kiệt và thúc đẩy tiến trình thay đổi thời tiết [1]. Vì vậy, bio-ethanol là sự lựa chọn cho các nước hiện nay nhằm tái tạo nguồn chất thải thành năng lượng bền vững [2]. Hiện nay trên thế giới rất nhiều nước đang sử dụng bio-ethanol. Brazil sử dụng bio-ethanol nguyên chất và bio-ethanol pha với xăng theo tỷ lệ 14%:76% (v/v) [3]. USA sử dụng E10 và E15, pha tỉ lệ 10% (v/v) và 15% (v/v) vào xăng tiêu thụ trên toàn nước Mỹ [4]. Bên cạnh đó, EU đã sử dụng bio-ethanol pha vào xăng với tỷ lệ 5% (v/v) theo tiêu chuẩn chất lượng EN/228 mà không cần phải chỉnh sửa bất cứ bộ phần nào của động cơ. Tuy nhiên, để sử dụng bio-ethanol với nồng độ cao hơn(85%), động cơ cần phải được thay đổi cho phù hợp [5]. Ở Việt Nam, E5 cũng đã được bán rộng rãi trên cả nước. Ở Việt Nam đã có một số nghiên cứu ứng dụng sử dụng phế phẩm nông nghiệp như rơm, rạ, trấu để sản xuất bio-ethanol. Việc thu hồi bio-ethanol từ bùn thải giấy còn là lĩnh vực mới và gặp nhiều trở ngại do bùn thải giấy có nhiều thành phần tạp chất gây ức chế hoạt động của vi sinh vật. Bên cạnh những lý do trên, nghiên cứu sản xuất bio-ethanol từ chất thải còn gặp nhiều khó khăn do hiệu suất thu hồi bio-ethanol chưa cao. Nguyên nhân chính của vấn đề này do quá trình thủy phân chuyển hóa sinh khối cellulose thành glucose còn nhiều hạn chế. Hiện nay, có rất nhiều phương pháp thủy phân cellulose như sử dụng axit [ 6], kiềm, vi sóng và sử dụng enzyme [7]. Trong những phương pháp này, thủy phân bằng enzyme là phương pháp cho hiệu sản lượng đường glucose là cao nhất [7,8]. Vì vậy, mục đích bài báo này đưa ra phương trình thực nghiệm dựa vào phương pháp đáp ứng bề mặt để mô tả sự tương tác giữa các yếu tố,từ đó cho phép tối ưu hóa quá trình thủy phân bằng enzyme dựa trên sản lượng và hiệu suất thủy phân. 2. Vật liệu, phương pháp và bố trí thí nghiệm Vật liệu Bùn thải giấy được lấy mẫu từ bể tuyển nổi của quy trình xử lý nước thải của công ty New Toyo Pulppy (NTY) với quy trình sản xuất giấy từ bột giấy và giấy tái chế. Mẫu bùn thải giấy này sau đó được tiền xử lý bằng axit sulfuric để giảm nồng độ kim loại và thành phần lignin cho sự thủy phân bằng enzyme. Sau tiền xử lý, thành phần lignocellulose còn lại là 42 % cellulose, 3,8% hemicellulose,5,1% lignin, còn lại là tro và các thành phần khác [9]. Enzyme Enzyme cellulaselà Celluclast® 1.5Ltừ Trichoderma reesei, và enzyme β-glucosidase từ Aspergillus niger, tên thương mại Novozyme 188, cả hai sản phẩm của Công ty Novozymes Đan Mạch. Phương pháp Hoạt độ của Celluclast® 1.5L xác định theo Filter paper assay70FPU/mL [10,11]. Hoạt độ của Novozyme 188xác định theo Cellobiose assay750 CBU/mL [10,11]. Đường từ quá trình thủy phân được xác định bằng phương pháp đường khử DNS (Dinitrosalycylic acid). Bố trí thí nghiệm quá trình thủy phân Quá trình thủy phân bằng enzyme được thực hiện trong Erlen 250 ml với 100 ml dung dịch gồm bùn thải giấy khô (theo khảo sát), nước khử ion và enzyme (theo đơn vị khác nhau) được hoạt hóa trong đệm citrate [12]. Trước khi cho enzyme, dung dịch bùn thải giấyđược bosung Tetracyclin1% bùn thải giấy (w/w)nhằm tiêu diệt các vi sinh vật ảnh hưởng đến quá trình thí nghiệm. Erlen được bao miệng kín nhằm ngăn hơi nước bay hơi và vi sinh vật trong môi trường không khí xâm nhập vào. Quá trình thí nghiệm sử dụng thiết bị khuấy từ nhiệt, cá từ dài 2 cm, nhiệt độ được nhóm nghiên cứu kiểm soát bằng nhiệt kế hồng ngoại Microlife FR1MF1 trong suốt quá thí nghiệm. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Sử dụng phần mềm Design Expert 8.0.6 để tìm các yếu tố ảnh hưởng tập trung và điều kiện thủy phân bằng enzyme tối ưu. Bảy yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân, mức thấp và cao (-1; +1) của từng yếu tốnằm trong vùng dự báo xu hướng theo khảo sát ban đầu [12]:nhiệt độ (48, 52oC), pH (4.8, 5.2), nồng độ lượng cơ chất (30, 70 g/L), đơn vị cellulase (10, 30 FPU/ 1g celllulose), đơn vị β-glucosidase (20, 40 CBU/ 1g celllulose), tốc độ khuấy (200, 240 vòng/phút), thời gian(24, 72 giờ). Thực hiện thí nghiệm theo bố trí của kế hoạch Minimum-Run Equireplicated Res IV Design, các yếu tố ảnh hưởng tập trung được xác định qua mức ảnh hưởng và độ tin cậy có ý nghĩa. Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) -thiết kế cấu trúc có tâm (CCD) bố trí thí nghiệm dựa trên các yếu tố ảnh hưởng tập trung chọn được. Các yếu tố chính được nghiên cứu ở 5 mức (-α, -1, 0, +1, +α). Thực hiện thí nghiệm, tiến hành phân tích RSM-CCD, chọn điều kiện thủy phân tối ưu. Hiệu suất thủy phân cellulose được tính theo công thức: glucosesinh ra glucosecellobiose+oligo)x 100 Hiệu suất (%) = 1,111 x glucancellulose glucosesinhra: Tổng lượng đường glucose thu được sau quá trình thủy phân (g) glucosecellobiose+oligo: Lượng glucose sinh ra do cellobiose và oligosaccharides trong mẫu sau tiền xử lý (g) glucancellulose: Glucan theo cellulose ban đầu (g) 1,111: hệ số chuyển hóa cellulose thành glucose 3. Kết quả và thảo luận Kết quả sàng lọc yếu tố ảnh hưởng tập trung Bảy yếu tố x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7 được mã hóa với thiết kế ma trận phối hợp giữa các yếu tố (bảng 1) để khảo sát mức ảnh hưởng tập trung. Bảng 1: Ma trận thiết kế thí nghiệm giữa các yếu tố theo kế hoạch Minimum-Run Equireplicated Res IV Design
Bảng 2: Các yếu tố quá trình thủy phân và mức ảnh hưởng của chúng
p 0,05 độ tin cậy có ý nghĩa; p> 0,05 độ tin cậy không có ý nghĩa [13, 14] Bảng 2 cho thấy, chỉ có 4 yếu tố là ảnh hưởng tập trung tới quá trình thủy phân bằng enzyme với độ tin cậy có ý nghĩa (p 0,05), 3 yếu tố kia ít ảnh hưởng trong khoảng khảo sát có thể chọn mức ở giữa để làm thí nghiệm. Bốn yếu tố có độ tin cậy có ý nghĩa là nồng độ cơ chất với mức ảnh hưởng lớn nhất 5,06; thời gian mức ảnh hưởng 1,74; đơn vị cellulase mức ảnh hưởng 1,64 và đơn vị β-glucosidase 0,75. Bốn yếu tố ảnh hưởng chính trên được tiếp tục được thiết kế và thực hiện thí nghiệm theo phương pháp bề mặt đáp ứng thiết kế cấu trúc có tâm. Số thí nghiệm được bố trí là 30 thí nghiệm (2(4+1) - 2), gồm 6 thí nghiệm ở tâm và 24 thí nghiệm không trọng tâm. Điểm ở tâm được chọn là điểm tại đó sản lượng thủy phân từ enzyme là cao nhất khi ta khảo sát từng yếu tố đơn lẻ [12]. Bốn yếu tố ảnh hưởng tập trung được nghiên cứu ở 5 mức (-α, -1, 0, +1, +α) với α = = 2. [14, 15 ] (Bảng 3, 4). Mô hình thực nghiệm mô tả mối tương tác giữa nồng độ glucose (Y, g/L) thu được từ quá trình thủy phân sử dụng enzyme với các biến mã hóa như sau: Y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b4x4 + b12 x1x2 + b13x1x3 b14x1x4 b23x2x3 b24x2x4 + b34x3x4 b1x12 b2 x22 b3 x32 - b4 x42. Kết quả tối ưu hóa với cặp enzyme Celluclast® 1.5L/ Novozyme 188: Bảng 3: Mức các yếu tố trong quá trình phân bằng enzyme Novozymes
Bài Viết Liên Quan
|
