Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam hiện nay là nước xuất khẩu cà phê vối đứng thứ nhất trên thế giới, cũng như có tổng sản lượng cà phê nhân xuất khẩu đứng thứ hai trên thế giới chỉ sau Brazil. Tổng sản lượng trong năm 2018 là 1.000 tấn cà phê nhân (USDA, 2018) và hàng năm thải ra môi trường khoảng 460.000 tấn vỏ cà phê khô. Lượng phế thải này chủ yếu là làm chất đốt để sấy quả và hạt cà phê. Tuy nhiên việc dùng vỏ cà phê để làm chất đốt hiện nay gây ô nhiễm môi trường một cách trầm trọng.
Ngoài ra, một phần vỏ cà phê người dân ủ đống và bón lại cho các gốc cây cà phê nhưng cũng không có hiệu quả cao vì vỏ cà phê chưa qua xử lý để chuyển thành phân bón. Cho đến thời điểm hiện tại, cũng chỉ một phần nhỏ được sản xuất làm phân bón và làm thức ăn gia súc. Trên thế giới cũng có các công trình nghiên cứu tận dụng phế thải từ cà phê như: Sử dụng vỏ cà phê, lá cà phê làm giá thể để trồng nấm (Leifa et al., 2001), sử dụng vỏ quả cà phê, vỏ trấu cà phê làm nguồn carbon để lên men tạo acid gibberellic từ đó sản xuất acid citric (Shankaran and Lonsane, 1994). Vỏ cà phê còn được sử dụng để sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp xử lý nước thải (Franca et al.
Đáng quan tâm nhất, vỏ quả cà phê cũng được nghiên cứu sản xuất ra ethanol bằng phương pháp hóa học (Shenoy et al. Tuy nhiên nghiên cứu này có hạn chế lớn khi dùng acid và kiềm mạnh để thủy phân vỏ quả sẽ gây ô nhiễm môi trường ở mức nghiêm trọng cũng như trang thiết bị cơ giới hóa tốn kém, khó chế tạo. Trong vài thập niên gần đây, đứng trước nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và vấn đề ô nhiễm môi trường do sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã thúc đẩy các nước phải quan tâm nhiều hơn trong việc theo đuổi và thay thế bằng các nguồn năng lượng tái tạo và đặc biệt là sản xuất ethanol. Một trong những nguồn nguyên liệu dồi dào nhất đến thời điểm hiện tại để sản xuất ethanol đó là sinh khối lignocellulose.
Các nhà khoa học ước tính rằng sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulose có thể tăng gấp 16 lần sản lượng hiện tại (Saha and Cotta, 2008). Nghiên cứu gần đây chỉ ra tiềm năng tuyệt vời của phế thải vỏ cà phê trong việc sản xuất ethanol (Kwon et al. Nếu đốt ethanol thay vì xăng sẽ giảm hơn 80% lượng khí thải carbon ra môi trường (Mussatto et al. Tuy nhiên rào cản lớn nhất trong việc sản xuất ethanol từ nguồn nguyên liệu này đó chính là trong nguyên liệu có chứa nhiều hemicellulose và lignin.
Các chất này liên kết chặt chẽ với cellulose và tạo rào chắn bảo vệ sự tấn công của các loại hóa chất cũng như các loại enzyme tới phân tử cellulose (Ragauskas et al., 2006; Hahn-Hägerdal et al. Hàm lượng lignin trong vỏ quả cà phê 1 luan an chiếm khoảng 17,5÷20,07% là tương đối cao. Điều này như là một cản trở lớn cho quá trình tiền xử lý vỏ quả cà phê trước khi thủy phân và lên men tạo ethanol. Do đó, cần thiết phải có những khảo sát về các phương pháp tiền xử lý để loại bỏ thành phần lignin này đồng thời phải giữ lại lượng cellulose có trong nguyên liệu trước khi tiến hành quá trình thủy phân và lên men tạo ethanol.
Để có thể sản xuất ethanol, các polymer sinh học mà chủ yếu là cellulose phải được phân giải thành các đường đơn. Có hai hướng tiếp cận vấn đề này, đó là thông qua thủy phân bằng acid và thủy phân bằng enzyme. Công nghệ thủy phân bằng acid cho đến hiện nay không còn nghiên cứu nhiều mà các nghiên cứu tập trung vào thủy phân bằng enzyme hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá về mặt công nghệ. Tuy nhiên, thủy phân bằng enzyme gặp phải vấn đề lớn đó là giá thành enzyme còn khá cao.
Các chế phẩm enzyme cellulase thương mại đến từ các nhà sản xuất lớn trên thế giới như Mỹ, Đan Mạch, Ấn Độ giá thành dao động tùy thuộc vào hoạt lực chẳng hạn như: Cellulase từ A. niger giá 4,5 triệu đồng cho 25g (hoạt tính 0,8 U/mg), hay cellulase từ T. reesei giá 3,5 triệu đồng cho 50 mL (hoạt tính 700 U/g). Cho đến hiện nay, các nghiên cứu trong và ngoài nước về enzyme cellulase chủ yếu tập trung vào việc tách dòng gen mã hoá cellulase, tinh sạch và nghiên cứu đặc điểm hoá sinh của cellulase, tối ưu những điều kiện nuôi cấy thu nhận chế phẩm enzyme từ các loài nấm mốc, vi khuẩn và xạ khuẩn.
Trái lại, việc khai thác ứng dụng cellulase từ nguồn tự nhiên gặp nhiều hạn chế do năng lực sinh tổng hợp của chủng giống, không chủ động nguồn enzyme, khó can thiệp thay đổi tính chất về động học enzyme, độ bền nhiệt độ và pH, khả năng hoạt động trong những điều kiện nồng độ cao chất tẩy rửa và dung môi hữu cơ. Do đó, rất cần có những nghiên cứu về việc ứng dụng cellulase có nguồn gốc tự nhiên mà đặc biệt là từ các chủng nấm mốc hiện diện ngay trên cơ chất thủy phân của enzyme cellulase. Trên thực tế, việc sản xuất cà phê ở Việt Nam lại tập trung chủ yếu ở các tỉnh Tây Nguyên cho nên sẽ giảm thiểu được chi phí thu gom nguyên liệu. Ngoài ra, có thể nhận thấy được tiềm năng về trữ lượng vỏ cà phê ở Việt Nam rất lớn, cùng với vấn đề mang tính thời sự đó là bài toán giải quyết ô nhiễm trường, tìm và thay thế nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt.
Chính vì vậy, vỏ cà phê vối được chọn lựa làm nguyên liệu cho nghiên cứu: “Nghiên cứu quá trình tiền xử lý và hệ vi sinh vật phân giải vỏ quả cà phê vối (Coffea robusta) để lên men tạo ethanol”.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.1 Mục tiêu tổng quát Sử dụng các tác nhân acid, kiềm, vi sóng hay nấm mục trắng để tiền xử lý vỏ quả cà phê vối nhằm loại bỏ nhiều nhất hemicellulose và lignin ra khỏi nguyên liệu. Đồng thời là quá trình thu nhận enzyme cellulase từ nấm mốc và ứng dụng vào thủy phân vỏ quả cà phê. Dịch thủy phân được đem đi lên men để so sánh hiệu quả thủy phân giữa enzyme thu nhận được với enzyme thương mại.2 Mục tiêu cụ thể (1) Khảo sát quá trình khử caffeine, polyphenol và quá trình tiền xử lý vỏ quả cà phê đồng thời tối ưu hóa các thông số quá trình khử caffeine, khử polyphenol. (2) Thu nhận chế phẩm enzyme cellulase thô từ nấm mốc và tinh sạch sơ bộ bằng phương pháp kết tủa với dung môi hữu cơ và muối vô cơ.
(3) So sánh hiệu quả thủy phân giữa enzyme thu nhận được và enzyme thương mại. Đồng thời khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân và tối ưu hóa điều kiện thủy phân nhằm thu được hàm lượng đường khử là cao nhất. (4) Kiểm tra thành phần dịch thủy phân và đưa ra phương pháp khử độc dịch thủy phân. (5) Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men và các phương pháp lên men dịch thủy phân để tạo ethanol.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu: Vỏ quả cà phê vối (Coffea robusta): Quả cà phê vối tươi được thu nhận tại xã Pơng Drang – huyện Krông Buk – tỉnh Đăk Lăk.
Sau đó tách lấy vỏ quả rồi sấy khô ở 60oC trong 12 giờ. Nguồn phân lập nấm mốc: Quả cà phê mốc, cành, thân, lá cây cà phê, đất trồng được thu nhận tại vườn trồng cà phê (xã Pơng Drang – huyện Krông Buk – tỉnh Đăk Lăk).2 Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi không gian: Đề tài chi tập trung các khâu chính như: tiền xử lý, nuôi cấy nấm mốc, thu nhận enzyme thô, thủy phân và lên men. Một số nội dung khác đề tài không khảo sát như: tinh sạch enzyme, chưng cất. 3 luan an Phạm vi thời gian: Khó khăn của đề tài là ở công đoạn tiền xử lý bằng vi sinh vật có thể kéo dài vài tháng, cho nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu, khảo sát thời gian tối đa là 60 ngày.4 Ý nghĩa của luận án 1.1 Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu và đưa ra các giải pháp hữu ích nhằm giải quyết vấn đề phụ phẩm trong công nghiệp chế biến là khuynh hướng nghiên cứu đang được quan tâm ở trong và ngoài nước.
Việc sử dụng vỏ quả cà phê vối là lựa chọn có ý nghĩa thực tiễn khi Việt Nam là nước xuất khẩu cà phê nhân lớn thứ 2 thế giới (đặc biệt, xuất khẩu cà phê Robusta lớn nhất thế giới). Kết quả nghiên cứu từ luận án đã cung cấp số liệu về thành phần hóa học của vỏ quả cà phê vối, cho thấy tính khả thi của việc sử dụng nguồn phụ phẩm này như nguồn sinh khối lignocellulose tiềm năng để sản xuất ethanol. Nghiên cứu đã chú trọng sử dụng các giải pháp hạn chế sử dụng hóa chất độc hại nồng độ cao bằng việc kết hợp các phương thức tiền xử lý.2 Ý nghĩa thực tiễn Đặt cơ sở cho việc xây dựng quy trình sản xuất ethanol từ vỏ quả cà phê quy mô công nghiệp. Đồng thời, góp phần khai thác triệt để và có hiệu quả nguồn phụ phẩm từ ngành công nghiệp cà phê ở Việt Nam.5 Điểm mới của luận án Đề xuất được giải pháp tiền xử lý có sự hỗ trợ của vi sóng để giảm đáng kể lượng hóa chất sử dụng (chỉ sử dụng kiềm loãng, acid loãng), giúp giảm ảnh hưởng đến môi trường và tăng hiệu suất; sự cần thiết của việc điều chỉnh thứ tự của các bước tiền xử lý theo thành phần nguyên liệu.
Đánh giá được sự hình thành và tác động của một số chất hóa học nguy hại cho quá trình lên men và đề xuất được giải pháp loại trừ. Thu nhận được enzyme cellulase từ dòng nấm mốc Trichoderma asperellum (QT5) được phân lập từ bề mặt vỏ quả cà phê hỏng, ứng dụng có hiệu quả trong thủy phân vỏ quả cà phê vối. Thông tin từ kết quả nghiên cứu là tư liệu khoa học cho việc nghiên cứu về ethanol sinh học từ các nguồn phụ phẩm có hàm lượng lignin cao, sử dụng trong giảng dạy về quản lý và tận dụng phụ phẩm trong sản xuất thực phẩm. Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Nguyên liệu cà phê 2.1 Giới thiệu về vỏ quả cà phê vối Vỏ cà phê là phụ phẩm đầu tiên thu được trong quá trình chế biến cà phê nhân ướt (Hình 2.
Vỏ quả chiếm khoảng 43,2% trọng lượng tươi hoặc 28,7% trọng lượng chất khô của toàn bộ quả cà phê (Bảng 2.
