Sơ chế sinh khối bằng chất lỏng ion (Ionic liquids) -P1 Các hợp chất muối lỏng (còn gọi là chất lỏng ion) cho thấy sự hứa hẹn là một dung môi dùng cho xử lý sinh khối lignocellulose. Nhưng liệu sự tiếp cận này chỉ là một tò mò khoa học hay đây là một công nghệ tiên tiến trong sơ chế nguyên liệu đầu vào của nhiên liệu sinh học có thể thương mại hóa? Sinh khối lignocellulose là nguồn carbon tái sinh được và dồi dào bậc nhất trên hành tinh chúng ta. Chỉ tính riêng ở Mỹ thôi, người ta dự đoán có hơn một tỷ tấn sinh khối tạo ra hàng năm. Sinh khối lignocellulose có nguồn gốc từ cỏ, gỗ và phần thải của gỗ, rơm rạ, lõi bắp, chất thải rắn hữu cơ trong sinh hoạt, phân và các nguồn khác. Tường tế bào cây trong sinh khối lignocellulose là các cấu trúc phức hợp chứa cellulose, hemicellulose và lignin ( Hình 1 và 2). Các phức hợp này khó bị phá vỡ thành các thành phần polymer và monomer đơn lẻ. Sự cứng vững của phức hợp cấu trúc tạo vách tế bào này làm cho việc chuyển hóa sinh khối thành đường C5 và C6 (xylose, glucose) trở nên khó khăn, tiêu tốn nhiều năng lượng và chi phí cao hơn so với tinh bột bắp, đường mía hoặc củ cải đường. Cellulose là phân tử polymer có mặt nhiều nhất trong vách tế bào. Nó tạo nên 20-30% trọng lượng khô của vách tế bào. Liên kết beta 1,4 – glycoside giữa các đường đơn glucose cho phép hình thành các vi sợi cellulose trong suốt quá trình sinh tổng hợp vách tế bào. Các vi sợi có tính kết tinh cao và cung cấp khung cấu trúc chính cho vách tế bào Vi sợi cellulose có một lớp hemicellulose áo quanh gắn nó gắn kết với các vi sợi khác. Hemicellulose được chức hóa giúp ổn định cấu trúc vách trong suốt quá trình sinh tổng hợp vách tế bào. Vì vậy, chúng khó có thể phân hủy thành đường đơn. Hệ composite polysaccharide gồm hemicellulose và cellulose được bọc kín trong một nền chất lignin dai dẻo chịu hóa chất và kỵ nước. Lignin là một polymer sinh học phổ biến thứ nhì thường được tìm thấy trong các cây có mạch nhựa. Nó là loại polymer dị thể gốc từ phenylpropanoid. Lignin làm cho vách tế bào chịu được côn trùng, kháng vi khuẩn, chịu thời tiết và giúp truyền nước. Hình 2: Thành phần hóa học của vi sợi cellulose Sự chuyển hóa nhờ men của sinh khối thành các đường đơn dựa vào bước sơ chế này. Bước sơ chế giúp phá vỡ các phức hợp cấu trúc lignin – carbonhydrate và gia tăng khả năng thâm nhập – tiếp xúc của các polysaccharide đến men thủy giải. Một trong những yêu cầu thiết yếu cần quan tâm đến trong sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối ligno-cellulose là công nghệ sơ chế sinh khối phải hiệu quả và có chí phí phù hợp. Người ta ước tính rằng cứ trên một gallon sản phẩm , việc sơ chế sinh khối ngốn mất 19 – 22% chi phí sản xuất đứng sau việc chuẩn bị nạp liệu (30-32%). Một số phương pháp xử lý sơ bộ bằng vật lý, hóa học đi từ các công nghệ tiêu biểu trong công nghiệp giấy và bột gỗ đang được phát triển để vượt qua những rào cản công nghệ ở hệ vật liệu ligno-cellulose, gia tăng năng suất lên men, và cải thiện hiệu suất chuyển hóa lignocellulose thành các đường đơn. Các phương pháp xử lý bao gồm dùng acid loãng hoặc amoniac hoặc vôi hoặc bằng hơi quá nhiệt hoặc bằng các dung môi hữu cơ để làm trương sinh khối, tách sợi cellulose trước khi thủy giải thành đường đơn nhờ men Tất cả các phương pháp trên đều có ưu nhược điểm. Hiện nay, chúng ta vẫn chưa có phương pháp sơ chế sinh khối nào cho năng suất cao và chi phí thấp trong chuyển hóa các loại sinh khối chứa lignocellulose thành đường đơn. Quá trình xử lý dùng acid sunfuric loãng hòa tan hiệu quả phần lớn các hemicellulose và một phần lignin. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao hơn, bước xử lý này tạo ra các sản phẩm polysaccharide giảm cấp trung gian gây ức chế sự lên men vi sinh dẫn đến giảm hiệu suất toàn phần của chuyển hóa đường đơn. Phương pháp làm nở sợi bằng amoniac (AFEX) hữu hiệu trong sơ chế các phế phẩm nông nghiệp và lõi bắp nhưng nó đòi hỏi các điều kiện ngặt nghèo để xử lý hiệu quả các phần gỗ mềm và gỗ cứng cũng như thu hồi tái sử dụng amoniac. Cách sơ chế sử dụng vôi hiệu quả nhất cũng cần oxy cao áp 200psi. Còn dùng hơi quá nhiệt thì không hòa tan hiệu quả lignin và hiệu suất tạo đường đơn thấp hơn so với các công nghệ sơ chế khác. Biện pháp sơ chế sử dụng dung môi hữu cơ thường đòi hỏi sự có mặt chất xúc tác và tách loại hoàn toàn dung môi sau sử dụng. Sự tồn dư dung môi trong chế phẩm gây ức chế quá trình đường hóa và lên men tiếp theo đó. . Sơ chế sinh khối bằng chất lỏng ion (Ionic liquids) -P1 Các hợp chất muối lỏng (còn gọi là chất lỏng ion) cho thấy sự hứa hẹn là một dung môi dùng cho xử lý sinh khối lignocellulose liệu sinh học từ sinh khối ligno-cellulose là công nghệ sơ chế sinh khối phải hiệu quả và có chí phí phù hợp. Người ta ước tính rằng cứ trên một gallon sản phẩm , việc sơ chế sinh khối ngốn. đoán có hơn một tỷ tấn sinh khối tạo ra hàng năm. Sinh khối lignocellulose có nguồn gốc từ cỏ, gỗ và phần thải của gỗ, rơm rạ, lõi bắp, chất thải rắn hữu cơ trong sinh hoạt, phân và các nguồn