Công nghệ sản xuất cồn sinh học từ nguồn nguyên liệu lignocellulose Nguyên liệu lignocellulose bao gồm cellulose. lignin và hemicellulose là thành phần chính Bước 1: Quá trình tiền xử lý nguyên liệu Nhằm tạo ra một dạng cellulose đơn giản hơn để cho quá trình thủy phân dễ dàng hơn, các enzyme có thể tiếp xúc tối đa với cơ chất tương thích. Phương thức và hiệu quả của quá trình tiền xử lý thay đổi nhiều tùy thuộc vào đặc tính cấu trúc của nguồn nguyên liệu được lựa chọn. Giai đoạn này bao gồm sử dụng cơ học làm giảm kích thước nguyên liệu và một số phương pháp hóa sinh để loại lignin (lignin là thành phần không thể chuyển đổi thành ethanol). Rất nhiều phương pháp được sử dụng bao gồm các phương pháp hóa học trong đó phương pháp xử lý bằng hơi nước kết hợp xử lý bằng acid/alkali đang được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên xử lý bằng phương pháp hóa học gây nhiều tốn kém và ảnh hưởng nặng đến môi trường, do đó hiện nay phương pháp sinh học đang dần được được hoàn thiện để thay thế toàn phần hay sử dụng kết hợp với các phương pháp hóa học. Bằng cách sử dụng loại nấm như Cyathus sp, Streptomyces viridosporus, Phelebia tremellosus, Pleurotus florida và Peurotus cornucopiae có khả năng thủy phân lignin và hỗ trợ một phần thủy phân nguồn nguyên liệu cellulose. Tuy nhiên, thời gian xử lý kéo dài cũng là một hạn chế lớn của phương pháp này. Bước 2: Thủy phân nguồn nguyên liệu bằng tổ hợp enzyme Quá trình này gây tiêu tốn nhiều chi phí trong giai đoạn sản xuất cồn. Bằng kỹ thuật di truyền, các nhà nghiên cứu đang hướng đến tạo ra một tổ hợp enzyme có thể thủy phân nguồn nguyên liệu lignocellulose hiệu quả nhất. Thủy phân hoàn toàn nguồn lignocellulose cần có những sự chuyển đổi các nhóm polysaccharide sau: -glucosidase tạo ra sản phẩm cuối cùng là glucose.β-(1-4) glycoside. Quá trình thủy phân bằng tổ hợp enzyme cellulase bao gồm cellobiohydrolase (exoglucanase), endoglucase và β-D-glucose thông qua liên kết β Chuyển đổi cellulose: Cellulose là loại polysaccharide đồng hình được cấu thành từ các đơn phân -L-arabinofuranosidase. α-glucuronidase và α-xylosidase, β-xylanse, β Chuyển đổi hemicellulose: hemicellulose là thành phần dồi dào nhất thứ 2 trong nguồn nguyên liệu lignocellulose (25-30%). Hemicellulose là một loại polymer dị hình được tạo bằng các đơn phân pentose (D-xylose, D-arabinose), đơn phân hexose (D-mannose, D-glucose, D-galactose) và các acid đường. Xylan là thành phần thường thấy trong các thân gỗ cứng, tuy nhiên glucomanan lại là thành phần chính trong các loại thực vật thân mềm. Tổ hợp enzyme để thủy phân hemicellulose cũng rất phức tạp. Ví dụ để thủy phân xylan thì tổ hợp enzyme cần thiết là endo-1,4- Chuyển hóa pectin: pectin là thành phần chiếm thứ 3 trong nhóm polysaccharide cấu thành nên vách tế bào thực vật. Tương tự pectin cũng có thể được chuyển hóa thành các dạng đườnghòa tan, ethanol hay biogas. Một số enzyme liên quan để thủy phân pectin như: polymethylgalacturanosidase, exopolygalacturonase và exopolygalacturanosidase hydrolase. Nguồn enzyme được sử dụng phổ biến hiện nay là từ Trichoderma reesei vàAspergillus niger. Hiện nay, người ta đang thay thế dần các hệ enzyme chịu nhiệt, chịu các điều kiện hóa học quá hạn. Hơn hết là các nghiên cứu về phức hợp cellulosome của các vi khuẩn kỵ khí đang dần mở ra một con đường mới nhằm tăng hiệu quả thủy phân của tổ hợp trên các loại nguyên liệu lignocellulose. Bước 3: Lên men cồn từ hỗn hợp đường hòa tan Để sản xuất một lượng cồn lớn, thì việc lựa chọn một chủng nấm men thích hợp là rất cần thiết. Những giống nấm men thường được sử dụng trong công nghiệp sản xuất cồn như Saccharomyces spp mà hiện tại một số loài như S.Cerevisiea hay S.unvarum là giống có khả năng tạo độ cồn cao (12-13%), hay đặc biệt S.oviformis có khả năng tạo độ cồn 18% đặc biệt loài nấm men này có khả năng lên men được rất nhiều đường khác nhau như glucose, manose, saccharose, maltose và rafinose, tuy nhiên không có khả năng lên men galactose. Ngoài ra còn có Zymononas mobilis cũng thường được sử dụng trong quá trình rượu hóa. Tuy nhiên cả Saccharomyces và Zymononas sp đều thiếu hoàn toàn khả năng chuyển hóa các loại đường pentose. Khuynh hướng biến đổi gen của 2 giống này nhằm giúp biểu hiện khả năng chuyển hóa 2 loại đường pentose phổ biến nhất là D-xylose, và L – arabinose cũng đã được phát triển nhiều. Gần đây, người ta phát hiện thấy có một số loài nấm men như Pichia stipitis, Candida shehatae và Pachyhysolen tannophillus là những chủng có khả năng chuyển hóa xylose mạnh và đã được dùng trong sản xuất ethanol. Trong đó P. stipilis lại nổi bật bởi khả năng sản xuất hàm lượng cồn cao và nhu cầu dinh dưỡng của chúng không quá phức tạp so với các giống nấm men khác.Ngoài ra, các chủng chịu nhiệt độ cao như G. thermoglucosidasius, T.mathranii và T. saccharolyticum cũng đang được sử dụng. Quá trình lên men cồn của chúng có nhiều lợi ích hơn các quá trình chuyển hóa xảy ra ở nhiệt độ trung bình. Chúng có khả năng lên men không chỉ đường pentose, hexose mà còn có khả năng lên men cellobiose, thậm chí trong một số trường hợp những cơ chất polycarbonhydrate phức tạp như cellulose. Quá trình lên men ở nhiệt độ cao giúp quá trình thu hồi sản phẩm dễ dàng hơn, bởi vì ethanol có chứa nước (aqueous ethanol) sẽ bốc hơi tại nhiệt độ 50 độ C, đồng thời giảm nồng độ cồn trong bồn lên men nhằm giảm thiểu ảnh hưởng ngược lại của nồng độ cồn đến sự phát triển của tế bào, từ đó giảm được chi phí sản xuất. Bước 4: Chưng cất- khử nước Quá trình tách nước và tinh sạch ethanol để đáp ứng đặc điểm kỹ thuật của nhiên liệu Tóm lại, sự biến đổi phế liệu nông nghiệp thành các nguồn nhiên liệu cụ thể là ethanol còn là thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất. Các chủng cần được cải tiến để tăng cường tổng hợp tổ hợp enzyme thủy phân hiệu quả hay tăng cường khả năng chuyển hóa nhiều dạng đường thành ethanol bằng các kỹ thuật biến đổi gen, biến đổi quá trình trao đổi chất nên cần được phát triển để tạo ra nguồn năng lượng chi phí thấp mà vẫn không ảnh hưởng đến môi trường trong tương lai. Giai đoạn chưng cất cồn thô sang cồn tinh khiết Chưng cất được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học và có khả năng tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hoàn toàn. Hỗn hợp cần chưng cất là etanol-nước. Để cho qúa trình chưng cất được liên tục cần cho hỗn hợp đi vào phân li tiếp xúc trực tiếp với luồng hơi có nộng độ cấu tử khó bay hơi lớn hơn so với dung dịch. Do đó trong hệ thống thiết bị để chưng cất liên tục, tháp gồm hai phần đoạn chưng và đoạn luyện. Ơ đoạn chưng của tháp xảy ra: cấu tử dễ bay hơi được tách ra khỏi chất lỏng chảy ở trên xuống, còn ở đoạn cất thì hơi đi lên càng giàu cấu tử dễ bay hơi. Hệ thống thiết bị chưng cất (xem sơ đồ) : Hỗn hợp etanol-nước có nồng độ 35%(khối lượng) etanol tại bình chứa 3 có nhiệt độ 25 0 C được bơm vào thiết bị gia nhiệt 2. Ở đó hỗn hợp được làm nóng lên đến nhiệt độ sôi của nhập liệu (t F =83.8 o C), sau đó được đưa vào tháp chưng cất. Từ thiết bị gia nhiệt, hỗn hợp đi vào tháp chưng cất 1, ở đĩa nhập liệu (đĩa trên cùng của đoạn chưng). Tại đây qúa trình chưng cất xảy ra. Trên đĩa nhập liệu , chất lỏng được trộn lẫn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống. Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống. Hơi từ đĩa dưới đi vào các ống hơi của các chóp, vào trục qua lớp chất lỏng, một phần chóp ngập vào chất lỏng , chóp có răng cưa , hơi đi qua đó, tạo thành những tia rất nhỏ để làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa hơi và lỏng. Vì nhiệt độ càng lên trên càng thấp nên phần dưới là cấu tử có nhiệt độ bay hơi cao. Trên đỉnh, ta thu được hỗn hợp hơi gồm etanol chiếm tỉ lệ cao. Hơi đó đi vào thiết bị ngưng tụ 7 và được ngưng tụ hoàn toàn, thiết bị ngưng tụ với chất làm lạnh là nước, nhiệt độ vào là 25 o C , nhiệt độ ra là 45 o C Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm 4, phần còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với chỉ số hồi lưu R= 2.5 Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn , một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp : etanol được bốc hơi ra do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng và cuối cùng ở đáy thápthu được hỗn hợp lỏng hầu hết là nước. Dung dịch lỏng ở đáy tháp ra khỏi tháp một phần dược đưa vào thiết bị nồi hơi để đung bốc hơi cung cấp cho tháp, một phần qua thết bị làm nguội sau đó đưa vào bình chứa. Hệ thống làm việc liên tục cho etanol ở đỉnh tháp Sơ đồ tháp chưng cất liên tục cho ethanol ra ở đỉng tháp Ethanol tinh khiết(99,6%) . sản xuất cồn sinh học từ nguồn nguyên liệu lignocellulose Nguyên liệu lignocellulose bao gồm cellulose. lignin và hemicellulose là thành phần chính Bước 1: Quá trình tiền xử lý nguyên liệu. nhiên liệu Tóm lại, sự biến đổi phế liệu nông nghiệp thành các nguồn nhiên liệu cụ thể là ethanol còn là thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất. Các chủng cần được cải tiến để. nghiệp sản xuất cồn như Saccharomyces spp mà hiện tại một số loài như S.Cerevisiea hay S.unvarum là giống có khả năng tạo độ cồn cao (12-13%), hay đặc biệt S.oviformis có khả năng tạo độ cồn