TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ RƠM RẠ

TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ RƠM RẠ Biên dịch: Nhóm – 52TP1 – Khoa CN Thực phẩm – GVHD: ThS Nguyễn Văn Tặng Tóm tắt: Rơm rạ nguyên liệu dồi lignocellulose giới Về tổng sản lượng, lúa trồng quan trọng thứ ba sau lúa mì ngô Theo thống kê FAO, sản xuất lúa gạo trung bình giới năm 2007 khoảng 650 triệu Thu hoạch 1kg hạt lúa thu tương ứng 1-1,5 kg rơm (Maiorella, 1985) Ước tính khoảng 650-975 triệu rơm rạ sản xuất năm toàn giới phần lớn chúng dùng làm thức ăn gia súc phần lại lãng phí Phần lớn rơm chậm suy thoái đất, gốc lúa có chứa mầm bệnh có hàm lượng khoáng chất cao Theo Nowa -days, vấn đề nóng bỏng biến đổi khí hậu toàn cầu coi mối đe dọa phát triển làm để loại bỏ rơm rạ lãng phí làm tăng ô nhiễm không khí ảnh hưởng đến y tế công cộng (Mussatto Roberto, 2004) Vì vậy, người ta quan tâm đến việc để sử dụng dư lượng nông nghiệp Trong bối cảnh này, rơm ứng cử viên tiềm cho nhu cầu lượng tương lai Đánh giá nhằm mục đích để cung cấp cho nhìn tổng quan ngành công nghệ sản xuất ethanol sinh học cách sử dụng rơm Tiềm rơm rạ để sản xuất ethanol nhiên liệu: Ethanol sinh khối trở nên ngày phổ biến thay cho xăng Tuy nhiên, việc sản xuất ethanol sinh học từ lương thực ngũ cốc (nhiên liệu sinh học hệ đầu tiên) tạo cạnh tranh trực tiếp với nguồn cung cấp thực phẩm Một hướng chuyển sang nguyên liệu thực vật không ăn (rơm) phong phú nên giúp giảm áp lực lên lương thực Phần lớn nguyên liệu cấp cho nhà máy để chế biến carbohydrate phức tạp (ví dụ xenlulose hemicelluloses) chuyển đổi sang loại đường lên men, vi sinh vật lên men sử dụng loại đường chuyển đổi thành ethanol Trong rơm có số đặc điểm mà làm cho có tiềm để trở thành nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu ethanol Nó có cellulose cao hemicelluloses dễ dàng thủy phân để lên men đường Về thành phần hóa học, rơm chủ yếu chứa cellulose 32-47%, hemicellulose 19-27%, lignin 5-24%, (Garrote et al, 2002;Maiorella, 1983; Saha, 2003; Zamora Crispin, năm 1995) Trong hemicellulose pentoses chiếm ưu thế, xylose đường quan trọng chiếm 14,8-20,2% (theo Maiorella, 1983; Roberto cộng sự, 2003) Thành phần carbohydrate sản lượng ethanol tính theo lý thuyết rơm rạ thể bảng1 Bảng 1: Thành phần carbohydrate suất ethanol lý thuyết rơm rạ (Giả định dạng hemicellulose tất polyme xylose) Thành phần Cellulose Hemicelluse Năng suất lý thuyết Ethanol (L/kg khô) Năng suất lý thuyết Ethanol (gal/MT khô) Bảng 2: Thành phần nguyên tố tro rơm rạ, trấu gạo rơm lúa mì Phân tích gần (% chất khô) Carbon cố định Chất dễ bay Tro Thành phần tro (%) SiO2 CaO MgO Na2O K2O Rơm có chất lượng khác tùy theo mùa theo vùng Nếu rơm tiếp xúc với mưa, al-kali hợp chất kiềm rửa trôi, cải thiện chất lượng nguồn nguyên liệu Vì vậy, lí sử dụng vật liệu sản xuất ethanol sinh học có liên quan đến chất lượng tính khả dụng Giá trị rơm: Rơm tàn dư thực vật phong phú lignocellulosic giới Sản lượng hàng năm khoảng 731 triệu phân phối châu Phi, châu Á, châu Âu Mỹ Điều có nghĩa lượng rơm rạ có khả sản xuất 205 tỷ lít ethanol sinh học năm (Balat et al, 2008) Trong thực tế, tổng số nguyên liệu rơm lãng phí tương đương 668 triệu tấn, mặt lý thuyết sản xuất 282 tỷ lít ethanol công nghệ có sẵn Việc lãng phí lượng dường không thích đáng cho giá nhiên liệu cao nhu cầu cho việc giảm hiệu ứng nhà kính khí thải gây ô nhiễm không khí vấn đề cấp bách (Kim Dale, 2004) Mặc dù hai loại dư lượng rơm rạ trấu từ lúa có tiềm lượng lớn, nhiên rơm rạ sử dụng nguồn lượng tái tạo Một lý chủ yếu mà người ta thường sử dụng trấu thu mua dễ dàng có sẵn nhà máy gạo Trong đó, thu lượm rơm rạ thời gian bị giới hạn thời gian thu hoạch Tuy nhiên cải thiện thông qua Ống vét, chi phí thiết bị cao làm cho không kinh tế hầu hết nông dân trồng lúa Như vậy, công nghệ sử dụng rơm rạ cho mục đích lượng phải thu hiệu cao để bù đắp cho chi phí liên quan đến việc thu lượm rơm Bảng 3: Sản lượng rơm rạ sẵn có suất ethanol lý thuyết toàn giới Trích từ Kim Dale (2004) (Dựa thành phần rơm rạ đưa bảng 1) Nước Châu Phi Châu Á Châu Âu Bắc Mỹ Trung Mỹ Nam Mỹ Sản xuất ethanol từ rơm rạ: 4.1 Khái niệm Rơm bao gồm ba thành phần cellulose, hemicellulose lignin Công nghệ chuyển đổi nguyên liệu thành ethanol phát triển hai tảng, gọi tảng đường tảng khí tổng hợp (syngas) Các bước tảng hiển thị hình Trong tảng đường, cellulose hemicellulose chuyển đổi thànhđường lên men, sau lên men để sản xuất ethanol Những phân tử đường lên men bao gồm glucose, xylose, arabinose, galactose mannose Có thể sử dụng axit enzyme để thủy phân cellulose hemicellulose để tạo loại đường (Drapcho et al, 2008) Trong tảng khí tổng hợp, nhiên liệu sinh học đối tượng thông qua trình gọi khí hóa.Trong trình này, sinh khối đun nóng với không khí có oxy có khoảng phần ba oxy bình thường cần thiết để đốt cháy hoàn toàn, sau chuyển đổi thành sản phẩm khí có chủ yếu carbon monoxide hydro Khí gọi khí tổng hợp lên men vi sinh vật cụ thể chuyển đổi xúc tác để sản xuất ethanol Trong tảng đường, có phân tử carbohydrate sử dụng để sản xuất ethanol, tảng khí tổng hợp, tất ba thành phần nhiên liệu sinh học chuyển đổi thành ethanol (Drapcho et al, 2008) 4.2 Tầm quan trọng tiền xử lý: Rơm bao gồm nhiều thứ phức tạp không đồng polyme carbohydrate Cellulose hemicellulose bảo vệ lớp lignin dày đặc chống lại thủy phân enzym.Vì vậy, cần thiết phải có bước tiền xử lý để phá vỡ lignin để lộ cellulose hemicellulose cho trình thủy phân enzyme dễ dàng Tiền xử lý nhằm mục đích giảm kết tinh cellulose, tăng diện tích bề mặt sinh khối, loại bỏ hemicellulose, phá vỡ lignin Tiền xử lý làm cho cellulose dễ tiếp cận với enzyme để chuyển đổi polyme carbohydrate thành đường lên men đạt nhanh với sản lượng lớn Tiền xử lý bao gồm phương pháp hóa học, vật lý, nhiệt kết hợp chúng Tiền xử lý xem bước quan trọng xử lý bước việc chuyển đổi đường cellulose để lên men (Mosier et al, 2005) 4.3 Các loại tiền xử lý: 4.3.1 Tiền xử lí vật lý: Tiền xử lý vật lý làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc kích thước lỗ chân long, giảm tinh thể mức độ trùng hợp cellulose Thường sử dụng vật lý trị liệu để làm suy giảm dư lượng lignocellulosic bao gồm hấp, mài xay xát, chiếu xạ, nhiệt độ áp suất 4.3.1.1 NGHIỀN VÀ XAY: Thông thường mài phay bước tiền xử lý sinh khối làm giảm kích thước hạt, kết hợp phương pháp mài với phương pháp tiền xử lý khác thử Ở mức độ làm giảm kết tinh sinh khối Để nghiền rơm rạ ướt dùng đĩa phay tốt so với bóng phay thu hồi glucose tiết kiệm lượng (Hideno et al, 2009) Phát triển lĩnh vực cung cấp số thiết bị tiền xử lý cho phép đường hóa enzyme, ví dụ bóng phay, phay lăn, phay đĩa ướt, chúng sử dụng dựa sinh khối, báo cáo đặc biệt rơm rạ 4.3.1.2 BỨC XẠ CHÙM ELECTRON: Phần cellulose nhiên liệu lignocellulose bị suy thoái tia phóng xạ nhỏ, oligosaccharides trọng lượng phân tử thấp cellobiose (Kumakura Kaetsu, 1983) Nó phân ly tối đa glucosidal không tự do, chuỗi phân tử cellulose phóng xạ có mặt lignin.Phương pháp chiếu xạ đắt tiền, đòi hỏi lượng cao khó khăn việc áp dụng công nghiệp Jin et al (2009) Thực tiền xử lý vật lý rơm khô sử dụng chiếu xạ chùm tia điện tử với điện tử tăng tốc máy gia tốc thẳng có khả sản xuất chùm electron Chế phẩm enzim dùng thủy phân rơm rạ chùm electron chiếu xạ không chiếu xạ tiến hành kết cho thấy rơm rạ không chiếu xạ sản xuất sản lượng glucose 22,6% mẫu co sử dụng chiếu xạ sản xuất sản lượng glucose 52,1%, sau thuỷ phân khoảng 132h SEM phân tích nhiễu xạ tia X cho rơm kiềm hoá cho thấy thay đổi vật lý sau chiếu xạ chùm tia điện tử.Bởi phương pháp không liên quan đến việc sử dụng nhiệt độ khắc nghiệt, chất ức chế sản xuất trình tiền xử lý axit kiềm có tránh giảm thiểu 4.3.1.3 TIỀN XỬ LÝ VI SÓNG: Chiếu xạ vi sóng sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực hiệu sưởi ấm cao hoạt động dễ dàng Chiếu xạ vi sóng thay đổi cấu trúc siêu cellulose (Xiong et al, 2000) làm suy giảm lignin hemicelluloses vật liệu lignocellulose, làm tăng tính nhạy cảm enzyme vật liệu lignocellulose (Azuma et al, 1984) Chế phẩm enzim dùng thủy phân rơm rạ tăng cường tiền xử lý lò vi sóng có mặt nước (Azuma et al, 1984; Ooshima et al, 1984) môi trường glycerine với số lượng nước (Kitchaiya et al, 2003.) 4.3.2 Tiền xử lý hóa học: Enzyme hiệu chuyển đổi lignocelluloses loại đường lên men mà tiền xử lý hóa học Các hóa chất quan trọng cho tiền xử lý rơm rạ bao gồm kiềm ammoniac 4.3.2.1 TIỀN XỬ LÝ KIỀM: Tiền xử lý kiềm liên quan đến việc ứng dụng giải pháp kiềm NaOH KOH để loại bỏ lignin phần hemicelluloses, hiệu làm tăng khả tiếp cận men tiêu hóa cellulose Tiền xử lý kiềm gây gia tăng mạnh sản lượng đường hóa Tiền xử lý thực nhiệt độ thấp, với thời gian tương đối dài nồng độ cao bước sở So với axit chất phản ứng oxy hóa, xử lý kiềm dường phương pháp hiệu việc phá vỡ liên kết este lignin, hemicellulose cellulose, tránh phân mảnh hemicellulose polyme (Gaspar et al, 2007) Tiền xử lý Alkaline rơm rạ băm nhỏ với 2% NaOH với 20% tải rắn 850C giảm 36% lignin (Zhang Cai, 2008), tách phơi bày đầy đủ vi sợi làm tăng diện tích bề mặt bên độ xốp rơm rạ, tạo điều kiện thuận lợi cho thủy phân enzym 4.3.2.2 TIỀN XỬ LÍ AMMONIAC: Là tiền xử lý thuốc thử ammonia có số lượng đặc tính mong muốn.Nó thuốc thử hiệu nguyên liệu lignocellulose Nó có tính chọn lọc cao cho phản ứng với lignin so với carbohydrate Biến động cao làm cho dễ dàng để phục hồi tái sử dụng Đây hóa chất không gây ô nhiễm môi trường không ăn mòn Một phản ứng biết đến dung dịch nước amoniac với lignin phân cắt liên kết C-O- lignin liên kết ether ester lignin carbohydrate phức tạp (Kim Lee, 2007) Một dòng chảy thông qua trình gọi Amoniac Recycle thấm (ARP) phát triển để xử lý trước Trong trình này, ammonia bơm qua lớp sinh khối trì 170 0C Bởi trình đạt lên đến gần 85% suất lý thuyết glucose trình thủy phân enzyme (Drapcho et al, 2008) Ngâm tiền xử lý nước (SAA) Amoniac nhiệt độ nhẹ từ 40 đến 900C cho thời gian phản ứng dài sử dụng để bảo quản hầu hết glucan xylan mẫu, sau lên men cách sử dụng đồng thời trình lên men đường (SSCF) (Kim Lee, 2007; Kim et al, 2008) SAA phương pháp hiệu chưa thử nghiệm cho nhiều nguyên liệu lignocellulose bao gồm rơm rạ So với chất kiềm khác natri hydroxit vôi, ammonia có tính chọn lọc cao việc loại bỏ lignin cho thấy hiệu lực đáng kể lignocellulose Ngoài ra, dễ dàng phục hồi biến động cao (Wyman et al, 2005) Hiệu trình SAA phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ tiền xử lý Amoniac nổ sợi / đông / mở rộng (AFEX) trình sử dụng ammonia khan thay dung dịch nước amoniac Tương tự trình ARP SAA, amoniac sử dụng trình AFEX phục hồi tái chế biến động cao Sau xử lý, lối thoát kết hợp dòng khí có chứa ammonia nước, tất thành phần sinh khối lại với chất rắn xử lý Vì vậy, mát phần carbohydrate tất amoniac nhanh chóng bay hơi, nhu cầu để điều chỉnh pH vật liệu xử lý phạm vi rộng trước sử dụng enzyme thủy phân lên men ethanol Enzyme thủy phân sinh khối AFEX xử lý sản xuất glucose có suất lý thuyết lớn 90% xylose lên đến 80% suất lý thuyết Không có hình thành hợp chất ức chế (Drapcho et al, 2008) AFEX báo cáo trình tiền xử lý có hiệu rơm dẫn đến đường 3% thời gian tiền xử lý (Zhong et al, 2009) Ferrer et al.(1997) thực tiền xử lý rơm rạ trình gọi ammonia xả áp điều áp (PDA) cách sử dụng đơn vị quy mô phòng thí nghiệm lò phản ứng amoniac bao gồm lò phản ứng 4-L với thiết bị hỗ trợ thích hợp.Tiền xử lý thủy phân enzym dẫn đến gia tăng đáng kể sản lượng đường Ko et al (2009) thực tiền xử lý dung dịch nước amoniac điều kiện tối ưu 21% ammonia tập trung 690C 10h.Khi AFEX sử dụng kết hợp với 60 FPU-glucan g cellulase / b-glucosidase, xylanase, bổ sung khác, sản lượng glucose tối đa điển hình sau 72-168 thủy phân 60-100% lý thuyết (Murnen et al., 2007) 4.3.2.3 TIỀN XỬ LÝ ACID: Tiền xử lý lignocellulose với axit nhiệt độ môi trường xung quanh tăng cường khả oxy hoá kỵ khí Pha loãng axit tiền xử lý chủ yếu ảnh hưởng đến hemicellulose tác động tới suy thoái lignin Acid tiền xử lý hòa tan hemicellulose, cách này, làm cho cellulose tiếp cận với enzym tốt Tiền xử lý axit thường thực cách sử dụng axit vô HCl H 2SO4 Sau xử lý axit loãng, enzyme cellulase cần thiết cho thủy phân carbohydrate lại sinh khối xử lý Pha loãng axit tiền xử lý giai đoạn có trình đơn giản, sinh khối xử lý dung dịch acid sulfuric loãng nồng độ axit nhiệt độ phù hợp cho khoảng thời gian Để giảm lượng enzyme, trình hai giai đoạn phát triển Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia (NREL) Golden, Colorado Tác phẩm văn học liên quan đến trình thủy phân axit loãng rơm rạ bị giới hạn bất lực trình để loại bỏ lignin sản lượng đường thấp (Sumphanwanich et al, 2008) 4.3.2.4 TIỀN XỬ LÝ VỚI TÁC NHÂN OXY HÓA: Tiền xử lí với tác nhân oxy hóa liên quan đến việc bổ sung thêm hợp chất oxy hóa, hydrogen peroxide axit peracetic, sinh khối, treo lơ lửng nước Tiền xử lý loại bỏ hemicellulose lignin tăng khả tiếp cận cellulose Trong trình tiền xử lý oxy hóa nhiều phản ứng xảy ra, thay electrophilic, chuyển chuỗi bên, phân tách ether aryl alkyl liên kết chia tách oxy hóa hạt nhân thơm (Hon Shiraishi, 2001) Hydrogen peroxide sử dụng tiền xử lý oxy hóa tách delignification , hòa tan lignin nới lỏng cấu trúc lignocellulosic cải thiện khả tiêu hóa enzyme (Martel Gould, 1990) Wei Cheng (1985) đánh giá hiệu hydrogen peroxide tiền xử lý việc thay đổi tính cấu trúc enzyme thủy phân rơm rạ, hay đổi hàm lượng lignin, giảm trọng lượng, khả tiếp cận Cadoxen, khả giữ nước, kết tinh rơm đo trình tiền xử lý để thể biến đổi cấu trúc lignocellulosic rơm Tỷ lệ mức độ thủy phân enzym cellulase hấp phụ, tích lũy cellobiose giai đoạn đầu thủy phân xác định để nghiên cứu tác động tiền xử lý thủy phân Tiền xử lý 600C 5h giải pháp với H2O2 1% (W / w) NaOH kết đạt suất 60%, mát 40% trọng lượng, tăng gấp năm lần khả tiếp cận cho Cadoxen, tăng khả giữ nước lên lần giảm nhẹ tinh thể so với rơm không xử lý Cải thiện hiệu xử lý trước thực việc tăng độ kiềm nhiệt độ ban đầu tiền xử lý dung dịch hydrogen peroxide Một cải tiến bão hòa tính cấu trúc tìm thấy tỷ lệ trọng lượng hydro peroxide rơm 0,25g H2O2 / g kiềm với NaOH 1% (w / w) 320C Báo cáo có sử dụng axit axetic cho tiền xử lý rơm (Taniguchi et al, 1982; Toyama Ogawa, 1975) Biến đổi lượng thành phần xử lý rơm, tinh thể rơm xử lý cellulose chiết xuất, nhạy cảm rơm xử lý acid acetic cho kết phương pháp xử lý acid acetic gây cố tinh thể cấu trúc cellulose rơm Mức độ enzyme hòa tan tương đối so với số lượng rơm lại 42% sau xử lý với axit axetic 20% 4.3.2.5 TIỀN XỬ LÝ BẰNG DUNG MÔI HỮU CƠ: Tiền xử lý dung môi hữu tăng cường khả tiêu hoá enzyme chủ yếu để loại bỏ lignin hemicellulose thu phần lại giàu cellulose, thủy phân enzym mức cao gần đạt sản lượng glucose theo lý thuyết Hemicellulose lignin thu hồi đồng thời để sản xuất sản phẩm có giá trị cao Sự thay đổi tinh thể cellulose dung môi hữu tiền xử lý rõ ràng không nêu ra, có nhắc đến cellulose dung môi hữu phụ thuộc nhiều vào loại dung môi hữu cơ, nồng độ dung môi nhiệt độ (Mantanis et al, 1994, 1995) Các trình organosolv sử dụng dung môi hữu nóng ethanol pH có tính axit để thành phần sinh khối tách Lần dùng làm giấy, gần xem xét tiền xử lý lignocellulose nguyên liệu cho sản xuất ethanol Có số nhược điểm cố hữu để tiền xử lý dung môi hữu Hiện tiền xử lý dung môi hữu đắt tiền so với trình tiền xử lý khác ứng dụng tách tái chế dung môi làm giảm chi phí hoạt động trình Nó đòi hỏi điều kiện nghiêm ngặt kiểm soát biến động dung môi hữu Loại bỏ dung môi từ xử lý trước cellulose thường cần thiết dung môi ức chế enzyme thủy phân lên men tiêu hóa thủy phân (Xuebing et al., 2009) Dung môi hữu thường sử dụng cho tiền xử lý dung môi có điểm sôi thấp ethanol, methanol cồn với điểm sôi cao ethylene glycol, glycerol, tetrahydrofurfuryl rượu hợp chất chất hữu dimethylsulfoxide, ete, xeton, phenol (Thring et al, 1990.) Nếu quy trình tiền xử lý dung môi hữu tiến hành nhiệt độ cao (185-2100C), không cần cầu bổ sung axit nhiệt độ thấp phải bổ sung axit, bổ sung chất xúc tác khác (Sun Cheng, 2002) Jamshid et al (2005) Báo cáo bột giấy rơm rạ cách sử dụng diethylene glycol, hỗn hợp chất diethylene glycol ethylene glycol áp suất khí Tiền xử lý với dung môi điểm sôi cao tăng cường delignification Ưu điểm quan trọng cho trình tiền xử lý rượu điểm sôi cao thực áp suất khí Jahan (2006) báo cáo acid acetic formic tiền xử lý rơm rạ với biến thể biến phản ứng Tối đa giải thể pentosan quan sát axit axetic 80% với chất xúc tác H2SO4 0,6% 800C cho 120 phút Axit axetic tan pentosan chậm so với axit formic 4.3.3 Tiền xử lý sinh học: Tiền xử lý sinh học cung cấp số khái niệm quan trọng lợi hóa chất thấp sử dụng lượng, không tìm thấy hệ thống điều khiển đầy đủ nhanh chóng Hóa chất tiền xử lý có nhược điểm nghiêm trọng yêu cầu sử dụng cho thiết bị chuyên ngành chống ăn mòn, mở rộng giặt, xử lý thích hợp chất thải hóa học Tiền xử lý sinh học phương pháp an toàn thân thiện với môi trường lignin loại bỏ từ lignocellulose Các vi sinh vật đầy hứa hẹn tiền xử lý sinh học nấm trắng thối thuộc lớp Basidiomycetes (Taniguchi et al, 2005) Những ảnh hưởng tiền xử lý sinh học rơm rạ cách sử dụng bốn nấm trắng thối (Phanerochaete chrysosporium, Trametes versicolor, Ceriporiopsis subvermispora Pleurotus ostreatus) đánh giá sở thay đổi số lượng cấu thành phần rơm qua xử lý tính nhạy cảm thủy phân enzym (Taniguchi et al, 2005) Trong số nấm trắng thối họ P ostreatus chọn lọc xuống cấp phần lignin gạo rơm thành phần holocellulose Khi rơm xử lý trước với P ostreatus 60 ngày, tổng trọng lượng giảm mức độ Klason lignin bị suy thoái 25% 41%, tương ứng Sau tiền xử lý, số lượng lại rơm không xử lý cellulose hemicellulose 83% 52% Thủy phân enzym với enzyme cellulase thương mại chuẩn bị 48h, holocellulose 52% 44% cellulose rơm qua xử lý hòa tan Sản lượng đường tinh khiết dựa số lượng holocellulose cellulose không xử lý rơm 33% cho đường hòa tan tổng số từ holocellulose 32% glucose từ cellulose (Taniguchi et al, 2005) Kính hiển vi điện tử quét (SEM) quan sát cho thấy tiền xử lý với enzyme thủy phân P ostreatus dẫn đến gia tăng tính nhạy cảm rơm rạ suy thoái phần lignin Patel et al (2007) làm nghiên cứu sơ tiền xử lý vi sinh vật lên men chất thải nông nghiệp rơm Một kết hợp năm loại nấm khác nhau: Aspergillus niger, Asp.awamori, Trichoderma reesei, Phenerochaete chrysosporium, Pleurotus sajor-caju, thu từ sàng lọc sử dụng cho tiền xử lý Saccharomyces cereviseae (NCIM 3095) sử dụng để thực trình lên men Tiền xử lý với A niger A Asp.awamori lên men sau mang lại sản lượng ethanol cao (2,2 g L -1) 4.3.4 Tiền xử lý kết hợp: Kun et al (2009) báo cáo tiền xử lý rơm rạ kiềm với hỗ trợ quang xúc tác làm thay đổi tính chất vật lý vi cấu trúc rơm, dẫn đến giảm dung lượng lignin làm tăng tốc độ thủy phân enzym rơm trước xử lý Xử lý rơm rạ kiềm xúc tác H 2O2 thúc đẩy hòa tan hemicelluloses có kích thước phân tử nhỏ, giàu glucose (có lẽ có nguồn gốc từ –glucan) , xử lý giai đoạn thứ hai giải thể kiềm tăng cường peroxide hemicelluloses có kích thước phân tử lớn , giàu xylose (Sun et al , 2000) Tiền xử lý vi sóng phương pháp tiền xử lý quan trọng hiệu áp dụng kết hợp với phương pháp khác Zhu et al (2006) báo cáo số kết hợp tiền xử lý vi sóng rơm rạ với axit kiềm loại bỏ hemicellulose lignin, vi sóng loại bỏ lignin nhiều so với tiền xử lý chất kiềm Kết cho thấy công suất tiền xử lý vi sóng cao với thời ngắn điện thấp Vi sóng tăng cường số phản ứng tiền xử lý , chế chi tiết chưa rõ Lu Minoru (1993) báo cáo tiền xử lý xạ rơm rạ có mặt dung dịch NaOH cách sử dụng máy gia tốc chùm tia điện tử Chùm electron chiếu xạ làm thay đổi cấu trúc lignocellulosic để dung dịch NaOH xâm nhập dễ dàng vào lignocellulosic phức tạp gia tăng tốc độ phản ứng để dễ dàng loại bỏ lignin, cellulose hemicellulose scissored tăng khả tiếp cận enzyme Jin Chen (2006) nghiên cứu kết hợp bùng nổ nước nghiền siêu mịn rơm rạ thủy phân enzym Việc nghiền siêu mịn kết hợp với bùng nổ mức độ nghiêm trọng thấp để xử lý rơm rạ rút ngắn thời gian nghiền, tiết kiệm chi phí lượng , tránh chất ức chế , thủy phân enzym cao Nghiền siêu mịn rơm rạ tiến hành sau nước phát nổ R0 thấp (yếu tố mức độ nổ hơi) để tránh phân hủy mức hemicellulose sản phẩm hệ từ loại đường lignin Nó cho thấy khác biệt trình thủy phân enzym thành phần hóa học , đặc điểm chất xơ tế bào bao gồm dung lượng nước mặt đất bùng nổ với sản phẩm rơm rạ siêu mịn nước mặt đất phát nổ với cặn bã rơm rạ 4.4 Thủy phân enzim: Chế phẩm enzim dùng để thủy phân bước thứ hai việc sản xuất ethanol từ nguyên liệu lignocellulose Nó liên quan đến trình bẻ gãy polyme cellulose hemicellulose Cellulose thường chứa glucans, hemicellulose polyme chứa nhiều đường Mannan, xylan, glucan, galactan, arabinan Do đó, sản phẩm thủy phân cellulose glucose, hemicellulose sản sinh số pentoses hexoses (Taherzadeh Niklasson, 2004) Tuy nhiên, lượng lignin cao ngăn chặn enzyme tiếp cận, gây ức chế sản phẩm cuối cùng, làm giảm tốc độ suất thủy phân Ngoài lignin, cellobiose glucose hoạt động chất ức chế mạnh mẽ cellulases (Knauf Moniruzzaman, 2004) Nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến suất lignocellulose, đường monomeric sản phẩm khác, ví dụ kích thước hạt, nồng độ acid, nhiệt độ thời gian phản ứng, độ dài đại phân tử, mức độ trùng hợp cellulose, cấu hình chuỗi cellulose, kết hợp cellulose với cấu trúc khác bảo vệ polyme thành tế bào thực vật lignin, pectin, hemicellulose, protein, yếu tố khoáng chất Tiến công nghệ enzym cho việc chuyển đổi sinh khối cellulose thành đường mang lại tiến đáng kể nghiên cứu ethanol lignocellulosic Thủy phân enzym thường tiến hành điều kiện nhẹ, tức áp lực thấp thời gian lưu giữ kết nối lâu dài trình thủy phân hemicellulose Valdes Planes (1983) nghiên cứu trình thủy phân rơm rạ cách sử dụng H2SO4, 5-10% nhiệt độ từ 80-1000C Họ báo cáo sản lượng đường tốt 1000C với H2SO410% 240 phút Yin et al (1982) nghiên cứu trình thủy phân hemicellulose rơm rạ với H2SO42% 110-1200 C, thủy phân 70% đường pentoses Valkanas et al (1998) thực thủy phân rơm rạ với axit khác với nồng độ khác (H 2SO40,5-1%, HCl 2-3% H3PO40,5-1%) họ thấy sau thời gian lưu giữ 3h , pentosans rơm chuyển đổi sang monosaccharides thích hợp cho trình lên men Roberto et al (2003) nghiên cứu tác dụng H2SO4 thời gian lưu giữ sản xuất đường sản phẩm từ rơm rạ nhiệt độ tương đối thấp 1210C thời gian lưu giữ từ 10-30 phút lò phản ứng hàng loạt 350-L Và kết cho thấy nồng độ axit tối ưu 1% thời gian lưu giữ tối thiểu 27 phút tìm thấy để đạt suất xylose cao (77%) Tiền xử lý rơm với dung dịch acid sulfuric loãng, kết 0,72 g g -1 suất đường 48h thủy phân enzym cao so với nước pretreated (0,60 g g -1), không xử lý rơm (0,46 g g-1) (Abedinifar et al , 2009) Khi tăng nồng độ chất từ 20 đến 50 100g L -1 suất đường giảm tương ứng từ 13% đến 16% Động học sản xuất glucose từ rơm rạ Aspergillus niger nghiên cứu Aderemi et al (2008) cho thấy suất Glucose tăng từ 43% đến 87% cỡ hạt rơm giảm từ 425 đến 75 µm, nhiệt độ pH tối ưu tìm thấy phạm vi tương ứng 45-50 0C 4,5-5 Nghiên cứu cho thấy nồng độ tốc độ sản sinh glucose phụ thuộc vào tiền xử lý rơm, nồng độ chất chất tải tế bào Kết việc thuỷ phân enzim kiềm tác động ánh sáng tốc độ cao gấp 2.56 lần so với trình thủy phân kiềm xúc tác (Kun et al, 2009) đó, xử lý rơm amoniac dẫn đến gia tăng loại đường monomeric từ 11% không xử lý đến 61% (Sulbaran-de-Ferrer et al, 2003) Hiệu suất thuỷ phân nhiên liệu sinh học lignocellulosic gia tăng có kết hợp enzyme cellulase, xylanases pectinaza nhiều dùng cellulase (Zhong et al, 2009) chi phí trình tăng mạnh có quan điểm sinh học hấp dẫn 4.5 Lên men: Phần cellulose hemicellulose rơm rạ chuyển đổi thành ethanol đường hóa đồng thời với trình lên men (SSF) quy trình thủy phân enzym riêng biệt lên men (SHF) SSF ưa chuộng chi phí thấp (Wyman, 1994) suất ethanol cao so với SHF cách giảm thiểu ức chế sản phẩm Một hạn chế trình khác biệt nhiệt độ tối ưu enzym thủy phân vi sinh vật lên men Hầu hết kết báo cáo nhiệt độ tối ưu cho thủy phân enzym 40-50 0C, vi sinh vật có suất sản lượng ethanol tốt thường không chịu đựng nhiệt độ cao Vấn đề tránh cách áp dụng vi sinh vật chịu nhiệt Kluyveromyces marxianus, Candida lusitaniae, Zymomonas Mobilis hay cấy hỗn hợp số vi sinh vật Brettanomyces clausenii Saccharomyces cerevisiae (Golias et al, 2002; Spindler et al, 1988) Punnapayak Emert (1986) nghiên cứu SSF kiềm trước xử lý rơm với Pachysolen tannophilus Candida brassicae , nơi P tannophilus dẫn đến kết sản lượng ethanol cao C brassicae tất thử nghiệm Tuy nhiên, họ đạt có 30 % sản lượng ethanol lý thuyết Nghiên cứu SSF axit trước rơm xử lý với indicus Mucor, Rhizopus oryzae , S cerevisiae kết cho thấy suất tổng thể ethanol tối đa đạt 40-74 % sản lượng lý thuyết(Karimi et al, 2006) SSF kiềm lò vi sóng / kiềm tiền xử lý rơm rạ đến ethanol sử dụng cellulase từ nấm T reesei S cerevisiae nghiên cứu Zhu et al (2006) Dưới điều kiện tối ưu nồng độ ethanol đạt 29,1g L-1 suất ethanol 61,3% Nghiên cứu cho thấy sản xuất ethanol từ lò vi sóng /rơm qua xử lý kiềm có tải enzyme thấp hơn, rút ngắn thời gian phản ứng, nồng độ ethanol đạt cao suất so với rơm chưa xử lý kiềm Có nhiều báo cáo nói đường hóa lên men (SSF) đồng thời vượt trội so với đường hóa truyền thống sau lên men sản xuất ethanol từ rơm rạ trình SSF cải thiện suất ethanol, loại bỏ sản phẩm cuối không cần thiết cho lò phản ứng riêng biệt cho đường hóa lên men (Chadha et al, 1995) Thủy phân riêng biệt enzyme lên men gạo M indicus, R oryzae, S cerevisiae nghiên cứu Abedinifar et al (2009) Nghiên cứu họ kết luận M indicus để sản xuất ethanol từ pentoses Loài giống tốt cho sản xuất ethanol từ lignocelluloses, đặc biệt rơm Ngoài trình SSF SHF có trình gọi hợp bioprocessing (CBP) Trong trình này, sản xuất cellulase, thủy phân sinh khối, lên men ethanol thực lò phản ứng Một vi sinh vật có hiệu lên men xenlulose trực tiếp thành ethanol, chẳng hạn chủng Clostridium phytofermentans, phù hợp cho trình Glucose xylose hai đường chiếm ưu trình thủy phân lignocellulose Khó khăn việc sử dụng hai vi sinh vật cho trình lên men đồng thời hai đường khả cung cấp điều kiện môi trường tối ưu hai loại lúc (Chandrakant Bisaria, 1998) Đa số nghiên cứu trước dòng đồng chủng báo cáo rằng, trình lên men glucose hỗn hợp đường tiến hành hiệu loại đường lên men truyền thống, lên men xylose thường chậm hiệu thấp yêu cầu oxy xung đột hai chủng và/hoặc ức chế sản phẩm dị hóa trên, đồng hóa xylose glucose (Grootjen et al, 1991; Kordowska-wiater Targonski, 2002) Phương pháp tiếp cận quy trình công nghệ chủng công nghệ thực để vượt qua khó khăn nâng cao hiệu sản xuất Ví dụ quy trình kỹ thuật bao gồm nuôi cấy liên tục (Grootjen et al, 1991; Laplace et al, 1993; Delgenes et al, 1996), cố định chủng (Grootjen et al, 1991.), đồng cố định hai chủng (Grootjen et al, 1991; deBari et al, 2004.), hai giai đoạn lên men lò phản ứng sinh học (tức nuôi cấy) (Fu Peiris, 2008), lên men riêng biệt hai lò phản ứng sinh học (Taniguchi et al, 1997; Grootjen et al, 1991) Kết luận: Việc sử dụng sinh khối lignocellulosic cho sản xuất ethanol sinh học đòi hỏi công nghệ sản xuất phải có chi phí hiệu bền vững với môi trường Xem xét phát triển nhu cầu nhiên liệu sinh học hệ thứ hai, rơm xuất ứng cử viên đầy hứa hẹn tiềm để sản xuất ethanol sinh học có sẵn tính chất phong phú dồi thành phần cấu tạo hấp dẫn Chuyển đổi sinh học rơm rạ thành đường lên men, sử dụng enzym thủy phân hấp dẫn vấn đề liên quan đến môi trường Mặc dù có vài khó khăn đường phát triển công nghệ khả thi mặt kinh tế tính chất phức tạp nó, lignin cao hàm lượng tro, số kế hoạch vào phát triển phương pháp tiền xử lý hiệu để loại bỏ phần không mong muốn để có đường sẵn có thành công đáng kể đạt cho ngày tháng đến Các số liệu thống kê có sẵn cho thấy cần thiết ethanol sinh học cho ngành giao thông vận tải đáp ứng cách sử dụng rơm rạ Phương pháp tiếp cận quy trình công nghệ chủng công nghệ phải thực để vượt qua khó khăn việc phân hóa xylose glucose nâng cao hiệu hệ thống Một kết hợp hợp lý thông minh trình tiền xử lý, thủy phân lên men lựa chọn cho hiệu tối đa trình Với đời nấm men biến đổi gen, enzym thủy phân tổng hợp, công nghệ tinh vi khác kết hợp có hiệu chúng, trình sản xuất ethanol sinh học từ rơm lúa sử dụng chứng minh công nghệ khả thi tương lai gần Tài liệu tham khảo Parameswaran Binod, et al (2010) Bioethanol production from rice straw: An overview Bioresource Technology, 101: 4767–4774  ... lượng rơm rạ có khả sản xuất 205 tỷ lít ethanol sinh học năm (Balat et al, 2008) Trong thực tế, tổng số nguyên liệu rơm lãng phí tương đương 668 triệu tấn, mặt lý thuyết sản xuất 282 tỷ lít ethanol. .. indicus để sản xuất ethanol từ pentoses Loài giống tốt cho sản xuất ethanol từ lignocelluloses, đặc biệt rơm Ngoài trình SSF SHF có trình gọi hợp bioprocessing (CBP) Trong trình này, sản xuất cellulase,... xuất ethanol sinh học đòi hỏi công nghệ sản xuất phải có chi phí hiệu bền vững với môi trường Xem xét phát triển nhu cầu nhiên liệu sinh học hệ thứ hai, rơm xuất ứng cử viên đầy hứa hẹn tiềm để sản