TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ RƠM RẠ

Thực hiện tiền xử lý vật lý của rơm khô được sử dụng chiếu xạ chùm tia điện tử với các điện tử tăng tốc bởi một máy gia tốc thẳng có khả năng sản xuất các chùm electron.. Chế phẩm enzim

TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ RƠM RẠ

Biên dịch: Nhóm 3 – 52TP1 – Khoa CN Thực phẩm – GVHD: ThS Nguyễn Văn Tặng

1 Tóm tắt:

Rơm rạ là một trong những nguyên liệu dồi dào lignocellulose nhất trên thế giới Về tổng sản lượng, lúa là cây trồng quan trọng thứ ba sau lúa mì và ngô Theo thống kê của FAO, sản xuất lúa gạo trung bình thế giới năm 2007 khoảng 650 triệu tấn

Thu hoạch 1kg hạt lúa thu được tương ứng 1-1,5 kg rơm (Maiorella, 1985) Ước tính khoảng 650-975 triệu tấn rơm rạ được sản xuất mỗi năm trên toàn thế giới và phần lớn chúng được dùng làm thức ăn gia súc và phần còn lại là lãng phí Phần lớn rơm chậm suy thoái trong đất, trong gốc cây lúa có chứa các mầm bệnh và có hàm lượng khoáng chất cao Theo Nowa -days, vấn đề nóng bỏng khi biến đổi khí hậu toàn cầu được coi là như là một mối đe dọa đối với sự phát triển là làm thế nào để loại bỏ rơm

rạ lãng phí vì nó làm tăng ô nhiễm không khí và do đó ảnh hưởng đến y tế công cộng (Mussatto và Roberto, 2004) Vì vậy, người ta đang quan tâm đến việc làm sao để sử dụng dư lượng của nông nghiệp Trong bối cảnh này, rơm sẽ là một ứng cử viên tiềm năng cho nhu cầu năng lượng trong tương lai của chúng ta Đánh giá này nhằm mục đích để cung cấp cho một cái nhìn tổng quan trong ngành công nghệ sản xuất ethanol sinh học bằng cách sử dụng rơm

2 Tiềm năng của rơm rạ để sản xuất ethanol nhiên liệu:

Ethanol sinh khối đã trở nên ngày càng phổ biến thay thế cho xăng Tuy nhiên, việc sản xuất ethanol sinh học từ cây lương thực như ngũ cốc (nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên) đã tạo ra một cuộc cạnh tranh trực tiếp với nguồn cung cấp thực phẩm

Một hướng chuyển sang một nguyên liệu thực vật không ăn được (rơm) phong phú hơn nên giúp giảm

áp lực lên các cây lương thực Phần lớn nguyên liệu được cấp cho các nhà máy để chế biến được là các carbohydrate phức tạp (ví dụ như xenlulose và hemicelluloses) có thể được chuyển đổi sang các loại đường lên men, vi sinh vật lên men có thể sử dụng các loại đường chuyển đổi thành ethanol Trong rơm có một số đặc điểm mà làm cho nó có tiềm năng để trở thành nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu ethanol Nó có cellulose cao và hemicelluloses có thể được dễ dàng thủy phân để lên men đường Về thành phần hóa học, rơm chủ yếu chứa cellulose 32-47%, hemicellulose 19-27%, và lignin 5-24%, (Garrote et al, 2002;Maiorella, 1983; Saha, 2003; Zamora và Crispin, năm 1995)

Trong hemicellulose các pentoses chiếm ưu thế, trong đó xylose là đường quan trọng nhất chiếm 14,8-20,2% (theo Maiorella, 1983; Roberto và cộng sự, 2003) Thành phần carbohydrate và sản lượng ethanol tính theo lý thuyết của rơm rạ được thể hiện trong bảng1

Bảng 1: Thành phần carbohydrate và năng suất ethanol lý thuyết của rơm rạ (Giả định các dạng

hemicellulose là tất cả các polyme của xylose)

Năng suất lý thuyết Ethanol (L/kg khô) 0,42

Năng suất lý thuyết Ethanol (gal/MT

khô)

110 Bảng 2: Thành phần cơ bản và các nguyên tố chính của tro trong rơm rạ, trấu gạo và rơm lúa mì

Rơm rạ Trấu gạo Rơm lúa mì Phân tích gần đúng (% chất

khô)

Thành phần tro cơ bản (%)

SiO2 74.67 91.42 55.32

Rơm có chất lượng khác nhau tùy theo mùa cũng như theo vùng Nếu rơm tiếp xúc với mưa, al-kali và các hợp chất kiềm rửa trôi, cải thiện chất lượng nguồn nguyên liệu Vì vậy, lí do sử dụng vật liệu này trong sản xuất ethanol sinh học có liên quan đến cả về chất lượng và tính khả dụng của nó

3 Giá trị của rơm:

Rơm là một trong các tàn dư thực vật phong phú lignocellulosic trên thế giới Sản lượng hàng năm của nó là khoảng 731 triệu tấn được phân phối ở châu Phi, châu Á, châu Âu và Mỹ Điều này có nghĩa là lượng rơm rạ đó có thể có khả năng sản xuất 205 tỷ lít ethanol sinh học mỗi năm (Balat et al, 2008) Trong thực tế, tổng số nguyên liệu rơm lãng phí tương đương 668 triệu tấn, về mặt lý thuyết có thể sản xuất 282 tỷ lít ethanol nếu công nghệ có sẵn Việc lãng phí năng lượng này dường như không thích đáng cho lắm trong khi giá nhiên liệu cao và nhu cầu cho việc giảm hiệu ứng nhà kính do khí thải gây ô nhiễm không khí đang là vấn đề cấp bách (Kim và Dale, 2004) Mặc dù hai loại dư lượng như rơm rạ và trấu từ lúa có tiềm năng về năng lượng là rất lớn, tuy nhiên rơm rạ vẫn rất hiếm khi được sử dụng như một nguồn năng lượng tái tạo Một trong những lý do chủ yếu mà người ta thường

sử dụng trấu là thu mua dễ dàng vì nó có sẵn tại nhà máy gạo Trong khi đó, thu lượm rơm rạ là mất thời gian và bị giới hạn bởi thời gian thu hoạch Tuy nhiên có thể được cải thiện thông qua Ống vét, nhưng chi phí của thiết bị cao làm cho nó không kinh tế đối với hầu hết các nông dân trồng lúa Như vậy, công nghệ sử dụng rơm rạ cho các mục đích năng lượng phải thu được hiệu quả cao để bù đắp cho các chi phí liên quan đến việc thu lượm rơm

Bảng 3: Sản lượng của rơm rạ sẵn có và năng suất ethanol lý thuyết trên toàn thế giới Trích từ Kim và Dale (2004) (Dựa trên các thành phần của rơm rạ được đưa ra trong bảng 1).

Nước Rơm sẵn có (triệu tấn) Năng suất ethanol theo lý thuyết (tỷ lít)

4 Sản xuất ethanol từ rơm rạ:

4.1 Khái niệm cơ bản

Rơm bao gồm ba thành phần chính là cellulose, hemicellulose và lignin Công nghệ chuyển đổi nguyên liệu này thành ethanol đã được phát triển trên hai nền tảng, có thể được gọi là nền tảng đường

và nền tảng khí tổng hợp (syngas) Các bước cơ bản trong những nền tảng được hiển thị trong hình 1 Trong nền tảng đường, cellulose và hemicellulose đầu tiên chuyển đổi thànhđường lên men, sau đó được lên men để sản xuất ethanol Những phân tử đường lên men bao gồm glucose, xylose, arabinose, galactose và mannose Có thể sử dụng các axit hoặc enzyme để thủy phân cellulose và hemicellulose

để tạo ra các loại đường (Drapcho et al, 2008)

Trong nền tảng khí tổng hợp, nhiên liệu sinh học là đối tượng thông qua một quá trình được gọi là khí hóa.Trong quá trình này, sinh khối được đun nóng với không khí có oxy hoặc chỉ có khoảng một phần

ba oxy bình thường cần thiết để đốt cháy hoàn toàn, sau đó nó chuyển đổi thành sản phẩm khí trong

đó có chủ yếu là carbon monoxide và hydro Khí được gọi là khí tổng hợp có thể lên men vi sinh vật

cụ thể hoặc chuyển đổi xúc tác để sản xuất ethanol

Trong nền tảng đường, chỉ có các phân tử carbohydrate được sử dụng để sản xuất ethanol, trong khi ở nền tảng khí tổng hợp, tất cả ba thành phần của nhiên liệu sinh học được chuyển đổi thành ethanol (Drapcho et al, 2008)

4.2 Tầm quan trọng của tiền xử lý:

Rơm bao gồm nhiều thứ phức tạp không đồng nhất của các polyme carbohydrate Cellulose và hemicellulose được bảo vệ bởi lớp lignin dày đặc chống lại thủy phân của enzym.Vì vậy, cần thiết phải có một bước tiền xử lý để phá vỡ lignin để lộ cellulose và hemicellulose cho quá trình thủy phân của enzyme được dễ dàng Tiền xử lý nhằm mục đích giảm kết tinh của cellulose, tăng diện tích bề mặt sinh khối, loại bỏ hemicellulose, và phá vỡ lignin Tiền xử lý làm cho cellulose dễ tiếp cận hơn với các enzyme để chuyển đổi polyme carbohydrate thành đường lên men có thể đạt được nhanh hơn

và với sản lượng lớn hơn Tiền xử lý bao gồm các phương pháp hóa học, vật lý, nhiệt và sự kết hợp giữa chúng Tiền xử lý đã được xem là một trong những bước quan trọng xử lý các bước trong việc chuyển đổi đường cellulose để lên men (Mosier et al, 2005)

4.3 Các loại của tiền xử lý:

4.3.1 Tiền xử lí vật lý:

Tiền xử lý vật lý sẽ làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và kích thước của lỗ chân long, giảm tinh thể

và mức độ trùng hợp của cellulose Thường được sử dụng vật lý trị liệu để làm suy giảm dư lượng lignocellulosic bao gồm hấp, mài và xay xát, chiếu xạ, nhiệt độ và áp suất

4 3 1 1 N G H I Ề N V À X A Y :

Thông thường mài và phay là những bước đầu tiên của tiền xử lý của bất kỳ sinh khối nào làm giảm kích thước hạt, mặc dù sự kết hợp của phương pháp mài với phương pháp tiền xử lý khác đã được thử Ở một mức độ nào đó nó làm giảm sự kết tinh của sinh khối Để nghiền rơm rạ ướt dùng đĩa phay tốt hơn so với bóng phay cả về thu hồi glucose cũng như tiết kiệm năng lượng (Hideno et al, 2009) Phát triển trong lĩnh vực này cung cấp một số thiết bị tiền xử lý cho phép đường hóa enzyme, ví dụ như bóng phay, phay lăn, phay đĩa ướt, và chúng đã được sử dụng dựa trên sinh khối, mặc dù không

có báo cáo đặc biệt trên rơm rạ như vậy

4 3 1 2 B Ứ C X Ạ C H Ù M E L E C T R O N :

Phần cellulose của các nhiên liệu lignocellulose có thể bị suy thoái bằng các tia phóng xạ nhỏ,

oligosaccharides trọng lượng phân tử thấp và cellobiose (Kumakura và Kaetsu, 1983) Nó có thể là do

sự phân ly tối đa của các glucosidal không tự do, của các chuỗi phân tử cellulose bằng phóng xạ khi

có mặt của lignin.Phương pháp chiếu xạ là đắt tiền, đòi hỏi năng lượng cao và khó khăn trong việc áp dụng trong công nghiệp Jin et al (2009) Thực hiện tiền xử lý vật lý của rơm khô được sử dụng chiếu

xạ chùm tia điện tử với các điện tử tăng tốc bởi một máy gia tốc thẳng có khả năng sản xuất các chùm electron Chế phẩm enzim dùng thủy phân rơm rạ bằng chùm electron chiếu xạ và không được chiếu

xạ đã được tiến hành và kết quả cho thấy rơm rạ không được chiếu xạ sản xuất một sản lượng glucose

là 22,6% và mẫu co sử dụng chiếu xạ sản xuất một sản lượng glucose 52,1%, sau khi thuỷ phân trong khoảng 132h SEM và phân tích nhiễu xạ tia X cho rơm kiềm hoá đã cho thấy những thay đổi vật lý sau khi chiếu xạ bằng chùm tia điện tử.Bởi vì những phương pháp này không liên quan đến việc sử dụng nhiệt độ khắc nghiệt, các chất ức chế sản xuất trong quá trình tiền xử lý bằng axit hoặc kiềm có tránh hoặc giảm thiểu

4 3 1 3 T I Ề N X Ử L Ý V I S Ó N G :

Chiếu xạ vi sóng đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực vì hiệu quả sưởi ấm cao và hoạt động

dễ dàng Chiếu xạ vi sóng có thể thay đổi cấu trúc siêu cellulose (Xiong et al, 2000) làm suy giảm lignin và hemicelluloses trong vật liệu lignocellulose, và làm tăng tính nhạy cảm enzyme trong vật liệu lignocellulose (Azuma et al, 1984) Chế phẩm enzim dùng thủy phân rơm rạ có thể được tăng cường bởi tiền xử lý lò vi sóng khi có mặt của nước (Azuma et al, 1984; Ooshima et al, 1984) hoặc trong môi trường glycerine với số lượng ít hơn nước (Kitchaiya et al, 2003.)

4.3.2 Tiền xử lý hóa học:

Enzyme có thể không có hiệu quả chuyển đổi lignocelluloses các loại đường lên men mà không có tiền xử lý hóa học Các hóa chất quan trọng nhất cho tiền xử lý rơm rạ bao gồm kiềm và ammoniac

4 3 2 1 T I Ề N X Ử L Ý K I Ề M :

Tiền xử lý kiềm liên quan đến việc ứng dụng các giải pháp kiềm như NaOH hoặc KOH để loại bỏ lignin và một phần của hemicelluloses, và hiệu quả làm tăng khả năng tiếp cận các men tiêu hóa cellulose Tiền xử lý kiềm có thể gây ra một sự gia tăng mạnh về sản lượng đường hóa Tiền xử lý có thể được thực hiện ở nhiệt độ thấp, nhưng với một thời gian tương đối dài và nồng độ cao của các bước cơ sở So với axit hoặc các chất phản ứng oxy hóa, xử lý bằng kiềm dường như là phương pháp hiệu quả nhất trong việc phá vỡ liên kết este giữa lignin, hemicellulose và cellulose, và tránh sự phân mảnh của hemicellulose polyme (Gaspar et al, 2007) Tiền xử lý Alkaline rơm rạ băm nhỏ với 2% NaOH với 20% tải rắn ở 850C trong 1 giờ giảm 36% lignin (Zhang và Cai, 2008), tách ra và phơi bày đầy đủ vi sợi làm tăng diện tích bề mặt bên ngoài và độ xốp của rơm rạ, do đó tạo điều kiện thuận lợi cho thủy phân enzym

4 3 2 2 T I Ề N X Ử L Í A M M O N I A C :

Là một tiền xử lý thuốc thử ammonia có số lượng đặc tính mong muốn.Nó là một thuốc thử hiệu quả đối với nguyên liệu lignocellulose Nó có tính chọn lọc cao cho các phản ứng với lignin hơn so với carbohydrate Biến động cao của nó làm cho nó dễ dàng để phục hồi và tái sử dụng Đây là một hóa chất không gây ô nhiễm môi trường và không ăn mòn Một trong các phản ứng được biết đến dung dịch nước amoniac với lignin là phân cắt liên kết của C-O- lignin cũng như liên kết ether và ester trong lignin carbohydrate phức tạp (Kim và Lee, 2007)

Một dòng chảy thông qua quá trình gọi là Amoniac Recycle thấm (ARP) được phát triển để xử lý trước Trong quá trình này, ammonia được bơm qua một lớp sinh khối duy trì ở 1700C Bởi quá trình này có thể đạt được lên đến gần như 85% năng suất lý thuyết của glucose trong quá trình thủy phân enzyme (Drapcho et al, 2008) Ngâm mình trong tiền xử lý nước (SAA) Amoniac ở nhiệt độ nhẹ từ 40 đến 900C cho thời gian phản ứng dài hơn đã được sử dụng để bảo quản hầu hết các glucan và xylan trong các mẫu, sau đó được lên men bằng cách sử dụng đồng thời quá trình lên men và đường (SSCF) (Kim và Lee, 2007; Kim et al, 2008) SAA vẫn là một phương pháp mới và hiệu quả của nó vẫn chưa được thử nghiệm cho nhiều nguyên liệu lignocellulose bao gồm rơm rạ So với chất kiềm khác như natri hydroxit hoặc vôi, ammonia có tính chọn lọc cao đối với việc loại bỏ lignin và cho thấy hiệu lực đáng kể của nó trên lignocellulose Ngoài ra, nó có thể dễ dàng phục hồi do biến động cao của nó (Wyman et al, 2005) Hiệu quả của quá trình SAA là phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ tiền xử lý Amoniac nổ sợi / đông / mở rộng (AFEX) quá trình sử dụng ammonia khan thay vì dung dịch nước amoniac Tương tự như quá trình ARP và SAA, amoniac được sử dụng trong quá trình AFEX có thể được phục hồi và tái chế do biến động cao của nó Sau khi xử lý, lối thoát duy nhất là kết hợp các dòng khí có chứa ammonia và hơi nước, tất cả các thành phần sinh khối còn lại với các chất rắn được

xử lý Vì vậy, không có sự mất mát của bất kỳ phần carbohydrate nào vì tất cả các amoniac sẽ nhanh chóng bay hơi, không có nhu cầu để điều chỉnh pH của vật liệu được xử lý trên một phạm vi rộng trước khi nó có thể được sử dụng trong tiếp theo enzyme thủy phân và lên men ethanol Enzyme thủy phân sinh khối AFEX được xử lý có thể sản xuất glucose có năng suất lý thuyết lớn hơn 90% và xylose lên đến 80% năng suất lý thuyết Không có hình thành các hợp chất ức chế (Drapcho et al, 2008) AFEX được báo cáo là một quá trình tiền xử lý có hiệu quả đối với rơm nhưng nó dẫn đến mất đường 3% trong thời gian tiền xử lý (Zhong et al, 2009)

Ferrer et al.(1997) thực hiện tiền xử lý rơm rạ bằng một quá trình được gọi là ammonia và xả áp điều

áp (PDA) bằng cách sử dụng một đơn vị quy mô phòng thí nghiệm lò phản ứng amoniac bao gồm một

lò phản ứng 4-L với các thiết bị hỗ trợ thích hợp.Tiền xử lý tiếp theo là thủy phân enzym dẫn đến sự gia tăng đáng kể về sản lượng đường Ko et al (2009) thực hiện tiền xử lý dung dịch nước amoniac và các điều kiện tối ưu là 21% ammonia tập trung tại 690C trong 10h.Khi AFEX được sử dụng kết hợp với 60 FPU-glucan g cellulase / và b-glucosidase, xylanase, bổ sung khác, sản lượng glucose tối đa điển hình sau khi 72-168 giờ thủy phân 60-100% của lý thuyết (Murnen et al., 2007)

4 3 2 3 T I Ề N X Ử L Ý A C I D :

Tiền xử lý lignocellulose với axit ở nhiệt độ môi trường xung quanh tăng cường khả năng oxy hoá kỵ khí Pha loãng axit tiền xử lý chủ yếu ảnh hưởng đến hemicellulose và ít tác động tới suy thoái lignin Acid tiền xử lý sẽ hòa tan hemicellulose, và bằng cách này, làm cho cellulose tiếp cận với các enzym

tốt hơn Tiền xử lý axit thường được thực hiện bằng cách sử dụng các axit vô cơ như HCl và H2SO4 Sau khi xử lý axit loãng, enzyme cellulase cần thiết cho sự thủy phân của các carbohydrate còn lại trong sinh khối được xử lý Pha loãng axit tiền xử lý có thể là một giai đoạn có quá trình đơn giản, trong đó sinh khối được xử lý bằng dung dịch acid sulfuric loãng ở nồng độ axit và nhiệt độ phù hợp cho một khoảng thời gian Để giảm lượng enzyme, một quá trình hai giai đoạn được phát triển tại Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia (NREL) ở Golden, Colorado Tác phẩm văn học liên quan đến quá trình thủy phân axit loãng của rơm rạ bị giới hạn vì sự bất lực của quá trình để loại bỏ lignin và sản lượng đường thấp (Sumphanwanich et al, 2008)

4 3 2 4 T I Ề N X Ử L Ý V Ớ I T Á C N H Â N O X Y H Ó A :

Tiền xử lí với tác nhân oxy hóa liên quan đến việc bổ sung thêm một hợp chất oxy hóa, như hydrogen peroxide hoặc axit peracetic, sinh khối, được treo lơ lửng trong nước Tiền xử lý này loại bỏ

hemicellulose và lignin tăng khả năng tiếp cận của cellulose Trong quá trình tiền xử lý oxy hóa nhiều phản ứng có thể xảy ra, như thay thế electrophilic, chuyển của chuỗi bên, sự phân tách của ether aryl alkyl liên kết hoặc chia tách oxy hóa của hạt nhân thơm (Hon và Shiraishi, 2001) Hydrogen peroxide

sử dụng tiền xử lý oxy hóa tách delignification ra , hòa tan lignin và nới lỏng các cấu trúc

lignocellulosic do đó cải thiện khả năng tiêu hóa enzyme (Martel và Gould, 1990) Wei và Cheng (1985) đánh giá hiệu quả của hydrogen peroxide tiền xử lý về việc thay đổi các tính năng cấu trúc và enzyme thủy phân rơm rạ, hay đổi trong hàm lượng lignin, giảm trọng lượng, khả năng tiếp cận Cadoxen, khả năng giữ nước, và kết tinh của rơm được đo trong quá trình tiền xử lý để thể hiện sự biến đổi của cấu trúc lignocellulosic trong rơm Tỷ lệ và mức độ thủy phân enzym cellulase hấp phụ,

và tích lũy cellobiose trong giai đoạn đầu của thủy phân được xác định để nghiên cứu tác động tiền xử

lý trên thủy phân Tiền xử lý tại 600C trong 5h trong một giải pháp với H2O2 1% (W / w) và NaOH kết quả đạt năng suất 60%, mất mát 40% trọng lượng, tăng gấp năm lần khả năng tiếp cận cho Cadoxen, tăng khả năng giữ nước lên một lần và chỉ giảm nhẹ tinh thể so với rơm không được xử lý Cải thiện

về hiệu quả xử lý trước có thể được thực hiện bằng việc tăng độ kiềm và nhiệt độ ban đầu tiền xử lý dung dịch hydrogen peroxide Một cải tiến bão hòa trên tính năng cấu trúc đã được tìm thấy khi tỷ lệ trọng lượng của hydro peroxide trong rơm trên 0,25g H2O2 / g kiềm với NaOH 1% (w / w) tại 320C Báo cáo có sử dụng mỗi axit axetic cho các tiền xử lý rơm (Taniguchi et al, 1982; Toyama và Ogawa, 1975) Biến đổi về lượng trong thành phần của xử lý rơm, tinh thể của rơm xử lý và cellulose chiết xuất, và sự nhạy cảm của rơm khi xử lý bằng acid acetic cho kết quả mỗi phương pháp xử lý bằng acid acetic gây ra sự cố ít hoặc không có tinh thể cấu trúc của cellulose trong rơm Mức độ enzyme hòa tan tương đối so với số lượng rơm còn lại là 42% sau khi xử lý với axit axetic 20%

4 3 2 5 T I Ề N X Ử L Ý B Ằ N G D U N G M Ô I H Ữ U C Ơ :

Tiền xử lý bằng dung môi hữu cơ tăng cường khả năng tiêu hoá enzyme chủ yếu là để loại bỏ lignin

và hemicellulose thu được phần còn lại giàu cellulose, có thể được thủy phân bằng enzym ở mức cao

và gần như đạt sản lượng glucose theo lý thuyết Hemicellulose và lignin có thể được thu hồi đồng thời để sản xuất sản phẩm có giá trị cao Sự thay đổi của tinh thể cellulose trong dung môi hữu cơ tiền

xử lý rõ ràng không được nêu ra, nhưng nó có được nhắc đến rằng cellulose trong dung môi hữu cơ phụ thuộc nhiều vào các loại dung môi hữu cơ, nồng độ dung môi và nhiệt độ (Mantanis et al, 1994, 1995) Các quá trình organosolv sử dụng dung môi hữu cơ nóng như ethanol pH có tính axit để các thành phần sinh khối tách ra Lần đầu tiên nó được dùng trong làm giấy, nhưng gần đây nó cũng đã được xem xét tiền xử lý lignocellulose nguyên liệu cho sản xuất ethanol Có một số nhược điểm cố hữu để tiền xử lý bằng dung môi hữu cơ Hiện nay tiền xử lý bằng dung môi hữu cơ là đắt tiền hơn so với các quá trình tiền xử lý khác nhưng ứng dụng tách và tái chế dung môi có thể làm giảm chi phí hoạt động của quá trình Nó cũng đòi hỏi các điều kiện nghiêm ngặt kiểm soát do sự biến động của dung môi hữu cơ Loại bỏ dung môi từ xử lý trước cellulose thường là cần thiết vì các dung môi có thể ức chế enzyme thủy phân và lên men hoặc tiêu hóa thủy phân (Xuebing et al., 2009) Dung môi hữu cơ thường được sử dụng cho tiền xử lý là dung môi có điểm sôi thấp như ethanol, methanol và cồn với điểm sôi cao như ethylene glycol, glycerol, tetrahydrofurfuryl rượu và các hợp chất chất hữu

cơ như dimethylsulfoxide, ete, xeton, và phenol (Thring et al, 1990.) Nếu quy trình tiền xử lý bằng dung môi hữu cơ được tiến hành ở nhiệt độ cao (185-2100C), không cần cầu bổ sung axit nhưng ở nhiệt độ thấp hơn thì phải bổ sung axit, ngoài ra còn có thể bổ sung các chất xúc tác khác (Sun và

Cheng, 2002) Jamshid et al (2005) Báo cáo bột giấy rơm rạ bằng cách sử dụng diethylene glycol, hỗn hợp chất diethylene glycol và ethylene glycol áp suất khí quyển Tiền xử lý với dung môi điểm sôi cao tăng cường delignification Ưu điểm quan trọng nhất cho quá trình tiền xử lý rượu ở điểm sôi cao là có thể được thực hiện dưới áp suất khí quyển Jahan (2006) báo cáo acid acetic formic hoặc tiền

xử lý rơm rạ với các biến thể của các biến phản ứng Tối đa giải thể pentosan đã được quan sát trong axit axetic 80% với chất xúc tác H2SO4 0,6% tại 800C cho 120 phút Axit axetic tan trong pentosan chậm hơn so với axit formic

4.3.3 Tiền xử lý sinh học:

Tiền xử lý sinh học cung cấp một số khái niệm quan trọng lợi thế như hóa chất thấp và sử dụng năng lượng, nhưng không tìm thấy được hệ thống điều khiển đầy đủ và nhanh chóng Hóa chất tiền xử lý có những nhược điểm nghiêm trọng trong yêu cầu sử dụng cho các thiết bị chuyên ngành chống ăn mòn,

mở rộng giặt, và xử lý thích hợp chất thải hóa học Tiền xử lý sinh học là một phương pháp an toàn và thân thiện với môi trường do lignin loại bỏ từ lignocellulose Các vi sinh vật đầy hứa hẹn nhất trong tiền xử lý sinh học là nấm trắng thối thuộc về lớp Basidiomycetes (Taniguchi et al, 2005) Những ảnh hưởng của tiền xử lý sinh học của rơm rạ bằng cách sử dụng bốn nấm trắng thối (Phanerochaete chrysosporium, Trametes versicolor, Ceriporiopsis subvermispora và Pleurotus ostreatus) được đánh giá trên cơ sở những thay đổi về số lượng và cơ cấu trong thành phần của rơm đã qua xử lý cũng như tính nhạy cảm thủy phân enzym (Taniguchi et al, 2005) Trong số này nấm trắng thối họ P ostreatus chọn lọc xuống cấp phần lignin gạo rơm chứ không phải là thành phần holocellulose Khi rơm được

xử lý trước với P ostreatus trong 60 ngày, tổng trọng lượng giảm và mức độ của Klason lignin bị suy thoái là 25% và 41%, tương ứng Sau khi tiền xử lý, số lượng còn lại trong rơm không được xử lý của cellulose và hemicellulose là 83% và 52% Thủy phân bởi enzym với enzyme cellulase thương mại chuẩn bị trong 48h, holocellulose 52% và 44% cellulose trong rơm đã qua xử lý được hòa tan Sản lượng đường tinh khiết dựa trên số lượng holocellulose và cellulose không được xử lý trong rơm là 33% cho đường hòa tan tổng số từ holocellulose và 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 sự gia tăng tính nhạy cảm của rơm rạ do suy thoái một phần của lignin Patel et al (2007) đã làm một nghiên cứu sơ bộ về tiền xử lý vi sinh vật và lên men các chất thải nông nghiệp như rơm Một sự kết hợp của năm loại nấm khác nhau: Aspergillus niger, Asp.awamori, Trichoderma reesei,

Phenerochaete chrysosporium, Pleurotus sajor-caju, thu được từ sàng lọc được sử dụng cho tiền xử lý

và Saccharomyces cereviseae (NCIM 3095) đã được sử dụng để thực hiện quá trình lên men Tiền xử

lý với A niger và A Asp.awamori và lên men sau đó mang lại sản lượng ethanol cao nhất (2,2 g L-1)

4.3.4 Tiền xử lý kết hợp:

Kun et al (2009) báo cáo tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm với sự hỗ trợ của quang xúc tác làm thay đổi tính chất vật lý và vi cấu trúc của rơm, dẫn đến giảm dung lượng lignin và do đó làm tăng tốc độ thủy phân enzym của rơm trước khi được xử lý Xử lý rơm rạ bằng kiềm khi không có xúc tác H2O2 thúc đẩy sự hòa tan các hemicelluloses có kích thước phân tử nhỏ, giàu glucose (có lẽ có nguồn gốc từ một –glucan) , trong khi xử lý ở giai đoạn thứ hai của giải thể bằng kiềm tăng cường peroxide của

hemicelluloses có kích thước phân tử lớn hơn , giàu xylose (Sun et al , 2000) Tiền xử lý bằng vi sóng

là một phương pháp tiền xử lý quan trọng và hiệu quả khi áp dụng kết hợp với các phương pháp khác Zhu et al (2006) báo cáo một số kết hợp tiền xử lý vi sóng của rơm rạ cùng với axit và kiềm trong đó loại bỏ hemicellulose và lignin, và vi sóng loại bỏ lignin nhiều hơn so với tiền xử lý bằng chất kiềm một mình Kết quả cho thấy công suất tiền xử lý bằng vi sóng cao hơn với thời ngắn hơn và điện năng thấp hơn Vi sóng tăng cường một số phản ứng trong tiền xử lý , nhưng cơ chế chi tiết vẫn chưa rõ

Lu và Minoru (1993) báo cáo tiền xử lý bằng bức xạ của rơm rạ trong sự có mặt của dung dịch NaOH bằng cách sử dụng một máy gia tốc chùm tia điện tử Chùm electron chiếu xạ làm thay đổi cấu trúc lignocellulosic để dung dịch NaOH có thể xâm nhập dễ dàng vào lignocellulosic phức tạp và gia tăng tốc độ phản ứng để dễ dàng loại bỏ lignin, cellulose hoặc hemicellulose scissored do đó tăng khả năng

tiếp cận enzyme Jin và Chen (2006) đã nghiên cứu một sự kết hợp của sự bùng nổ hơi nước và

nghiền siêu mịn rơm rạ và thủy phân enzym của nó Việc nghiền siêu mịn đã được kết hợp với sự

bùng nổ hơi mức độ nghiêm trọng thấp để xử lý rơm rạ rút ngắn thời gian nghiền, tiết kiệm chi phí năng lượng , tránh các chất ức chế , và thủy phân enzym cao Nghiền siêu mịn rơm rạ được tiến hành sau khi được hơi nước đã phát nổ tại R0 thấp (yếu tố mức độ của nổ hơi) để tránh phân hủy quá mức của hemicellulose và sản phẩm thế hệ từ các loại đường và lignin Nó cho thấy sự khác biệt trong quá trình thủy phân enzym về thành phần hóa học , đặc điểm chất xơ và các tế bào bao gồm dung lượng của hơi nước mặt đất bùng nổ với sản phẩm rơm rạ siêu mịn và hơi nước mặt đất phát nổ với cặn bã rơm rạ

4.4 Thủy phân bởi enzim:

Chế phẩm enzim dùng để thủy phân là bước thứ hai trong việc sản xuất ethanol từ nguyên liệu

lignocellulose Nó liên quan đến quá trình bẻ gãy các polyme của cellulose và hemicellulose

Cellulose thường chỉ chứa glucans, trong khi hemicellulose polyme chứa nhiều đường như Mannan, xylan, glucan, galactan, và arabinan Do đó, các sản phẩm thủy phân chính của cellulose là glucose, trong khi hemicellulose còn sản sinh ra một số pentoses và hexoses (Taherzadeh và Niklasson, 2004) Tuy nhiên, lượng lignin cao ngăn chặn enzyme tiếp cận, gây ra sự ức chế sản phẩm cuối cùng, làm giảm tốc độ và năng suất thủy phân Ngoài lignin, cellobiose và glucose cũng hoạt động như các chất

ức chế mạnh mẽ của cellulases (Knauf và Moniruzzaman, 2004)

Nhiều yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến năng suất của lignocellulose, đường monomeric và

những sản phẩm khác, ví dụ như kích thước hạt, nồng độ acid, nhiệt độ và thời gian phản ứng, cũng như độ dài của các đại phân tử, mức độ trùng hợp của cellulose, cấu hình của chuỗi cellulose, sự kết hợp của cellulose với các cấu trúc khác bảo vệ polyme trong thành tế bào thực vật như lignin, pectin, hemicellulose, protein, và các yếu tố khoáng chất

Tiến bộ mới trong công nghệ enzym cho việc chuyển đổi sinh khối cellulose thành đường đã

mang lại tiến bộ đáng kể trong nghiên cứu ethanol lignocellulosic Thủy phân enzym thường được tiến hành trong điều kiện nhẹ, tức là áp lực thấp và thời gian lưu giữ kết nối lâu dài trong quá trình thủy phân hemicellulose Valdes và Planes (1983) nghiên cứu quá trình thủy phân của rơm rạ bằng cách sử dụng H2SO4, 5-10% nhiệt độ từ 80-1000C Họ báo cáo sản lượng đường tốt nhất ở 1000C với H2SO410% trong 240 phút Yin et al (1982) đã nghiên cứu quá trình thủy phân hemicellulose của rơm

rạ với H2SO42% ở 110-1200 C, và đã thủy phân hơn 70% đường pentoses Valkanas et al (1998) thực hiện thủy phân rơm rạ với các axit khác nhau với các nồng độ khác nhau (H2SO40,5-1%, HCl 2-3% và H3PO40,5-1%) và họ thấy rằng sau thời gian lưu giữ 3h , pentosans trong rơm chuyển đổi sang

monosaccharides thích hợp cho quá trình lên men Roberto et al (2003) nghiên cứu tác dụng của H2SO4 và thời gian lưu giữ về sản xuất đường và các sản phẩm từ rơm rạ ở nhiệt độ tương đối thấp

1210C và thời gian lưu giữ từ 10-30 phút trong một lò phản ứng hàng loạt 350-L Và kết quả cho thấy nồng độ axit tối ưu 1% và thời gian lưu giữ tối thiểu 27 phút đã được tìm thấy để đạt được năng suất xylose cao (77%) Tiền xử lý rơm với dung dịch acid sulfuric loãng, kết quả trong 0,72 g g-1 năng suất đường trong 48h thủy phân enzym cao hơn so với hơi nước pretreated (0,60 g g-1), và không được xử

lý rơm (0,46 g g-1) (Abedinifar et al , 2009) Khi tăng nồng độ chất nền từ 20 đến 50 và 100g L-1 năng suất đường giảm tương ứng từ 13% đến 16%

Động học của sản xuất glucose từ rơm rạ bởi Aspergillus niger đã được nghiên cứu bởi Aderemi

et al (2008) đã cho thấy năng suất Glucose tăng từ 43% đến 87% khi cỡ hạt rơm giảm từ 425 đến 75

µm, trong khi nhiệt độ và pH tối ưu đã được tìm thấy trong phạm vi tương ứng lần lượt là 45-500C và 4,5-5 Nghiên cứu cho thấy nồng độ và tốc độ sản sinh glucose là phụ thuộc vào tiền xử lý rơm, nồng

độ chất nền và chất tải tế bào Kết quả việc thuỷ phân enzim bằng kiềm dưới tác động của ánh sáng là tốc độ cao gấp 2.56 lần so với quá trình thủy phân bằng kiềm không có xúc tác (Kun et al, 2009) trong khi đó, xử lý rơm bằng amoniac dẫn đến sự gia tăng của các loại đường monomeric từ 11% khi không được xử lý đến 61% (Sulbaran-de-Ferrer et al, 2003) Hiệu suất thuỷ phân của nhiên liệu sinh học lignocellulosic gia tăng khi có sự kết hợp của các enzyme như cellulase, xylanases và pectinaza nhiều hơn là chỉ dùng cellulase (Zhong et al, 2009) nhưng chi phí của quá trình tăng mạnh mặc dù có những quan điểm sinh học rất hấp dẫn

4.5 Lên men:

Phần cellulose và hemicellulose của rơm rạ có thể được chuyển đổi thành ethanol hoặc đường hóa đồng thời với quá trình lên men (SSF) hoặc các quy trình thủy phân enzym riêng biệt và lên men (SHF) SSF là được ưa chuộng hơn vì chi phí thấp (Wyman, 1994) và năng suất ethanol cao hơn so với SHF bằng cách giảm thiểu sự ức chế sản phẩm Một trong những hạn chế của quá trình này là sự khác biệt về nhiệt độ tối ưu của các enzym thủy phân và vi sinh vật lên men

Hầu hết các kết quả báo cáo rằng nhiệt độ tối ưu cho thủy phân enzym ở 40-50 0C, nhưng các vi sinh vật có năng suất và sản lượng ethanol tốt thường không chịu đựng được nhiệt độ cao này Vấn đề này

có thể tránh được bằng cách áp dụng các vi sinh vật chịu nhiệt như Kluyveromyces marxianus, Candida lusitaniae, và Zymomonas Mobilis hay cấy hỗn hợp của một số vi sinh vật như

Brettanomyces clausenii và Saccharomyces cerevisiae (Golias et al, 2002; Spindler et al, 1988) Punnapayak và Emert (1986) nghiên cứu SSF của kiềm trước khi được xử lý rơm với Pachysolen tannophilus và Candida brassicae , nơi P tannophilus dẫn đến kết quả sản lượng ethanol cao hơn C brassicae trong tất cả các thử nghiệm Tuy nhiên, họ đã đạt được chỉ có ít hơn 30 % sản lượng ethanol lý thuyết Nghiên cứu SSF của axit trước khi rơm được xử lý với indicus Mucor, Rhizopus oryzae , và S cerevisiae kết quả cho thấy năng suất tổng thể của ethanol tối đa đạt 40-74 % sản lượng

lý thuyết(Karimi et al, 2006) SSF của kiềm và lò vi sóng / kiềm tiền xử lý rơm rạ đến ethanol sử dụng cellulase từ nấm T reesei và S cerevisiae đã được nghiên cứu bởi Zhu et al (2006) Dưới điều kiện tối ưu nồng độ ethanol đạt 29,1g L-1 và năng suất ethanol 61,3% Nghiên cứu cho thấy sản xuất ethanol từ lò vi sóng /rơm đã qua xử lý kiềm có sự tải enzyme thấp hơn, rút ngắn thời gian phản ứng,

và nồng độ ethanol đạt được cao hơn và năng suất hơn so với rơm chưa được xử lý bằng kiềm Có nhiều báo cáo nói rằng đường hóa và lên men (SSF) đồng thời vượt trội hơn so với sự đường hóa truyền thống và sau đó lên men trong sản xuất ethanol từ rơm rạ bởi vì quá trình SSF có thể cải thiện năng suất ethanol, loại bỏ sản phẩm cuối cùng không cần thiết cho các lò phản ứng riêng biệt cho đường hóa và lên men (Chadha et al, 1995)

Thủy phân riêng biệt enzyme và lên men gạo bằng M indicus, R oryzae, và S cerevisiae đã được nghiên cứu bởi Abedinifar et al (2009) Nghiên cứu của họ kết luận rằng M indicus có thể để sản xuất ethanol từ pentoses Loài này là một giống tốt cho sản xuất ethanol từ lignocelluloses, đặc biệt là đối với rơm

Ngoài quá trình SSF và SHF có một quá trình được gọi là hợp nhất bioprocessing (CBP) Trong quá trình này, sản xuất cellulase, thủy phân sinh khối, và lên men ethanol được thực hiện cùng nhau trong một lò phản ứng duy nhất Một vi sinh vật có hiệu quả có thể lên men xenlulose trực tiếp thành ethanol, chẳng hạn như chủng Clostridium phytofermentans, sẽ là phù hợp nhất cho quá trình này Glucose và xylose là hai đường chiếm ưu thế trong các quá trình thủy phân lignocellulose Khó khăn chính của việc sử dụng hai vi sinh vật cho quá trình lên men đồng thời của hai đường là không có khả năng cung cấp các điều kiện môi trường tối ưu của hai loại cùng một lúc (Chandrakant và Bisaria, 1998) Đa số các nghiên cứu trước đây về dòng đồng chủng báo cáo rằng, khi quá trình lên men glucose trong hỗn hợp đường tiến hành hiệu quả bằng một loại đường lên men truyền thống, sự lên men của xylose thường chậm và hiệu quả thấp do yêu cầu oxy xung đột giữa hai chủng và/hoặc ức chế sản phẩm dị hóa trên, đồng hóa xylose do glucose (Grootjen et al, 1991; Kordowska-wiater và Targonski, 2002) Phương pháp tiếp cận trong các quy trình công nghệ và chủng công nghệ đã được thực hiện để vượt qua những khó khăn và nâng cao hiệu quả sản xuất Ví dụ về các quy trình kỹ thuật bao gồm nuôi cấy liên tục (Grootjen et al, 1991; Laplace et al, 1993; Delgenes et al, 1996), cố định của một trong các chủng (Grootjen et al, 1991.), đồng cố định của hai chủng (Grootjen et al, 1991; deBari et al, 2004.), hai giai đoạn lên men trong một lò phản ứng sinh học (tức là tuần tự nuôi cấy) (Fu và Peiris, 2008), và lên men riêng biệt trong hai lò phản ứng sinh học (Taniguchi et al, 1997; Grootjen et al, 1991)

5 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 quả và bền vững với môi trường Xem xét sự phát triển và nhu cầu nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai, rơm xuất hiện như một ứng cử viên đầy hứa hẹn về tiềm năng để sản xuất ethanol sinh học do có sẵn tính chất phong phú dồi dào của nó và thành phần cấu tạo hấp dẫn Chuyển đổi sinh học của rơm rạ thành đường lên men, sử dụng các enzym thủy phân hiện nay là hấp dẫn nhất do các vấn

đề liên quan đến môi trường Mặc dù có một vài khó khăn trên con đường phát triển công nghệ nhưng khả thi về mặt kinh tế do tính chất phức tạp của nó, lignin cao và hàm lượng tro, một số kế hoạch đang đi vào phát triển phương pháp tiền xử lý hiệu quả để loại bỏ các phần không mong muốn để có được đường sẵn có và thành công đáng kể sẽ đạt được cho những ngày tháng đến Các số liệu thống

kê có sẵn cho thấy sự cần thiết của ethanol sinh học cho ngành giao thông vận tải có thể được đáp ứng bằng cách sử dụng rơm rạ Phương pháp tiếp cận trong cả quy trình công nghệ và chủng công nghệ

vẫn phải được thực hiện để vượt qua những khó khăn của việc phân hóa xylose và glucose và nâng cao hiệu quả hệ thống Một sự kết hợp rất hợp lý và thông minh của quá trình tiền xử lý, thủy phân và lên men đã được lựa chọn cho hiệu quả tối đa của quá trình Với sự ra đời của nấm men biến đổi gen, các enzym thủy phân tổng hợp, công nghệ tinh vi khác và sự kết hợp có hiệu quả của chúng, quá trình sản xuất ethanol sinh học từ rơm lúa sử dụng sẽ chứng minh là một công nghệ khả thi trong tương lai rất gần

Tài liệu tham khảo

Parameswaran Binod, et al (2010) Bioethanol production from rice straw: An overview Bioresource Technology, 101: 4767–4774.