b. Quá trình sản xuất
1.2.3. Sản xuất ethanol từ nguyên liệu có nguồn gốc lignocellulose
a. Nguyên liệu
Lignocellulose là thành phần cấu trúc chính của thực vật thân gỗ và các thực vật khác như cỏ, lúa, ngô, mía,… Trong tự nhiên, chúng ta có thể tìm thấy lignocellulose ở thực vật hay các chất thải nông nghiệp, lâm nghiệp và các chất thải rắn trong thành phố. Thành phần chủ yếu của lignocellulose là cellulose, hemicellulose và lignin.
Hình 1.1. Cấu trúc của lignocellulose
Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các sợi này được gắn lại với nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi. Các vi sợi này được bao bọc bởi lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn công của enzyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân.
Bảng 1.1. Thành phần lignocellulose trong rác thải và phụ phế phẩm nông nghiệp phổ biến
Nguồn lignocellulose Cellulose, % Hemicellulose,% Lignin, %
Thân gỗ cứng 40- 55 24- 40 18- 25 Thân gỗ mềm 45- 50 25- 35 25- 35 Vỏ lạc 25- 30 25- 30 30- 40 Lõi ngô 45 35 15 Giấy 85- 99 0 0- 15 Vỏ trấu 32,1 24 18
Vỏ trấu của lúa mì 30 50 15
Rác đã phân loại 60 20 20
Hạt bông 80- 95 5- 20 0
Giấy báo 40- 55 25- 40 18- 30
Giấy thải từ bột giấy hóa học 60- 70 10- 20 5- 10
Chất rắn nước thải ban đầu 8- 15 - 24- 29
Chất thải của lợn 6 28 - Phân bón gia súc 1,6- 4,7 1,4- 3,3 2,7- 5,7 Cỏ ở bờ biển Bermuda 25 35,7 6,4 Cỏ mềm 45 31,4 12,0 Các loại cỏ 25- 40 25- 50 10- 30 Bã thô 33,4 30 18,9
Cellulose và hemicellulose là các đại phân tử cấu tạo từ các gốc đường khác nhau, trong khi lignin là một polymer dạng vòng thơm được tổng hợp từ tiền phenylpropanoid. Thành phần cấu tạo và phần trăm của các polymer này là khác nhau giữa các loài. Hơn nữa, thành phần cấu tạo trong cùng một cây hay các cây khác nhau là khác nhau dựa vào độ tuổi, giai đoạn sinh trưởng, phát triển của cây và các điều kiện khác. Lượng lớn lignocellulose được thải ra từ các ngành lâm nghiệp, nông nghiệp, công nghiệp giấy và gây ra ô nhiễm môi trường có thể được biến đổi thành các sản phẩm có giá trị khác như nhiên liệu sinh học… Thành phần của lignocellulose được trình bày ở bảng 1.1.
- Cellulose
Cellulose là hợp chất hữu cơ có công thức cấu tạo (C6H10O5)n, và là thành phần chủ yếu của thành tế bào thực vật. Cellulose cũng là hợp chất hữu cơ nhiều nhất trong sinh quyển, hàng năm thực vật tổng hợp được khoảng 1011
tấn cellulose (trong gỗ, cellulose chiếm khoảng 50% và trong bông chiếm khoảng 90%).
Cellulose có cấu trúc rất bền và khó bị thủy phân. Người và động vật không có enzyme phân giải cellulose (cellulase) nên không tiêu hóa được cellulose, vì vậy cellulose không có giá trị dinh dưỡng.
Cellulose có thể tham gia phản ứng thủy phân tạo glucose. Cellulose có thể bị thủy phân với tốc độ chậm trong môi trường nước ở nhiệt độ cao. Dưới tác dụng của acide hoặc enzyme, quá trình thủy phân xảy ra với tốc độ lớn hơn.
Phản ứng thủy phân được biểu diễn theo phương trình tổng quát: (C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6
- Hemicellulose
Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng 70 đến 200. Hemicellulose là polysaccharide, có liên kết chặt chẽ với cellulose, là một trong ba sinh khối tự nhiên chính. Cùng với cellulose và lignin, hemicellulose tạo nên thành tế bào vững chắc ở thực vật. Hemicellulose chứa cả đường 6 carbon gồm glucose, mannose và galactose và đường 5 gồm xylose và arabinose. Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu.
- Lignin
Lignin là một hợp chất phổ biến được tìm thấy trong hệ mạch thực vật, chủ yếu là giữa các tế bào, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose, rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn.
Lignin là một trong các polymer hữu cơ phổ biến nhất trên trái đất. Nó có cấu trúc không gian 3 chiều, phức tạp, vô định hình, chiếm 17% đến 33% thành phần của gỗ. Lignin không phải là carbohydrate nhưng có liên kết chặt chẽ với nhóm này để tạo nên màng tế bào giúp thực vật cứng chắc và giòn, có chức năng vận chuyển nước trong cơ thể thực vật (một phần là để làm bền thành tế bào và giữ cho cây không bị đổ, một phần là điều chỉnh dòng chảy
của nước), giúp cây phát triển và chống lại sự tấn công của côn trùng và mầm bệnh. Thực vật càng già, lượng lignin tích tụ càng lớn. Hơn nữa, lignin đóng vai trò quan trọng trong chu trình carbon, tích lũy carbon khí quyển trong mô của thực vật thân gỗ lâu năm, là một trong các thành phần bị phân hủy lâu nhất của thực vật sau khi chết, đóng góp một phần lớn chất mùn giúp tăng khả năng quang hợp của thực vật.
Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và pH thấp như điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nước. Ở nhiệt độ phản ứng cao hơn 200oC, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose.
Trong luận văn này, đối tượng nghiên cứu để sản xuất ethanol là bã mía- một trong những nguyên liệu có nguồn gốc lignocellulose.
Mía là cây lấy đường quan trọng của ngành công nghiệp đường. Đường là một loại thực phẩm cần có trong cơ cấu bữa ăn hàng ngày của nhiều quốc gia trên thế giới, cũng như là loại nguyên liệu quan trọng của nhiều ngành sản xuất công nghiệp nhẹ và hàng tiêu dùng như bánh kẹo...
Về mặt kinh tế chúng ta nhận thấy trong thân mía chứa khoảng 80- 90% nước dịch, trong dịch đó chứa khoảng 16- 18% đường. Vào thời kì mía chin già người ta thu hoạch mía rồi đem ép lấy nước. Nước dịch mía được chế lọc và cô đặc thành đường. Ngoài sản phẩm chính là đường, những phụ phẩm của cây mía bao gồm: bã mía, rỉ đường, bùn lọc. Trong đó, bã mía chiếm 25- 30% trọng lượng mía đem ép. Trong bã mía chứa trung bình 49% là nước, 48% là xơ (trong đó chứa 45- 55% cellulose), 2,5% là chất hoà tan (đường) [28].
Về mặt tài nguyên tự nhiên như khí hậu, đất đai, Việt Nam được đánh giá là nước có tiềm năng trung bình khá để phát triển cây mía. Việt Nam có đủ đất đồng bằng, lượng mưa nói chung tốt (1400 mm đến 2000 mm/năm), nhiệt độ, độ nắng thích hợp. Trên phạm vi cả nước, các vùng Bắc Trung Bộ
và vùng Đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là duyên hải miền Trung có khả năng trồng mía đường tốt.
Theo số liệu của Tổng cục Thống kê, tổng diện tích trồng mía cả nước vụ 2012/13 đạt khoảng 309,3 ngàn ha, tăng 3,8% so với niên vụ trước. Sản lượng mía đạt hơn 20 triệu tấn và năng suất mía bình quân cả nước đạt 64,7 tấn/ha [7]. Hiện nay, theo Hiệp hội Mía đường Việt Nam (VSSA), mỗi năm các nhà máy đường ép trên 15 triệu tấn mía, phát sinh ra 4,5 triệu tấn bã mía [29]. Đây là nguồn nguyên liệu dồi dào cho việc sản xuất ethanol.
Hình 1.3. Phân bố các vùng trồng mía ở Việt Nam [7]
b. Quá trình sản xuất
- Tiền xử lý
Đây là bước quyết định trong quá trình biến đổi lignocellulose thành ethanol, và là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của quá trình. Vì các nguyên liệu lignocellulose khác nhau có các đặc tính lý
hóa khác nhau, nên cần áp dụng những công nghệ tiền xử lý thích hợp ở từng nguyên liệu. Hơn nữa, sự lựa chọn một công nghệ tiền xử lý nhất định sẽ tác động lớn đến các bước tiếp theo của toàn bộ quá trình chuyển đổi như là khả năng bị phân giải của cellulose, sự phát sinh các chất độc có khả năng ức chế nấm men, năng lượng cần thiết cho quy trình tiếp theo và những yêu cầu về xử lý nước thải.
+ Mục đích của quá trình tiền xử lý:
• Tăng vùng vô định hình của cellulose
• Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass
• Phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose + Đặc trưng và yêu cầu của quá trình tiền xử lý:
• Công nghệ tiền xử lý được áp dụng phải phù hợp với nguồn nguyên liệu
• Cellulose từ quá trình tiền xử lý cần có khả năng bị phân giải cao với sản phẩm thu được trên 90% trong thời gian dưới 5 ngày (tốt nhất là 3 ngày)
• Lượng các chất độc sinh ra tối thiểu • Thu được nồng độ đường cao
• Sự phân bố của việc thu hồi đường giữa tiền xử lý và thủy phân enzyme tiếp theo cần tương thích với sự lựa chọn loại sinh vật để lên men các pentose (arabinose và xylose) trong hemicellulose
• Lignin và các thành phần khác được thu hồi để đơn giản hóa quá trình xử lý tiếp theo và chuyển đổi thành các sản phẩm có giá trị
• Yêu cầu năng lượng tiêu tốn là thấp nhất
Bảng 1.2.Ưu nhược điểm của các phương pháp tiền xử lý
Phương pháp Thuận lợi Bất lợi
hemicellulose
- Nhu cầu năng lượng thấp
Nghiền xay Giảm độ kết tinh của cellulose Nhu cầu năng lượng cao Nổ hơi - Thay đổi cấu trúc lignin và
hòa tan hemicellulose - Chi phí thấp
- Hiệu suất thu glucose cao
- Sinh ra các chất ức chế - Phân hủy 1 phần hemicellulose AFEX - Tăng khả năng tiếp cận bề
mặt
- Sự tạo thành chất ức chế thấp
- Không hiệu quả với nguyên liệu có hàm lượng lignin cao
- Chi phí cao do lượng lớn ammonia
Bung sợi CO2 - Chi phí thấp
- Nhu cầu năng lượng thấp (tỏa nhiệt)
- Không tác động lên lignin và hemicellulose
- Đòi hỏi áp suất cao Oxy hóa ướt - Loại bỏ lignin hiệu quả
- Sinh ra ít chất ức chế - Tiêu tốn năng lượng thấp
Chi phí cao cho xúc tác oxy hóa và kiềm
Dung môi hữu cơ
Xảy ra sự thủy phân lignin và hemicellulose
- Chi phí cao
- cần tái sinh dung môi Acid đậm đặc - Năng suất thu glucose cao
- Tiến hành ở nhiệt độ môi trường
- Chi phí cao cho acid và thu hồi
- Ăn mòn bình phản ứng - Sinh ra các chất ức chế Acid loãng - Ăn mòn ít hơn acid đặc
- Tạo thành các chất ức chế ít
- Sinh ra các sản phẩm phụ - Cho nồng độ đường thấp Kiềm - Loại bỏ lignin hiệu quả
- Tăng bề mặt tiếp xúc - Chi phí thấp
Thu hồi kiềm khó khăn
Phương trình phản ứng: (C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6
Quá trình thủy phân bằng enzyme và quá trình lên men có thể tiến hành tách biệt hoặc đồng thời (hình 1.4 và 1.5).
Hình 1.5. Sơ đồ của quá trình thủy phân và lên men đồng thời
Hình 1.6. Quá trình phân giải của cellulose
Quá trình thủy phân cellulose được diễn ra theo các bước sau:
+ Endoglucanase thủy phân liên kết β- 1,4- glycosidic trong vùng vô định hình tạo ra nhiều đầu không khử.
+ Exoglucanase cắt các đơn vị cellobiose từ đầu không khử. + β- glucosidase tiếp tục thủy phân cellobiose tạo ra glucose. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ thủy phân:
+ Cấu trúc nguyên liệu
• Tỉ lệ kết tinh: Đây là yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình thủy phân. Các mạch cellulose có tính kết tinh cao, các sợi cellulose liên kết rất chặt chẽ, do đó sẽ cản trở quá trình tiếp xúc của enzyme với các mạch cellulose bên trong và làm giảm tốc độ quá trình thủy phân.
• Mức độ polymer hóa: mạch cellulose càng dài, tốc độ thủy phân càng chậm.
• Kích thước lỗ xốp: kích thước của các lỗ xốp phải đủ lớn cho các enzyme đi vào. Kích thước lỗ xốp càng lớn quá trình thủy phân càng nhanh.
• Bề mặt tiếp xúc: hầu hết các chuỗi cellulose bị giấu trong các vi sợi- yếu tố cản trở sự xâm nhập của enzyme và giới hạn tốc độ thủy phân. Bề mặt tiếp xúc càng lớn thì càng thuận lợi cho quá trình thủy phân.
+ Nhiệt độ
Tốc độ phản ứng thủy phân tăng theo nhiệt độ, tuy nhiên đến một nhiệt độ nhất định, tốc độ phản ứng sẽ giảm dần và đến mức triệt tiêu. Phần lớn enzyme hoạt động mạnh nhất ở nhiệt độ 40- 50oC. Những enzyme khác nhau đều có nhiệt độ tối ưu khác nhau.
Nếu đưa nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tối ưu, hoạt tính enzyme sẽ bị giảm và không có khả năng phục hồi. Ngược lại khi ở nhiệt độ 0oC, enzyme bị hạn chế hoạt động rất mạnh, nhưng khi đưa nhiệt độ lên từ từ, hoạt tính của enzyme sẽ tăng dần đều đến mức tối ưu.
+ Độ pH
pH môi trường thường ảnh hưởng đến mức độ ion hóa cơ chất, enzyme và đặc biệt ảnh hưởng đến độ bền của enzyme.
Nhiều enzyme hoạt động rất mạnh ở pH trung tính. Tuy nhiên cũng có nhiều enzyme hoạt động ở môi trường acide yếu. Một số enzyme khác lại hoạt động mạnh ở pH kiềm và cả pH acide.
+ Nồng độ enzyme
Khi nồng độ enzyme tăng, tốc độ phản ứng tăng theo đường thẳng. Tuy nhiên, khi nồng độ enzyme đạt đến một ngưỡng nào đó, nồng độ cơ chất sẽ trở thành yếu tố hạn chế tốc độ phản ứng. Khi đó, tốc độ phản ứng sẽ không tăng nữa mà là một đường nằm ngang.
+ Nồng độ cơ chất
Nồng độ cơ chất tăng, tốc độ phản ứng enzyme tăng, vì sẽ có nhiều cơ chất va chạm với enzyme tiến hành phản ứng. Khi nồng độ cơ chất đủ lớn,
các enzyme bị bão hòa cơ chất, vì vậy, tăng nồng độ cơ chất thì tốc độ phản ứng sẽ không thay đổi đáng kể.
+ Các chất kìm hãm
Các chất kìm hãm hoạt động của enzyme thường là các chất có mặt trong các phản ứng, làm giảm hoạt tính enzyme nhưng lại không bị enzyme làm thay đổi tính chất, cấu tạo hóa học và tính chất vật lý của chúng.
Các chất gây kìm hãm hoạt động của enzyme bao gồm các ion, các phần tử vô cơ, các chất hữu cơ và cả protein. Các chất kìm hãm có ý nghĩa rất lớn trong điều khiển quá trình trao đổi ở tế bào sinh vật. Tùy thuộc vào bản chất chất kìm hãm người ta chia ra 2 loại sau [6]:
• Chất kìm hãm cạnh tranh: là những chất có cấu trúc tương tự như cấu trúc của cơ chất, thường là những chất kìm hãm thuận nghịch, có khả năng kết hợp với trung tâm hoạt động của enzyme. Khi đó chúng sẽ chiếm vị trí của cơ chất trong trung tâm hoạt động và vì vậy, cơ chất không còn cơ hội tiếp cận với trung tâm này. Cơ chế loại trừ lẫn nhau của chất kìm hãm và trung tâm hoạt động làm giảm số lượng các enzyme kết hợp với cơ chất. Kết quả là hoạt động của enzyme sẽ giảm.
• Chất kìm hãm không cạnh tranh: chất kìm hãm không chiếm trung tâm hoạt động của enzyme mà là ở một vị trí ngoài trung tâm hoạt động của enzyme. Kết quả sự kết hợp này, chất kìm hãm làm thay đổi cấu trúc không gian của phân tử enzyme theo chiều hướng bất lợi cho hoạt động xúc tác. Vì thế các chất kìm hãm làm giảm hoạt động của enzyme.
- Lên men
Phương trình tổng quát về lên men rượu như sau: