Thủy phân bằng acid loãng là phƣơng pháp phổ biến nhất trong số các phƣơng pháp thủy phân hóa học [21]. Đây là phƣơng pháp hiệu quả để thủy phân lignocellulose thành monosaccharide. Trong quá trình thủy phân, acid đƣợc sử dụng nhƣ chất xúc tác phá vỡ ether dị vòng giữa các phân tử đƣờng đơn trong các chuỗi polymer. Sản phẩm chủ yếu của quá trình thủy phân acid là glucose, xylose và arabinose nhƣ thể hiện ở hình 2.10.
Tuy nhiên, nồng độ acid cao có thể phá hủy cấu trúc hemicellulose, sinh ra các chất ức chế nhƣ: hợp chất phenolic, acid, furan aldehydes. Mặt khác, sử dụng acid có nồng cao sẽ gây ra các vấn đề về ăn mòn thiết bị, độc hại, nguy hiểm cao, thiết bị chuyên dụng, thủy phân bằng acid loãng an toàn và đạt đƣợc hiệu quả. Bên cạnh đó, thủy phân bằng acid loãng không mất nhiều thời gian nhƣ thủy phân bằng enzyme [21]. Vì vậy, thủy phân bằng acid loãng là một phƣơng pháp hiệu quả để thủy phân lignocellulose.
CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN
Hình 2.10 Sản phẩm của quá trình thủy phân lignocellulose bằng acid
2.4.2 Thủy phân bằng enzym
Bên cạnh thủy phân nguyên liệu lignocelluloes bằng acid loãng thì việc thủy phân bằng enzyme cũng đƣợc quan tâm nghiên cứu. Phƣơng pháp thủy phân bằng enzyme thƣờng đƣợc tiến hành nhờ vào một nhóm các chế phẩm: cellulase hấp phụ lên bề mặt của cellulose, phân hủy sinh học cellulose thành đƣờng lên men, và giải hấp cellulase.
Cụ thể, qúa trình phân giải cellulose thành glucoses thƣờng đƣợc thực hiện bằng cách kết hợp ba loại enzyme chính: endo-glucanases, exo-glucanases, và beta- glucosidase. Endo-glucanase tấn công vào những vùng có độ kết tinh yếu của sợi cellulose tạo các chuỗi tự do. Exo-glucanases tiếp tục làm suy giảm chuỗi đƣờng bằng cách loại bỏ cellobiose đơn vị (dimers glucose). β-glucosidase sẽ thủy phân cellobiose tạo thành glucose [21] (Hình 2.11). Glucoses tạo thành đƣợc sử dụng nhƣ nguồn carbon nuôi vi sinh vật tạo dầu.
Thủy phân bằng enzyme không đòi hỏi nhiệt độ cao, điều kiện thủy phân không ăn mòn, không sinh ra chất ức chế, hiệu suất cao. Nhƣng giá thành enzyme rất cao, so với thủy phân bằng acid loãng, thủy phân bằng enzyme bị hạn chế về mặt kinh tế.
CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN
SVTH: Ngô Tƣờng Vi 15
Hình 2.11 Quá trình chuyển hóa cellulose thành glucoses bằng enzymes [21]
2.5 Phƣơng pháp khử độc
Quá trình thủy phân CGTB bằng acid loãng sinh ra một số sản phẩm phụ từ sự giảm cấp đƣờng nhƣ hydroxymethyl furfural (HMF), furfural, hợp chất phenolic. Các sản phẩm này có tính ức chế đối với quá trình lên men vi sinh vật. Để hạn chế sự ảnh hƣởng của các chất ức chế ta tiến hành các biện pháp khử độc sau.
2.5.1 Phƣơng pháp sinh học
Phƣơng pháp này thƣờng sử dụng các loại enzyme hay vi sinh vật có khả năng hoạt động trên các hợp chất ức chế phát sinh trong quá trình thủy phân bằng cách thay đổi thành phần của chúng [22]. Quá trình giải độc của các enzyme là oxy hóa polymer của các hợp chất phenolic có trọng lƣợng phân tử thấp [23]. Laccase enzyme có thể loại bỏ 77.5% phenolic mà không ảnh hƣởng đến furan và acid acetic trong sản phẩm thủy phân và thúc đẩy sự tiêu thụ glucose. Nhờ enzyme và vi sinh vật mà quá trình lên men từ môi trƣờng thủy phân hemicellulose diễn ra dễ dàng. Vi sinh vật và enzyme không những đƣợc sử dụng để loại bỏ các hợp chất ức chế mà còn đƣợc tận dụng làm nguồn nuôi cấy cho quá trình lên men-quá trình lên men đồng thời.
CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN
2.5.2 Khử độc bằng phƣơng pháp vật lí
Bốc hơi chân không dung dịch thủy phân là một phƣơng pháp khử độc vật lí nhằm làm giảm bớt hàm lƣợng của các chất ức chế dễ bay hơi: acid axetic, furfural và vanillin. Nhƣng nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là làm tăng nồng độ các hợp chất ức chế không bay hơi (các dẫn xuất của lignin) nên làm ảnh hƣởng quá trình lên men [22]. Do trong môi trƣờng thủy phân hemicellulose chỉ chứa 10% các hợp chất dễ bay hơi. Parajo và cộng sự đã sử dụng phƣơng pháp này đối với dung dịch thủy phân gỗ và quan sát thấy sự gia tăng nồng độ các chất dẫn xuất của lignin. Khối lƣợng thủy phân giảm xuống còn khoảng 1/3 và thời gian lên men cần thiết cho nấm men tiêu thụ khoảng 90% xylose tăng từ 24 đến 94 h [23]. Điều này cho thấy rằng, mặc dù phƣơng pháp này đơn giản và ít tốn chi phí nhƣng hiệu quả đem lại không cao.
2.5.3 Phƣơng pháp hóa học
2.5.3.1 Xử lí bằng than hoạt tính
Trong số các phƣơng pháp khử độc hóa học, xử lí bằng than hoạt tính là một phƣơng pháp nổi bật vì than hoạt tính là một vật liệu chi phí thấp [22]. Xử lí bằng than hoạt tính phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ pH, nhiệt độ, thời gian tƣơng tác và hàm lƣợng than hoạt tính [23]. Nếu chất tan đƣợc loại bỏ có tính acid yếu hoặc base yếu thì pH của môi trƣờng thủy phân sẽ ảnh hƣởng đến khả năng hấp thụ. Cụ thể, các hợp chất acid yếu và base yếu đều bị hấp thụ trong điều kiện không bị ion hóa, nên hợp chất acid yếu sẽ dễ dàng bị hấp thụ trong môi trƣờng có pH thấp. Ngƣợc lại, hợp chất base yếu bị hấp thụ trong môi trƣờng pH cao. Trong quá trình hấp thụ, bề mặt của than hoạt tính sẽ bị che phủ bởi chất bị hấp thụ và bị mất hoạt tính sau một thời gian. Nên thời gian hấp thụ là yếu tố cần đƣợc chú ý khi sử dụng phƣơng pháp này. Song song đó, khi tăng nhiệt độ quá trình hấp thụ thì tốc độ khuếch tán của các hợp chất ức chế vào bên trong các lỗ xốp trên bề mặt than càng cao. Do bị ràng buộc bởi nhiều yếu tố nên phƣơng pháp này trở nên hạn chế
2.5.3.2 Vôi hóa
Vôi hóa là phƣơng pháp giải độc hiệu quả và chi phí thấp, cải thiện quá trình lên men của hydrolyzates lignocellulosic. Phƣơng pháp này đƣợc tiến hành bằng cách điều chỉnh pH của dung dịch thủy phân lên 9-10 với Ca(OH)2, giữ điều kiện này từ 15 phút đến vài ngày, sau đó giảm pH đến xuống khoảng 5.5 bằng H2SO4. Một phần nồng độ phenolic và các hợp chất ức chế khác sẽ giảm xuống. Nồng độ acid axetic và fomic
CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN
SVTH: Ngô Tƣờng Vi 17
2.5.3.3 Nhựa trao đổi ion
Nhựa trao đổi ion là phƣơng pháp đơn giản và đem lại hiệu quả [23]. Bên cạnh đó, nhựa trao đổi ion có thể đƣợc tái sinh và tái sử dụng, do đó giảm chi phí của quá trình. Nhựa trao đổi ion dễ dàng loại bỏ các chất ức chế phenolic ở pH có tính acid, nhƣng cùng với đó là sự mất mát đáng kể đƣờng. Mặc dù có thể tái sinh nhựa nhƣng chi phí đầu tƣ ban đầu cao cùng với chi phí vệ sinh nhựa làm cho phƣơng pháp này trở nên hạn chế về mặt kinh tế.
2.6 Phƣơng pháp trích ly chất béo
2.6.1 Trích ly Soxhlet
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống chiết: nguyên liệu rắn cần chiết đƣợc đặt trong ống hình trụ bằng cellulose (cellulose thimble). Bộ chiết Soxhlet đƣợc gắn với thiết bị ngƣng tụ ở phía trên và đặt lên bình chứa dung môi trích ly (Hình 2.12). Dung môi đƣợc gia nhiệt đến nhiệt độ sôi. Các chất cần trích ly sẽ hoà tan trong dung môi và chảy xuống bình chứa. Ƣu điểm của phƣơng pháp trích ly Soxhlet là sự tƣơng tác giữa mẫu trích ly và dung môi lặp đi lặp lại, giúp tách hoàn toàn chất phân tích ra khỏi mẫu thay vì phải sử dụng nhiều dung môi nhƣ phƣơng pháp trích ly truyền thống. Hiệu suất trích ly tƣơng đối cao do nhiệt độ của hệ thống cao hơn nhiệt độ phòng, tạo điều kiện thuận lợi cho sự tƣơng tác và lôi cuốn chất cần phân tích của dung môi.
CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN
Phƣơng pháp này có hiệu suất trích ly tƣơng đối cao do sự tiếp xúc nhiều lần của dung môi và mẫu. Sau trích ly hỗn hợp thu đƣợc không cần lọc và dung môi có thể đƣợc thu hồi và tái sử dụng.
2.6.2 Trích ly bằng dung môi
Trích ly bằng dung môi chủ yếu dựa trên độ tan tƣơng đối của chất cần tách trong hai dung môi không trô ̣n lẫn nhƣ nƣớc và dung môi hữu cơ . Phƣơng pháp này phụ thuộc vào sự hòa tan chọn lọc của một hoặc một số cấu tử trong dung môi mà chúng tƣơng hợp đƣợc. Việc chiết đƣợc thực hiện trong bình lóng, chiết lần lƣợt từ dung môi hữu cơ kém phân cực đến dung môi phân cực. Với mỗi loại dung môi, việc chiết đƣợc thực hiện nhiều lần, mỗi lần một lƣợng nhỏ dung môi, chiết đến khi không còn chất hòa tan vào dung môi. Sau đó, đổi qua chiết với dung môi có tính phân cực hơn.
Dung dịch sau chiết đƣợc làm khan với: MgSO4, CaSO4, Na2SO4,..., đuổi dung môi, thu đƣợc sản phẩm cần chiết.
Ƣu điểm của phƣơng pháp là chi phí thấp. Tuy nhiên, trích ly bằng dung môi là quá trình không liên tục, hiệu suất kém, mất nhiều thời gian, sản phẩm thu đƣợc có độ tinh khiết không cao.
19
CHƢƠNG 3
PHƢƠNG TIỆN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU