1.6.1 Một số nghiên cứu về sản xuất ethanol sinh học trên thế giới
Trong những thập niên gần đây, có rất nhiều nghiên cứu về quá trình sản xuất ethanol sinh học từ sinh khối lignocellulose như: rơm rạ, lúa mì, bã mía, thân cây bắp, lõi bắp, cỏ hay là gỗ mềm. Chỉ có một vài nghiên cứu về sản xuất ethanol sinh học từ vỏ quả cà phê. Mới đây nhất, theo nghiên cứu của (Shenoy et al., 2011) đã nghiên cứu về quá trình sản xuất ethanol từ vỏ quả cà phê bằng phương pháp thủy phân bởi acid H2SO4 2% trong thời gian 30 phút ở 900C. Hàm lượng đường tổng số thu được sau quá
27
trình thủy phân là 1,62 g/100 mL dịch thủy phân, đường khử là 0,7 g/100 mL dịch thủy phân. Sau đó đem đi lên men và thu được lượng ethanol là 0,46 g/g đường.
Một nghiên cứu khác cũng được thực hiện trên đối tượng là vỏ trấu cà phê. Vỏ trấu cà phê được thủy phân bằng acid H2SO4 1-5%, tỷ lệ nguyên liệu : acid là 1 : 10 và thời gian thủy phân là 5 giờ. Hỗn hợp dịch thủy phân sau đó được tiến hành lên men với nấm men thương mại S. cereviciae ở nhiệt độ 300C, pH = 5, trong thời gian 24 giờ thì thu được nồng độ ethanol cao nhất là 7,9 g/L (Sahu, 2014).
Một trong những nghiên cứu gần đây cũng thực hiện nghiên cứu sản xuất ethanol trên đối tượng vỏ nhớt của quả cà phê. Thành phần chủ yếu có trong lớp vỏ nhớt là đường và pectin. Trong nghiên cứu này (Yadira et al., 2014) đã tiến hành quá trình lên men trực tiếp từ vỏ nhớt quả cà phê. Quá trình lên men được thực hiện bởi nấm men
Saccharomyces cerevisiae Y2034, trong môi trường có bổ sung thêm 0,02 g/L
MgSO4.7H2O; 0,2 g/L (NH4)2SO4 và 2 g/L cao nấm men. Quá trình lên men được tiến hành ở 300C trong 48 giờ, kết quả thu được hàm lượng ethanol là 2,136 g/L.
Nghiên cứu mới đây nhất được thực hiện bởi Harsono và cộng sự khi thực hiện lên men trực tiếp từ nước thải của nhà máy sản xuất cà phê chế biến ướt. Theo Harsono, quá trình lên men được thực hiện như sau: Lấy 10 L nước thải từ nhà máy chế biến cà phê cho vào thiết bị lên men, cho thêm vào 50 g phân NPK 15-15-20, sau đó cho thêm 80 g nấm men Saccharomyces cerevisiae và tiến hành lên men với thời gian 2 ngày và thu được 60,2% nồng độ ethanol (Harsono et al., 2015)
Vỏ trấu cà phê cũng được nghiên cứu sản xuất tạo ethanol (Gouvea et al., 2009). Trong vỏ trấu cà phê có chứa: 15% ẩm; 5,4% tro; 7% protein; 0,3% chất béo; 16% cellulose; 11% hemicellulose; 9% lignin; 14% đường tổng và một số thành phần khác. 13 g nguyên liệu khô sẽ được trộn với 100 mL nước và bổ sung thêm nấm men
Saccharomyces cerevisiae với lượng 3 g/L, tiến hành lên men ở 300C và thu được kết quả hàm lượng ethanol là 8,49 ± 0,29 g/100g chất khô (13,6 ± 0,5g ethanol/L), một giá trị thỏa đáng so với các dữ liệu khoa học cho các chất thải cặn khác như thân cây ngô, rơm lúa mạch và bã lúa mì thủy phân (5- 11g ethanol/L). Kết quả này chỉ ra rằng vỏ trấu có tiềm năng tuyệt vời để sản xuất ethanol.
Năm 1983 Kumakura và Kaetsu nghiên cứu các ảnh hưởng của chiếu xạ cho tiền xử lý bã mía trước khi thủy phân enzyme. Bã mía sau khi xử lý cho lượng glucose tăng gấp đôi sau thủy phân so với việc không xử lý. Các thành phần cellulose của các vật liệu lignocellulose dưới tác dụng của chiếu xạ sẽ phân thành các loại sợi mỏng và oligosaccharides trọng lượng phân tử thấp và thậm chí cellobiose. Tuy nhiên, việc chiếu xạ là tốn kém và khó áp dụng mức quy mô công nghiệp (Kumakura and Kaetsu, 1983). Tiền xử lý hơi nước ở 200 – 2100C với việc bổ sung 1% SO2 (w/w) là tốt hơn các hình thức tiền xử lý khác. Sản lượng glucose 95%, dựa trên các polisacarit có sẵn trong
28
nguyên liệu thô. Nổ hơi có thể gây ra suy thoái hemicellulose furfural và các dẫn xuất của nó (Yu et al., 2010)
Schultz et al. (1984) đã so sánh hiệu quả của nổ hơi lên hỗn hợp các mảnh gỗ cứng, vỏ trấu, rơm bắp, và bã mía.Nổ hơi ở 240 – 2500C và 1 phút sẽ làm gia tăng tốc độ thủy phân enzyme của các mảnh gỗ cứng, vỏ trấu, và bã mía lên ngang bằng với tốc độ thủy phân giấy lọc. Nghiên cứu cũng tìm thấy không có sự khác nhau về tốc độ thủy phân của mẫu đã trữ trong 8 tháng trước với tốc độ thủy phân của mẫu được trữ trong thời gian ngắn hơn. Martinez và cộng sự sử dụng Onopordum nervosum và Cyanara cardunculus làm nguyên liệu. Hiệu quả đường hóa (lượng glucose giải phóng ra sau 48
giờ thủy phân enzyme/lượng glucose cực đại trên cơ chất) đạt được trên 90% đối với O.
Nervosum ở 2300C, 1 – 2 phút và C. cardunculus ở 2100C, 2 – 4 phút (Martinez et al., 1990).
Taniguchi et al. (2005) đã đánh giá kết quả tiền xử lý rơm rạ bằng cách sử dụng bốn chủng nấm trắng (Phanerochaetechrysosporium, Trametes versicolor,
Ceriporiopsis subvermispora, và Pleurotus ostreatus) trên cơ sở những thay đổi về số
lượng và cấu trúc trong các thành phần của rơm rạ qua tiền xử lý cũng như hiệu quả enzyme thủy phân. Tiền xử lý với P. ostreatus cho kết quả lignin loại được nhiều nhất và làm tăng tính hiệu quả thủy phân enzyme. Kurakake và cộng sự nghiên cứu một số chủng vi khuẩn Sphingomonas paucimobilis và Circulans Bacillus đối với giấy thải từ văn phòng. Nhưng nhìn chung việc xử lý theo con đường sinh học hiệu quả thấp (Olsson, 2007).
Theo nghiên cứu của Bak, trong thời gian 15 ngày Phanerochaete chrysosporiumto đã phân hủy được 10,9% xylan và 19,9% lignin có trong rơm rạ (hàm lượng xylan ban đầu 10,8 g bị phân hủy còn 8,4 g và hàm lượng lignin ban đầu 19,7% bị phân hủy còn 15,3%) (Bak et al., 2009).
Năm 2000, Couri khảo sát khả năng sinh tổng hợp các enzyme như polygalacturonase, cellulose, xylanase và protease từ Aspergilluss niger 3T5B8 trên nguồn phế liệu nông nghiệp khác nhau bằng phương pháp lên men bán rắn và ứng dụng enzyme trong việc tách chiết dầu (Couri et al., 2000).
Điều kiện tối ưu cho quá trình thủy phân cellulose của enzyme celluase thu nhận từ chủng nấm Aspergillus sp. 450C, pH 4,5; thời gian 7 ngày và cho kết quả hoạt tính enzyme tối đa 3,9 IU (Devi and Kumar, 2012). Môi trường bán rắn tốt nhất để thu nhận enzyme cellulase của chủng Aspergillus niger là cám gạo (Chandra et al., 2007).
Kết quả nghiên cứu của Budihal, cho thấy Streptomyces được phân lập từ đất, vỏ cây khi nuôi cấy ở điều kiện tối ưu thì sinh tổng hợp enzyme cellulase có hoạt tính cao nhất là 27 IU/mL (Budihal et al., 2016).
29
Liming and Xueliang, (2004) đã nghiên sản xuất enzyme cellulase trên lõi bắp trong vòng 7 ngày hoạt tính cellulase đạt 5,25 IU/mL (213,4 IU/g cellulose). Năng suất của các enzyme thủy phân đạt 90,4%.