Phương pháp này sử dụng hóa chất trong quá trình xử lý gồm nhiều phương
pháp khác nhau:
Với acid: Mục đích của phương pháp tiền xử lý bằng acid là để hòa tan phần
hemicellulose của sinh khối và để làm cho phần cellulose có nhiều khả năng tiếp
xúc với enzyme hơn. Loại tiền xử lý này có thể tiến hành với acid đặc hay loãng
nhưng việc sử dụng acid đặc trong sản xuất ethanol ít được chú ý hơn do sự tạo
thành các chất ức chế. Hơn nữa vấn đề ăn mòn thiết bị và thu hồi acid là những nhược điểm quan trọng khi sử dụng các phương pháp tiền xử lý bằng acid đặc. Chi phi vận hành và bảo dưỡng cao làm giảm sự quan tâm đến việc áp dụng phương
pháp tiền xử lý bằng acid đặc ở quy mô thương mại (Wyman, 1996).
Phương pháp tiền xử lý bằng acid loãng dường như là phương pháp được lựa
chọn hơn cho các ứng dụng công nghiệp và đã được nghiên cứu để tiền xử lý nhiều
loại sinh khối lignocellulose. Nhiều loại reactor khác nhau như reactor chiết ngâm,
dòng chảy theo vòi, shrinking-bed, mẻ và đối lưu đã được áp dụng để tiền xử lý các
nguyên liệu lignocellulsoe (Taherzadeh và Karimi, 2008). Nó có thể được tiến hành
ở nhiệt độ cao (ví dụ 180oC) trong khoảng thời gian ngắn; hay ở nhiệt độ thấp hơn
hòa tan hemicellulose, chủ yếu là xylan và còn chuyển đổi hemicellulose thành các
đường có khả năng lên men. Tuy nhiên, tùy vào nhiệt độ của quy trình mà một số
hợp chất thoái biến đường như furfural và HMF và các hợp chất vòng thơm thoái
biến lignin có thể tạo thành và ảnh hưởng đến sự chuyển hóa của vi sinh vật trong bước lên men (Saha et al.2005).
Đã có báo cáo về việc thu được nhiều sản phẩm thủy phân khi tiền xử lý các
nguyên liệu lignocellulose bằng H2SO4 loãng, một loại acid được nghiên cứu nhiều
nhất. Acid chlorhydric, phosphoric và nitric cũng đã được thử nghiệm (Mosier et
al.2005). Sản phẩm của quá trình đường hóa thu được cao tới 74% khi rơm cây lúa mạch được xử lý bằng H2SO4 0,75% và ở nhiệt độ 121oC trong thời gian 1h (Saha et al.2005). Sinh khối của cây oliu được tiền xử lý bằng H2SO4 1,4% ở 210oC thu
được sản phẩm thủy phân 76,5% (Cara et al.2008). Gần đây, người ta đạt được sản lượng ethanol cao tới 0,47 g/g glucose trong phản ứng lên men của bã quả đào lộ
hột được tiền xử lý bằng H2SO4 loãng ở 121oC trong thời gian 15 phút (Rocha et
al.2009). Tuy nhiên, vấn đề gặp phải trong phương pháp này là lượng thạch cao
(CaSO4) sinh ra nhiều từ quá trình trung hòa acid với CaOH.
Các acid hữu cơ khác như fumaric hay maleic dường như là phương án thay thế để tăng cường thủy phân cellulsoe phục vụ sản xuất ethanol. Trong bối cảnh
này, cả hai acid tương đương với acid sunfuric về phương diện sản phẩm thủy phân
từ rơm lúa mạch và sự tạo thành các chất thoái biến của đường trong quá trình tiền
xử lý. Các kết quả cho thấy các acid hữu cơ có thể tiền xử lý rơm lúa mạch với hiệu
suất cao mặc dù acid fumaric ít hiệu quả hơn acid maleic. Hơn nữa, furfural được
tạo thành ít hơn trong các phương pháp tiền xử lý bằng acid maleic và fumaric so với acid sunfuric (Kootstra et al.2009).
Với kiềm: Tác động của một số bazơ lên sinh khối lignocellulose là cơ sở
của các phương pháp xử lý bằng kiềm, là phương pháp hiệu quả phụ thuộc vào hàm
lượng lignin của sinh khối. Các phương pháp xử lý bằng kiềm làm tăng khả năng
hòa tan cellulose và hemicellulose kém hơn so với các quy trình acid hay thủy nhiệt
(Carvalheiro et al.2008).
Natri, kali, canxi và amoni hydroxit là các dung môi thích hợp trong phương
pháp này. Nhiều nhà khoa học cho rằng, dựa trên chi phí hóa chất thì vôi tôi là hóa chất thích hợp, một nghiên cứu khác cho thấy rằng amoniac lỏng có phần hiệu quả
trong việc tăng khả năng thủy phân bã rắn, nhưng ethylenediamine có thể còn hiệu
quả hơn. NaOH đã được công bố làm gia tăng khả năng phân giải của gỗ cứng từ
14% lên 55% bằng cách giảm hàm lượng lignin từ 24%-55% xuống còn 20% (Kumar et al.2009). Tuy vậy, nhược điểm lớn của phương pháp này là khả năng thu
hồi lượng kiềm trong dịch sau thủy phân rất lớn.
Dung môi hữu cơ để hòa tan lignin: Phương pháp sử dụng dung môi hữu cơ
cũng cho nhiều hứa hẹn (Papatheofanous et al.1995), người ta có thể sử dụng hỗn
hợp nhiều loại dung môi hữu cơ bao gồm mathanol, ethanol, aceton, ethylen glycol và cồn tetrahydrofurfuryl để hòa tan lignin và tạo cellulose thích hợp với phản ứng
thủy phân bằng enzyme (Zhao et al.2009). Một nghiên cứu do Công ty sáng chế
Ottawa đưa ra phương pháp Organosolv sử dụng dung môi hữu cơ acetone để thủy
phân các hỗn hợp lignin-cellulose và tinh bột cho hiệu suất khá cao. Trong một số
nghiên cứu khác, những hỗn hợp dung môi này được kết hợp với các chất xúc tác
acid (HCl, H2SO4, oxalic hoặc salicylic) để phá vỡ các liên kết hemicellulose.
Người ta thường thu được sản lượng cao xylose khi cho thêm acid. Tuy nhiên,
người ta có thể tránh việc cho thêm acid này bằng cách tăng nhiệt độ của quy trình (trên 185oC) để khử lignin hiệu quả. Quy trình sử dụng dung môi hữu cơ đã được đề
xuất kết hợp với thủy phân bằng acid trước đó để phân tách hemicellulsoe và lignin
thành hai phân đoạn. Với quy trình này, lượng lignin đã được loại bỏ cao (70%) và
lượng cellulose tối thiểu bị mất đi (dưới 2%) (Papatheofanous et al.1995).
Sử dụng chất lỏng ion (ionic liquid), hiệu quả hòa tan sinh khối
lignocellulose cao và có khả năng thu hồi được. Đây là định hướng nghiên cứu mới
nhìn đến năm 2025 được duyệt thực hiện trong năm 2013 có 6 đề tài thì đã có 2 đề
tài là nghiên cứu chất lỏng ion để xử lý sinh khối cho sản xuất bioethanol.
Trong luận văn này, tôi sẽ sàng lọc tìm một số dung môi có tác dụng hòa tan trực tiếp cấu trúc lignocellulose; hòa tan, biến đổi chúng hoặc phá vỡ cấu trúc tinh
thể rắn bền vững của cellulose trong lignocellulose thành cellulose vô định hình mà enzyme hoặc hóa chất thông thường dễ dàng tác dụng để tạo thành đường hoặc ethanol. Đây cũng chính là một phần trong nhiệm vụ khoa học mà Viện Khoa Học
và Công nghệ Việt Nam đã giao cho Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang thực hiện trong năm 2012-2014.