- Lên men liên tụ c: Đặc điểm của quá trình lên men liên tục là dịch đường và men được cho vào thùng đầu – gọi là thùng lên men chính, luơn chứa một lượng lớn tế
b. Các phương pháp xử lí bằng acid
Thủy phân nguyên liệu biomass bằng acid gồm cĩ 2 phương pháp:
i) Thủy phân bằng acid đặc:
Phương pháp thủy phân bằng acid đặc gồm các giai đoạn sau: - Tiền thủy phân để loại hemicellulose
- Thủy phân cellulose
- Thủy phân oligosaccharide thành glucose
ii) Thủy phân bằng acid lỗng:
Quá trình thủy phân bằng acid lỗng là quá trình xử lí hĩa nhiệt để thủy phân cellulose và hemicellulose ở nhiệt độ cao. Các acid được sử dụng như acid sulfuride, hydrochloric hoặc acid nitric. Tiến hành thủy phân với nồng độ acid từ 0.5-1.5% ở nhiệt độ 160ºC. Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến trong thực tế do lượng đường thu được cao từ 75-90% (trích theo tài liệu nghiên cứu của Wooley và các cộng sự, 1999, Sun and Cheng, 2002).
iii) Qui trình thủy phân biomass 2 giai đoạn
Qui trình thủy phân biomass 2 giai đoạn là qui trình cĩ nhiều triển vọng và cĩ tính thương mại cao. Đĩ là do:
• Qui trình này sẽ mau chĩng được đưa vào các hoạt động thương mại dựa trên cơ sở phương pháp sử dụng acid lỗng.
• Quá trình phân tách hỗn hợp thủy phân hemicellulose và cellulose thu được sản lượng và độ tinh khiết sản phẩm cao. Vì các dịch thủy phân được tách ra trong mỗi giai đoạn.
• Năng lượng tiêu hao cho tồn bộ quá trình thấp. Quá trình xử lý được thực hiện qua 2 giai đoạn như sau:
Hình 1.10. Quá trình xử lý thủy phân c. Thiết bị
Quá trình thủy phân biomass cĩ thể thực hiện trong các bình phản ứng. Phương pháp ngâm chiết cĩ thể thực hiện bằng cách cho dịng acid thấm xuyên qua các cột nhồi nhiều lớp. Đây là thiết bị khá thích hợp cho phương pháp thủy phân theo mẻ. Ưu điểm thứ nhất là loại đường ngay khi nĩ được tạo thành. Thiết bị này ít tạo thành các sản phẩm phân hủy đường và các chất ức chế quá trình lên men, tạo ra lượng đường lớn. Điểm thứ 2, thiết bị cĩ thể hoạt động với tỉ lệ rắn/ lỏng khá cao.
Năm 1997 Torget và các cộng sự phát minh ra thiết bị phản ứng BSFT. Đây là thiết bị chảy qua lớp co. Thiết kế nhằm giữ độ chặt của lớp khơng đổi. Dịng acid được đưa qua thiết bị và đi qua các lớp với vận tốc bé. Thời gian lưu của nguyên liệu trong thiết bị ngắn hơn so với phương pháp ngâm chiết. Thiết bị cho năng suất cao. Sản phẩm thu được cĩ hàm lượng chất phân hủy thấp
+ Thủy phân bằng enzyme
Để thủy phân cấu trúc cellulose nhất là cellulose tinh thể cần cĩ sự tham gia của nhiều enzyme (Schwarz, 2001). Cellulase là một hệ enzyme khá phức tạp.
Cellulase bao gồm 3 hợp phần cơ bản như sau: endoglucanase, exoglucanase (cellobiohydrolase) và β-glucosidase (cellobiase).
Cellulase chỉ được tổng hợp khi tế bào sinh vật phát triển với sự cĩ mặt của cellulose, cellobiose, lactose, sophorose hoặc các glucan khác cĩ chứa liên kết β–1,4– glycosidic (Gratzali và Brown, 1979). Các sản phẩm cuối của quá trình thủy phân ức chế tác dụng của cellulase. Do đĩ trong quá trình thủy phân phải liên tục tách các sản phẩm này ra khỏi dịch thủy phân.
Trung tâm hoạt động của enzyme cellulase chứa các gốc amino acid đặc hiệu. Trong khi đĩ cellulose chứa các liên kết glycosidic. Bộ electron σ đĩng vai trị phân cực liên kết. Hiệu ứng cảm ứng của nguyên tử oxy trung tâm gây ra một sự tập trung tích điện trên nguyên tử oxy làm cho nguyên tử oxy tích điện âm. Cịn các nguyên tử cacbon kết hợp với nĩ bị khuyết electron nên sẽ tích điện dương. Sự khuyết electron
rửa hơi
biomass acid
Giai đoạn tiền thủy phân
nước
Dịch thủy phân acid
Giai đoạn đường hĩa
hơi nước Dịch thủy phân lignin bã Bình thuỷ phân Thiết bị đường hố 1 2
trong liên kết bị thủy phân là yếu tố quan trọng quyết định khả năng thủy phân. Tác dụng xúc tác của enzyme do sự phân bố electron quyết định.
+ Cơ chế quá trình thủy phân biomass
Quá trình thủy phân tiến hành ở nhiệt độ 70ºC trong 1,5 ngày. Sản phẩm thu được cĩ lượng glucose bằng 75-95% số gốc glucose cĩ trong nguyên liệu.
Hiện nay, cơ chế thủy phân của hệ enzyme cellulase được chấp nhận diễn ra theo các bước sau:
• Endoglucanase thủy phân liên kết β-1,4-glycosidic trong vùng vơ định hình tạo ra nhiều đầu khơng khử.
• Sau đĩ exoglucanase cắt các đơn vị cellobiose từ đầu khơng khử. • β-glucosidase tiếp tục thủy phân cellobiose tạo ra glucose.
Sự phối hợp hoạt động của các enzyme rất cần thiết cho quá trình tối ưu hĩa quá trình thủy phân. Tồn tại mối tương quan tuyến tính giữa khả năng kết tinh và tốc độ thủy phân (Fan và cộng sự ). Khả năng kết tinh càng cao thì tốc độ thủy phân càng chậm. Vùng vơ định hình cĩ tốc độ thủy phân gấp 2 lần vùng kết tinh.
+ Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ quá trình thủy phân
Tốc độ quá trình thủy phân cellulose bằng cellulase chịu tác động của một số các yếu tố. Năm 2002, Lyn và cộng sự đưa ra kết luận như sau:
• Tỉ lệ kết tinh: đây là yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình thủy phân. Các mạch cellulose cĩ tính kết tinh cao, các sợi cellulose liên kết rất chặt chẽ. Do đĩ 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 hĩa: mạch cellulose càng dài, tốc độ thủy phân càng chậm (Walker và cộng sự , 1990).
• 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.
+ Quá trình thủy phân – lên men bán liên tục
Từ những nghiên cứu trước đây, quá trình thủy phân và lên men đồng thời thể hiện nhiều ưu thế so với quá trình thủy phân và lên men riêng biệt :
o Giảm được khả năng ức chế enzyme của glucose. o Nồng độ đường và nồng độ cồn sinh ra nhiều hơn. o Thời gian tổng cộng thu ngắn.
o Chi phí tổng cộng cho quá trình thấp hơn v.v…
Tuy nhiên, khi thủy phân và lên men đồng thời (SSF) sự khác biệt về nhiệt độ lên men và thủy phân là khĩ khăn lớn nhất của quá trình này. Quá trình thủy phân xảy ra ở nhiệt độ cao (tốt nhất từ 50-550C) trong khi với đa số các chủng nấm men nhiệt độ thích nghi khơng quá 400C.
Vì vậy, quá trình SSF cần được tiếp tục nghiên cứu nhằm khắc phục những bất lợi do sự khác biệt nhiệt độ của 2 quá trình lên men và thủy phân gây ra. Mơ hình mới trong nhiều nghiên cứu đưa ra là quá trình SSF được thực hiên liên tục trong 2 thiết bị khác nhau được đề nghị để khắc phục ảnh hưởng của nhiệt độ.
Thêm vào đó, theo như phần tởng quan tài liệu đã nêu rõ, hầu hết những quy trình sản xuất ethanol hiện nay trên thế giới đều sử dụng cơng nghệ lên men với tế bào nấm men tự do truyền thống. Như đã biết, cơng nghệ này cĩ những nhược điểm như độ chuyển hĩa thấp vì khơng thể loại được những sản phầm phụ tạo ra trong quá trình thuỷ phân, thời gian kéo dài, khĩ tăng năng suất thiết bị, hiệu suất tạo ethanol kém, chi phí cao... Một giải pháp giúp giải quyết những vấn đề trên đang được chú ý hiện nay là áp dụng kỹ thuật cố định tế bào nấm men vào giai đoạn lên men trong quy trình sản xuất liên tục.
Để giảm tối đa khả năng ức chế Enzyme của Gluco và thời gian thủy phân, nồng độ Gluco đầu ra của thiết bị thủy phân trong quy trình trên yêu cầu chỉ cần đạt trong khoảng 0,5 – 1,2%.
Trên cơ sở đĩ tiến hành thí nghiệm khảo sát và xây dựng giản đồ thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ Gluco – nồng độ Enzyme – thời gian thủy phân. Với tiêu chí xây dựng: khảo sát nờng đợ Enzym và thời gian thủy phân sao cho nờng đợ Gluco đạt trong khoảng 0,5 – 1,2% để phục vụ cho quy trình sản xuất liên tục như trên.