24
Lignocellulose là thành phần chính đôi khi là thành phần duy nhất trong các phế thải từ các nghành công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp và rác thải đô thị.Thủy phân các vật liệu này là bước đầu tiên để tạo thành khí sinh học (metan) hoặc lên men tạo thành ethanol. Tuy nhiên, các enzyme thủy phân lignocellulose thường không hiệu quả vì sự ổn định cao trong cấu trúc của các nguyên liệu.Vì vậy
để quá trình này hiệu quả thì việc trước tiên là tiến hành tiền xử lý nguyên liệu để
chuyển đổi nguồn lignocellulose thành ethanol hoặc khí sinh học[14].
Như trên đã đề cập, thì cellulose chứa hai vùng kết tinh và vùng vô định hình. Vùng kết tinh rất khó bị phân hủy bởi enzyme cellulase. Như vậy có hai vấn
đề lớn đặt ra là tiền xử lý ngoài việc loại bỏ lignin thì còn phải phá vỡ cấu trúc vùng kết tinh[16].
Hình 2.20. Quá trình tạo NLSH từ lignocellulose
Như vậy việc tiền xử lý đạt các mục đích sau:
- Tạo ra sợi cellulose phản ứng tăng khả năng thủy phân của enzyme,
- Tránh phá hủy hemicellulose và cellulose,
- Tránh hình thành các chất ức chế enzym thủy phân và lên men vi sinh vật,
- Giảm thiểu chi phí năng lượng,
25
Một số phương pháp đã được giới thiệu về tiền xử lý của vật liệu lignocellulose trước khi thủy phân enzyme. Những phương pháp này được phân thành 4 nhóm cơ
bản: "tiền xử lý vật lý", "tiền xử lý lý - hóa", "tiền xử lý hóa học", và "tiền xử lý sinh học".
2.3.1.1 Tiền xử lý bằng phương pháp vật lý.
Tiền xử lý bằng phương pháp vật lý có thể làm tăng diện tích bề mặt và kích thước của lỗ trên cellulose, và làm giảm vùng kết tinh và mức độ trùng hợp của cellulose. Các quá trình vật lý như phay (ví dụ như: xay xát, nghiền búa, và xay xát năng lượng vibro…) và chiếu xạ (ví dụ như: chiếu tia gamma, hoặc lò vi sóng) có thểđược sử dụng để cải thiện, tạo sự thuận lợi cho việc thủy phân enzyme hoặc tăng khả năng phân huỷ sinh học của các vật liệu chất thải lignocellulose[21].
a. Phay.
Phay có thể được sử dụng để thay đổi kích thước vốn có của lignocellulose và mức độ của vùng kết tinh, và do đó làm cho thủy phân được dễ dàng hơn. Phay làm giảm kích thước đã được áp dụng trước khi thủy phân enzyme, hoặc quá trình tiền xử lý với axit loãng, hơi nước hoặc amoniac. Trong số các quá trình xay xát, nghền keo chỉ dành cho vật liệu ẩm ướt, ví dụ như giấy ướt phân loại rác thải trong nước hoặc bột giấy, trong khi các máy đùn, máy con lăn, nghiền búa thường được sử dụng đối với nguyên liệu khô. Nghiền bóng có thểđược sử dụng cho nguyên liệu khô hoặc ướt. Sidiras và Koukios cho thấy rằng phay bóng làm giảm hơn 50% vùng kết tinh cellulose trong rơm lúa. Jim và Chen nghiên cứu nghiền siêu mịn, kích thước sợi 60 mm, của rơm rạ sau nổ hơi. Rơm đã được cắt 5-8 cm và cho nổ hơi tại 180, 195, 210 và 2200C trong 4-5 phút một cách riêng biệt bằng hơi nước bão hòa.Vật liệu sau nổ hơi được nghiền thành bột bằng cách sử dụng một máy nghiền siêu mịn. Khi thủy phân enzyme đã thu được một lượng đường khử rất cao. Như
vậy phay làm giảm kích thước lignocellulose và tăng khả năng thủy phân bởi enzyme cellulase. Một bất lợi của xay xát là không có khả năng loại bỏ lignin hạn chế sự gắn của các enzym cellulase và ức chế cellulases[22].
26
Chiếu xạ bằng tia gamma, chùm điện tử và vi sóng có thể cải thiện thủy phân enzyme. Sự kết hợp của bức xạ và các phương pháp khác, chẳng hạn như xử lý bằng axit có thể tăng tốc hơn nữa enzyme thủy phân. 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 được 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. Một bức xạ rất cao, trên 100 MR, có thể dẫn
đến sự phân hủy của oligosaccharides và vòng cấu trúc glucose. Nhưng lignin không giảm sau chiếu xạ. Hơn nữa, việc chiếu xạ là tốn kém và khó áp dụng mức quy mô công nghiệp.
c. Nổ hơi nước.
Tiền xử lý bằng nổ hơi sẽ loại bỏ hầu hết các hemicellulose, do đó cải thiện thủy phân enzyme. Trong nổ hơi nước, áp suất và nhiệt độđược đưa lên cao thường là giữa 160 và 2600C, trong một vài giây (ví dụ 30 s) đến vài phút (ví dụ như 20 phút), sau đó áp suất đột ngột giảm và làm cho các vật liệu bị nén nổ. Các quá trình nổ hơi nước cũng đã được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và thí điểm áp dụng
ở một số công ty. Chi phí năng lượng của phương pháp này là tương đối vừa phải, và đáp ứng tất cả các yêu cầu của quá trình tiền xử lý. Các quá trình nổ hơi nước đã
được chứng minh trên một quy mô thương mại tại nhà máy Masonite, Mỹ. Ruiz và cộng sự nghiên cứu nổ hơi nước để tiền xử lý thân cây hướng dương trước khi thủy phân enzyme ở nhiệt độ trong khoảng 180-2300C. Sản lượng đường cao nhất đã đạt
được sau sử lý ở 2200C, trong khi hemicellulose thu được cao nhất đạt được ở
2100C. Sử dụng nổ hơi nước cho tiền xử lý sinh khối cây Populus nigra, ở 2100C trong 4 phút, kết quả lượng cellulose thu được trên 95%, hiệu suất thủy phân enzyme khoảng 60%, và xylose thu được 41% trong phần chất lỏng. Ballesteros và cộng sự áp dụng nổ hơi nước để sản xuất ethanol từ nguyên liệu lignocellulose rơm lúa mì tại 1900C trong 8 phút, bạch dương và bạch đàn ở 2100C trong 4 phút. Sau nổ hơi hemicellulose bị hòa tan, giảm 75-90% xylose. Nổ hơi có thể kết hơp xử lý
27
cơ học để có hiệu quả trong việc phá vỡ cấu trúc cellulose. Nhưng nổ hơi nước có các nhược điểm rất rõ là hao hụt nguyên liệu nhiều, nhiệt độ cao sẽ phân hủy Xylose thành furfural và glucose thành 5-hydroxylmethyl furfural, gây ức chế cho quá trình nên men của nấm men[20].
2.3.1.2 Tiền xử lý bằng phương pháp hóa – lý kết hợp a.Xử lý bằng nổ hơi nước với bổ sung SO2.
Tiền xử lý nổ hơi nước có thể được thực hiện với sự bổ sung của sulfur dioxide (SO2), trong khi mục đích của việc thêm hóa chất này là để cải thiện sự thu hồi cả cellulose và các phần phân đoạn hemicellulose. Việc đó có thểđượcthực hiện với bổ sung 1-4% SO2. Eklund và cộng sự nghiên cứu tiền xử lý hơi nước của cây liễu với việc bổ sung SO2 hoặc H2SO4để thu hồi cả cellulose và hemicellulose. Sản lượng đường được thu hồi tối đa 95% khi xử lý với 1% SO2 ở 2000C. Tuy nhiên, sản lượng xylose thu được khi dùng SO2 không cao như là bổ sung axít sulfuric loãng[21].
b. Nổ hơi trong amoniac (AFEX).
AFEX là sự kết hợp giữa lý hóa trong tiền xử lý. Sinh khối được tiếp xúc với amoniac lỏng ở nhiệt độ tương đối cao cho một khoảng thời gian khoảng 30 phút, và áp suất tăng cao sau đó được giảm đột ngột. Quá trình AFEX làm giảm một phần lignin của các vật liệu lignocellulose, trong khi hemicellulose và cellulose có thể vẫn còn nguyên vẹn. Ở điều kiện tối ưu, AFEX có thể cải thiện đáng kể hiệu suất thủy phân enzyme. Các điều kiện tối ưu cho AFEX phụ thuộc từng vật liệu lignocellulose. Ví dụ, các điều kiện tối ưu trong tiền xử lý cỏ đã được báo cáo là khoảng 1000C, ammonia 1:1 kg chất khô, trong 5 phút. Một trong những lợi thế
chính của tiền xử lý AFEX là không hình thành một số chất ức chế. Tuy nhiên, một phần phenolic và thành phần khác có thể vẫn còn trên bề mặt cellulose. Do đó, rửa với nước có thể là cần thiết để loại bỏ một phần của các thành phần ức chế, mặc dù tăng số lượng nước thải từ quá trình này. Tuy nhiên, có một số nhược điểm trong việc sử dụng quá trình AFEX so với một số các quá trình khác. AFEX hiệu quả hơn
28
amoniac phải được tái chế sau khi xử lý sơ bộ để giảm chi phí và bảo vệ môi trường[29].
c. Sử dụng CO2 siêu tới hạn.
Dioxide carbon siêu tới hạn có một số lợi thế như có chi phí tương đối thấp, không độc tính, không dễ cháy, dễ dàng phục hồi sau khi khai thác. Park và cộng sự
thu được sản lượng Glucose 100% khi áp dụng CO2 siêu tới hạn với áp suất 160 bar thời gian 90 phút nhiệt độ 500C. Nhưng nhược điểm chính là quá đắt để áp dụng quy mô công nghiệp.
d. Tiền xử lý bằng nước siêu tới hạn (LHW).
Nước dưới áp lực cao có thể thâm nhập vào sinh khối, và loại bỏ
hemicellulose và một phần của lignin. Ưu điểm của kỹ thuật này là không có bổ
sung hóa chất và không yêu cầu vật liệu chống ăn mòn trong quá trình này. Nhưng
đòi hỏi năng lượng rất lớn nếu áp dụng trên quy mô thương mại. Laser và cộng sự
so sánh tiền xử lý LHW và nổ hơi với bã mía, sau đó được sử dụng trong sản xuất ethanol bằng SSF. Họ thực hiện tiền xử lý trong lò phản ứng 25-l ở 170-2300C trong 1-46 phút với nồng độ chất rắn 1% đến 8%. Kết quả cho thấy rằng cả hai phương pháp có thể cải thiện đáng kể hiệu suất thủy phân. Tuy nhiên, LHW thu hồi xylose tốt hơn nhiều so với nổ hơi nước. Cũng giống nổ hơi, LHW chủ yếu là loại bỏ
hemicellulose và sinh các chất ức chế quá trình lên men[11].
2.3.1.3. Tiền xử lý bằng hóa chất. a. Xử lý băng kiềm.
Xử lý có thể dụng NaOH, Ca(OH)2, hoặc ammonia để loại bỏ lignin và một phần hemicellullose tăng hiệu quả thủy phân của enzyme. Tiền xử lý có thể thực hiện ở nhiệt độ thấp, thời gian dài hoặc nhiệt độ cao thời gian ngắn ví dụ rơm được ngâm trong ammonia (10%) trong 24 giờ ở nhiệt độ phòng, hemicellulose và lignin giảm tương ứng 41,45% và 30,16%. Tuy nhiên, tiền xử lý kiềm được thể hiện là hiệu quả hơn trên các phụ phẩm nông nghiệp so với gỗ nguyên liệu. Vaccarino và cộng sự đã nghiên cứu các tác động của SO2, Na2CO3, và NaOH trên cỏ và thấy rằng lượng lignin giảm nhiều nhất với dung dịch NaOH 1% ở 1200C. Silverstein và
29
cộng sự nghiên cứu hiệu quả của axit sulfuric, sodium hydroxide, hydrogen peroxide, ozon đối với thân cây bông. Họ phát hiện rằng tiền xử lý sodium hydroxide kết quả loại lignin cao nhất (65% với dung dịch NaOH 2% trong 90 phút
ở 1210C) và cellulose bị thủy phân với enzyme 60,8%. So với axit hoặc các chất phản ứng oxy hóa, kiềm là phương pháp hiệu quả nhất trong việc phá vỡ liên kết este giữa lignin, hemicellulose và cellulose, và tránh sự phân mảnh của các polyme hemicellulose. Tiền xử lý bằng kiềm cũng được sử dụng như một phương pháp tiền xử lý trong sản xuất khí sinh học[11].
b. Tiền xử lý axit.
Xử lý lignocellulose bằng axit ở nhiệt độ cao có thể cải thiện thủy phân enzyme. Sulfuric acid được nghiên cứu là chủ yếu, trong khi axit khác như HCl và axit nitric cũng được nghiên cứu. Tiền xử lý axit có thể thực hiện dưới nhiệt độ cao và nồng độ axit thấp hoặc dưới nhiệt độ thấp và nồng độ axit cao. Nhiệt độ thấp (400C) trong tiền xử lý nồng độ cao axit là một lợi thế rõ ràng so với các quy trình pha loãng axit. Tuy nhiên, nồng độ axit cao (ví dụ như 30-70%) dẫn tới ăn mòn thùng chứa và nguy hiểm. Vì vậy, quá trình này đòi hỏi các công trình xây dựng hoặc thùng kim loại đắt tiền. Sau xử lý phải thu hồi axit. Mặt khác, quá trình trung hòa axit cần số lượng lớn thạch cao. Đầu tư cao và chi phí bảo dưỡng cũng làm giảm lợi ích thương mại trong phương pháp tiền xử lý axit loãng, một giải pháp
được đưa là phương pháp này được thực hiện trong thời gian lưu giữ ngắn (ví dụ
như 5 phút) ở nhiệt độ cao (ví dụ 1800C) hoặc trong một thời gian lưu giữ tương đối dài (ví dụ như 30-90 phút) ở nhiệt độ thấp hơn (ví dụ 1200C). Sun và Cheng xử lý rơm lúa mạch và cỏ Bermuda để sản xuất ethanol ở 1210C với nồng độ acid sulfuric (0,6; 0,9; 1,2 và 1,5%) thời gian là 30, 60, 90 phút. Emmel và cộng sự xử lý gỗ bạch
đàn với nồng độ H2SO4 0,087 đến 0,175 %, nhiệt độ 200-210 trong 2-5 phút. Thấy rằng các điều kiện tốt nhất cho việc thu hồi hemicellulose tại 2100C trong 2 phút, trong khi tiền xử lý nhiệt độ thấp hơn 2000C thì cellulose chuyển đổi (90%) sau thủy phân enzyme. Tiền xử lý với acid acetic và nitric cũng được sử dụng để loại bỏ
30
2.3.1.4. Xử lý bằng phương pháp sinh học.
Vi sinh vật cũng có thểđược sử dụng xử lý các lignocellulose và tăng cường thủy phân bởi enzyme. Các vi sinh vật được áp dụng thường phân hủy lignin và hemicellulose và một phần rất nhỏ của cellulose, vì cellulose bền hơn các phần khác của lignocellulose. Taniguchi và cộng sựđã 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[29].
2.3.2 Một số nghiên cứu ở Việt Nam[5][8].
So với thế giới chúng ta đi sau trong khuynh hướng sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối thải, các hướng chính ở Việt Nam là làm lại một số hướng của thế
giới. Điển hình như phương pháp nổ hơi được Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh nghiên cứu và ứng dụng[5], một số tác giả khác cũng đi theo những hướng mới như Lương Bảo Uyên – Đại học Khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh sử dụng các chủng nấm để phân hủy lignin trong mạt dừa bước đầu thu được một số kết quả[8].
Như vậy: Các phương pháp đã được nghiên cứu và trình bày đều nhằm mục
đích:
- Tăng vùng vô định hình của cellulose, - Tăng diện tích bề mặt nguyên liệu, - Loại bỏ lignin,
31
Đều đạt được những kết quả nhất định, việc sử dụng hiệu quả hemicellulose là một giải pháp làm giảm chi phí sản xuất ethanol.Một số phương pháp đã được áp dụng trên quy mô công nghiệp, nhưng vẫn còn đó những vấn đề cần tháo gỡ.
2.3.3. Quá trình tiền xử lý thực hiện trong quá trình nghiên cứu của đề tài.
Trên cơ sở phân tích các công trình nghiên cứu được thực hiện trên thế giới và trong nước trước đó, tôi nhận thấy rằng: các phương pháp xử lý đều chứa đựng những ưu nhược điểm. Phương pháp sinh học có ưu thế về mặt môi trường nhưng khả năng loại bỏ lignin kém nên trong thời điểm hiện tại, thì việc xử lý bằng các phương pháp vật lý và hóa học vẫn được thế giới đặc biệt quan tâm bởi những hiệu quả của nó trong việc loại lignin cũng như tạo sợi cellulose vô định hình. Việc tiền xử lý bằng vật lý, hóa học hoặc kết hợp cho thấy khả năng loại bỏ lignin tốt hơn phương pháp sinh học, bên cạnh đó thời gian tiền xử lý cũng thu ngắn rõ rệt. Dựa trên điều này tôi sử dụng hai phương pháp vật lý và hóa học kết hợp, với việc lựa