1.1.7. Sản xuất bioethanol tử nguyên liệu lignocelluloses
1.1.7.1. Quá trình tiền xử lý
Hình 1.5. Ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý đến quy trình biến đổi lignocellulose thành ethanol [13].
Thành phần của nguyên liệu lignocellulose chứa chủ yếu là cellulose, lignin và hemicellulose. Trong đó, cellulose là thành phần quan trọng được sử dụng trong chuyển hóa sinh khối thực vật thành bioethanol. Nhưng cellulose rất khó bị phân hủy vì phân tử của nó rất lớn, liên kết giữa các monomer rất bền vững, phân tử có
23
độ kết tinh cao và nó liên kết chặt chẽ với lignin và hemicellulose. Nên cần phải có phương pháp tiền xử lý thích hợp nhất để phân hủy phân tử cellulose. Mục đích của quá trình tiền xử lý là để loại bỏ lignin và hemicellulose, giảm kích thước vi sợi cellulose, và tăng độ xốp của vật liệu lignocellulose (Hình 1.5).
1.1.7.2. Quá trình thủy phân
Sau quá trình tiền xử lý, cellulose và hemicellulose sẽ bị thủy phân thành các đường đơn (hexoses và pentoses). Ở đây, quan tâm nhiều đến sự thủy phân cellulose, do nó là thành phần chính trong sinh khối lignocellulose. Quá trình thủy phân cellulose được thực hiện bởi acid thủy phân hoặc enzyme thủy phân. Vào cuối thế kỉ 19 và đầu thế kỉ 20, quá trình thủy phân được thực hiện bởi phản ứng giữa cellulose với acid. Acid loãng được sử dụng dưới điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao, còn acid đậm đặc được sử dụng ở nhiệt độ thấp và áp suất khí quyển. Quá trình thủy phân bằng acid loãng xảy ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao dẫn đến sự tạo thành các chất độc hại có thể ảnh hưởng không tốt đến quá trình lên men như các acid hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp, dẫn xuất furfuran và các hợp chất vô cơ.
Các mắt xích của cellulose có thể bị phân cắt thành các phân tử đường glucose riêng lẻ bằng cellulase. Vì cellulase là một phức hệ enzyme có tác dụng thuỷ phân cellulose thông qua việc thuỷ phân liên kết 1,4-β-glucoside trong cellulose tạo ra sản phẩm glucose. Nguồn thu cellulase lớn nhất hiện nay là vi sinh vật (nấm, vi khuẩn).
Nhiều loài nấm như Trichoderma, Penicillium, Aspergillus, và T. emersonii có thể sản sinh ra một số lượng lớn cellulase và hemicellulase ngoại bào. Vật liệu lignocellulose bị thủy phân bằng enzyme ở điều kiện ôn hòa (50 oC và pH ~ 5), cho phép phân cắt cellulose và hemicellulose một cách hiệu quả mà không hình thành nên các sản phẩm phụ có thể ức chế hoạt động của enzyme [19].
24
1.1.7.3. Quá trình lên men
Hiện nay có 1 số phương pháp lên men được chú trọng như sau:
- SHF (Separate hydrolysis and fermention): đây là phương pháp lên men truyền thống, thủy phân và lên men riêng biệt
- SSF (Simulneous saccharification and fermention): đây là phương pháp cải tiến thủy phân và lên men đồng thời
- SSCF (Simultaneous saccharification and fermentation): đồng đường hóa và đồng lên men, đây là phương pháp đang được nghiên cứu nhiều.
Trong quá trình lên men, các sản phẩm của quá trình thủy phân bao gồm đường hexose (glucose, mannose và galactose) và pentose (xylose và arabinose) sẽ được lên men thành ethanol. Trong số các sản phẩm của quá trình thủy phân, glucose là phong phú nhất, theo sau là đường xylose hoặc mannose và một ít các đường khác. S. cerevisiae có ưu điểm như phổ biến, tỷ lệ lên men cao và lượng ethanol tạo thành cao. Vì vậy, S. cerevisiae là loại nấm men được sử dụng phổ biến cho quá trình lên men sinh khối lignocellulose thành ethanol. Tuy nhiên, S.
cerevisiae không có khả năng lên men xylose thành ethanol được [6]. Để quá trình biến đổi sinh khối lignocellulose có khả thi về kinh tế, nó cần thiết lựa chọn những sinh vật có khả năng lên men cả glucose và xylose.
Ngoài xylose, S. cerevisiae không có khả năng lên men arabinose, trừ khi cải tiến chúng. Do đó, S. cerevisiae tái tổ hợp chứa gen có khả năng lên men xylose đã được thiết kế với gen chuyển hóa arabinose từ những vi sinh vật khác. S.cerevisiae tái tổ hợp gần đây nhất (TMB 3400) đã cho thấy lên men thành công cả ba loại đường glucose, xylose và arabinose [14].
Trong quá trình lên men sinh khối lignocellulose, hoạt tính của S. cerevisiae giảm xuống nếu có sự hiện diện của các hợp chất ức chế bao gồm các acid hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp, dẫn xuất fufural, phenol và các hợp chất vô cơ. Các hợp chất này được sinh ra trong quá trình tiền xử lý và cũng có thể từ quá trình thủy phân lignocellulose. Vì vậy, cần phải loại bỏ các hợp chất ức chế có trong môi