1.1.7 Các phương pháp sản xuất bioethanol
1.1.7.2. Sản xuất bioethanol từ nguyên liệu lignocelluloses
Về nguyên tắc, quá trình lên men ethanol từ các nguồn nguyên liệu chứa cellulose cũng giống như từ tinh bột hay rỉ đường. Bao gồm bốn bước cơ bản:
• Tiền xử lý nguyên liệu: giúp cho quá trình thủy phân cellulose thành đường có hiệu quả hơn.
• Thủy phân nguyên liệu: sử dụng hệ enzyme thủy phân cellulase- pectinase
• Lên men: sử dụng Saccharomyces cerevisiae.
21
• Tinh chế sản phẩm (chưng cất, tách nước, bốc hơi, tách lỏng rắn) tùy vào nồng độ cồn mà có phương pháp tinh chế khác nhau.
1.1.7.3. Quá trình tiền xử lí và các phương pháp tiền xử lý
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 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.
Cellulose và hemicellulose được bảo vệ bởi lớp lignin dày đặc chống lại thủy phân của enzym.Vì vậy, cần thiết phải có một bước tiền xử lý để phá vỡ lignin để lộ cellulose và hemicellulose cho quá trình thủy phân của enzyme được dễ dàng. Tiền xử lý nhằm mục đích giảm kết tinh của cellulose, tăng diện tích bề mặt sinh khối, loại bỏ hemicellulose, và phá vỡ lignin. Tiền xử lý làm cho cellulose dễ tiếp cận hơn với các enzyme để chuyển đổi polyme carbohydrate thành đường lên men có thể đạt được nhanh hơn và với sản lượng lớn hơn. Tiền xử lý bao gồm các phương pháp hóa học, vật lý, nhiệt và sự kết hợp giữa chúng. Tiền xử lý đã được xem là một trong những bước quan trọng xử lý các bước trong việc chuyển đổi đường cellulose để lên men.
Tiền xử lý vật lý
Tiền xử lý vật lý sẽ làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và kích thước của lỗ chân long, giảm tinh thể và mức độ trùng hợp của cellulose. Thường được sử dụng vật lý trị liệu để làm suy giảm dư lượng lignocellulosic bao gồm hấp, mài và xay xát, chiếu xạ, nhiệt độ và áp suất.
- Nghiền và xay:
Thông thường nghiền và xay là những bước đầu tiên của tiền xử lý của bất kỳ sinh khối nào làm giảm kích thước hạt, mặc dù sự kết hợp của phương pháp mài với phương pháp tiền xử lý khác đã được thử. Ở một mức độ nào đó nó làm giảm sự kết tinh của sinh khối. Để nghiền rơm rạ ướt dùng đĩa phay tốt hơn so với bóng phay cả về
22
thu hồi glucose cũng như tiết kiệm năng lượng (Hideno et al, 2009). Phát triển trong lĩnh vực này cung cấp một số thiết bị tiền xử lý cho phép đường hóa enzyme, ví dụ như bóng phay, phay lăn, phay đĩa ướt, và chúng đã được sử dụng dựa trên sinh khối nguyên liệu.
- Xử lý vi sóng:
Chiếu xạ vi sóng đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực vì hiệu quả sưởi ấm cao và hoạt động dễ dàng. Chiếu xạ vi sóng có thể thay đổi cấu trúc siêu cellulose (Xiong et al, 2000) làm suy giảm lignin và hemicelluloses trong vật liệu lignocellulose, và làm tăng tính nhạy cảm enzyme trong vật liệu lignocellulose (Azuma et al, 1984). Chế phẩm enzim dùng thủy phân rơm rạ có thể được tăng cường bởi tiền xử lý lò vi sóng khi có mặt của nước (Azuma et al, 1984;. Ooshima et al, 1984) hoặc trong môi trường glycerine với số lượng ít hơn nước (Kitchaiya et al, 2003.).
Tiền xử lý hóa học
Enzyme có thể không có hiệu quả chuyển đổi lignocelluloses các loại đường lên men mà không có tiền xử lý hóa học. Các hóa chất quan trọng nhất cho tiền xử lý rơm rạ bao gồm kiềm và ammoniac.
- Tiền xử lý kiềm:
Tiền xử lý kiềm liên quan đến việc ứng dụng các giải pháp kiềm như NaOH hoặc KOH để loại bỏ lignin và một phần của hemicelluloses, và hiệu quả làm tăng khả năng tiếp cận các men tiêu hóa cellulose. Tiền xử lý kiềm có thể gây ra một sự gia tăng mạnh về sản lượng đường hóa. Tiền xử lý có thể được thực hiện ở nhiệt độ thấp, nhưng với một thời gian tương đối dài và nồng độ cao của các bước cơ sở. So với axit hoặc các chất phản ứng oxy hóa, xử lý bằng kiềm dường như là phương pháp hiệu quả nhất trong việc phá vỡ liên kết este giữa lignin, hemicellulose và cellulose, và tránh sự phân mảnh của hemicellulose polyme (Gaspar et al, 2007) do đó tạo điều kiện thuận lợi cho thủy phân enzym.
- Tiền xử lý Ammoniac:
23
Là một tiền xử lý thuốc thử ammonia có số lượng đặc tính mong muốn.Nó là một thuốc thử hiệu quả đối với nguyên liệu lignocellulose. Nó có tính chọn lọc cao cho các phản ứng với lignin hơn so với carbohydrate. Biến động cao của nó làm cho nó dễ dàng để phục hồi và tái sử dụng. Đây là một hóa chất không gây ô nhiễm môi trường và không ăn mòn. Một trong các phản ứng được biết đến dung dịch nước amoniac với lignin là phân cắt liên kết của C-O- lignin cũng như liên kết ether và ester trong lignin carbohydrate phức tạp (Kim và Lee, 2007).
Một dòng chảy thông qua quá trình gọi là Amoniac Recycle thấm (ARP) được phát triển để xử lý trước. Trong quá trình này, ammonia được bơm qua một lớp sinh khối duy trì ở 1700C. Bởi quá trình này có thể đạt được lên đến gần như 85% năng suất lý thuyết của glucose trong quá trình thủy phân enzyme (Drapcho et al, 2008).
- Tiền xử lý Acid:
Tiền xử lí với tác nhân oxy hóa liên quan đến việc bổ sung thêm một hợp chất oxy hóa. Tiền xử lý này loại bỏ hemicellulose và lignin tăng khả năng tiếp cận của cellulose. Trong quá trình tiền xử lý oxy hóa nhiều phản ứng có thể xảy ra, như thay thế electrophilic, chuyển của chuỗi bên, sự phân tách của ether aryl alkyl liên kết hoặc chia tách oxy hóa của hạt nhân thơm (Hon và Shiraishi, 2001). Báo cáo có sử dụng mỗi axit axetic cho các tiền xử lý rơm (Taniguchi et al, 1982; Toyama và Ogawa, 1975). Biến đổi về lượng trong thành phần của xử lý rơm, tinh thể của rơm xử lý và cellulose chiết xuất, và sự nhạy cảm của rơm khi xử lý bằng acid acetic cho kết quả mỗi phương pháp xử lý bằng acid acetic gây ra sự cố ít hoặc không có tinh thể cấu trúc của cellulose . Mức độ enzyme hòa tan tương đối còn lại là 42% sau khi xử lý với axit axetic 20%.
- Tiền xử lý bằng dung môi hữu cơ:
Tiền xử lý bằng dung môi hữu cơ tăng cường khả năng tiêu hoá enzyme chủ yếu là để loại bỏ lignin và hemicellulose thu được phần còn lại giàu cellulose, có thể được thủy phân bằng enzym ở mức cao và gần như đạt sản lượng glucose theo lý thuyết. Hemicellulose và lignin có thể được thu hồi đồng thời để sản xuất sản phẩm có giá trị cao. Sự thay đổi của tinh thể cellulose trong dung môi hữu cơ tiền xử lý rõ ràng
24
không được nêu ra, nhưng nó có được nhắc đến rằng cellulose trong dung môi hữu cơ phụ thuộc nhiều vào các loại dung môi hữu cơ, nồng độ dung môi và nhiệt độ (Mantanis et al, 1994, 1995). Lần đầu tiên nó được dùng trong làm giấy, nhưng gần đây nó cũng đã được xem xét tiền xử lý lignocellulose nguyên liệu cho sản xuất ethanol. Có một số nhược điểm cố hữu để tiền xử lý bằng dung môi hữu cơ. Hiện nay tiền xử lý bằng dung môi hữu cơ là đắt tiền hơn so với các quá trình tiền xử lý khác nhưng ứng dụng tách và tái chế dung môi có thể làm giảm chi phí hoạt động của quá trình. Nó cũng đòi hỏi các điều kiện nghiêm ngặt kiểm soát do sự biến động của dung môi hữu cơ. Loại bỏ dung môi từ xử lý trước cellulose thường là cần thiết vì các dung môi có thể ức chế enzyme thủy phân và lên men hoặc tiêu hóa thủy phân (Xuebing et al., 2009). Dung môi hữu cơ thường được sử dụng cho tiền xử lý là dung môi có điểm sôi thấp như ethanol, methanol và cồn với điểm sôi cao như ethylene glycol, glycerol, tetrahydrofurfuryl rượu và các hợp chất chất hữu cơ như dimethylsulfoxide, ete, xeton, và phenol (Thring et al, 1990.).
Tiền xử lý sinh học
Tiền xử lý sinh học cung cấp một số khái niệm quan trọng lợi thế như hóa chất thấp và sử dụng năng lượng, nhưng không tìm thấy được hệ thống điều khiển đầy đủ và nhanh chóng. Hóa chất tiền xử lý có những nhược điểm nghiêm trọng trong yêu cầu sử dụng cho các thiết bị chuyên ngành chống ăn mòn, mở rộng giặt, và xử lý thích hợp chất thải hóa học. Tiền xử lý sinh học là một phương pháp an toàn và thân thiện với môi trường do lignin loại bỏ từ lignocellulose. Các vi sinh vật đầy hứa hẹn nhất trong tiền xử lý sinh học là nấm trắng thối thuộc về lớp Basidiomycetes (Taniguchi et al, 2005). . Patel et al. (2007) đã làm một nghiên cứu sơ bộ về tiền xử lý vi sinh vật và lên men các chất thải nông nghiệp như rơm. Một sự kết hợp của năm loại nấm khác nhau:
Aspergillus niger, Asp.awamori, Trichoderma reesei, Phenerochaete chrysosporium, Pleurotus sajor-caju, thu được từ sàng lọc được sử dụng cho tiền xử lý và Saccharomyces cereviseae (NCIM 3095) đã được sử dụng để thực hiện quá trình lên men. Tiền xử lý với A. niger và A. Asp.awamori và lên men sau đó mang lại sản lượng ethanol cao nhất (2,2 g L-1).
25
1.1.7.4. 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 yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến năng suất của lignocellulose, đường monomeric và những sản phẩm khác, ví dụ như kích thước hạt, nồng độ acid, nhiệt độ và thời gian phản ứng, cũng như độ dài của các đại phân tử, mức độ trùng hợp của cellulose, cấu hình của chuỗi cellulose, sự kết hợp của cellulose với các cấu trúc khác bảo vệ polyme trong thành tế bào thực vật như lignin, pectin, hemicellulose, protein, và các yếu tố khoáng chất. Hiệu suất thuỷ phân của nhiên liệu sinh học lignocellulosic gia tăng khi có sự kết hợp của các enzyme như cellulase, xylanases và pectinaza nhiều hơn là chỉ dùng cellulase (Zhong et al, 2009) nhưng chi phí của quá trình tăng mạnh mặc dù có những quan điểm sinh học rất hấp dẫn.
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.
26
1.1.7.5. 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. 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.
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 trường trước khi tiến hành lên men, mà điều đó sẽ làm tăng chi phí của quá trình công nghệ cũng
27
đồng thời làm mất mát lượng đường cần thiết cho quá trình lên men. Điều thú vị, S.
cerevisiae là một trong những vi sinh vật ít nhạy cảm với các chất ức chế của quá trình thủy phân lignocellulose.
Hai bước cuối để biến đổi sinh khối lignocellulose thành ethanol (thủy phân và lên men) có thể được thực hiện một cách độc lập (SHF) hoặc đồng thời (SSF).
Trong phương pháp thủy phân và lên men độc lập (SHF), các sản phẩm thủy phân sẽ được lên men để sản xuất ethanol trong một quá trình riêng. Ưu điểm của phương pháp này là cả hai quá trình có thể được tối ưu hóa riêng, không phụ thuộc vào nhau (ví dụ như nhiệt độ tối ưu của quá trình thủy phân là 45-50 oC, trong khi đó quá trình lên men là 30 oC). Tuy nhiên, nhược điểm chính của nó là sự tích tụ các chất ức chế cản trở hoạt động của enzyme thủy phân cellulose và glucose. Điều này làm cho quá trình biến đổi kém hiệu quả, và gây tốn kém (phải bổ sung thêm một lượng lớn enzyme). Trong phương pháp thủy phân và lên men đồng thời (SSF), thì các sản phẩm cuối của quá trình thủy phân sẽ được trực tiếp chuyển đổi thành ethanol ngay nhờ vi sinh vật. Do đó, việc bổ sung một lượng lớn enzyme là không cần thiết và điều này sẽ làm giảm chi phí sản xuất ethanol. Nhưng, nhược điểm của SSF là cần phải chọn được điều kiện nhiệt độ và pH gần với điều kiện tối ưu của mỗi quá trình riêng.
SSF là được ưa chuộng hơn vì chi phí thấp (Wyman, 1994) và năng suất ethanol cao hơn so với SHF bằng cách giảm thiểu sự ức chế sản phẩm. Một trong những hạn chế của quá trình này là sự khác biệt về nhiệt độ tối ưu của các enzym thủy phân và vi sinh vật lên men. Hầu hết các kết quả báo cáo rằng nhiệt độ tối ưu cho thủy phân enzym ở 40-50 0C, nhưng các vi sinh vật có năng suất và sản lượng ethanol tốt thường không chịu đựng được nhiệt độ cao này. Vấn đề này có thể tránh được bằng cách áp dụng các vi sinh vật chịu nhiệt như Saccharomyces cerevisiae (Golias et al, 2002;. Spindler et al, 1988).
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men:
a) Nhiệt độ.
Mỗi vi sinh vật đều có nhiệt độ để phát triển tối ưu. Đối với nấm men, nhiệt độ tối ưu ở khoảng 28-32oC, ở nhiệt độ cao hơn, hoạt tính của chúng giảm nhanh. Mặt