Quá trình thủy phân và lên men đồng thời (cịn gọi là quá trình đường hĩa và lên men đồng thời) tiến hành cả thủy phân và lên men trong cùng một bước. So với quá trình thơng thường (thủy phân rồi mới lên men), quá trình thủy phân và lên men đồng thời cĩ nhiều ưu điểm:
• Glucose tạo thành trong quá trình thủy phân được tiêu thụ ngay lập tức bởi nấm men vì vậy, lượng cellobiose và glucose tích tụ trong hệ thống là rất ít. Điều này sẽ giải quyết vấn đề ức chế enzyme nhờ đĩ tốc độ tạo glucose sẽ được tăng đáng kể, lượng enzyme cần dùng cũng nhỏđi.
• Số thiết bị cần cho quá trình thủy phân và lên men đồng thời cũng ít hơn số cần cho phương pháp truyền thống vì cả quá trình thủy phân và lên men được tiến hành trong cùng một thiết bị. Điều này giúp giảm vốn đầu tư.
Bảng 2-2 Các thơng số vận hành và kết quả quá trình thủy phân và lên men
đồng thời được thực hiện trên nhiều nước[9]
Nồng độ glucose Nồng độ cellulase Ethanol Thời gian lưu Biomass g/l IFTU/g cellulose Hiệu suất % g/l Ngày Bột cellulose 100 - 62 35 3 Bột sulfate 100 - 48 27 3 Rác thải nhà máy bột giấy 70 - 56 22 1 Rơm lúa mì 51 28 49 14 1 Bã mía 50 28 53 15 1 Rơm lúa mì 75 7 66 28 4-7 Rơm lúa mì 75 13 73 31 4-7 Rơm lúa mì 75 26 75 32 4-7
Nhiệt độ tối ưu cho quá trình là 37-38oC, nhiệt độ này là sự kết hợp của nhiệt độ tốt nhất cho quá trình thủy phân (45-50oC) và nhiệt độ tốt nhất cho hoạt động của nấm men (30oC).
Khi % bã rắn (cellulose) tăng, lượng ethanol tạo thành sẽ giảm. Mặc dù nồng độ đường luơn duy trì ở một mức thấp trong suốt quá trình, hiệu suất giảm là do khả năng khuếch tán của enzyme bị giảm và ethanol sẽ gây ức chế lên cả enzyme và nấm men. Trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời, enzyme cellulase (endo và exoglucan) và β-glucosidase bị ức chế bởi cellobiose, glucose và ethanol. Bảng sau thể hiện mức độ ức chế của các chất trên với từng enzyme cụ thể.
Bảng 2-3 Ảnh hưởng của ethanol, glucose và cellobiose lên enzyme cellulase và
β-glucosidase
Mức độức chế Enzyme
Cellobiose Glucose Ethanol Cellulase K1B=5.85 g/l K1G=53.16 g/l K1E=50.35 g/l
(ức chế mạnh ) (ức chế yếu) (ức chế trung bình) β-glucosidase Km=10.56 g/l
(cơ chất)
K2G=0.62g/l
(ức chế rất mạnh) Khơng ức chế Cellobiose là sản phẩm trực tiếp của enzyme cellulase và cĩ ức chế mạnh đối vối enzyme này. Hoạt tính của enzyme cellulase sẽ bị giảm 60% khi nồng độ cellobiose đạt mức 6g/l. Khi nồng độ glucose đạt 20g/l, hoạt tính của cellulase sẽ giảm khoảng 20%. Ngược lại, glucose lại cĩ ức chế rất mạnh đối với β-glucosidase: khi glucose đạt nồng độ khoảng 3g/l, giá trị này nằm trong khoảng nồng độ glucose tạo thành trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời, 75% hoạt tính của enzyme này bị mất. Ngược lại, ethanol khơng ức chếđáng kểβ-glucosidase.
Cellulase và β-glucosidase thể hiện những tính chất động học khác nhau. Điều này là do hai enzyme này thực hiện hai cơ chế khác nhau: cellulase xúc tác cho phản ứng dị thể dựa trên sự tác động hiệp đồng của một nhĩm các enzyme, trong khi đĩ β-glucosidase xúc tác cho phản ứng đồng thể.
Keikhosro Karimi et al [13] nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời cho rơm rạ được tiền xử lý bằng acid lỗng, sử dụng chủng nấm men saccharomyces cerevisiae; mucor indicus và rhizopus.
Kết quả của nghiên cứu này đối với chủng saccaromyces cerevisiae được trình bày trong bảng sau.
Bảng 2-4 Kết quả quá trình thủy phân và lên men đồng thời tiến hành với rơm
đã qua tiền xử lý bằng acid lỗng, quá trình được tiến hành trong điều kiện kỵ khí.
Chủng nấm men Enzym FPU/g Cơ chất Ethano- l (g/l) Hiệu suất (%) Glycer- -ol (mg/g) Succini -c acid (mg/g) Pyvuri- c acid (mg/l) Acetic acid (mg/g) S. cerevisiae 15 Avicel 12,64 ± 0,46 44,62± 1,62 62,6 0,3 1,1 1,2 S. 30 Avicel 15,20±0 53,65± 79,4 0,8 1,5 1,9
Ghi chú : avicel là loại cellulose tinh khiết. Các sản phẩm phụ được tính theo mg sản phẩm phụ/g cellulose cĩ trong nguyên liệu.
Đối với nấm men saccharomyces cerevisiae, glycerol là sản phẩm phụ lớn nhất, ngồi ra cịn cĩ các sản phẩm phụ như acid acetic, pyvuric, succinic với nồng độ nhỏ hơn, cĩ thể xem là khơng đáng kể. Glycerol tạo thành tăng theo nhiệt độ của quá trình và sẽ cĩ ảnh hưởng đến nồng độ ethanol trong dung dịch. Nồng độ ethanol và hiệu suất quá trình là khơng cao.
Nghiên cứu này cịn cho thấy tốc độ tạo thành ethanol đạt lớn nhất trong khoảng 24 giờ đầu của quá trình thủy phân và lên men đồng thời sử dụng nấm men saccaromyces cerevisiae. Thí nghiệm được thực hiện trong 1 tuần, tuy nhiên nồng độ ethanol hầu như khơng đổi trong 4 ngày cuối và đơi khi cịn giảm nhẹ. Cĩ thể kết luận rằng, quá trình sản xuất ethanol cĩ thể kết thúc trong vịng 1 đến 2 ngày, tuy nhiên,cần thêm 2 ngày nữa để cĩ thể tạo thành lượng ethanol tối đa.
2.2.5.2 Các hạn chế trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời
Theo nghiên cứu được trình bày trong sách Sổ tay quy trình sản xuất bioethanol [9], người ta tiến hành thí nghiệm với nguyên liệu là gỗ Populus eugenii được qua quá trình tiền xử lý acid. Thành phần ban đầu gồm 60g/l bã rắn, cellulase : 25 IFPU/g cellulose, nấm mem saccharomicyes cerevisiae, nhiệt độ 38oC, pH 5,0; thu số liệu theo thời gian và tiến hành phân tích số liệu.
Hình 2-30 Nồng độ glucose (ơ vuơng khơng màu) và celllobiose (ơ vuơng màu đen) theo thời gian của quá trình thủy phân và lên men đồng thời.
Như mơ tả trong hình, glucose sẽ tích tụ trong 6-12 giờ đầu tiên của quá trình, vì nấm men khơng thể tiêu thụ glucose với tốc độ mà enzyme thủy phân ra sản phẩm này trong giai đoạn đầu của quá trình. Việc glucose tích tụ lại gây ảnh hưởng lên hoạt tính của enzyme β-glucosidase, tiếp theo sẽ tạo sự tích tụ cellobiose. Khi sinh khối của nấm men tăng lên, tỉ lệ glucose được tiêu thụ tăng lên và nồng độ glucose trong thiết bị phản ứng giảm xuống. Kết quả là β-glucosidase khơng cịn bị ức chế, enzyme này sẽ tiến hành thủy phân cellobiose, thiết lập cân bằng hĩa học giữa tốc độ đường (bao gồm cellobiose và glucose) tạo thành và mất đi.
Hình 2-31 Nồng độ ethanol theo thời gian trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời.
Sau 40-60h, tốc độ tạo ethanol giảm đáng kể và sau 80h dường như khơng đổi mặc dù lúc đĩ chỉ cĩ 65% cellulose là đã bị thủy phân. Hiện tượng này được quan sát thấy trong nhiều nghiên cứu, tuy nhiên đến nay vẫn chưa cĩ một giải thích hợp lý được đưa ra. Cĩ giải thích cho rằng do tính chất chống thủy phân của cellulose tăng lên, sự giảm tác động hiệp đồng của các thành phần enzyme cellulase, khả năng chuyển động của enzyme và kích thước của xơ sợi đều bị giảm trong suốt quá trình thủy phân.
Để làm tăng hiệu suất cho quá trình, người ta làm thí nghiệm đưa thêm các thành phần mới vào quá trình lúc 80h. Các thí nghiệm được tiến hành với việc thêm các thành phần riêng biệt: (1) 20g/l bã rắn vừa qua tiền xử lý; (2) cellulase 10FIPU cho mỗi gram bã cellulose cịn lại trong dung dịch; (3) 1g/l nấm men tính dựa trên khối lượng khơ, (4) thêm
Bảng 2-5 Ảnh hưởng của việc thêm các thành phần mới vào dịch thủy phân và lên men đồng thời lúc 80 giờ
Các thành phần thêm vào Nồng độ
ethanol
(g/l) Điều chỉnh C(20g/l) ơ chất Enzyme 10 IFPU/g Nấm men 1g/l Mơi trdinh dườưỡng ng
Trước khi
thêm vào 10.95 9.17 9.95 10.28 10.14
6h sau khi
thêm 10.95 10.64 10.00 10.93 10.26
% thay đổi 0.0 16.0 0.5 6.3 1.2
Kết quả cho thấy chỉ cĩ thêm nguồn nguyên liệu mới mới tạo sự thay đổi khác biệt nhất lên hiệu suất tồn quá trình 16%. Kết quả này cho thấy enzyme vẫn giữ được hoạt tính ngay cả sau 80 giờ trong quá trình SSF, vấn đề nằm ở chỗ lượng cellulose cịn lại trong dung dịch. Enzyme khơng thể tiếp cận các cellulose này làm cho enzyme khơng thể tiếp tục quá trình thủy phân. Trong quá trình này, khi mà khơng cĩ glucose được sinh ra, nấm men sẽ thiếu chất dinh dưỡng và cĩ thể chết. Khi cellulose mới được thêm vào ở 80h, nấm men ngay lập tức tiêu thụ glucose tạo thành và tạo ra ethanol, điều này cho thấy nấm men vẫn duy trì quá trình sinh tổng hợp của mình ngay cả khi lượng glucose trong dung dịch giảm.
Nghiên cứu này chỉ ra rằng sự chuyển hĩa cellulose thành glucose bao gồm hai giai đoạn chính (1) giai đoạn ban đầu (thời gian ngắn) sự lên men glucose là bước quyết định tốc độ phản ứng vì lượng nấm men trong giai đoạn ban đầu này ít; (2) giai đoạn tiếp theo dài hơn, trong giai đoạn này, quá trình thủy phân là quá trình quyết định tốc độ phản ứng, lúc này khả năng tiếp cận của enzyme với cơ chất trở nên quan trọng. Bằng cách cho nhiều nấm men ban đầu sẽ rút ngắn được giai đoạn một, tuy nhiên sẽ khĩ khăn hơn nếu muốn giải cải thiện giai đoạn sau, cụ thể là quá trình tiền xử lý phải tạo khả năng tiếp cận với cellulose tốt.