Trên thế giới, công nghệ sản xuất ethanol sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công ở nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. Tuy nhiên, nguyên liệu phục vụ cho công nghệ sản xuất ethanol sinh học chủ yếu từ các cây lương thực, rơm rạ[2][18][24], còn từ nguồn rong biển chưa được nghiên cứu và ứng dụng nhiềụ Đối với Việt Nam vấn đề này vẫn còn rất mới mẻ và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học.
Những nguyên liệu có thể dùng để sản xuất ethanol là đường, tinh bột và nguyên liệu chứa cellulose ( Bailey and Ollis, 1986). Đường có thể biến đổi trực tiếp thành ethanol nhưng tinh bột phải được thủy phân thành đường dưới tác dụng của enzyme rồi mới lên men thành ethanol, còn cellulose cũng phải biến đổi thành đường trước khi lên men bằng acid vô cơ (Bashir and Lee, 1994). Sở dĩ có thể dùng rong biển để sản xuất ethanol vì nhiều loài rong biển có chứa hàm lượng cacbohydrat cao, có thể dùng để chuyển hóa lên men rượụ Đã có nhiều tài liệu nước ngoài công bố về vấn đề này như rong nâu Laminaria ở vùng biển Ireland
được đất nước này khai thác để sản xuất ethanol sinh học có chứa 6% cellulose, 23% alginates, 12% mannitol, fucoidan 5%, laminaran 14%, proteins 2%, lipid 2%, không thấy hàm lượng tinh bột, hemicellulose và lignin. Khác với rong nâu, rong lục có hàm lượng ẩm cao hơn rất nhiều, chiếm đến 85%, hàm khoáng 24%, protein 19%, lipid 2%, cellulose 18%, ulvan 20%, tinh bột 2%, hợp chất sunfat 8% và chất màu nhỏ hơn 1%.[15][20]
Alginate là một polysaccharide trong rong nâu không thể lên men nhờ những vi sinh vật truyền thống, mà muốn lên men được phải qua xử lý ở nhiệt độ cao trước khi lên men hoặc dùng những vi sinh vật lên men thích ứng. Ở NaUy, Horn và cộng sự năm 2004 đã tìm ra chủng nấm men P.angophorae để lên men rong nâu nhưng hiệu suất lên men không cao, còn các nhà nghiên cứu của trường đại học quốc gia Ireland (NUIG) đã tách được một enzyme từ nấm kỵ khí Talaromyces emersonii được xem là cắt đứt rất tốt các hợp chất đường phức tạp để tạo ra đường đơn giản.[20]
Năm 2007, nhóm tác giả Aizawa, M; Asaoka, K; Atsumi, M; Sakou, T của trường Đại học Tokai Nhật Bản đã công bố kết quả nghiên cứu về sản xuất ethanol sinh học của Nhật Bản do Tokyo Fisheries Promotion Foundation đầu tư trên tạp chí Oceans 2007. Dự án sản xuất ethanol từ rong biển Sargassum horneri là một loại rong nâu, có hàm lượng cacbohydrate 5.8%, kết quả thu được 29.6 kg ethanol hoặc 38.0 lít ethanol trên 1 tấn rong tươi có độ ẩm 90%.[14]
Năm 2009, nhóm tác giả DuBok Choi, Heung Sun Sim, Yu Lan Piao, Wu Ying và Hoon Cho của hai trường Đại học Cho-dang và Chusun Hàn Quốc đã công bố kết quả nghiên cứu về sản xuất đường từ nguyên liệu rong biển thô trên tờ báo Industrial and Engineering Chemistrỵ Kết quả công bố, rong biển thô được cắt nhỏ 5cm, sau đó bổ sung HCl, acid Ascorbic và NaOH từ 0.25 ÷ 2%, hỗn hợp được gia nhiệt ở 1210C; 0.98 bar, trong thời gian 1-3h, tác giả so sánh hiệu quả thủy phân giữa các mẫu bằng cách so sánh độ nhớt giữa các hỗn hợp sau khi kết thúc thủy phân, trường hợp rong biển thủy phân trong acid Ascorbic cho thấy độ nhớt giảm một cách nhanh chóng, tiếp đến là mẫu xử lý HCl và cuối cùng là mẫu xử lý NaOH.
Nhóm tác giả trên cũng công bố cho biết khi rong biển thủy phân bằng hỗn hợp enzyme Liquozyme, Dextrozyme, Viscozyme và Rapidase trong điều kiện nhiệt độ 300C, thời gian 360 phút thì hàm lượng đường sinh ra nhiều hơn so với dùng acid Ascorbic.[19]
Năm 2010 nhóm tác giả Churl Kim, Hyun Jin Ryu, Sang Hyoun Kim, Jeong – Jun Yoon, Hoon Sik Kim và Yong Jin Kim của trường đại học Kyung Hee đã công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Bull. Korean Chem.Soc về sử dụng chất lỏng ion để chuyển hóa agar thành hỗn hợp đường. Phản ứng đường hóa agar được tiến hành như sau: Một hỗn hợp 10g agar được trích ly từ Gelidium amansii cho vào hỗn hợp nước chứa chất lỏng ion có tính chất acid ([Chol][HSO4]). Phản ứng thủy phân được thực hiện ở 1210C trong 15 phút, sau đó điều chỉnh hỗn hợp pH về 5.5 bằng cách bổ sung CaCO3 và chất lỏng ion được tách ra bằng cách ly tâm.[17]
Năm 2011, nhóm tác giả Kazunori Nakashima và cộng sự của trường Đại học Kobe Nhật Bản đã công bố kết quả nghiên cứu về sản xuất bioethanol từ cellulose bằng cách kết hợp giữa nấm men có chứa enzyme cellulase với tiền xử lý chất lỏng ion (ionic liquid) trên trang Green Chemistrỵ Kết quả công bố, khi cellulose được tiền xử lý với các chất lỏng ion như [Emim][Cl]; [Emim][OAc]; [Emim][DEP] ở điều kiện 800C, thời gian 30 phút; sau đó hỗn hợp được trung hòa bằng dung dịch đệm acetat, điều chỉnh pH về 5.0, hỗn hợp tiếp tục bổ sung 5ml hỗn hợp nấm men endoglucanase (EG), cellobiohydrolase (CBH), và β-glucosidase (BGL), đồng thời bổ sung nấm men 5ml S.cerevisiae tiến hành lên men ở nhiệt độ 300C, thời gian 96h thì hiệu suất thu ethanol lên đến 90% và có thể tái sử dụng các chất lỏng ion đến 82%.[21]
Hình 1.4. Lên men ethanol trực tiếp bằng nấm men từ cellulose được tiền xử lý chất lỏng ion.
NaUy đã nghiên cứu sản xuất ethanol từ hai loài rong nâu là Laminaria hyperborea và Ascophyllum nodosum thành công, họ đã chiết laminaran và mannitol từ rong nâu Laminaria hyperborea để sản xuất ethanol (Horn, et al., 2000)[28][30]. Hàm lượng mannitol và laminaran trong rong nâu khô khoảng 25 ÷ 30% (Jensen and Haug, 1956). Quá trình lên men ethanol từ mannitol nhờ vi khuẩn
Zymobacter palmae, còn vi khuẩn Pichia angophorae có thể tham gia sản xuất ethanol cả hai nguồn mannitol và laminaran. Những vi sinh vật phổ biến được sử dụng để lên men ethanol là Saccharomyces cerevisiae và vi khuẩn Zymomonas mobilis (Dumsday et al, 1997).[20]
Năm 2011 nhóm tác giả Krish Purnawan Candra, Sarwono, Sarinah của trường Đại học Mulawarman Indonesia đã công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Journal of Coastal Development về sản xuất ethanol sinh học từ rong đỏ Eucheuma cottonii trên vùng biển Baotang của Indonesia theo quy trình sau: Rong sau khi thu hoạch được phơi khô và bảo quản trong các túi nilon, đưa về phòng thí nghiệm được bảo quản ở nhiệt độ phòng, 100 g rong khô cho vào 300 ml nước, sau đó đun
sôi ở nhiệt độ 800C trong 2 giờ cho đến khi gel được hình thành, sau đó làm nguội xuống nhiệt độ phòng. 25 ml H2SO4 5% rót vào một lọ thủy tinh chứa 100g gel rong biển đem đun sôi ở 1000C trong 2 giờ, sau đó dung dịch được điều chỉnh về pH = 5 bằng cách nhỏ 0.1M NaOH, hàm lượng đường xác định là 15.8mg/ml dịch thủy phân bằng phương pháp Nelson Somogyị Hỗn hợp được lên men từ 5-6 ngày ở nhiệt độ phòng từ 28-300C bằng nấm men Saccharomyces cereviceae thì thu được sản lượng cồn tối đa là 4.6%.[22]
Năm 2011 nhóm tác giả Leilei Ge, Peng Wang, Haijin Mou của trường College of Food Science and Engineering và Ocean University của Trung Quốc đã công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Renewable Energy về nghiên cứu công nghệ đường hóa bã rong để chuyển hóa ethanol. Nguyên liệu dùng nghiên cứu là phần bã thừa của quá trình sản xuất alginate được xay nhỏ và sấy khô ở 400C, sau đó bảo quản ở nhiệt độ phòng. Bã rong được tiền xử lý bằng acid sulfuric loãng lần lượt là 0.1; 0.2; 0.5 và 1% trong thời gian 0.5; 1.0 và 1.5 giờ tại nhiệt độ 1210C. Sau đó, phần bã không tan được lọc tách ra và rửa với nước nóng. Hỗn hợp được điều chỉnh về pH = 4.8 bằng dung dịch đệm acetat, tiếp tục bổ sung enzyme cellulase và cellobiase để thủy phân cellulose, hemicellulose và lignin không tan ở nhiệt độ 500C trong 48h. Sau đó hỗn hợp được lên men bằng Saccharomyces cerevisiae ở nhiệt độ 300C trong 36h, lượng ethanol thu được là 41.2%, tương ứng với hiệu suất là 80.8%.[23]
Năm 2011 nhóm tác giả Mitsunori Yanagisawa, Kanami Nakamura, Osamu Ariga, Kiyohiko Nakasaki của Viện công nghệ Tokyo và trường đại học công nghệ Kochi Nhật Bản đã công bố kết quả nghiên cứu các loài rong có chứa polysaccharides có thể thủy phân một cách dễ dàng dùng để sản xuất rượu sinh học trên tạp chí Process Biochemistrỵ Nhóm tác giả đã nghiên cứu trên 3 đối tượng rong: rong lục Ulva pertusa Kjellman, rong nâu Alaria crasssifolia và rong đỏ
Gelidium elegans Kuetzing, đối với rong lục và rong nâu sau khi thu hoạch về được phơi nắng trong 5h để dùng làm thí nghiệm, còn rong đỏ được sấy ở 600C trong 2 ngàỵ Tất cả các loại rong đều xay nhỏ đến 0.5 mm. Tổng hàm lượng cacbohydrat
trong 3 loại rong này được xác định bằng tổng của NFE (nitrogen –free extrac) và phần sợi thô được xác định bằng phương pháp chuẩn dùng phân tích thực phẩm lần lượt là 68.8; 61.0 và 83.2%, hàm lượng glucan trong các loại rong này lần lượt là 22.0; 24.5 và 21.8% trọng lượng rong khô tuyệt đốị Hàm lượng galactan chỉ có trong rong đỏ với hàm lượng 26.5% trọng lượng rong khô tuyệt đốị Đây là những polysaccharide chứa các đường có thể lên men một cách dễ dàng.[26]
Như vậy, kết quả nghiên cứu của nhiều nhóm tác giả đã công bố cho thấy, sản xuất ethanol sinh học từ rong biển có thể sử dụng nhiều phương pháp tiền xử lý rong để tạo dung dịch đường như tiền xử lý bằng acid H2SO4[23][29], HCl[19], acid ascorbic[19], xút (NaOH)[19], enzyme[15][19][20] hoặc kết hợp giữa các phương pháp với nhau[23]. Còn sử dụng bằng chất lỏng ion kết hợp với phương pháp dùng enzyme hoặc acid hiệu quả đối với nguyên liệu chứa nhiều cellulose như phụ phẩm nông nghiệp[17][21][27]. Hàm lượng cellulose trong rong biển không cao [4][15][20]trong khi chất lỏng ion lại đắt nên việc sử dụng chất lỏng ion để tiền xử lý rong biển không hiệu quả, chỉ hiệu quả đối với các phế liệu nông nghiệp như rơm, rạ, mùn cưa,...[27]