Để chuyển hóa các carbohydrate (cellulose và hemicellulose) trong lignocellulose thành ethanol, các polymer phải bị bẻ gãy thành những phân tử đường nhỏ hơn trước khi vi sinh vật có thể hoàn tất quá trình chuyển hóa. Tuy nhiên, bản chất của cellulose lại là rất bền vững trước sự tấn công của enzyme, nên bước tiền xử lý là bắt buộc để quá trình đường hóa glucose có thể diễn ra tốt. Cellulose ban đầu có thể bị phá hủy bởi acid mà không cần được tiền xử lý. Tuy nhiên, trong luận văn này chỉ đề cập đến việc thủy phân lignocellulose bằng enzyme.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
19
Hình 2.9Ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý đến quy trình biến đổi lignocellulose thành ethanol [16].
2.4.2.1 Mục đích quá trình tiền xử lý
Trong vật liệu lignocellulose thì những yếu tố về cấu trúc và thành phần có ảnh hưởng đến khả năng chống lại sự tấn công của enzyme lên vật liệu. Những yếu tố đó bao gồm:
Cấu trúc tinh thể của cellulose: cellulose tự nhiên hình thành cấu trúc tinh thể chống lại được sự tấn công của enzyme. Trong một bài báo của mình, Fan và cộng sự [7] ước tính rằng tỉ lệ cellulose tinh thể là 50-90%. Tuy nhiên, không có sự liên quan giữa mức độ tinh thể của cellulose và khả năng phân hủy enzyme đối với rơm rạ và bã mía.
Sự bao bọc của lignin quanh cellulose: lignin cùng với hemicellulose tạo thành cấu trúc mô vững chắc cực kì. Những mô được bền hóa với lignin tương tự như nhựa được gia cố bằng sợi, trong đó lignin đóng vai trò kết dính những sợi cellulose. Trong thiên nhiên, lignin bảo vệ cellulose khỏi những tác
động của môi trường và khí hậu. Lignin là yếu tố ngăn cản sự tấn công của enzyme đến cellulose được công nhận nhiều nhất. Theo [7] có nhà nghiên cứu cho rằng khả năng thủy phân của enzyme tăng khi 40-50% lignin bị tách. Tuy nhiên, phải thừa nhận rằng, không có nghiên cứu nào tiến hành loại bỏ lignin mà không kèm theo sự phân hủy hemicellulose. Ngay cả trong phương pháp tiền xử lý nguyên liệu bằng kiềm ở nhiệt độ thấp, loại bỏ được 70% lignin thì cũng có 5% hemicellulose bị hòa tan. Vì vậy, những thí nghiệm trên cũng không hoàn toàn cho thấy ảnh hưởng của việc loại bỏ lignin riêng lẻ. Bề mặt tiếp xúc tự do của cellulose: liên quan đến bề mặt tiếp xúc của
cellulose với enzyme, và thể tích xốp. Stone và cộng sự [7] giả thiết rằng tốc độ đầu của quá trình thủy phân là hàm của bề mặt tiếp xúc tự do. Grethlein và cộng sự [7] cho rằng thể tích lỗ xốp chứ không phải độ kết tinh của cellulose mới ảnh hưởng đến tốc độ đầu. Tuy nhiên, bề mặt tiếp xúc tự do này có liên quan đến độ kết tinh và sự bảo vệ của lignin.
Sự hiện diện của hemicellulose: cũng như lignin, hemicellulose tạo thành lớp bảo vệ xung quanh cellulose. Knappert và cộng sự [7], trong nghiên cứu xử lý bằng acid sulfuric với gỗ dương cho thấy khả năng thủy phân tăng theo tỉ lệ hemicellulose bị loại bỏ. Grohman, thí nghiệm tiền xử lý rơm lúa mì bằng acid, kết quả cho thấy việc loại bỏ hemicellulose sẽ gia tăng đáng kể khả năng thủy phân rơm rạ. Họ cho rằng, việc loại bỏ lignin là không cần thiết, tuy rằng nếu đạt được thì rất tốt. Trong khi đó, hemicellulose được chứng minh là ngăn cản quá trình tấn công của enzyme vào rơm rạ [7]. Tuy nhiên, trong những thí nghiệm này, lignin tuy không bị loại bỏ nhưng lại có thể bị đông hoặc chảy ra một phần, làm giảm khả năng bao bọc cellulose của nó. Vì thế những thí nghiệm trên chưa cho thấy được hiệu quả của việc loại bỏ riêng lẻ hemicellulose.
Mức độ acetyl hóa của hemicellulose: Đây là yếu tố ít được quan tâm, xylan - loại hemicellulose chính trong gỗ cứng và cây thân cỏ - bị acetyl hóa với tỉ lệ rất cao. Grohmann và cộng sự [7], nghiên cứu với rơm lúa mì và cây dương, cho thấy rằng khi xylan bị deacetyl hóa, tỉ lệ cellulose bị thủy phân tăng lên 2-3 lần. Ảnh hưởng này tồn tại đến khoảng 75% hemicellulose bị deacetyl hóa.
Nói tóm lại, thành phần hữu ích nhất của sinh khối lignocellulose đối với mục đích sinh học là cellulose. Trong sinh khối lignocellulose thì cellulose rất khó bị phân hủy vì phân tử của nó rất lớn, có độ kết tinh cao và nó liên kết chặt chẽ với lignin và hemicellulose. Vì vậy việc tiền xử lý là cần thiết với mục đích: tăng vùng
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
21
vô định hình của cellulose, tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass, phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose (Hình 2.5).
2.4.2.2 Phương pháp tiền xử lý
Các phương pháp tiền xử lý vật liệu lignocellulose : - Vật lý (xay, nghiền và nhiệt phân)
- Hóa lý (nổ hơi nước, amoniac, CO2)
- Hóa chất (kiềm, axit, ozon,H2O2 và dung môi hữu cơ) - Sinh học
- Điện trường
Có nhiều phương pháp tiền xử lý lignocellulose khác nhau, ưu và nhược điểm của chúng được tóm tắt trong bảng 2.3. Lựa chọn phương pháp tiền xử lý phù hợp phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của sinh khối lignocellulose và sản phẩm phụ sinh ra trong quá trình tiền xử lý. Ngoài ra yếu tố chi phí cũng ảnh hưởng rất lớn đến việc lựa chọn phương pháp phù hợp. Đã có một số báo cáo so sánh các phương pháp tiền xử lý sinh khối lignocellulose để sản xuất nhiên liệu sinh học [19,20,21]. Rosgaard và cộng sự [19] cho rằng, sau khi tiền xử lý rơm lúa mì và rơm lúa mạch bằng phương pháp acid và nổ hơi nước, đem chúng đi thủy phân bằng hệ enzyme cellulase ,thì hiệu quả thủy phân được nâng cao, có nghĩa là nồng độ đường thu được trong quá trình thủy phân rơm lúa mì và rơm lúa mạch có qua quá trình tiền xử lý thì cao hơn khi không qua quá trình tiền xử lý.
Silverstein và cộng sự [20] đã đánh giá hiệu quả của việc tiền xử lý bằng acid sunfuric, sodium hydroxide, và ozon cho quá trình chuyển hóa thân cây bông thành ethanol. Tiền xử lý bằng H2SO4, NaOH đậm đặc cho thấy lignin bị phân hủy một lượng đáng kể và tạo ra một lượng đường lớn, do đó quá trình thủy phân diễn ra được nhanh chóng bằng Celluclast 1.5 L và Novozym 188. Còn xử lý bằng ozon thì ít gây biến đổi lignin và hầu như không biến đổi hemicellulose, cellulose. Wyman và cộng sự [21] đã nghiên cứu các công nghệ tiền xử lý khác nhau cho cây bắp và rút ra được kết luận là các công nghệ khác nhau mang lại kết quả khác nhau, việc lựa chọn công nghệ tiền xử lý tùy thuộc vào thành phần của sinh khối muốn chuyển đổi.
Bảng 2.3Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp tiền xử lý [18].
PP Ưu điểm Nhược điểm
Chia nhỏ vật liệu (xay,
nghiền) Giảm kích thước vi sợicellulose, tăng bề mặt tiếp xúc Tiêu tốn nhiều năng lượng
Nổ hơi nước (tăng giảm
áp lực đột ngột) Loại bỏ hemicellulose, biến đổilignin; chi phí thấp Phân hủy và biến đổi cấutrúc các hydro carbon; tạo ra các hợp chất ức chế
Nổ amoniac (AFEX) Tăng độ xốp, không tạo ra hợp
chất ức chế Việc loại bỏ lignin vàhemicellulose bị giới hạn, không thích hợp cho vật liệu chứa nhiều lignin.
Nổ CO2 Tăng độ xốp, chi phí thấp,
không tạo ra hợp chất ức chế Hemicellulose và lignin ít bịbiến đổi
Ozon (O3) Giảm hàm lượng lignin, không
tạo ra chất ức chế Cần lượng lớn ozon, tốnnhiều chi phí
Acid thủy phân Thủy phân hemicellulose thành
Xylose, thay đổi cấu trúc lignin Chi phí cao; ăn mòn thiết bị;tạo ra các hợp chất ức chế
Kiềm thủy phân Loại bỏ lignin và hemicellulose;
tăng độ xốp Thời gian phản ứng dài;muối sinh ra sẽ liên kết chặt chẽ với vật liệu
Dung môi hữu cơ Lignin và hemicellulose được
thủy phân Khó loại bỏ và thu hồi dungmôi; chi phí cao
Nhiệt phân Tạo sản phẩm ở dạng khí và
dạng lỏng Nhiệt độ cao; tạo thành tro
Điện từ trường Thiết bi đơn giản; phá hủy được
tế bào thực vật Phương pháp đang trongquá trình nghiên cứu
Sinh học Loại bỏ lignin; tiêu tốn ít năng
lượng; thân thiện với môi trường Hiệu quả còn thấp
Các phương pháp tiền xử lý như vật lý, hóa lý, hóa chất hay điện trường cho kết quả tốt nhưng đòi hỏi dụng cụ mắc tiền hoặc trang thiết bị có yêu cầu năng
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
23
lượng cao vì thế sẽ tốn nhiều chi phí, nhiều năng lượng và có thể tạo thành các sản phẩm phụ làm ức chế quá trình thủy phân và quá trình lên men tiếp theo. Còn phương pháp sinh học, bằng việc sử dụng các loại nấm mốc, là phương pháp không gây hại và thân thiện với môi trường, đang ngày càng được ủng hộ. Quá trình tiền xử lý bằng phương pháp sinh học không đòi hỏi năng lượng cao để có thể loại bỏ lignin ra khỏi sinh khối lignocellulose, nhưng việc loại bỏ lignin lại cần thời gian dài [17].
Trong luận văn này quá trình tiền xử lý được thực hiện bằng phương pháp kiềm (NaOH).