4.3.3 Thu đường từ biomass bằng phương pháp thủy phân

• Phương pháp thủy phân là bẻ gãy các liên kết hydro trong hemicelluloses và celluloses tạo thành đường đơn: pentoses và hexoses. Những loại đường này có thể được lên men để tạo thành ethanol.

• Trước khi thủy phân, những nguyên liệu thô sẽ được tiền xử lí để có thể dễ dàng hơn cho các bước sau

4.3.3 Thu đường từ biomass bằng phương pháp thủy phân

• Sau khi tiền xử lí, nguyên liệu sẽ qua bước thủy phân để lên men tạo thành ethanol. Có 2 phương pháp chính: Thủy phân hóa học và thủy phân bằng enzym.

• Cả 2 phương pháp thủy phân đều yêu cầu tiền xử lí để tăng độ nhạy cho nguyên liệu. Ở phương pháp thủy phân hóa học, bước tiền xử lí và bước thủy phân có thể được thực hiện đơn bước. Có 2 phương pháp chính thủy phân axit được sử dung: Axit loãng (dilute acid) và axit đặc (concencated acid).

• Quy trình thủy phân axit loãng được thực hiện ở áp suất cao và nhiệt độ cao, thời gian phản ứng từ vài giây cho đến vài phút, thuận lợi cho quy trình liên tục. Hầu hết quy trình thủy phân axit loãng có hiệu suất thu đường đơn đạt 50. Lý do là vì có ít nhất 2 phản ứng trong quy trình này. Không chỉ sự phân hủy đường làm giảm hiệu suất mà furfural (C4H3O-CHO) và những sản phẩm của quá trình phân hủy khác có thể là chất gây hại cho vi sinh vật lên men. Ưu điểm lớn nhất của quá trình thủy phân axit loãng là tốc độ phản ứng, có lợi cho quy trình liên tục.

• Vì đường 5C phân hủy nhanh hơn đường 6C, một cách để giảm sự phân hủy đường là thực hiện quy trình 2 giai đoạn. Giai đoạn 1 thực hiện ở điều kiện ôn hòa để thu đường 5C trong khi giai đoạn 2 thực hiện khắc nghiệt hơn để thu đường 6C. Ưu điểm lớn nhất của quy trình thủy phân axit đặc là hiệu suất thu đường cao (Demirbas, 2004a)

4.3.3.1 Thủy phân axit loãng

• Quy trình thủy phân axit loãng được thực hiện ở nhiệt độ cao và áp suất cao, thời gian phản ứng trong khoảng vài giây đến vài phút, thuận lợi cho quá trình liên tục. Ví dụ: Sử dụng quy trình thủy phân axit loãng với 1% axit sulfuric trong bình phản ứng dạng ống với thời gian lưu 0,22 phút, nhiệt độ 510K với cellulose nguyên chất được hiệu suất thu đường 50%. Sự kết hợp giữa axit và nhiệt độ áp suất cao bắt buộc thiết bị phản ứng phải có vật liệu đặc biệt, điều này có thể làm thiết bị đắt hơn. Phản ứng đầu tiên chuyển hóa celluloses thành đường đơn và phản ứng thứ 2 chuyển hóa đường thành những chất khác.

4.3.3.2 Thủy phân axit đặc• Quy trình thủy phân axit đặc thực hiện ở điều kiện nhiệt độ ôn hòa, và áp

suất chỉ có tác dụng với việc bơm nguyên liệu qua các bình chứa. Thời gian phản ứng lâu hơn thủy phân axit hòa tan. Phương pháp này sử dụng axit sulfuric cô đặc được pha loãng với nước để hòa tan và thủy phân hoặc chuyển hóa chất nền thành đường. Quá trình này cung cấp sự chuyển hóa hoàn toàn và nhanh chóng celluloses thành glucose và hemicelluloses thành đường 5C với sự phân hủy không đáng kể. Yếu tố quyết định để làm cho quy trình này có tính khả thi về kinh tế là tối ưu hóa sự thu hồi đường và chi phí để hồi lưu axit dư.

• Ưu điểm chính của phương pháp thủy phân axit đặc là tiềm năng hiệu suất thu hồi đường cao. Bảng 4.4 cho thấy hiệu suất của bioethanol thu được từ thủy phân bắp bằng axit đặc. Axit và đường được tách bằng phương pháp trao đổi ion và axit được cô đặc lại thông qua hệ cô đặc nhiều nồi. Nhiệt độ thấp và áp suất thấp cho phép sử dụng vật liệu rẻ tiền như sợi thủy tinh, cũng như giảm sự phấn hủy đường. Tuy nhiên, quá trình xảy ra chậm và bước thu hồi axit dư tốn kém và khó phát triển. Nếu không co bước thu hồi axit, một lượng lớn vôi có thể được sử dụng để trung hòa axit trong hỗn hợp đường. Quá trình trung hòa này tạo ra lượng lớn Calcium Sulphate phải đổ bỏ và phát sinh thêm chi phí.

4.3.3.2 Thủy phân axit đặc

4.3.3.3 Thủy phân bằng enzym• Enzym là chất xúc tác sinh học có thành phần cơ bản là protein.

Tuy nhiên, để enzym có thể hoạt động thì chúng phải kết nối được với những phân tử được thủy phân. Có hai hướng phát triển: enzymatic và phương pháp chuyển hóa vi khuẩn trực tiếp (direct microbial conversion methods). Một phương pháp khác để thủy phân là thủy phân bằng enzym.

• Tiền xử lí là bước cần thiết trước khi thủy phân bằng enzym. Thủy phân bằng enzym được thực hiện bởi cellulolytic enzymes. Những loại cellulaza (enzym chuyển hóa cellulose) khác nhau có thể được sử dụng để tách celluloses và hemicelluloses. Một hỗn hợp của endoglucanases. Exoglucanases, beta-glucosidases, cellobiohydrolases thường được sử dụng. Endoglucanases tấn công chuỗi cellulose để tạo ra polisacharises mạch ngắn hơn, trong khi exoglucanases gắn vào đuôi không có tính khử của những mạch ngắn này và gỡ bỏ nhóm chức cellobiose. beta-glucosidases thủy phân cellobiose và những oligosaccharides khác thành glucose.

4.3.3.3 Thủy phân bằng enzym

• Để enzym làm việc hiệu quả, chúng phải được gắn vào những phân tử bị thủy phân. Điều này yêu cầu bước tiền xử lí để loại bỏ hemicelluloses và phá vỡ cấu trúc tinh thể của cellulose hay loại bỏ lignin để hiện diện những phân tử hemicellilose và cellulose

• Bước thủy phân thường dùng để tiền xử lí nguyên liệu lignocellulosic để tách cellulose và hemicelluloses từ lignocellulose và phá vỡ những phân tử này thành đường. Xúc tác cho thủy phân là axit (mạnh hoặc yếu), enzym. Hình 4.4 là sơ đồ quá tình thủy phân bằng enzym

4.3.3.3 Thủy phân bằng enzym

4.3.3.3 Thủy phân bằng enzym

• Nguyên liệu cellulosic bao gồm lignin, celluloses và hemicelluloses và vì vậy cũng thường được gọi là nguyên liệu lignocellulosis. Những phân tử celluloses bao gồm nhiều mắt xích glucose như tinh bột, nhưng có cấu trúc trong khác nhau.

• Một thế hệ enzym và công nghệ sản xuất enzym là cần thiết để giảm giá thành thủy phân cellulose thành glucose. Những rào cản của phương pháp thủy phân bằng enzym: Hoạt tính thấp của những loại enzym trên thị trường, giá thành sản xuất enzym cao và thiếu sự hiểu biết cơ bản về cơ chế và hóa sinh enzym

4.3.3.3 Thủy phân bằng enzym

• Đường cũng có thể được chuyển hóa thành levucinic axit và axit citric. Levucinic axit là tiền chất của nhiều chất hóa học, nhiên liệu, thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu. Ứng dụng lớn nhất của axit citric là công nghiệp sản xuất đồ uống, chiếm 45% thị phần của sản phẩm này. Acid citric cũng được sử dụng rộng rãi trong bánh kẹo, thực phẩm đông lạnh, pho mát, và là chất bảo quản trong đồ hộp, thịt, mứt…

• Acid levucinic

• Acid citric

4.3.4 Sản xuất ethanol bằng lên men cacbohydrates

• Sự lên men sử dụng nấm men hay vi khuẩn sử dụng cả 5 loại đường chính: glucose, xylose, mannose, galactose và arabinose. Ethanol có thế sản xuất bằng việc lên men trực tiếp đường, hoặc từ cacbohydrats khác có thể chuyển hóa thành đường như tinh bột hay celluloses. Lên men đường bằng nấm men là quá tình tổng hợp hóa học đầu tiên của con người, ngày nay vẫn là phương pháp quan trọng để điều chế ethyl acohol. Đường có thể thu được từ nhiều nguồn, phần lớn là mật mía, hay tinh bột từ ngũ cốc, cái tên “grain acohol” được gán cho ethyl acohol vì lí do này. Nguyên liệu thô được chia làm 3 loại:

Đường đơn giản từ mía, củ cải đường, trái cây. Tinh bột từ ngũ cốc, khoai tây và các loại củ Cellulo từ gỗ, phế phẩm nông nghiệp, chất thải rắn đô thị, rác bằng

giấy…• Sử dụng nguyên liệu thô có sẵn là cần thiết vì chi phí vận chuyển

của nguyên liệu. Vì thế mỗi khu vực ưu tiên phát triển sản xuất bioethanol dựa trên nguyên liệu có sẵn ở địa phương.

4.3.4 Sản xuất ethanol bằng lên men cacbohydrates

• Phương pháp lên men tiến hành theo 3 bước:a. Tạo hỗn hợp dung dịch đườngb. Lên men hỗn hợp đườn thành ethanolc. Phân tách và làm tinh khiết ethanol, thường sử dụng chưng cất.• Lên men sử dụng các vi sinh vật sử dụng đường làm thức ăn và trong quá

trình đó sản sinh ra ethyl alcohol và các sản phẩm phụ khác.• Mặc dù nấm (fungi), vi khuẩn (bacteria), men (yeast) có thể được sử dụng

để lên men, loại men Sacchanomyces cerevisiae còn gọi là men làm bánh (Baker’s yeast) thường được sử dụng để len men tinh bột thành ethanol.

• 3 chủng lên men tái tổ hợp thường được dùng:Saccharomyces, E. Coli và Zymomonas. Men (yeast) được ưu tiên hơn bởi những nhà sản xuất ethanol, đặc biệt là Sacchanomyces. Loại men này được sử dụng rộng rãi và các thiết bị thường được thiết kế sẵn cho loại này.

• Hiệu suất thực tế luôn luôn thấp hơn lý thuyết vì vi sinh vật yêu cầu một phần của nguyên liệu để tồn tại và phát triển. Với E. coli và S. cerevisiae những con số này xấp xỉ lần lượt 0,054 và 0,018 gam glucose/gam tế bào khô/hour.

4.3.4.1 Chuyển hóa biomass thành ethanol từ fungal enzym

• Bioethanol có thể được trộn trực tiếp với xăng và được sử dụng trong xe ô tô, hoặc chuyển hóa thành điện năng. Hiện có 2 phương pháp trộn ethanol với xăng trên thị trường: 10% ethanol và 90% xăng (E10) hoặc 85% ethanol và 15% xăng (E85).

• Ở Hoa Kỳ, nhiều bang bắt buộc sử dụng E10. Bioethanol được cho là giảm 70% carbon dioxide, tương đương 7% ở E10 hay 85% ở E85. Gia tăng sử dụng ethanol có thể giảm lượng khí nhà kính ở Hoa Kỳ 1,7 tỉ tấn/năm. Những nghiên cứu gần đây cho thấy rằng polysaccharides trong biomass có thể được thủy phân bằng enzym tạo ra glucose được lên men tạo thành ethanol

4.3.4.1 Chuyển hóa biomass thành ethanol từ fungal enzym

• Theo lý thuyết, bioethanol thành phẩm có khả năng cho hiệu suất 0,5g ethanol/g biomass thô, đồng nghĩa với thu hồi năng lượng xấp xỉ 90%. Bắp là chất nền hay được sử dụng để sản xuất bioethanol vì quá trình gần như không có trở ngại. Vi sinh vật tham gia vào quá trình chuyển hóa bắp thành ethanol theo 2 khâu: Xúc tác thủy phân tinh bột sử dụng amylases và amyloglucosidases và lên men đường thu được thành ethanol. Bước lên men được thực hiện bởi men (yeast), nhưng những chủng vi khuẩn đặc biệt gồm Zymomonas mobilis và những chủng tái tổ hợp như Escherichia coli và Klebsiella oxytoca, cũng có khả năng sản xuất ethanol với hiệu suất cao

• Cellulose và lignocellulose có nguồn cung cấp dồi dào hơn tinh bột và đường, vì thế thích hợp làm chất nền cho sản xuất bioethanol. Tuy nhiên sản xuất bioethanol từ cellulose và lignocellulose thì khó khăn và đắt hơn

4.3.4.1 Chuyển hóa biomass thành ethanol từ fungal enzym

• Lignocellulose bao gồm nhiều nguồn như switchgrass, bắp, mùn cưa. Fungal enzym và nấm men (fermentative yeast) được sử dụng để chuyển hóa lignocellulose thành đường sau đó thành bioethanol. Sự đắt đỏ của việc sản xuất enzym là vấn đề lớn nhất của quá trình chuyển hóa lignocellulose thành ethanol.

• Tiền xử lí sinh học sử dụng fungi để hòa tan lignin. Biodelignification là quá trình phân giải sinh học lignin bằng vi sinh vật. Biodelignification sẽ là phương pháp hữu ích để phân giải lignin trong tương lai, mặt dù tại thời điểm đó là không thích hợp và đắt tiền, quy trình đòi hỏi thời gian dài và vi sinh vật bị đầu độc bới những dẫn xuất của lignin. Những công nghệ này có thể làm đơn giản hóa bước tiền xử lí, nhưng có tốc độ chậm, hiệu suất thấp, và hơi đắt hơn so với những phương pháp đã nói ở trên.

• Những nghiên cứu gần đây tập trung nghiên cứu enzym được goi là cellulases, có thể tấn công các mắt xích hiệu quả hơn, dẫn đến hiệu suất thu đường cao hơn. Fungal cellulases và beta-glucosidases co thể thu được từ những thiết bị phản ứng sinh học có hiêu suất rất cao, những vì những enzym này có hoạt tính thấp nên phải sử dụng với số lượng lớn để thu được độ chuyển hóa lignocellulose cần thiết.

• Cả vi khuẩn và nấm có thể sản xuất cellulases. Những vi sinh vật này có thể hiếu khí hoặc kị khí. Ua nhiệt độ trung bình hoặc ưa nhiệt độ cao. Vi khuẩn thuộc họ Clostridium, Cellulomonas, Bacillus, Thermomonospora, Ruminococcus, Bacteriodes, Erwinia, Acetovibrio, Microbispora, và Streptomyces có thể sản xuất cellulases .

• Cơ chế thủy phân celluloses được công nhận rộng rãi là sự tác động gộp bởi các enzym endoglucanses hay endo-1,4-β-glucanases (EG), exoglucanases hay cellobiohydrolases (CBH), và β-glucosidases (BGL). EG đòng vai trò quan trọng bằng việc tách những mắt xích cellulose một cách ngẫu nhiên do đó thúc đẩy mạnh sự phân giải.

4.3.4.1 Chuyển hóa biomass thành ethanol từ fungal enzym

• EG thủy phân các liên kết beta-1-4-glucozit nội phân tử một cách ngẫu nhiên để tạo ra những mắt xích mới.Exoglucanases phá vỡ mắt xích cellulose cuối phân tử để giải phóng cellobiose hay glucose. BGL hoàn tất quá trình thủy phân bằng việc thúc đẩy quá trình thủy phân cellobiose thành glucose.

• Nấm có dạng sợi (filamentous fungi) là nguồn cung cấp chính của cellulases và hemicellulases. Chủng đột biến của Trichoderma sp. (T. viride, T. reesei, T.longibrachiatum) đã được biết đến lâu nay là chất phá hủy mạnh và hiệu quả tinh thể cellulose. CBH I và CBH II là những enzym T.reesei chính. Thành phần của CBH I bao gồm 60% tổng số cellulolytic proteins, trong khi đó thành phần tương tự của CBH II là 20%. Tương tự EGI và EGII là những endoglucanases chính trong T. reesei.

• Men và nấm giới hạn pH trong khoảng 3.5 đến 5.0• Enzym fungal lignocellulolytic để chuyển hóa lignocellulosic biomass thành đường

để sản xuất ethanol đã được sử dụng (Tabka et al, 2006). Rơm được tiền xử lí bởi axit với axit sulfuric hòa tan và sau đó là steam explosion.