Đề tài Sản xuất ethanol từ nguyên liệu biomass

hủy phân hemicellulose có trong thành phần của biomass. Hemicellulose có cấu trúc phân nhánh với những chuỗi mạch ngắn hơn so với cellulose. Do đó việc thủy phân hemicellulose dễ dàng hơn thủy phân cellulose. Hemicellulose bị thủy phân tạo điều kiện thuận lợi cho các tác nhân tiếp xúc thủy phân cellulose ở quá trình tiếp theo[35]. 2.1. Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước: Năm 1925, W.H.Mason áp dụng phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước vào ngành sản xuất gỗ ép. Từ đó, việc sử dụng phương pháp này được mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác như sản xuất thức ăn gia súc, làm bột cưa từ gỗ cứng. Năm 1980, quá trình tiền xử lí biomass bằng phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước được chính thức giới thiệu, ngay sau đó công ty Iotech Corporation đã tiến hành các thí nghiệm đầu tiên để tìm hiểu ảnh hưởng của phương pháp này đến hàm lượng glucose và xylose thu được trong dịch thủy phân cellulose. Theo Iotech, điều kiện xử lí tối ưu của holocellulose (xylose + glucose) là áp suất 500-550 psi , thời gian 40 giây [32]. Nhiều nghiên cứu được tiến hành sau đó. Shultz và các cộng sự tiến hành thí nghiệm so sánh hiệu quả của phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước lên hỗn hợp các mảnh gỗ cứng, vỏ trấu, rơm bắp và bã mía. Kết quả cho thấy, nguyên liệu được tiền xử lí sẽ nâng cao hiệu suất quá trình thủy phân tạo thành đường [63]. Năm 1979 Spano và các cộng sự đã đưa ra bảng số liệu sau: Bảng 2.1 Ảnh hưởng của quá trình tiền xử lí đến quá trình thủy phân. Nguyên liệu Tiền xử lí Tổng lượng đường khử ( mg/ml) 4h 24h Gỗ bạch dương Không 1.4 2.4 Có 15.3 25.8 Dương lá rung Không 1.8 3 Có 12.8 24.8 Rơm bắp Không 4.9 7.8 Có 15.7 22.5 Bã mía Không 1.7 2.5 Có 9.5 16.1 Rác thải đô thị Không 10.5 18.0 Có 6.2 10.8 Gỗ Vân Sam Không 2.0 3.8 Có 3.5 6.4 Gỗ Linh Sam Không 1.6 3.2 Có 2.8 4.3 2.2. Cơ chế : Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước là một quá trình tác động cơ học, hóa học và nhiệt độ lên hỗn hợp nguyên liệu. Nguyên liệu bị phá vỡ cấu trúc dưới tác dụng của nhiệt, hơi và áp lực do sự giãn nở của hơi ẩm và các phản ứng thủy phân các liên kết glycosidic trong nguyên liệu [19]. Quá trình nổ hơi nước gồm các giai đoạn sau: Làm ẩm nguyên liệu: Nước được gia nhiệt và giữ ở áp suất cao trong thiết bị phản ứng. Hơi nước ngưng tụ ở áp suất cao khuếch tán vào cấu trúc lignocellulosic làm ẩm nguyên liệu. Dưới tác dụng của nhiệt độ, áp suất và hơi nước, hemicellulose bị thủy phân. Sau đó một số sản phẩm của quá trình thủy phân hemicellulose bị phân hủy thành các acid hữu cơ như acid acetic và acid uronic. Các acid này lần lượt tham gia vào quá trình phân cắt mạch hemicellulose, giải phóng xylose và một phần glucan. Các vùng vô định hình của cellulose cũng bị thủy phân một phần. Nếu gia tăng điều kiện tiến hành khắc nghiệt hơn sẽ thúc đẩy quá trình phân hủy xylose thành furfural kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật. Giảm áp đột ngột: Sau khi nguyên liệu được đưa vào thiết bị, gia nhiệt và tăng áp đến nhiệt độ và áp suất nhất định để làm ẩm nguyên liệu, hỗn hợp được ép đưa ra ngoài qua lỗ nhỏ. Ẩm trong biomass đang ở áp suất cao. Khi hỗn hợp đi ra khỏi thiết bị, áp suất giảm đột ngột. Tại đây diễn ra quá trình phân cắt nguyên liệu. Quá trình phân cắt nguyên liệu diển ra dưới tác dụng cơ học và hóa học. Nước trong nguyên liệu đang ở nhiệt độ và áp suất cao. Áp suất giảm đột ngột làm giảm nhiệt độ bốc hơi của nước xuống thấp hơn nhiệt độ hiện có của nguyên liệu. Nước có mặt trong cấu trúc biomass bị bốc hơi. Sự giãn nở của hơi nước tạo ra lực cắt tác động lên khối nguyên liệu. Nếu lực cắt này đủ lớn hơi nước sẽ phá hủy cấu trúc lignocellulosic. Trong quá trình xử lí, lignin bị phá hủy do các liên kết β-O-4-ether và liên kết acid không bền bị cắt tạo ra các dẫn xuất rượu cinnamyl và hỗn hợp các phụ phẩm khác. Chế độ xử lí càng nghiêm ngặt tạo ra càng nhiều các hợp chất có phân tử thấp. Hình 3.1 Quá trình thủy phân 4-O-methylglucuronoxylan, cellulose và các sản phẩm phân hủy. (1) Arabinose (2) xylose (3) acetylated xylooligomers (DP = 3) (4) xylooligomers of higher molecular mass (5) acidic, branched oligosaccharides (6) glucose (7) cellobiose (8) cellooligomers (9) furfural (10) hydroxymethylfurfural (11) levulinic acid (12) furan (13) 2-furoic acid (pyromucic acid). kết hợp các gốc tự do Hình 3.2 Quá trình phân hủy lignin điển hình[40]. A: phản ứng thủy phân tạo hợp chất phenolic. B: phản ứng tạo quinine. C: phản ứng tạo ra hỗn hợp các sản phẩm phụ như phenol, acid carboxylic và các oligolignol. 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng: Quá trình nổ bằng áp lực hơi nước chịu ảnh hưởng lớn bởi 2 yếu tố: nhiệt độ và thời gian. Thời gian lưu: thời gian lưu ảnh hưởng đến sự thủy phân của hemicellulose. Thời gian lưu của nguyên liệu trong thiết bị phản ứng càng dài thì hemicellulose được thủy phân càng nhiều. Nhưng nếu giữ nguyên liệu ở trong thiết bị quá lâu sẽ dẫn đến sự phân hủy các sản phẩm thủy phân tạo ra các sản phẩm không cần thiết. Việc thủy phân hemicellulose giúp cho quá trình thủy phân cellulose diễn ra thuận lợi hơn. Nhiệt độ: nhiệt độ có mối quan hệ chặt chẽ với áp suất trong thiết bị. Nhiệt độ càng cao thì áp suất càng cao và ngược lại. Sự gia tăng áp suất làm tăng sự chênh lệch giữa áp suất trong thiết bị và áp suất khí quyển. Từ đó ảnh hưởng đến lực cắt của ẩm khi hóa hơi. 2.4. Phương pháp thực hiện: Nguyên liệu sau khi được cắt nhỏ được đưa vào thiết bị xử lí. Nhiệt độ và áp suất tăng dần cho đến khi đạt 210-290 ºC, 450psig. Sau đó thực hiện giảm áp đột ngột và thu sản phẩm xử lí ở đáy thiết bị [19]. 2.5. Thiết bị : Hiện nay, StakeTech là một trong những thiết bị sử dụng trong quá trình tiền xử lí khá hiệu quả. StakeTech là thiết bị áp suất làm bằng thép không gỉ, đặt nằm ngang có thể chịu được áp suất đến 450 psig. Nguyên liệu được nạp vào liên tục ngược dòng bằng một vít tải để cân bằng với áp lực bên trong thiết bị. Nguyên liệu di chuyển dần về phía cửa tháo liệu. Thời gian lưu của nguyên liệu được điều khiển theo lập trình. Sau đó, dưới tác dụng của lực nén ép, nguyên liệu được đẩy ra ngoài qua van tháo liệu. Van hình cầu, có thể quay và mở đều đặn theo từng khoảng thời gian đặt trước theo tốc độ sản xuất. Tùy vào điều kiện sản xuất mà van có thể định kì mở mỗi 2 – 8 giây. Do đó cần phải chuẩn bị ống dẫn biomass đã xử lí sang quá trình kế tiếp.Thiết bị phản ứng StakeTech đang được sử dụng ở các trường đại học và là một mặt hàng có giá trị thương phẩm cao. Quá trình tiền xử lí có thể được thực hiện bằng hệ thống thiết bị phản ứng liên tục 2 cấp. Thiết bị được thiết kế dựa trên một trục vít nằm ngang và một trục vít đặt thẳng đứng. Trục vít thứ nhất dòng hơi nước được dẫn vào ở 170-185ºC. Trục vít thứ hai sử dụng dòng acid loãng < 0.1 % ( tính theo khối lượng) ở 205-225 ºC . trục vít Hình 3.2 Cấu tạo hệ thống thiết bị tiền xử lí biomass[44]. Hình 3.3 Thiết bị tiền xử lí biomass 3/ Thủy phân nguyên liệu: Mục đích của quá trình thủy phân nguyên liệu là để tạo ra đường làm cơ chất cho quá trình lên men tạo ethanol. Quá trình thủy phân cần đạt được các yêu cầu sau: Thủy phân hemicellulose, cellulose tạo ra hàm lượng đường lên men cực đại. Hạn chế sự phân hủy các carbohydrate đến mức tối đa. Giảm sự hình thành fufural và các hợp chất phenolic. Có hiệu quả kinh tế cao, có thể tận dụng lượng bã sau lên men để làm nhiên liệu. 3.1. Thủy phân bằng acid: Thủy phân bằng acid được xem là phương pháp truyền thống trong lên men lignocellulosic. Năm 1819, Bracconet khám phá ra quá trình xử lí gỗ với acid sulfuride đậm đặc cho ra glucose. Các năm sau đó, các nước đã triển khai việc nghiên cứu và tối ưu quá trình thủy phân. Điển hình như Mỹ và Đức là những nước tiên phong. Phương pháp Simonsen - Mỹ - được đưa vào sử dụng từ năm 1910-1922. Người ta tiến hành thủy phân gián đoạn vụn gỗ thông bằng acid sulfuric 0.5%, áp suất hơi nước 912kPa. Nhưng sản lượng ethanol thu được không cao, toàn bộ quá trình chỉ thu được 22gal/tấn nguyên liệu cellulose. Vài năm sau, Heinrich Scholler - Đức - đã cải tiến quá trình thủy phân và tăng sản lượng ethanol lên 52-58 gal/tấn ( thủy phân trong 13-20 giờ). Scholler đã cho acid sunfuric 0.8% thấm dần qua cột nén vụn gỗ ở nhiệt độ 120-180 ºC. Phương pháp Scholler đã được ứng dụng phổ biến trong chiến tranh thế giới thứ 2 ở Đức. Sau đó, trung tâm thực nghiệm sản phẩm lâm nghiệp Mỹ đã cải tiến quá trình Scholler nâng sản lượng ethanol lên 64.5 gal/tấn ( thủy phân trong 3 giờ ). Điểm tiến bộ của phương pháp này là quá trình được thực hiện liên tục, dòng acid được nhập vào liên tục và tháo dịch thủy phân liên tục. Do đó giảm tối đa sự phân hủy carbohydrate trong quá trình thủy phân [33]. 3.1.1. Cơ chế quá trình thủy phân bằng acid: Quá trình thủy phân acid ban đầu chỉ phá vỡ cấu trúc cellulose ở một mức độ nhất định. Quá trình thủy phân diễn ra theo các bước sau [31]: Bước 1: acid xâm nhập vào mạng lưới các vi sợi của biomass. Chất xúc tác chính là các ion hydrogen có kích thước 4Aº . Trong khi kích thước các lỗ trong vi sợi cho phép các phần tử có kích thước 51Aº đi vào. Do đó các ion hydrogen dễ dàng len lỏi vào mạng lưới vi sợi của cấu trúc biomass. Bước 2: xúc tác quá trình thủy phân. Acid thủy phân cellulose theo cơ chế như sau: Có 2 khuynh hướng tấn công của ion hydrogen vào mạch cellulose: Khuynh hướng thứ nhất: đầu tiên ion hydrogen kết hợp với nguyên tử oxygen nằm trong cấu trúc mạch vòng của gốc glucose làm cho nguyên tử này tích điện dương. Sau đó liên kết O - C1 bị cắt, phần điện tích dương dịch chuyển sang C1. Cuối cùng, phân tử cộng hợp nước tạo ra glucose. Khuynh hướng thứ hai: ion hydrogen tấn công vào nguyên tử O trong liên kết 1-4 glucosidic và cắt đứt liên kết O- C1. Lúc này nguyên tử C1 ở gốc glucose vừa bị cắt mang điện tích dương. Kết thúc quá trình, cation này cộng nước tạo thành glucose. Hình 3.4 Cơ chế quá trình thủy phân bằng acid. Sản phẩm của quá trình thủy phân là các đường tan chủ yếu là glucose, xylose. Quá trình thủy phân cũng tạo ra các acid yếu, các furan và phenolic. Đây là những chất bất lợi cho quá trình lên men do có tính ức chế vi sinh vật, do đó giảm lượng ethanol tạo thành. Chế độ thủy phân có tác động lớn đến sự tạo thành các hợp chất trên. Thủy phân ở nhiệt độ càng cao, nồng độ acid càng cao, lượng sản phẩm không mong muốn càng nhiều. Để tạo ra lượng đường cao nhất, người ta cần tối ưu hóa các thông số công nghệ của quá trình thủy phân. 3.1.2. Các phương pháp xử lí bằng acid: Thủy phân nguyên liệu biomass bằng acid gồm có 2 phương pháp : Thủy phân với nồng độ acid cao, nhiệt độ thấp. Thủy phân với nồng độ acid thấp, nhiệt độ cao. Các phương pháp thủy phân của Prescott và Dunn ( 1959), Riehm (1962), Conrad (1962) được xem là tiến bộ nhất trong nửa đầu thế kỉ 20. Phương pháp đầu tiên do Classen trình bày năm 1901, sử dụng acid sulfurous. Năm 1909, Ewen và Tomlinson đưa ra qui trình sử dụng acid sulfuride. Mãi đến cuối chiến tranh thế giới thứ nhất, các quá trình này mới được áp dụng vào thực tế nhưng cho sản lượng thấp: 75-130l/tấn gỗ nguyên liệu. Vào đầu năm 1920, Scholler đã nghiên cứu quá trình thủy phân bằng acid loãng. Phương pháp Scholler-Tornesch cho sản lượng cao hơn: 200 l/tấn nguyên liệu. Scholler tiếp tục phát triển quá trình và áp dụng vào sản xuất ở quy mô lớn (1930). Đến năm 1950, Tennessee Valley Authoriy xây dựng mô hình mới ở Wilson. Quá trình này sử dụng acid đặc như các quá trình của Hagglund, Bergius, Koch, và Specht (1930)-Đức; Bolzano, Bozen (1942)- Ý. Và sau đó tiếp tục được cải tiến bởi Riehm (1962), Conrad (1962). 3.1.2.1. Thủy phân bằng acid đặc: Phương pháp thủy phân bằng acid đặc gồm các giai đoạn sau: Tiền thủy phân để loại hemicellulose Thủy phân cellulose Thủy phân oligosaccharide thành glucose Ở giai đoạn đầu tiên, cho acid H2SO4 vào sau đó gia nhiệt đến 100˚C để thủy phân hemicellulose. Kết thúc giai đoạn tiền thủy phân thu được dung dịch có chứa hỗn hợp đường pentose và hexose. Đường pentose không được nấm men sử dụng do đó hiệu suất thu hồi đường thấp. Dung dịch thu được sau tiền thủy phân được tách ra. Sau đó cho dung dịch acid đặc vào để phá vỡ cấu trúc tinh thể của cellulose, thủy phân tạo thành glucose. Phương pháp thủy phân bằng acid đặc sử dụng dung dịch H2SO4 72% hoặc dung dịch HCl 42%. Cellulose tinh thể được hòa tan hoàn toàn trong dung dịch acid. Nhiệt độ tiến hành phản ứng thủy phân thấp 10- 45ºC( Oshima, 1965). Các polymer trong nguyên liệu bị cắt mạch thành các oligosaccharides. Trong giai đoạn này, một lượng nhỏ đường glucose bị thất thoát. Sau khi hòa tan trong acid đặc, pha loãng hỗn hợp oligomer và gia nhiệt đến 100-200 ºC trong 1-3 giờ. Lúc này các oligomer của glucose sẽ bị thủy phân thành các monomer. Động lực học của quá trình thủy phân bằng acid đặc không phụ thuộc vào cấu trúc hoặc mức độ kết tinh của cơ chất. Vì vậy lượng glucose thu được sau thủy phân lớn hơn 90% số lượng gốc glucose có trong nguyên liệu ( Grethlein, 1978 ). Tuy nhiên, sau khi thủy phân phải tiến hành loại và thu hồi acid để tái sử dụng, tăng hiệu quả kinh tế. Sử dụng acid HCl thuận lợi hơn H2SO4 do HCl là acid dễ bay hơi, có thể thu hồi bằng thiết bị bốc hơi chân không. H2SO4 không thể thu hồi theo cách này. Người ta có thể tăng tính kinh tế cho quá trình bằng cách kết hợp với các qui trình khác. Ví dụ như sản phẩm trung hòa acid là muối CaSO4 được tận dụng trong sản xuất thạch cao [48]. Tốc độ quá trình thủy phân bằng acid đặc khá cao, không đòi hỏi chế độ tiền xử lí nghiêm ngặt. Tuy nhiên phương pháp này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi do hiệu quả kinh tế thấp. Các thiết bị phản ứng sử dụng phải chịu được tính ăn mòn của acid nồng độ cao. Chi phí quá trình tăng tùy thuộc vào vật liệu chống ăn mòn của thiết bị và thể tích của một đơn vị sản phẩm trong bình phản ứng. Bên cạnh đó, chi phí mua acid đặc cũng khá cao [48]. 3.1.2.2. Thủy phân bằng acid loãng: Quá trình thủy phân bằng acid loãng là quá trình xử lí hóa nhiệt để thủy phân cellulose và hemicellulose ở nhiệt độ cao. Các acid được sử dụng như acid sulfuride, hydrochloric hoặc acid nitric. Tiến hành thủy phân với nồng độ acid từ 0.5-1.5% ở nhiệt độ 160ºC. Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến trong thực tế do lượng đường thu được cao từ 75-90% (Wooley và các cộng sự, 1999, Sun and Cheng, 2002 ). Scholler( 1923)- Đức và Saeman( 1945)- Mĩ đã đưa ra dự đoán thời gian thủy phân với nồng độ acid H2SO4 0.4-1.6 %. Quá trình thủy phân gồm 2 bước: Cellulose đường Đường các sản phẩm phân hủy K1, K2 là tốc độ phản ứng – động lực học Arrhenius. Lượng đường tạo thành thay đổi theo các thông số: thời gian, nhiệt độ, nồng độ acid. Ta có phương trình sau: Trong đó: CB là lượng đường thu được a : nồng độ cellulose ban đầu ( lượng glucose trên 100g nguyên liệu ) t : thời gian K1, K2 : vận tôc phản ứng Năng lượng để phân hủy cellulose và glucose là 189,000 và 137,000 kJ/ mol ( Ghose và Ghosh, 1978). Hai giá trị này gần xấp xỉ nhau. Do đó K1 gần bằng K2. Tỉ số CB/ a tăng khi tăng nhiệt độ và nồng độ acid. Động học của quá trình được biểu diễn như sau: Hình 3.5 quá trình thủy phân tạo glucose bằng acid loãng. [48] A : động học quá trình thủy phân theo Saeman(1945) B : động học quá trình thủy phân lí thuyết C : động học quá trình thủy phân thực tế Đường cong B là đường cong lí thuyết, đường cong A là đường cong theo động học Saeman. Đường cong thực tế nằm giữa, được giới hạn bởi hai đường trên. Số liệu thực nghiệm cho thấy tốc đ ộ giải phóng đường bằng acid loãng cơ bản tăng lên khi tiến hành phản ứng ở nhiệt độ rất cao ( 500ºC) trong thời gian ngắn ( Yu và Miller, 1980). Nhưng đồng thời nhiệt cũng gây ra các tác dụng không mong muốn cho phản ứng thủy phân nguyên liệu. Nhiệt độ càng cao thì các chất ức chế quá trình lên men tạo ra càng nhiều. Ở quá trình thủy phân lí thuyết (đường cong B), lượng đường sẽ được trích ra ngay khi giải phóng ra khỏi mạch cellulose. Dịch chiết thu được hòa tan vô hạn trong môi trường thủy phân. Do đó đưa nồng độ đường xuống gần bằng 0 trong suốt quá trình. Wayman( 1980) giảm sự ảnh hưởng bằng cách thủy phân nhiều giai đoạn với 2% H2SO4 ở 190 ºC. Thời gian mỗi giai đoạn là 20 phút. Dịch chiết của mỗi giai đoạn chứa khoảng 20% các monomer của mạch cellulose. Lượng đường thu được sau 5 chu trình có thể đạt được trên 90% [48]. Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn % đường thu được ở qui trình thủy phân nhiều giai đoạn (Wayman, 1980)[48]. Tổng chi phí cho quá trình sử dụng acid loãng thấp hơn nhiều so với acid đặc. Vì vậy không cần phải tiến hành thu hồi acid. Nghiên cứu các ảnh hưởng của quá trình xử lí nhiệt và thủy phân bằng acid ở các nồng độ khác nhau được tiến hành trên bã sắn ( Agu et ai, 1997). Ở nồng độ acid cao H2SO4 1-5 M, quá trình thủy phân diễn ra tốt nhưng xảy ra phản ứng than hóa hoặc loại nước. Khảo sát ở nồng độ acid thấp hơn 0.3-0.5M, 120 ºC trong 30 phút thì thấy rằng thủy phân ở nồng độ H2SO4 0.3M cho kết quả tốt hơn ở các nồng độ khác. Nghiên cứu đưa ra kết luận quá trình thủy phân bã sắn thích hợp với nồng độ acid loãng. 3.1.3. Qui trình thủy phân biomass 2 giai đoạn: Qui trình thủy phân biomass 2 giai đoạn là qui trình có nhiều triển vọng và có tính thương mại cao. Đó là do: Qui trình này sẽ mau chóng được đưa vào các hoạt động thương mại dựa trên cơ sở phương pháp sử dụng acid loãng. Quá trình phân tách hỗn hợp thủy phân hemicellulose và cellulose thu được sản lượng và độ tinh khiết sản phẩm cao. Vì các dịch thủy phân được tách ra trong mỗi giai đoạn. Năng lượng tiêu hao cho toàn bộ quá trình thấp. Quá trình xử lí được thực hiện qua 2 giai đoạn như sau: nước hơi nước hơi acid lignin gỗ Giai đoạn 2 Giai đoạn 1 bã acid rửa rửa Giai đoạn tiền thủy phân Giai đoạn đường hóa dịch thủy phân dịch thủy phân Hình 3.7 Qui trình thủy phân 2 giai đoạn[59]. Dung dịch acid sulfuride được pha loãng và cho trực tiếp vào giai đoạn 1 và dẫn bổ sung vào giai đoạn 2. Hơi được dẫn trực tiếp vào gia nhiệt cho thiết bị. Tại đây hầu hết hemicellulose được thủy phân, sản phẩm tháo ra được đưa qua bộ phận rửa. Hỗn hợp sau khi rửa nhập chung với dung dịch acid rồi chuyển sang giai đoạn 2. Giống như giai đoạn 1, lượng chất lỏng ở giai đoạn 2 được giữ ở mức thấp nhất. Điều kiện ở đây đủ để xảy ra phản ứng thủy phân cellulose. Tháo hỗn hợp cuối cùng và tiến hành rửa để tách glucose còn sót trong bã lignin [59]. Ở giai đoạn đầu, hemicellulose bị thủy phân dễ tạo thành các sản phẩm phân hủy như furfural và các sản phẩm ức chế quá trình lên men. Do đó các điều kiện của giai đoạn này khá nhẹ nhàng : 0.7% acid sulfuride, 190ºC. Trong khi đó giai đoạn 2 chứa các phần rắn chủ yếu là cellulose nên điều kiện phản ứng cũng khắc nghiệt hơn: 0.4% acid sulfuride, 215 ºC. Kết thúc quá trình thu được 89% mannose, 82% galactose, nhưng chỉ có 50% glucose sau đó tiến hành lên men tạo thành ethanol ( US DOE 2003, Graft và Koehler 2000) [59]. 3.1.4. Thiết bị : Quá trình thủy phân biomass có thể thực hiện trong các bình phản ứng. Phương pháp ngâm chiết có thể thực hiện bằng cách cho dòng acid thấm xuyên qua các cột nhồi nhiều lớp. Đây là thiết bị khá thích hợp cho phương pháp thủy phân theo mẻ. Ưu điểm thứ nhất là loại đường ngay khi nó được tạo thành. Thiết bị này ít tạo thành các sản phẩm phân hủy đường và các chất ức chế quá trình lên men, tạo ra lượng đường lớn. Điểm thứ 2, thiết bị có thể hoạt động với tỉ lệ rắn/ lỏng khá cao. Năm 1997 Torget và các cộng sự phát minh ra thiết bị phản ứng BSFT. Đây là thiết bị chảy qua lớp co. Thiết kế nhằm giữ độ chặt của lớp không đổi. Dòng acid được đưa qua thiết bị và đi qua các lớp với vận tốc bé. Thời gian lưu của nguyên liệu trong thiết bị ngắn hơn so với phương pháp ngâm chiết. Thiết bị cho năng suất cao. Sản phẩm thu được có hàm lượng chất phân hủy thấp. 3 2 Hình 3.8 Thiết bị xử lí biomass bằng phương pháp thủy phân BSFT[24] 1: phần thân có bộ phận điều nhiệt 2: nguyên liệu 3: dịch thủy phân 4: dung dịch acid 3.2. Thủy phân bằng enzyme: 3.2.1. Cellulase: Để thủy phân cấu trúc cellulose nhất là cellulose tinh thể cần có sự tham gia của nhiều enzyme ( Schwarz, 2001 ). Cellulase là một hệ enzyme khá phức tạp. Cellulase bao gồm 3 hợp phần cơ bản như sau: endoglucanase, exoglucanase (cellobiohydrolase) và β-glucosidase (cellobiase) [61]. Endoglucanase là enzyme thủy phân liên kết β–1,4–glycosidic của cellulose ở vùng vô định hình (Mosier và các cộng sự, 1999). Sản phẩm thủy phân là các oligosaccharide có độ dài rất khác nhau và càng về sau độ dài mạch càng ngắn (Lynd và các cộng sự, 2002). Các enzyme này đóng vai trò quan trọng trong quá trình thủy phân cellulose. Nó phân cắt mạch cellulose không theo bất kì một nguyên tắc nào, góp phần làm giảm độ dài mạch cellulose một cách đáng kể (Cao và Huimin, 2002) [23]. Exoglucanase (cellobiohydrolase): enzyme phân cắt khá hiệu quả các mạch cellulose ở vùng kết tinh. Enzyme hoạt động theo một qui trình tác dụng lên các cellulose và các sản phẩm bị phân cắt của nó. Enzyme phân cắt các liên kết β–1,4–glycosidic ở đầu mạch, thủy phân từ đầu không khử tạo ra glucose hoặc cellobiose [23]. β-glucosidase (cellobiase) : enzyme kết thúc quá trình thủy phân cellulose. β-glucosidase thủy phân cellobiose tạo ra glucose [23] . Cellulase chỉ được tổng hợp khi tế bào sinh vật phát triển với sự có mặt của cellulose, cellobiose, lactose, sophorose hoặc các glucan khác có chứa liên kết β–1,4–glycosidic ( Gratzali và Brown, 1979). Các sản phẩm cuối của quá trình thủy phân ức chế tác dụng của cellulase. Do đó trong quá trình thủy phân phải liên tục tách các sản phẩm này ra khỏi dịch thủy phân [17]. Trung tâm hoạt động của enzyme cellulase chứa các gốc amino acid đặc hiệu. Trong khi đó cellulose chứa các liên kết glycosidic. Bộ electron σ đóng vai trò phân cực liên kết. Hiệu ứng cảm ứng của nguyên tử oxy trung tâm gây ra một sự tập trung tích điện trên nguyên tử oxy làm cho nguyên tử oxy tích điện âm. Còn các nguyên tử cacbon kết hợp với nó bị khuyết electron nên sẽ tích điện dương. Sự khuyết electron trong liên kết bị thủy phân là yếu tố quan trọng quyết định khả năng thủy phân. Tác dụng xúc tác của enzyme do sự phân bố electron quyết định. Enzyme cellulase có thể tác dụng bằng các cách khác nhau [23] : Cơ chế về khả năng tác dụng của enzyme với sự khuyết electron của liên kết bị thủy phân như sau: enzyme làm tăng sự khuyết electron (vốn đã tồn tại trước đó) bằng cách tạo thành liên kết tương ứng với cơ chất ở những vị trí gần với liên kết bị thủy phân. Nhờ vậy sự phân bố electron trong phân tử cơ chất bị thay đổi theo chiều hướng có lợi. Từ đó việc cắt đứt liên kết diễn ra dễ dàng đồng thời làm cho một trong hai nguyên tử của liên kết tương tác được với các tác nhân ái nhân.(cơ chế A) Cơ chế về khả năng tác dụng của enzyme với “phần dương” của liên kết bị thủy phân như sau: tâm ái nhân của enzyme sẽ tương tác trực tiếp với một trong hai nguyên tử tích điện dương của liên kết bị thủy phân. Sự tạo thành phức hợp trực tiếp như thế với trung tâm phản ứng sẽ làm cho việc cắt đứt các liên kết và sự thủy phân được thuận lợi (cơ chế B) [23]. A B Hình 3.9 Cơ chế tác dụng thủy phân của enzyme cellulose [23]. 3.2.2. Cơ chế quá trình thủy phân biomass: Quá trình thủy phân tiến hành ở nhiệt độ 70ºC trong 1.5 ngày. Sản phẩm thu được có lượng glucose bằng 75-95% số gốc glucose có trong nguyên liệu [30]. Quá trình thủy phân thường có sự kết hợp của các thành phần khác nhau của hệ enzyme cellulase. Sự phối hợp hoạt động của các thành phần enzyme tồn tại khi quá trình thủy phân được thực hiện bởi sự kết hợp của hai thành phần trở lên. Khi nghiên cứu sự phối hợp hoạt động giữa các thành phần cellulase của Trichoderma longibrachiatum (Trichodema reesei), Nidetsky đã rút ra kết luận rằng có sự kết hợp cực đại giữa exoglucanase và endoglucanase trên tinh thể cellulose. Sản phẩm thu được có độ trùng hợp giảm mạnh [61]. Hiện tại, cơ chế thực sự của quá trình thủy phân bởi cellulase và sự tương tác giữa các thành phần của hệ enzyme này chưa hoàn toàn rõ ràng và vẫn còn đang trong giai đoạn nghiên cứu. Các nghiên cứu trước đó cho rằng tồn tại thành phần C1 – thành phần khởi đầu cho quá trình thủy phân cấu trúc cellulose tinh thể. Theo đó, thành phần C1 sẽ phá vỡ liên kết hydrogen nội phân tử trong các sợi làm gia tăng vùng cellulose vô định hình. Quan điểm này lần đầu tiên được đưa ra vào năm 1950. Sau đó Wood cùng cộng sự đã khảo sát và cho rằng thành phần C1 có khả năng là exoglucanase. Ngày nay, nhiều nhà nghiên cứu cũng xem exoglucanase là thành phần C1 [12]. Hiện nay, cơ chế thủy phân của hệ enzyme cellulase được chấp nhận diễn ra theo các bước sau [61]: Endoglucanase thủy phân liên kết β-1,4-glycosidic trong vùng vô định hình tạo ra nhiều đầu không khử. Sau đó exoglucanase cắt các đơn vị cellobiose từ đầu không khử. β-glucosidase tiếp tục thủy phân cellobiose tạo ra glucose. Hình 3.10 Quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme cellulose. Sự phối hợp hoạt động của các enzyme rất cần thiết cho quá trình tối ưu hóa quá trình thủy phân. Tồn tại mối tương quan tuyến tính giữa khả năng kết tinh và tốc độ thủy phân ( Fan và cộng sự ). Khả năng kết tinh càng cao thì tốc độ