Công nghệ sản xuất cồn sinh học từ nguồn nguyên liệu lignocellulose

Nguồn phế liệu nông nghiệp và lâm nghiệp có bản chất là lignocellulose đang được nghiên cứu sản xuất cồn sinh học. Đó là một nguồn nguyên liệu dồi dào, không những giúp hạn chế được sự cạnh tranh nguồn đất dùng cho sản xuất thực phẩm mà còn giúp cho việc tái sử dụng các nguồn phế liệu một cách hiệu quả nhất. Việc sản xuất ethanol từ nguồn này đem lại nhiều nguồn lợi nhưng sự phát triển của nó đang bị hạn chế bởi những khó khăn về mặt lợi nhuận kinh tế và kỹ thuật chưa...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Công nghệ sản xuất cồn sinh học từ nguồn nguyên liệu lignocellulose Công nghệ sản xuất cồn sinh học từ nguồn nguyên liệu lignocelluloseNguồn phế liệu nông nghiệp và lâmnghiệp có bản chất là lignocelluloseđang được nghiên cứu sản xuất cồnsinh học. Đó là một nguồn nguyênliệu dồi dào, không những giúp hạnchế được sự cạnh tranh nguồn đấtdùng cho sản xuất thực phẩm màcòn giúp cho việc tái sử dụng cácnguồn phế liệu một cách hiệu quảnhất. Việc sản xuất ethanol từnguồn này đem lại nhiều nguồn lợinhưng sự phát triển của nó đang bịhạn chế bởi những khó khăn về mặtlợi nhuận kinh tế và kỹ thuật chưatối ưu.Bước 1: Quá trình tiền xử lýnguyên liệuNhằm tạo ra một dạng celluloseđơn giản hơn để cho quá trình thủyphân dễ dàng hơn, các enzyme cóthể tiếp xúc tối đa với cơ chấttương thích. Phương thức và hiệuquả của quá trình tiền xử lý thayđổi nhiều tùy thuộc vào đặc tínhcấu trúc của nguồn nguyên liệuđược lựa chọn.Giai đoạn này bao gồm sử dụng cơhọc làm giảm kích thước nguyênliệu và một số phương pháp hóasinh để loại lignin (lignin là thànhphần không thể chuyển đổi thànhethanol). Rất nhiều phương phápđược sử dụng bao gồm các phươngpháp hóa học trong đó phươngpháp xử lý bằng hơi nước kết hợpxử lý bằng acid/alkali đang được sửdụng rộng rãi. Tuy nhiên xử lýbằng phương pháp hóa học gâynhiều tốn kém và ảnh hưởng nặngđến môi trường, do đó hiện nayphương pháp sinh học đang dầnđược được hoàn thiện để thay thếtoàn phần hay sử dụng kết hợp vớicác phương pháp hóa học. Bằngcách sử dụng loại nấm như Cyathussp, Streptomyces viridosporus,Phelebia tremellosus, Pleurotusflorida vàPeurotus cornucopiae cókhả năng thủy phân lignin và hỗ trợmột phần thủy phân nguồn nguyênliệu cellulose. Tuy nhiên, thời gianxử lý kéo dài cũng là một hạn chếlớn của phương pháp này.Bước 2: Thủy phân nguồnnguyên liệu bằng tổ hợp enzymeQuá trình này gây tiêu tốn nhiềuchi phí trong giai đoạn sản xuấtcồn. Bằng kỹ thuật di truyền, cácnhà nghiên cứu đang hướng đến tạora một tổ hợp enzyme có thể thủyphân nguồn nguyên liệulignocellulose hiệu quả nhất. Thủyphân hoàn toàn nguồnlignocellulose cần có những sựchuyển đổi cácnhóm polysaccharide sau: -glucosidase tạo ra sản phẩmcuối cùng là glucose.-(1-4)glycoside. Quá trình thủy phânbằng tổ hợp enzyme cellulase baogồm cellobiohydrolase(exoglucanase), endoglucase và -D-glucose thông qua liên kếtChuyển đổi cellulose: Cellulose làloại polysaccharide đồng hình đượccấu thành từ các đơn phân -L-arabinofuranosidase.-glucuronidase và -xylosidase, -xylanse, Chuyển đổihemicellulose: hemicellulose làthành phần dồi dào nhất thứ 2trong nguồn nguyên liệulignocellulose (25-30%).Hemicellulose là một loại polymerdị hình được tạo bằng các đơn phânpentose (D-xylose, D-arabinose),đơn phân hexose (D-mannose, D-glucose, D-galactose) và các acidđường. Xylan là thành phần thườngthấy trong các thân gỗ cứng, tuynhiên glucomanan lại là thành phầnchính trong các loại thực vật thânmềm. Tổ hợp enzyme để thủy phânhemicellulose cũng rất phức tạp. Vídụ để thủy phân xylan thì tổ hợpenzyme cần thiết là endo-1,4- Chuyển hóa pectin: pectin làthành phần chiếm thứ 3 trong nhómpolysaccharide cấu thành nên váchtế bào thực vật. Tương tự pectincũng có thể được chuyển hóa thànhcác dạng đường hòa tan, ethanolhay biogas. Một số enzyme liênquan để thủy phân pectin như:polymethylgalacturanosidase,exopolygalacturonase vàexopolygalacturanosidasehydrolase. Nguồn enzyme được sử dụngphổ biến hiện nay làtừ Trichodermareesei vàAspergillus niger. Hiệnnay, người ta đang thay thế dần cáchệ enzyme chịu nhiệt, chịu các điềukiện hóa học quá hạn. Hơn hết làcác nghiên cứu về phức hợpcellulosome của các vi khuẩn kỵkhí đang dần mở ra một con đườngmới nhằm tăng hiệu quả thủy phâncủa tổ hợp trên các loại nguyên liệulignocellulose.Bước 3: Lên men cồn từ hỗn hợpđường hòa tanĐể sản xuất một lượng cồn lớn, thìviệc lựa chọn một chủng nấm menthích hợp là rất cần thiết. Nhữnggiống nấm men thường được sửdụng trong công nghiệp sản xuấtcồn nhưSaccharomyces spp màhiện tại một số loài như S.Cerevisiea hay S. unvarum làgiống có khả năng tạo độ cồn cao(12-13%), hay đặc biệt S.oviformis có khả năng tạo độ cồn18% đặc biệt loài nấm men này cókhả năng lên men được rất nhiềuđường khác nhau như glucose,manose, saccharose, maltose vàrafinose, tuy nhiên không có khảnăng lên men galactose. Ngoài racòn có Zymononas mobilis cũngthường được sử dụng trong quátrình rượu hóa. Tuy nhiêncả Saccharomyces và Zymononassp đều thiếu hoàn toàn khả năngchuyển hóa các loại đường pentose.Khuynh hướng biến đổi gen của 2giống này nhằm giúp biểu hiện khảnăng chuyển hóa 2 loại đườngpentose phổ biến nhất là D-xylose,và L – arabinose cũng đã được pháttriển nhiều.Gần đây, người ta phát hiện thấy cómột số loài nấm men như Pichiastipitis, Candidashehatae và Pachyhysolentannophillus là những chủng có khảnăng chuyển hóa xylose mạnh vàđã được dùng trong sản xuấtethanol. Trong đó P. stipilis lại nổibật bởi khả năng sản xuất hàmlượng cồn cao và nhu cầu dinhdưỡng của chúng không quá phứctạp so với các giống nấm men khác.Ngoài ra, các chủng chịu nhiệt độcao như G. thermoglucosidasius,T.mathranii và T.saccharolyticum cũng đang đượcsử dụng. Quá trình lên men cồn củachúng có nhiều lợi ích hơn các quátrình chuyển hóa xảy ra ở nhiệt độtrung bình. Chúng có khả năng lênmen không chỉ đường pentose,hexose mà còn có khả năng lênmen cellobiose, thậm chí trong mộtsố trường hợp những cơ chấtpolycarbonhydrate phức tạp nhưcellulose. Quá trình lên men ở nhiệtđộ cao giúp quá trình thu hồi sảnphẩm dễ dàng hơn, bởi vì ethanolcó chứa nước (aqueous ethanol) sẽbốc hơi tại nhiệt độ 500C, đồng thờigiảm nồng độ cồn trong bồn lênmen nhằm giảm thiểu ảnh hưởngngược lại của nồng độ cồn đến sựphát triển của tế bào, từ đó giảmđược chi phí sản xuất.Bước 4: Chưng cất- khử nướcQuá trình tách nước và ti ...