Sơ chế sinh khối bằng chất lỏng ion (Ionic liquids) -P1

Các hợp chất muối lỏng (còn gọi là chất lỏng ion) cho thấy sự hứa hẹn là một dung môi dùng cho xử lý sinh khối lignocellulose. Nhưng liệu sự tiếp cận này chỉ là một tò mò khoa học hay đây là một công nghệ tiên tiến trong sơ chế nguyên liệu đầu vào của nhiên liệu sinh học có thể thương mại hóa?Sinh khối lignocellulose là nguồn carbon tái sinh được và dồi dào bậc nhất trên hành tinh chúng ta. ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Sơ chế sinh khối bằng chất lỏng ion (Ionic liquids) -P1 Sơ chế sinh khối bằng chất lỏng ion (Ionic liquids) -P1Các hợp chất muối lỏng (còn gọi là chất lỏngion) cho thấy sự hứa hẹn là một dung môi dùngcho xử lý sinh khối lignocellulose. Nhưng liệu sựtiếp cận này chỉ là một tò mò khoa học hay đâylà một công nghệ tiên tiến trong sơ chế nguyênliệu đầu vào của nhiên liệu sinh học có thểthương mại hóa?Sinh khối lignocellulose là nguồn carbon tái sinhđược và dồi dào bậc nhất trên hành tinh chúngta. Chỉ tính riêng ở Mỹ thôi, người ta dự đoán cóhơn một tỷ tấn sinh khối tạo ra hàng năm. Sinhkhối lignocellulose có nguồn gốc từ cỏ, gỗ vàphần thải của gỗ, rơm rạ, lõi bắp, chất thải rắnhữu cơ trong sinh hoạt, phân và các nguồnkhác.Tường tế bào cây trong sinh khối lignocelluloselà các cấu trúc phức hợp chứa cellulose,hemicellulose và lignin ( Hình 1 và 2). Các phứchợp này khó bị phá vỡ thành các thành phầnpolymer và monomer đơn lẻ. Sự cứng vững củaphức hợp cấu trúc tạo vách tế bào này làm choviệc chuyển hóa sinh khối thành đường C5 vàC6 (xylose, glucose) trở nên khó khăn, tiêu tốnnhiều năng lượng và chi phí cao hơn so với tinhbột bắp, đường mía hoặc củ cải đường.Cellulose là phân tử polymer có mặt nhiều nhấttrong vách tế bào. Nó tạo nên 20-30% trọnglượng khô của vách tế bào. Liên kết beta 1,4 –glycoside giữa các đường đơn glucose chophép hình thành các vi sợi cellulose trong suốtquá trình sinh tổng hợp vách tế bào. Các vi sợicó tính kết tinh cao và cung cấp khung cấu trúcchính cho vách tế bàoVi sợi cellulose có một lớp hemicellulose áoquanh gắn nó gắn kết với các vi sợi khác.Hemicellulose được chức hóa giúp ổn định cấutrúc vách trong suốt quá trình sinh tổng hợpvách tế bào. Vì vậy, chúng khó có thể phân hủythành đường đơn.Hệ composite polysaccharide gồmhemicellulose và cellulose được bọc kín trongmột nền chất lignin dai dẻo chịu hóa chất và kỵnước. Lignin là một polymer sinh học phổ biếnthứ nhì thường được tìm thấy trong các cây cómạch nhựa. Nó là loại polymer dị thể gốc từphenylpropanoid. Lignin làm cho vách tế bàochịu được côn trùng, kháng vi khuẩn, chịu thờitiết và giúp truyền nước.Hình 2: Thành phần hóa học của vi sợi celluloseSự chuyển hóa nhờ men của sinh khối thànhcác đường đơn dựa vào bước sơ chế này.Bước sơ chế giúp phá vỡ các phức hợp cấutrúc lignin – carbonhydrate và gia tăng khả năngthâm nhập – tiếp xúc của các polysaccharideđến men thủy giải. Một trong những yêu cầuthiết yếu cần quan tâm đến trong sản xuất nhiênliệu sinh học từ sinh khối ligno-cellulose là côngnghệ sơ chế sinh khối phải hiệu quả và có chíphí phù hợp. Người ta ước tính rằng cứ trên mộtgallon sản phẩm , việc sơ chế sinh khối ngốnmất 19 – 22% chi phí sản xuất đứng sau việcchuẩn bị nạp liệu (30-32%).Một số phương pháp xử lý sơ bộ bằng vật lý,hóa học đi từ các công nghệ tiêu biểu trongcông nghiệp giấy và bột gỗ đang được phát triểnđể vượt qua những rào cản công nghệ ở hệ vậtliệu ligno-cellulose, gia tăng năng suất lên men,và cải thiện hiệu suất chuyển hóa lignocellulosethành các đường đơn. Các phương pháp xử lýbao gồm dùng acid loãng hoặc amoniac hoặcvôi hoặc bằng hơi quá nhiệt hoặc bằng cácdung môi hữu cơ để làm trương sinh khối, táchsợi cellulose trước khi thủy giải thành đườngđơn nhờ menTất cả các phương pháp trên đều có ưu nhượcđiểm. Hiện nay, chúng ta vẫn chưa có phươngpháp sơ chế sinh khối nào cho năng suất cao vàchi phí thấp trong chuyển hóa các loại sinh khốichứa lignocellulose thành đường đơn. Quá trìnhxử lý dùng acid sunfuric loãng hòa tan hiệu quảphần lớn các hemicellulose và một phần lignin.Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao hơn, bước xử lý nàytạo ra các sản phẩm polysaccharide giảm cấptrung gian gây ức chế sự lên men vi sinh dẫnđến giảm hiệu suất toàn phần của chuyển hóađường đơn. Phương pháp làm nở sợi bằngamoniac (AFEX) hữu hiệu trong sơ chế các phếphẩm nông nghiệp và lõi bắp nhưng nó đòi hỏicác điều kiện ngặt nghèo để xử lý hiệu quả cácphần gỗ mềm và gỗ cứng cũng như thu hồi táisử dụng amoniac. Cách sơ chế sử dụng vôihiệu quả nhất cũng cần oxy cao áp 200psi. Còndùng hơi quá nhiệt thì không hòa tan hiệu quảlignin và hiệu suất tạo đường đơn thấp hơn sovới các công nghệ sơ chế khác. Biện pháp sơchế sử dụng dung môi hữu cơ thường đòi hỏisự có mặt chất xúc tác và tách loại hoàn toàndung môi sau sử dụng. Sự tồn dư dung môitrong chế phẩm gây ức chế quá trình đườnghóa và lên men tiếp theo đó. ...