Sơ chế sinh khối bằng muối lỏng

Sơ chế sinh khối bằng muối lỏng (Ion liquids)Viết bởi Châu Thành Nhân Thứ sáu, 24 Tháng 12 2010 08:11 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? ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Sơ chế sinh khối bằng muối lỏng Sơ chế sinh khối bằng muối lỏng (Ion liquids)Viết bởi Châu Thành NhânThứ sáu, 24 Tháng 12 2010 08:11Các hợp chất muối lỏng (còn gọi là chất lỏng ion) cho thấy sự hứa hẹnlà một dung môi dùng cho xử lý sinh khối lignocellulose. Nhưng liệu sựtiếp cận này chỉ là một tò mò khoa học hay đây là một công nghệ tiêntiến trong sơ chế nguyên liệu đầu vào của nhiên liệu sinh học có thểthương mại hóa?Sinh khối lignocellulose là nguồn carbon tái sinh được và dồi dào bậc nhất trên hành tinhchúng ta. Chỉ tính riêng ở Mỹ thôi, người ta dự đoán có hơn một tỷ tấn sinh khối tạo ra hàngnăm. Sinh khối lignocellulose có nguồn gốc từ cỏ, gỗ và phần thải của gỗ, rơm rạ, lõi bắp,chất thải rắn hữu cơ trong sinh hoạt, phân và các nguồn khác.Tường tế bào cây trong sinh khối lignocellulose là các cấu trúc phức hợp chứa cellulose,hemicellulose và lignin ( Hình 1 và 2). Các phức hợp này khó bị phá vỡ thành các thànhphần polymer và monomer đơn lẻ. Sự cứng vững của phức hợp cấu trúc tạo vách tế bào nàylàm cho việc chuyển hóa sinh khối thành đường C5 và C6 (xylose, glucose) trở nên khókhăn, tiêu tốn nhiều năng lượng và chi phí cao hơn so với tinh bột bắp, đường mía hoặc củcải đường.Cellulose là phân tử polymer có mặt nhiều nhất trong 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 suốt quá trình sinh tổng hợp vách tế bào. Các visợi có tính kết tinh cao và cung cấp khung cấu trúc chính cho vách tế bàoVi sợi cellulose có một lớp hemicellulose áo quanh gắn nó gắn kết với các vi sợi khác.Hemicellulose được chức hóa giúp ổn định cấu trúc vách trong suốt quá trình sinh tổng hợpvách tế bào. Vì vậy, chúng khó có thể phân hủy thành đường đơn.Hệ composite polysaccharide gồm hemicellulose và cellulose được bọc kín trong một nềnchất lignin dai dẻo chịu hóa chất và kỵ nước. Lignin là một polymer sinh học phổ biến thứnhì thường được tìm thấy trong các cây có mạch nhựa. Nó là loại polymer dị thể gốc từphenylpropanoid. Lignin làm cho vách tế bào chịu 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 thành các đường đơn dựa vào bước sơ chế này. Bướcsơ chế giúp phá vỡ các phức hợp cấu trúc lignin – carbonhydrate và gia tăng khả năng thâmnhập – tiếp xúc của các polysaccharide đến men thủy giải. Một trong những yêu cầu thiếtyếu cần quan tâm đến trong sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối ligno-cellulose là côngnghệ sơ chế sinh khối phải hiệu quả và có chí phí phù hợp. Người ta ước tính rằng cứ trênmột gallon sản phẩm , việc sơ chế sinh khối ngốn mất 19 - 22% chi phí sản xuất đứng sauviệc chuẩn 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 triển để vượt qua những rào cản công nghệ ởhệ vật liệu ligno-cellulose, gia tăng năng suất lên men, và cải thiện hiệu suất chuyển hóalignocellulose thành các đường đơn. Các phương pháp xử lý bao gồm dùng acid loãng hoặcamoniac hoặc vôi hoặc bằng hơi quá nhiệt hoặc bằng các dung môi hữu cơ để làm trươngsinh khối, tách sợi cellulose trước khi thủy giải thành đường đơn nhờ menTất cả các phương pháp trên đều có ưu nhược điểm. Hiện nay, chúng ta vẫn chưa cóphương pháp sơ chế sinh khối nào cho năng suất cao và chi phí thấp trong chuyển hóa cácloại sinh khối chứa lignocellulose thành đường đơn. Quá trình xử lý dùng acid sunfuric loãnghòa tan hiệu quả phần lớn các hemicellulose và một phần lignin. Tuy nhiên, ở nhiệt độ caohơn, bước xử lý này tạo ra các sản phẩm polysaccharide giảm cấp trung gian gây ức chế sựlên men vi sinh dẫn đến giảm hiệu suất toàn phần của chuyển hóa đường đơn. Phươngpháp làm nở sợi bằng amoniac (AFEX) hữu hiệu trong sơ chế các phế phẩm nông nghiệp vàlõi bắp nhưng nó đòi hỏi các điều kiện ngặt nghèo để xử lý hiệu quả các phần gỗ mềm vàgỗ cứng cũng như thu hồi tái sử dụng amoniac. Cách sơ chế sử dụng vôi hiệu quả nhất cũngcần oxy cao áp 200psi. Còn dùng hơi quá nhiệt thì không hòa tan hiệu quả lignin và hiệusuất tạo đường đơn thấp hơn so với các công nghệ sơ chế khác. Biện pháp sơ chế sử dụngdung môi hữu cơ thường đòi hỏi sự có mặt chất xúc tác và tách loại hoàn toàn dung môi sausử dụng. Sự tồn dư dung môi trong chế phẩm gây ức chế quá trình đường hóa và lên mentiếp theo đó.Dùng muối lỏng làm dung môi cho lignocelluloseCác muối lỏng ( hay còn gọi là chất lỏng ion) là nhóm dung môi tương đối mới. Chúng đượcphát triển vào những năm thập niên 1980 như một thay thế thân thiện môi trường cho cácdung môi hữu cơ truyền thống. Một hợp chất muối lỏng gồm các anion và cation hữu cơ cósự kết hợp lỏng lẻo, có điểm nóng chảy thấp dưới 100 oC. Hiện có hàng trăm loại muối lỏngđược biết từ sự kết hợp rộng các anion và cation khác n ...