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

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


Nguồn phế liệu nông nghiệp v
à lâm
nghiệp có bản chất l
à lignocellulose
đang được nghiên c
ứu sản xuất cồn
sinh học. Đó là một nguồn nguyên
liệu dồi dào, không nh
ững 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 m
ặt
lợi nhuận kinh tế và kỹ thuật chưa
tối ưu.

Bước 1: Quá trình tiền xử lý
nguyên liệu
Nhằm tạo ra một dạng cellulose
đơn giản hơn để cho quá trình thủy
phân dễ dàng hơn, các enzyme có
thể tiếp xúc tối đa với cơ chất
tương thích. Phương thức và hiệu
quả của quá trình tiền xử lý thay
đổi nhiều tùy thuộc vào đặc tính
cấu trúc của nguồn nguyên liệu
được lựa chọn.
Giai đoạn này bao gồm sử dụng cơ
học làm giảm kích thước nguyên
liệu và một số phương pháp hóa
sinh để loại lignin (lignin là thành
phần không thể chuyển đổi thành
ethanol). Rất nhiều phương pháp
được sử dụng bao gồm các phương
pháp hóa học trong đó phương
pháp xử lý bằng hơi nước kết hợp
xử lý bằng acid/alkali đang đư
ợc sử
dụng rộng rãi. Tuy nhiên xử lý
bằng phương pháp hóa học gây
nhiều tốn kém và ảnh hưởng nặng
đến môi trường, do đó hiện nay
phương pháp sinh học đang dần
được được hoàn thiện để thay thế
toàn phần hay sử dụng kết hợp với
các phương pháp hóa học. Bằng

cách sử dụng loại nấm như
Cyathus
sp, Streptomyces viridosporus,
Phelebia tremellosus, Pleurotus
florida
vàPeurotus cornucopiae có
khả năng thủy phân lignin và h
ỗ trợ
một phần thủy phân nguồn nguyên
liệu cellulose. Tuy nhiên, thời gian
xử lý kéo dài cũng là một hạn chế
lớn của phương pháp này.

Bước 2: Thủy phân nguồn
nguyên liệu bằng tổ hợp enzyme
Quá trình này gây tiêu tốn nhiều
chi phí trong giai đoạn sản xuất
cồn. Bằng kỹ thuật di truyền, các
nhà nghiên cứu đang hư
ớng đến tạo
ra một tổ hợp enzyme có thể thủy
phân nguồn nguyên liệu
lignocellulose hiệu quả nhất. Thủy
phân hoàn toàn nguồn
lignocellulose cần có những sự
chuyển đổi các
nhóm polysaccharide sau:
-glucosidase tạo ra sản phẩm
cuối cùng là glucose.-(1-4)
glycoside. Quá trình thủy phân

bằng tổ hợp enzyme cellulase bao
gồm cellobiohydrolase
(exoglucanase), endoglucase và -
D-glucose thông qua liên kết
Chuyển đổi cellulose: Cellulose l
à
loại polysaccharide đồng hình đư
ợc
cấu thành từ các đơn phân
-L-arabinofuranosidase.-
glucuronidase và -xylosidase, -
xylanse, Chuyển đổi
hemicellulose: hemicellulose là
thành phần dồi dào nhất thứ 2
trong nguồn nguyên liệu
lignocellulose (25-30%).
Hemicellulose là một loại polymer
dị hình được tạo bằng các đ
ơn phân
pentose (D-xylose, D-arabinose),
đơn phân hexose (D-mannose, D-
glucose, D-galactose) và các acid
đường. Xylan là thành phần thư
ờng
thấy trong các thân gỗ cứng, tuy
nhiên glucomanan lại là thành ph
ần
chính trong các loại thực vật thân
m
ềm. Tổ hợp enzyme để thủy phân

hemicellulose c
ũng rất phức tạp. Ví
dụ để thủy phân xylan thì tổ hợp
enzyme cần thiết là endo-1,4-
Chuyển hóa pectin: pectin là
thành ph
ần chiếm thứ 3 trong nhóm
polysaccharide cấu thành nên vách
tế bào thực vật. Tương tự pectin
cũng có thể được chuyển hóa th
ành
các dạng đường hòa tan, ethanol
hay biogas. Một số enzyme liên
quan để thủy phân pectin như:
polymethylgalacturanosidase,
exopolygalacturonase và
exopolygalacturanosidase
hydrolase.
Nguồn enzyme được sử dụng
phổ biến hiện nay là
từ Trichoderma
reesei vàAspergillus niger. Hiện
nay, ngư
ời ta đang thay thế dần các
h
ệ enzyme chịu nhiệt, chịu các điều
kiện hóa học quá hạn. Hơn hết là
các nghiên cứu về phức hợp
cellulosome của các vi khuẩn kỵ
khí đang dần mở ra một con đường

mới nhằm tăng hiệu quả thủy phân
của tổ hợp trên các loại nguyên li
ệu
lignocellulose.

Bước 3: Lên men cồn từ hỗn hợp
đường hòa tan
Để sản xuất một lượng cồn lớn, thì
việc lựa chọn một chủng nấm men
thích hợp là rất cần thiết. Những
giống nấm men thường được sử
dụng trong công nghiệp sản xuất
cồn nhưSaccharomyces spp mà
hiện tại một số loài như S.
Cerevisiea hay S. unvarum là
giống có khả năng tạo độ cồn cao
(12-13%), hay đặc biệt S.
oviformis có khả năng tạo độ cồn
18% đặc biệt loài nấm men này có
khả năng lên men được rất nhiều
đường khác nhau như glucose,
manose, saccharose, maltose và
rafinose, tuy nhiên không có khả
năng lên men galactose. Ngoài ra
còn có Zymononas mobilis cũng
thường được sử dụng trong quá
trình rượu hóa. Tuy nhiên
cả Saccharomyces và Zymononas
sp đều thiếu hoàn toàn khả năng
chuyển hóa các loại đư

ờng pentose.
Khuynh hướng biến đổi gen của 2
giống này nhằm giúp biểu hiện khả
năng chuyển hóa 2 loại đường
pentose phổ biến nhất là D-xylose,
và L – arabinose cũng đã đư
ợc phát
triển nhiều.
Gần đây, ngư
ời ta phát hiện thấy có
một số loài nấm men như Pichia
stipitis, Candida
shehatae và Pachyhysolen
tannophillus là nh
ững chủng có khả
năng chuyển hóa xylose mạnh và
đã được dùng trong sản xuất
ethanol. Trong đó P. stipilis lại nổi
bật bởi khả năng sản xuất hàm
lượng cồn cao và nhu cầu dinh
dưỡng của chúng không quá phức
tạp so với các giống nấm men khác.


Ngoài ra, các chủng chịu nhiệt độ
cao như G. thermoglucosidasius,
T.mathranii và T.
saccharolyticum cũng đang được
sử dụng. Quá trình lên men c
ồn của

chúng có nhiều lợi ích hơn các quá
trình chuyển hóa xảy ra ở nhiệt độ
trung bình. Chúng có khả năng lên
men không chỉ đường pentose,
hexose mà còn có khả năng lên
men cellobiose, th
ậm chí trong một
số trường hợp những cơ chất
polycarbonhydrate phức tạp như
cellulose. Quá trình lên men
ở nhiệt
độ cao giúp quá trình thu hồi sản
phẩm dễ dàng hơn, bởi vì ethanol
có chứa nước (aqueous ethanol) sẽ
bốc hơi tại nhiệt độ 50
0
C, đ
ồng thời
giảm nồng độ cồn trong bồn lên
men nhằm giảm thiểu ảnh hưởng
ngược lại của nồng độ cồn đến sự
phát triển của tế bào, từ đó giảm
được chi phí sản xuất.

Bước 4: Chưng cất- khử nước
Quá trình tách nước và tinh sạch
ethanol để đáp ứng đặc điểm kỹ
thuật của nhiên liệu

Tóm lại, sự biến đổi phế liệu nông

nghiệp thành các nguồn nhiên liệu
cụ thể là ethanol còn là thách thức
lớn cho các nhà nghiên cứu và nhà
sản xuất. Các chủng cần được cải
tiến để tăng cường tổng hợp tổ hợp
enzyme thủy phân hiệu quả hay
tăng cường khả năng chuyển hóa
nhiều dạng đường thành ethanol
bằng các kỹ thuật biến đổi gen,
biến đổi quá trình trao đổi chất nên
cần được phát triển để tạo ra nguồn
năng lượng chi phí thấp mà vẫn
không ảnh hưởng đến môi trường
trong tương lai.

Phước Toàn – Thanh Mai
Tài liệu tham khảo
1.
Raj Kumar, Sompal Singh,
Om V. Singh; 2008; Bioconversion
of lignocellulosic biomass:
Biochemical and molecular
perspectives, J Ind Microbiol
Biotechnol, 35:377-391.
2.
Antonie Margeot, Barbel
Hahn-Hagerdal, Maria Edlund,
Rapheal slade, Frederic Monot,
2009, New improvements for
lignocellulosic ethanol, Current

Opinion In Biotechnology, 20:372-
380
3.
Mark P. Taylor, Kirsten L.
Eley, Steve Martin, Marla I. tuffin,
Stephanaie G. Burton, Donald A.
Cowan, 2009, Thermophile
ethanologenensis future prospects
for second-generation bioethanol
production, Trends In
Biotechnology.
4.
Chiung – Fang Hiang, Ting-
Hsiang Lin, Gia-Luen Guo, Wen-
Song Hwang, 2009, Enhanced
ethanol production by fermentation
of rice straw hydrolysate without
detoxification using a newly
adapted strain of Pichia
stipitis, Bioresource Technology,
100 (2009) 3914-3920.