Xử lý gỗ keo tai tượng phế liệu ngành công nghiệp giấy trong môi trường trung tính và thủy phân bằng enzym cho sản xuất etanol sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

.......................................

NGUYỄN HOÀNG CHUNG

XỬ LÝ SƠ BỘ KEO TAI TƯỢNG PHẾ LIỆU NGÀNH
GIẤY TRONG MÔI TRƯỜNG TRUNG TÍNH VÀ
THUỶ PHÂN BẰNG ENZYM CHO SẢN XUẤT
ETANOL SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TS. DOÃN THÁI HOÀ

HÀ NỘI – 2010


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................2
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...............................................................3
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................4
CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT ETANOL SINH HỌC TỪ VẬT
LIỆU LIGNOXENLULOZA ......................................................................................8
1.1. Vật liệu lignoxenluloza ..................................................................................8
1.2. Phƣơng pháp chế biến vật liệu lignoxenluloza cho sản xuất etanol sinh học ..
......................................................................................................................10

1.3. Công nghệ tiền xử lý vật liệu lignoxenluloza ..............................................15
1.3.1. Phƣơng pháp cơ học .............................................................................18
1.3.2. Phƣơng pháp hóa học ............................................................................19
1.4. Công nghệ thủy phân hydratcacbon bằng enzym ........................................21
1.4.1. Hệ enzym thủy phân hydratcacbon .......................................................21
1.4.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình thủy phân bằng enzym ................23
1.5. Lên men dịch thủy phân thu etanol ..............................................................25
CHƢƠNG 2 – NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......27
2.1. Nguyên, vật liệu ...........................................................................................27
2.1.1. Nguyên liệu ...........................................................................................27
2.1.2. Vật tƣ và hóa chất ...................................................................................27
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................27
2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu .............................................................................27
2.2.2. Xác định thành phần hóa học của nguyên liệu ......................................27
2.2.3. Tiền xử lý nguyên liệu ...........................................................................28

i


2.2.4. Thủy phân bằng enzym .........................................................................28
2.2.5. Xác định hàm lƣợng đƣờng khử ............................................................30
2.2.6. Xác định độ cồn dịch sau lên men .........................................................31
2.2.7. Phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm ...................................................32
CHƢƠNG 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................36
3.1. Thành phần hóa học cơ bản của gỗ keo tai tƣợng phế liệu ..........................36
3.2. Nghiên cứu tiền xử lý nguyên liệu bằng một số tác nhân trung tính ...........37
3.2.1. Tiền xử lý theo phƣơng pháp Alcell ......................................................37
3.2.2. Tiền xử lý bằng nƣớc nóng có kiểm soát pH ........................................38
3.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của quá trình tiền xử lý lignoxenluloza đến hiệu quả
thủy phân bằng enzym ..........................................................................................40

3.3.1. Tối ƣu hóa điều kiện tiền xử lý phế liệu keo tai tƣợng bằng nƣớc nóng...
...............................................................................................................40
3.3.2. Nghiên cứu thủy phân bằng enzym các mẫu đã tiền xử lý ....................48
3.4. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả thủy phân xenluloza thành glucoza ............50
3.4.1. Phƣơng pháp chắt dịch định kỳ .............................................................50
3.4.2. Phƣơng pháp nghiền bi ..........................................................................51
3.5. Đánh giá khả năng lên men dịch thủy phân để thu etanol ...........................53
3.5.1. Một số chủng vi sinh vật sử dụng cho nghiên cứu lên men dịch thủy
phân ...............................................................................................................53
3.5.2. Đặc điểm sinh học các chủng vi sinh vật lên men đƣợc dịch thủy phân
bằng enzym .......................................................................................................53
3.5.3. Khả năng lên men dịch thủy phân .........................................................56
KẾT LUẬN ...............................................................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................59

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu có đƣợc trong luận văn này là hoàn toàn trung
thực. Tất cả các thí nghiệm đều do tôi trực tiếp tiến hành một cách nghiêm túc, tuyệt
đối không sao chép từ bất cứ nguồn nào.

Hà Nội, tháng10 năm 2010
Học viên

Nguyễn Hoàng Chung

1

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của một số loại phế thải nông nghiệp ........................8
Bảng 1.2: Các phƣơng pháp tiền xử lý vật liệu lignoxenluloza ................................16
Bảng 1.3. Đặc điểm một số phƣơng pháp tiền xử lý vật liệu lignoxenluloza ...........17
Bảng 2.1. Enzym Cellic CTec, HTec và đặc điểm ..................................................30
Bảng 3.1. Thành phần hóa học cơ bản của gỗ keo tai tƣợng phế liệu ......................36
Bảng 3.2. Hiệu suất đƣờng khử của giai đoạn Alcell và thủy phân xenluloza .........38
Bảng 3.3. Hiệu suất đƣờng khử của giai đoạn tiền xử lý bằng nƣớc nóng có kiểm
soát pH và thủy phân xenluloza ................................................................................40
Bảng 3.4. Các mức tiến hành thí nghiệm .................................................................41
Bảng 3.5. Ma trận thí nghiệm khảo sát điều kiện tối ƣu ..........................................42
Bảng 3.6. Bảng thống kê các hệ số bi và δi ..............................................................47
Bảng 3.7. Kết quả thí nghiệm tiến tới điều kiện tối ƣu .............................................48
Bảng 3.8. Kết quả thủy phân bằng enzym các mẫu nguyên liệu đã tiền xử lý .........49
Bảng 3.9. Sự thay đổi hiệu quả thủy phân xenluloza ................................................52
theo phƣơng pháp nghiền bi ......................................................................................52
Bảng 3.10. Đặc điểm sinh học chủng nấm men 17 so sánh với chủng
Saccharomyces cerevisae ..........................................................................................54
Bảng 3.11. Đặc điểm sinh học của chủng Pichia sp.09 so sánh với chủng Pichia
stipytis........................................................................................................................56
Bảng 3.9: Khả năng lên men của dịch thủy phân......................................................57

2


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ quá trình thủy phân bằng axit .........................................................11
Hình 1.2. Sơ đồ quá trình thủy phân bằng enzym ....................................................13
Hình 1.3. Tiền xử lý trong chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu ...........................15

Hình 1.4. Ba phản ứng đƣợc xúc tác bởi xenlulaza ..................................................22
Hình 1.5. Thủy phân xenluloza thành glucoza bằng enzym xenlulaza .....................23
Hình 3.1. Ảnh hƣởng của điều kiện xử lý bằng nƣớc nóng tới hiệu suất đƣờng khử
...................................................................................................................................42
Hình 3.2. Hiệu suất đƣờng khử của giai đoạn thủy phân bằng enzym (so với
xenluloza trong nguyên liệu đầu) ..............................................................................50
Hình 3.3. Sự thay đổi hiệu quả thủy phân xenluloza theo phƣơng pháp chắt dịch ..51
Hình 3.4. Hình thái tế bào và khuẩn lạc chủng nấm men 17 ....................................54
Hình 3.5. Hình thái tế bào và khuẩn lạc chủng Pichia sp. 09 ...................................55

3


MỞ ĐẦU
Việc sử dụng sinh khối thực vật, nguồn vật liệu có thể tái tạo có chứa
cacbohydrat, nhƣ tinh bột, hemixenluloza và xenluloza, để sản xuất nhiên liệu cho
vận tải đang là vấn đề đƣợc quan tâm hàng đầu hiện nay. Etanol hiện nay là một sản
phẩm quan trọng của thị trƣờng nhiên liệu. Nó đƣợc xem nhƣ là nhiên liệu “sạch”
bởi nguồn gốc tự nhiên và tính thân thiện với môi trƣờng. Mỹ là một trong số quốc
gia đi đầu trong việc phát triển nhiên liệu etanol. Thị trƣờng etanol đã mở rộng rất
nhanh chóng từ một tỷ lít năm 1975 đến hơn 39 tỷ lít năm 2006 và đƣợc dự đoán sẽ
đạt 100 tỷ lít vào năm 2015. Việc sử dụng 10,6 tỷ gallon etanol năm 2009 đã làm
giảm 16,5 triệu tấn khí nhà kính từ các phƣơng tiện vận tải, tƣơng đƣơng việc giảm
2,7 triệu phƣơng tiện giao thông trên đƣờng [13]. Sản lƣợng etanol nhiên liệu năm
2007 của Mỹ khoảng 6,5 tỷ gallon, chiếm 35% tổng sản lƣợng thế giới. Việc sản
xuất và sử dụng gần 5 tỷ gallon etanol năm 2006 đã giúp Mỹ giảm sự lệ thuộc vào
lƣợng dầu nhập khẩu (khoảng 170 triệu thùng dầu). Dự kiến tới cuối năm 2010, sản
lƣợng etanol nhiên liệu của Mỹ có thể tăng lên tới 10 tỷ gallon [20].
Nƣớc Mỹ tiêu thụ hơn 140 tỷ gallon xăng chỉ cho ô tô. Năm 2007, việc sử dụng
100% ngô để sản xuất etanol cũng chỉ cung cấp đƣợc 35 tỷ gallon nhiên liệu, đáp

ứng 16% nhu cầu. Việc chuyển hóa sinh khối chứa xenluloza nhƣ phế thải nông
nghiệp thành nhiên liệu và các hóa chất mang lại nhiều lợi ích về mặt kinh tế, môi
trƣờng, và những lợi ích mang tính chiến lƣợc. Quá trình sinh học sử dụng enzym
xenlulaza cho hiệu suất đƣờng cao đồng thời mang lại hiệu quả kinh tế. DOE
(Department of Energy) và USDA (United State of Department of Agriculture) đã
công bố rằng nguồn sinh khối mà Mỹ có thể cung cấp cho sản xuất nhiên liệu sinh
học là khoảng 1,3 tỷ tấn nguyên liệu khô, chiếm khoảng 40% nhu cầu nhiên liệu
hàng năm cho ngành vận tải ở nƣớc này [16].
Các số liệu thống kê cho thấy, chỉ có khoảng 4% etanol đƣợc tổng hợp từ dầu,
trong khi phần lớn đƣợc sản xuất từ quá trình lên men các nguyên liệu sinh học.

4


Hiện nay etanol đƣợc sản xuất từ hai nhóm nguyên liệu sinh học chính đó là: các
nguyên liệu chứa đƣờng và các nguyên liệu chứa tinh bột. Hai loại nguyên liệu này
có tính cạnh tranh trong việc sản xuất etanol. Nếu nhƣ đầu những năm 2000, hơn
60% etanol nhiên liệu đƣợc sản xuất từ các nguyên liệu chứa đƣờng thì tới năm
2006 tỷ lệ này giảm xuống còn 47%, từ nguyên liệu ngũ cốc chiếm 53%.
Cũng nhƣ dầu, etanol có một thị trƣờng tiềm năng lớn. Nó có thể thay thế cho
toàn bộ thị trƣờng nhiên liệu. Hơn nữa, các loại nhựa nhƣ polyetylen có thể đƣợc
sản xuất từ etanol (qua etylen). Tuy nhiên, trữ lƣợng các vật liệu chứa đƣờng và ngũ
cốc là có giới hạn. Chúng là những nguyên liệu đắt tiền để sản xuất etanol, bên cạnh
đó, nó còn là nguồn cung cấp thực phẩm cho con ngƣời. Sự cạnh tranh này có thể
dẫn tới giá các loại ngũ cốc và đƣờng tăng cao trong tƣơng lai. Hơn nữa, tính kinh
tế của quá trình sản xuất etanol từ ngũ cốc phụ thuộc vào thị trƣờng cho các sản
phẩm phụ của nó, chẳng hạn nhƣ bột ngũ cốc qua chế biến có thể sử dụng làm thức
ăn chăn nuôi gia súc, phân bón nông nghiệp…
Các vật liệu lignoxenluloza tuy là những nguồn nguyên liệu dồi dào cho sản
xuất etanol nhiên liệu nhƣng hiện nay còn ít đƣợc sử dụng. Lignoxenluloza có thể

đƣợc thu mua với giá thấp từ nhiều nguồn khác nhau, chẳng hạn nhƣ từ phế liệu gỗ,
chất thải rắn, giấy loại, và các sản phẩm thừa của mùa vụ. Những vật liệu này chứa
đƣờng đã đƣợc polyme hóa ở dạng xenluloza và hemixenluloza, những chất có thể
đƣợc giải phóng nhờ quá trình thủy phân và sau đó lên men bằng vi sinh vật thành
etanol.
Ở nƣớc ta vấn đề tận dụng phế liệu, phế thải sinh khối chứa xenluloza nói
chung cho sản xuất etanol và các sản phẩm khác chƣa đƣợc quan tâm đúng mức, khi
mà các dạng phế liệu này không còn đƣợc sử dụng làm chất đốt sinh hoạt nhiều nhƣ
trƣớc đây nữa. Đây là một sự lãng phí lớn và gây không ít vấn đề về bảo vệ môi
trƣờng. Theo thống kê [22], năm 1999 cả nƣớc đã có 669.505 ha rừng keo và bạch
đàn, chủ yếu là Keo tai tƣợng và Bạch đàn urophyla, tập trung ở các vùng Tây Bắc,
Đông Bắc, Đồng bằng sông Hồng, Bắc Trung Bộ, Duyên hải Nam Trung Bộ, Tây
5


Nguyên, Đông Nam Bộ, Đồng bằng sông Cửu Long. Tốc độ tăng trƣởng trung bình
hàng năm đạt trên 5%. Riêng gỗ nguyên liệu, nƣớc ta hiện nay có khoảng 300.000
ha rừng nguyên liệu giấy, mỗi năm trồng mới khoảng 7.000 ha. Với năng suất bình
quân 10  12 m3/ha, sản lƣợng gỗ nguyên liệu giấy có thể đạt trên 3 triệu m3/năm,
tức trên 1,5 triệu tấn. Hiện nay, mỗi năm ngành giấy tiêu thụ khoảng 250.000 tấn
nguyên liệu gỗ, chủ yếu là gỗ keo tai tƣợng và bạch đàn. Phế liệu gỗ (gỗ nhỏ, cành
nhánh, mảnh vụn) chiếm khoảng 10  15%, mỗi năm riêng phế liệu gỗ của ngành
giấy đã vào khoảng 25  30 ngàn tấn. Qua đó có thể thấy không chỉ phế liệu ngành
giấy, chủ yếu là gỗ keo và bạch đàn, mà nguyên liệu gỗ chỉ tính các loại không phù
hợp cho sản xuất đồ mộc và làm nguyên liệu giấy cũng rất lớn. Vì vậy, không còn
nghi ngờ gì nữa, gỗ và phế liệu gỗ ở nƣớc ta là nguồn nguyên liệu rất tiềm năng cho
sản xuất etanol.
Việc lựa chọn phƣơng pháp tiền xử lý vật liệu lignoxenluloza có ảnh hƣởng lớn
tới chi phí của giai đoạn thủy phân bằng enzym tiếp theo. Mục đích của giai đoạn
tiền xử lý là làm biến đổi hoặc loại bỏ những thành phần gây ức chế quá trình thâm

nhập của enzym vào cơ chất. Việc sử dụng các tác nhân hóa học rẻ tiền nhƣ axit,
bazo, dung môi hữu cơ để tách loại hemixenluloza và lignin khỏi vật liệu
lignoxenluloza đã cho kết quả tốt để lên men bằng enzym [5,6]. Tuy nhiên, khi sử
dụng những hóa chất này, có nhiều vấn đề đặt ra nhƣ thiết bị phải chịu ăn mòn,
những ảnh hƣởng tiêu cực tới môi trƣờng, cũng nhƣ là tới giai đoạn tiếp theo (chẳng
hạn nhƣ giai đoạn lên men).
Sử dụng những tác nhân trung tính nhƣ nƣớc, hay các phƣơng pháp cơ học
đang là xu hƣớng hiện nay nhằm hạn chế tối thiểu việc xử lý thải ra môi trƣờng. Ở
khoảng nhiệt độ 200oC, nƣớc và các nhóm axetyl đóng vai trò nhƣ những axit, do
đó chúng sẽ hòa tan đƣợc cả hemixenluloza và lignin khỏi vật liệu lignoxenluloza.
Việc sử dụng thêm phƣơng pháp cơ học nhƣ nghiền bi đối với nguyên liệu sau khi
đã đƣợc xử lý bằng nƣớc, giúp cho quá trình xử lý sau này dễ dàng hơn. Hơn nữa,

6


việc giảm độ tinh thể của xenluloza nhờ nghiền bi đƣợc biết là có tác dụng làm tăng
hiệu quả xử lý bằng enzym .
Xuất phát từ thực tế trên, tôi đã thực hiện luận văn với đề tài:
“Xử lý sơ bộ gỗ keo tai tượng phế liệu ngành giấy trong môi trường trung
tính và thủy phân bằng enzym cho sản xuất etanol sinh học.”
Mục tiêu của đề tài: Thiết lập các điều kiện tối ƣu của quá trình xử lý sơ bộ và
thủy phân bằng enzym gỗ keo tai tƣợng phế liệu để thu etanol.
Đối tượng nghiên cứu: gỗ keo tai tƣợng phế liệu của nhà máy Giấy Bãi Bằng,
thuộc Tổng Công ty Giấy Việt Nam, Phù Ninh, Phú Thọ.
Nội dung nghiên cứu:
- Xác định thành phần hóa học cơ bản của nguyên liệu;
- Nghiên cứu điều kiện tiền xử lý tối ƣu nguyên liệu bằng nƣớc ở nhiệt độ cao;
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian nghiền bi tới hiệu suất đƣờng khử của
mẫu bột gỗ đã qua xử lý bằng nƣớc ở nhiệt độ cao;

- Thiết lập một quy trình xử lý khả thi đối với gỗ keo tai tƣợng phế liệu và thủy
phân bằng enzym cho sản xuất etanol.
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài: Các kết quả thu đƣợc là cơ sở
cho việc xây dựng và hoàn thiện các quy trình công nghệ khả thi về đƣờng hóa
nguyên liệu gỗ keo tai tƣợng bằng enzym.

7


CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT ETANOL
SINH HỌC TỪ VẬT LIỆU LIGNOXENLULOZA
1.1. Vật liệu lignoxenluloza
Lignoxenluloza có thể ví nhƣ những viên gạch cơ bản cấu tạo nên thành tế bào.
Sinh khối thực vật đƣợc cấu tạo chủ yếu từ xenluloza, hemixenluloza và lignin, một
lƣợng nhỏ pectin, protein, các chất trích ly (vật liệu phi cấu trúc dạng có thể hòa tan
nhƣ các loại đƣờng phi cấu trúc, vật liệu chứa nitơ, clorophyll, sáp) và tro. Thành
phần của các chất này khác nhau tùy theo loại cây. Ví dụ, gỗ cứng chứa nhiều
xenluloza, trong khi lúa mỳ, rơm rạ hay lá cây lại chứa nhiều hemixenluloza (Bảng
1.1).
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của một số loại phế thải nông nghiệp [13]
Vật liệu
lignoxenluloza
Gỗ cứng
Gỗ mềm
Cỏ
Giấy
Lá cây
Vỏ đậu tƣơng
Lõi ngô

Hemixenluloza
(%)
24 – 40
25 – 35
35 – 50
0
80 – 85
25 – 30
35

Xenluloza (%)
40 - 55
45 - 50
25 – 40
85 – 90
15 – 20
25 – 30
45

Lignin (%)
18 – 25
25 – 35
10 – 30
0 – 15
0
30 – 40
15

Vật liệu lignoxenluloza chứa hỗn hợp các polyme cacbohydrat (xenluloza và
hemixenluloza), lignin, các chất trích ly và các chất khoáng. Khái niệm

holoxenluloza thƣờng đƣợc sử dụng để mô tả tổng cacbohydrat có trong cây.
Xenluloza là thành phần cấu trúc chính của thành tế bào cây và đƣợc tìm thấy
trong cấu trúc có tổ chức của các xơ sợi trong cây. Đó là polyme mạch thẳng gồm
các đơn vị mắt xích D – glucoza liên kết với nhau nhờ các đơn vị liên kết β – (1,4) –
glycozit. Xenlobioza là đơn vị lặp lại sau mỗi liên kết và cấu tạo nên chuỗi
xenluloza. Các polyme xenluloza dạng chuỗi dài đƣợc liên kết với nhau bởi liên kết

8


hydro và liên kết Van der Waals, làm cho xenluloza bị bó lại trong các vi xơ.
Hemixenluloza và lignin bao phủ các vi xơ này. Đƣờng D – glucoza dùng lên men
có thể đƣợc sản xuất từ xenluloza nhờ tác động của axit hay enzym gây phá vỡ các
liên kết β – (1,4) – glycozit. Xenluloza trong sinh khối tồn tại ở cả dạng tinh thể và
dạng vô định hình. Xenluloza tinh thể chiếm thành phần chủ yếu của xenluloza,
trong khi đó chỉ một lƣợng nhỏ các chuỗi xenluloza không đƣợc sắp xếp tạo thành
dạng xenluloza vô định hình. Xenluloza ở dạng vô định hình dễ bị phân hủy.
Điểm khác biệt chủ yếu của xenluloza với hemixenluloza là hemixenluloza có
các mạch nhánh với các chuỗi bên ngắn chứa các loại đƣờng khác nhau. Những
monosaccarit này chứa pentoza (xyloza, rhamnoza, và arabinoza), hexoza (glucoza,
mannoza, và galactoza), và các axit uronic (ví dụ: axit 4-o-methylglucuronic, Dglucuronic, và D-galactouronic). Mạch chính của hemizenluloza cũng có thể là
polyme đồng nhất hoặc polyme không đồng nhất với các nhánh ngắn đƣợc liên kết
nhờ các liên kết β-(1,4)-glycozit và đôi khi là liên kết β-(1,3)-glycozit.
Lignin là một phân tử rất phức tạp đƣợc tạo thành bởi các đơn vị phenyl propan
liên kết với nhau theo cấu trúc ba chiều. Thông thƣờng, các loại gỗ mềm chứa nhiều
lignin hơn các loại gỗ cứng. Các liên kết hóa học giữa lignin và hemixenluloza thậm
chí là với xenluloza đã đƣợc tổng kết. Lignin là chất rất bền với hóa chất và enzym.
Các chất trích ly là các hợp chất trong gỗ tan trong dung môi hữu cơ trung tính
hoặc nƣớc. Các chất trích ly thƣờng chiếm một phần rất nhỏ (khoảng 1 – 5%) trong
vật liệu lignoxenluloza. Chúng chứa một số lƣợng lớn cả phần ƣa nƣớc và phần kị

nƣớc. Các chất trích ly có thể đƣợc phân thành 4 nhóm: (a) tecpenoit và steroit, (b)
nhựa và các chất béo, (c) các nhóm thơm, và (d) các chất vô cơ.
Lignin đƣợc xem là thành phần gây trở ngại chính cho quá trình thủy phân bằng
enzym. Lignin tạo thành lớp màng rắn xung quanh vi xơ xenluloza và làm cản trở
liên kết đồng hóa trị với hemixenluloza (Agosin và cộng sự, 1985; Chang và
Holtzapple, 2000; Chesson cùng các cộng sự, 1983). Lignin và những dẫn xuất của

9


nó cũng độc đối với các vi sinh vật đồng thời ức chế sự thủy phân bằng enzym. Các
chất mang chứa lignin thấp có thể cải thiện hoạt tính của vi khuẩn và hiệu quả của
enzym, và do đó làm giảm lƣợng enzym tiêu tốn.
Do lignin là phần bền nhất trong thành tế bào của cây nên thành phần lignin
càng cao thì khả năng bị biến đổi sinh học của cơ chất càng thấp. Ngƣời ta cho rằng
ảnh hƣởng của lignin tới khả năng sinh học của các cấu tử khác trên thành tế bào là
sự cản trở vật lý, các phân tử lignin làm giảm diện tích bề mặt hiệu dụng đối với sự
thẩm thấu và hoạt tính của enzym (Haug, 1993). Tuy nhiên việc tách loại hoàn toàn
lignin trong sinh khối là rất khó khăn vì vị trí sâu trong thành tế bào (Timell, 1967),
tính kỵ nƣớc, độ cứng vật lý, các liên kết đa chuỗi bền C–O–C, C–C, và xu hƣớng
đa tụ của nó (phức lignin – cacbohydrat) trong quá trình tách loại lignin.
Sự phân hủy lignin là chìa khóa của quá trình chuyển hóa sinh hóa và chuyển
hóa sinh học của sinh khối thực vật, do các polisaccarit thành tế bào gỗ đƣợc bảo vệ
bởi lignin khỏi quá trình thủy phân bằng enzym. Trong tiền xử lý cho quá trình
đƣờng hóa bằng enzym và lên men bằng vi sinh vật, mạng lƣới lignin phải đƣợc phá
vỡ với mất mát các polisaccarit thành tế bào là thấp nhất.
Các công nghệ sản xuất etanol từ sinh khối thực vật chứa xenluloza hiện nay
đƣợc chia thành 2 dạng, chủ yếu khác biệt nhau bởi công đoạn thủy phân xenluloza
thành glucoza.
1.2. Phương pháp chế biến vật liệu lignoxenluloza cho sản xuất etanol sinh học

Phương pháp thủy phân bằng axit [10]
Quá trình sản xuất etanol từ sinh khối chứa xenluloza có thể biểu diễn bằng sơ
đồ sau:

10


Nguyên liệu
chứa xenluloza

Nghiền hoặc
băm nhỏ

Thủy phân
bằng axit
Xử lý nƣớc thải,
chƣng bốc hoặc
sản xuất biogas

Dung dịch đường

Chƣng cất

Xử lý dịch
thủy phân

Lên men

Etanol (90-95%)
Tinh cất

Etanol (>99%)

Hình 1.1. Sơ đồ quá trình thủy phân bằng axit
Đây đƣợc xem là công nghệ truyền thống sản xuất etanol từ sinh khối chứa
xenluloza. Sản xuất etanol từ gỗ (gỗ và phế liệu gỗ nhƣ cành nhánh, mùn cƣa, dăm
mảnh vụn…) và các dạng nguyên liệu chứa xenluloza khác (nhƣ lõi ngô, vỏ hạt
hƣớng dƣơng, thân cây ngũ cốc…) theo phƣơng pháp thủy phân bằng axit đã đƣợc
áp dụng ở quy mô công nghiệp từ những năm 1930 tại Nga. Hiện nay tại Nga có 16
nhà máy thủy phân đang hoạt động, chủ yếu sản xuất etanol và các sản phẩm chứa
cồn từ gỗ và phế liệu gỗ các loại. Ngày nay, công nghệ này ngày càng đƣợc hoàn
thiện với việc áp dụng công nghệ tiền xử lý nguyên liệu bằng kiềm loãng hoặc tiền
thủy phân bằng dung dịch axit loãng ở nhiệt độ cao để tách loại hemixenluloza hoặc
nổ hơi để tăng hiệu quả thủy phân… Công đoạn thủy phân chính (thủy phân phần
xenluloza) đƣợc tiến hành trong các thiết bị thủy phân chịu áp, ở nhiệt độ cao, sử
dụng xúc tác là các axit loãng và một số muối. Công nghệ thủy phân thế chỗ dịch
đƣợc áp dụng rộng rãi nhằm giảm mức độ phân hủy glucoza ở nhiệt độ cao. Dịch
thủy phân thu đƣợc mang xử lý (trung hòa, lọc trong, làm sạch) để đạt điều kiện cần
thiết cho quá trình lên men đạt hiệu quả cao. Quá trình lên men glucoza thành etanol
đƣợc thực hiện bởi chủng vi sinh vật Saccharomyces cerevisiae. Có nhiều nghiên
cứu chuyển hóa các đƣờng pentoza thành etanol bằng các chủng vi sinh vật, nhƣ
Candida, Pichia, Schizosaccharomyces hay các loại nấm nhƣ Fusarium, Mucor,
Rhyzopus…, tuy nhiên việc phân lập các chủng vi sinh vật này để sản xuất ở dạng
11


thƣơng mại đang gặp nhiều khó khăn. Mặc dù vậy, đây đƣợc xem là bƣớc tiếp theo
trong công nghệ sản xuất etanol từ sinh khối. Công đoạn cuối cùng là thu hồi etanol.
Về vấn đề này có nhiều nghiên cứu áp dụng công nghệ màng, cải tiến quá trình
chƣng cất và tinh cất nhiều giai đọan, tiết kiệm năng lƣợng và thu cồn tuyệt đối

(nồng độ đạt 99,9 %).
Tuy đƣợc ứng dụng rộng rãi nhƣng công nghệ thủy phân bằng axit loãng vẫn
còn nhiều nhƣợc điểm: quá trình tiến hành ở nhiệt độ và áp suất cao dẫn đến giá
thành chế tạo thiết bị cao và vận hành phức tạp, hiệu suất etanol không cao và chứa
nhiều tạp chất, vấn đề môi trƣờng…Từ 1 tấn gỗ khô gió có thể thu khoảng 250 lít
etanol thô. Nhìn chung, hiệu suất chuyển hóa đƣờng chỉ đạt khoảng 50%. Vì vậy,
các kết quả nghiên cứu về công nghệ thủy phân bằng axit sunfuric đậm đặc cho thấy
đây là công nghệ có nhiều triển vọng. Thủy phân bằng axit đậm đặc đƣợc tiến hành
ở nhiệt độ trung bình, không đòi hỏi phải sử dụng thiết bị bơm cao áp khi vận hành.
Quá trình này đã đƣợc nghiên cứu và thử nghiệm tại Trƣờng Đại học Tổng hợp
Purdue và Tennesse Valley Authority (Mỹ) năm 2001. Nguyên liệu sử dụng là thân
cây ngô. Quá trình thủy phân đƣợc tiến hành trong hai giai đoạn với các nồng độ
axit khác nhau. Dịch thủy phân đƣợc tiếp tục lên men và thu etanol. Nhƣợc điểm
lớn nhất của phƣơng pháp này là những bất lợi trong việc sử dụng axit nồng độ cao
và mức tiêu hao axit lớn.
Nhƣ vậy, thủy phân bằng axit là một trong những phƣơng pháp hiệu quả để sản
xuất etanol từ gỗ và sinh khối chứa xenluloza. Tuy nhiên, vấn đề cần quan tâm là
phế thải từ quá trình sản xuất, phần lớn là lignin (tới 20  30% so với nguyên liệu
ban đầu) đến nay chƣa tận dụng hiệu quả. Phần lớn lignin đƣợc sử dụng làm chất
đốt, một lƣợng nhỏ đƣợc sử dụng sản xuất chất hoạt động bề mặt, phụ gia bê tông,
phân bón... Đây cũng là vấn đề cần đƣợc quan tâm nghiên cứu.

12


Phương pháp thủy phân bằng enzyme [11]
Để chuyển hóa xenluloza thành đƣờng có thể sử dụng tác nhân là enzym thay
cho các axit vô cơ. Đây đƣợc xem là công nghệ mới thân thiện môi trƣờng trong
lĩnh vực chế biến vật liệu chứa xenluloza. Trong vài thập niên gần đây có rất nhiều
nghiên cứu của các nhà khoa học ở nhiều quốc gia về vấn đề này và đã mang lại

những kết quả đáng kể. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu này, quá trình sản xuất
etanol từ nguyên liệu chứa xenluloza bằng enzym có thể biểu diễn bằng sơ đồ sau:
Nguyên liệu
chứa xenluloza

Tiền xử lý
nguyên liệu

Lên men

Làm sạch

Etanol

Thủy phân
bằng enzym

Hình 1.2. Sơ đồ quá trình thủy phân bằng enzym
Quá trình xử lý nguyên liệu đƣợc tiến hành nhằm tăng khả năng phản ứng của
xenluloza, loại bỏ các thành phần không cần thiết của nguyên liệu và tăng khả năng
tiếp cận của enzym đối với xenluloza trong quá trình thủy phân. Quá trình này đƣợc
thực hiện bằng nhiều phƣơng pháp: hóa học, lý học, hóa-lý học, cơ học và bằng
nhiều tác nhân khác nhau. Kết quả là hiệu suất phân hủy (thủy phân) của xenluloza
tăng, tức hiệu suất đƣờng tăng.
Quá trình chuyển hóa xenluloza thành glucoza đƣợc thực hiện bởi các enzym
phân hủy xenluloza (xenlulaza), là các chất xúc tác đặc hiệu. Quá trình này đƣợc
thực hiện ở điều kiện “mềm” (pH khoảng 4,5  5,0; nhiệt độ 40  50oC), vì vậy
không gây ăn mòn thiết bị, vận hành và yêu cầu thiết bị đơn giản. Không độc hại là
một trong những ƣu điểm lớn nhất của công nghệ này. Hiện nay đã có nhiều loại
enzym thƣơng phẩm sử dụng cho thủy phân xenluloza của các hãng nhƣ

Novozymes (Đan Mạch), Genecor (Mỹ) hay Iogen (Canada). Tuy nhiên các nghiên
cứu cơ bản và ứng dụng đều cho thấy khả năng chuyển hóa đƣờng từ nguyên liệu

13


gỗ và phi gỗ còn thấp và phụ thuộc nhiều vào quá trình xử lý nguyên liệu trƣớc khi
thủy phân.
Công nghệ thủy phân bằng enzym sẽ khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm của
công nghệ thủy phân bằng axit (nhƣ tiêu hao năng lƣợng cao, ảnh hƣởng môi trƣờng,
vận hành quá trình phức tạp). Tuy nhiên, vấn đề mấu chốt ở đây là hiệu quả thủy
phân bằng enzym chỉ đạt đƣợc mức độ cao khi kích thƣớc nguyên liệu phải đủ nhỏ
và phải đƣợc xử lý sao cho khả năng thẩm thấu của dung dịch chứa enzym vào
nguyên liệu diễn ra một cách tốt nhất. Mặc dù vậy, trong đại đa số các trƣờng hợp,
thời gian của quá trình sản xuất etanol theo công nghệ này vẫn kéo dài hơn nhiều lần
so với công nghệ thủy phân bằng axit.
Hiệu quả của quá trình thủy phân phụ thuộc lớn vào quá trình tiền xử lý sinh
khối thực vật trƣớc khi đƣa vào thủy phân. Quá trình tiền xử lý có thể là quá trình
tốn nhiều chi phí nhất trong quá trình chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu nhƣng
nó sẽ góp phần to lớn trong việc cải thiện hiệu quả và giảm giá thành etanol.
Những yếu tố ảnh hƣởng tới thủy phân xenluloza gồm: độ xốp (diện tích bề
mặt hiệu dụng) của vật liệu sinh khối, độ tinh thể của xơ sợi xenluloza; hàm lượng
của lignin và hemixenluloza. Sự có mặt của lignin và hemixenluloza làm cho khả
năng thâm nhập vào xenluloza của enzym xenlulaza khó khăn hơn, do đó làm giảm
hiệu quả của quá trình thủy phân.
Các chuỗi phân tử xenluloza cũng có thể bị phá vỡ thành các phân tử đƣờng
glucoza riêng biệt nhờ enzym xenlulaza. Xenlulaza là một họ enzym đƣợc sản xuất
từ nấm, vi khuẩn và các động vât nguyên sinh và đóng vai trò xúc tác cho quá trình
thủy phân xenluloza. Tuy nhiên, cũng có những loại enzym xenlulaza đƣợc sản xuất
từ thực vật hoặc động vật. Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cơ thể trong dạ dày của một

số loài động vật nhai lại nhƣ bò và cừu, nơi mà các enzym đƣợc sản sinh ra nhờ vi
khẩn đƣờng ruột. Lignoxenluloza có thể đƣợc thủy phân tƣơng tự bằng enzym trong

14


điều kiện mềm (50oC và pH ~ 5), có thể phá vỡ cấu trúc xenluloza một cách hiệu
quả mà không tạo các sản phẩm phụ gây ức chế hoạt tính của enzym.
Đƣờng 6C hay hexoza gồm glucoza, galactoza, và mannoza đƣợc lên men
thành etanol nhờ sự có mặt của nhiều vi sinh vật. Men Baker, hay Saccharomyces
cerevisiae, thƣờng đƣợc dùng trong công nghiệp bia rƣợu để sản xuất etanol từ
hexoza. Do bản chất phức tạp của cacbohydrat có mặt trong vật liệu lignoxenluloza,
các loại đƣờng 5C nhƣ xyloza, và arabinoza, bắt nguồn từ phần hemixenluloza của
lignoxenluloza, cũng có mặt trong sản phẩm thủy phân. Ví dụ, sản phẩm thủy phân
của rơm rạ chứa khoảng 30% xyloza so với các loại đƣờng có thể lên men.
1.3. Công nghệ tiền xử lý vật liệu lignoxenluloza [12]
Những lợi ích của việc tiền xử lý lignoxenluloza đã đƣợc biết tới từ lâu. Mục
đích của quá trình tiền xử lý là tách loại lignin và hemixenluloza, giảm độ tinh thể
của xenluloza, và làm tăng độ xốp của vật liệu lignoxenluloza (hình 1.3). Tiền xử lý
phải đảm bảo những yêu cầu sau: (1) cải thiện sự tạo đƣờng hoặc khả năng thủy
phân thu đƣờng sau này, (2) tránh sự phân hủy hoặc mất mát cacbohydrat, (3) tránh
tạo các sản phẩm phụ gây ức chế quá trình thủy phân và lên men, và (4) chi phí hợp
lý.

Hình 1.3. Tiền xử lý trong chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu

15


Các phƣơng pháp tiền xử lý có thể đƣợc chia thành các nhóm khác nhau: vật lý

(cắt, nghiền, chiếu xạ…), hóa lý (tiền xử lý bằng hơi, nhiệt phân, và oxy hóa ẩm),
hóa học (kiềm, axit loãng, tác nhân oxy hóa, và các dung môi hữu cơ), sinh học,
điện, hay kết hợp các phƣơng pháp trên (bảng 1.2).
Bảng 1.2: Các phương pháp tiền xử lý vật liệu lignoxenluloza
Vật lý

Nghiền bi, nghiền hai lô, nghiền búa, nghiền bằng năng lƣợng dao
động, nhiệt phân, bức xạ γ, vi sóng
Kiềm – NaOH, NH3, amoni sulfat

Hóa học

Axit – H2SO4, H3PO4, HCl
Khí – ClO2, NO2, SO2
Tác nhân oxy hóa – H2O2, ozon
Các tác nhân hòa tan xenluloza – Cadoxen, CMCS, axit photphoric/
axeton, các chất lỏng ion
Trích ly bằng dung môi – etanol-nƣớc, benzene-etanol, butanol-nƣớc,
etylen glycol

Hóa cơ

Nổ hơi (SE), nổ hơi có xúc tác CO2, nổ xơ sợi có mặt CO2, nổ xơ sợi
có mặt NH3

Sinh học

Nấm

16

Bảng 1.3. Đặc điểm một số phương pháp tiền xử lý vật liệu lignoxenluloza
ơ

Phƣơng pháp

Ƣu điểm

Nhƣợc điểm
Tiêu hao năng lƣợng
Nghiền
Giảm vùng tinh thể của xenluloza
thƣờng cao hơn năng
cơ học
lƣợng cố hữu của sinh khối
Phân hủy một phần xylan;
phân hủy không hoàn toàn
Phân hủy hemixenluloza và chuyển
Nổ hơi
mạng lƣới lignin –
hóa lignin; có hiệu quả kinh tế
cacbohydrat; tạo các hợp
chất gây ức chế vi sinh vật
Làm tăng diện tích bề mặt hiệu dụng,
AFEX (nổ xơ
Không hiệu quả với sinh
tách loại lignin và hemixenluloza tới
sợi có mặt
khối có hàm lƣợng lignin

mức tối đa; không sinh các chất gây
NH3)
cao
ức chế cho quá trình sau
Làm tăng diện tích bề mặt hiệu dụng; Không chuyển hóa đƣợc
Nổ xơ sợi có
có hiệu quả kinh tế; không tạo các hợp lignin và hemixenluloza
mặt CO2
chất gây ức chế
Giảm hàm lƣợng lignin; không sinh Yêu cầu lƣợng lớn ozon;
Ozon
chất độc
giá thành cao
Thủy phân hemixenluloza và lignin; Giá thành cao; ăn mòn
Thủy phân
làm tăng diện tích bề mặt có thể xâm thiết bị; sinh ra các chất
bằng axit
nhập
độc
Tách loại đƣợc hemixenluloza và
Thủy phân
lignin; làm tăng diện tích bề mặt có Thời gian lƣu lớn;
bằng kiềm
thể xâm nhập
Dung môi cần đƣợc tháo từ
thiết bị phản ứng, đƣợc bay
Dung môi
Thủy phân lignin và hemixenluloza
howim đƣợc ngƣng tụ, và
hữu cơ

đƣợc tái sử dụng; chi phí
cao
Nhiệt phân Sinh ra các sản phẩm khí và lỏng
Nhiệt độ cao; tạo tro
Các điều kiện xung quanh; phá vỡ các Cần đƣợc nghiên cứu
Xung điện
tế bào cây; thiết bị đơn giản
nhiều hơn
Phân hủy lignin và hemixenluloza;
Sinh học
Tốc độ thủy phân rất thấp
năng lƣợng yêu cầu thấp

17


Một số dung môi nhƣ H2O2, ozon, glyxerol, dioxan, phenol, hay etylen glycol
đã đƣợc sử dụng để tiền xử lý sinh khối, có vai trò phá vỡ một phần cấu trúc
xenluloza và thúc đẩy quá trình thủy phân. Tuy nhiên, việc xử lý bằng dung môi có
chi phí quá cao so với mục đích thực tế. Theo Mosier và các cộng sự của ông,
phƣơng pháp tiền xử lý hứa hẹn nhất, hiệu quả kinh tế nhất là axit loãng, nổ hơi
không dùng xúc tác, nƣớc nóng có kiểm soát pH, xử lý với đá vôi, và xử lý với
amoniac.
Mỗi phƣơng pháp đều có những ƣu, nhƣợc điểm riêng, và việc lựa chọn
phƣơng pháp nào còn phụ thuộc vào đặc điểm của vật liệu và mục đích nghiên cứu.
Trong phạm vi luận văn này, chúng tôi tập trung nghiên cứu các phƣơng pháp thân
thiện môi trƣờng, tối thiểu hóa việc thải ra môi trƣờng.
1.3.1. Phương pháp cơ học
1.3.1.1.

Phƣơng pháp nghiền nhỏ

Dƣới tác dụng của các dao nghiền, nguyên liệu đƣợc cắt ngắn. Tùy theo mục
đích sử dụng mà quá trình nghiền đƣợc tiến hành với độ nghiền và thời gian khác
nhau. Theo phƣơng pháp này, vật liệu chủ yếu chịu các tác động cơ học, làm giảm
kích thƣớc nguyên liệu mà không gây biến đổi đáng kể nào về mặt cấu trúc hóa học.
1.3.1.2.

Nghiền bi hành tinh

Vật liệu khi đƣợc nghiền theo phƣơng pháp này vừa chịu tác động do các bi
trong cối nghiền quay, đồng thời bản thân cối nghiền cũng đƣợc đặt trên một đế
chuyển động quay quanh trục của máy. Do đó, bên cạnh việc giảm kích thƣớc vật
liệu nhƣ với hầu hết các phƣơng pháp nghiền khác, phƣơng pháp nghiền bi hành
tinh còn làm giảm độ tinh thể của xenluloza, do đó làm tăng diện tích bề mặt và tỷ
trọng của bột gỗ. Phƣơng pháp này có thể đƣợc sử dụng với nhiều loại cơ chất
nhƣng tiêu tốn năng lƣợng lớn. Nghiền bi và nghiền hai lô đã cho thấy hiệu quả đối
với xenluloza khi làm cho nó trở nên dễ dàng bị tấn công bởi enzym. Quá trình
nghiền có thể tiến hành với nguyên liệu khô hoặc ƣớt. Nghiền khô làm giảm kích
18


thƣớc mà không làm thay đổi độ tinh thể, còn nghiền ƣớt lại tác động tới sự xơ hóa
và phân hủy của xenluloza mà không làm thay đổi chiều dài mạch và độ tinh thể của
xenluloza [2].
1.3.2. Phương pháp hóa học
Nhóm phƣơng pháp này thuộc các phƣơng pháp tiền xử lý dựa trên các phản
ứng hóa học để phân hủy cấu trúc sinh khối. Trong nhóm phƣơng pháp này, phải kể
tới phƣơng pháp thủy phân bằng axit, kiềm, các dung môi hữu cơ… đã cho thấy
những hiệu quả rất rõ rệt trong việc biến đổi cấu trúc vật liệu lignoxenluloza, tạo

điều kiện cho thủy phân bằng enzym. Tuy nhiên nhƣợc điểm của các phƣơng pháp
này là việc sử dụng các tác nhân có tính axit hay bazơ gây ăn mòn thiết bị và sản
phẩm thải cần phải đƣợc thu hồi hoặc đƣợc trung hòa trƣớc khi thải ra môi trƣờng.
Điều này gây tiêu tốn chi phí không nhỏ.
Phƣơng pháp tiền xử lý bằng nƣớc tuy ít sử dụng nhƣng có những ƣu điểm mà
những phƣơng pháp trên không có đƣợc, đặc biệt là về vấn đề môi trƣờng. Ở điều
kiện thƣờng, nƣớc là một chất trung tính, tuy nhiên ở nhiệt độ cao khoảng 190 –
200oC, nƣớc đóng vai trò nhƣ một axit yếu. Thêm vào đó, các nhóm metoxy của
hemixenluloza cũng đƣợc tách ra ở nhiệt độ cao, tạo môi trƣờng cho quá trình thủy
phân vật liệu lignoxenluloza. Vì vậy, nƣớc hoàn toàn có thể sử dụng làm tác nhân
tiền xử lý vật liệu lignoxenluloza.
1.3.2.1.

Tiền xử lý bằng nƣớc nóng

Tiền xử lý bằng nƣớc sử dụng áp suất để duy trì nƣớc trạng thái lỏng ở nhiệt độ
cao. Thời gian lƣu đối với quá trình này thƣờng khoảng 10 – 30 phút, ở nhiệt độ
khoảng 190 – 230oC. Khoảng 40 – 60% tổng sinh khối bị hòa tan trong quá trình
này, với 4 – 22% xenluloza, 35 – 60% lignin. Trên 90% hemixenluloza tách ra ở
dạng đƣờng đơn khi thủy phân chất lỏng thu đƣợc bằng axit [9].
Ngƣời ta cho rằng đã có những biến đổi hóa học và biến đổi về mặt cấu trúc của
lignin trong quá trình xử lý vật liệu lignoxenluloza bằng nƣớc nóng. Tuy nhiên, vẫn
19


chƣa có các phƣơng pháp phân tích hiệu quả để xác định cấu trúc và thành phần hóa
học của lignin. Tiền xử lý bằng nƣớc nóng vừa đƣợc hỗ trợ lại vừa bị cản trở bởi
nhóm O – axetyl và axit uronic từ hemixenluloza, tạo ra các axit axetic và các axit
hữu cơ khác. Việc giải phóng những axit này giúp cho quá trình hình thành và tách
loại oligosaccarit. Tuy nhiên, những polisaccarit, đặc biệt là hemixenluloza có thể bị

thủy phân thêm thành đƣờng đơn, đƣờng này có thể tiếp tục bị phân hủy thành
andehyt nếu có mặt axit. Andehyt này, chủ yếu là fufuran từ pentoza và 5 –
hydroxymetyl fufuran từ hexozan, là chất ức chế đối với quá trình lên men bằng vi
sinh vật.
pKa của nƣớc bị ảnh hƣởng bởi nhiệt độ. Nƣớc có hằng số điện ly lớn nên có
thể làm phân ly các ion. Nƣớc có thể hòa tan toàn bộ hemixenluloza. Từ 1/2 đến 2/3
lignin cũng hoà tan khỏi sinh khối khi vật liệu đƣợc xử lý ở 220oC trong 2 phút.
Nƣớc nóng tách các liên kết semiaxetal và giải phóng axit trong quá trình thủy phân
sinh khối. Điều này tạo thuận lợi cho việc phá vỡ các liên kết ête trong sinh khối.
1.3.2.2.

Tiền xử lý bằng nƣớc nóng có kiểm soát pH

Ƣu điểm của việc xử lý bằng nƣớc nóng là không sử dụng hóa chất, tuy nhiên
nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là nƣớc nóng gây ra sự phân hủy sản phẩm
đƣờng (fufural từ pentozan và hydromethyl fufural từ glucoza). Bằng việc kiểm soát
tốt pH của nƣớc nóng có thể giảm thiểu đƣợc sự phân hủy sản phẩm này. Để kiểm
soát pH có thể bổ sung các bazơ nhƣ kali hydroxit.
Nhƣ vậy, riêng với công nghệ tiền xử lý vật liệu lignoxenluloza có thể thấy
rằng có rất nhiều phƣơng pháp với hiệu quả khác nhau. Mỗi phƣơng pháp có những
ƣu điểm và hạn chế nhất định. Nếu chỉ sử dụng một phƣơng pháp thì hiệu quả
không cao. Trong luận văn, chúng tôi nghiên cứu sử dụng kết hợp cả phƣơng pháp
cơ học và phƣơng pháp hóa học.

20


1.4. Công nghệ thủy phân hydratcacbon bằng enzym
Thủy phân xenluloza bằng enzym thành glucoza đƣợc thực hiện bằng enzym
xenlulaza, là chất xúc tác sinh học mang tính đặc trƣng cao. Thủy phân tiến hành ở

điều kiện mềm (ví dụ, pH 4,5 – 5,0 và nhiệt độ 40 – 50oC). Do đó, ƣu điểm của quá
trình này là ít ăn mòn thiết bị, tiêu hao thấp, và cho sản phẩm thủy phân ít độc hại.
1.4.1. Hệ enzym thủy phân hydratcacbon
Thủy phân bằng enzym của xenluloza và hemixenluloza có thể đƣợc tiến hành
bởi enzym xenlulaza và hemixenlulaza. Nhóm này bao gồm ít nhất 15 họ protein và
một số họ phụ (theo Rabinovich cùng các cộng sự, 2002). Thủy phân xenluloza
bằng enzym gồm các giai đoạn: hấp phụ xenlulaza lên bề mặt xenluloza; biến đổi
sinh hóa xenluloza thành đường có thể lên men đƣợc, và nhả hấp phụ glucoza.
Sự phân hủy xenluloza thành glucoza này nói chung đƣợc thực hiện nhờ sự phối
hợp hoạt động của ít nhất 3 loại enzym chính: endo – glucanaza, exo – glucanaza,
và β – glucosidaza, những enzym này thƣờng đƣợc gọi chung là xenlulaza [18].
Endo – glucanaza tấn công vùng tinh thể thấp của xơ sợi xenluloza và tạo các
đuôi tự do. Exo – glucanaza tiếp tục phân hủy chuỗi đƣờng bằng cách tách ra các
đơn vị xenlobioza. Sau đó xenlobioza này tách thành glucoza nhờ β – glucosidaza
(hình 1.7). Enzym β – glucosidaza không phải là một xenlulaza, nhƣng hoạt động
của nó rất quan trọng đối với quá trình depolyme hóa hoàn toàn xenluloza thành
glucoza. Do hemixenluloza chứa các đơn vị đƣờng khác nhau nên enzym
hemixenlulaza phức tạp hơn và chứa ít nhất endo – 1,4 – β – D – xylanaza, exo –
1,4 – β – D xylosidaza, endo – 1,4 – β – D – mannanaza, β – mannosidaza, axetyl
xylan estedaza, α – L – arabinofuranosidaza, và α – galactosidaza (Jorgensen cùng
các cộng sự. 2003). Một vài loại vi khuẩn nhƣ Clostridium, Cellumonas,
Thermomonospora, Bacillus, Bacteriodes, Ruminococcus, Erwinia, Acetovibrio,
Microbispora, Streptomyces, một số loại nấm nhƣ Tricoderma, Penicillium,
Fusarium, Phanerochaete, Humicola, Schizophillum spp., có thể sản xuất xenlulaza

21


và hemixenlulaza (Rabinovich cùng các cộng sự, 2002; Sun and Cheng 2002).
Trong số xenlulaza đƣợc sinh ra do các vi sinh vật khác nhau, xenlulaza do

Trichoderma reesei hay T. viride đƣợc nghiên cứu rộng rãi nhất và đặc trƣng nhất.
Enzym sinh ra từ hoạt động của loại vi khuẩn này có ƣu điểm là ổn định dƣới các
điều kiện thủy phân, khả năng chống lại các chất ức chế hóa học. Tuy nhiên, nhƣợc
điểm chính của xenlulaza từ Trichoderma là các mức dƣới điểm tối ƣu và hoạt tính
thấp của β – glucosidaza. Mặt khác, Aspergilli là tác nhân sản sinh ra β –
glucosidaza rất hiệu quả. Trong một vài nghiên cứu, xenlulaza từ Trichoderma đƣợc
hỗ trợ bằng β – glucosidaza và đã cho thấy những cải thiện tốt (Hari Krishna cùng
các cộng sự. 2001; Itoh cùng các cộng sự, 2003; Ortega cùng các cộng sự, 2001;
Tengborg cùng các cộng sự, 2001; Wyman 1996).

Hình 1.4. Ba phản ứng được xúc tác bởi xenlulaza
Việc sản xuất và ứng dụng xenlulaza từ Trichoderma có một số khó khăn.
Enzym đƣợc sản xuất trong giai đoạn sau của quá trình lên men và cần kiểm soát tốt
độ pH, hoạt tính của nó giảm đi do sự hấp phụ lên xenluloza và lignin. Hầu hết

22