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

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 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 được 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 hỗ 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 hướng 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 là loại polysaccharide đồng hình được 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 đơn phân pentose (D-xylose, D-arabinose), đơn phân hexose (D-mannose, D- glucose, D-galactose) và các acid đường. Xylan là thành phần thường thấy trong các thân gỗ cứng, tuy nhiên glucomanan lại là thành phần chính trong các loại thực vật thân mềm. Tổ hợp enzyme để thủy phân hemicellulose cũng 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 phần chiếm thứ 3 trong nhóm polysaccharide cấu thành nên vách tế bào thực vật. Tương tự pectin cũng có thể được chuyển hóa thành 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, người ta đang thay thế dần các hệ 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 liệu 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 đường 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 được phát triển nhiều. Gần đây, người ta phát hiện thấy có một số loài nấm men như Pichia stipitis, Candida shehatae và Pachyhysolen tannophillus là những 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 cồn 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, thậm 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 500C, đồng 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.