Đề tài Tiền xử lí rơm rạ bằng phương pháp nén nước nóng trước khi thủy phân bằng enzyme

: 1.Tiền xử lí rơm rạ bằng phương pháp nén nước nóng trước khi thủy phân bằng enzymeGuoce Yu & Shinichi Yano & Hiroyuki Inoue & Seiichi Inoue & Takashi Endo & Shigeki Sawayama Received: 14 March 2008 / Accepted: 28 October 2008 / Published online: 6 January 2009 # Humana Press 2008  1.1. Tóm tắtNén nước nóng (HCW) là một trong những quá trình tiền xử lý tiết kiệm về chi phí-tăng hiệu quả sinh khối lignocellulose cho phần chất lỏng và enzym thủy phân của vật liệu tiền xử lý . Tiền xử lý đã được thực hiện ở nhiệt độ từ 140 đến 240 ° C trong 10 hoặc 30phút. Công việc hiện tại là đang nghiên cứu các đặc tính của tiền xử lý HCW của rơm rạ, bao gồm sản xuất đường và chất ức chế hình thành trong các oligosaccharides hòa tan được tìm thấy để tạo thành hầu như tất cả các thành phần của đường trong tổng số phần chất lỏng. Sản xuất tối đa tổng glucose ở 180 ° C và chiếm 4,4-4,9% glucan trong nguyên liệu.Tổng xylose sản xuất đạt đỉnh ở 180 ° C, chiếm 43,3% của xylan nguyên liệu trong tiền xử lý 10-min và 29,8% cho tiền xử lý 30-min. Tăng sản xuất acid acetic ở nhiệt độ cao hơn và thời gian điều trị lâu hơn, cho thấy sự gián đoạn đáng kể cấu trúc lignocellulose, furfural sản xuất đạt được tối đa (2,8 mg / ml) ở 200 ° C cho cả hai quá trình 10 phút và 30-min. Sản lượng glucose bằng cách thủy phân enzyme của rơm tiền xử lý là không ít hơn 85% tại 180 ° C và cao hơn 30 - min tiền xử lý ở 200 ° C và cao hơn cho tiền xử lý 10-min. Xem xét phục hồi lượng đường phục hồi, chất ức chế hình thành, và mức độ nghiêm trọng quá trình lấy khuyến cáo ở nhiệt độ 180 ° C trong một thời gian 30 phút có thể là quá trình hiệu quả nhất cho HCW tiền xử lý rơm rạ.Sinh khối chứa lignocellulosic là một trong những tiềm năng tài nguyên cho sản xuất nhiên liệu như ethanol, và bioconversion sinh khối lignocellulose ethanol là một quá trình gồm nhiều bước bao gồm tiền xử lý, thủy phân enzym, và lên men ethanol. Trong số các bước này, tiền xử lý là đặc biệt quan trọng trong quan điểm của các tánh ngoan cố của cấu trúc lignocellulose enzym thủy phân, tức là, lignin và vỏ bọc hemicellulose của cellulose và tinh thể của cellulose bản thân, và thường chiếm ưu thế cho quá trình chuyển đổi toàn bộ. (HCW) tiền xử lý, trong đó sinh khối được tiếp xúc với nước nóng áp lực, là một trong những phương pháp tiền xử lý một số hứa hẹn nhất. Nước dưới áp lực thâm nhập vào các cấu trúc tế bào của sinh khối, hydrat cellulose, và sự hòa tan hemicellulose và lignin, và tính axit của nước ở nhiệt độ cao (khoảng 200 ° C) và các axit hữu cơ của hemicellulose tạo điều kiện thuận lợi cho việc phá vỡ cấu trúc lignocellulose trong quá trình tiền xử lý. HCW tiền xử lý không yêu cầu thêm bất cứ hóa chất nào, có thể tạo ra sợi cellulose phản ứng và phục hồi hầu hết các pentosans, và chỉ sản xuất một số lượng sản phẩm thoái hóa với sự ức chế ít để thủy phân và lên men. Cho đến nay, một số công việc nghiên cứu đã được tiến hành trên HCW tiền xử lý sinh khối lignocellulose cho sản xuất đường, phác họa các đặc điểm cơ bản của quá trình này. Tuy nhiên, các tính năng cụ thể của quá trình này vẫn còn được làm sáng tỏ đầy đủ cho việc cải tiến công nghệ đầy hứa hẹn như các chi tiết kết hợp sản xuất đường và chất ức chế hình thành trong quá trình khai thác HWC. Hơn nữa, các loại sinh khối khác nhau có cấu trúc khác nhau , trong đó sẽ làm tăng các đặc tính khác nhau của tiền xử lý. Một quá trình tiền xử lý tiên tiến là cần thiết để được thay đổi để các thành phần cấu trúc và tính năng độc đáo của sinh khối lignocellulose. Tiền xử lý của bất kỳ sinh khối lignocellulose là rất quan trọng trước khi enzyme thủy phân. Mục tiêu tiền xử lý là để giảm lượng cellulose tinh thể để tăng cường thủy phân bởi enzyme cellulases (17). Nhiều phương pháp tiền xử lý có thể chọn như chia ra, hòa tan, thủy phân và cellulose riêng biệt, các thành phần hemicellulose và lignin (J, 18-20). Chúng bao gồm axit tập trung (21), axit loãng (22), S02 (23), kiềm (24, 25), hydrogen peroxide (26), wetoxidation (27), vụ nổ hơi nước (autohydrolysis) (28), ammonia sợi nổ (AFEX) (29), CO2 nổ (30), chất lỏng nóng nước (31) và dung môi hữu cơ phương pháp điều trị (32). Bảng I. Các phương pháp tiền xử lý sinh khối lignocellulose Phương pháp Autohydrolysis Acid điều trị Kiềm điều trị Dung môi hữu cơ bằng nước Ví dụ Nước nóng, áp suất hơi nước, hơi nước nổ, siêu C02expiosion Pha loãng acid (H2S04), Conce.ntrated axit (H2S04) Sodium hydroxide, vôi, amoniac, kiềm hydrogen peroxide Methanol, ethanol, butanol, phenol hòa tan (18). Dư lượng chứa cellulose và thường nhiều của lignin. Các lignin có thể được chiết xuất với các dung môi như ethanol, butanol, hoặc axit formic. Stearn nổ cung cấp hiệu quả các thành phần phân đoạn oflignocellulosic với chi phí tương đối thấp (35). Tối ưu hòa tan và ofhemicellulose suy thoái nói chung đạt được nhiệt độ cao hoặc thời gian cư trú ngắn (270 ° C, 1 phút) hoặc nhiệt độ thấp hơn và thời gian cư trú dài hơn (190 ° C, 10 phút) hơi nước nổ (36). Việc sử dụng S02 là một chất xúc tác trong quá trình tiền xử lý có kết quả hơi nước trong ofcellulose tiếp cận enzyme và nâng cao phục hồi lượng hemicellulose . Tiền xử lý hơi nước ở 200-210 ° C với việc bổ sung 1% S02 (W / w) là tốt hơn các hình thức tiền xử lí khác). Sản lượng glucose 95%, dựa trên các polisacarit có sẵn trong nguyên liệu thô, đã đạt được. Hơi bùng nổ có thể gây ra suy thoái hemicellulose furfural và các dẫn xuất của nó và sửa đổi ofthe lignin liên quan đến hóa chất điều trị mức độ nghiêm trọng cao (> 200 ° C, 3-5 phút, 2-3% S02) Một phương pháp tiền xử lý liên quan đến ngâm sinh khối lignocellulose (sử dụng lõi ngô làm nguyên liệu) trong NH40H loãng ở nhiệt độ môi trường xung quanh để loại bỏ lignin, acetate. Điều này được theo sau bằng cách xử lý axit loãng mà dễ thủy phân các phần hemicellulose loại đường đơn giản, chủ yếu xylose. Ethanol từ các nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo đã được quan tâm trong những thập kỷ gần đây như là một nhiên liệu thay thế hoặc phụ gia oxy nhiên liệu hóa thạch thecurrent. Vật liệu chứa lignocellulosic giá rẻ có thể là nguồn năng lượng mới, có sẵn với số lượng lớn . Rơm là phế liệu chứa nhiều lignocelluloses và nó rất phong phú trên thế giới. Isannually sản xuất khoảng 731 triệu tấn là distributedin châu Phi (20,9 triệu tấn), châu Á (667600000 tấn), Châu Âu (3.900.000 tấn), Mỹ (37,2 triệu tấn) and Oceania (1.700.000 tấn). Số tiền này của rơm rạ canpotentially sản xuất 205 tỷ lít ethanol sinh học mỗi năm,đó là số tiền lớn nhất từ ​​một nguyên liệu sinh khối duy nhất là từ Cellulose, phần lớn sinh khối lignocellulose, có thể bị thủy phân glucose bằng enzyme cellulase. Hydrolysis có thể bị ảnh hưởng bởi độ xốp của lignocellulosic sinh khối, tinh thể sợi cellulose và hemicellulose ligninand Enzym thủy phân Để thủy phân cellulose trở nên khả thi về mặt kinh tế, điều quan trọng là xác định các phương pháp làm tăng hiệu quả thủy phân bằng enzyme và vượt qua rào cản của hydrolysis4 enzyme. Yếu tố chính ảnh hưởng đến chuyển đổi enzyme của lignocelluloses các đường lên men, bao gồm diện tích bề mặt có thể tiếp xúc của lignocelluloses24, enzyme và sự hiện diện của inhibitors25. Diện tích bề mặt ngoài của lignocelluloses có thể được tăng lên bằng cách xay xát cơ học và mài. Gần đây hơn, bổ sung xylanase để thủy phân cellulase, nó được chứng minh là phương pháp hiệu quả cho quá trình thủy phân enzyme của lignocelluloses. Sử dụng các chất phụ gia hoạt động bề mặt ( chất hoạt động bề mặt, protein và polyme) để tăng cường thủy phân enzyme của lignocelluloses bằng cách ngăn chặn sự ràng buộc cellulase lignin. Bổ sung Tween25 hoặc polyethylene glycol (PEG) 27 tăng hiệu quả của các enzym thủy phân bởi việc hấp thụ trên bề mặt lignin. Cellulose của lignocelluloses có thể được chuyển đổi thành ethanol hoặc đồng thời quá trình đường hóa và lên men (SSF) hoặc thủy phân enzyme riêng biệt và quá trình lên men (SHF). SSF được ưa chuộng hơn vì chi phí thấp .Nó cho kết quả có năng suất cao hơn so với của ethanol. Mặt khác, SSF suffersfrom có một nhược điểm, đó là nhiệt độ tối ưu của các enzym thủy phân và lên men vi sinh vật khác nhau. Nhiệt độ tối ưu cho enzym thủy phân là 40-50 ◦ C, trong khi đó năng suất ethanol microorganisms tốt và năng suất thường không chịu đựng được nhiệt độ cao này. Vấn đề này thường được giải quyết bằng cách áp dụng các vi sinh vật thermotolerant như Kluyveromyces marxianus, lusitaniae Candida, và Zymomonas mobilis hoặc hỗn hợp của một số vi sinh vật Giống như Brettanomyces clausenii và Saccharomyces cerevisiae. Một phương pháp khác để chống lại vấn đề này là cho thêm prehydrolysis ví dụ tại 50 ◦ C trong 24 giờ, tiếp theo là việc bổ sung các vi sinh vật ở nhiệt độ thấp hơn phù hợp cho quá trình thủy phân.
Nhiên liệu ethanol là một thay thế nguồn năng lượng tái tạo và thân thiện với môi trường. Sản xuất quy mô lớn của nó đã tăng lên đáng kể trong vài năm qua và dự kiến ​​sẽ phát triển hơn nữa sự cần thiết để giảm sự phụ thuộc của thế giới dầu [1-3]. Hầu hết các-cesses hiện tại của sản xuất ethanol sinh học được dựa trên việc sử dụng của lực hấp dẫn rất cao (VHG) của quá trình lên men, trong đó mật đường mía đường, tinh bột hoặc các loại ngũ cốc được sử dụng làm chất nền [1,3]. Ưu điểm chính của VHG công nghệ sản xuất rất cao ethanol (thường là trên 15% v / v), giảm chi phí của bước chưng cất, được xem là một trong các khó khăn chính trong ngành công nghiệp ethanol sinh học [3]. Để thực hiện các lignocellulose hiện nay trong phế thải nông nghiệp, nguyên vật liệu sẵn có phải được tiền xử lí trước và thủy phân, trong đó chủ yếu là đường hemicellulose được thủy phân.  Sự thành công của lignocellulose sinh khối và VHG fer-mentations là nhất thiết phải phụ thuộc vào khả năng của các chủng nấm men được sử dụng trong các quá trình này. Trong tăng sinh khối, các tế bào nấm men, ngoài việc phải chịu đựng trước của các chất ức chế, cũng phải thiếu chất dinh dưỡng và sự vắng mặt của oxy [8]. Hơn nữa, các chủng nấm men được sử dụng để duy trì hoạt động trong điều kiện gần tối ưu cho cellulase activ-ity (5 pH, 40 ° C đến 50 ° C) hoặc tiết ra các enzyme cellulase và đồng sử dụng một loạt các đường năng suất cao.Trong quá trình lên men VHG, các tế bào nấm men được tiếp xúc với một áp suất thẩm thấu cao trong quá trình đầu lên men, gây ra bởi nồng độ đường cao có mặt tại thời điểm đó. Các áp lực khác liên quan tại VHG fermenta-bao gồm sự suy giảm của một số chất dinh dưỡng, thiếu oxy-gen và tích lũy trong môi trường phát triển của nồng độ cao của ethanol, cùng với mức độ cao của quá trình lên men các sản phẩm độc hại khác, trở thành nguyen nhân gây tử vong cho các tế bào nấm men trong quá trình lên men .Phát triển thuận của các chủng nấm men với những áp lực liên quan VHG cho quá trình lên men sinh khối sẽ cải thiện hiệu suất của các quá trình này và góp phần phát triển của ngành công nghiệp ethanol sinh học.Trong công việc này tiếp cận với một số cách thực hiện, với mục đích xác định gen cần thiết cho sức đề kháng với một số lượng lớn nấm men simulta-neous liên quan đến quá trình lên men.
 Figure. structure of rice straw