cho em xin tài liệu về sản xuất năng lượng sinh học(cồn sinh hoc)
cho em xin tài liệu về sản xuất năng lượng sinh học(cồn sinh hoc)
- Thread starter binkool1802
- Start date
Lịch sử hình thành cồn sinh học (Ethanol)
1.Lịch sử
Êthanol đã được con người sử dụng từ thời tiền sử như là một thành phần gây cảm giác say trong đồ uống chứa cồn. Các cặn bã khô trong các bình gốm 9000 năm tuổi tìm thấy ở miền bắc Trung Quốc đã gián tiếp cho thấy việc sử dụng các đồ uống chứa cồn trong số những người sống ở thời kỳ đồ đá mới. Việc chiết nó ra dưới dạng tương đối nguyên chất đã được thực hiện lần đầu tiên bởi các nhà giả kim thuậtHồi giáo và họ là những người đã phát triển ra nghệ thuật chưng cất rượu trong thời kỳ của chế độ khalip (vua chúa Hồi giáo) thời kỳ Abbasid (tiếng Ả Rập: العبّاسدين al-ʿAbbāsidīn). Các ghi chép của Jabir Ibn Hayyan (Geber) (721-815) đã đề cập tới hơi dễ cháy của rượu được đun sôi. Al-Kindī (801-873) cũng đã miêu tả rõ ràng quá trình chưng cất rượu. Việc chưng cất êtanol ra khỏi nước có thể tạo ra các sản phẩm chứa tới 96% êtanol. Êtanol nguyên chất lần đầu tiên đã thu được vào năm 1796 bởi Johann Tobias Lowitz, bằng cách lọc êtanol chưng cất qua than củi.
Antoine Lavoisier đã mô tả êthanol như là một hợp chất của cacbon, hiđrô và ôxy, và năm 1808, Nicolas-Théodore de Saussure đã xác định được công thức hóa học của nó. Năm 1858, Archibald Scott Couper đã công bố công thức cấu trúc của êtanol: điều này làm cho êthanol trở thành một trong các hợp chất hóa học đầu tiên có sự xác định cấu trúc hóa học.
Êtanol lần đầu tiên được tổng hợp nhân tạo vào năm 1826, thông qua các cố gắng độc lập của Henry Hennel ở Anh và S.G. Sérullas ở Pháp. Michael Faraday đã điều chế êtanol bằng phản ứng hyđrat hóa êtylen với xúc tác axít năm 1828, theo một công nghệ tương tự như công nghệ tổng hợp êtanol công nghiệp ngày nay.
2. Sản xuất
Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hyđrat hóa êtylen bằng xúc tác axít, được trình bày theo phản ứng hóa học sau. Cho etilen hợp nước ở 300 độ C, áp suất 70-80 atm với chất xúc tác là acid wolframic hoặc acid phosphoric:
Chất xúc tác thông thường là axít phốtphoric, được hút bám trong các chất có độ xốp cao chẳng hạn như điatomit (đất chứa tảo cát) hay than củi; chất xúc tác này đã lần đầu tiên được công ty dầu mỏ Shell sử dụng để sản xuất êtanol ở mức độ công nghiệp năm 1947. Các chất xúc tác rắn, chủ yếu là các loại ôxít kim loại khác nhau, cũng được đề cập tới trong các sách vở hóa học.
Trong công nghệ cũ, lần đầu tiên được tiến hành ở mức độ công nghiệp vào năm 1930 bởi Union Carbide, nhưng ngày nay gần như đã bị loại bỏ thì êtylen đầu tiên được hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với axít sulfuric đậm đặc để tạo ra êthyl sulfat, sau đó chất này được thủy phân để tạo thành êtanol và tái tạo axít sulfuric:
Êtanol để sử dụng công nghiệp thông thường là không phù hợp với mục đích làm đồ uống cho con người ("biến tính") do nó có chứa một lượng nhỏ các chất có thể là độc hại (chẳng hạn mêthanol) hay khó chịu (chẳng hạn denatonium- C21H29N2O•C7H5O2-là một chất rất đắng, gây tê). Êthanol biến tính có số UN là UN 1987 và êthanol biến tính độc hại có số là UN 1986.
3. Lên men
Êthanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn êtanol sử dụng làm nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: khi một số loài men rượu nhất định (quan trọng nhất là Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóađường trong điều kiện không có ôxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra êtanol và cacbon điôxít CO2. Phản ứng hóa học tổng quát có thể viết như sau:
C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2
Quá trình nuôi cấy men rượu theo các điều kiện để sản xuất rượu được gọi là ủ rượu. Men rượu có thể phát triển trong sự hiện diện của khoảng 20% rượu, nhưng nồng độ của rượu trong các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chưng cất.
Để sản xuất êtanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột như hạt ngũ cốc thì tinh bột đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường. Trong việc ủ men bia, theo truyền thống nó được tạo ra bằng cách cho hạt nảy mầm hay ủ mạch nha. Trong quá trình nảy mầm, hạt tạo ra các enzym có chức năng phá vỡ tinh bột để tạo ra đường. Để sản xuất êtanol làm nhiên liệu, quá trình thủy phân này của tinh bột thành glucoza được thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lý hạt với axít sulfuric loãng, enzym nấmamylas, hay là tổ hợp của cả hai phương pháp.
Về tiềm năng, glucoza để lên men thành êtanol có thể thu được từ xenluloza. Việc thực hiện công nghệ này có thể giúp chuyển hóa một loại các phế thải và phụ phẩm nông nghiệp chứa nhiều xenluloza, chẳng hạn lõi ngô, rơm rạ hay mùn cưa thành các nguồn năng lượng tái sinh. Cho đến gần đây thì giá thành của các enzym cellulas có thể thủy phân xenluloza là rất cao. Hãng Iogen ở Canada đã đưa vào vận hành xí nghiệp sản xuất êtanol trên cơ sở xenluloza đầu tiên vào năm 2004.
Phản ứng thủy phâncellulose gồm các bước. Bước 1, thủy phân xenluloza thành mantoza dưới tác dụng của men amylaza.
Bước 2, thủy phân tiếp mantoza thành glucoza hoặc fructoza dưới tác dụng của men mantaza.
Bước 3, phản ứng lên men rượu có xúc tác là men zima.
Với giá dầu mỏ tương tự như các mức giá của những năm thập niên 1990 thì công nghệ hyđrat hóa êtylen là kinh tế một cách đáng kể hơn so với công nghệ lên men để sản xuất êtanol tinh khiết. Sự tăng cao của giá dầu mỏ trong thời gian gần đây, cùng với sự không ổn định trong giá cả nông phẩm theo từng năm đã làm cho việc dự báo giá thành sản xuất tương đối của công nghệ lên men và công nghệ hóa dầu là rất khó.
4. Làm tinh khiết
Đối với hỗn hợp êtanol và nước, điểm sôi hỗn hợp (azeotrope) cực đại ở nồng độ 96% êtanol và 4% nước. Vì lý do này, chưng cất phân đoạn hỗn hợp êtanol-nước (chứa ít hơn 96% êtanol) không thể tạo ra êtanol tinh khiết hơn 96%. Vì vậy, 95% êtanol trong nước là dung môi phổ biến nhất.
Hai hướng cạnh tranh nhau có thể sử dụng trong sản xuất êtanol tinh chất. Để phá vỡ điểm sôi hỗn hợp nhằm thực hiện việc chưng cất thì một lượng nhỏ benzen có thể thêm vào, và hỗn hợp lại được chưng cất phân đoạn một lần nữa. Benzen tạo ra điểm sôi hỗn hợp cấp ba với nước và êtanol nhằm loại bỏ êtanol ra khỏi nước, và điểm sôi hỗn hợp cấp hai với êtanol loại bỏ phần lớn benzen. Êtanol được tạo ra không chứa nước. Tuy nhiên, một lượng rất nhỏ (cỡ phần triệu benzen vẫn còn, vì thế việc sử dụng êtanol đối với người có thể gây tổn thương cho gan.
Ngoài ra, sàng phân tử có thể sử dụng để hấp thụ có chọn lọc nước từ dung dịch 96% êthanol. Zeolit tổng hợp trong dạng viên tròn có thể sử dụng, cũng như là bột yến mạch. Hướng tiếp cận bằng zeolit là đặc biệt có giá trị, vì có khả năng tái sinh zeolit trong hệ khép kín về cơ bản là không giới hạn số lần, thông qua việc làm khô nó với luồng hơi CO2 nóng. Êtanol tinh chất được sản xuất theo cách này không có dấu tích của benzen, và có thể sử dụng như là nhiên liệu hay thậm chí khi hòa tan có thể dùng để làm mạnh thêm các loại rượu như rượu vang pooctô (có nguồn gốc ở Bồ Đào Nha hay rượu vang sherry (có nguồn gốc ở Tây Ban Nha) trong các hoạt động nấu rượu truyền thống.
[ sưu tầm Tùng Lâm]
1.Lịch sử
Êthanol đã được con người sử dụng từ thời tiền sử như là một thành phần gây cảm giác say trong đồ uống chứa cồn. Các cặn bã khô trong các bình gốm 9000 năm tuổi tìm thấy ở miền bắc Trung Quốc đã gián tiếp cho thấy việc sử dụng các đồ uống chứa cồn trong số những người sống ở thời kỳ đồ đá mới. Việc chiết nó ra dưới dạng tương đối nguyên chất đã được thực hiện lần đầu tiên bởi các nhà giả kim thuậtHồi giáo và họ là những người đã phát triển ra nghệ thuật chưng cất rượu trong thời kỳ của chế độ khalip (vua chúa Hồi giáo) thời kỳ Abbasid (tiếng Ả Rập: العبّاسدين al-ʿAbbāsidīn). Các ghi chép của Jabir Ibn Hayyan (Geber) (721-815) đã đề cập tới hơi dễ cháy của rượu được đun sôi. Al-Kindī (801-873) cũng đã miêu tả rõ ràng quá trình chưng cất rượu. Việc chưng cất êtanol ra khỏi nước có thể tạo ra các sản phẩm chứa tới 96% êtanol. Êtanol nguyên chất lần đầu tiên đã thu được vào năm 1796 bởi Johann Tobias Lowitz, bằng cách lọc êtanol chưng cất qua than củi.
Antoine Lavoisier đã mô tả êthanol như là một hợp chất của cacbon, hiđrô và ôxy, và năm 1808, Nicolas-Théodore de Saussure đã xác định được công thức hóa học của nó. Năm 1858, Archibald Scott Couper đã công bố công thức cấu trúc của êtanol: điều này làm cho êthanol trở thành một trong các hợp chất hóa học đầu tiên có sự xác định cấu trúc hóa học.
Êtanol lần đầu tiên được tổng hợp nhân tạo vào năm 1826, thông qua các cố gắng độc lập của Henry Hennel ở Anh và S.G. Sérullas ở Pháp. Michael Faraday đã điều chế êtanol bằng phản ứng hyđrat hóa êtylen với xúc tác axít năm 1828, theo một công nghệ tương tự như công nghệ tổng hợp êtanol công nghiệp ngày nay.
2. Sản xuất
Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hyđrat hóa êtylen bằng xúc tác axít, được trình bày theo phản ứng hóa học sau. Cho etilen hợp nước ở 300 độ C, áp suất 70-80 atm với chất xúc tác là acid wolframic hoặc acid phosphoric:
Chất xúc tác thông thường là axít phốtphoric, được hút bám trong các chất có độ xốp cao chẳng hạn như điatomit (đất chứa tảo cát) hay than củi; chất xúc tác này đã lần đầu tiên được công ty dầu mỏ Shell sử dụng để sản xuất êtanol ở mức độ công nghiệp năm 1947. Các chất xúc tác rắn, chủ yếu là các loại ôxít kim loại khác nhau, cũng được đề cập tới trong các sách vở hóa học.
Trong công nghệ cũ, lần đầu tiên được tiến hành ở mức độ công nghiệp vào năm 1930 bởi Union Carbide, nhưng ngày nay gần như đã bị loại bỏ thì êtylen đầu tiên được hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với axít sulfuric đậm đặc để tạo ra êthyl sulfat, sau đó chất này được thủy phân để tạo thành êtanol và tái tạo axít sulfuric:
Êtanol để sử dụng công nghiệp thông thường là không phù hợp với mục đích làm đồ uống cho con người ("biến tính") do nó có chứa một lượng nhỏ các chất có thể là độc hại (chẳng hạn mêthanol) hay khó chịu (chẳng hạn denatonium- C21H29N2O•C7H5O2-là một chất rất đắng, gây tê). Êthanol biến tính có số UN là UN 1987 và êthanol biến tính độc hại có số là UN 1986.
3. Lên men
Êthanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn êtanol sử dụng làm nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: khi một số loài men rượu nhất định (quan trọng nhất là Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóađường trong điều kiện không có ôxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra êtanol và cacbon điôxít CO2. Phản ứng hóa học tổng quát có thể viết như sau:
C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2
Quá trình nuôi cấy men rượu theo các điều kiện để sản xuất rượu được gọi là ủ rượu. Men rượu có thể phát triển trong sự hiện diện của khoảng 20% rượu, nhưng nồng độ của rượu trong các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chưng cất.
Để sản xuất êtanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột như hạt ngũ cốc thì tinh bột đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường. Trong việc ủ men bia, theo truyền thống nó được tạo ra bằng cách cho hạt nảy mầm hay ủ mạch nha. Trong quá trình nảy mầm, hạt tạo ra các enzym có chức năng phá vỡ tinh bột để tạo ra đường. Để sản xuất êtanol làm nhiên liệu, quá trình thủy phân này của tinh bột thành glucoza được thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lý hạt với axít sulfuric loãng, enzym nấmamylas, hay là tổ hợp của cả hai phương pháp.
Về tiềm năng, glucoza để lên men thành êtanol có thể thu được từ xenluloza. Việc thực hiện công nghệ này có thể giúp chuyển hóa một loại các phế thải và phụ phẩm nông nghiệp chứa nhiều xenluloza, chẳng hạn lõi ngô, rơm rạ hay mùn cưa thành các nguồn năng lượng tái sinh. Cho đến gần đây thì giá thành của các enzym cellulas có thể thủy phân xenluloza là rất cao. Hãng Iogen ở Canada đã đưa vào vận hành xí nghiệp sản xuất êtanol trên cơ sở xenluloza đầu tiên vào năm 2004.
Phản ứng thủy phâncellulose gồm các bước. Bước 1, thủy phân xenluloza thành mantoza dưới tác dụng của men amylaza.
Bước 2, thủy phân tiếp mantoza thành glucoza hoặc fructoza dưới tác dụng của men mantaza.
Bước 3, phản ứng lên men rượu có xúc tác là men zima.
Với giá dầu mỏ tương tự như các mức giá của những năm thập niên 1990 thì công nghệ hyđrat hóa êtylen là kinh tế một cách đáng kể hơn so với công nghệ lên men để sản xuất êtanol tinh khiết. Sự tăng cao của giá dầu mỏ trong thời gian gần đây, cùng với sự không ổn định trong giá cả nông phẩm theo từng năm đã làm cho việc dự báo giá thành sản xuất tương đối của công nghệ lên men và công nghệ hóa dầu là rất khó.
4. Làm tinh khiết
Đối với hỗn hợp êtanol và nước, điểm sôi hỗn hợp (azeotrope) cực đại ở nồng độ 96% êtanol và 4% nước. Vì lý do này, chưng cất phân đoạn hỗn hợp êtanol-nước (chứa ít hơn 96% êtanol) không thể tạo ra êtanol tinh khiết hơn 96%. Vì vậy, 95% êtanol trong nước là dung môi phổ biến nhất.
Hai hướng cạnh tranh nhau có thể sử dụng trong sản xuất êtanol tinh chất. Để phá vỡ điểm sôi hỗn hợp nhằm thực hiện việc chưng cất thì một lượng nhỏ benzen có thể thêm vào, và hỗn hợp lại được chưng cất phân đoạn một lần nữa. Benzen tạo ra điểm sôi hỗn hợp cấp ba với nước và êtanol nhằm loại bỏ êtanol ra khỏi nước, và điểm sôi hỗn hợp cấp hai với êtanol loại bỏ phần lớn benzen. Êtanol được tạo ra không chứa nước. Tuy nhiên, một lượng rất nhỏ (cỡ phần triệu benzen vẫn còn, vì thế việc sử dụng êtanol đối với người có thể gây tổn thương cho gan.
Ngoài ra, sàng phân tử có thể sử dụng để hấp thụ có chọn lọc nước từ dung dịch 96% êthanol. Zeolit tổng hợp trong dạng viên tròn có thể sử dụng, cũng như là bột yến mạch. Hướng tiếp cận bằng zeolit là đặc biệt có giá trị, vì có khả năng tái sinh zeolit trong hệ khép kín về cơ bản là không giới hạn số lần, thông qua việc làm khô nó với luồng hơi CO2 nóng. Êtanol tinh chất được sản xuất theo cách này không có dấu tích của benzen, và có thể sử dụng như là nhiên liệu hay thậm chí khi hòa tan có thể dùng để làm mạnh thêm các loại rượu như rượu vang pooctô (có nguồn gốc ở Bồ Đào Nha hay rượu vang sherry (có nguồn gốc ở Tây Ban Nha) trong các hoạt động nấu rượu truyền thống.
[ sưu tầm Tùng Lâm]
bạn có thêm bài nào nói về quy trình sản xuat ko.thk nhìu
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:
Chuyển đổi cellulose: Cellulose là loại polysaccharide đồng hình được cấu thành từ các đơn phân -D-glucose thông qua liên kết -(1-4) glycoside. Quá trình thủy phân bằng tổ hợp enzyme cellulase bao gồm cellobiohydrolase (exoglucanase), endoglucase và -glucosidase tạo ra sản phẩm cuối cùng là glucose.
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--xylanse, -xylosidase, -glucuronidase và -L-arabinofuranosidase.
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.
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.
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:
Chuyển đổi cellulose: Cellulose là loại polysaccharide đồng hình được cấu thành từ các đơn phân -D-glucose thông qua liên kết -(1-4) glycoside. Quá trình thủy phân bằng tổ hợp enzyme cellulase bao gồm cellobiohydrolase (exoglucanase), endoglucase và -glucosidase tạo ra sản phẩm cuối cùng là glucose.
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--xylanse, -xylosidase, -glucuronidase và -L-arabinofuranosidase.
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.
Phương pháp đường hoá tinh bột sẽ được thực hiện theo qui trình gồm: nguyên liệu được nghiền nát, sau đó tiến hành công đoạn đường hoá tinh bột, lên men cuối cùng là công đoạn chưng cất thu sản phẩm. Điểm ưu việt của công nghệ đường hoá tinh bột là có thể tận dụng nguồn nguyên liệu hoàn toàn hơn, nhờ vậy phương pháp này sẽ giúp cho nhà sản xuất giảm lượng nguyên vật liệu, tiết kiệm tối đa chi phí. Để có 1 lít cồn 94,5% chỉ cần tốn khoảng 2,5 kg khoai mì lác hoặc 15 kg bã khoai mì, như vậy nguồn chi phí sản xuất sẽ rẻ đi rất nhiều.
Thời gian qua, ở Việt Nam đã có nơi sử dụng khoai mì khô để sản xuất cồn nhưng hiệu suất tạo cồn vẫn còn thấp, phải tốn hết 3,5 kg khoai mì/lít. Còn nguồn bã khoai mì thì vẫn chưa nơi thực hiện.
Thời gian qua, ở Việt Nam đã có nơi sử dụng khoai mì khô để sản xuất cồn nhưng hiệu suất tạo cồn vẫn còn thấp, phải tốn hết 3,5 kg khoai mì/lít. Còn nguồn bã khoai mì thì vẫn chưa nơi thực hiện.
