Tự học Tiếng Anh chuyên ngành sinh học thông qua dịch tài liệu.

[Ho Huu Tho]

#25.29
4.4. Physico-chemical pretreatments
4.4.1. Steam explosion: SO2-steam explosion
Steam explosion is the most widely employed physico-chemical pretreatment for lignocellulosic biomass. It is a hydrothermal pretreatment in which the biomass is subjected to pressurised steam for a period of time ranging from seconds to several minutes, and then suddenly depressurised. This pretreatment combines mechanical forces and chemical effects due to the hydrolysis (autohydrolysis) of acetyl groups present in hemicellulose.
Autohydrolysis takes place when high temperatures promote the formation of acetic acid from acetyl groups; furthermore, water can also act as an acid at high temperatures. The mechanical effects are caused because the pressure is suddenly reduced and fibers are separated owing to the explosive decompression. In combination with the partial hemicellulose hydrolysis and solubilization, the lignin is redistributed and to some extent removed from the material (Pan et al., 2005). Removal of hemicelluloses exposes the cellulose surface and increases enzyme accessibility to the cellulose microfibrils.
The most important factors affecting the effectiveness of steam explosion are particle size, temperature, residence time and the combined effect of both temperature (T) and time (t), which is described by the severity factor (Ro) [Ro = t * e[T-100/14.75]] being the optimal conditions for maximum sugar yield a severity factor between 3.0 and 4.5 (Alfani et al., 2000). Higher temperatures result in an increased removal of hemicelluloses from the solid fraction and an enhanced cellulose digestibility, they also promote higher sugar degradation.

4.4. Các phương pháp tiền xử lý hóa lý
4.4.1. Bung hơi nước áp suất cao: Bung hơi nước áp suất cao - SO2
Bung hơi nước áp suất cao là phương pháp tiền xử lý bằng hóa lý đối với sinh khối lignocellulose được áp dụng rộng rãi nhất. Đó là phương pháp tiền xử lý thủy nhiệt trong đó người ta cho sinh khối tiếp xúc với hơi nước áp suất cao trong khoảng thời gian từ vài giây đến vài phút và sau đó giảm áp suất đột ngột. Phương pháp tiền xử lý này kết hợp các lực cơ học và các hiệu ứng hóa học do sự thủy phân (tự thủy phân) của các nhóm acetyl có trong hemicellulose.
Sự tự thủy phân diễn ra khi nhiệt độ cao thúc đẩy sự hình thành axit acetic từ các nhóm acetyl; hơn nữa, nước còn có thể hoạt động như một axit ở nhiệt độ cao. Hiệu ứng cơ học gây ra bởi áp suất giảm đột ngột và các sợi bị tách nhau ra nhờ sự giải nén bùng phát. Cùng với sự thủy phân và hòa tan một phần hemicellulose thì lignin cũng được tái phân bố và bị loại bỏ ở mức độ nhất định khỏi nguyên liệu (Pan et al., 2005). Sự loại bỏ hemicellulose sẽ bộc lộ bề mặt cellulose và gia tăng khả năng xâm nhập của enzym vào các vi sợi cellulose.
Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu quả của hơi nước áp suất cao là kích thước hạt, nhiệt độ, thời gian lưu và hiệu ứng tổng hợp của các nhiệt độ (T) và thời gian (t), được diễn tả bởi yếu tố khắc nghiệt (Ro) [Ro = t * e[T-100/14.75]], với các điều kiện tối ưu để thu được lượng đường tối đa thì yếu tố khắc nghiệt có giá trị từ 3.0 đến 4.5 (Alfani et al., 2000). Nhiệt độ càng cao sẽ loại bỏ càng nhiều hemicellulose từ thành phần chất rắn và càng tăng khả năng thủy phân của cellulose, nó cũng thúc đẩy sự thoái biến đường nhiều hơn.

 

[Ho Huu Tho]

#25.30
Steam explosion process offers several attractive features when compared to other pretreatment technologies. These include the potential for significantly lower environmental impact, lower capital investment, more potential for energy efficiency, less hazardous process chemicals and conditions and complete sugar recovery (Avellar and Glasser, 1998). Among the main advantages, it is worth to mention the possibility of using high chip size, unnecessary addition of acid catalyst (except for softwoods), high sugar recovery, good hydrolysis yields in enzymatic hydrolysis and its feasibility at industrial scale development. It is remarkable the fact that energy use for obtaining small chips size before pretreatment can make up one third of the power requirements of the entire process (Hamelinck et al., 2005). Furthermore, although the possibility of avoiding acid catalysts has been previously stated as an advantage, the addition of an acid catalyst has been also described as a manner to increase cellulose digestibility, to improve hemicellulose hydrolysis and, depending on the temperature, to decrease the production of degradation compounds (Sun and Cheng, 2002). Since cost reduction and low energy consumption are required for an effective pretreatment, high particle sizes as well as non-acid addition would be desirable to optimize the effectiveness on the process (Hamelinck et al., 2005).

 

[Ho Huu Tho]

#25.30
Steam explosion process offers several attractive features when compared to other pretreatment technologies. These include the potential for significantly lower environmental impact, lower capital investment, more potential for energy efficiency, less hazardous process chemicals and conditions and complete sugar recovery (Avellar and Glasser, 1998). Among the main advantages, it is worth to mention the possibility of using high chip size, unnecessary addition of acid catalyst (except for softwoods), high sugar recovery, good hydrolysis yields in enzymatic hydrolysis and its feasibility at industrial scale development. It is remarkable the fact that energy use for obtaining small chips size before pretreatment can make up one third of the power requirements of the entire process (Hamelinck et al., 2005). Furthermore, although the possibility of avoiding acid catalysts has been previously stated as an advantage, the addition of an acid catalyst has been also described as a manner to increase cellulose digestibility, to improve hemicellulose hydrolysis and, depending on the temperature, to decrease the production of degradation compounds (Sun and Cheng, 2002). Since cost reduction and low energy consumption are required for an effective pretreatment, high particle sizes as well as non-acid addition would be desirable to optimize the effectiveness on the process (Hamelinck et al., 2005).

Quy trình bung hơi nước áp suất cao có nhiều đặc điểm hấp dẫn khi so sánh với các công nghệ tiền xử lý khác. Những đặc điểm này gồm có tiềm năng ảnh hưởng đến môi trường thấp hơn đáng kể, giảm đầu tư vốn, nhiều tiềm năng về hiệu quả năng lượng hơn, các hóa chất và điều kiện của quy trình ít độc hại hơn và thu hồi đường hoàn toàn (Avellar và Glasser, 1998). Cùng với những ưu thế chính, cần đề cập đến khả năng sử dụng kích thước mảnh lớn, không cần thêm chất xúc tác axit (trừ các gỗ mềm), thu hồi đường cao, nhiều sản phẩm thủy phân thu được trong quá trình thủy phân nhờ enzym và tính khả thi của nó khi phát triển lên quy mô công nghiệp. Điều đáng chú ý là tiêu hao năng lượng để thu được kích thước mảnh nhỏ trước khi tiền xử lý có thể chiếm tới một phần ba yêu cầu năng lượng của toàn bộ quá trình (Hamelinck và cs., 2005). Hơn nữa, mặc dù trước đây khả năng tránh việc phải dùng các chất xúc tác đã được công bố như là một ưu điểm nhưng việc cho thêm chất xúc tác axit cũng đã được mô tả như là một cách thức để gia tăng khả năng phân giải cellulose để cải thiện sự thủy phân hemicellulose và phụ thuộc vào nhiệt độ để làm giảm hình thành các hợp chất thoái biến (Sun và Cheng, 2002). Vì giảm chi phí và tiêu thụ năng lượng ít là cần thiết để có một công nghệ tiền xử lý hiệu quả nên kích thước mảnh lớn cũng như không phải cho thêm axit có thể thích hợp để tối ưu hóa tính hiệu quả của quá trình (Hamelinck và cs., 2005).

(Phần tiếp theo)

 

[Hoa thang hai]

Vận chuyển chủ động<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-comfficeffice" /><o></o>
Vận chuyển chủ động là sự di chuyển của các phân tử ngược với chiều của gradient nồng độ, quá trình này tiêu hao năng lượng.<o></o>
Gradient nồng độ<o></o>
Hầu hết nồng độ của các chất bên trong tế bào khác với nồng độ của nó bên ngoài môi trường xung quanh tế bào đó. Vách tế bào ngăn không cho môi trường bên tron tế bào tràn ra ngoài tế bào và điều khiển dòng vận chuyển của các chất đi vào và đi ra khỏi tế bào. Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học đã chỉ ra rằng, Các chất di chuyển một cách tự do từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp hay di chuyển theo chiều của gradient nồng độ dù chất đó ở thể lỏng hay thể khí. Gradient nồng độ được ví như nước ở trong đập nướ vậy. Nước trong đập sẽ chảy theo bất cứ một con kênh nào ra bên ngoài. Năng lượng của nước sinh ra có thể được sử dụng để sinh ra điện. Nước có thể được bơm từ bên ngoài vào theo hướng ngược lại từ các con sông bên dưới đập nước lên trên bể chứa đằng sau đập nước, việc này tiêu tốn năng lượng. Màng tế bào đóng vai trò giống như đập nước. Chúng ngăn không cho các chất đi qua mà việc di chuyển thông qua các kênh đặc biệt, các chất mang và bơm cung cấp các con đường đi cho sự vận chuyển của các chất cụ thể qua màng tế bào.<o></o>
Khi một chất di chuyển dọc theo chiều của gradient nồng độ chỉ sử dụng một trong số các cách sau: qua màng tế bào, qua kênh vận chuyển hoặc chất mang gọi là sự khuếch tán đơn giản. Quá trình khuếch tán này không cần sử dụng năng lượng để vận chuyển các chất. cụ thể, thế năng của gradient nồng độ đã cung cấp lực cho sự vận chuyển, nó giống như sự di chuyển của nước trong đập vậy.Ngoài ra, ở trong điều kiện khuếch tán như vậy các kênh vận chuyển và chất mang không cần quan tâm xem chiều của chuyển động là gì, nó chỉ cung cấp con đường cho sự vận chuyển mà thôi.. <o></o>
Trong tế bào, một số chất phải di chuyển theo chiều ngược với chiều của gradient nồng độ nhằm tăng nồng độ chất đó bên ngoài hoặc bên trong tế bào. Quá trình này đòi hỏi năng lượng và được biết đến là quá trình vận chuyển chủ động. Giống như quá trình khuếch tán, các chất mang đặc biệt đóng vai trò vận chuyển các chất qua màng tế bào. Màng tế bào không phải nơi duy nhất cần tới quá trình vận chuyển chủ động. Tất cả các bào quan được bao bọc bởi màng cũng rất chú trọng tới sự vận chuyển của một số chất đi ngược lại với chiều của gradient nồng độ.

 

[Ho Huu Tho]

@ Hoa thang hai: Cảm ơn bạn đã tham gia học ở topic. Bạn nên copy cả phần tiếng Anh để người đọc dễ theo dõi phần dịch của bạn. Trong phần sau tôi gạch chân những một số chỗ trong phần dịch của bạn mà theo tôi là bạn cần xem lại. Bạn cũng có thể đối chiều với phần dịch khác ở link này. Chúc bạn học tập tiến bộ!
#1.1
Active Transport
Active transport is the movement of molecules up their concentration gradient, using energy.
Concentration Gradients
The concentration of most molecules inside a cell is different than the concentration of molecules in the surrounding environment. The plasma membrane separates the internal environment of the cell from the fluid bathing the cell and regulates the flow of molecules both into and out of the cell. The second law of thermodynamics states that molecules, whether in the gas or liquid state, will move spontaneously from an area of higher concentration to an area of lower concentration or down their concentration gradient.

Vận chuyển chủ động<o></o>
Vận chuyển chủ động là sự di chuyển của các phân tử ngược với chiều của gradient nồng độ, quá trình này tiêu hao năng lượng.<o></o>
Gradient nồng độ<o></o>
Hầu hết nồng độ của các chất bên trong tế bào khác với nồng độ của nó bên ngoài môi trường xung quanh tế bào đó. Vách tế bào ngăn không cho môi trường bên tron tế bào tràn ra ngoài tế bào và điều khiển dòng vận chuyển của các chất đi vào và đi ra khỏi tế bào. Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học đã chỉ ra rằng, Các chất di chuyển một cách tự do từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp hay di chuyển theo chiều của gradient nồng độ dù chất đó ở thể lỏng hay thể khí.

A concentration gradient can be likened to water stored behind a dam. The water behind the dam will flow through the dam via any available channel to the other side. The energy from the water moving through the dam can be harnessed to make electricity. Water can also be pumped in the opposite direction from the river below the dam up to the reservoir behind the dam, with an expenditure of energy. Cellular membranes act somewhat like a dam. They block the movement of many types of molecules and have specific channels, transporters and pumps to provide pathways for the movement of certain molecules across the membrane.

Gradient nồng độ được ví như nước ở trong đập nướ vậy. Nước trong đập sẽ chảy theo bất cứ một con kênh nào ra bên ngoài. Năng lượng của nước sinh ra có thể được sử dụng để sinh ra điện. Nước có thể được bơm từ bên ngoài vào theo hướng ngược lại từ các con sông bên dưới đập nước lên trên bể chứa đằng sau đập nước, việc này tiêu tốn năng lượng. Màng tế bào đóng vai trò giống như đập nước. Chúng ngăn không cho các chất đi qua mà việc di chuyển thông qua các kênh đặc biệt, các chất mang và bơm cung cấp các con đường đi cho sự vận chuyển của các chất cụ thể qua màng tế bào.<o></o>

When a molecule moves down its concentration gradient using one of these membrane channels or transporters, the process is called facilitated diffusion. In facilitated diffusion, no input of energy is needed to move the molecules. Instead, the potential energy of the concentration gradient powers the movement, just like water flowing out of a dam. For further diffusion, the channel or transporter does not determine in which direction the molecules will move, it only provides a pathway for the
movement.

Khi một chất di chuyển dọc theo chiều của gradient nồng độ chỉ sử dụng một trong số các cách sau: qua màng tế bào, qua kênh vận chuyển hoặc chất mang gọi là sự khuếch tán đơn giản. Quá trình khuếch tán này không cần sử dụng năng lượng để vận chuyển các chất. cụ thể, thế năng của gradient nồng độ đã cung cấp lực cho sự vận chuyển, nó giống như sự di chuyển của nước trong đập vậy.Ngoài ra, ở trong điều kiện khuếch tán như vậy các kênh vận chuyển và chất mang không cần quan tâm xem chiều của chuyển động là gì, nó chỉ cung cấp con đường cho sự vận chuyển mà thôi.. <o></o>

In cells, some molecules must be moved against their concentration gradient to increase their concentration inside or outside the cell. This process requires the input of energy and is known as active transport. As with facilitated diffusion, special transporters in the membrane are used to move the molecules across the membrane. The plasma membrane is not the only cellular membrane that requires active transport. All organelles surrounded by membranes must concentrate some molecules against their concentration gradients.

Trong tế bào, một số chất phải di chuyển theo chiều ngược với chiều của gradient nồng độ nhằm tăng nồng độ chất đó bên ngoài hoặc bên trong tế bào. Quá trình này đòi hỏi năng lượng và được biết đến là quá trình vận chuyển chủ động. Giống như quá trình khuếch tán, các chất mang đặc biệt đóng vai trò vận chuyển các chất qua màng tế bào. Màng tế bào không phải nơi duy nhất cần tới quá trình vận chuyển chủ động. Tất cả các bào quan được bao bọc bởi màng cũng rất chú trọng tới sự vận chuyển của một số chất đi ngược lại với chiều của gradient nồng độ.

 

[Ho Huu Tho]

(Tiếp theo phần trước)

#25.31
Although acid utilization in steam explosion has been introduced with some disadvantages, many pretreatment approaches (SO2-explosion) have included external acid addition (H2SO4) to catalyze the solubilization of the hemicellulose, lower the optimal pretreatment temperature and give a partial hydrolysis of cellulose ([Brownell et al., 1986] and [Tengborg et al., 1998]). Notwithstanding, the main drawbacks when using acids are related to equipment requirements and higher formation of degradation compounds ([Mosier et al., 2005b] and [Palmqvist and Hahn-Hägerdal, 2000]). In general, SO2-catalyzed steam explosion is regarded as one of the most effective pretreatment method for softwood material (Tengborg et al., 1998).
Steam explosion technology has been proven for ethanol production from a wide range of raw materials as poplar (Oliva et al., 2003), olive residues (Cara et al., 2006), herbaceous residues as corn stover (Varga et al., 2004), and wheat straw (Ballesteros et al., 2006). It has successfully performed with hardwoods and agricultural residues or herbaceous biomass but it is not very effective for softwoods due to its low content of acetyl groups in the hemicellulosic portion (Sun and Cheng, 2002).
With the aim of maximizing sugar recoveries, some authors have suggested a two-step preteatment (Tengborg et al., 1998). In the first step, pretreatment is performed at low temperature to solubilize the hemicellulosic fraction, and the cellulose fraction is subjected to a second pretreatment step at temperatures higher than 210 °C. It offers some additional advantages such as higher ethanol yields, better use of the raw material and lower enzyme dosages during enzymatic hydrolysis (Söderström et al., 2002). Nevertheless, an economic evaluation is needed to determine the effectiveness of an additional steam explosion (Galbe and Zacchi, 2007).

 

[Ho Huu Tho]

#25.31
Although acid utilization in steam explosion has been introduced with some disadvantages, many pretreatment approaches (SO2-explosion) have included external acid addition (H2SO4) to catalyze the solubilization of the hemicellulose, lower the optimal pretreatment temperature and give a partial hydrolysis of cellulose ([Brownell et al., 1986] and [Tengborg et al., 1998]). Notwithstanding, the main drawbacks when using acids are related to equipment requirements and higher formation of degradation compounds ([Mosier et al., 2005b] and [Palmqvist and Hahn-Hägerdal, 2000]). In general, SO2-catalyzed steam explosion is regarded as one of the most effective pretreatment method for softwood material (Tengborg et al., 1998).
Steam explosion technology has been proven for ethanol production from a wide range of raw materials as poplar (Oliva et al., 2003), olive residues (Cara et al., 2006), herbaceous residues as corn stover (Varga et al., 2004), and wheat straw (Ballesteros et al., 2006). It has successfully performed with hardwoods and agricultural residues or herbaceous biomass but it is not very effective for softwoods due to its low content of acetyl groups in the hemicellulosic portion (Sun and Cheng, 2002).
With the aim of maximizing sugar recoveries, some authors have suggested a two-step preteatment (Tengborg et al., 1998). In the first step, pretreatment is performed at low temperature to solubilize the hemicellulosic fraction, and the cellulose fraction is subjected to a second pretreatment step at temperatures higher than 210 °C. It offers some additional advantages such as higher ethanol yields, better use of the raw material and lower enzyme dosages during enzymatic hydrolysis (Söderström et al., 2002). Nevertheless, an economic evaluation is needed to determine the effectiveness of an additional steam explosion (Galbe and Zacchi, 2007).

Mặc dù việc sử dụng axit trong phương pháp bung hơi nước áp suất cao được cho là có một số nhược điểm, nhiều phương pháp tiền xử lý (SO2-bung áp suất cao) bao gồm việc cho thêm axit ngoại lai (H2SO4) để xúc tác sự hòa tan của hemicellulose, giảm nhiệt độ tối ưu của tiền xử lý và khiến cellulose bị thủy phân một phần ([Brownell và cs., 1986] và[Tengborg và cs., 1998]). Tuy nhiên, trở ngại chính khi sử dụng các axit liên quan đến các yêu cầu về thiết bị và sự hình thành nhiều hơn các hợp chất thoái biến ([Mosier và cs., 2005b] và[Palmqvist và Hahn-Hägerdal, 2000]). Nói chung, bung hơi nước xúc tác bởi SO2 được coi là một phương pháp hiệu quả nhất để tiền xử lý nguyên liệu gỗ mềm (Tengborg và cs., 1998).
Công nghệ bung hơi nước áp suất cao đã được xác nhận trong sản xuất ethanol từ nhiều loại nguyên liệu như cây bạch dương (Oliva và cs., 2003), các bộ phận cây oliu (Cara và cs., 2006), các bộ phận của cây thân thảo như thân lá cây ngô (Varga và cs., 2004), thân cây lúa mạch. Nó đã hoạt động đạt kết quả tốt với các loại gỗ cứng và các sản phẩm trong nông nghiệp hay các sinh khối của cây thân thảo nhưng nó không thật sự hiệu quả với các loại gỗ mềm do hàm lượng các nhóm acetyl thấp của phần hemicellulose (Sun và Cheng, 2002).
Với mục đích gia tăng cực đại thu hồi đường, một số tác giả đã đề xuất phương pháp tiền xử lý hai bước. Trong bước thứ nhất, tiền xử lý được tiến hành ở nhiệt độ thấp để hoà tan phần hemicellulose và phần cellulose thì được đưa vào bước tiền xử lý thứ hai ở nhiệt độ cao hơn 210 °C. Nó tao ra thêm một số ưu điểm như sản lượng ethanol cao hơn, sử dụng tốt hơn nguyên liệu và hàm lượng enzym sử dụng thấp hơn trong quá trình thủy phân bằng enzym. Tuy nhiên, cần tiến hành khảo sát về khía cạnh kinh tế để xác định tính hiệu quả của bung hơi nước ở áp suất cao bổ sung.

 

[Ho Huu Tho]

#25.32
The main drawbacks of steam explosion pretreatment are the partially hemicellulose degradation and the generation of some toxic compounds that could affect the following hydrolysis and fermentation steps (Oliva et al., 2003). The toxic compounds generated and their amounts depend on the raw material and the harshness of the pretreatment. Hence, the necessity of using a robust strain in the subsequent fermentation step. The major inhibitors are furan derivatives, weak acids and phenolic compounds. The main furan derivatives are furfural and 5-hydroxymethyl furfural derived from pentoses and hexoses degradation, respectively. Both have been reported as inhibitors by prolongation of the lag phase during batch fermentation (Palmqvist and Hahn-Hägerdal, 2000).
Weak acids generated during steam explosion are mostly acetic acid, formed from the acetic groups present in the hemicellulosic fraction, and formic and levulinic acids derived from further degradation of furfural and HMF. Wide range of phenolic compounds are generated due to the lignin breakdown varying widely between different raw materials. Several detoxification methods have been studied in order to reduce the inhibitory effect caused by these compounds on enzymes and yeasts. However, owing to the additional cost in the overall process, detoxification should be avoided if possible. Besides detoxification, several approaches such as genetic modification, evolutionary engineering or adaptative strategies are nowadays appearing as a promising alternatives to obtain more tolerant yeasts (Liu et al., 2005).

 

[Ho Huu Tho]

#25.32
The main drawbacks of steam explosion pretreatment are the partially hemicellulose degradation and the generation of some toxic compounds that could affect the following hydrolysis and fermentation steps (Oliva et al., 2003). The toxic compounds generated and their amounts depend on the raw material and the harshness of the pretreatment. Hence, the necessity of using a robust strain in the subsequent fermentation step. The major inhibitors are furan derivatives, weak acids and phenolic compounds. The main furan derivatives are furfural and 5-hydroxymethyl furfural derived from pentoses and hexoses degradation, respectively. Both have been reported as inhibitors by prolongation of the lag phase during batch fermentation (Palmqvist and Hahn-Hägerdal, 2000).
Weak acids generated during steam explosion are mostly acetic acid, formed from the acetic groups present in the hemicellulosic fraction, and formic and levulinic acids derived from further degradation of furfural and HMF. Wide range of phenolic compounds are generated due to the lignin breakdown varying widely between different raw materials. Several detoxification methods have been studied in order to reduce the inhibitory effect caused by these compounds on enzymes and yeasts. However, owing to the additional cost in the overall process, detoxification should be avoided if possible. Besides detoxification, several approaches such as genetic modification, evolutionary engineering or adaptative strategies are nowadays appearing as a promising alternatives to obtain more tolerant yeasts (Liu et al., 2005).

Nhược điểm chính của tiền xử lý bung hơi nước áp suất cao là sự thoái biến một phần hemicellulose và hình thành một số chất độc có thể ảnh hưởng đến sự thủy phân và các bước lên men tiếp theo. Các chất độc được tạo thành và số lượng của chúng phụ thuộc vào nguyên liệu và sự khắc nghiệt của tiền xử lý. Bởi thế cần sử dụng chủng ổn định trong bước lên men tiếp theo. Các yếu tố ức chế chính là các dẫn xuất của furan, các axit yếu và các hợp chất phenol. Các dẫn xuất chính của furan là furfural và 5-hydroxymethyl furfural được tạo ra lần lượt từ sự thoái biến pentose và hexose. Cả hai đều được báo cáo là các chất ức chế bằng cách kéo dài pha thích nghi trong quá trình lên men.
Các axit yếu được tạo thành trong quá trình bung hơi nước áp suất cao chủ yếu là axit axetic, hình thành từ các nhóm axetic có mặt trong thành phần hemicellulose và các axit formic, levulinic tạo thành từ sự thoái biến tiếp tục của furfural và HMF. Nhiều loại hợp chất phenol được tạo thành do sự phá vỡ lignin có sự khác nhau nhiều giữa các nguyên liệu khác nhau. Một số phương pháp khử độc đã được nghiên cứu để làm giảm hiệu ứng ức chế gây ra bởi những hợp chất này đối với các enzym và nấm men. Tuy nhiên, do chi phí phát sinh đối với toàn bộ quy trình nên cần tránh việc áp dụng khử độc nếu có thể. Bên cạnh khử độc, ngày nay một số hướng tiếp cận như biến đổi di truyền, thiết kế tiến hóa hay các chiến lược thích nghi có vẻ là những biện pháp thay thế hứa hẹn để thu được nấm men chống chịu tốt hơn.

Để tiện theo dõi, mời các bạn xem Trang chủ của topic
<!--EndFragment-->

 

[Ho Huu Tho]

#25.33
4.4.2. Liquid hot water
Liquid hot water is another hydrothermal treatment which does not require rapid decompression and does not employ any catalyst or chemicals. Pressure is applied to maintain water in the liquid state at elevated temperatures (160–240 °C) and provoke alterations in the structure of the lignocellulose.
The objective of the liquid hot water is to solubilize mainly the hemicellulose, to make the cellulose more accessible and to avoid the formation of inhibitors. The slurry generated after pretreatment can be filtered to obtain two fractions: one solid cellulose-enriched fraction and a liquid fraction rich in hemicellulose derived sugars. To avoid the formation of inhibitors, the pH should be kept between 4 and 7 during the pretreatment because at this pH hemicellulosic sugars are retained in oligomeric form and monomers formation is minimized. Therefore the formation of degradation products is also lower (Mosier et al., 2005a).
Liquid hot water has been shown to remove up to 80% of the hemicellulose and to enhance the enzymatic digestibility of pretreated material in herbaceous feedstocks, such as corn stover (Mosier et al., 2005a), sugarcane bagasse (Laser et al., 2002) and wheat straw (Pérez et al., 2008). Two-step pretreatment has been studied to optimize hemicellulosic sugars recovery and to enhance enzymatic hydrolysis yields. Lignin is partially depolymerized and solubilized as well during hot water pretreatment but complete delignification is not possible using hot water alone, because of the recondensation of soluble components originating from lignin.
Flow through systems have been reported to remove more hemicellulose and lignin than batch systems from some materials. Addition of external acid during the flow trough process has been also studied but it is discussed if hemicellulose and lignin removal is increased with the acid addition (Wyman et al., 2005a).
In general, liquid hot water pretreatments are attractive from a cost-savings potential: no catalyst requirement and low-cost reactor construction due to low-corrosion potential. It has also the major advantage that the solubilized hemicellulose and lignin products are present in lower concentration, due to higher water input, and subsequently concentration of degradation products is reduced. In comparison to steam explosion, higher pentosan recovery and lower formation of inhibitors are obtained, however, water demanding in the process and energetic requirement are higher and it is not developed at commercial scale.

Để tiện theo dõi, mời các bạn xem Trang chủ của topic
<!--EndFragment-->

 

[Ho Huu Tho]

#25.33
4.4.2. Liquid hot water
Liquid hot water is another hydrothermal treatment which does not require rapid decompression and does not employ any catalyst or chemicals. Pressure is applied to maintain water in the liquid state at elevated temperatures (160–240 °C) and provoke alterations in the structure of the lignocellulose.
The objective of the liquid hot water is to solubilize mainly the hemicellulose, to make the cellulose more accessible and to avoid the formation of inhibitors. The slurry generated after pretreatment can be filtered to obtain two fractions: one solid cellulose-enriched fraction and a liquid fraction rich in hemicellulose derived sugars. To avoid the formation of inhibitors, the pH should be kept between 4 and 7 during the pretreatment because at this pH hemicellulosic sugars are retained in oligomeric form and monomers formation is minimized. Therefore the formation of degradation products is also lower (Mosier et al., 2005a).
Liquid hot water has been shown to remove up to 80% of the hemicellulose and to enhance the enzymatic digestibility of pretreated material in herbaceous feedstocks, such as corn stover (Mosier et al., 2005a), sugarcane bagasse (Laser et al., 2002) and wheat straw (Pérez et al., 2008). Two-step pretreatment has been studied to optimize hemicellulosic sugars recovery and to enhance enzymatic hydrolysis yields. Lignin is partially depolymerized and solubilized as well during hot water pretreatment but complete delignification is not possible using hot water alone, because of the recondensation of soluble components originating from lignin.
Flow through systems have been reported to remove more hemicellulose and lignin than batch systems from some materials. Addition of external acid during the flow trough process has been also studied but it is discussed if hemicellulose and lignin removal is increased with the acid addition (Wyman et al., 2005a).
In general, liquid hot water pretreatments are attractive from a cost-savings potential: no catalyst requirement and low-cost reactor construction due to low-corrosion potential. It has also the major advantage that the solubilized hemicellulose and lignin products are present in lower concentration, due to higher water input, and subsequently concentration of degradation products is reduced. In comparison to steam explosion, higher pentosan recovery and lower formation of inhibitors are obtained, however, water demanding in the process and energetic requirement are higher and it is not developed at commercial scale.

4.4.2. Nước nóng thể lỏng
Nước nóng thể lỏng là phương pháp xử lý thủy nhiệt khác mà không đòi hỏi sự giảm áp nhanh và không sử dụng các chất xúc tác hay các hóa chất. Áp suất được sử dụng để duy trì nước ở trạng thái lỏng khi nhiệt độ tăng cao (160–240 °C) và thúc đẩy sự biến đổi về cấu trúc của lignocellulose. Mục đích của nước nóng thể lỏng là hòa tan chủ yếu hemicellulose, để làm cho cellulose có nhiều khả năng được tiếp cận hơn và tránh sự tạo thành các chất ức chế, pH cần giữ ở mức giữa 4 và 7 trong quá trình tiền xử lý vì ở pH này thì các đường hemicellulose được giữ ở dạng oligo và sự tạo thành đường đơn được giảm thiểu. Bởi vậy sự tạo thành các sản phẩm thoái biến cũng thấp hơn.
Phương pháp nước nóng thể lỏng đã cho thấy có thể loại bỏ đến 80% hemicellulose và tăng cường sự phân giải nhờ enzym của các nguyên liệu qua tiền xử lý ở các nguyên liệu thân thảo như thân lá cây ngô, bã mía và thân cây lúa mạch. Tiền xử lý hai bước đã được nghiên cứu để tối ưu hóa thu hồi các đường hemicellulose và tăng sản phẩm thu được của phản ứng thủy phân nhờ enzym. Lignin được khử polymer một phần và còn được hòa tan trong quá trình tiền xử lý bằng nước nóng nhưng sự khử lignin hoàn toàn không thể đạt được chỉ bằng nước nóng, vì sự tái hóa đặc của các thành phần hòa tan có nguồn gốc từ lignin.
Các hệ thống dòng chảy liên tục đã được báo cáo để loại bỏ nhiều hơn hemicellulose và lignin so với hệ thống mẻ từ một số loại nguyên liệu. Cho thêm axit ngoại lai trong quy trình dòng chảy liên tục cũng đã được nghiên cứu nhưng người ta vẫn còn tranh luận liệu việc cho thêm axit có làm tăng loại bỏ hemicellulose và lignin hay không.
Nhìn chung, các phương pháp tiền xử lý nước nóng thể lỏng hấp dẫn nhờ vào khả năng tiết kiệm chi phí: không đòi hỏi chất xúc tác và xây dựng lò phản ứng giá rẻ nhờ vào khả năng ít bị ăn mòn. Nó còn có ưu điểm lớn là các sản phẩm hemicellulose và lignin được hòa tan có mặt với nồng độ thấp, nhờ vào nguồn nước đi vào nhiều và kéo theo nồng độ của các sản phẩm thoái biến giảm. So với phương pháp bung hơi nước, người ta thu hồi được lượng đường pentose cao hơn và sự hình thành các yếu tố ức chế thấp hơn, tuy nhiên yêu cầu về nước trong quy trình và yêu cầu năng lượng cao hơn và nó chưa được phát triển lên quy mô thương mại.

 

[Ho Huu Tho]

#25.34
4.4.3. Ammonia fiber explosion (AFEX)
In the AFEX process, biomass is treated with liquid anhydrous ammonia at temperatures between 60 and 100 °C and high pressure for a variable period of time. The pressure is then released, resulting in a rapid expansion of the ammonia gas that causes swelling and physical disruption of biomass fibers and partial decrystallization of cellulose. While some other pretreatments such as steam explosion produce a slurry that can be separated in a solid and a liquid fractions, AFEX produces only a pretreated solid material.
AFEX has been reported to decrease cellulose cristallinity and disrupt lignin–carbohydrates linkages (Laureano-Pérez et al., 2005). During the pretreatment only a small amount of the solid material is solubilized; little hemicellulose and lignin is removed (Wyman et al., 2005a). Deacetylation of hemicellulose is also observed. AFEX removes the least acetyl groups from certain lignocellulosic materials (Kumar et al., 2009b). Digestibility of biomass is increased after AFEX pretreatment (Galbe and Zacchi, 2007) and therefore the enzymatic hydrolysis results in greater yields. Both cellulases and hemicellulases will be required in hydrolysis process due to the considerable remaining hemicellulose in the pretreated material.
Ammonia recovery and recycle is feasible despite of its high volatility (Teymouri et al., 2005) but the associated complexity and costs of ammonia recovery may be significant regarding commercial potential of the AFEX pretreatment ([Eggeman and Elander, 2005] and [Mosier et al., 2005b]).
No formation of inhibitors for the downstream biological processes is one of the main advantages of the ammonia pretreatment, even though some phenolic fragments of lignin and other cell wall extractives may remain on the cellulosic surface.

 

[Ho Huu Tho]

#25.34
4.4.3. Ammonia fiber explosion (AFEX)
In the AFEX process, biomass is treated with liquid anhydrous ammonia at temperatures between 60 and 100 °C and high pressure for a variable period of time. The pressure is then released, resulting in a rapid expansion of the ammonia gas that causes swelling and physical disruption of biomass fibers and partial decrystallization of cellulose. While some other pretreatments such as steam explosion produce a slurry that can be separated in a solid and a liquid fractions, AFEX produces only a pretreated solid material.
AFEX has been reported to decrease cellulose cristallinity and disrupt lignin–carbohydrates linkages (Laureano-Pérez et al., 2005). During the pretreatment only a small amount of the solid material is solubilized; little hemicellulose and lignin is removed (Wyman et al., 2005a). Deacetylation of hemicellulose is also observed. AFEX removes the least acetyl groups from certain lignocellulosic materials (Kumar et al., 2009b). Digestibility of biomass is increased after AFEX pretreatment (Galbe and Zacchi, 2007) and therefore the enzymatic hydrolysis results in greater yields. Both cellulases and hemicellulases will be required in hydrolysis process due to the considerable remaining hemicellulose in the pretreated material.
Ammonia recovery and recycle is feasible despite of its high volatility (Teymouri et al., 2005) but the associated complexity and costs of ammonia recovery may be significant regarding commercial potential of the AFEX pretreatment ([Eggeman and Elander, 2005] and [Mosier et al., 2005b]).
No formation of inhibitors for the downstream biological processes is one of the main advantages of the ammonia pretreatment, even though some phenolic fragments of lignin and other cell wall extractives may remain on the cellulosic surface.

4.4.3. Bung sợi amoniac (AFEX)
Trong quy trình AFEX, sinh khối được xử lý bằng amoniac khan dạng lỏng ở nhiệt độ từ 60 đến 100 °C với áp suất cao trong khoảng thời gian khác nhau. Sau đó áp suất được loại bỏ dẫn đến sự lan tỏa nhanh chóng của khí amoniac để gây ra sự trương phồng và phá vỡ về vật lý các sợi của sinh khối và khử kết tinh một phần của cellulose. Trong khi một số phương pháp tiền xử lý khác như bung hơi nước tạo thành dạng bùn vữa có thể phân tách thành các phần rắn và lỏng thì AFEX chỉ tạo thành một chất liệu rắn đã qua xử lý.
AFEX đã được báo cáo là làm giảm mức độ kết tinh của cellulose và phá vỡ các liên kết lignin-carbohydrate. Trong quá trình tiền xử lý chỉ một lượng nhỏ chất liệu rắn được hòa tan; một phần nhỏ hemicellulose và lignin được loại bỏ. Khử acetyl của hemicellulose cũng được quan sát. AFEX loại bỏ tối thiểu các nhóm acetyl từ những loại nguyên liệu lignocellulose nhất định. Khả năng bị phân giải của sinh khối được gia tăng sau tiền xử lý bằng phương pháp AFEX và bởi thế sự thủy phân nhờ enzym tạo ra nhiều sản phẩm hơn. Quá trình thủy phân cần đến cả enzym cellulase và hemicellulase do một lượng đáng kể hemicellulose còn lại trong nguyên liệu đã qua tiền xử lý.
Thu hồi và tái sử dụng amoniac có tính khả thi mặc dù tinh linh động khá cao của chúng nhưng sự phức tạp và giá thành liên quan đến việc thu hồi amoniac có thể là đáng kể khi tính đến khả năng thương mại của tiền xử lý AFEX.
Một trong những ưu điểm chính của tiền xử lý bằng amoniac là không tạo thành các chất ức chế trong các quá trình sinh học diễn ra sau đó, tuy nhiên một số phân đoạn kiểu phenol của lignin và các chất khác của thành tế bào có thể tồn tại trên bề mặt của cellulose.

 

[Ho Huu Tho]

#25.35
The AFEX pretreatment is more effective on agricultural residues and herbaceous crops, with limited effectiveness demonstrated on woody biomass and other high lignin feedstocks (Wyman et al., 2005a). There have been reported recent strategies to optimize the conditions in the AFEX pretreatment in studies using different materials (Teymouri et al., 2005). At optimal conditions AFEX can achieve more than 90% conversion of cellulose and hemicellulose to fermentable sugars for a broad variety of lignocellulosic materials. In fact, despite of little removal of lignin or hemicellulose in the AFEX process, enzymatic digestion at low enzyme loadings results very high comparing other pretreatment alternatives (Wyman et al., 2005b). This may suggest that ammonia affects lignin and possibly hemicellulose differently than other chemicals, reducing the ability of lignin to adsorb enzyme and/or to make its access to cellulose more difficult.
A reduction of ammonia requirements and concentration, and a decrease of enzyme loadings while maintaining high conversions of cellulose and hemicellulose can diminish the total cost of ethanol production using AFEX process. Recently, AFEX pretreatment has been succesfully used in saccharification and cofermentation processes with recombinant S. cerevisisae strains obtaining high ethanol yields.
Furthermore, besides ethanol production, AFEX pretreatement has been showed as a feasible method for pretreating swithgrass for protein extraction (Bals et al., 2007). In this context, the integrated recovery of sugars and protein would be a feasible approach to a cellulosic biorefinery implying a reduction in the ethanol selling price.

 

[Ho Huu Tho]

#25.35
The AFEX pretreatment is more effective on agricultural residues and herbaceous crops, with limited effectiveness demonstrated on woody biomass and other high lignin feedstocks (Wyman et al., 2005a). There have been reported recent strategies to optimize the conditions in the AFEX pretreatment in studies using different materials (Teymouri et al., 2005). At optimal conditions AFEX can achieve more than 90% conversion of cellulose and hemicellulose to fermentable sugars for a broad variety of lignocellulosic materials. In fact, despite of little removal of lignin or hemicellulose in the AFEX process, enzymatic digestion at low enzyme loadings results very high comparing other pretreatment alternatives (Wyman et al., 2005b). This may suggest that ammonia affects lignin and possibly hemicellulose differently than other chemicals, reducing the ability of lignin to adsorb enzyme and/or to make its access to cellulose more difficult. A reduction of ammonia requirements and concentration, and a decrease of enzyme loadings while maintaining high conversions of cellulose and hemicellulose can diminish the total cost of ethanol production using AFEX process. Recently, AFEX pretreatment has been succesfully used in saccharification and cofermentation processes with recombinant S. cerevisisae strains obtaining high ethanol yields.
Furthermore, besides ethanol production, AFEX pretreatement has been showed as a feasible method for pretreating switchgrass for protein extraction (Bals et al., 2007). In this context, the integrated recovery of sugars and protein would be a feasible approach to a cellulosic biorefinery implying a reduction in the ethanol selling price.

Tiền xử lý AFEX hiệu quả hơn ở các sản phẩm nông nghiệp và thực vật thân cỏ và có hiệu quả hạn chế đã được mô tả ở các sinh khối dạng gỗ và các nguyên liệu khác có hàm lượng lignin cao. Đã có các chiến lược được báo cáo gần đây để tối ưu hóa các điều kiện của tiền xử lý AFEX trong các nghiên cứu sử dụng các nguyên liệu khác nhau. Ở những điều kiện tối ưu, AFEX có thể chuyển tới 90% cellulose và hemicellulose thành các đường có thể lên men đối với nhiều loại nguyên liệu lignocellulose. Thực sự là dù cho sự loại bỏ lignin hay hemicellulose ít trong quy trình AFEX, sự phân giải nhờ enzym với hàm lượng enzym sử dụng thấp cho ra kết quả rất cao khi so sánh với các phương pháp tiền xử lý thay thế khác. Điều này có thể gợi ý rằng amoniac ảnh hưởng đến lignin và có thể hemicellulose khác với các hóa chất khác, làm giảm khả năng của lignin hấp phụ enzym và/hoặc làm cho enzym khó xâm nhập vào cellulose hơn. Giảm yêu cầu và nồng độ của amoniac và giảm nồng độ enzym được sử dụng trong khi duy trì được sự chuyển đổi cao của cellulose và hemicellulose có thể làm giảm giá thành tổng thể của sản xuất ethanol bằng quy trình AFEX. Gần đây, tiền xử lý AFEX đã được áp dụng thành công trong các quy trình đường hóa và đồng lên men với các chủng S. cerevisisae tái tổ hợp và cho sản lượng ethanol cao.
Hơn nữa, bên cạnh sản xuất ethanol thì tiền xử lý AFEX được cho thấy là một phương pháp khả thi để xử lý cỏ ba chẽ để tách chiết protein. Trong bối cảnh này, sự thu hồi cả đường và protein có thể là một hướng tiếp cận khả thi để tinh chế sinh học cellulose nhằm giảm giá bán ethanol.

 

[Ho Huu Tho]

#25.36
Attending industrial requirements a larger and continuous version of AFEX process based on extrusion technology, known as FIBEX, has been developed and tested (Wyman et al., 2005a).
Another type of process utilizing ammonia is ammonia recycle percolation (ARP) in which aqueous ammonia (5–15 wt%) passes through a reactor packed with biomass. Temperature is normally fixed at 140–210 °C, reaction time up to 90 min and percolation rate about 5 mL/min ([Sun and Cheng, 2002] and [Kim et al., 2008a]). ARP can solubilize hemicellulose but cellulose remains intact. It leads to a short-chained cellulosic material with high glucan content (Yang and Wyman, 2008). An important challenge for ARP is to reduce liquid loading or process temperature to reduce energy cost. In this context Soaking Aqueous Ammonia (SAA) appears as an interesting alternative since it is performed at lower temperature (30–75 °C) being one of the few pretreatment methods where both glucan and xylan are retained in the solids. Due to that, it results in a pretreated material very interesting for being used with pentose fermenting microorganisms. Furthermore, high xylose recovery at lower temperatures is reflected in lower amount of inhibitory compounds released form sugar degradation. Recently, ethanol yields as high as 89.4% of the theoretical ethanol yield was shown form barley hull pretreated using SAA in a SSCF process using a recombinant E. coli KO11 (Kim et al., 2008b).

 

[Ho Huu Tho]

#25.36
Attending industrial requirements a larger and continuous version of AFEX process based on extrusion technology, known as FIBEX, has been developed and tested (Wyman et al., 2005a).
Another type of process utilizing ammonia is ammonia recycle percolation (ARP) in which aqueous ammonia (5–15 wt%) passes through a reactor packed with biomass. Temperature is normally fixed at 140–210 °C, reaction time up to 90 min and percolation rate about 5 mL/min ([Sun and Cheng, 2002] and [Kim et al., 2008a]). ARP can solubilize hemicellulose but cellulose remains intact. It leads to a short-chained cellulosic material with high glucan content (Yang and Wyman, 2008). An important challenge for ARP is to reduce liquid loading or process temperature to reduce energy cost. In this context Soaking Aqueous Ammonia (SAA) appears as an interesting alternative since it is performed at lower temperature (30–75 °C) being one of the few pretreatment methods where both glucan and xylan are retained in the solids. Due to that, it results in a pretreated material very interesting for being used with pentose fermenting microorganisms. Furthermore, high xylose recovery at lower temperatures is reflected in lower amount of inhibitory compounds released from sugar degradation. Recently, ethanol yields as high as 89.4% of the theoretical ethanol yield was shown form barley hull pretreated using SAA in a SSCF process using a recombinant E. coli KO11 (Kim et al., 2008b).

ARP có thể hòa tan hemicellulose nhưng cellulose vẫn giữ nguyên. Điều này dẫn tới tạo thành vật liệu cellulose mạch ngắn với hàm lượng glucan cao.
Một loại quy trình khác sử dụng amoniac là hồi lưu tái sử dụng amoniac (ARP) trong đó amoniac dung dịch (5-15% khối lượng) đi qua lò phản ứng chứa sinh khối. Nhiệt độ thường được đặt ở 140–210 °C, thời gian phản ứng đến 90 phút và sự tốc độ hồi lưu khoảng 5mL/phút. ARP có thể hòa tan hemicellulose nhưng cellulose vẫn không bị biến đổi. Nó tạo ra nguyên liệu cellulose mạch ngắn với hàm lượng glucan cao. Một trở ngại quan trọng của ARP là làm giảm lượng chất lỏng sử dụng và giảm nhiệt độ của quy trình để giảm chi phí về năng lượng. Trong bối cảnh này, ngâm amoniac dung dịch (SAA) dường như là biện pháp thay thế hấp dẫn vì nó được tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn (30–75 °C) và là một trong số ít các phương pháp tiền xử lý mà cả glucan và xylan vẫn còn lại trong các phần rắn. Nhờ đó, nó tạo thành nguyên liệu qua tiền xử lý rất tốt để sử dụng với các vi sinh vật lên men đường pentose. Hơn nữa, sự thu hồi xylose cao ở nhiệt độ thấp nên lượng chất ức chế được giải phóng từ sự thoái biến đường thấp hơn. Gần đây, người ta thu được sản lượng ethanol cao tới 89.4% so với lượng lý thuyết từ trấu lúa mạch được xử lý bằng SAA trong quy trình SSCF sử dụng E. coli tái tổ hợp KO11.

 

[Ho Huu Tho]

#25.37
4.4.4. Wet oxidation
Wet oxidation is an oxidative pretreatment method which employs oxygen or air as catalyst. It allows reactor operation at relatively low temperatures and short reactor times (Palonen et al., 2004). The oxidation is performed for 10–15 min at temperatures from 170 to 200 °C and at pressures from 10 to 12 bar O₂ (Olsson et al., 2005). The addition of oxygen at temperatures above 170 °C makes the process exothermic reducing the total energy demand. The main reactions in wet oxidation are the formation of acids from hydrolytic processes and oxidative reactions.
It has been proven to be an efficient method for solubilization of hemicelluloses and lignin and to increase digestibility of cellulose, specially. It has been widely used for ethanol production followed by SSF (Martín et al., 2008).
Phenolic compounds are not end-products during wet oxidation because they are further degraded to carboxylic acids. However, furfural and HMF production is lower during wet oxidation when comparing to steam explosion or LHW methods. Na₂CO₃ addition has been shown to decrease formation of inhibitory compounds by maintaining pH in the neutral to alkaline range.
To pretreat wheat straw with Na₂CO₃, results in 96% recovery of the cellulose (65% converted to glucose) and 70% of hemicellulose yield (Klinke et al., 2002). High yields have been also obtained after wet oxidation pretreatment of corn stover and spruce (Palonen et al., 2004).
In general, low formation of inhibitors and efficient removal of lignin are achieved with wet oxidation pretreatment. On the other hand, cost of oxygen and catalyst are considered one of the main disadvantages for wet oxidation development technologies.

 

[Ho Huu Tho]

#25.37
4.4.4. Wet oxidation
Wet oxidation is an oxidative pretreatment method which employs oxygen or air as catalyst. It allows reactor operation at relatively low temperatures and short reactor times (Palonen et al., 2004). The oxidation is performed for 10–15 min at temperatures from 170 to 200 °C and at pressures from 10 to 12 bar O₂ (Olsson et al., 2005). The addition of oxygen at temperatures above 170 °C makes the process exothermic reducing the total energy demand. The main reactions in wet oxidation are the formation of acids from hydrolytic processes and oxidative reactions.
It has been proven to be an efficient method for solubilization of hemicelluloses and lignin and to increase digestibility of cellulose, specially. It has been widely used for ethanol production followed by SSF (Martín et al., 2008).
Phenolic compounds are not end-products during wet oxidation because they are further degraded to carboxylic acids. However, furfural and HMF production is lower during wet oxidation when comparing to steam explosion or LHW methods. Na₂CO₃ addition has been shown to decrease formation of inhibitory compounds by maintaining pH in the neutral to alkaline range.
To pretreat wheat straw with Na₂CO₃, results in 96% recovery of the cellulose (65% converted to glucose) and 70% of hemicellulose yield (Klinke et al., 2002). High yields have been also obtained after wet oxidation pretreatment of corn stover and spruce (Palonen et al., 2004).
In general, low formation of inhibitors and efficient removal of lignin are achieved with wet oxidation pretreatment. On the other hand, cost of oxygen and catalyst are considered one of the main disadvantages for wet oxidation development technologies.

4.4.4. Oxi hóa ướt
Oxi hóa ướt là phương pháp tiền xử lý oxi hóa sử dụng oxi hay không khí là chất xúc tác. Nó cho phép hoạt động của lò phản ứng ở nhiệt độ tương đối thấp và thời gian phản ứng ngắn. Oxi hóa được tiến hành trong khoảng 10-15 phút ở nhiệt độ từ 170 đến 200 °C và áp suất O2 từ 10 đến 12 bar. Bổ sung oxy ở nhiệt độ trên 170 °C khiến quy trình có tính chất tỏa nhiệt và làm giảm yêu cầu năng lượng tổng số. Các phản ứng chính của phương pháp oxi hóa ướt là sự tạo thành các axit từ các quá trình thủy phân và các phản ứng oxi hóa.
Nó đã được chứng minh là một phương pháp hiệu quả để hòa tan hemicellulose và lignin và đặc biệt là làm tăng khả năng bị phân giải của cellulose. Nó đã được sử dụng rộng rãi để sản xuất ethanol ngay trước SSF.
Các hợp chất phenol không phải là các sản phẩm cuối cùng trong quá trình oxi hóa ướt vì chúng bị phân hủy tiếp thành các axit carboxylic. Tuy nhiên, sự tạo thành furfural và HMF thấp hơn trong quá trình oxi hóa ẩm khi so sánh với phương pháp bung hơi nước áp suất cao hay LHW. Bổ sung Na2CO3 đã cho thấy làm giảm sự tạo thành các chất ức chế bằng cách duy trì pH trong giải từ kiềm đến trung tính.
Tiền xử lý rơm cây lúa mạch với Na2CO3 thu hồi được 96% cellulose (65% được chuyển thành glucose) và 70% hemicellulose. Sản phẩm thu được cao cũng đạt được sau tiền xử lý oxi hóa ướt thân và lá cây ngô và cây vân sam. Nhìn chung, phương pháp tiền xử lý oxi hóa ướt dẫn đến sự tạo thành các chất ức chế thấp và loại bỏ một cách hiệu quả lignin. Mặt khác, giá thành của oxy và chất xúc tác được xem là một trong những nhược điểm chính của công nghệ oxi hóa ướt.

 

[Ho Huu Tho]

#25.38
4.4.5. Microwave pretreatment
Microwave-based pretreatment can be considered a physico-chemical process since both thermal and non-thermal effects are often involved. Pretreatments were carried out by immersing the biomass in dilute chemical reagents and exposing the slurry to microwave radiation for residence times ranging from 5 to 20 min (Keshwani, 2009). Preliminary experiments identified alkalis as suitable chemical reagents for microwave-based pretreatment (Zhu et al., 2006). An evaluation of different alkalis identified sodium hydroxide as the most effective alkali reagent.
4.4.6. Ultrasound pretreatment
The effect of ultrasound on lignocellulosic biomass have been employed for extracting hemicelluloses, cellulose and lignin but less research has been addressed to study the susceptibility of lignocellulosic materials to hydrolysis (Sun and Tomkinson, 2002). In spite of the minor research on ultrasound pretreatment from lignocellulose, some researchers have also shown that saccharification of cellulose is enhanced efficiently by ultrasonic pretreatment (Yachmenev et al., 2009).
Higher enzymatic hydrolysis yields after ultrasound pretreatment could be explained because cavitation effects caused by introduction of ultrasound field into the enzyme processing solution greatly enhance the transport of enzyme macromolecules toward the substrate surface. Furthermore, mechanical impacts, produced by the collapse of cavitation bubbles, provide an important benefit of opening up the surface of solid substrates to the action of enzymes, in addition, the maximum effects of cavitation occur at 50 °C, which is the optimum temperature for many enzymes (Yachmenev et al., 2009 V. Yachmenev, B. Condon, T. Klasson and A. Lambert, Acceleration of the enzymatic hydrolysis of corn stover and sugar cane bagasse celluloses by low intensity uniform ultrasound, J. Biobased Mater. Bioenergy 3 (2009), pp. 25–31. Full Text via CrossRef | View Record in Scopus | Cited By in Scopus (1)Yachmenev et al., 2009).