Sơ chế sinh khối
bằng muối lỏng (Ion
liquids)
Viết bởi Châu Thành Nhân
Thứ sáu, 24 Tháng 12 2010 08:11
Các h
ợp chất muối lỏng (còn gọi là chất lỏng ion) cho thấy sự hứa hẹn
là một dung môi dùng cho xử lý sinh khối lignocellulose. Nhưng li
ệu sự
tiếp cận này chỉ là một tò mò khoa học hay đây là m
ột công nghệ tiên
tiến trong sơ chế nguyên liệu đ
ầu vào của nhiên liệu sinh học có thể
thương mại hóa?
Sinh khối lignocellulose là nguồn carbon tái sinh đư
ợc và dồi dào bậc nhất trên hành tinh
chúng ta. Chỉ tính riêng ở Mỹ thôi, người ta dự đoán có hơn m
ột tỷ tấn sinh khối tạo ra hàng
năm. Sinh khối lignocellulose có nguồn gốc từ cỏ, gỗ và phần thải của gỗ, rơm r
chất thải rắn hữu cơ trong sinh hoạt, phân và các nguồn khác.
Tư
ờng tế bào cây trong sinh khối lignocellulose là các cấu trúc phức hợp chứa cellulose,
hemicellulose và lignin ( Hình 1 và 2). Các ph
ức hợp này khó bị phá vỡ thành các thành
phần polymer và monomer đơn lẻ. Sự cứng v
ững của phức hợp cấu trúc tạo vách tế bào này
làm cho việc chuyển hóa sinh khối thành đư
ờng C5 và C6 (xylose, glucose) trở nên khó
khăn, tiêu tốn nhiều năng lượng và chi phí cao hơn so với tinh bột bắp, đư
ờng mía hoặc củ
cải đường.
Cellulose là phân tử polymer có mặt nhiều nhất trong vách tế bào. Nó tạo nên 20-30% trọng
lượng khô của vách tế bào. Liên kết beta 1,4 –glycoside giữa các đường đơn glucose cho
phép hình thành các vi sợi cellulose trong suốt quá trình sinh tổng hợp vách tế bào. Các vi
sợi có tính kết tinh cao và cung cấp khung cấu trúc chính cho vách tế bào
Vi sợi cellulose có một lớp hemicellulose áo quanh gắn nó gắn kết với các vi sợi k
hác.
Hemicellulose được chức hóa giúp ổn đ
ịnh cấu trúc vách trong suốt quá trình sinh tổng hợp
vách tế bào. Vì vậy, chúng khó có thể phân hủy thành đường đơn.
Hệ composite polysaccharide gồm hemicellulose và cellulose đư
ợc bọc kín trong một nền
chất lignin dai dẻo chịu hóa chất và kỵ nư
ớc. Lignin là một polymer sinh học phổ biến thứ
nhì thường đư
ợc tìm thấy trong các cây có mạch nhựa. Nó là loại polymer dị thể gốc từ
phenylpropanoid. Lignin làm cho vách tế bào chịu đư
ợc côn trùng, kháng vi khuẩn, chịu thời
tiết và giúp truyền nước.
Hình 2: Thành phần hóa học của vi sợi cellulose
Sự chuyển hóa nhờ men của sinh khối thành các đường đơn dựa vào bước sơ chế này. Bư
ớc
sơ chế giúp phá vỡ các phức hợp cấu trúc lignin – carbonhydrate và gia tăng khả n
ăng thâm
nhập – tiếp xúc của các polysaccharide đ
ến men thủy giải. Một trong những yêu cầu thiết
yếu cần quan tâm đến trong sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối ligno-
cellulose là công
nghệ sơ chế sinh khối phải hiệu quả và có chí phí phù hợp. Người ta ư
ớc tính rằng cứ trên
một gallon sản phẩm , việc sơ chế sinh khối ngốn mất 19 - 22% chi phí sản xuất đ
ứng sau
việc chuẩn bị nạp liệu (30-32%).
Một số phương pháp xử lý sơ bộ bằng vật lý, hóa học đi t
ừ các công nghệ tiêu biểu trong
công nghiệp giấy và bột gỗ đang được phát triển để vư
ợt qua những rào cản công nghệ ở
hệ vật liệu ligno-cellulose, gia tăng năng su
ất lên men, và cải thiện hiệu suất chuyển hóa
lignocellulose thành các đường đơn. Các phương pháp x
ử lý bao gồm dùng acid loãng hoặc
amoniac hoặc vôi hoặc bằng hơi quá nhiệt hoặc bằng các dung môi hữu cơ để làm tr
ương
sinh khối, tách sợi cellulose trước khi thủy giải thành đường đơn nhờ men
Tất cả các phương pháp trên đều có ưu nhược điểm. Hiện nay, chúng ta vẫn ch
ưa có
phương pháp sơ chế sinh khối nào cho năng su
ất cao và chi phí thấp trong chuyển hóa các
loại sinh khối chứa lignocellulose thành đường đơn. Quá trình x
ử lý dùng acid sunfuric loãng
hòa tan hiệu quả phần lớn các hemicellulose và một phần lignin. Tuy nhiên, ở nhiệt đ
ộ cao
hơn, bư
ớc xử lý này tạo ra các sản phẩm polysaccharide giảm cấp trung gian gây ức chế sự
lên men vi sinh dẫn đến giảm hiệu suất toàn phần của chuyển hóa đường
đơn. Phương
pháp làm nở sợi bằng amoniac (AFEX) hữu hiệu trong sơ ch
ế các phế phẩm nông nghiệp và
lõi bắp nhưng nó đòi hỏi các điều kiện ngặt nghèo đ
ể xử lý hiệu quả các phần gỗ mềm và
gỗ cứng cũng như thu hồi tái sử dụng amoniac. Cách sơ ch
ế sử dụng vôi hiệu quả nhất cũng
cần oxy cao áp 200psi. Còn dùng hơi quá nhi
ệt thì không hòa tan hiệu quả lignin và hiệu
suất tạo đường đơn thấp hơn so với các công nghệ sơ chế khác. Biện pháp sơ ch
dung môi hữu cơ thường đòi hỏi sự có mặt chất xúc tác và tách loại hoàn toàn dung mô
i sau
sử dụng. Sự tồn dư dung môi trong chế phẩm gây ức chế quá trình đư
ờng hóa và lên men
tiếp theo đó.
Dùng muối lỏng làm dung môi cho lignocellulose
Các muối lỏng ( hay còn gọi là chất lỏng ion) là nhóm dung môi tương đối mới. Chúng đư
ợc
phát triển vào những năm thập niên 1980 như một thay thế thân thiện môi trư
ờng cho các
dung môi hữu cơ truyền thống. Một hợp chất muối lỏng gồm các anion và cation hữu c
ơ có
sự kết hợp lỏng lẻo, có điểm nóng chảy thấp dưới 100 oC. Hiện có hàng trăm lo
ại muối lỏng
được bi
ết từ sự kết hợp rộng các anion và cation khác nhau. Sự kết hợp anion và cation giúp
định ra các tính chất nhiệt động và hóa lý của muối lỏng.
Các muối lỏng được đánh giá có hi
ệu quả trong các lĩnh vực hydrogen hóa , ester hóa, tổng
hợp vật liệu nano, xúc tác sinh học và trích ly chọn lọc các hợp chất vòng thơm.
Ứng dụng
thương mại đầu tiên của các muối lỏng là môi chất loại các acid lư
ỡng pha trong tổng hợp
các tiền chất khơi mào quang học trong ứng dụng màng phủ đóng rắn nhờ tia UV.
Sự phát triển ứng dụng của muối lỏng vào công nghệ sơ ch
ế sinh khối chỉ vừa mới hình
thành. Mô tả đ
ầu tiên cho ứng dụng muối lỏng làm dung môi hòa tan cellulose trong các
điều kiện tương đối ôn hòa được báo cáo vào năm 2002. Trong thí nghiệm đó, ngư
ời ta sử
dụng một dãy các anion và cation 1-butyl-3-methylimidazolium. M
ột số muối lỏng trong
chúng cho thấy có khả năng hòa tan hoàn toàn các cellulose vi kết tinh. Cellulose sau
đó