Sản xuất cồn

Sản xuất cồn

Chương 1

NGUYÊN LIỆU

1/ GIỚI THIỆU VỀ BIOMASS:

Biomass là nguồn nguyên liệu lấy từ các phụ phẩm trong sản xuất của ngành nơng nghiệp như: rơm rạ, trấu, mảnh vụn từ gỗ…Đây là nguồn nguyên liệu vơ cùng phong phú đặc biệt là ở các nước cĩ ngành nơng, lâm nghiệp phát triển Ngồi ra, biomass cĩ thể lấy từ phế phẩm của các phân xưởng chế biến gỗ hay các nhà máy sản xuất vải, sợi…

Biomass đang được sử dụng làm nguồn nguyên liệu để sản xuất ra các sản phẩm cĩ ích Điều này khơng những đem lại lợi ích kinh tế mà cịn gĩp phần bảo

vệ mơi trường sống đang đứng bên bờ vực thẳm của sự ơ nhiễm

Hiện nay, trên thế giới biomass đang được sử dụng để sản xuất “ nhiên liệu sạch” nhằm tiết kiệm nguồn tài nguyên và xây dựng mơi trường trong sạch hơn… Các nước đã thành cơng trong nghiên cứu và sử dụng nguồn nhiên liệu sạch” điển hình như: Brazil, Mỹ, Canada, Mexico; Châu Âu cĩ : Anh, Pháp, Đức, Tây Ban Nha….; Châu Á cĩ: Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Nhật…Sở dĩ nhiều nước đẩy nhanh chương trình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học vì

đã cam kết thực hiện nghị định Kyoto về cắt giảm khí nhà kính và để đảm bảo an ninh năng lượng khi nguồn dầu mỏ trở nên đắt đỏ và cĩ nguy cơ cạn kiệt

Việt Nam là nước cĩ nền văn minh lúa nước lâu đời với 80% dân số sống bằng nghề nơng Hiện nay, Việt Nam là một trong những nước cĩ sản lượng gạo xuất khẩu lớn trên thế giới Việc sản xuất lúa để phục vụ cho nhu cầu trong nước

và xuất khẩu dẫn đến hiện tượng dư thừa lượng lớn các phần dư thừa của lúa như rơm, rạ, trấu…Vì vậy, hiện nay Biomass đang được nghiên cứu để sản xuất

“ethanol sinh học”, xây dựng mơ hình “thị trấn Biomass” Dựa trên tiêu chí tiết kiệm năng lượng, bảo vệ mơi trường và xây dựng một nền nơng nghiệp bền vững, các quá trình sản xuất, chế biến và sử dụng các sản phẩm, phụ phẩm, phế phẩm được tiến hành theo một qui trình khép kín Từ đĩ mở ra một hướng đi mới cho ngành nơng nghiệp Việt Nam: phát triển một nền nơng nghiệp xanh và bền vững, trong đĩ khơng những phát huy thế mạnh của chính phẩm mà cịn tận dụng được phụ phẩm, gĩp phần nâng cao đời sống của người nơng dân

1

2/ THÀNH PHẦN NGUYÊN LIỆU:

2.1/ CELLULOSE:

Cellulose là polymer có nhiều nhất trong tự nhiên, là thành phần cấu trúc chính của thành tế bào thực vật, giúp mô thực vật có độ bền cơ học và tính đàn hồi Cellulose có nhiều trong bông (95-98%), đay, gai, tre, nứa và chiếm 39-42% khối lượng khô của tế bào gỗ mềm

Cellulose là chất không mùi, không vị, không tan trong nước ngay cả khi đun nóng, không tan trong các dung môi hữu cơ thông thường như rượu, ether, benzene…

Cellulose là một polysaccharide đồng nhất bao gồm những đơn vị lặp lại cellobiose- một dimmer của β-D-Glucose Phân tử cellulose có dạng mạch thẳng, không xoắn Độ trùng hợp của cellulose khoảng từ 2000 đến 14000

Các đơn vị glucose trong cấu trúc cellulose liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glucoside Trong vách tế bào các chuỗi cellulose xếp song song thành sợi

có Φ=3.5nm.Các sợi cellulose hình thành nên các bó sợi cơ bản có Φ=20nm Chúng tập hợp lại thành các vi sợi Vi sợi hình thành nên những sợi lớn hơn tương tác với hemicellulose và lignin tạo thành vách tế bào thực vật

Hình 1.1 Cấu trúc phân tử của cellulose

Giữa các chuỗi cellulose có rất nhiều gốc –OH tạo nên rất nhiều liên kết hydro giúp ổn định sợi cellulose, làm cho sợi cellulose rất bền vững, khó thủy phân

Sợi cellulose có thể kết hợp với nhau một cách chặt chẽ, có trật tự hình thành nên vùng có cấu trúc tinh thể Bên cạnh đó cũng có một số sợi cellulose kết hợp một cách ngẫu nhiên hình thành nên vùng có cấu trúc vô định hình Từ

2

đó cho thấy dung môi và các chất hóa học rất khó xâm nhập vào vùng tinh thể, nhưng lại dễ dàng xâm nhập vào vùng vô định hình [61].

Hình 1.2 Cấu trúc của bó sợi cellulose

Hình 1.3 Cấu trúc các vùng tinh thể (C) và vùng vô định hình (A) trong màng

cellulose[61]

Quá trình thủy phân cellulose khá phức tạp Bên cạnh đó điều kiện khắc nghiệt của quá trình thủy phân làm giảm đáng kể lượng glucose Cấu trúc bó sợi cellulose ở vùng tinh thể và vùng vô định hình khác nhau Vùng tinh thể có cấu

3

A

C

Màng cellulose

trúc chặt chẽ, khó thủy phân hơn nên vận tốc thủy phân cũng chậm hơn so với vùng vô định hình.

Hình 1.4 Liên kết giữa hai chuỗi cellulose kế cận trong tế bào thực

vật[61]

Từ nguồn nguyên liệu xơ bông người ta có thể thu cellulose bằng cách loại bỏ nhựa liên kết bởi dung môi Trong ngành công nghiệp giấy người ta còn tận thu cellulose từ nguyên liệu lignocellulosic

Cellulose có thể được sử dụng trong những sản phẩm như film và các loại màng hoặc được dẫn xuất hóa thành dạng xanthate để sử dụng trong sản xuất các loại polymer chuyên dụng

2.2/ HEMICELLULOSE:

Hemicellulose có trong vỏ hạt, bẹ ngô, rơm, cám, trấu…chiếm 35% khối lượng gỗ cứng và 25% khối lượng gỗ mềm Hemicellulose đóng vai trò là chất kết dính các tế bào (cùng với pectin) [61]

Hemicellulose là một nhóm các polysaccharide không đồng nhất gồm sự kết hợp của glucose, mannose, galacose, xylose và arabinose Hemicellulose có cấu trúc phân nhánh với những chuỗi ngắn hơn so với cellulose-độ trùng hợp:

150, thấp hơn cellulose Ngoài một số hợp phần của đường, hemicellulose có thể chứa các thành phần khác ở dạng acetyl hoặc uronic acid Ở tế bào gỗ cứng, hemicellulose gồm glucuronoxylan hay O-acetyl 4-O-methylglucorono-β-xylan,

4 Liên kết H nội phân tử

Liên kết H ngoại phân tử

glucomannan và một lượng nhỏ các loại polysaccharides khác Ở tế bào gỗ mềm, thành phần cơ bản của hemicellulose là galactoglucomannan, tiếp theo là arabinocuronoxylan Xylan ở mỗi nguyên liệu có thành phần khác nhau Ở gỗ Birch, xylan chứa 89.3% xylose, 1% arabinose,1.4% glucose Ở lúa mì, arabinoxylan chứa 65.8% xylose, 33.5 % arabinose, 0.1 % mannose, 0.1% galactose và 0.3 % glucose Ở bắp, xylan là một hỗn hợp của heteroxylans bao gồm 48-54% xylose, 33-35% arabinose, 5-11% galactose và 3-6 % acid glucuronic

Sự phân nhánh trong cấu trúc của hemicellulose tạo điều kiện thuận lợi cho dung môi và các chất hóa học tấn công Trong quá trình xử lí nhiệt, hemicellulose dễ bị thủy phân nhất ở 150-230°C Trong khi đó, nhiệt độ thủy phân cellulose là 210-220 °C

Hình 1.5 Cấu trúc hóa học của O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở gỗ

cứng[55]

5

Hình 1.6 Hemicellulose (a) Galactoglucomannan; [11]

Lignin được tạo thành từ 3 đơn vị phenylpropane cơ bản: p-coumaryl, sinapyl và coniferl Lignin ở gỗ mềm được gọi là guiacyl lignin – chủ yếu là từ các đơn vị coniferyl alcohol Lignin ở gỗ cứng còn chứa cả syringyl và guiacyl lignin

Trong công nghiệp giấy Lignin là một thành phần không mong muốn vì

nó tạo tính cứng nhắc và làm sẫm màu sợi Để khắc phục tình trạng này người ta dùng phương pháp Kraft: sử dụng kết hợp sodium hydroxie và sodium sunfide

để làm giảm lượng lignin đến 4-5% trong gỗ mềm Quá trình này phải được điều khiển nghiêm ngặt để tránh hiện tượng lignin bị ngưng tụ Dựa vào tính không tan của lignin ở nồng độ acid cao để định lượng lignin

6

C OCH

C OCH

C H

C C

C C

OH

H

OCH

7

Coniferyl alcohol Spynapyl alcohol

Hình 1.7 Cấu trúc của các đơn vị phelnylpropane [47]

Hình 1.8 Sự liên kết giữa lignin và các chất khác trong thành tế

bào[24]

a) Sự phân bố các chất trong thành tế bào

Liên kết H

Liên kết LP

Hình 1.9 Cấu trúc dự đoán của lignin ở gỗ mềm [47]

Lignin ở dạng lignosulfonate được nghiên cứu và ứng dụng nhựa trao đổi ion, chất hoạt động cation

2.4/ CHẤT TRO:

Chất tro là thành phần vô cơ có trong tế bào biomass Tuy chiếm khối lượng khiêm tốn < 1% nhưng chất tro là 1 phần không thể thiếu trong tế bào: duy trì các chức năng sinh học của tế bào Trong các nguyên tố đa lượng, calcium là kim loại phong phú nhất, sau đó là kali, và magnesium Các kim loại dạng vết thường tồn tại dưới dạng phức hợp[55]

2.5/ MỘT SỐ HỢP CHẤT HÓA HỌC KHÁC:

Trong thành phần của biomass, người ta còn thấy một số hợp chất hóa học khác Chúng bao gồm những chất hòa tan trong nước hoặc dung môi hữu cơ Khảo sát trên các nguyên liệu thực vật, người ta thấy các chất này chiếm tỉ lệ nhỏ (2-5% khối lượng chất khô của gỗ) tùy vào bản chất và đặc tính của thực vật, điều kiện sống…[53]

Tuy chiếm tỉ lệ nhỏ nhưng các chất này đóng vai trò quan trọng trong

tế bào thực vật và giữ các chức năng sinh học của cây Ví dụ như: terpenoid, steroid, chất béo, nhựa và những phần tử phenolic như tannin, flavonoid… Trong đó chất béo và sáp được coi như là nguồn năng lượng và thành phần cấu trúc tế bào Phenolid có thuộc tính diệt nấm và dễ bị oxy hóa tạo màu

Một số chất được biết đến như là những dược phẩm quan trọng như: flavonoid.

Hình 1.10 Một số ví dụ về chất trích ly trong tế bào thực vật.

(a) abietic acid (oleoresin); (b) cathechin (flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo)

Bảng 1.1 Thành phần chính của một số nguyên liệu [32]

Cellulose Hemicellulose Lignin

49.5049.50

44.5544.55

31.9831.98

3/ CẤU TRÚC TẾ BÀO BIOMASS :

Công tác nghiên cứu cấu trúc nguyên liệu đóng vai trò rất quan trọng trong việc sáng tạo, cải tiến các phương pháp tiền xử lí, thủy phân nhằm thu được lượng đường cao nhất đồng thời giảm chi phí thực hiện các quá trình đến mức thấp nhất Trong đó, các phương pháp phân tích như: phương pháp hóa học, phương pháp phân tích quang phổ được sử dụng để xác định thành phần của các chất trong tế bào như đường, protein, acid uronic và lignin Người ta tiến hành nghiên cứu trên mô thực vật để xác định sự sắp xếp, cấu trúc và thành phần của các polymer Từ đó xem xét các ảnh hưởng của nó đến quá trình tiền xử lí, quá trình thủy phân, và sự tạo thành các chất ức chế

vi sinh vật lên men trong các quá trình

Hình 1.11 Cấu tạo thành tế bào thực vật[22].

Thành tế bào thực vật bao gồm nhiều hợp phần khác nhau Mỗi một hợp phần có các chứa năng sinh học khác nhau Thành tế bào được tạo nên bởi cellulose, hemicellulose, lignin và các chất khác Như đã giới thiệu ở trên, các chuỗi cellulose kết hợp với nhau tạo thành các vi sợi Sự sắp xếp của các vi sợi tạo nên cấu trúc cơ bản của thành tế bào Các vi sợi có cấu trúc chặt chẽ, bao gồm các lớp được định hướng khác nhau Thành tế bào sơ cấp- hay lớp ngoài cùng- không cho thấy sự định hướng đặc trưng của các vi sợi Các vi sợi có mặt ở khắp các dạng định hướng tạo mạng lưới khung cho thành tế bào Thành tế bào thứ cấp ở tế bào gỗ cứng chứa 3 lớp: S1, S2, S3 Tên gọi các lớp dựa trên thứ tự phân bố của chúng từ ngoài vào trong của thành tế bào S1 là lớp ngoài cùng của thành tế bào thứ cấp Tiếp theo đó là lớp S2, và trong cùng là S3 Các vi sợi ở lớp S1 được định hướng nằm ngang

Ở lớp S2, các vi sợi được định hướng thẳng đứng Cuối cùng lại định hướng nằm ngang ở S3

Nghiên cứu ở một loại gỗ cứng cho thấy tỉ lệ giữa các thành phần trong các lớp S1,S2,S3 như biểu đồ sau:

Bó sợi cellulose

Hình 1.12 Tỉ lệ các chất trong thành tế bào gỗ ( Panshin và DeZeeuw

1980)[28]

Mặc dù các lớp xếp khít nhau nhưng giữa chúng vẫn tồn tại các lỗ xôp Lỗ xốp sẽ được xem là các mao quản khi nó dài và hẹp Các mao quản được lấp đầy bằng lignin và các chất chiết Cấu trúc lỗ xốp đóng vai trò quan trọng trong quá trình xâm nhập và tiếp xúc của các tác nhân, dung môi với các thành phần của tế bào Hầu hết các mao quản đều cho các phân tử có kích thước nhỏ hơn 51 A° đi qua (Grethlein – 1991)

Thành tế bào thứ cấp

% chất khô

Chuẩn bị

Tiền xử lí

Thủy phân

Lên men Nguyên liệu

MỘT SỐ QUI TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ BIOMASS THỰC

TẾ

Từ những lợi ích kinh tế, xã hội của ngành công nghiệp sản xuất ethanol từ nguồn nguyên liệu biomass; các công ty, tổ chức đang áp dụng, nghiên cứu và không ngừng cải tiến qui trình công nghệ sản xuất Ethanol đi

từ nguồn nguyên liệu này chủ yếu sử dụng làm nhiên liệu Theo Willke và Vorlop, công ty Shell Oil dự định sản xuất 30% sản lượng nhiên liệu từ nguồn nguyên liệu biomass Trong khi đó Dupont đặt ra kế hoạch là 25% sản lượng

Sau đây là một số qui trình chung để tinh chế lignocellulsic Các quá trình xử lí nguyên liệu thành cellulose, hemicellulose và lignin tiến hành trên

cơ sở tương tác vật lí, hóa học, sinh học Sau đó tiếp tục các quá trình chuyển hóa thu sản phẩm

Hình 2.1 Các qui trình sản xuất đi từ lignocellulosic[60]

Hình 2.2 Qui trình sản xuất đi từ nguyên liệu biomass[60]

1.1 Mục đích: làm giảm kích thước, chuẩn bị cho các quá trình tiền xử lí

tiếp theo

1.2 Các biến đổi: trong quá trình nghiền nguyên liệu, chủ yếu xảy ra các

biến đổi:

 Giảm kích thước nguyên liệu

 Nhiệt độ nguyên liệu tăng

 Một số tế bào của nguyên liệu bị đập dập, một số ít bị phá vỡ

1.3 Thiết bị:

Quá trình nghiền có thể thực hiện bằng máy nghiền búa Vật liệu trong máy nghiền búa được nghiền nhỏ do sự va đập của búa vào thành vật liệu và sự chà sát giữa búa và thành máy Các hạt vật liệu sau khi nghiền có kích thước nhỏ hơn lỗ lưới sẽ đi ra ngoài, các hạt có kích thước lớn hơn sẽ được tiếp tục nghiền

1.4 Cách thực hiện:

Nguyên liệu được nhập vào máy nghiền Tiến hành nghiền nhỏ đến kích thước 2-3 mm

Hình 3.1 Máy nghiền búa

2/ TIỀN XỬ LÍ BIOMASS :

Ethanol thường được sản xuất từ tinh bột hoặc nguồn nguyên liệu giàu đường Đối với nguyên liệu giàu tinh bột, tinh bột phải được thủy phân thành đường bằng enzyme, sau đó mới tiến hành lên men thành ethanol

Ngày nay, con người đã nghiên cứu và sản xuất ethanol từ nguồn nguyên liệu giàu cellulose Khác với nguyên liệu tinh bột, nguyên liệu giàu cellulose phải qua giai đoạn tiền xử lí trước khi tiến hành thủy phân thành đường Nguyên nhân là do cellulose khó thủy phân hơn tinh bột Tinh bột chứa amylopectin có cấu trúc phân nhánh nên dễ dàng tiếp xúc với dung môi Trong khi cellulose tinh thể tạo cấu trúc thẳng, khoảng cách giữa các phân tử thấp nên dung môi tiếp xúc với các phân tử cellulose khó khăn hơn Bên cạnh đó, việc thủy phân liên kết α - 1,4 – glycosidic trong tinh bột dễ dàng hơn liên kết β- 1,4- glycosidic trong cấu trúc của cellulose

Biomass phải được tiền xử lí trước khi lên men Quá trình tiền xử lí để nâng cao hiệu quả quá trình thủy phân cần phải thoả mãn những tiêu chuẩn sau:

 Tạo ra lượng đường có khả năng lên men cao nhất

 Hạn chế sự phân hủy các carbohydrate

 Giảm sự hình thành những chất ức chế vi sinh vật

 Linh hoạt, và phải có hiệu quả kinh tế cao

Tiền xử lí biomass để phá vỡ cấu trúc lignocellulose nhằm giúp cho quá trình thủy phân cellulose tạo ra các monosaccharide diễn ra nhanh và triệt để Quá trình tiền xử lí biomass chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như: kích thước lỗ xốp, tỉ lệ vùng kết tinh của cellulose Kích thước lỗ xốp càng lớn, khả năng tiếp xúc với dung môi và tác nhân càng cao Do đó khả năng thủy phân càng cao Tỉ lệ kết tinh của cellulose là nhân tố quan trọng quyết định sản lượng glucose thu được Ở mỗi loại nguyên liệu, tỉ lệ và thành phần nguyên liệu cũng khác nhau Do đó mức độ kết tinh ở mỗi loại nguyên liệu cũng khác nhau Mức độ kết tinh càng cao, tốc độ thủy phân càng chậm Các

vi sợi cellulose trong cấu trúc biomass được bao bọc bởi mạng lưới lignin dày đặc Quá trình tiền xử lí giúp tách loại lignin, tăng khả năng xúc tác trên cấu trúc phân tử cellulose Bên cạnh đó, quá trình tiền xử lí còn thủy phân hemicellulose có trong thành phần của biomass Hemicellulose có cấu trúc phân nhánh với những chuỗi mạch ngắn hơn so với cellulose Do đó việc

thủy phân hemicellulose dễ dàng hơn thủy phân cellulose Hemicellulose bị thủy phân tạo điều kiện thuận lợi cho các tác nhân tiếp xúc thủy phân cellulose ở quá trình tiếp theo[35]

2.1 Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước:

Năm 1925, W.H.Mason áp dụng phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước vào ngành sản xuất gỗ ép Từ đó, việc sử dụng phương pháp này được

mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác như sản xuất thức ăn gia súc, làm bột cưa

từ gỗ cứng Năm 1980, quá trình tiền xử lí biomass bằng phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước được chính thức giới thiệu, ngay sau đó công ty Iotech Corporation đã tiến hành các thí nghiệm đầu tiên để tìm hiểu ảnh hưởng của phương pháp này đến hàm lượng glucose và xylose thu được trong dịch thủy phân cellulose Theo Iotech, điều kiện xử lí tối ưu của holocellulose (xylose + glucose) là áp suất 500-550 psi , thời gian 40 giây [32]

Nhiều nghiên cứu được tiến hành sau đó Shultz và các cộng sự tiến hành thí nghiệm so sánh hiệu quả của phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước lên hỗn hợp các mảnh gỗ cứng, vỏ trấu, rơm bắp và bã mía Kết quả cho thấy, nguyên liệu được tiền xử lí sẽ nâng cao hiệu suất quá trình thủy phân tạo thành đường [63]

Năm 1979 Spano và các cộng sự đã đưa ra bảng số liệu sau:

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của quá trình tiền xử lí đến quá trình thủy phân.

Nguyên liệu Tiền xử lí Tổng lượng đường khử ( mg/ml)

Quá trình nổ hơi nước gồm các giai đoạn sau:

 Làm ẩm nguyên liệu:

Nước được gia nhiệt và giữ ở áp suất cao trong thiết bị phản ứng Hơi nước ngưng tụ ở áp suất cao khuếch tán vào cấu trúc lignocellulosic làm ẩm nguyên liệu Dưới tác dụng của nhiệt độ, áp suất và hơi nước, hemicellulose

bị thủy phân Sau đó một số sản phẩm của quá trình thủy phân hemicellulose

bị phân hủy thành các acid hữu cơ như acid acetic và acid uronic Các acid này lần lượt tham gia vào quá trình phân cắt mạch hemicellulose, giải phóng xylose và một phần glucan Các vùng vô định hình của cellulose cũng bị thủy phân một phần Nếu gia tăng điều kiện tiến hành khắc nghiệt hơn sẽ thúc đẩy quá trình phân hủy xylose thành furfural kìm hãm sự phát triển của

vi sinh vật

 Giảm áp đột ngột:

Sau khi nguyên liệu được đưa vào thiết bị, gia nhiệt và tăng áp đến nhiệt độ và áp suất nhất định để làm ẩm nguyên liệu, hỗn hợp được ép đưa ra ngoài qua lỗ nhỏ Ẩm trong biomass đang ở áp suất cao Khi hỗn hợp đi ra khỏi thiết bị, áp suất giảm đột ngột Tại đây diễn ra quá trình phân cắt nguyên liệu Quá trình phân cắt nguyên liệu diển ra dưới tác dụng cơ học và hóa học Nước trong nguyên liệu đang ở nhiệt độ và áp suất cao Áp suất giảm đột ngột làm giảm nhiệt độ bốc hơi của nước xuống thấp hơn nhiệt độ hiện có của nguyên liệu Nước có mặt trong cấu trúc biomass bị bốc hơi Sự giãn nở của hơi nước tạo ra lực cắt tác động lên khối nguyên liệu Nếu lực cắt này đủ lớn hơi nước sẽ phá hủy cấu trúc lignocellulosic

Trong quá trình xử lí, lignin bị phá hủy do các liên kết β-O-4-ether và liên kết acid không bền bị cắt tạo ra các dẫn xuất rượu cinnamyl và hỗn hợp các phụ phẩm khác Chế độ xử lí càng nghiêm ngặt tạo ra càng nhiều các hợp chất có phân tử thấp

Hình 3.1 Quá trình thủy phân 4-O-methylglucuronoxylan, cellulose và

các sản phẩm phân hủy

(1) Arabinose

(2) xylose

(3) acetylated xylooligomers (DP = 3)

(4) xylooligomers of higher molecular mass

(5) acidic, branched oligosaccharides

(13) 2-furoic acid (pyromucic acid)

Hình 3.2 Quá trình phân hủy lignin điển hình[40].

A: phản ứng thủy phân tạo hợp chất phenolic

B: phản ứng tạo quinine

C: phản ứng tạo ra hỗn hợp các sản phẩm phụ như phenol, acid carboxylic và các oligolignol

kết hợp các gốc tự do

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng:

Quá trình nổ bằng áp lực hơi nước chịu ảnh hưởng lớn bởi 2 yếu tố: nhiệt

độ và thời gian

 Thời gian lưu: thời gian lưu ảnh hưởng đến sự thủy phân của

hemicellulose Thời gian lưu của nguyên liệu trong thiết bị phản ứng càng dài thì hemicellulose được thủy phân càng nhiều Nhưng nếu giữ nguyên liệu ở trong thiết bị quá lâu sẽ dẫn đến sự phân hủy các sản phẩm thủy phân tạo ra các sản phẩm không cần thiết Việc thủy phân hemicellulose giúp cho quá trình thủy phân cellulose diễn ra thuận lợi hơn

 Nhiệt độ: nhiệt độ có mối quan hệ chặt chẽ với áp suất trong thiết bị

Nhiệt độ càng cao thì áp suất càng cao và ngược lại Sự gia tăng áp suất làm tăng sự chênh lệch giữa áp suất trong thiết bị và áp suất khí quyển Từ đó ảnh hưởng đến lực cắt của ẩm khi hóa hơi

2.4 Phương pháp thực hiện:

Nguyên liệu sau khi được cắt nhỏ được đưa vào thiết bị xử lí Nhiệt độ

và áp suất tăng dần cho đến khi đạt 210-290 ºC, 450psig Sau đó thực hiện giảm áp đột ngột và thu sản phẩm xử lí ở đáy thiết bị [19]

2.5 Thiết bị :

Hiện nay, StakeTech là một trong những thiết bị sử dụng trong quá trình tiền xử lí khá hiệu quả StakeTech là thiết bị áp suất làm bằng thép không gỉ, đặt nằm ngang có thể chịu được áp suất đến 450 psig Nguyên liệu được nạp vào liên tục ngược dòng bằng một vít tải để cân bằng với áp lực bên trong thiết bị Nguyên liệu di chuyển dần về phía cửa tháo liệu Thời gian lưu của nguyên liệu được điều khiển theo lập trình Sau đó, dưới tác dụng của lực nén ép, nguyên liệu được đẩy ra ngoài qua van tháo liệu Van hình cầu, có thể quay và mở đều đặn theo từng khoảng thời gian đặt trước theo tốc độ sản xuất Tùy vào điều kiện sản xuất mà van có thể định kì mở mỗi 2 – 8 giây Do đó cần phải chuẩn bị ống dẫn biomass đã xử lí sang quá trình kế tiếp.Thiết bị phản ứng StakeTech đang được sử dụng ở các trường đại học và là một mặt hàng có giá trị thương phẩm cao

Quá trình tiền xử lí có thể được thực hiện bằng hệ thống thiết bị phản ứng liên tục 2 cấp Thiết bị được thiết kế dựa trên một trục vít nằm ngang và một trục vít đặt thẳng đứng Trục vít thứ nhất dòng hơi nước được dẫn vào ở 170-185ºC Trục vít thứ hai sử dụng dòng acid loãng < 0.1 % ( tính theo khối lượng) ở 205-225 ºC

Hình 3.2 Cấu tạo hệ thống thiết bị tiền xử lí biomass[44].

trục vít

Hình 3.3 Thiết bị tiền xử lí biomass