3/ Thủy phân nguyên liệu:
3.1.2.2. Thủy phân bằng acid lỗng:
Quá trình thủy phân bằng acid lỗng là quá trình xử lí hĩa nhiệt để thủy phân cellulose và hemicellulose ở nhiệt độ cao. Các acid được sử dụng như acid sulfuride, hydrochloric hoặc acid nitric. Tiến hành thủy phân với nồng độ acid từ 0.5-1.5% ở nhiệt độ 160ºC. Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến trong thực tế do lượng đường thu được cao từ 75- 90% (Wooley và các cộng sự, 1999, Sun and Cheng, 2002 ).
Scholler( 1923)- Đức và Saeman( 1945)- Mĩ đã đưa ra dự đốn thời gian thủy phân với nồng độ acid H2SO4 0.4-1.6 %. Quá trình thủy phân gồm 2 bước:
Cellulose đường
Đường các sản phẩm phân hủy
K1, K2 là tốc độ phản ứng – động lực học Arrhenius. Lượng đường tạo thành thay đổi theo các thơng số: thời gian, nhiệt độ, nồng độ acid. Ta cĩ phương trình sau:
Trong đĩ:
CB là lượng đường thu được
a : nồng độ cellulose ban đầu ( lượng glucose trên 100g nguyên liệu ) t : thời gian
Năng lượng để phân hủy cellulose và glucose là 189,000 và 137,000 kJ/ mol ( Ghose và Ghosh, 1978). Hai giá trị này gần xấp xỉ nhau. Do đĩ K1 gần bằng K2. Tỉ số CB/ a tăng khi tăng nhiệt độ và nồng độ acid. Động học của quá trình được biểu diễn như sau:
Hình 3.5 quá trình thủy phân tạo glucose bằng acid lỗng. [48]
A : động học quá trình thủy phân theo Saeman(1945) B : động học quá trình thủy phân lí thuyết
C : động học quá trình thủy phân thực tế
Đường cong B là đường cong lí thuyết, đường cong A là đường cong theo động học Saeman. Đường cong thực tế nằm giữa, được giới hạn bởi hai đường trên. Số liệu thực nghiệm cho thấy tốc đ ộ giải phĩng đường bằng acid lỗng cơ bản tăng lên khi tiến hành phản ứng ở nhiệt độ rất cao ( 500ºC) trong thời gian ngắn ( Yu và Miller, 1980). Nhưng đồng thời nhiệt cũng gây ra các tác dụng khơng mong muốn cho phản ứng thủy phân nguyên liệu. Nhiệt độ càng cao thì các chất ức chế quá trình lên men tạo ra càng nhiều. Ở quá trình thủy phân lí thuyết (đường cong B), lượng đường sẽ được trích ra ngay khi giải phĩng ra khỏi mạch cellulose. Dịch chiết thu được hịa tan vơ hạn trong mơi trường thủy phân. Do đĩ đưa nồng độ đường xuống gần bằng 0 trong suốt quá trình. Wayman( 1980) giảm sự ảnh hưởng bằng cách thủy phân nhiều giai đoạn với 2% H2SO4 ở 190 ºC. Thời gian mỗi giai đoạn là 20 phút. Dịch chiết của mỗi giai đoạn chứa khoảng 20% các monomer của mạch cellulose. Lượng đường thu được sau 5 chu trình cĩ thể đạt được trên 90% [48].
Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn % đường thu được ở qui trình thủy phân nhiều
giai đoạn (Wayman, 1980)[48].
Tổng chi phí cho quá trình sử dụng acid lỗng thấp hơn nhiều so với acid đặc. Vì vậy khơng cần phải tiến hành thu hồi acid.
Nghiên cứu các ảnh hưởng của quá trình xử lí nhiệt và thủy phân bằng acid ở các nồng độ khác nhau được tiến hành trên bã sắn ( Agu et ai, 1997). Ở nồng độ acid cao H2SO4 1-5 M, quá trình thủy phân diễn ra tốt nhưng xảy ra phản ứng than hĩa hoặc loại nước. Khảo sát ở nồng độ acid thấp hơn 0.3- 0.5M, 120 ºC trong 30 phút thì thấy rằng thủy phân ở nồng độ H2SO4 0.3M cho kết quả tốt hơn ở các nồng độ khác. Nghiên cứu đưa ra kết luận quá trình thủy phân bã sắn thích hợp với nồng độ acid lỗng.