2.2.2 .Tiền xử lý
2.2.2.3 Nổ hơi nước (Steam explosion)
Nổ hơi nước được phât triển văo năm 1925 bởiW. H. Mason trong sản xuất gỗ ĩp [1]. Tiền xử lý biomass bằng nổ hơi nước được giới thiệu từ năm 1980[1]. Cơng ty Iotech Corporation đê tiến hănh một văi thí nghiệm tiín phong để tìm hiểu ảnh hưởng của nổ hơi nước lín gỗ cđy dương [1]. Iotech đê bâo câo lín bộ năng lượng Mỹ trong đó mơ tả ảnh hưởng của thời gian phản ứng vă âp suất lín sản lượng xylose vă glucose. Iotech cho rằng ở một âp suất nhất định, với thời gian lưu khâc nhau sản lượng cực đại của glucose vă xylose cũng khâc nhau, vă xylose thường đạt cực đại trước glucose.
Tương tự như vậy, sản lượng cực đại của xylose vă glucose được tìm thấy lớn nhất ở những âp suất khâc nhau. Điều kiện phản ứng tối ưu của holocellulose (xylose + glucose) lă 500 – 550 psi trong thời gian 40 giđy [1]
Đê có văi nghiín cứu ứng dụng nổ hơi cho câc loại nguyín liệu biomass sau khi bâo câo của Iotech được trình băy. Shultz et al [1] so sânh hiệu quả của nổ hơi lín hỗn hợp câc mảnh gỗ cứng, vỏ trấu, rơm bắp, vă bê mía. Nổ hơi ở 240 – 2500C vă 1 phút sẽ lăm gia tăng tốc độ thủy phđn enzyme của câc mảnh gỗ cứng, vỏ trấu,
vă bê mía lín ngang bằng với tốc độ thủy phđn giấy lọc. Nghiín cứu cũng tìm thấy khơng có sự khâc nhau về tốc độ thủy phđn của mẫu đê trữ trong 8 thâng trước với tốc độ thủy phđn của mẫu được trữ trong thời gian ngắn hơn.
Martinez et al [1] sử dụng Onopordumnervosum vă Cyanaracardunculus
lăm ngun liệu. Hiệu quả đường hóa (lượng glucose giải phóng ra sau 48 giờ thủy phđn enzyme/lượng glucose cực đại trín cơ chất) đạt được trín 90% đối với O. nervosumở 2300C, 1 – 2 phút văC. cardunculusở 2100C, 2 – 4 phút.
Theo luận văn cao học của thầy Trịnh Hoăi Thanh [6], thời gian xử lý vă nhiệt độ xử lý đối với rơm rạ căng tăng thì lượng bê thu hồi được căng giảm. Khi xem xĩt ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đối với lượng đường có khả năng lín men, nhiệt độ xử lý ở mức độ vừa phải sẽ lăm tăng khả năng thủy phđn, tăng lượng đường vă do đó sẽ lăm tăng lượng cồn thu được. Điều năy có thể được giải thích lă do sự đề – lignin hóa do tâc động của nhiệt độ vă sự phđn hủy của hemicellulose lăm giải phóng vă gia tăng kích thước lỗ xốp. Tuy nhiín khi nhiệt độ xử lý cao hơn 210oC, lượng đường thu được do thủy phđn có xu hướng giảm xuống vì cellulose bị phđn hủy. Theo [6], khi thời gian xử lý tăng thì lượng đường có khả năng lín men được tăng do khả năng tấn cơng văo cellulose đê được cải thiện.
Cơ chế q trình nổ hơi nước
Hình 2.13.Mơ tả cơ chế q trình nổ hơi
Quâ trình nổ hơi nước lă một q trình cơ – hóa – nhiệt. Đó lă phâ vỡ cấu trúc câc hợp phần với sự giúp đỡ của nhiệt ở dạng hơi (nhiệt), lực cắt do sự giên nở của ẩm (cơ), vă thủy phđn câc liín kết glycosidic (hóa).
lignocellulosic bởi q trình khuếch tân vă lăm ẩm ngun liệu. Ẩm trong biomass thủyphđn câc nhóm acetyl của hemicellulose hình thănh nín câc acid hữu cơ như acetic vă uronic acid. Câc acid năy lần lượt xúc tâc q trình depolymer hóa hemicellulose, giải phóng xylan vă một phần glucan. Dưới điều kiện khắc nghiệt, vùng vơ định hình của cellulose có thể bị thủy phđn đến một mức độ năo đó. Dưới điều kiện khắc nghiệt hơn, ví dụ như nhiệt độ cao vă âp suất cao, có thể thúc đẩy sự phđn hủy xylose thănh furfural vă glucose thănh 5-hydroxymethyl furfural. Furfural vă 5-hydroxylmethyl furfural kìm hêm sự phât triển của vi sinh vật, do đó nó khơng thuận lợi cho q trình lín men [12].
Hình 2.14.Fufural
Hình 2.15.ydroxymethyl fufural
Ẩm trong biomass sẽ hóa hơi đột ngột ra khi âp suất trong thiết bị phản ứng được giải phóng vă hạ đột ngột từ rất cao khoảng văi chục atm xuống cịn âp suất khí trời. Hiện tượng năy cũng giống như hiện tượng nổ. Nguyín liệu được tống mạnh khỏi thiết bị qua một lỗ nhỏ bởi lực ĩp. Một văi hiện tượng xảy ra tại thời điểm năy. Đầu tiín, ẩm ngưng tụ trong cấu trúc biomass bốc hơi tức thời do giảm âp đột ngột. Sự giên nở của hơi nước gđy ra lực cắt bao quanh cấu trúc nguyín liệu.