nghiên cứu công nghệ và thiết bị liên tục xử lý rơm rạ bằng hơi nước để lên men ethanol

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM ~~~~~~~~~~~~~**&**~~~~~~~~~~~~~ Báo cáo tóm tắt đề tài: “ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ LIÊN TỤC XỬ LÝ RƠM RẠ BẰNG HƠI NƯỚC ĐỂ LÊN MEN ETHANOL” PHẦN 1: “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG THIẾT BỊ LÀM VIỆC LIÊN TỤC XỬ LÝ VÀ THỦY PHÂN RƠM RẠ THÀNH ĐƯỜNG PHỤC VỤ QUÁ TRÌNH LÊN MEN ETHANOL”. Mã số đề tài: B2007-20-05-TĐ Chủ nhiệm đề tài:ThS. Hoàng Minh Nam TP.Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 12 năm 2009 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 2 1.1.Lý do nghiên cứu Ethanol từ rơm rạ 2 1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 3 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2 1.3. Bioethanol 2 1.4.Biomass – Rơm rạ 4 1.5.Công nghệ sản xuất Bioethanol từ Biomass 5 2. THỰC NGHIỆM 12 1.6. Nguyên liệu 12 1.7.Thiết bị sử dụng 12 1.8.Các phương pháp sử dụng trong nghiên cứu 12 3.3.Thực nghiệm 14 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 16 1.9.Thành phần nguyên liệu trước nổ hơi 16 1.10.Quá trình nổ hơi 16 1.12.Quá trình thủy phân – lên men bán liên tục 22 4. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 25 1.13.Kết Luận 25 1.14.Đề Nghị 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 MỞ ĐẦU 1.1. Lý do nghiên cứu Ethanol từ rơm rạ Nước ta là một nước nông nghiệp với sản lượng gạo hằng năm trên 35 triệu tấn. Đồng bằng Sông Hồng, khu vực Trung Du và Đồng bằng Sông Cửu Long là 3 khu vực sản xuất lúa gạo chính của nước ta. Từ đó có thể thấy sản lượng rơm rạ trên cả nước hằng năm là rất lớn và tập trung. Việc giá dầu mỏ tăng lên từng ngày cùng với tình trạng ô nhiễm môi trường đang dần trở thành một thách thức lớn cho việc sử dụng nhiên liệu trong tương lai. Nguồn rơm rạ của chúng ta dồi dào nhưng những ứng dụng lại hạn chế. Phần lớn rơm rạ được để hoại mục tự nhiên hay đốt bỏ ngoài đồng. Sự lãng phí nguồn năng lượng cùng với ô nhiễm 2 môi trường do việc sử dụng rơm rạ không đúng cách như hiện nay đang dần trở thành mối quan tâm của nhiều nhà khoa học và quản lý. Ethanol được đánh giá là nguồn cung cấp nhiên liệu tốt cho tương lai vì con người có khả năng sản xuất với sản lượng lớn, không gây ô nhiễm môi trường và có thể thay thế được cho xăng nhiên liệu. Ethanol làm nhiên liệu này hoàn toàn có thể sản suất được từ nguồn cellulo như rơm rạ, trấu, bã mía,…. Theo đánh giá sơ bộ, lượng rơm rạ hằng năm, nếu được chuyển thành ethanol, hoàn toàn có khả năng thay thế toàn bộ nhu cầu xăng dầu cả nước hiện nay. Mục tiêu của đề tài nhằm mục đích từng bước nghiên cứu các thông số kỹ thuật của quá trình sản xuất liên tục ethanol nhiên liệu từ rơm, trong đó giai đoạn thứ nhất là xử lý và thuỷ phân rơm thanh dung dịch đường có khả năng lên men ethanol. 1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Những nghiên cứu trong đề tài này nhằm hướng đến thực hiện các quá trình xử lý rơm rạ liên tục với quy mô trong phòng thí nghiệm. Mục tiêu hướng tới là xây dựng những cơ sở dữ liệu và thiết bị cho quy trình hoàn chỉnh sản xuất liên tục ethanol nhiên liệu từ rơm rạ sau này. Nhiệm vụ cụ thể của đề tài bao gồm các nội dung cơ bản sau: 1. Thiết kế, chế tạo thiết bị liên tục xử lý rơm rạ 2. Khảo sát quá trình xử lý rơm rạ trên thiết bị liên tục đã chế tạo bằng hơi nước áp suất cao có giảm áp đột biến. 3. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nổ hơi liên tục đến hiệu suất thủy phân rơm rạ bằng enzyme cellulase trên cơ sở cải thiện những nghiên cứu trước theo hướng liên tục hóa quá trình thực hiện. 3 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.3. Bioethanol 1.3.1. Các sản phẩm từ Ethanol Ethanol được sử dụng làm nhiên liệu do đốt cháy ethanol cho nhiệt lượng tương đối cao mà không sản sinh ra các chất độc hại. Ethanol là hợp chất hữu cơ hòa tan tốt trong nước và có khả năng hòa tan tốt một số hợp chất hữu cơ nên được dùng làm dung môi hòa tan, trích li trong các các sản phẩm như sơn, bút màu, rượu thuốc… Ethanol có khả năng ức chế vi sinh vật nên được dùng làm chất kháng khuẩn. Dung dịch ethanol 70%, 90% - cồn 70˚, cồn 90˚- được dùng trong y học để sát trùng các vết thương, vệ sinh dụng cụ… Các dẫn xuất của ethanol cũng có rất nhiều ứng dụng. Ethyl acrylate được sử dụng trong sản xuất polyme acrylate có công dụng làm chất kết dính hay các vật liệu che phủ. Ethyl axetate là dung môi phổ biến sử dụng trong sơn, các vật liệu che phủ và trong công nghiệp dược phẩm. Một số ethyl ester khác được sử dụng trong công nghiệp như là các chất tạo mùi . Các ethylamin được sử dụng trong việc tổng hợp các dược phẩm, hóa chất nông nghiệp và các chất hoạt động bề mặt. 1.3.2. Tình hình sản xuất ethanol từ biomass trên thế giới Cho đến nay, trên thế giới việc sản xuất ethanol từ biomass nói chung và từ rơm rạ nói riêng vẫn chưa được thực hiện với quy mô công nghiệp mặc dù đã được nghiên cứu từ những năm 1950. Lý do lớn nhất của vấn đề này là hiệu quả kinh tế mang lại của việc sản suất nhiên liệu ethanol so với nhiên liệu truyền thống như xăng dầu. Trước tình hình giá cả nhiên liệu tăng cao như hiện nay và ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng, đặc biệt là ô nhiễm không khí ở những khu đô thị lớn do khí thải ô tô gây ra, việc sản xuất ethanol từ biomass lại được chú ý và tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện trên thế giới. Ở các nước có nguồn biomass phụ phẩm nông nghiệp dồi dào như Canada và Mỹ, Nhật những dự án sản xuất ethanol từ rơm rạ với quy mô bán công nghiệp (vài chục tấn một ngày) đang dần được nghiên cứu và triển khai. Các nước bắc Âu như Hà Lan, Thụy Điển cũng đang có các dự án xây dựng nhà máy sản suất và tinh chế ethanol dùng cho động cơ. Trong khi đó đối với những nước đang trên đà phát triển và có nguồn rơm rạ dồi dào như Việt Nam thì việc sản xuất này cũng đang dần được quan tâm. Ở Việt Nam, đã có một vài nghiên cứu ban đầu về việc sản suất ethanol từ biomass nói chung và rơm rạ nói riêng của trường ĐH Bách Khoa TpHCM. Hằng năm, ethanol cũng được sản suất trong nước với sản lượng khoảng 25 triệu lít mỗi năm. Trong đó chủ yếu là làm từ mật rỉ, ngô, gạo và khoai mì, chủ yếu phục vụ cho các ngành công nghiệp thực phẩm và hóa chất. Tuy nhiên, tình hình lương thực đang ngày càng khan hiếm. Với dân số tăng cao và quỹ đất dành cho sản xuất nông nghiệp ngày càng bị thu hẹp thì việc sản xuất cồn từ các nguyên liệu truyền thống trên rất khó được mở rộng để đáp ứng cho nhu cầu nhiên liệu ngày một tăng cao như hiện nay. Ngày nay sự lệ thuộc vào dầu mỏ của con người ngày càng cao dẫn đến tình trạng suy thoái kinh tế khi xảy ra khủng hoảng dầu mỏ. Chính vì thế nên ngày càng nhiều những dự án nghiên cứu và triển khai sử dụng năng lượng địa phương để thay thế dần dầu mỏ. Trong tình hình đó ethanol là một giải pháp được đánh giá cao cho khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai. Tiềm năng lớn và thân thiện với môi trường là 2 ưu điểm lớn của loại nhiên liệu này. 1.3.3. Tình hình phát triển và ứng dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới Hiện nay trên thế giới có 50 nước có chương trình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học. Các nước APEC đã chọn nhiên liệu sinh học thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Theo dự báo của các chuyên gia, đến năm 2025, thế giới sẽ sử dụng 12% nhiên liệu sinh học trong toàn bộ nhu cầu năng lượng; đến năm 2020, EU sẽ sử dụng 20% nhiên liệu sinh học. Trong chương trình nghị sự của diễn đàn hợp tác Đông Á - Mỹ Latinh (FEALAC) cũng đã bàn đến các nội dung liên quan đến sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học, gồm: nguyên liệu cho sản xuất biodiesel; công nghiệp sản xuất biodiesel; sản xuất ôtô sử dụng nguyên liệu 2. Tổng quan tài liệu 2 thay thế; cơ chế chính hỗ trợ; các chương trình nghiên cứu và phát triển. Nhiên liệu sinh học (biofuel) là những nhiên liệu có nguồn gốc từ biomass như củi, gỗ, rơm, trấu nhưng đây chỉ là những dạng nhiên liệu thô. Nhiên liệu sinh học cho giao thông vận tải chủ yếu gồm: các loại cồn sản xuất bằng công nghệ sinh học để sản xuất ra gasohol (methanol, ethanol, buthanol, nhiên liệu tổng hợp); các loại dầu sinh học để sản xuất biodiesel (dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật). Năm 2005, nước Đức đã sản xuất được 1,7 triệu tấn biodiesel từ hạt dầu cải làm nhiên liệu cho ô tô. Hiện nay, diện tích trồng dầu hạt cải ở Đức là 1,2 triệu ha, chiếm 10% đất trồng trọt ở nước này và các chuyên gia cho rằng khó có thể mở rộng diện tích trồng dầu hạt cải hơn nữa. Đức chỉ có thể sản xuất nhiều nhất 2 triệu tấn dầu hạt cải, trong khi nhu cầu mỗi năm lên tới 130 triệu tấn. Tuy nhiên, Biodiesel cũng chỉ có thể sử dụng ở một mức độ nhất định đối với một số loại động cơ diesel đời mới. Đây là lý do tập đoàn Shell quan tâm nhiều hơn đến việc phát triển nhiên liệu sinh học thế hệ hai. Để sản xuất nhiên liệu này, người ta sử dụng cả các bộ phận của cây trong quá trình sản xuất nông nghiệp, nhiều khi những bộ phận này là chất thải như rơm rạ, thân cây ngô, hướng dương Rượu là một loại nhiên liệu sinh học mà con người đã sản xuất từ hàng nghìn năm nay. Những năm 30 của thế kỷ trước, ở Mỹ người ta cũng đã có ý định dùng rượu làm nhiên liệu ô tô. Tuy nhiên, những người tán dương sáng kiến này không thể thắng thế bởi lẽ khi đó người ta đã phát hiện được nhiều mỏ dầu lớn đặc biệt ở vùng Trung Đông. Nguồn dầu mỏ dồi dào và giá rẻ lúc đó khiến các quốc gia công nghiệp phương Tây chấp nhận lệ thuộc vào việc nhập khẩu loại nhiên liệu này. Brazil là quốc gia duy nhất đi theo con đường riêng của mình và sử dụng cồn làm nhiên liệu cho các loại ô tô. Khoảng 40% nhu cầu nhiên liệu của nước này được đáp ứng bằng bioethanol, một dạng cồn được điều chế từ đường mía. Trong khi đó ở Châu Âu và Bắc Mỹ người ta điều chế ethanol chủ yếu từ cây trồng. Chính phủ Mỹ cũng coi bioethanol là một loại nhiên liệu của tương lai. Một loạt công nghệ mới, đang trong quá trình phát triển, hứa hẹn nhiều triển vọng, đó là “sundiesel”. Trong năm tới, một hệ thống sản xuất “sundiesel” sẽ đi vào hoạt động với năng suất 15.000 tấn/năm. Sundiesel hoàn toàn không độc hại và không có chất aromat. Cho đến nay, người ta có xu hướng sử dụng biogas để sản xuất điện. Khí biogas rất thích hợp để sử dụng đối với các loại ô tô chạy bằng khói nén. Tuy nhiên, việc này cho đến nay tiến triển rất chậm vì phải thực hiện một số thay đổi ở động cơ ô tô và phải có cơ sở hạ tầng cần thiết (trạm tiếp). Theo nhiều chuyên gia thì chỉ có những loại nhiên liệu phối trộn có nhiều triển vọng để áp dụng rộng rãi. Ethanol và sundiesel đáp ứng được yêu cầu này. 1.3.4. Liên doanh sản xuất bioethanol: “đột phá” cho sự ra đời nguồn năng lượng sinh học Sau khi nghiên cứu kỹ thị trường nhiên liệu nước ta, tập đoàn Itochu (Nhật Bản) vừa chính thức ký thỏa thuận hợp tác liên doanh với Petrosetco (thành viên của Tập đoàn dầu khí VN) xây dựng nhà máy sản xuất ethanol tại nước ta với công suất 100 triệu lít/năm từ nguồn nguyên liệu sắn lát. Dự kiến, việc xây dựng nhà máy sẽ được hoàn tất trong quý I/2009. Toàn bộ sản phẩm của nhà máy là ethanol 99,8% sẽ được cung ứng cho thị trường nội địa để pha vào xăng phục vụ công nghiệp và giao thông - vận tải. “Đây chỉ là bước khởi đầu cho quá trình triển khai đầu tư dài hạn của Itochu tại VN sắp tới”, ông Toshio Shigemi – Phó Chủ tịch điều hành Tập đoàn Itochu cho biết. Trong 6 tháng tới, chi tiết vốn đầu tư sẽ chính thức được công bố. Vấn đề tận dụng phụ phẩm như thế nào để nâng cao hiệu quả đầu tư cũng là điều đang được hai bên tính toán cụ thể và chi tiết, bởi hai phụ phẩm của Dự án này là khí CO 2 và hèm - nguyên liệu rất tốt cho ngành sản xuất bia, rượu và thức ăn gia súc với hàm lượng protein rất cao Sự ra đời của liên doanh sản xuất ethanol sẽ là một trong những bước đi mang tính “đột phá”, đáp ứng nhu cầu về nhiên liệu ngày càng tăng (tỷ lệ pha ethanol vào xăng cho phép là 2. Tổng quan tài liệu 3 10%). Theo ông Đỗ Hữu Hào, Thứ trưởng Bộ Công nghiệp, hiện Chính phủ đã giao Bộ Công nghiệp nghiên cứu và soạn thảo những quy định và chính sách ưu đãi đầu tư cho lĩnh vực này. Vẫn theo Thứ trưởng Hào, các nước Châu Á như Trung Quốc, Thái Lan, Philippines cũng đang đẩy nhanh việc sản xuất ethanol sinh học với mục đích thay thế một phần nguồn năng lượng hóa thạch, đồng thời giảm thiểu đến mức tối đa tình trạng ô nhiễm môi trường do các hoạt động công nghiệp và vận tải gây ra. Chính phủ ta rất quan tâm đến vấn đề này và đang khuyến khích các doanh nghiệp đầu tư vào lĩnh vực sản xuất ethanol. 2.1.5. Triển vọng bioethanol trong tương lai Trên thế giới, công nghiệp ethanol nhiên liệu đạt sản lượng trên 6,2 tỷ lít vào năm 2000. Hầu hết ethanol được sản xuất từ bắp. Một lượng lớn các chất thải nông nghiệp từ lignocellulosic hiện tại được đem đốt hoặc bỏ đi. Việc tận dụng các nguyên liệu lignocellulosic có thể thay thế gần như 40% gasoline trên thị trường. Sử dụng nguyên liệu lignocellulosic như cỏ, rơm rạ, bã mía có thể giảm đáng kể chi phí về nguyên liệu khi so sánh với nguồn nguyên liệu là bắp. Người ta dự đoán rằng sử dụng kĩ thuật gen trên nguyên liệu với hàm lượng carbohydrate cao hơn kết hợp với cải tiến công nghệ sẽ giảm được giá ethanol khoảng 0,11 dollar/lit trong 10 năm tới. Giảm chi phí sản xuất cellulase là chìa khóa công nghệ trong quá trình thủy phân bằng enzyme. Kĩ thuật gen đã được sử dụng để tạo dòng các trình tự mã hóa vào trong vi khuẩn, nấm men, nấm sợi và thực vật nhằm tạo ra những hệ thống sản xuất cellulase với hoạt tính cao. Wood và các cộng sự đã báo cáo về việc biểu hiện gen tái tổ hợp endoglucanase từ Erwinia chrysanthemi P86021 vào Escherichia coli KO11 và hệ thống tái tổ hợp này đã sản xuất 3.200 IU endoglucanase/lit canh trường lỏng lên men (IU, international unit, được xác định như là 1 μl đường khử được tạo ra trong 1 phút khi sử dụng carboxymethyl cellulose làm cơ chất). Endoglucanase E1 chịu nhiệt từ Acidothermus cellulolyticus được biểu hiện ở Arabidopsis thaliana ở lá. Người ta cũng có thể sử dụng quá trình lên men xylose thành ethanol. Chủng tái tổ hợp E. coli với các gen từ Zymomonas mobilis để chuyển hóa pyruvate thành ethanol cũng đã được nghiên cứu bởi Dien và các cộng sự. Các plasmid tái tổ hợp với các gen tổng hợp xylose reductase và xylitol dehydrogenase từ Pichia stipitis và gen xylulokinase từ Saccharomyces cerevisiae đều được chuyển vào Saccharomyce spp. cho quá trình lên men đồng thời xylose và glucose . Mặc dù việc sản xuất bioethanol được cải tiến bởi nhiều công nghệ mới, nhưng vẫn có nhiều thử thách cần phải vượt qua. Những thử thách đó bao gồm việc giữ ổn định các chủng nấm men đã được biến đổi gen khi lên men ở quy mô công nghiệp, nâng cao hiệu quả tiền xử lý nguyên liệu lignocellulosic, và tính kinh tế của hệ thống sản xuất ethanol. 1.4. Biomass – Rơm rạ Hình 2.1: Rơm rạ và các phần trên cây lúa Hình 2.2: Rơm rạ sau thu hoạch Rơm rạ là thành phần còn lại của cây lúa sau khi thu hoạch lấy hạt lúa. Ngoại trừ phần hạt và rễ thì tất cả các phần khác của cây lúa đều được coi là rơm rạ. Nước ta có khí hậu nhiệt đới gió mùa. Cùng với quỹ đất rộng và nền nông nghiệp phát triển lâu đời, Việt nam đã trở 2. Tổng quan tài liệu 4 thành một nước xuất khẩu gạo nhiều nhất thế giới. Theo thống kê năm 2003, cả nước có 33 triệu hecta đất trong đó 9,67 triệu hecta đất canh tác cùng 9,7 triệu hecta đồng cỏ (FAQ, 2003) [1]. Tổng sản lượng hoa màu và thực phẩm cả nước năm 2003 đạt 35 triệu tấn. Số liệu cụ thể được trình bày theo bảng 1. Sản lượng lương thực và hoa màu cao đồng nghĩa với việc nước ta có một nguồn phụ phẩm nông nghiệp rất dồi dào. Trung bình, để tạo ra 1 tấn gạo đã thải ra khoảng1,2 tấn rơm rạ. Sản lượng lúa gạo năm 2007 toàn quốc đạt 36 triệu tấn [2]. Như vậy, lượng rơm rạ thải ra hằng năm vào khoảng 43 triệu tấn. Số liệu thống kê hằng năm được trình bày theo bảng 1. Cho đến nay, phần lớn rơm rạ thường được để mục hoại ngoài đồng hay đốt tại chỗ để trả lại khoáng chất cho đồng ruộng. Phần còn lại được đem về làm thức ăn gia súc hay trồng nấm và làm chất đốt phục vụ nhu cầu đun nấu trong gia đình. Nếu có thể sản xuất được ethanol từ rơm rạ sẽ có thể sử dụng có ích nguồn năng lượng từ rơm mà vẫn trả lại được nguồn khoáng chất cho cây trồng. Bảng 1: Sản lượng nông nghiệp nước ta năm 2003 (FAO 2004) Hình 2.3: Sản lượng lúa gạo cả nước từ 1997- 2007 1.5. Công nghệ sản xuất Bioethanol từ Biomass 1.5.1. Một số qui trình sản xuất Ethanol từ Biomass thực tế 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. 2. Tổng quan tài liệu 5 Chuẩn bị Tiền xử lí Thủy phân Lên men Nguyên liệu Nấm men Nhân giống Chưng cất Ethanol Hình 2.4: Qui trình công nghệ sản xuất Bioethanol từ Biomass Hình 2.5: Các qui trình sản xuất đi từ lignocellulosic 2. Tổng quan tài liệu 6 Hình 2.6: Qui trình sản xuất đi từ nguyên liệu biomass 1.5.2. Giai đoạn tiền xử lý Khác với nguyên liệu tinh bột, sản xuất ethanol từ nguồn rơm rạ 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. Rơm rạ 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. 2.3.2.1. Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước 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. 2.3.2.2. Cơ chế Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước là một quá trình tác động cơ học, hóa học và nhiệt độ lên hỗn hợp nguyên liệu. Nguyên liệu bị phá vỡ cấu trúc dưới tác dụng của nhiệt, hơi và áp lực do sự giãn nở của hơi ẩm và các phản ứng thủy phân các liên kết glycosidic trong nguyên liệu. Quá trình nổ hơi nước gồm các giai đoạn sau: a) Làm ẩm nguyên liệu b) Giảm áp đột ngột 2.3.2.3. 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 2. Tổng quan tài liệu 7 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 khí hóa hơi. 2.3.2.4. 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 . 2.3.3. Giai đoạn thủy phân 2.3.3.1. Thủy phân bằng acid Quá trình thủy phân acid ban đầu chỉ phá vỡ cấu trúc cellulose ở một mức độ nhất định. Quá trình thủy phân diễn ra theo các bước sau: Bước 1: Acid xâm nhập vào mạng lưới các vi sợi của biomass Bước 2: Xúc tác quá trình thủy phân Bước 3: Giới hạn tốc độ quá trình thủy phân. 2.3.3.2. Các phương pháp xử lí bằng acid Thủy phân nguyên liệu biomass bằng acid gồm có 2 phương pháp: a) Thủy phân bằng acid đặc: Phương pháp thủy phân bằng acid đặc gồm các giai đoạn sau: - Tiền thủy phân để loại hemicellulose - Thủy phân cellulose - Thủy phân oligosaccharide thành glucose b) Thủy phân bằng acid loãng: Quá trình thủy phân bằng acid loãng là quá trình xử lí hóa 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). c) Qui trình thủy phân biomass 2 giai đoạn Qui trình thủy phân biomass 2 giai đoạn là qui trình có nhiều triển vọng và có tính thương mại cao. Đó là do: • Qui trình này sẽ mau chóng được đưa vào các hoạt động thương mại dựa trên cơ sở phương pháp sử dụng acid loãng. • Quá trình phân tách hỗn hợp thủy phân hemicellulose và cellulose thu được sản lượng và độ tinh khiết sản phẩm cao. Vì các dịch thủy phân được tách ra trong mỗi giai đoạn. • Năng lượng tiêu hao cho toàn bộ quá trình thấp. Quá trình xử lí được thực hiện qua 2 giai đoạn như sau: 2. Tổng quan tài liệu 8 [...]... trình xử lý rơm rạ trên thiết bị liên tục bằng hơi nước áp suất cao có giảm áp đột biến (từ đó so sánh với quá trình xử lý trên thiết bị nổ hơi chậm trước đây) 2 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nổ hơi đến hiệu suất thủy phân rơm rạ bằng enzyme cellulase trên cơ sở cải thiện những nghiên cứu trước theo hướng liên tục hóa quá trình thực hiện 3 Nghiên cứu khả năng thủy phân rơm rạ đã xử lý bằng. .. Hướng nghiên cứu Những nghiên cứu trong báo cáo này xoay quanh 3 vấn đề chính: 1 Khảo sát quá trình xử lý rơm rạ trên thiết bị liên tục bằng hơi nước áp suất cao có giảm áp đột biến 2 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nổ hơi đến hiệu suất thủy phân rơm rạ bằng enzyme cellulase trên cơ sở cải thiện những nghiên cứu trước theo hướng liên tục hóa quá trình thực hiện 3 Nghiên cứu khả năng thủy phân rơm rạ. .. trước đây trên thiết bị nổ hơi chậm, ta thấy thiết bị nổ hơi nhanh cho hiệu quà thủy phân tốt hơn Khả năng chuyển hóa Cell trong nguyên liệu thành Gluco khi nguyên liệu được tiền xử lý bằng thiết bị nổ hơi nhanh tốt hơn khi được tiền xử lý bằng thiết bị nổ hơi chậm Hình 4.18: Đồ thị so sánh hiệu quả quá trình thủy phân của rơm nổ hơi bằng phương pháp nổ hơi chậm so với nổ hơi nhanh Có thể... pH = 4,8 1.7 Thiết bị sử dụng 1.7.1 Thiết bị nổ hơi: Thiết bị nổ hơi được thiết kế và chế tạo nhằm thực hiện quá trình liên tục 1.7.2 Hệ thống cấp nước nóng: Hệ thống cấp nước nóng có khả năng cài đặt và tự động điều chỉnh nhiệt độ và áp suất Nhiệt độ tối đa của nước nóng cung cấp bởi thiết bị là 270 oC, áp suất làm việc tối đa 50bar, lưu lượng có thể thay đổi được từ 100ml/p – 1000ml/p bằng bơm nhập... phân sẽ đạt được sự hợp lý về mặt kinh tế 1.14 Đề Nghị 1 Cần nghiên cứu quá trình thủy phân với các loại enzyme cellulase khác nhau cho hiệu quả cao hơn 2 Tiếp tục nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời (SSF) kết hợp với kỹ thuật cố định tế bào nấm men vào giai đoạn lên men trong quy trình sản xuất liên tục 3 Nghiên cứu xây dựng mô hình sản suất bán liên tục ethanol từ biomass từ... rơm rạ đã xử lý bằng Enzyme Cellulase trên thiết bị liên tục kết hợp ứng dụng kỹ thuật cố định tế bào nấm trong quá trình lên men Trình tự làm thí nghiệm được trình bày như sơ đồ sau: nguyên liệu Tiền xử lý (nổ hơi) Thủy phân riêng biệt Enzy me Thủy phân liên tục Nấ m men 3.3 Thực nghiệm 3.4.1 Xác định độ ẩm nguyên liệu ban đầu 3.4.2 Khảo sát quá trình nổ hơi: Theo các kết quả nghiên cứu trước... khoảng thời gian dài để truyền nhiệt cho nước nóng lên Mặt khác lượng nước sử dụng cho quá trình này là rất nhiều so với lượng rơm cho vào (độ ẩm trên 95%) Đối với phương pháp này không thể tiến hành nổ hơi khi rơm rạ chiếm trên 10% vì rơm sẽ bị than hóa cục bộ do nhiệt không được truyền vào trong Quá trình này diễn ra chậm và thời gian rơm nằm trong thiết bị lâu nên nhiệt độ nổ hơi thấp Bên cạnh việc... thừa kế những kết quả của những nghiên cứu trước nhằm hoàn thiện hơn kết quả thu được là điều cần thiết cho đề tài này Do đó những nghiên cứu trong đề tài đi theo hướng tiếp tục cải thiện những nghiên cứu trước trong nước cũng như theo những định hướng của các nghiên cứu ở nước ngoài nhằm hoàn thiện hơn về mặt thông tin và công nghệ việc sản suất ethanol nhiên liệu từ rơm Nhiệm vụ cụ thể của đề tài... thay đổi tùy vào điều kiện, đất đai v.v… Hàm lượng Cellulose của Rơm là 37,87 % 1.10 Quá trình nổ hơi Hình 4.9: Biểu đồ thành phần nguyên liệu rơm trước nổ hơi 1.10.1 Nổ hơi chậm Từ kết quả của những nghiên cứu trước đây, ta có: • Quá trình xử lý nổ hơi chậm là cần thiết để làm tăng khả năng thủy phân cellulose thành đường có khả năng lên men đặc biệt khi sử dụng enzyme Chế độ nổ hơi hợp lý được lựa... thủy phân và lên men, với đề nghị ban đầu như sơ đồ sau: 25 5 Kết luận và đề nghị Hình 5.22: Quy trình nổ hơi và rửa bã liên tục đề nghị 26 5 Kết luận và đề nghị TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Diệu Lý 2008 Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Đề tài tốt nghiệp đại học, khoa Kỹ thuật hóa học, Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh [2] Nguyễn Xuân Bảo 2008 Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên . tài: “ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ LIÊN TỤC XỬ LÝ RƠM RẠ BẰNG HƠI NƯỚC ĐỂ LÊN MEN ETHANOL PHẦN 1: “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG THIẾT BỊ. bản sau: 1. Thiết kế, chế tạo thiết bị liên tục xử lý rơm rạ 2. Khảo sát quá trình xử lý rơm rạ trên thiết bị liên tục đã chế tạo bằng hơi nước áp suất