TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Theo nghiên cứu của Đại học California, với trữ lượng dầu mỏ toàn cầu 1,332 tỷ thùng (ước tính năm 2008) và mức tiêu thụ hiện tại là 85,22 triệu thùng/ngày, dự báo rằng dầu mỏ sẽ cạn kiệt vào năm 2041, hoặc muộn nhất vào năm 2054 Đồng thời, các nguồn năng lượng mới chỉ có khả năng thay thế dầu mỏ sớm nhất vào năm 2140.
Năng lượng sinh học đang trở thành xu thế phát triển tất yếu trong bối cảnh các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ như năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng hạt nhân Đặc biệt, đối với các nước nông nghiệp và nhập khẩu nguyên liệu, năng lượng sinh học mang lại nhiều lợi ích như công nghệ sản xuất đơn giản, tận dụng nguyên liệu tại chỗ, nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp, không cần thay đổi cấu trúc động cơ và cơ sở hạ tầng hiện có, cùng với giá thành cạnh tranh so với xăng dầu Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, năng lượng sinh học có tiềm năng trở thành nguồn năng lượng thay thế chính.
Hiện nay, nhiên liệu sinh học như bioethanol đang được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi Các nguyên liệu sản xuất ethanol như ngô, mía, khoai mì và gạo gây ra tranh cãi về an ninh lương thực toàn cầu Do đó, nghiên cứu đang chuyển hướng sang rơm rạ, một nguồn nguyên liệu tiềm năng cho nhu cầu năng lượng tương lai Rơm rạ là một trong những nguyên liệu dồi dào lignocellulose nhất trên thế giới, với lúa là cây trồng quan trọng thứ ba sau lúa mì và ngô Theo FAO, sản xuất lúa gạo trung bình thế giới năm 2007 đạt khoảng 650 triệu tấn.
Việc tận dụng phế phẩm nông nghiệp như rơm rạ không chỉ giảm thiểu ô nhiễm môi trường do đốt rơm hàng năm mà còn không ảnh hưởng đến nguồn lương thực toàn cầu Rơm rạ, với vai trò là nguyên liệu phổ biến trên toàn thế giới, mang lại nhiều lợi ích cho cả sản xuất và bảo vệ môi trường.
Tình hình s ản xuất và sử dụng ethanol sinh học trên thế giới
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 2
Theo báo cáo F.O.Licht, Bioethanol đã được phát hiện là nhiên liệu đốt từ năm 1860 bởi nhà khoa học Nicolas Otto Đến năm 1930, nhiều quốc gia như Mỹ, Brazil, Anh, Pháp, Đức và Ý đã bắt đầu sử dụng Bioethanol như một sự thay thế cho xăng Tuy nhiên, trào lưu sử dụng Bioethanol thực sự bùng nổ vào những năm 1970 khi khủng hoảng nguồn cung dầu mỏ diễn ra.
Các nước sản xuất Bioethanol lớn như Braxin, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, và Pháp chiếm 84% sản lượng Bioethanol nhiên liệu toàn cầu trong năm 2005
Năm 2006, tổng sản lượng Bioethanol toàn cầu đạt 50 tỷ lít, trong đó Bioethanol nhiên liệu chiếm 77% với 38,5 tỷ lít, Bioethanol công nghiệp chiếm 8% với 4 tỷ lít, và Bioethanol dùng cho đồ uống chiếm 15% với 7,5 tỷ lít.
Bảng 1.1: Tình hình sản xuất Bioethanol của các quốc gia qua các năm
Quốc gia Số lít sản xuất mỗi năm
TRUNG QUỐC 3,8 tỷ lít ẤN ĐỘ 1,7 tỷ lít
( Nguồn: http://www.asiacreative.vn/tinh-hinh-san-xuat-va-tieu-thu-ethanol-tren-the- gioi)
Hiện nay, Việt Nam đã tiến hành một số nghiên cứu ban đầu về sản xuất ethanol sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp, đạt được nhiều kết quả tích cực Các nghiên cứu tiêu biểu bao gồm "Nghiên cứu sản xuất ethanol từ nhiên liệu rơm rạ" của Trần Diệu Lý (2008), "Nghiên cứu sản xuất ethanol từ phụ phẩm nông nghiệp" của Nguyễn Thị Hằng Nga (2009), và "Nghiên cứu quá trình sản xuất ethanol từ rơm rạ với sự bổ sung hệ thống enzyme thủy phân và điều kiện tối ưu cho quá trình lên men cồn của nấm men Picha Stipis" của Nguyễn Thị Ngọc Liễu.
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 3
TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU
Tổng quan về rơm rạ
Nguồn rơm rạ và tình hình sử dụng rơm rạ ở Việt Nam
Sản lượng lương thực cao ở nước ta dẫn đến việc tạo ra nguồn phế phẩm phong phú, với trung bình 1 tấn gạo thải ra khoảng 1,2 tấn rơm rạ Hàng năm, tổng sản lượng rơm rạ thải ra đạt khoảng 48 triệu tấn, cho thấy tiềm năng lớn trong việc tận dụng nguồn phế phẩm này.
Bảng 2.1: Thống kê sản lượng lúa cả nước từ năm 2000 – 2010
Năm Cả năm Đông Xuân Hè Thu Lúa mùa
Theo Tổng cục Thống kê và Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn (ngày 1/1/2012), phần lớn rơm rạ hiện nay được để phân hủy tự nhiên trên đồng ruộng hoặc được đốt tại chỗ để tái cung cấp khoáng chất cho đất Một phần nhỏ còn lại được thu gom làm thức ăn cho gia súc, nuôi trồng nấm, hoặc sử dụng làm chất đốt phục vụ nhu cầu nấu nướng trong các hộ gia đình.
Cấu trúc của rơm rạ
Về thành phần hóa học, rơm rạ chủ yếu chứa cellulose 32 – 47 %, hemicellulose
19 – 27 % và lignin 5 – 24 %, (Garrote et al, 2002; Maiorella, 1983; Saha, 2003; Zamora và Crispin, năm 1995)
Trong hemicellulose các pentoses chiếm ưu thế, trong đó xylose và đường quan trọng nhất chiếm 14,8 - 20,2 % (Maiorella, 1983; Roberto và cộng sự, 2003)
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 4
Bảng 2.2: Thành phần cơ bản và các nguyên tố chính của tro trong rơm rạ, trấu gạo và rơm lúa mì
Rơm rạ Trấu gạo Rơm lúa mì
Phân tích gần đúng (% chất hô) Carbon cố định
Thành phần tro cơ bản (%) SiO2 74,67 91,42 55,32
( Nguồn: Maiorella, 1983; Roberto và cộng sự, 2003)
Thành phần hóa học của rơm rạ có sự biến đổi theo từng vùng miền, khu vực và điều kiện trồng trọt Nghiên cứu cho thấy rằng các thành phần chính trong rơm rạ cũng thay đổi theo những yếu tố này.
Ngoài ra trong rơm rạ có nhiều đường pentose, thành phần chủ yếu của các pentose là xylose tiếp theo là arabinose và hexose
Bảng 2.3: Thành phần hóa học của rơm rạ
Hydrate cacbon (%) Không phải hydrate cacbon (%) Glucose Mannose Xylose Arabinose Galactose Lignin Tro
(Nguồn: Maiorella, 1985; Roberto et al, 2003)
Lignocellulose chủ yếu bao gồm cellulose, đóng vai trò là khung chính, được bao bọc bởi hemicellulose, chất tạo mạng lưới, và lignin, chất kết dính.
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 5
Cellulose, hemicellulose và lignin liên kết chặt chẽ với nhau thông qua các liên kết cộng hóa trị Các đường như arabinose, galactose và acid 4-O-methylglucuronic thường có mặt trong các mạch nhánh và thường kết hợp với lignin.
Hình 2.1: Cấu trúc của lignocellulose
Các mạch cellulose tạo thành sợi cơ bản được liên kết bởi hemicellulose, tạo nên cấu trúc vi sợi với kích thước khoảng 25 nm Những vi sợi này được bảo vệ bởi hemicellulose và lignin, giúp ngăn chặn sự tấn công của enzyme và hóa chất trong quá trình thủy phân.
Cellulose là hợp chất hữu cơ quan trọng với công thức phân tử (C6H10O5)n, đóng vai trò chủ yếu trong cấu trúc tế bào thực vật Hợp chất này được tạo thành từ nhiều phân tử cellobiose liên kết với nhau, trong đó 4-O-(β-D-Glucopyranosyl)-D-glucopyranose là một thành phần chính Cellulose là hợp chất hữu cơ phổ biến nhất trong sinh quyển, với khoảng 1011 tấn cellulose được tổng hợp hàng năm bởi thực vật; trong đó, cellulose chiếm khoảng 50% trong gỗ và khoảng 90% trong bông.
Hình 2.2: Công thức hóa học của cellulose (Nguồn: www.sci.waikato.ac.nz)
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 6
Các mạch cellulose được liên kết với nhau thông qua liên kết hydro và liên kết Van der Waals, tạo thành hai vùng cấu trúc chính: tinh thể và vô định hình Trong vùng tinh thể, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ, khiến vùng này khó bị tấn công bởi enzyme và hóa chất Ngược lại, vùng vô định hình có liên kết lỏng lẻo hơn, do đó dễ bị tấn công Hai mô hình cấu trúc của cellulose đã được đề xuất để mô tả rõ hơn về vùng tinh thể và vô định hình.
Hình 2.3: Mô hình Fringed Fibrillar và mô hình chuỗi gập
(Nguồn: www.chemed.c hem.wisc.edu)
Trong mô hình Fringed Fibrillar, phân tử cellulose được kéo thẳng và định hướng theo chiều sợi, tạo thành các vùng tinh thể dài 500 Å xen kẽ với vùng vô định hình.
Trong mô hình chuỗi gập của phân tử cellulose, các đơn vị lặp lại với độ trùng hợp khoảng 1000 được sắp xếp thành chuỗi nhờ vào các mạch glucose nhỏ, dễ bị thủy phân Tính chất kết tinh của cellulose tăng cao khi di chuyển vào giữa chuỗi, trong khi vùng vô định hình có các liên kết β - glycoside giữa các monomer bị thay đổi góc liên kết Đặc biệt, tại cuối các đoạn gấp, ba phân tử monomer tạo ra sự thay đổi 180 độ cho toàn mạch, làm cho vùng vô định hình dễ bị tấn công bởi các tác nhân thủy phân hơn so với vùng tinh thể.
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ sử dụng liên kết cộng hóa trị (β - glycoside) giúp giảm độ bền của liên kết, đồng thời vị trí này không tạo ra liên kết hydro.
Cellulose là một polysaccharide có cấu trúc tương tự như tinh bột và glycogen, được cấu tạo từ các đơn phân glucose Khác với các carbohydrate phức tạp khác, cellulose là glucan không phân nhánh, trong đó các gốc glucose kết nối qua liên kết β1,4-glycoside Cellulose tạo thành chuỗi dài với ít nhất 500 phân tử glucose, xếp chồng song song để hình thành các vi sợi cellulose có đường kính khoảng 3,5 nm Mỗi chuỗi cellulose có nhiều nhóm -OH tự do, cho phép chúng kết nối với nhau thông qua các liên kết hydro Các vi sợi này tiếp tục liên kết tạo thành các vi sợi lớn hay mixen có đường kính 20 nm, với những khoảng trống lớn giữa các sợi Trong tế bào non, các khoảng trống này chứa nước, trong khi ở tế bào già, chúng chứa lignin và hemicellulose.
Cellulose có cấu trúc bền vững và khó bị thủy phân, do đó con người và động vật không thể tiêu hóa nó vì thiếu enzyme cellulase Mặc dù cellulose không cung cấp giá trị dinh dưỡng, một số nghiên cứu cho thấy nó có thể giúp điều hòa hoạt động của hệ tiêu hóa Vi khuẩn trong dạ cỏ của gia súc và động vật nhai lại, cũng như động vật nguyên sinh trong ruột mối, có khả năng sản xuất enzyme phân giải cellulose Ngoài ra, nấm đất cũng có thể phân hủy cellulose, cho phép chúng sử dụng cellulose làm nguồn thức ăn.
Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng
Hemicellulose là một polysaccharide có cấu trúc từ 70 đến 200 đơn phân, bao gồm đường 6 carbon như glucose, mannose và galactose, cùng với đường 5 carbon như xylose và arabinose Thành phần chính của hemicellulose là β-D-xylopyranose, được liên kết với nhau qua liên kết β-(1,4).
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 8
Hình 2.4: Cấu trúc hóa học của hemicellulose
Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy nhiên có một vài điểm chung gồm:
Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết β -(1,4)
Xylose là thành phần quan trọng nhất
Mạch nhánh của hemicellulose được cấu tạo từ các nhóm đơn giản như disaccharide hoặc trisaccharide, cho phép liên kết với các polysaccharide khác và lignin Nhờ vào cấu trúc mạch nhánh, hemicellulose tồn tại ở dạng vô định hình, làm cho nó dễ bị thủy phân.
Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl O – liên kết với vị trí 2 hoặc 3
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 9
Hình 2.5: Vị trí nhóm thế của hemicellulose
Hemicellulose là một polysaccharide tan trong dung dịch kiềm, có mối liên kết chặt chẽ với cellulose, và là một trong ba thành phần chính của sinh khối tự nhiên Cùng với cellulose và lignin, hemicellulose tạo nên cấu trúc vững chắc của thành tế bào thực vật Thành phần chính của hemicellulose bao gồm D-glucose, D-galactose, D-mannose, D-xylose và L-arabinose, liên kết qua các liên kết glycoside Ngoài ra, hemicellulose còn chứa axit 4-O-methylglucuronic, axit D-galacturonic và axit glucuronic Các đường D-xylose, L-arabinose, D-glucose và D-galactose thường thấy ở thực vật thân cỏ và ngũ cốc Đặc biệt, hemicellulose ở thực vật thân cỏ có nhiều dạng liên kết và phân nhánh đa dạng, phụ thuộc vào loài, loại mô và độ tuổi của mô đó.
Hemicellulose chứa các monosaccharide khác nhau, do đó nó có các tên gọi như manan, galactan, glucan và xylan Những polysaccharide này rất phổ biến trong thực vật, chủ yếu được tìm thấy trong các thành phần của màng tế bào ở các cơ quan khác nhau như gỗ và rơm rạ.
Trong các loại hemicellulose, xylan là một polymer chính của thành tế bào thực vật trong đó, các gốc D-xylopyranose kết hợp với nhau qua liên kết β-1,4-D-
Cơ chế quá trình thủy phân rơm rạ
Quá trình thủy phân có thể được tóm tắt trong hình sau:
Hình 2.7: Cơ chế quá trình thủy phân
• Enzyme endo-cellulase tấn công ngẫu nhiên vào mạch cellulose nhờ tạo liên kết bằng tương tác giữa CBD với cellulose, tạo thành các oligosaccharide
Enzyme exo-cellulase tấn công cellulose và oligomer từ đầu đường khử và không khử, nhờ vào sự tương tác của CBD với cellulose, tạo ra cellobiose và glucose.
• β-glucosidase tấn công cellobiose và oligosaccharide tan, tạo glucose
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 14
Nguyên liệu men giống
Lý thuyết về quá trình lên men đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà sinh học trong suốt lịch sử Vào năm 1769, nhà khoa học Lavoisier đã tiến hành phân tích sản phẩm của quá trình lên men rượu và phát hiện rằng, bên cạnh việc chuyển hóa đường thành ethanol và CO2, quá trình này còn sản sinh ra acid acetic.
Vào năm 1810, Gay-Lussac phát hiện rằng 45 phần khối lượng đường sẽ chuyển đổi thành 23 phần ethanol và 22 phần khí carbonic Dựa trên phát hiện này, ông đã đề xuất một phương trình tổng quát để mô tả quá trình chuyển đổi này.
Năm 1857, Louis Pasteur đã nghiên cứu và phát hiện rằng trong quá trình lên men 100 phần đường saccharose, sẽ tạo ra 51.1 phần ethanol, 48.4 phần CO2, 32.0 phần glycerin, 0.7 phần acid succinic và 2 phần các sản phẩm khác.
Khi lên men, 45 phần khối lượng glucose sẽ tạo ra 21.8 phần ethanol, thay vì 23 phần như Gay-Lussac đã tính Mặc dù vậy, phương trình lên men của Gay-Lussac vẫn chính xác và được sử dụng làm cơ sở lý thuyết để tính toán hiệu suất thu hồi rượu Ngoài ra, Gay-Lussac cũng khẳng định rằng quá trình lên men có mối liên hệ chặt chẽ với hoạt động của tế bào nấm men.
Vào khoảng năm 1871-1872, Manaxemi đã nghiền tế bào nấm men với cát thạch anh và cho vào dịch đường để thực hiện quá trình lên men, và hiện tượng lên men vẫn xảy ra Năm 1879, Buchuer tiếp tục nghiên cứu bằng cách nghiền nát tế bào nấm men, chiết lấy dịch trong không chứa xác nấm men và cho vào dịch đường, từ đó phát hiện dịch chiết vẫn có khả năng lên men Các chất trong dịch tế bào nấm men được gọi là zymase, là hợp chất của nhiều enzyme tham gia vào quá trình chuyển hóa đường thành ethanol và khí carbonic.
Quá trình lên men được hiểu là quá trình oxy hóa khử, diễn ra trong cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme Do đó, quá trình này thường được gọi là oxy hóa sinh học.
Sự tạo thành rượu từ glucose phải trải qua nhiều giai đoạn, sơ đồ hình thành rượu từ glucose được biễu diễn ở hình bên dưới:
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 15
Hình 2.8: Quá trình đường phân
2.4.2 Tổng quan về vi khuẩn Zymomonas Mobilis
2.4.2.1 Một số nguồn phân lập Z mobilis
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 16
Bảng 2.4: Một số nguồn phân lập vi khuẩn Zymomonas Mobilis
Nguồn phân lập Môi trường Điều kiện, kết quả Người thực hiện
Hèm bia Thạch gelatin Xuất hiện khuẩn lạc sauu
Bia tiệt trùng Thạch Agar ( 2% glucose)
Dịch nước táo Môi trường lỏng
3 canh trường chứa dịch chiết nấm men khác nhau
Khuẩn lạc sau 4 – 5 ngày ở 30 0 C có dạng hình hạt đậu, đường kính từ 1 – 4mm, màu xanh sậm
(Nguồn: http://doan.edu.vn/do-an/de-tai-len-men-ethanol-voi-vi-khuan-zymomonas- mobilis-25524)
Là một loại vi khuẩn gram õm, cú roi dài từ 1 – 1,4àm
Không hình thành bào tử
Một số loài có từ 1 – 4 tiêm mao
Không phát triển trên môi trường thạch hoặc nước thịt dinh dưỡng
Là loài vi khuẩn vi hiếu khí ( kỵ khí không bắt buộc)
Có thể lên men đường glucose và fructose
Tạo ra số mol ethanol và CO2 bằng nhau
Chứa khoảng 47,5 – 49,5 guanine và cytosine (G + C)
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 17
Loài phụ: Zymomonas mobilis subsp, mobilis
Loài phụ: Zymomonas mobilis subsp, pomaceae
Bảng 1Bảng 2Bảng 2.5: Thành phần của tế bào vi khuẩn Zymomonas Mobilis
Thành phần Hàm lượng ( theo khối lượng chất khô)
ATP: Pha logarit 1 - 5àmol/mg
ATP :Trong điều kiện thiếu thức ăn – 0,1 àg/mg
( Nguồn: http://doan.edu.vn/do-an/de-tai-len-men-ethanol-voi-vi-khuan-zymomonas- mobilis-25524)
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 18
Rất nhạy cma3 với thuốc nhuộm ( Brilliant areen…)
2.4.2.6 Cơ chế chuyển hóa đường thành ethanol bởi Zymomonas mobilis
Cơ chế lên men chính của vi khuẩn Zymomonas từ nguồn cơ chất glucose và fructose là con đường Entner – Doudoroff
Hình 2.9: Con đường Entner – Doudoroff
(http://doan.edu.vn/do-an/de-tai-len-men-ethanol-voi-vi-khuan-zymomonas-mobilis)
Do đó cân bằng chung của con đường KDPG là:
Hình 2.10: Cân bằng chung của con đường KDPG
( Nguồn: http://doan.edu.vn/do-an/de-tai-len-men-ethanol-voi-vi-khuan-zymomonas- mobilis-25524)
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 19
Enzyme trong con đường Entner-Doudoroff có khả năng kháng ethanol tốt hơn, cho phép Z mobilis hấp thu glucose nhanh chóng và sản xuất ethanol vượt trội, đạt mức hơn 15% w/v.
Màng tế bào của Z mobilis có chứa nhiều loại acid béo giúp nó chịu được nồng độ ethanol cao
2.4.2.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men
Nồng độ đường ban đầu
Hệu suất lên men cực đại ứng với 15% (w/v) nồng độ đường ban đầu
Gia tăng nồng độ đường ban đầu từ 15 – 20% sẽ lam 2giam3 hiệu suất lên men
Với 25% (w/v) tất cả các chủng đều giảm khả năng hấp thụ cơ chất và lên men ethanol
Bảng 3Bảng 4Bảng 2.6: Glucose và fructose
Tốc độ hấp thụ đường riêng cực đại ( g đường/g tế bào.giờ)
Tốc độ sản xuất ethanol riêng cực đại ( g ethanol/g tế bào.giờ
Hiệu suất sinh trưởng trung bình ( g sinh khối tế bào/g đường)
Giá trị hiệu suất ATP ( g sinh khối tế bào/mol
(http://doan.edu.vn/do-an/de-tai-len-men-ethanol-voi-vi-khuan-zymomonas-mobilis-
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 20
Nghiên cứu cho thấy hiệu suất lên men đạt cao nhất tại pH 7 và thấp nhất ở pH 4, cho thấy rằng việc tăng pH ban đầu sẽ cải thiện khả năng hấp thu cơ chất và nâng cao hiệu suất lên men Vì vậy, pH tối ưu cho quá trình lên men ethanol với Z mobilis được xác định là 7.
Nhiệt độ tối ưu cho quá trình lên men là 30 0 C
Khi nhiệt độ môi trường lên men tăng từ 30 đến 36 độ C, trong khi nồng độ glucose trong hỗn hợp nhập liệu giữ nguyên, nồng độ sinh khối sẽ giảm, trong khi tốc độ hấp thu glucose lại tăng lên.
Khi tăng nhiệt độ khoảng 2 – 3 0 C, hiệu suất chuyển hóa glucose tăng từ 82% đến 90%
Tuy nhiên, nhiệt độ cao quá mức sẽ có nhiều glucose taht61 thaot1 trong canh trường, hiệu suất chuyển hóa giảm còn 65%
Nồng độ ethanol ban đầu
Sự hiện diện của ethanol trong môi trường dinh dưỡng ban đầu có thể dẫn đến việc giảm sản xuất sinh khối, khả năng hấp thu cơ chất, cũng như làm giảm hiệu suất và hệ số chuyển hóa đường trong quá trình sản xuất ethanol.
Cụ thể: Với môi trường là sucrose có 2,5% ethanol ban đầu thì hiệu suất eyhanol giảm 48,8%, hiệu suất sinh khối giảm 25%, va 2tong63 lượng đường hấp thụ giảm 28,3%
Trong môi trường chứa 3% ethanol, quá trình hấp thu glucose giảm từ 60 đến 65% (theo nghiên cứu của Moreau và cộng sự, 1997) Ở nồng độ ethanol cao tới 20% (wt/vol), sự lên men bị ức chế hoàn toàn.
Thêm ethanol vào quá trình lên men sẽ ức chế khả năng lên men của tế bào Z.mobilis
2.4.2.8 Một số ưu điểm của Z mobilis là:
Là một chủng vi sinh vật có khả năng lên men tự nhiên
Tạo ra ít sinh khối tế bào
Không cần cung cấp oxy
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 21
Có thể kháng cự với các chất kiềm hãm có trong sản phẩm thủy phân
Có thể sinh trưởng ở nồng độ glucose cao
Tạo ra sản lượng ethanol cao từ glucose ( 95 – 98% hoặc 0,49 – 5,00 g/g)
Khả năng chịu được nồng dộ ethanol (13% ethanol từ 30% glucose)
Hiệu suất sna3 xuất riêng cao (2-6 g rhanol/ g chất khô.giờ)
Tốc độ hấp thụ đường glucose cao ( có thể lên đến 10g glucose g/g chất khô.giờ)
Giới hạn cơ chất hẹp, không có khả năng chuyển hóa các polysaccharide phức tạp như: cellulose, hemicelluloses và tinh bột thành ethanol)
Tạo ra một số sản phẩm phụ như: sorbitol, acetoin, glycerol và acid acetic hình thành một loại polymer levan ngoại bào
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 22
QUY TRÌNH LÊN MEN
Lựa chọn phương pháp lên men
Các phương pháp lên men phụ thuộc vào đặc điểm sinh lý của vi sinh vật đối với oxy, có thể chia thành hiếu khí và kỵ khí Trong lên men kỵ khí, vi sinh vật được nuôi cấy chìm trong môi trường và thỉnh thoảng khuấy để tăng cường trao đổi chất Đối với lên men rượu, khi có oxy, vi sinh vật phát triển và tăng sinh khối, còn khi thiếu oxy, chúng chuyển sang tích tụ etanol Do đó, trong giai đoạn đầu của lên men rượu, thường cung cấp oxy để nấm men phát triển, sau đó ngừng sục khí để thực hiện quá trình lên men Lên men hiếu khí được thực hiện qua hai phương pháp chính: nuôi cấy bề mặt và nuôi cấy bề sâu.
Lựa chọn phương pháp lên men chìm dạng từng mẻ
Lên men bề sâu trong môi trường lỏng
Lên men chìm là phương pháp phổ biến trong quy trình lên men công nghiệp nhờ khả năng kiểm soát dễ dàng các khâu trong quá trình So với lên men bề mặt, phương pháp này có ưu điểm như tiết kiệm diện tích, dễ dàng cơ giới hóa và tự động hóa Tuy nhiên, nó yêu cầu đầu tư lớn cho thiết bị và nếu một mẻ lên men gặp sự cố, thường phải hủy bỏ toàn bộ quá trình, gây tốn kém Quá trình lên men cũng cần có công nghệ xử lý phế liệu để bảo vệ môi trường Phương pháp này phù hợp cho cả vi sinh vật kị khí và hiếu khí, trong đó vi sinh vật kị khí không cần sục khí liên tục, trong khi vi sinh vật hiếu khí cần cung cấp ôxy liên tục Lên men chìm đã được áp dụng từ nửa cuối thế kỷ XX và mang lại kết quả lớn cho công nghệ vi sinh.
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 23
Phương pháp nuôi cấy chìm hiện nay được áp dụng rộng rãi trong công nghệ vi sinh, phục vụ cho việc sản xuất nhiều sản phẩm như men bánh mì, protein đơn bào, chế phẩm vi sinh dùng làm phân bón và thuốc trừ sâu, cũng như các enzyme, acid amin, vitamin, chất kháng sinh và chất kích thích sinh học.
Phương pháp nuôi cấy chìm có một số ưu điểm:
Tốn ít mặt bằng trong xây dựng và lắp đặt dây chuyền
Chi phí điện năng, nhân lực và các khoản phụ cho một đơn vị sản phẩm thấp -
Dễ tổ chức được xí nghiệp có sản lượng lớn
Các thiết bị lên men chìm dễ cơ khí hoá, tự động hoá
Phương pháp lên men chìm có một số nhược điểm đáng lưu ý, bao gồm yêu cầu trang bị kỹ thuật cao và nguy cơ nhiễm trùng toàn bộ Thiết bị lên men chìm cần được chế tạo cẩn thận để chịu áp lực cao và hoạt động trong điều kiện vô trùng tuyệt đối, trong khi đó, phương pháp nuôi cấy bề mặt có thể loại bỏ phần nhiễm trùng mà vẫn giữ lại các phần còn lại Hơn nữa, trong quá trình lên men chìm, cần phải khuấy và sục khí liên tục vì vi sinh vật chỉ sử dụng được oxy hòa tan trong môi trường Hệ thống khí nén phải qua lọc sạch tạp trùng, điều này tạo ra sự phức tạp và có thể dễ dàng gây nhiễm cho môi trường nuôi cấy.
Lên men dạng mẻ (gián đoạn)
Phương pháp nuôi không liên tục (batch culture) hay nuôi gián đoạn, diễn ra khi vi sinh vật phát triển cho đến khi một thành phần dinh dưỡng chính bị giới hạn, dẫn đến việc chuyển từ pha luỹ thừa sang pha cân bằng Sự sinh trưởng này gắn liền với sự thay đổi kéo dài của điều kiện nuôi, bao gồm sự giảm chất dinh dưỡng và sự gia tăng khối lượng tế bào, đồng thời trạng thái sinh lý của tế bào cũng biến đổi Sản phẩm mong muốn thường liên quan đến một trạng thái sinh lý nhất định trong pha sinh trưởng, nhưng không thể duy trì trạng thái này lâu dài Phương pháp nuôi gián đoạn được ưa chuộng trong quá trình lên men vô trùng do tính dễ dàng về mặt kỹ thuật.
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 24
Quy trình s ản xuất Ethanol từ rơm rạ
Hình 3.1: Quy trình sản xuất ethanol đi từ ligocllulose
(Nguồn:http://www.slideshare.net/luongnguyenthanh/nghin-cu-sn-xut-ethanol- tu-rom-ra)
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 25
Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu
Nguyên liệu từ kho được chuyển đến nhà máy để bắt đầu quá trình chế biến Tại đây, nguyên liệu được băm nghiền để phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật, giúp tối ưu hóa quá trình thủy phân và nâng cao hiệu suất Sau khi hoàn tất, nguyên liệu sẽ được chuyển đến khu vực tiền xử lý.
Rơm chứa các polyme carbohydrate phức tạp, bao gồm cellulose và hemicellulose, được bảo vệ bởi lignin dày đặc, làm cho quá trình thủy phân enzym trở nên khó khăn Do đó, cần có bước tiền xử lý để phá vỡ lignin, giúp lộ cellulose và hemicellulose Mục tiêu của tiền xử lý là giảm kết tinh cellulose, tăng diện tích bề mặt sinh khối, loại bỏ hemicellulose và phá vỡ lignin, từ đó làm cho cellulose dễ tiếp cận hơn với enzym, giúp chuyển đổi carbohydrate thành đường lên men nhanh chóng và hiệu quả hơn Các phương pháp tiền xử lý có thể là hóa học, vật lý, nhiệt hoặc sự kết hợp của chúng Quá trình bắt đầu bằng việc xử lý nguyên liệu bằng dung dịch H2SO4 loãng ở nhiệt độ cao trong thời gian ngắn, giải phóng hemicellulose và các hợp chất khác, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình đường hóa và lên men Sau đó, lượng acid dư được trung hòa bằng dung dịch Ca(OH)2 và loại bỏ kết tủa CaSO4 Nguyên liệu sau đó được chuyển sang giai đoạn đường hóa bằng enzym để biến cellulose thành glucose, tiếp theo là quá trình lên men glucose và các đường khác thành ethanol bằng chủng men Zymomonas mobilis.
Bước 3: Nhân giống vi khuẩn lên men và lên men:
Chọn men giống Zymomonas Mobilis để phát triển trong bình sản xuất men giống Cặn đường, chất dinh dưỡng và men giống được cho vào bình nhỏ, tiếp tục quá trình này cho đến khi đạt số lượng men giống cần thiết cho quá trình lên men Cuối cùng, men giống, dinh dưỡng và cặn đường được đưa liên tục vào thùng lên men, tạo ra giấm chín.
Để thiết kế thiết bị lên men ethanol từ rơm rạ, cần chuẩn bị lượng giống đủ cho nồi lên men, chiếm 10% thể tích dịch lên men Số lượng tế bào trong dịch nhân giống phải đạt từ 100-120 triệu tế bào/ml trở lên, với giống phải còn trẻ, khỏe mạnh và đang trong pha phát triển, đồng thời phải đảm bảo không bị tạp nhiễm.
Muốn đạt được yêu cầu giống đưa vào sản xuất phải:
Nhân giống trong phòng thí nghiệm được thực hiện từ ống giống thạch nghiêng, sau đó chuyển sang dịch trong ống nghiệm, bình tam giác và các bình có dung tích từ 5 đến 10 lít Cuối cùng, quá trình này sẽ chuyển sang giai đoạn nhân giống trong sản xuất.
Thông thường giống sản xuất được nuôi riêng trong các nồi nhân giống, sau đó tiếp vào các thùng lên men
Chúng tôi thực hiện nuôi gián đoạn trong thiết bị nồi nhân giống, được chế tạo bằng thép kín Nồi này có hai hệ thống xoắn ruột gà để cung cấp hơi và nước, cùng với cánh khuấy Thể tích của nồi nhân giống chiếm khoảng 6-8% so với thùng lên men.
Dịch đường dùng để nhân giống được tạo ra từ dịch thủy phân rơm rạ, đã được cân bằng dinh dưỡng và điều chỉnh pH từ 4,5 đến 5,2 Để đảm bảo chất lượng, dịch nhân giống cần được thanh trùng theo phương pháp Pasteur, và toàn bộ quy trình phải diễn ra trong điều kiện vô trùng.
Nhân giống cũng như lên men cần giữ ở nhiệt độ 28-32 o C, nếu nhiệt độ tăng cao phải hạ nhiệt độ bằng nước lạnh qua đường ruột gà
Trước khi bắt đầu nuôi vi sinh vật, cần rửa sạch nồi và thùng nuôi, sau đó tiệt trùng bằng hơi nóng và làm lạnh xuống 55-58°C Tiếp theo, bổ sung nguồn dinh dưỡng nitơ cùng với dịch đường, sau đó nâng nhiệt độ lên 75°C và giữ trong 30 phút trước khi làm lạnh.
Quá trình lên men được thực hiện trong một thùng lớn với thời gian dự đoán để lên men đường thành ethanol khoảng 36 giờ
Men giống được sản xuất từ thùng chứa, chiếm khoảng 10% tổng dịch đường Để cung cấp dinh dưỡng cho nấm men hoạt động, cần bổ sung 0,33g DAP cho mỗi lít giấm chín.
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 27
Bước 4 Chuẩn bị dịch lên men
Dịch đường thủy phân sau khi được làm nguội xuống 28-30 o C, với dịch đường vào là 12,6%, pH= 4,5-5,2
Trong quá trình chuẩn bị dịch lên men và dịch nhân giống trong sản xuất, việc bổ sung nguồn Nitơ (N) và Phospho (P) vào dịch đường thủy phân là cực kỳ quan trọng Để đáp ứng nhu cầu này, diammoni photphat (DAP) được sử dụng để cung cấp đồng thời cả hai nguồn N và P Theo tính toán hợp lý, lượng DAP cần bổ sung là 0,33g cho mỗi lít dịch đường.
Bước 5 Lên men dịch thủy phân trong 36 giờ
Bước 6 Chưng cất dịch sau lên men bằng tháp chưng cất để thu ethanol tinh sạch.
Tỉ lệ thành phần các nguyên liệu cho vào thiết bị lên men
Bảng 3.1: Tỉ lệ thành phẩn các nguyên liệu cho vào thiết bị lên men
Hàm lượng men 10% tổng dịch đường lên men
( Nguồn: http://www.slideshare.net/luongnguyenthanh/nghin-cu-sn-xut-ethanol-tu- rom-ra)
Thiết bị lên men
Thùng lên men A được làm bằng thép không rỉ, hoạt động ở áp suất cao hơn áp suất khí trời để ngăn ngừa sự xâm nhập của không khí và tránh nhiễm khuẩn Bên ngoài thùng được bao bọc bởi lớp áo nước B nhằm gia nhiệt, làm nguội và điều chỉnh nhiệt độ Để đảm bảo sự đồng đều trong thành phần bên trong, thùng được trang bị cánh khuấy C kéo bởi động cơ D, kèm theo bộ phận phá bọt E trên trục cánh khuấy.
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ bao gồm 28 thùng với cơ cấu xục khí F có nhiều lỗ nhỏ Cơ cấu này không chỉ cung cấp oxy mà còn có thể thực hiện chức năng khuấy trộn, thay thế cho cánh khuấy trong một số trường hợp.
Hình 3.2: Thiết bị lên men
Thùng lên men được trang bị các đường dẫn để dễ dàng đưa vật chất vào hoặc ra khỏi thùng, bao gồm nhiều dòng chính khác nhau.
1 : đưa canh trường vào thùng,
2 : đưa dưỡng chất & cơ chất vào thùng,
3 : đưa dịch lên men ra khỏi thùng,
5 : đưa khí ra khỏi thùng,
6 : đưa dung dịch axit hay kiềm vào thùng để điều chỉnh pH cho môi trường lên men,
7 : đưa nước hay hơi nước vào và ra thùng để gia nhiệt, làm lạnh hay điều hòa nhiệt độ cho môi trường lên men,
3.4.2 Đo lường trong thiết bị lên men Để cho quá trình lên men luôn hoạt động ở điều kiện tốt nhất, việc đo lường và điều khiển các thông số giữ một vai trò rất quan trọng:
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 29
N : đo vận tốc quay của cánh khuấy (m/s)
V : đo mức của dịch lên men, qua đó ta có thể xác định được thể tích của dịch lên men (m 3 )
X : đo hàm lượng sinh khối khô (%)
T : đo nhiệt độ môi trường lên men ( 0 C)
pH : đo pH của dịch lên men
Oxy : đo hàm lượng oxy hòa tan trong dịch lên men (%)
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 30
THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN THIẾT BỊ LÊN MEN
Cân bằng vật chất và năng lượng
Chọn thể tích nhập liệu V m 3
18m 3 dung dịch đường sau thủy thủy phân
Diammoni phosphate bổ sung theo tỉ lệ: 0,33g/l dịch đường Vậy lượng DAP cần bổ sung cho quá trình lên men :0,33 ∗ 18 ∗ 10 3 = 6 𝑘𝑔
Dịch đường ban đầu chứa 13% đường ( ρ68,27 kg/m 3 ) : hiệu suất tổng hợp ethanol là 97% Gồm:
7% glucose : hiệu suất chuyển hóa 96%
4% xylose : hiệu suất chuyển hóa tương ứng 40%
Với m là khối lượng dịch đường nhập liệu ban đầu:
Khối lượng Ethanol ban đầu: methanol = ( 0,51 ∗ 0,07𝑚 ∗ 0,96 + 0,51 ∗ 0,04𝑚 ∗ 0,4) ∗ 0,97 = 791,4 (𝑘𝑔)
Vậy nồng độ ethanol là: 𝑚
Nồng độ % ethanol trong dịch sản phẩm : 791,4∗ 100
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 31
Trong quá trình hoạt động của vi sinh vật trong thiết bị, nhiệt độ tăng cao có thể làm chậm sự phát triển của chúng và thậm chí gây chết Để ngăn ngừa hiện tượng này, thiết bị lên men cần được trang bị các cơ cấu thải nhiệt như ống xoắn, áo, và các ống nhiệt Chúng tôi chọn thiết bị áo nước qua vách để đảm bảo hiệu quả làm mát Lượng nhiệt thải ra từ môi trường và nước làm lạnh tiêu hao được xác định dựa trên cân bằng nhiệt trong một giờ làm việc.
Bảng 5Bảng 6Bảng 4.1: Công thức tính toán lượng nhiệt trước và sau lên men
Thu nhiệt Tiêu hao nhiệt
Với môi trường dinh dưỡng: 𝑄 1 𝐺 𝑛 ∗ 𝐶 𝑛 ∗ 𝑡 𝑛
Nhiệt sinh học được giải phóng khi phát triển canh trường: 𝑄 2 = 𝑞 ∗ 𝑝
Với canh trường thành phẩm: 𝑄 𝑠 𝐺 𝑘 𝐶 𝑘 𝑡 𝑘
Với không khí thổi: 𝑄 4 = 𝐿𝑖 1 Với không khí thổi: 𝑄 7 = 𝐿𝑖 2
Tổn thất nhiệt vào môi trường xung quanh: 𝑄 8 = 3600 ∗𝛼∗ 𝐹 𝑎 ∗
Gn , GB và GK – khối lượng môi trường dinh dưỡng, nước làm lạnh và canh trường thành phẩm (kg)
Cn, CB và CK là nhiệt dung riêng của môi trường dinh dưỡng, nước làm lạnh và canh trường thành phẩm, được đo bằng kJ/kg.K Các ký hiệu tn, tK, t1B và t2B biểu thị nhiệt độ của môi trường dinh dưỡng, canh trường thành phẩm, cũng như nhiệt độ nước làm lạnh ở đầu và cuối quá trình, tính bằng Kelvin (K).
Thiết kế thiết bị lên men ethanol từ rơm rạ yêu cầu tính toán nhiệt lượng trung bình giải phóng khi mức tăng sinh khối của chủng vi sinh vật, với các thông số quan trọng như q (kJ/kg) và p (kg/h) để đảm bảo hiệu suất tối ưu trong quá trình sản xuất.
L – lượng không khí được thổi (kg/h) i và i2 – entanpi của không khí mới và không khí thải (kJ/kg)
Fa – diện tích bề mặt của thiết bị lên men, m 2 α – hệ số thải nhiệt từ bề mặt thiết bị vào môi trường xung quanh kW/(m 2 K);
t – hiệu trung bình nhiệt độ của canh trường phát triển và không khí xung quanh thiết bị (K)
Phương trình cân bằng nhiệt của thiết bị:
Nhiệt độ phản ứng tối ưu là 30°C, cho thấy nước đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nhiệt độ ổn định Hơn nữa, sự biến đổi nhiệt độ trong quá trình phản ứng là không đáng kể, nhờ vào lượng nước giúp giảm thiểu sự thất thoát nhiệt ra môi trường.
Vậy phương trình cân bằng nhiệt thực tế : 𝐺 𝐵 ∗ 𝐶 𝐵 ∗ (𝑡 1𝐵 − 𝑡 2𝐵 ) = 𝑄 8
Diện tích bề mặt lên men được tính theo công thức 𝐹𝑎 = 0,785𝐷², với kết quả là 3,14 m² Đối với thiết bị có áo lạnh, dựa trên thực nghiệm và tính đến sự nhiễm bẩn tường, hệ số truyền nhiệt có thể được lấy là 𝛼 = 3000 w/(m²·K).
Xét ở Tp Hồ Chí Minh, ta chọn nhiệt độ thiết bị là 27 0 C, nhiệt độ hỗn hợp phản ứng là 30 0 C, ∆𝑡 = 30 0 C Vậy, năng lượng thất thoát là:
Xem nhiệt độ nước bằng nhiệt độ phản ứng: 𝑡 1𝐵 0 0 C; 𝑡 2𝐵 ' 0 C
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 33
Lượng nước tham gia truyền nhiệt:
Trong một giờ, khoảng 8,1 m³ nước tham gia vào quá trình truyền nhiệt để ổn định nhiệt độ của bình phản ứng, với tổng khối lượng nước là 8074,286 kg Tùy thuộc vào sự biến đổi của nhiệt độ môi trường và nhiệt độ phản ứng, lượng nước có thể được điều chỉnh cho phù hợp nhằm đảm bảo nhiệt độ luôn ổn định.
Ta thiết kế 1 lớp áo nước bên ngoài thành thi ết bị sao cho chiều cao không được thấp hơn chiều cao cột chất lỏng
Ta chọn chiều cao lớp áo nước 4m
Khoảng cách của lớp áo nước được tính như sau:
Vậy chiều dày lớp áo nước là 10cm
Ta cho dòng nước được gia nhiệt đến 30 0 C chạy tuần hoàn trong lớp áo nước nhầm giữ nhiệt độ ổn định trong bồn lên men
Nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ nước từ nhiệt độ ban đầu là 25 0 C lên
Công suất điện trở gia nhiệt nước trong 10 phút (600s)
Tính toán thiết kế thiết bị
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 34
4.2.1 Tính toán thể tích thiết bị lên men (V)
𝑉 1 = 𝑉 ∗ 𝑘 ( k là hệ số chứa đầy, chọn k=0,65)
H là chiều cao của thùng lên men (m)
D là đường kính trong của thiết bị (m) dk đường kính cánh khuấy (m) hc chiều cao đáy/nắp elip (m)
Ta có thể tích phần xylanh:
Giả sử đáy và nắp kết hợp lại tạo thành một elip tròn xoay xung qunah trục Ox
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 35
4.2.2 Tính chiều dày vách, nắp, đáy, chân đỡ thiết bị:
Chúng tôi chọn thép không gỉ CT 3 làm vật liệu chính cho thân thiết bị Thùng lên men được thiết kế hình trụ với nắp và đáy elip, được hàn tay bằng hồ quang điện với mối ghép dọc hai bên.
Môi trường lỏng (𝜌 = 1068,27 𝑘𝑔/𝑚 3 ) – khí CO2
Thân không lỗ, được hàn dọc, hàn tay bằng hồ quag điện → 𝜑 ℎ = 0,95
Thiết bị không đốt nóng thuộc nhóm 2, loại II (𝜇 = 1)
H; chiều cao cột chất lỏng 𝐻 = ℎ 𝑐 + 𝑉 1 −𝑉 đá𝑦
𝑝 1 = 1068,27 ∗ 9,81 ∗ 4,6 = 48046 𝑁/𝑚 3 Áp suất do CO2 sinh ra: 𝑝 2 = 𝑛∗𝑅∗𝑇
2 ∗ [𝜎] ∗ 𝜑 ∗ 𝑝 Ứng suất cho phép CT 3 theo giới hạn bền:
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 36
2,6 ∗ 1 = 146 ∗ 10 6 𝑁/𝑚 2 Ứng suất cho thép CT 3 theo giới hạn chảy:
Hệ số dẫn nhiệt CT 3: 𝜆 = 50𝑊 /𝑚.độ
6 145∗10 6 ∗ 0,95 = 96 > 50 do đó có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu của công thức
Chọn ứng suất nhỏ hơn (146*10 6 ):
𝐶 3 = 0,8 ∗ 10 −3 𝑚 ( Bảng XIII.9) Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất (tập 2)
𝑆 = 1,25 ∗ 10 −2 + 1,8 ∗ 10 −3 = 1,43𝑐𝑚 Áp suất thử được xác định theo bảng XIII.5
𝑝 0 = 𝑝 𝑡ℎử + 𝑝 = (0,3 + 1,45) ∗ 10 6 = 1,75 ∗ 10 −3 𝑚 Xác định ứng suất ở thân thiết bị theo áp suất thử tính toán:
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 37
Chiều dày đáy, nắp Elip
2 ∗ ℎ 𝑐 + 𝐶 Ở nắp và đáy có lỗ nhập liệu và tháo liệu 𝑑 = 15𝑐𝑚 được hàn từ hai tấm, hàn tay hoặc điện 𝜑 = 0,95; [𝜎] = 146 ∗ 10 6 𝑁
Hệ số k được xác định: 𝑘 = 1 − 𝑑
6 1,45∗10 6 ∗ 0,938 ∗ 0,95 = 89,7 > 30 nên bỏ qua đại lượng p ở mẫu trong công thức Vậy nên:
Kiểm tra ứng suất của nắp, đáy thiết bị theo áp suất thủy lực bằng công thức sau:
Ta có chiều dày đáy và nắp thiết bị là 16mm Vậy chiều cao phần gấp nếp bằng
Bích ghép thân, nắp và đáy:
Mặt bích là thành phần thiết yếu trong việc kết nối các bộ phận của thiết bị và liên kết với các thành phần khác Các loại mặt bích phổ biến thường được sử dụng bao gồm nhiều kiểu dáng và kích thước khác nhau, phục vụ cho các ứng dụng đa dạng trong công nghiệp.
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 38
Bích liền là bộ phận kết nối thiết bị thông qua các phương pháp hàn, đúc và rèn Loại bích này chủ yếu được sử dụng cho các thiết bị hoạt động ở áp suất thấp và trung bình.
Bích tự do chủ yếu được sử dụng để nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, kết nối các bộ phận bằng kim loại màu và hợp kim của chúng Điều này đặc biệt quan trọng khi cần tạo mặt bích bằng vật liệu có độ bền cao hơn so với thiết bị hiện có.
Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc áp suất cao
Do thiết bị hoạt động ở áp suất trung bình nên ta chọn loại bích liền làm bằng thép để nối các bộ phận của thiết bị
Chọn bích ghép thân , đáy và nắp bằng thép X18H10T
Tra bảng XIII.27 Sổ tay quá trình thiết bị tập 2
Với đường kính trong thiết bị 2400mm, áp suất 1,6 10 6 N/m 2 , cho kiểu bích liền số 2
Ta được: D&80mm, Db%80mm, DI%20mm, bu lông M48 ZV, hamm, Hmm, SI"
Vậy số bích ghép thân- đáy- nắp là 56 bích
Độ kín của mối ghép bích phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu đệm Đệm được tạo ra bằng cách làm đầy các chỗ gồ ghề trên bề mặt bích Để đảm bảo độ kín cho thiết bị, cần lựa chọn đệm có kích thước D2 là 54mm và D4 là 30mm.
Khối lượng của bích ghép thân được tính toán với thép X18H10T có mật độ 7900 kg/m³, cho kết quả là 538 kg Trong khi đó, khối lượng thân thiết bị sử dụng thép CT3 với mật độ 7850 kg/m³ đạt 31,635.75 kg Cuối cùng, khối lượng nắp và đáy được xác định là 286.47 kg.
Khối lượng toàn thiết bị
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 39
Suy ra trọng lượng thiết bị
Thiết bị được đỡ trên 4 chân Tải trọng cho phép trên mỗi chân :
Các kích thước chân đỡ bảng XIII.35 (tính bằng mm)
L= 320mm , B = 265mm, B1 = 270mm, B2 = 400mm, H = 500mm, h= 275mm, s = 22mm, l = 120mm, d= 34mm
4.2.3 Tính toán hệ thống khuấy
Ta có độ nhớ môi trường làm việc dựa trên công thức:
𝜇 = (1,2 + 0,046 ∗ 𝐵 − 0,0014 ∗ 𝐵 ∗ 𝑡) ∗ 10 −3 Với B: nồng độ phần trăm (%) t: nhiệt độ của môi trường ( 0 C) suy ra: 𝜇 = (1,2 + 0,046 ∗ 13 − 0,0014 ∗ 13 ∗ 30) ∗ 10 3 = 1,252 ∗ 10 −3 Khối lượng riêng 𝜌 = 1068,27 𝑘𝑔/𝑚 3
Chọn cánh khuấy mái chèo tua bin 3 cánh thẳng ( dựa trên “ Các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm tập 2) Bảng 6.2; 6.3
𝜇Với n: số vòng quay ( vòng/s)
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 40
Công thức tính toán cho trục khuấy trộn:
Với k1: hệ số chứa đầy, k2: hệ số có tính đến tăng công suất do tăng sức cản của môi trường trong quá trình phát triển của môi trường ( k2=1,1)
∑ 𝑘 : hệ số tính đến sự tăng công suất để vượt thắng sức cản gây ra do cơ cấu phụ
∑ 𝑘 = 𝑘 𝑛 + 𝑘 𝑀 + 𝑘 𝑇 kn: hệ số cản của vách ngăn phản xạ ( kn=1,5) kM: hệ số cản bộ khung trộn ( kM=0,2)
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 41 kT: hệ số cản của ống lót trục ( kT=0,3)
Suy ra: 𝑁 𝑝 = 0,65 ∗ 1,1 ∗ (2 + 1) ∗ 1716,66 = 3682,24 𝑊 Đường kính trục dẫn của máy khuấy:
𝜏 𝑐𝑝 : ứng suất tiếp cho phép đối với vật liệu
CM: hiệu chỉnh rò rỉ
Trục chế tạo bằng thép CT45 Giới hạn bền 𝜎 𝑏 = 610 ∗ 10 6 𝑁
𝑚 2 , hệ số an toàn n=2,6 Ứng suất cho phép: [𝜎] = 𝜎 𝑏
𝑛 = 234,6 ∗ 10 6 𝑁/𝑚 2 Ứng suất tiếp cho phép:[𝜏] = 0,6 ∗ [𝜎] Ứng suất cho phép đối với các trục của cơ cấu khuấy:
3 = 0,025𝑚 = 2,53𝑐𝑚 Để đảm bảo độ bền cần lấy tích của dB với hệ số 1,25
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 42 Đường kính đoạn trục nằm cao hơn tuabin nhỏ phía dưới
Bề dày miếng đệm vòng chắn dầu (m) với:
Công suất để thắng ma sát trong vòng chắn dầu trục:
P: áp suất khí làm việc trên mức lỏng ( 𝑃 = 1 10 5 𝑁/𝑚 2 )
𝜂 = 1741552 ,13 𝑊 ≈ 1,7 𝑀𝑊 Với 𝜂: là hiệu suất truyền động (70%)
Thể tích hỗn hợp lỏng nhập liệu
Thời gian bơm nhập liệu : = 30 phút = 0,5h
Suất lượng thể tích của dòng nhập liệu đi trong ống
4.4 Tính toán chi ều cao bồn cao vị
Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu d= 150(mm),độ nhám ống = 0,1 (mm), chiều dài ống 15 (m)
Dòng nhập liệu có = 1068,27 kg/m 3
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 43 à = 1,25.10 -3 N/m.s
Chọn bơm có năng suất là Qb = 36m 3 /h
Vận tốc dòng nhập liệu trong ống
Chuẩn số Reynolds của dòng nhập liệu
1,252.10 −3 = 72441 Theo “ sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - tập 1, ta có:
Chuẩn số Reynolds tới hạn : Regh = 6 ( 𝑑 ℎ
Chuẩn số Reynolds khi bắt đàu xuất hiện vùng nhám
Suy ra : Regh < Re < Ren
Khu vực chảy quá độ
Hệ số tổn thất của dòng nhập liệu qua:
lần đột mở : 𝑚1 = 2 1= 2 Suy ra: ∑ ℎ = 𝑣 + 𝑢 + 𝑡1 + 𝑚1 = 40,7
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 44
Vậy tổn thất trong ống dẫn liệu: h = (0,022 20
mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị
mặt cắt (2-2) là mặt cắt tại vị trí nhập liệu của tháp
Áp dụng phương trình Bernolli cho (1-1) và (2-2) z1 + 𝑃 1
z1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem như chiều cao bồn cao vị Hcv = z1
z2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem như chiều cao từ vị trí nhập liệu tới mặt đất : z2 = hchân đỡ + hbình = 0,5 + 7,23 = 7,73 (m)
p1 : áp suất tại mặt thoáng (1-1) , chọn p1 = 1at
p2 : áp suất tại mặt thoáng (2-2) chọn p2 = 1at
v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1) , xem như v1 = 0 (m/s)
v2 : vận tốc tại vị trí nhập liệu , v2 = vF = 0,566 (m/s)
∑ ℎ 𝑓1−2 tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2)
Vậy chiều cao bồn cao vị Hcv = z 2 + 𝑝 2 −𝑝 1
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 45
Chọn bơm nhập liệu có năng suất 3,6m 3 /h Đường kính ống hút và đẩy bằng nhau bằng d = 150(mm)
Nhiệt độ trung bình nhập liệu là 30 0 C và = 1068,27 kg/m 3 à = 1,25.10 -3 N/m.s Vận tốc dòng nhập liệu trong ống hút đẩy
- 𝑙 ℎ : chiều dài ống hút chọn lh = 1,5 (m)
- 𝑙 𝑑 : chiều dài ống đẩy chọn ld = 11,5 (m)
- ∑ ℎ : tổng tổn thất cục bộ trong ống hút
𝑑 : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy
- : hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy
Chuẩn số Reynolds của dòng tháo liệu
1,25 10 −3 = 72538,56 Theo “ sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - tập 1
Chuẩn số Reynolds tới hạn : Regh = 6 ( 𝑑 ℎ
7 = 25584,08 Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám
8 = 823237,88 Suy ra : Regh < Re < Ren
Khu vực chảy quá độ
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 46
Hệ số tổn thất cục bộ ống hút qua
- 1 lần vào miệng thu nhỏ t = 0,5 suy ra : ∑ ℎ = vh + t = 10,5
Hệ số tổn thất cục bộ trong ống đẩy qua
Vậy tổn thất trong ống hút và ống đẩy: hhd = (0,022 1,5+11,5
Mặt cắt (1-1) đại diện cho mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu, trong khi mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị Áp dụng phương trình Bernoulli cho hai mặt cắt này, ta có z1 + P1.
z1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất
z2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất.
p1: áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn p1= 1at
p2: áp suất tai mặt thoáng (2-2), chọn p2t
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 47
v1, v2: vận tốc tại mặt thoáng (1-1) đến (2-2), xem v1= v2=0 (m/s)
∑ ℎ 𝑓1−2 : tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2)
Suy ra : Hb = ( z2- z1) + hhd = Hcv + hhd = 10,42m
Chọn hiệu suất của bơm là 80%
Công suất thực tế của bơm Nb = 𝑄 𝑏 𝐻 𝑏 𝜌 𝐹 𝑔
Lưu lượng dòng nhập liệu là 36 m 3 /h
Chọn bơm có công suất là 36 m 3 /h đường kính ống hút đẩy bằng nhau bằng 150(mm)
Dòng tháo liệu có nhiệt độ trung bình là 30 o C
Các tính chất của dịch sản phẩm:
Độ nhớt động lực à = 1,772.10 -3 (N/m 2 s) Vận tốc dòng tháo liệu
3600.𝜋.0,15 2 = 0,566 (m/s) Tổng trở lực trong ống hút đẩy
- 𝑙 ℎ : chiều dài ống hút chọn lh = 1,5 (m)
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 48
- 𝑙 𝑑 : chiều dài ống đẩy chọn ld = 11,5 (m)
ℎ: tổng tổn thất cục bộ trong ống hút
𝑑 : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy
- : hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy
Chuẩn số Reynolds của dòng tháo liệu
1,772 10 −3 = 46196,72 Theo “ sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - tập 1
Chuẩn số Reynolds tới hạn : Regh = 6 ( 𝑑 ℎ
7 = 25584 Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám
Suy ra : Regh < Re < Ren
Khu vực chảy quá độ
Hệ số tổn thất cục bộ ống hút qua
1 lần vào miệng thu nhỏ t = 0,5
1 lần uốn góc : u = 1,1 suy ra : ∑
Hệ số tổn thất cục bộ trong ống đẩy qua
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 49
Vậy tổn thất trong ống hút và ống đẩy: hhd = (0,024 1,5+11,5
2 9,81 = 0,439 Chọn: Mặt cắt (1-1) là đáy chất lỏng trong bồn lên men
Mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa sản phẩm Áp dụng phương trình Bernolli cho (1-1) và (2-2): z1 + 𝑃 1
z1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất
z 2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất.
p1: áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn p1= 1,4 10 6 𝑁/𝑚 2
p2: áp suất tai mặt thoáng (2-2), chọn p2t = 101325 N/m 2
v1, v2: vận tốc tại mặt thoáng (1-1) đến (2-2), xem v1= v2=0 (m/s)
∑ ℎ 𝑓1−2 : tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2)
Do áp suất trong bồn lên men lớn hơn rất nhiều so với áp suất ở bồn chứa sản phẩm nên ta không cần dùng đến bơm.
