VI SINH VẬT VÀ VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG (ETHANOL VA BIOGAS)

Nhóm 6 Phạm Võ Gia Hân Mai Quốc Huy Nguyễn Quỳnh Như Nguyễn Anh Tú Nguyễn Thiên Vũ Bùi Thị Trúc Ly Dương Mạnh Phi Võ Lê Minh Thy Lê Bảo Thương Đề tài: VI SINH VẬT VÀ VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG (ETHANOL, BIOGAS) A. ETHANOL I. Khái niệm ethanol Ethanol được gọi là rượu etylic, rượu nguyên chất, rượu ngũ cốc, hay rượu uống, là một chất lỏng không màu, dễ bay hơi, dễ cháy. Là một rượu mạch thẳng, CTPT: C 2 H 5 OH. Nó được biết đến nhiều nhất là loại đồ uống có cồn, ngoài ra còn được dùng làm dung môi, nhiên liệu từ cồn => Xăng sinh học II. Sơ lược về nguồn nguyên liệu Về phương diện kĩ thuật chia làm 3 loại nguyên liệu: + Công nghệ xăng sinh học thế hệ 1: chế biến từ đường (mía, củ cải đường, sorgho – đường), và tinh bột của nông 1 phẩm (từ hạt của bắp, lúa mì, lúa, v.v… hay từ củ như khoai tây, khoai mì, v.v…) để tạo ethanol; hay từ dầu (của hạt dừa – dầu, đậu nành, đậu phộng, v.v…để chế biến diesel- sinh học. Kỹ thuật đơn giản và kinh tế nhất. + Công nghệ xăng sinh học thế hệ 2: từ cellulose, chất xơ của dư thừa thực vật (rơm, rạ, thân bắp, mạt cưa, gỗ, bã mía v.v…); hay thực vật hoang (cỏ voi, vetiver, lục bình). Chẳng hạn 1ha mía cho khoảng 25 tấn bã mía (bagasse, xác mía sau khi ép), và mỗi tấn bã mía cho 285 lít ethanol. Kỹ thuật này hiện nay chưa hoàn hảo, hiệu năng còn kém, con men chưa hữu hiệu và đắt, chỉ một phần cellulose và lignin biến thành ethanol nên giá thành sản xuất còn cao + Công nghệ xăng sinh học thế hệ 3: từ tảo (algae), kỹ thuật đang phát triển. III. Quá trình tạo thành ethanol 1. Cơ sở lý thuyết Quá trình lên men cồn thực chất là quá trình thủy phân đường glucose trong điều kiện yếm khí. Glucose 2(3-photpho glyceraldehyde) pyruvate acetaldehyte khử cồn ethanol. 2. Lên men trực tiếp từ đường 2.1. Lên men nhờ nấm men Nấm men là tác nhân cơ bản gây ra quá trình lên men ethanol. Thường sử dụng nấm men thuộc họ Saccharomycetaceac, loài S.cerevisiae 2 Sơ lược về S.cerevisiae Hình dạng: tế bào hình bầu dục nếu ở môi trường giàu chất dinh dưỡng. Trong điều kiện yếm khí, tế bào có hình tròn; ngược lại, trong điều kiện hiếu khí tế bào kéo dài hơn. - Kích thước thay đổi trong khoảng 2,5 - 10 µm × 4,5 -21µm - Saccharomyces cerevisiae thuộc loại nấm men lên men nổi. Trong quá trình lên men, tế bào của chúng nổi lơ lửng trong dung dịch lên men và tập trung trên bề mặt. Nhờ đó tăng diện tích tiếp xúc với cơ chất, quá trình lên men xảy ra nhanh chóng và mạnh mẽ. - Có khả năng lên men ở nhiệt độ cao ( 36 – 40 0 C), chịu được độ acid. - Sinh sản theo kiểu nảy chồi, có khả năng sinh bào tử, sống kị khí không bắt buộc 3 Cơ chế lên men 3. 4 Phương trình tổng quát của lên men rượu: C 6 H 12 O 6 2CO 2 + 2CH 3 CH 2 OH Trong quá trình lên men, ngoài sản phẩm chính là rượu và CO 2 , còn tạo ra nhiều chất khác. Bằng phân tích sắc ký người ta phát hiện trên 50 chất khác nhau, nhưng có thể xếp thành 4 nhóm chính: acid, este, aldehyl, và rượu bậc cao hay rượu có số carbon lớn hơn hai. Điều kiện lên men: - Cơ chất (nguồn C): tinh bột, rỉ đường - Nồng độ đường: 10 – 16% - pH: 4 – 5 - Nhiệt độ: 28 – 30 0 C - Nhu cầu về oxy: Giai đoạn đầu của lên men cần cung cấp một lượng nhỏ O 2 vì đây là thành phần cần thiết trong sự sinh tổng hợp các chất béo chưa bão hòa và lipid. Áp suất của O 2 vào khoảng 0,05 – 0,10 mmHg. Đến giai đoạn sau không cung cấp oxy nữa. Quy trình sản xuất cồn từ tinh bột 5 2.2. Lên men etilic nhờ vi khuẩn Trong số những vi sinh vật có khả năng sản xuất ra ethanol, ngoài nấm men Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis là sinh vật có triển vọng nhất. Nó chuyển hoá phần lớn glucose thành CO 2 và ethanol, phát triển nhanh hơn nấm men và thể hiện khả năng sản sinh ethanol rất cao trong suốt quá trình lên men Zymomonas mobilis là vi khuẩn thuộc giống Zymomonas nó có khả năng sản xuất ethanol vượt trội hơn cả nấm men về một số mặt. Nó được phân lập lần đầu tiên từ đồ uống có chứa cồn, như rượu cọ (palm wine) của châu Phi hay một loại rượu của Mehico : rượu thùa (pulque), ngoài ra còn từ chất lấy từ rượu táo hay bia của người châu Âu. Đặc điểm: Zymomonas là vi khuẩn Gram (-),kỵ khí, hình que. 6 Dài từ 2 -6 µm và rộng từ 1- 1.5µm, xuất hiện từng cái một nhưng hầu hết ở dạng cặp. Kích thước chiều rộng lớn của Zymomonas được thể hiện rõ qua kính hiển vi, hầu hết những vi khuẩn khác chiều rộng chỉ khoảng 0.5-0.75µm. Tế bào không có dạng bào tử, không có màng nhày vỏ bọc bên ngoài, không có lipid nội bào,không có glycogen Con đường lên men: Zymomonas mobilis chuyển hoá đường thành pyruvat qua con đường ED (Entner-Doudorolff). Pyruvat sau đó lên men tạo ra ethanol và CO 2 là sản phẩm duy nhất ( tương tự nấm men ) 7 Con đường ED Sự thuận lợi của Z. mobilis so với S. cerevisiae về mặt sản xuất bioethanol là: -Đường hấp thu và sản lượng ethanol là cao hơn -Khí tạo thành ít hơn -Khả năng chịu ethanol cao hơn -Không phụ thuộc vào sự điều chỉnh lượng oxi - thêm vào trong suốt quá trình lên men. -Tuân theo sự vận động gen. 3. Lên men gián tiếp từ cellulose Trải qua 3 giai đoạn: - Thủy phân bằng acid - Thủy phân bằng enzyme 8 - Lên men 3.1. Thủy phân bằng acid Chia làm 2 bước: Trong ngành công nghiệp sản xuất ethanol, người ta ưu tiên sử dụng công nghệ thủy phân bằng acid vì giá thành của enzyme cellulase quá cao. Theo nguyên tắc bất cứ acid nào cũng có thể sử dụng trong thủy phân, nhưng trên thực tế, acid sunfuric vẫn được sử dụng phổ biến nhất vì giá thành rẻ và hiệu quả tương đối cao. Acid sunfuric có thể là acid đặc hoặc loãng 3.2. Thủy phân bằng enzyme Nguồn enzyme được sử dụng phổ biến hiện nay là Aspergillus niger và Trichoderma reesie 9 Trichoderma reesie Aspergillus niger Hiện nay cơ chế thủy phân của hệ enzyme cellulase được chấp nhận diễn ra theo các bước sau: - Endoglucanase thủy phân liên kết β-1,4-glycosidic trong vùng vô định hình tạo ra nhiều đầu không khử - Sau đó exglucanase cắt các đơn vị cellobiose từ đầu không khử - β-glucosidase tiếp tục thủy phân tạo ra cellobiose tạo ra glucose 10 [...]... được sử dụng phổ biến như S.cerevisiae, ngoài ra còn có S uvarum, S.oviformis, Pichia stipitis Vi khuẩn Zymomonas mobilis cũng thường được sử dụng trong quá trình trong quá trình rượu hóa 11 S uvarum Pichia stipitis 4 Ứng dụng từ vi c tạo ethanol Xăng sinh học là hỗn hợp của xăng truyền thống và cồn sinh học (bio-ethanol), trong đó 95% là xăng A92 không chì và 5% cồn sinh học, được sử dụng làm nhiên... Loại hấm sinh khí kiểu vòm cố định • Loại hầm sinh khí có nắp đậy di động (như phao nối ) 22 • Loại hầm sinh khí kiểu túi VI Ứng dụng công nghệ biogas Điện: Từ 1m3 biogas có thể tạo ra 2kw điện năng Nhiên liệu biogas có thể chạy các động cơ nhỏ như máy phát điện, bộ chuyển đổi năng lượng, … Hơi nóng : Hơi nóng biogas được sản xuất sau quá trình làm lạnh, dùng để cung cấp khí khi đun nóng Phân bón sinh học... liệu dùng để lên men tạo khí sinh học rất phong phú, đa dạng Trước khi sử dụng cần phải chọn lọc kỹ và xử lý sao cho phù hợp với yêu cầu và chất lượng sau : - Giàu cellulose - Ít Lignin + - NH4 ban đầu khoảng 2000mg/l - Tỷ lệ carbon / nitơ : 20/30 - Nguyên liệu phải được hoà tan trong nước Ảnh hưởng của các loại phân đến sản lượng và thành phần của khí thu được Nguyên liệu Sản lượng khí m3/kg phân khô... vực phía Bắc” BIOGAS I Khái niệm biogas - Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ II Sơ lược về nguồn nguyên liệu và xử lí nguyên liệu 1 Nguồn nguyên liệu - Chất thải hữu cơ dễ phân hủy như: phân heo, phân trâu bò, các loại thực vật như bèo, rơm rạ, rau củ phế thải sinh hoạt… - Phân gia súc là nguồn nguyên liệu chủ yếu hiện... không cẩn thận +Một lượng CO2 thải ra, nếu không xử lí kịp thời sẽ làm tăng hiệu ứng nhà kính +Thiết bị bị ăn mòn do H2S sinh ra VIII Hiện trạng sử dụng biogas ở nước ta - Số lượng hầm biogas đã lắp đặt còn rất hạn chế do chưa có công nghệ nào hoàn chỉnh về mặt kĩ thuật, vi c xây dựng, lắp đặt và sử dụng chưa thuận lợi, chi phí đầu tư xây dựng hầm còn cao so với thu nhập của nông dân, vi c thay thế, sửa... Biogas Dựa vào các vi khuẩn lên men yếm khí phân huỷ kỵ khí các chất hữu cơ sinh ra một hỗn hợp khí có thể cháy được: H2, H2S, NH3, CH4, C2H2,… trong đó CH4 là sản phẩm khí chủ yếu (nên còn gọi là quá trình lên men tạo Metan) 2 Quá trình lên men metan Quá trình lên men metan chia làm 3 giai đoạn : 15 Giai đoạn I Giai đoạn II : hình thành acid (pha acid) Nhờ vào vi khuẩn Acetogenic bacteria (vi khuẩn... quá trình làm lạnh, dùng để cung cấp khí khi đun nóng Phân bón sinh học : Phân sinh học trở thành phân bón sạch gia tăng sản lượng lên đến 40 – 50% VII Ưu, nhược điểm của biogas Ưu điểm: +Nguyên liệu phong phú, dồi dào +Khí không khói, có tác dụng đun nấu, thắp sáng và có thể dùng nguồn khí này cho máy phát điện +Lượng gas sinh ra từ hệ thống này đạt được trung bình khoảng 880 lít/ngày cho mỗi hầm chứa... Điều kiện kị khí: Không có O2 trong dịch lên men Nhiệt độ: quy mô nhỏ, thực hiện ở 30- 35oC, quy mô lớn có cơ khí hóa và tự động hóa, thực hiện ở 5055oC Độ pH: 6,5- 7,5 Các ion có nồng độ cao: Ca2+, K+, Zn2+ có ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn sinh methane Khuấy đều môi trường lên men: tăng cường sự tiếp xúc cơ chất Thời gian: 1-2 tháng Các kiểu hầm biogas Có 2 loại hầm biogas chính... nhược điểm của công nghệ lên men ethanol • Ưu điểm: - Giảm lượng khí thải CO2 => giảm lượng khí thải gây ra hiệu ứng nhà kính - Hàm lượng các hợp chất khác trong khói thải như: CO, SO2 , hidrocacbon chưa cháy giảm => không ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người - Không chứa hidrocacbon thơm => không gây ung thư - Giảm ô nhiễm môi trường đất và nước - Có chỉ số octan cao - Có tính bôi trơn tốt -... - Giảm ô nhiễm môi trường đất và nước - Có chỉ số octan cao - Có tính bôi trơn tốt - Thúc đẩy nền nông nghiệp phát triển - Đa dạng hóa nền nông nghiệp 12 Nhược điểm: Giữ tính ổn định của các chủng vi sinh vật trong sản xuất công nghiệp Giá thành cao do chi phí sản xuất enzyme cellulase còn cao Hiệu suất thấp - Với sự phát triển của khoa học hiện đại thì những nhược điểm trên có thể khắc phục được • . +1% lá tạp (1,7N) 0, 06 3 0,07 1 0, 06 1 0,08 4 0,08 1 0,08 1 0,2 1 0,2 1 0,1 9 0,2 1 0,2 6 0,2 2 60 , 0 57, 6 60, 4 52, 8 68 , 0 68 , 0 1, 1 2, 1 2, 9 34, 4 38, 4 34, 4 44, 0 30, 6 III. Công nghệ. (%) Thời gian lên men (ngày) Phân bò Phân gia cầm Phân gà Phân heo Phân người 1,11 0, 56 0,31 1,02 0,38 57 69 60 68 10 9 30 20 21 Pha chế nguyên liệu và hỗn hợp khí sau khi lên men ở 21 0 C Nguyê n. xếp thành 4 nhóm chính: acid, este, aldehyl, và rượu bậc cao hay rượu có số carbon lớn hơn hai. Điều kiện lên men: - Cơ chất (nguồn C): tinh bột, rỉ đường - Nồng độ đường: 10 – 16% - pH: 4 –