Seminar môn công nghệ lên men công nghệ sản xuất bioethanol

OVERVIEW

Tổng quan

1.1.1 Lịch sử sản xuất Bioethanol:

- Nguyên mẫu đầu tiên của động cơ đốt trong được đưa ra bởi Samuel Morey tại Mỹ năm 1826 Điều này được xem là sự bắt đầu của động cơ gasoline nhưng thực tế ông sử dụng ethanol để cấp nguồn năng lượng cho động cơ Năm 1908, Henry Ford xây dựng mô hình nổi tiếng về xe ô tô (Ford Model T) chạy bằng ethanol Cuối cùng, công nghiệp dầu mỏ “chiến thắng" trong sự cạnh tranh với ethanol Sự thúc đẩy

“thương mại hóa” bioethanol trong giao thông vận tải phát triển trong suốt thập niên

1970 Cuộc khủng hoảng dấu mỏ vào năm 1973 và cuộc cách mạng của người Iran vào năm 1978 làm cho giá của dấu gia tăng một cách nhanh chóng, ảnh hưởng lớn đến vấn đề an ninh năng lượng gia Bioethanol nhiên liệu trở nên có giá trị.

- Trong những thập niên gần đây có rất nhiều nghiên cứu về quá trình sản xuất bioethanol từ biomass ở nhiều nơi trên thế giới và đã thu được những thành công nhất định, tạo cơ sở khoa học cần thiết cho sự phát triển của công nghệ sản xuất bioethanol Tại Rio de Janeriro (Brazil), Elba P.S Bon và Maria Antonieta Ferrara đã tiến hành nghiên cứu quá trình sản xuất bioethanol từ biomass bằng thủy phân bởi enzyme.

- Tại Malaysia, A.B.M.S Hossain, A.A Saleh, S Aishah, A.N Boyce, P.P

Chowdhury và M Naquiddin cũng đã tiến hành nghiên cứu sản xuất bioethanol từ các loại phế phẩm nông nghiệp của tảo, cây ăn quả, cá, gà Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình hiệu quả hơn khi dùng phụ phẩm của cây dứa so với phụ phẩm của tảo và cá.

- Bioethanol là nhiên liệu sinh học dạng lỏng được sản xuất thông qua quá trình lên men ABE của một số loại nguyên liệu khác nhau như ngô, đậu nành, rơm lúa mì, dăm gỗ và gần đây là vi tảo Bioethanol là một loại nhiên liệu sinh học tái tạo cũng được cung cấp oxy (35% oxy), do đó mang lại khả năng giảm lượng khí thải ô tô

- Một số vi sinh vật sản xuất ethanol đã được đánh giá ở quy mô phòng thí nghiệm, bao gồm vi khuẩn Gram dương và Gram âm, sinh vật nhân chuẩn như nấm men và nấm sợi, nhưng cho đến nay rất ít được sử dụng ở quy mô công nghiệp.

 Các nguồn nguyên liệu sản xuất Bio-ethanol chủ yếu từ:

- Các loại nguyên liệu chứa đường: mía, củ cải đường, thốt nốt …

- Các nguyên liệu chứa tinh bột : sắn, ngô, gạo, lúa mạch, lúa mì… o Tinh bột: Là thành phần chính tìm thấy trong bắp, chiếm 28-80% trọng lượng khô. o Đường: Ngô cũng chứa một lượng đường nhỏ(1-3%) o Ngô đường chứa tinh bột đặc biệt thấp (28%) có hàm lượng đường cao (18%), hầu hết trong số đó là sucrose. o Chất xơ: Hàm lượng chất xơ của các loại ngô khác nhau, nhưng nhìn chung chất xơ chiếm khoảng 9-15% Chất xơ chủ yêu trong ngô là chất xơ không hòa tan, như hemicellulose, cellulose và lignin. o Protein: Ngô (bắp) là một nguồn phong phú của protein Tùy thuộc vào giống ngô (bắp), nhưng hầu hết các hàm lượng protein trong ngô (bắp) khoảng 10-15% Các protein có nhiều nhất trong ngô (bắp) được biết đến như zeins, chiếm 44-79% tổng lượng protein Nhìn chung, chất lượng protein của zeins là nghèo vì nó thiếu một số axit amin thiết yếu, chủ yếu là lysine và tryptophan. o Dầu ngô: Hàm lượng chất béo trong ngô rất ít Tuy nhiên, ngô non một nguyên liệu dồi dào, rất giàu chất béo và được sử dụng để làm cho dầu ngô (bắp), thường được sử dụng để nấu ăn Dầu ngô cũng chứa một lượng đáng kể vitamin E, ubiquinone (Q10) và phytosterol, hiệu quả cho việc giảm mức cholesterol. o Vitamin và khoáng chất: Mangan, Photpho, Magie, Kẽm, Đồng Axit pantothenic, Folate, Vitamin B6, Niacin, Kali o Các hợp chất thực vật khác: Axit ferulic, Anthocyanins, Zeaxanthin, Lutein, Axit phytic o Mật gỉ

- Mật rỉ đường hay còn được gọi là mật rỉ, rỉ mật, rỉ đường,…tên trong tiếng anh là Molasses Đây là phụ phẩm có dạng chất lỏng đặc sánh còn lại sau khi đã rút đường bằng phương pháp cô đặc và kết tinh từ mía hoặc củ cải đường

- Thành phần mật gỉ trung bình chứa nước 20%, Sucrose 35%, Glucose 7%, Fructose 9%

 Các loại nguyên liệu cellulose:

- Cellulose: Công thức phân tử (C6H10O5)n Là thành phần cấu tạo chủ yếu của màng tế bào thực vật và là hợp chất chính của nguyên liệu chứa cellulose để sản xuất Ethanol Nguyên liệu càng giàu cellulose thì sản xuất ethanol càng đạt hiệu quả cao.

- Hemicellulose: Dễ bị thủy phân hơn so với cellulose Khi thủy phân đến cùng, hemicellulose tạo ra các monosaccharide chủ yếu là hexose, pentose Trong đó hexose có khả năng lên men tạo Ethanol còn pentose không có khả năng này.

- Lignin: Trong quá trình sản xuất ethanol từ cellulose thì nó hoàn toàn không bị thủy phân để tạo các hợp chất có khả năng lên men tạo Ethanol Vì vậy lignin là thành phần không mong muốn trong quá trình sản xuất Ethanol từ cellulose Nguyên liệu càng giàu cellulose thì sản xuất Ethanol càng hiệu quả.

Hình 3 Nguyên liệu tạo Ethanol

- Tuy nhiên, tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người ta chọn loại nguyên liệu có lợi thế nhất để sản xuất Bio-ethanol nhiên liệu Ở Việt Nam các nguồn nguyên liệu có thể dùng để sản xuất Bio-ethanol là mía, sắn, gạo, ngô và rỉ đường.

 Nhiên liệu sinh học có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau:

- Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống Biodiesel được điều chế bằng được thực hiện thông qua quá trình transester hóa bằng cách cho phản ứng với các loại rượu phổ biến nhất là methanol.

- Khí sinh học (Biogas) là một loại khí hữu cơ gồm Methane và các đồng đẳng khác

Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm dầu mỏ.

- Và trong đó, Bioethanol được xếp vào xăng sinh học (Biogasoline) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng ethanol như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, xen-lu-lô, lignocellulose Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống.

1.1.4 Vi sinh vật: a Trichoderma reesei

BIOETHANOL MANUFACTURING

Sơ đồ quy trình sản xuất Bioethanol

Thuyết minh quy trình sản xuất Bioethanol

- Các phương pháp sản xuất ethanol: Ethanol có thể sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau:

 Công nghệ sản xuất ethanol tổng hợp: Sản xuất ethanol bằng nhiều phương pháp hóa học khác nhau Trong công nghệ tổng hợp hóa dầu, ethanol được sản xuất bằng dây chuyền công nghệ hydrat hóa đối với khí etylen hoặc công nghệ cacbonyl hóa với methanol.

 Hydrat hóa: CH2=CH2 + H2O → C2H5OH

 Cacbonyl: CH3OH + CO + 2H2 → C2H5OH + H2O

 Công nghệ sản xuất ethanol sinh học: Công nghệ này dựa trên quá trình lên men hydratcacbon có trong tự nhiên như: nước đường ép, ngô, sắn, mùn, gỗ …

- Trong quá trình sản xuất bioethanol có thể phân thành 2 công đoạn là công đoạn lên men nhằm sản xuất Bio-ethanol có nồng độ thấp và công đoạn chưng cất- làm khan để sản xuất ethanol có nồng độ cao để phối trộn vào xăng.

- Hiện nay sản xuất cồn chủ yếu là theo phương pháp sinh học.

- Phương pháp sinh học gồm các giai đoạn:

 Tiền xử lý và chuẩn bị sinh khối (nguyên liệu)

 Thủy phân và lên men.

- Các quy trình liên quan đến sản xuất ethanol sinh học từ các nguyên liệu khác nhau bao gồm tiền xử lý, thủy phân, lên men và thu hồi ethanol Các quy trình sẽ diễn ra như sau:

- Bước tốn kém nhất trong quá trình sản xuất ethanol

- Mục đích: giải phóng cellulose có trong khung polymers bao gồm thêm cả lignin và hemicellulose bằng cách phá vỡ cấu trúc ban đầu Với điều này, cellulose được tách khỏi và dễ tiếp cận hơn đối với quá trình thủy phân bằng enzyme, do đó giúp tăng năng suất đường lên 90% (lý thuyết) khi sử dụng nguyên liệu như cỏ, ngô và gỗ Điều này có nghĩa là cellulose dễ bị phân hủy bởi enzyme hơn khi cấu trúc tinh thể của nó bị phá vỡ Ảnh hưởng của tiền xử lý lên sinh khối lignocellulose.

Hình 4 (a) Sinh khối lignocellulose trước khi tiền xử lý và (b) Sinh khối lignocellulose sau khi tiền xử lý.

2.2.1.1Tiền xử lý truyền thống:

Tiền xử lý vật lý:

Hoạt động bằng cách giảm kích thước hạt của sinh khối thông qua quá trình nghiền cơ học hoặc tăng diện tích bề mặt thông qua quá trình tinh chế cơ học Loại tiền xử lý này thường được sử dụng để tăng năng suất thủy phân bằng enzyme.

Kỹ thuật Ưu điểm Nhược điểm

Cơ học Giảm kích thước hạt

Tăng diện tích bề mặt Giảm chất thải hóa học

Yêu cầu năng lượng cao Chi phí cao

Lò vi sóng Thời gian sử dụng ngắn

Yêu cầu năng lượng thấp Nhiệt độ đạt được cao

Quá trình xử lý gây biến chất đường

Siêu âm Thời gian sử dụng ngắn

Nhiệt độ hoạt động thấp Hiệu quả phụ thuộc và vật liệu sinh khối

Table 3 Các kỹ thuật trong phương pháp tiền xử lý vật lý

 Tiền xử lý vật lý có thể cần kết hợp với tiền xử lý hóa học để nâng cao hiệu quả phân hủy lignocellulose.

Tiền xử lý hóa học: Bao gồm các phương pháp axit, kiềm, phân tách oxy hóa và axit hữu cơ (hòa tan hữu cơ).

 Sử dụng các bazơ, chẳng hạn như natri, kali, canxi và amoni hydroxit, để tiền xử lý sinh khối lignocellulose Việc sử dụng chất kiềm gây ra sự phân hủy của este và chuỗi bên glycosid dẫn đến thay đổi cấu trúc của lignin, làm phồng cellulose, khử kết tinh một phần cellulose và hòa tan một phần hemicellulose

 Natri hydroxit đã được nghiên cứu rộng rãi trong nhiều năm và nó đã được chứng minh là có thể phá vỡ cấu trúc lignin của sinh khối, làm tăng khả năng tiếp cận của các enzym đối với cellulose và hemicellulose Một chất kiềm khác đã được sử dụng để tiền xử lý sinh khối là vôi Các nguyên liệu lignocellulose đã được chứng minh là có lợi từ phương pháp tiền xử lý này là thân cây ngô, cỏ switchgrass, bã mía, lúa mì và rơm rạ

 Loại bỏ lignin hiệu quả.

 Hình thành chất ức chế thấp.

 Chi phí xúc tác kiềm cao.

 Thay đổi cấu trúc lignin.

 Sử dụng axit đậm đặc và axit loãng để phá vỡ cấu trúc cứng của vật liệu lignocellulose.

 Axit được sử dụng phổ biến nhất là axit sunfuric loãng (H2SO4), đã được sử dụng thương mại để xử lý sơ bộ nhiều loại sinh khối, thân cây ngô, vân sam (gỗ mềm) và cây dương Axit sunfuric loãng thường được sử dụng để sản xuất furfural bằng cách thủy phân hemicellulose thành các loại đường đơn giản, chẳng hạn như xylose, tiếp tục chuyển đổi thành furfural Các axit khác cũng đã được nghiên cứu, chẳng hạn như axit clohydric (HCl), axit photphoric (H3PO4) và axit nitric (HNO3) Do khả năng loại bỏ hemicellulose, tiền xử lý bằng axit đã được sử dụng như một phần của quy trình tổng thể trong việc phân đoạn các thành phần của sinh khối lignocellulose Tiền xử lý bằng axit (loại bỏ hemicellulose) sau đó là tiền xử lý bằng kiềm (loại bỏ lignin) dẫn đến cellulose tương đối tinh khiết.

 Chi phí acid cao và nhu cầu thu hồi.

 Chi phí cao của thiết bị chống ăn mòn.

 Hình thành chất ức chế.

 Phương pháp dùng chất lỏng ion (IL):

 Xử lý sinh khối lignocellulose bằng chất lỏng ion (IL) và các dung môi khác đã trở nên quan trọng trong thập kỷ qua do khả năng điều chỉnh của hóa chất dung môi và do đó khả năng hòa tan nhiều loại sinh khối

 Chất lỏng ion là muối, thường bao gồm một anion nhỏ và một cation hữu cơ lớn, tồn tại dưới dạng chất lỏng ở nhiệt độ phòng và có áp suất hơi rất thấp Tính chất hóa học của anion và cation có thể được điều chỉnh để tạo ra nhiều loại chất lỏng có thể hòa tan một số loại sinh khối ngô, bông, bã mía, cỏ switchgrass, rơm lúa mì và các loại gỗ có độ cứng khác nhau (thông, dương, bạch đàn và sồi).

 Thủy phân lignin và hemicellulose.

 Khả năng hòa tan cao của các loại sinh khối khác nhau.

 Điều kiện xử lý nhẹ (nhiệt độ thấp).

 Chi phí dung môi cao.

 Nhu cầu thu hồi và tái chế dung môi.

Tiền xử lý hóa lý:

 Phương pháp nổ hơi nước:

 Được sử dụng phổ biến nhất, vì nó sử dụng cả kỹ thuật hóa học và vật lý để phá vỡ cấu trúc của vật liệu lignocellulose.

 Nhiệt độ dao động từ 190°C đến 270°C đã được sử dụng với thời gian lưu trú lần lượt là 10 phút và 1 phút. o Bước đầu tiên liên quan đến nhiệt độ 180°C để hòa tan và loại bỏ phần hemicellulose o Giai đoạn thứ hai sử dụng phương pháp tiền xử lý có áp suất ở nhiệt độ cao với nhiệt độ lên tới 210°C, không vượt quá 240°C, trong đó phần cellulose có thể bị phá vỡ liên kết carbohydrate.

 Chuyển hóa lignin và hòa tan hemicellulose.

 Sản lượng glucose và hemicellulose cao.

 Phân hủy một phần hemicellulose.

 Chất xúc tác acid cần thiết kế làm cho quá trình hiệu quả với nguyên liệu có hàm lượng lignin cao.

 Tạo hợp chất độc hại.

 Phương pháp Liquid Hot Water (LHW)

 Giống như quy trình nổ hơi nước, tiền xử lý nước nóng lỏng (LHW) sử dụng nước ở nhiệt độ cao và áp suất cao để duy trì dạng lỏng nhằm thúc đẩy quá trình phân hủy và tách nền lignocellulose.

 Nhiệt độ có thể dao động từ 160°C đến 240°C và trong khoảng thời gian dài từ vài phút đến một giờ với nhiệt độ chi phối các loại hình thành đường và thời gian chi phối lượng đường hình thành.

 Tách hemicellulose gần như tinh khiết khỏi các phần còn lại của nguyên liệu.

 Không cần chất xúc tác.

 Đầu vào năng lượng/ nước cao.

 Khối lượng rắn còn sót lại cần được xử lý (cellulose/lignin).

 Phương pháp Ammonia Fiber Explosion (AFEX)

 Quy trình nổ sợi/đóng băng amoniac (AFEX) là một quy trình hóa lý khác, giống như tiền xử lý bằng nổ hơi nước, trong đó vật liệu sinh khối được xử lý bằng amoniac lỏng khan dưới áp suất cao và nhiệt độ vừa phải, sau đó nhanh chóng giảm áp suất.

 Nhiệt độ vừa phải (60°C đến 100°C) thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ của quá trình nổ hơi nước, nghĩa là năng lượng đầu vào và chi phí tổng thể liên quan đến quá trình này ít hơn.

 Hiệu quả cao đối với nguyên liệu thân thảo và sinh khối có hàm lượng lignin thấp.

 Cellulose trở nên dễ tiếp cận hơn.

 Gây mất hoạt tính giữa lignin và enzyme.

 Sự hình thành chất ức chế thấp.

 Quy trình kém hiệu quả hơn với hàm lượng lignin ngày càng tăng.

 Làm thay đổi cấu trúc lignin.

 Phương pháp Ammonia Recycle Percolation (ARP):

PRODUCT

Trong công nghiệp

 Ethanol được dùng làm nguyên liệu: Ethanol để sản xuất các hợp chất hữu cơ khác như đietyl ete, axit axetic, …

 Phần lớn lượng etanol được dùng làm dung môi: trong ngành công nghiệp dược phẩm, nước hoa, in ấn, sơn, điện tử, dệt may, để pha chế vecni, …

 Ethanol còn được dùng làm nhiên liệu: dùng cho đèn cồn trong phòng thí nghiệm, dùng thay xăng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.

 Trong công nghiệp mỹ phẩm: ethanol là một dung môi hoàn hảo giúp hòa tan các chất và ngăn ngừa sự kết tinh của thành phần trong mỹ phẩm.

Trong ngành thực phẩm, đồ uống

Ethanol là cồn, thành phần chính dùng làm đồ uống có cồn Lúc này, ethanol chuyển hóa như một năng lượng cung cấp chất dinh dưỡng, tốt cho hệ tiêu hóa nếu uống với lượng vừa phải Nhưng nếu uống quá nhiều rượu sẽ gây hại cho sức khỏe Đặc biệt khi nồng độ cồn trong máu vượt quá 0,5% sẽ gây hôn mê sâu hoặc tử vong cho người sử dụng.

- Cồn ethanol được sử dụng rộng rãi trong y tế có tác dụng chống vi khuẩn, vi sinh vật.

- Dùng để sản xuất thuốc ngủ vì có thể gây mê, gây buồn ngủ.

- Với dung dịch chứa 70-90% ethanol có thể tiệt trùng các thiết bị, dụng cụ, vết thương,

… vì nó có khả năng sát khuẩn cao Dung dịch chứa 70-90% ethanol có hiệu quả khi chống lại phần lớn các loại vi khuẩn và nấm cũng như nhiều loại virus, … Khi sát khuẩn vết thương, tùy theo yêu cầu và chỉ dẫn của bác sĩ mà ta sẽ cần dùng dung dịch cồn có nồng độ khác nhau (như cồn ethanol 90 độ, 75 độ, 25 độ…)

Tiêu chuẩn sản phẩm trong công nghiệp

3.2.1 TCVN 9637-1 (ISO 1388-1), Quy định chung

3.2.2 TCVN 9637-2 (ISO 1388-2), Phát hiện tính kiềm hoặc xác định độ acid bằng phenolphtalein a Phạm vi áp dụng

- Tiêu chuẩn này quy định phương pháp phát hiện tính kiềm, nếu thích hợp sẽ xác định tiếp độ acid của ethanol sử dụng trong công nghiệp.

- Phương pháp này được áp dụng cho các sản phẩm có tính acid, được tính theo acid acetic (CH3COOH), lớn hơn hoặc bằng 0,0008 % (theo khối lượng).

- Tiêu chuẩn này được áp dụng cùng với TCVN 9637-1 (ISO 1388-1). b Nguyên tắc

- Pha loãng phần mẫu thử với nước không có carbon dioxide.

- Kiểm tra xem dung dịch thử có tính kiềm hay tính acid không bằng phenolphtalein, nếu có tính acid, xác định nồng đồ acid bằng dung dịch chuẩn độ tiêu chuẩn natri hydroxide. c Thuốc thử

- Trong quá trình phân tích, chỉ sử dụng thuốc có cấp tinh khiết phân tích và nước cất hoặc nước với độ tinh khiết tương đương, không có carbon dioxide, mới pha chế.

 Nước, không có carbon dioxide

 Đun sôi nước cất và để nguội trong bình thót cổ có nút mang ống chắn soda-vôi.

 Natri hydroxide, dung dịch chuẩn độ tiêu chuẩn, c(NaOH) = 0,1 mol/l.

 Phenolphthalein, dung dịch 5 g/l trong ethanol

 Hòa tan 0,5 g phenolphtalein trong 100 ml ethanol 95 % (theo thể tích) và thêm dung dịch natri hydroxide (3.2) cho đến khi xuất hiện màu hồng nhạt là được. d Thiết bị, dụng cụ

- Thiết bị, dụng cụ thông thường trong phòng thử nghiệm và

- Bằng thủy tinh borosilicat, dung tích 500 ml, có nút thủy tinh nhám có ống bẫy chứa soda-vôi.

- Dung tích 10 ml, chính xác đến 0,02 ml. e Cách tiến hành

- Lấy 100 ml ± 0,1 ml mẫu thử nghiệm.

- Đổ 100 ml nước vào bình tam giác (3.3.1), thêm 0,5 ml dung dịch phenolphthalein và nếu cần, khôi phục lại màu hồng nhạt bằng cách cho thêm vài giọt dung dịch natri hydroxide Thêm phần mẫu thử (3.4.1) và 0,5 ml dung dịch phenolphthalein, chú ý xem tính kiềm của dung dịch; nếu có tính acid, chuẩn độ dung dịch thử với dung dịch natri hydro hydroxide, đậy nút bình và lắc sau mỗi lần thêm, cho đến khi màu hồng xuất hiện khoảng 15 s.

- Lắc bình có đậy nút, sau mỗi lần thêm dung dịch natri hydroxide. f Biểu thị kết quả

Sản phẩm có tính kiềm

- Cho biết sản phẩm có tính kiềm với phenolphthalein hay không.

Sản phẩm có tính acid

- Nồng độ acid, tính bằng phần trăm theo khối lượng của acid acetic (CH3COOH), được tính theo công thức:

 V là thể tích dung dịch natri hydroxide (3.2) được sử dụng trong phép xác định, tính bằng mililit;

 r là khối lượng riêng của mẫu ở 20 o C [xem TCVN 9637-1 (ISO 1388-1), Điều 4] tính bằng gam trên mililit;

 0,006 là khối lượng của acid acetic tương ứng với 1 ml của dung dịch natri hydroxide, c(NaOH) = 0,100 mol/l, tính bằng gam;

 CHÚ THÍCH: Nếu sử dụng dung dịch chuẩn độ tiêu chuẩn không biết chính xác nồng độ theo quy định trong danh mục các thuốc thử, thì phải hiệu chỉnh thích hợp.

3.2.3 TCVN 9637-3 (ISO 1388-3), Xác định các hợp chất carbonyl có hàm lượng nhỏ - Phương pháp đo quang a.Phạm vi áp dụng

- Tiêu chuẩn này quy định phương pháp đo quang để xác định các hợp chất carbonyl có hàm lượng nhỏ trong ethanol sử dụng trong công nghiệp.

- Phương pháp này được áp dụng cho các sản phẩm có chứa hàm lượng hợp chất carbonyl trong khoảng 0,000 25% đến 0,01% (theo khối lượng), tính theo acetaldehyd.

- CHÚ THÍCH: Phương pháp này được sử dụng trong thương mại, chỉ cho phép xác định những hợp chất carbonyl phản ứng dưới điều kiện xác định. b.Nguyên tắc

- Phản ứng trong môi trường acid của hợp chất carbonyl trong phần mẫu thử với 2,4 - dinitrophenylhydrazin 2,4-dinitrophenylhdrazon tương ứng hình thành có màu đỏ, sau khi kiềm hóa dung dịch.

- Đo quang của dung dịch màu đỏ này ở bước sóng khoảng 445 nm. c.Thuốc thử

- Trong quá trình phân tích, chỉ sử dụng thuốc thử có cấp phân tích được công nhận và nước cất hoặc nước có độ tinh khiết tương đương.

Ethanol, không chứa hợp chất carbonyl, độ tinh khiết như sau:

- Đun hồi lưu 500 ml ethanol với 5 g 2,4-dinitrophenylhydrazin và 5 giọt dung dịch acid chlohydric trong 2 h đến 3h Sử dụng cột cất Widmer, chiều dài khoảng 30 mm, đường kính khoảng 25 mm, hoặc cột phù hợp khác bất kỳ để cất ethanol từ từ Loại bỏ 50 ml sản phẩm cất đầu tiên và lấy 400 ml tiếp theo, loại bỏ phần còn lại Nếu sản phẩm chưng cất có màu thì chưng cất lại.

2,4-Dinitrophenylhydrazin, dung dịch bão hòa trong ethanol ở nhiệt độ môi trường

Acid chlohydric, khối lượng riêng xấp xỉ 1,19 g/ml, dung dịch khoảng 38% (theo khối lượng)

Kali hydroxide, dung dịch 100 g/l trong dung dịch ethanol 70% (theo thể tích)

Hợp chất carbonyl, dung dịch tiêu chuẩn tương ứng 0,440 g hợp chất carbonyl trong một lít, tính theo acetaldehyd

- Cân 1,200 g acetophenon, chính xác đến 0,0001g và hòa tan nó trong một lượng nhỏ ethanol Chuyển định lượng vào bình định mức dung tích 100 ml, dùng ethanol có cùng chất lượng pha loãng đến vạch mức và lắc đều Lấy 10,0 ml của dung dịch này chuyển vào bình định mức dung tích 100 ml, pha loãng đến vạch mức bằng ethanol và lắc đều.

- 1 ml dung dịch tiêu chuẩn này chứa 440 mg hợp chất carbonyl, tính theo acetaldehyd. d Thiết bị, dụng cụ

Thiết bị, dụng cụ thông thường trong phòng thử nghiệm

- Bồn cách thủy, có khả năng điều chỉnh nhiệt độ ở 50 0 C ± 2 0 C.

- Ống nghiệm, có nút thủy tinh nhám.

- Máy hấp thụ quang điện, được trang bị các bộ lọc giúp truyền dẫn tối đa với bước sóng khoảng 445 nm. e Cách tiến hành

- Lấy 1,0 ml mẫu phòng thử nghiệm và cho vào trong ống nghiệm.

- Tiến hành phép thử trắng tại cùng thời điểm với phép xác định, theo cùng một quy trình và sử dụng cùng khối lượng của tất cả các thuốc thử sử dụng cho phép xác định, nhưng thay thế phần mẫu thử bằng 1,0 ml ethanol.

Chuẩn bị dung dịch tiêu chuẩn pha loãng, để chuẩn bị dung dịch đo màu tiêu chuẩn.

- Lấy một loạt bảy bình định mức dung tích 25 ml, lấy các lượng dung dịch tiêu chuẩn hợp chất carbonyl (3.5) theo Bảng 1 và pha loãng đến vạch mức bằng ethanol.

Dung dịch tiêu chuẩn hợp chất carbonyl

Khối lượng của hợp chất carbonyl tương ứng, tính theo CH 3 CHO mg

Khối lượng của hợp chất carbonyl trong 1 ml dung dịch tiêu chuẩn pha loãng mg

Table 4 Thể tích dung dịch tiêu chuẩn acetaldehydChuẩn bị các dung dịch đo màu tiêu chuẩn, phép đo quang được thực hiện trong các cuvet có chiều dài quang học 1 cm.

- Lấy một loạt bảy ống nghiệm, cho vào mỗi ống 1,0 ml dung dịch tiêu chuẩn pha loãng.

- Thêm 1,0 ml dung dịch 2,4-dinitrophenylhydrazin và một giọt dung dịch acid chlohydric Đậy nút ống và gia nhiệt khoảng 30 min trong bồn cách thủy, kiểm soát nhiệt độ ở 50 0 C ± 2 0 C Để nguội, thêm 5,0 ml dung dịch kali hydroxide, lắc đều và để yên khoảng 5 min.

- Sử dụng quang phổ kế, đặt bước sóng trong khoảng 445 nm hoặc dùng máy hấp thụ quang điện có lắp kính lọc thích hợp, tiến hành ngay phép đo quang mỗi dung dịch đo màu tiêu chuẩn sau khi điều chỉnh thiết bị về hệ số hấp thụ zero theo ethanol.

- Loại bỏ dải hấp thụ của dung dịch bổ chính ra khỏi dải hấp thụ của dung dịch đo màu tiêu chuẩn Vẽ đồ thị, ví dụ như khối lượng tính bằng microgam của hợp chất carbonyl trong 1 ml mỗi dung dịch tiêu chuẩn pha loãng theo tọa độ, và các giá trị của dải hấp thụ được hiệu chỉnh tương ứng theo tung độ.

- Xử lý phần mẫu thử trong ống nghiệm, theo quy trình được quy định.

- Sau khi điều chỉnh thiết bị về hệ số hấp thụ zero theo ethanol, tiến hành ngay phép đo quang dung dịch thử và dung dịch phép thử trắng, theo quy trình được quy định.

- CHÚ THÍCH: Nếu dải hấp thụ vượt quá mức tối đa của đường chuẩn thì phải lặp lại phép xác định, lấy 1,0 ml phần mẫu thử đã được chuẩn bị bằng cách pha loãng 1,0 ml của mẫu phòng thử nghiệm với thể tích ethanol thích hợp (không vượt quá 4,0 ml).

- Sử dụng đường chuẩn, xác định khối lượng của hợp chất carbonyl tương ứng với giá trị của phép đo quang.

- Hàm lượng hợp chất carbonyl được tính bằng phần trăm khối lượng của acetaldehyd (CH3CHO) theo công thức:

 m0 là khối lượng của hợp chất carbonyl xác định được trong dung dịch trắng, tính bằng microgam;

 m1 là khối lượng của hợp chất carbonyl xác định được trong dung dịch thử, tính bằng microgam;

 r là khối lượng riêng của mẫu ở 20 0 C [ xem TCVN 9637-1 (ISO 1388-1), Điều

Tiêu chuẩn bioethanol trong sản xuất xăng E5

Hình 21 Tiêu chuẩn chất lượng cơ bản của xăng E5

Hình 22 Tiêu chuẩn chất lượng của xăng E5 (2)

NEW RESEARCH RELATED TO BIOETHANOL

Triển vọng của Brazil về cồn sinh học từ sinh khối mía

- Một dự án mang tên "Sản xuất cồn sinh học bằng cách thủy phân sinh khối mía bằng enzym" nhằm mục đích phát triển một công nghệ tích hợp để chuyển đổi sinh khối mía (bã mía và rơm) thành ethanol nhiên liệu, bao gồm cả sản xuất enzyme tại chỗ Dự án này, được bắt đầu vào năm 2006, được hỗ trợ bởi Bộ Khoa học và Khoa học Brazil.

- Bên cạnh đó, các nhà khoa học Brazil cũng sử dụng kỹ thuật tạo giống truyền thống, nghiên cứu sản xuất giống mía thích nghi với nhiều loại đất và điều kiện khí hậu khác nhau, với chu kỳ sản xuất ngắn hơn, năng suất cao hơn và có khả năng chống chọi với sự khan hiếm nước và sâu bệnh (như đã từng xảy ra trong những năm 80, gây ra hiện tượng rỉ mía) Các loại enzyme mới được nghiên cứu áp dụng để giúp đẩy nhanh quá trình chuyển hóa nhiên liệu ethanol Các chất thải của quá trình chưng cất ethanol thay vì bị đổ vào các con sông, gây ô nhiễm môi trường, cũng dần được quan tâm nghiên cứu sử dụng cho các việc hữu ích khác

Ví dụ như đốt cháy bã mía chạy turbine hơi nước để phát điện hay sử dụng vinasse (bã rượu) để làm phân bón…

Kết luận và quan điểm

Việc bổ sung 25% ethanol vào xăng đã giúp giảm nhập khẩu 550 triệu thùng dầu và cũng giảm 110 triệu tấn khí thải CO2 Ngày nay, 44% ma trận năng lượng của Brazil là năng lượng tái tạo và 13,5% có nguồn gốc từ mía.Chương trình cồn sinh học của Brazil là một ví dụ về hiệu quả sản xuất mía đường và sản xuất cồn sinh học công nghệ cao.

Các nghiên cứu khác liên quan đến bioethanol

- Phát triển cồn sinh học thế hệ thứ hai: Cồn sinh học thế hệ thứ hai, còn được gọi là cồn sinh học tiên tiến, được sản xuất từ các nguyên liệu phi thực phẩm như dăm gỗ, rơm và thân cây ngô Điều này đã làm giảm sự cạnh tranh với ngành công nghiệp thực phẩm về đất đai và tài nguyên nông nghiệp.

- Tích hợp với năng lượng tái tạo: Các quy trình sản xuất etanol sinh học đang được tích hợp với các công nghệ năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió, làm cho việc sản xuất etanol sinh học trở nên bền vững hơn.

- Tăng cường sử dụng chất thải làm nguyên liệu: Các nhà nghiên cứu đang khám phá các cách sử dụng chất thải, chẳng hạn như chất thải nông nghiệp, làm nguyên liệu để sản xuất ethanol sinh học Điều này giúp giảm chất thải và tăng tính bền vững của quá trình sản xuất ethanol sinh học.

- Bioethanol dựa trên tảo: Tảo đã được khám phá như một nguyên liệu tiềm năng để sản xuất ethanol sinh học Tảo phát triển nhanh và có thể tạo ra một lượng lớn sinh khối, khiến chúng trở thành một lựa chọn đầy hứa hẹn để sản xuất etanol sinh học. Đây chỉ là một vài ví dụ về nghiên cứu mới trong lĩnh vực này Còn có rất nhiều nghiên cứu và phát triển khác đang diễn ra nhằm làm cho việc sản xuất bioethanol bền vững hơn và tiết kiệm chi phí hơn.