Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ

Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ

Công nghệ sản xuất Etanol sinh học Trang 1 NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ NHÓM 7 Công nghệ sản xuất Etanol sinh học Trang 2 I. NGUỒN RƠM RẠ Ở VIỆT NAM VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG RƠM RẠ Ở VIỆT NAM: Sản lượng lương thực và hoa màu cao đồng nghĩa với vi ệ c nước ta có một nguồn ph ụ ph ẩ m nông nghi ệ p rất dồi dào. Trung bình, để tạo ra 1 tấn gạo đã thải ra kho ả ng 1,2 t ấ n rơm rạ. Sản lượng lúa gạo năm 2007 toàn quốc đạt 36 tri ệ u tấn . Như v ậ y, lượng r ơ m r ạ thải ra h ằ ng năm vào kho ả ng 43 tri ệ u tấn. Số liệu thống kê h ằ ng năm được trình bày theo b ả ng 1. Cho đến nay, ph ầ n lớn rơm r ạ thường được để mục ho ạ i ngoài đồng hay đốt tại ch ỗ để trả lại khoáng ch ấ t cho đồng ruộng. Ph ầ n còn lại được đem về làm thức ăn gia súc hay trồng n ấ m và làm ch ấ t đốt phục vụ nhu cầu đun nấu trong gia đình. N ế u có thể sản xu ấ t được ethanol từ rơm r ạ sẽ có thể sử dụng có ích nguồn năng lượng từ rơm mà vẫn trả l ạ i được nguồn khoán chất cho cây trồng B ả ng 1: Sản lƣợng nông nghi ệ p nƣớc ta năm 2003 (FAO 2004) II. CẤU TRÚC CỦA NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ KHÓ KHĂN TRONG PHÂN HỦY RƠM RẠ TẠO RA ĐƢỜNG: II.1. Cấu trúc: Rơm rạ có thành phần chính là cellulose, Lignin, Hemicellulose, các chất trích ly và tro. Công nghệ sản xuất Etanol sinh học Trang 3 Cấu trúc của rơm rạ Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các sợi này được gắn lại với nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25nm. Các vi sợi này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn công của ezyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân. Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc rơm rạ  Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở. Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose. Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn. Công nghệ sản xuất Etanol sinh học Trang 4  Cellulose là đường polysaccharide, có công thức (C 6 H 10 O 5 ) n , mà số n biến thiên từ 7,000 đến trên 15,000 phân tử glucose.  Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng 70 đến 200 DP. Hemicellulose chứa cả đường 6 gồm glucose, mannose và galactose ; đường 5 gồm xylose và arabinose. II.2. Khó khăn: Động vật ăn cỏ, mối (termite) tiêu hoá được cellulose nhờ vi-sinh-vật sống cọng sinh trong bao tử (như Cellulomonas), một số vi khuẩn có khả năng biến cellulose ra đường, nhờ sản xuất enzyme cellulase biến cellulose ra đường. Vì vậy, để biến cellulose thành rượu, bắt chước theo bộ tiêu hoá của động vật ăn cỏ và mối, trước hết phải biến hoá cellulose ra đường đơn giản như hexose, pentose, bằng thuỷ phân (hydrolysis) nhờ một số acid (như trong dịch vị) và enzyme cellulase. Hemicellulose tương đối dễ dàng biến thành đường-chứa-5C như Xylose (C 5 H 10 O 5 ), nhưng xylose không biến chế thành ethanol được. Cũng vậy, với kỹ thuật hiện tại, chưa có cách biến lignin ra ethanol. Vì vậy trước tiên phải loại lignin và hemicellulose, chỉ còn lại thành phần cellulose. Hiện tại, sản xuất enzyme cellulase để biến cellulose thành đường khá phức tạp, tốn kém, chiếm khoảng 40% chi phí sản xuất rượu. Có 3 loại cellulases thường dùng: (i) Endo-p-glucanase, 1,4-ß-D-glucan glucanohydrolase, CMCase, phá huỷ các cầu của chuỗi cellulose để biến thành đường glucose và oligo-saccharide. (ii) Exo-P-glucanase, 1,4-ß - D-glucan cellobiohydrolase, Avicelase, C1: biến thành đường cellobiose (C12). (iii) ß-glucosidase, cellobiase: thuỷ phân đường cellobiose thành glucose. Công nghệ sản xuất Etanol sinh học Trang 5 III. NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL TỪ RƠM RẠ: Nguyên liệu Chuẩn bị Chưng cất Tiền xử lí Lên men Thủy phân etanol Nấm men Nhân giống QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIOETANOL TỪ BIOMASS Công nghệ sản xuất Etanol sinh học Trang 6 III.1. Quá trình tiền xử lý rơm rạ bằng nổ hơi để thuỷ phân tạo ra dịch đƣờng: (Trích từ “luận văn tốt nghiệp đại học, nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ, Trần Diệu Lý, trường đại học bách khoa tp. hcm-khoa kỹ thuật hóa học,1/2008” và đề tài “ nghiên cứu công nghệ và thiết bị liên t ụ c x ử lý rơm rạ bằng hơi nước để lên men ethanol” của ThS. Hoàng Minh Nam…). Phương pháp nổ hơi nước được phát triển vào năm 1925 bởi W. H. Mason trong sản xuất gỗ ép.  Cơ chế quá trình nổ hơi nƣớc Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi Cấu trúc sợi trước và sau khi nổ hơi, bó sợi cellulose được giải phóng ra khỏi lớp lignin bảo vệ sau khi nổ hơi Công nghệ sản xuất Etanol sinh học Trang 7 Sợi lignocellulose không nổ hơi có cấu trúc sít chặt ngăn cản sự tấn công của enzyme, nổ hơi ở 4atm, nổ hơi ở 8atm( mô tả khả năng làm tăng kích thước lỗ xốp trong xơ sợi). Quá trình nổ hơi nước là một quá trình cơ – hóa – nhiệt. Đó là phá vỡ cấu trúc các hợp phần với sự giúp đỡ của nhiệt ở dạng hơi (nhiệt), lực cắt do sự giãn nở của ẩm (cơ) và thủy phân các liên kết glycosidic (hóa). Quá trình nổ hơi có 2 giai đoạn:  Làm ẩm nguyên liệu  Giảm áp đột ngột Trong thiết bị phản ứng, ở giai đoạn 1 nước dưới áp suất cao thâm nhập vào cấu trúc lignocellulosic bởi quá trình khuếch tán và làm ẩm nguyên liệu. Ẩm trong biomass thủy phân các nhóm acetyl của hemicellulose hình thành nên các acid hữu cơ như acetic và uronic acid. Các acid này lần lượt xúc tác quá trình depolymer hóa hemicellulose, giải phóng xylan và một phần glucan. Dưới điều kiện khắc nghiệt, vùng vô định hình của cellulose có thể bị thủy phân đến một mức độ nào đó. Dưới điều kiện khắc nghiệt hơn, ví dụ như nhiệt độ cao và áp suất cao, có thể thúc đẩy sự phân hủy xylose thành furfural và glucose thành 5-hydroxymethyl furfural. Furfural và 5- hydroxylmethyl furfural kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật, do đó nó không thuận lợi cho quá trình lên men. Công nghệ sản xuất Etanol sinh học Trang 8 Fufural Hydroxymethyl fufural Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi Trong giai đoạn 2: ẩm trong biomass sẽ hóa hơi đột ngột ra khi áp suất trong thiết bị phản ứng được giải phóng và hạ đột ngột từ rất cao khoảng vài chục atm xuống còn áp suất khí trời. Hiện tượng này cũng giống như hiện tượng nổ. Nguyên liệu được tống mạnh khỏi thiết bị qua một lỗ nhỏ bởi lực ép. Một vài hiện tượng xảy ra tại thời điểm này. Đầu tiên, ẩm ngưng tụ trong cấu trúc biomass bốc hơi tức thời do giảm áp đột ngột. Sự giãn nở của hơi nước gây ra lực cắt bao quanh cấu trúc nguyên liệu. Nếu lực cắt này đủ lớn, hơi nước sẽ gây ra sự phá hủy cơ học lên cấu trúc lignocellulosic. Sự mô tả quá trình làm nổi bật tầm quan trọng của việc tối ưu hai yếu tố: thời gian lưu và nhiệt độ. Thời gian biomass lưu lại trong thiết bị phản ứng giúp xác định phạm vi thủy phân hemicellulose bởi các acid hữu cơ. Việc thủy phân hemicellulose giúp cho quá trình lên men thuận lợi hơn. Theo Iotech, đi ề u ki ệ n xử lí tối ưu c ủ a holocellulose (xylose + glucose) là áp su ấ t 500-550 psi, thời gian 40 giây. Bã sau nổ hơi ở các nhiệt độ khác nhau  Thiết bị: thường dùng và có hiệu quả nhất là StakeTech. Rất hay được dùng trong các trường đại học và viện nghiên cứu(Ths. Hoang Minh Nam).  Ƣu nhƣợc điểm của quá trình nổ hơi nƣớc: Công nghệ sản xuất Etanol sinh học Trang 9 1. Tăng sự kết tinh của cellulose bằng cách thúc đẩy sự kết tinh của vùng vô định hình. 2. Hemicellulose bị thủy phân trong quá trình nổ hơi. 3. Sự nổ hơi thúc đẩy việc khử lignin. Cùng với việc gia tăng kích thước lỗ xốp, tác động (2) và (3) là 3 ưu điểm của quá trình nổ hơi. Tuy nhiên, tác động (1) lại gây ra khó khăn cho quá trình thủy phân. Ngoài ra những nhược điểm chính của quá trình nổ hơi là:  Tốn chi phí, năng lượng vận hành.  Đòi hỏi thiết bị chịu được nhiệt độ và áp suất cao  Có thể làm phân hủy cellulose.  Mất đi đường từ hemicellulose.  Làm sinh ra fufural và 5-hydroxymethyl fufural gây ức chế quá trình lên men .  Tóm lại: sau khi thực hiện nổ hơi chậm và nhanh thì hiêu suất thu hồi cellulose của nổ hơi nhanh cao hơn; rơm tại 230 0 c, %cell=53,1( theo Ths Hoàng Minh Nam). Thiết bị nổ hơi quy mô pilot Qui trình nổ hơi Công nghệ sản xuất Etanol sinh học Trang 10 III.2. Nghiên cứu qui trình công nghệ thủy phân và lên men ethanol: Một số qui trình từ các nguồn nguyên liệu khác nhau: Qui trình sản xuất etanol đi từ lignocellulose CELLULOSE Sinh học/ hóa học NGUYÊN LIỆU HÓA CHẤT CÁC VẬT LIỆU BÃ NĂNG LƢỢNG NHIỆT CHẤT TRÍCH LY LIGNIN lignin ĐƯỜNG HEMICELLULOSE Sinh học/ hóa học NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE BÃ [...]... nhưng phải mất vài năm nữa mới có thể sản xuất quy mô thương mại Các nghiên cứu ở Trung quốc cho thấy, xăng sinh học sản xuất từ rơm rạ đắt hơn xăng dầu mỏ khoảng 250 USD/tấn Hãng General Motors của Hoa Kỳ đã hợp tác với Công ty sản xuất etanol Coskata để sản xuất thanol từ thân bắp vào Trang 22 Công nghệ sản xuất Etanol sinh học cuối năm 2008, và kể từ 2011 sẽ sản xuất 50 – 100 triệu gallons/năm, với... khuẩn khi sản xuất công nghiệp  Tính kinh tế của hệ thống  Có một hệ thống tiền xử lý hiệu quả cao… TÀI LIỆU THAM KHẢO  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  Đề tài thạc sĩ nghiên cứu sản xuất etanol từ phụ phẩm nông nghiệp” của Nguyễn Thị Hằng Nga- DH khoa học tự nhiên  Báo... 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 IV.2 Các thành tựu nghiên cứu: Các nhà khoa học Đài Loan thành công trong phòng thí nghiệm biến chế etanol từ rơm rạ, cứ mỗi 10 kg rơm rạ thu được 2 lít cồn 99,5%... nguyên liệu khô 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 Brazil là quốc gia duy nhất đi theo con đường riêng của mình là 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 Tuy nhiên, Biodiesel cũng chỉ có thể sử dụng ở một mức độ nhất định đối... 13.101,7 Công nghệ sản xuất Etanol sinh học Sản lƣợng dự tính (theo lý thuyết) cho mỗi tấn nguyên liệu khô Nguyên liệu Gallons Lít Hạt bắp ngô 124,4 470,854 Thân và lá bắp ngô 113,0 427,705 Rơm rạ 109,9 415,971 Phế phẩm của bông sợi 56,8 214, 988 Phế phẩm lâm nghiệp 81,5 308,477 Mạt cƣa 100,8 381,528 Bã mía 111,5 422,027 Giấy vụn 116,5 439,817 Sản lượng lý thuyết Etanol sinh ra từ 1 tấn nguyên liệu khô Hiện... (bagasse, xác mía sau khi ép), và mỗi tấn bã mía sản xuất 285 lít ethanol Kỹ thuật hiện nay chưa hoàn hảo, hiệu năng còn kém, con men chưa hữu hiệu và giá 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 Trang 20 Công nghệ sản xuất Etanol sinh học Tổng sản lượng Etanol hàng năm của 15 nước đứng... thủy phân tiến hành ở nhiệt độ 70ºC trong 1,5 ngày Sản phẩm thu được có lượng glucose bằng 75-95% số gốc glucose có trong nguyên liệu ban đầu Trang 15 Công nghệ sản xuất Etanol sinh học  Lên men: Để sản xuất một lượng cồn lớn, thì việc lựa chọn một chủng nấm men thích hợp là rất cần thiết Những giống nấm men thường được sử dụng trong công nghiệp sản xuất cồn như Saccharomyces spp mà hiện tại một số... thế hệ 1: chế biến từ đường (mía, củ cải đường, sorghođường) và tinh bột của nông 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 biến chế 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, gỗ, mạt... 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 Tuy nhiên . Công nghệ sản xuất Etanol sinh học Trang 1 NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ NHÓM 7 Công nghệ sản xuất Etanol sinh học Trang 2 I. NGUỒN RƠM RẠ Ở VIỆT NAM VÀ. văn tốt nghiệp đại học, nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ, Trần Diệu Lý, trường đại học bách khoa tp. hcm-khoa kỹ thuật hóa học,1/2008” và đề tài “ nghiên cứu công nghệ và thiết. đường cellobiose thành glucose. Công nghệ sản xuất Etanol sinh học Trang 5 III. NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL TỪ RƠM RẠ: Nguyên liệu Chuẩn bị Chưng cất Tiền xử lí Lên men