Sản xuất etanol sinh học từ phế phẩm nông nghiệp(rơm rạ)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÁO CÁO THỰC TẬP CHUYÊN NGÀNH TÊN ĐỀ TÀI Sản xuất etanol sinh học từ phế phẩm nông nghiệp(rơm rạ) Trình độ đào tạo……………………………………. Hệ đào tạo:………………………………………… Ngành:……………………………………………… Chuyên ngành:…………………………….………… Khoá học:…………………………………………… Đơn vị thực tập:…………………….……… ……… Giảng viên hướng dẫn:………………………………. Sinh viên/học sinh thực hiện:…………….……… Bà Rịa-Vũng Tàu, tháng …….năm 20… MỤC LỤC Mở đầu: Trang 6 Chương 1: Giới thiệu tổng quan về trung tâm Biomass 1. Cây lúa ở Việt Nam Trang 8 2. Rơm Rạ Trang 8 2.1 Bioethanol từ rơm rạ Trang 8 2.2 Nguyên liệu Lignocellulose Trang 9 2.2.1. Cấu trúc lignocellulose Trang 9 2.2.2 Cellulose Trang 10 2.2.3 Hemicellulose Trang 12 2.2.4 Lignin Trang 13 2.2.5 Các chất trích ly Trang 15 2.2.6 Tro Trang 16 Chương 2. Lý thuyết chung 1. Tông quan về phân xương Biomass Trang 18 2. Các phương pháp tiền xử lý Trang 18 2.1 Các phương pháp xử lý hóa học Trang 20 2.2 Các phương pháp xử lý cơ học Trang 20 2.2.1 Nổ hơi Trang 20 2.2.2 Ép cơ học Trang 23 Chương 3. Các qui trình công nghệ trung tâm Biomass 1 Sơ đồ quát Trang 25 2 Sơ đồ công nghệ Trang 26 2.1 Cắt rơm và tiền xử lý Trang 27 2.2 Công nghệ khí hóa Trang 29 2.3 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của quá trình lên men Trang 32 2.4 Quá trình chưng cất Trang 36 Kết luận Trang 38 NHẬN XÉT CỦA ĐƠN VỊ THỰC TẬP ………., ngày…… tháng ……năm 20… Xác nhận của đơn vị (Ký tên, đóng dấu) ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 1. Thái độ tác phong khi tham gia thực tập: 2. Kiến thức chuyên môn: 3. Nhận thức thực tế: 4. Đánh giá khác: 5. Đánh giá kết quả thực tập: Giảng viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Thực tập chuyên ngành là cơ hội để nhóm sinh viên thực tập chúng em tiếp cận và tìm hiểu thực tế thông qua những kiến thức lí thuyết đã học tại trường trong suốt những năm qua. Trải qua thời gian thực tập tại phòng thí nghiệm năng lượng sinh học – ĐH Bách Khoa TP HCM, được tham gia vận hành một số thiết bị, chúng em đã học hỏi nhiều kiến thức thực tế, những kinh nghiệm quý báu, được tiếp xúc môi trường và điều kiện làm việc nơi đây. Có được những kiến thức đó, chúng em xin chân thành cảm ơn sự tận tình giúp đỡ từ thầy cô và các anh chị tại đây. Chúng em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Đình Quân. Cảm ơn Thầy đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em được thực tập tại Xưởng, đã truyền đạt cho chúng em những kinh nghiệm quý báu, đã giúp đỡ và hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực tập. Xin chân thành cảm ơn chú Nguyễn Văn Khanh, Chị Trần Phước Nhật Uyên, Chị Vũ Lê Vân Khánh, anh Lê Nguyễn Phúc Thiên, và anh Phan Đình Đông đã tận tình hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực tập, sẵn sàng giúp đỡ chúng em giải đáp những vướng mắc, trao đổi với chúng em những kinh nghiệm quý báu trong quá trình làm việc và trong cuộc sống. Chúng em xin cảm ơn khoa Kỹ thuật hóa đã tạo điều kiện để chúng em có cơ hội được thực tập tại đây, xin cảm ơn anh Lê Nguyễn Phúc Thiên đã tạo điều kiện và hướng dẫn tận tình để chúng em hoàn thành đợt thực tập này. ………., ngày … tháng……năm 20 Sinh viên/học sinh thực hiện MỞ ĐẦU Rơm rạ chiếm tỉ lệ lớn trong các phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam. Với thành phần chứa hơn 40% là cellulose, rơm rạ là nguồn nguyên liệu thích hợp cho quá trình sản xuất ethanol. Báo cáo này nghiên cứu quá trình sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ và được chia làm hai phần. Phần đầu nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố :% bã rắn, % enzyme, nhiệt độ, pH lên quá trình thuỷ phân và phần hai nghiên cứu quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời. Rơm rạ được cắt nhỏ và được tiền xử lý bằng phương pháp nổ hơi để phá vỡ cấu trúc. Sau đó được tiến hành thuỷ phân bằng enzyme cellulase hoặc thuỷ phân và lên men đồng thời bằng enzyme cellulase và nấm men saccharomyces cerevisiae chủng turbo yeast extra. Kết quả cho thấy rằng, quá trình thuỷ phân diễn ra tốt nhất trong điều kiện: 11% bã rắn, 5% enzyme, 50oC và pH 4,8, tương ứng nồng độ glucose thu được là 55,08g/l và hiệu suất đạt 81%. Quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời đạt được kết quả tốt ở 11% bã rắn, 5% enzyme, 23,6 triệu tế bào nấm men/ml, 50oC và pH 4,8. quá trình này thu được 30,86g/l ethanol tương ứng hiệu suất là 86,61%. Kết quả này cho thấy quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời rất thích hợp cho việc sản xuất ethanol từ rơm rạ. CHƯƠNG I TỔNG QUAN Nhiên liệu sinh học (còn được gọi là nhiên liệu từ nông nghiệp – agrofuel) theo định nghĩa rộng là những nhiên liệu rắn, lỏng hay khí được chuyển hóa từ sinh khối. Tuy nhiên, phần này chỉ đề cập chính đến nhiên liệu sinh học dạng lỏng được sản xuất từ sinh khối. Nói chung, nhiên liệu sinh học mang lại những lợi ích sau: giảm khí thải nhà kính, giảm gánh nặng lên nhiên liệu hóa thạch, tăng sự an toàn về năng lượng quốc gia, góp phần phát triển nông thôn và là một nguồn năng lượng bền vững trong tương lai. Ngược lại, nhiên liệu sinh học cũng có một số hạn chế: nguồn nguyên liệu phải được tái tạo nhanh, công nghệ sản xuất phải được thiết kế và tiến hành sao cho cung cấp lượng nhiên liệu lớn nhất với giá thấp nhất và mang lại lợi ích về môi trường nhất. Nhiên liệu sinh học và những dạng nhiên liệu tái tạo khác nhắm đến tính chất trung tính về carbon. Điều này có nghĩa là carbon được thải ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu để cung cấp năng lượng vận chuyển hay sinh điện năng được tái hấp thụ và cân bằng với lượng carbon hấp thụ bởi cây cối. Những cây này sau đó lại được thu hoạch để tiếp tục sản xuất nhiên liệu. Những nhiên liệu trung tính về carbon không gây ra sự tăng carbon trong khí quyển, vì thế không góp phần vào hiệu ứng trái đất nóng lên. Phòng thí nghiệm về nghiên cứu sản xuất ethanol từ rơm rạ. Phòng thí nghiệm là sự hợp tác giữa Nhật Bản và Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Để thực hiện quá trình sản xuất trên trong phòng thí nghiệm có các thiết bị cần thiết như: • Thiết bị cắt : dùng để cắt nhỏ rơm rạ để vi khuẩn dể tấn công cellulose • Thiết bị nổ hơi: làm tơi rơm rạ và phá hủy cấu trúc của nó để tách cấu trúc lignin. • Colling tower: cung cấp nước làm mát cho cà hệ thống • Máy sắc kí lỏng hiệu năng cao • Thiết bị ép nguyên liệu sau khi xử lý kềm và được trung hòa • Thiết bị lên men nguyên liệu • Thiết bị chưng cất để thu ethanol • Các thiết bị phụ trợ :  Thiết bị vận chuyển trấu  Bồn khí hóa  Buồng đốt  Lò hơi: cung cấp hơi nước cho các quá trình khác. 1. CÂY LÚA Ở VIỆT NAM Cây lúa luôn giữ vị trí trung tâm trong nông nghiệp và kinh tế Việt Nam. Hình ảnh đất Việt thường được mô tả như là một chiếc đòn gánh khổng lồ với hai đầu là hai vựa thóc lớn là Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) và Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH). Khoảng 80% trong tổng số 11 triệu hộ nông dân tham gia sản xuất lúa gạo, chủ yếu đựa vào phương thức canh tác thủ công truyền thống. 2. RƠM RẠ Việc sản xuất lúa gạo đã tạo ra một lượng lớn phế phẩm từ cây lúa bao gồm rơm và trấu. Rơm và trấu là hai trong số nhiều nguồn biomass phổ biến và có nhiều tiềm năng ở Việt Nam. Nguồn rơm rạ ở Việt Nam: Rơm rạ chiếm một phần rất lớn trong các nguồn biomass ở Việt Nam. Hiện trạng sử dụng năng lượng từ rơm rạ ở Việt Nam Mặc dù rơm rạ là một nguồn năng lượng lớn, rơm rạ nói riêng và từ biomass nói chung không dược sử dụng một cách hiệu quả ở Việt Nam. Phần lớn rơm rạ được bón trở lại ruộng sau khi thu hoạch, sử dụng làm chất đốt cho các hộ nhà nông, làm thức ăn cho gia súc, biomass chỉ chiếm 3,8% trong tổng năng lượng sử dụng của thành phố Hồ Chí Minh năm 2003, trong khi đó, nguồn năng lượng này chiếm 89% trong tổng năng lượng sử dụng ở nông thôn năm 2001. Ở nông thôn, biomass chủ yếu được dùng làm chất đốt và hiệu suất sử dụng năng lượng của quá trình này chỉ được 10%. 2.1 BIOETHANOL TỪ RƠM RẠ Ngày nay sức ép từ khủng hoảng dầu mỏ và nhu cầu năng lượng luôn là vấn đề nan giải của bất cứ quốc gia nào trên thế giới. Mỹ và Brazil đã thành công trong việc sản xuất ethanol từ nguồn sinh học là bắp và mía. Điều này đã khích lệ các nước khác đầu tư nghiên cứu vào lĩnh vực nhiên liệu sinh học. Bên cạnh sản xuất ethanol từ nguồn tinh bột (bắp) và đường (mía), ethanol có thể được sản xuất từ lignocellulose. Lignocellulose là loại biomass phổ biến nhất trên thế giới. Vì vậy sản xuất ethanol từ biomass cụ thể là từ nguồn lignocellulose là một giải pháp thích hợp đặc biệt là với các quốc gia nông nghiệp như Việt Nam. Nền nông nghiệp Việt Nam hằng năm tạo ra một lượng lớn phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu là lignocellulose từ các vụ mùa. Tận dụng nguồn nguyên liệu này, cụ thể là rơm rạ để sản xuất bioethanol là phương pháp sử dụng rơm rạ một cách hiệu quả đồng thời góp phần giải quyết vấn đề năng lượng cho nước ta. 2.2 NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE Lignocellulose là vật liệu biomass phổ biến nhất trên trái đất. Lignocellulose có trong phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu ở dạng phế phẩm của các vụ mùa; trong sản phẩm phụ của công nghiệp sản xuất bột Amột nguồn nguyên liệu to lớn cho việc sản xuất bioethanol. Rơm rạ là một dạng vật liệu lignocellulose. 2.2.1 Cấu trúc lignocellulose Thành phần chính của vật liệu lignocellulose là cellulose, hemicellulose, lignin, các chất trích ly và tro. về cơ bản, trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và được bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicellulose và kết dính như lignin. Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau và liên kết cộng hóa trị với nhau. Các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid 4-O-methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin. 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. 2.2.2 Cellulose Cellulose là một polymer mạch thẳng của D-glucose, các D-glucose được liên kết với nhau bằng liên kết β 1-4 glucosid. Cellulose là loại polymer phổ biến nhất trên trái đất, độ trùng hợp đạt được 3.500 – 10.000 DP. Các nhóm OH ở hai đầu mạch có tính chất hoàn toàn khác nhau, cấu trúc hemiacetal tại C1 có tính khử, trong khi đó OH tại C4 có tính chất của rượu. [...]... đồng thời Enzim cellulase Chưng cất Nước thải Trung hòa và thải bỏ Ethano l Quy trình của phòng thí nghiệm là sản xuất etanol sinh học từ các phế phẩm nông nghiệp mà đặc biệt ở đây sử dụng rơm rạ để sản suất ra etanol đồng thời sử dụng vỏ 24 trấu để tạo ra khí syngas để cung cấp nhiệt cho nồi hơi từ đó cung cấp hơi cho những quá trình sau của phòng thí nghiệm CO2 2 SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ Để hiểu rõ quy trình... trong tháp từ đó cũng tăng được hiệu suất truyền khối từ đó tăng được nồng độ sản phẩm đầu ra Khi tiến hành chưng cất đến thời gian cần thiết và ta tiến hành tháo sản phẩm đáy (bã rơm rạ), đồng thời nước ngưng tụ được tháo ra liên tục ở dưới đáy bồn nhờ bẫy hơi Trong quá trình trưng cất mâm xuyên lỗ trên, nồng độ sản phẩm đạt được khoảng có nồng độ khoảng 75%, để tăng nồng độ sản phẩm ta tiếp... chuyển đổi đường thành sản phẩm như: acid, khí hoặc rượu của nấm men hoặc vi khuẩn, hoặc trong trường hợp lên men acid lactic trong tế bào cơ ở điều kiện thiếu khí oxy Lên men cũng được sử dụng rộng rãi hơn trong sự tăng sinh khối của vi sinh vật trên môi trường sinh trưởng_sự tích lũy các sản phẩm trao đổi chất hữu ích cho con người trong quá trình nuôi cấy vi sinh vật Nhà sinh vật học người Pháp Louis... nghiên cứu đang hướng đến việc tận dụng phụ phẩm trong nông nghiệp như rơm, rạ, vỏ trấu, bã mía… để sản xuất ethanol Ở nước ta, dự án “Kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương với công nghiệp chế biến biomass” do JICA (Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản) tài trợ, có nhiệm vụ xây dựng và phát triển công nghệ sản xuất bioethanol từ các nguồn biomass là phế thải nông nghiệp như: rơm, rạ, vỏ trấu, bã mía…... khối, thiết lập quy trình tinh chế bằng phương pháp sinh học quy mô nhỏ tại khu vực Từ đó, xây dựng chu trình tự cung tự cấp các nhiên – vật liệu sinh học Trong khuôn khổ dự án, hai mô hình thí điểm về “Tổ hợp thử nghiệm quá trình chế biến sinh khối” và “Mô hình xưởng thực nghiệm kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương và nền công nghiệp chế biến sinh khối” được thiết lập Mục tiêu nghiên cứu của... năng trong một vài con đường sinh học ở thực vật Kim loại vết thường tồn tại ở dạng phức hợp như magnesium trong chlorophyll Một số chất vô cơ từ muối kim loại tồn tại trong vách tế bào thực vật Calcium thường là kim loại phong phú nhất, sau đó là kali và magnesium CHƯƠNG II LÝ THUYẾT CHUNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHÂN XƯỞNG BIOMASS Hiện nay, công nghệ sản xuất xăng sinh học từ ethanol với nguyên liệu sắn,... phòng thí nghiệm Sản phẩm sẽ được ứng dụng vào mục đích làm nhiên liệu cho động cơ và các thiết bị đốt công nghiệp Dự án JICA được thực hiện trong khuôn khổ hợp tác nghiên cứu giữa trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM và Viện Khoa học Công nghiệp thuộc trường Đại học Tokyo Dự án hướng đến xây dựng phương pháp luận nhằm kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương với nền công nghiệp chế biến sinh khối, thiết... được ghi nhớ như là người hiểu rõ sự lên men và nguyên nhân vi sinh vật của nó Khoa học của sự lên men được biết như "zymology" Quá trình lên men diễn ra trong điều kiện thiếu oxy (khi chuỗi vận chuyển electron không thể diễn ra) và trở thành phương tiện chủ yếu của tế bào để sản xuất ATP (năng lượng) Nó chuyển NADH và pyruvate được sản sinh trong bước thủy phân glucoza thành NAD+ và những phân tử nhỏ... năm 2009 và kết thúc vào năm 2014 Từ năm 2009 tới cuối năm 2010 là gian đoạn lắp đặt nhà xưởng và cung cấp thiết bị, máy móc Đầu năm 2010 phòng thí nghiệm bắt đầu đi vào hoạt động Địa điểm xây dựng: Xưởng thực nghiệm với tên gọi là phòng thí nghiệm năng lượng sinh học, được xây dựng trong khuôn viên trường Đại học Bách Khoa Tp HCM Xưởng nằm sau lưng tòa nhà C4 và C5, từ cổng 3 trường ĐHBK (đường Tô Hiến... trọng để giữ lại những chức năng sinh học của cây Đa phần các chất nhựa bảo vệ gỗ khỏi những tổn thương gây ra bởi vi sinh vật hay côn trùng Terpenoid, steroid, chất béo, và những phần tử phenolic như stilbene, lignan, tanmin và flavonoid đều là những chất trích ly Các phenolic có thuộc tính diệt nấm và ảnh hưởng đến màu của gỗ Chất béo và sáp, trong nhiều hệ thống sinh học được tận dụng như là nguồn . TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÁO CÁO THỰC TẬP CHUYÊN NGÀNH TÊN ĐỀ TÀI Sản xuất etanol sinh học từ phế phẩm nông nghiệp(rơm rạ) Trình độ đào tạo……………………………………. Hệ. Lignocellulose có trong phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu ở dạng phế phẩm của các vụ mùa; trong sản phẩm phụ của công nghiệp sản xuất bột Amột nguồn nguyên liệu to lớn cho việc sản xuất bioethanol. Rơm. công trong việc sản xuất ethanol từ nguồn sinh học là bắp và mía. Điều này đã khích lệ các nước khác đầu tư nghiên cứu vào lĩnh vực nhiên liệu sinh học. Bên cạnh sản xuất ethanol từ nguồn tinh