Nghiên cứu sản xuất ETHANOL nhiên liệu từ vỏ hạt điều

Nghiên cứu sản xuất ETHANOL nhiên liệu từ vỏ hạt điều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ VỎ HẠT ĐIỀU GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH SVTH: Nguyễn Quốc Thắng - 09139170 Nguyễn Bình Phương Thanh Trúc - 09139210 Tp HCM, 08/2013 Đại Học Nơng Lâm Tp HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Bộ mơn cơng nghệ hóa học Độc Lập – Tựu Do – Hạnh Phúc -NHIỆM VỤ LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ HĨA HỌC HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN QUỐC THẮNG MSSV: 09139170 NGUYỄN BÌNH PHƯƠNG THANH TRÚC NGÀNH: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT HĨA HỌC MSSV: 09139210 LỚP: DH09HH Đầu đề luận án: NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ VỎ HẠT ĐIỀU Nhiệm vụ (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu): Nghiên cứu trình thủy phân rơm rạ Nghiên cứu trình lên men glucose lên men dịch thủy phân Ngày giao nhiệm vụ luận án: 03/2013 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/08/2013 Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn PGS Ts Trương Vĩnh Toàn Nội dung yêu cầu LATN thông qua Bộ môn Ngày … Tháng … Năm 2013 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ luận án: LỜI CẢM ƠN Luận văn tác phẩm sinh viên trước rời khỏi trường đại học Để hoàn thành luận văn, sinh viên cần phải áp dụng tất kiến thức hiểu biết mà tích luỹ suốt năm học trường Chính kiến thức mà em tiếp thu năm học trường Nông Lâm tảng vững giúp em hoàn thành luận văn Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy mơn CƠNG NGHỆ HĨA HỌC tận tình giảng dạy, giúp đỡ suốt năm vừa qua Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Trương Vĩnh, thầy người giúp em đến với hướng nghiên cứu này, đồng thời người tận tình bảo, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành tốt luận văn Cuối cùng, chúng em xin cảm ơn bạn bè người thân gia đình, người ln chỗ dựa vững ủng hộ em việc Sinh viên thực Nguyễn Quốc Thắng Nguyễn Bình Phương Thanh Trúc MỤC LỤC TÓM TẮT Vỏ hạt điều chiếm tỷ lệ lớn phụ phẩm chế biến thực phẩm Việt Nam Với thành phần chứa 40% cellulose, vỏ hạt điều nguyên liệu thích hợp cho trình sản xuất ethanol Luận văn nghiên cứu trình sản xuất ethanol nhiên liệu từ vỏ hạt điều chia làm hai phần Phần đầu nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố: nồng độ acid, thời gian thủy phân phần hai nghiên cứu trình lên men lên men dịch thủy phân Vỏ hạt điều nghiền nhỏ không qua tiền xử lý Sau tiến hành thủy phân acid sunfuric lên men saccharomyces cerevisiae Kết cho thấy, trình thủy phân diễn tốt điều kiện: nồng độ acid đạt 5%, thời gian phản ứng giờ, 100 oC, tương ứng nồng độ glucose thu 19.6 mg/ml Từ thí nghiệm thủy phân ta xác định điều kiện tối ưu, sau tiến hành lên men dịch thủy phân điều kiện Q trình thu ABSTRACT Cashew nut shell large proportion of the food processing by-products in Vietnam With components that contain more than 40% cellulose, cashew nut shell material is suitable for the production of ethanol This paper studies the production of fuel ethanol from cashew nut shell and is divided into two parts The first section studies the impact of factors: acid concentration, hydrolysis time and the second fermentation research base hydrolysis and fermentation Cashew nut shell is crushed and without pretreatment Then conducted sulfuric acid hydrolysis and fermentation by Saccharomyces cerevisiae Results showed that hydrolysis takes place in the best conditions: 5% acid concentration, reaction time h, 100 ° C, corresponding glucose concentrations obtained 19.6 mg / ml From hydrolysis experiments we determined the optimal conditions, then fermentation hydrolysis in such conditions This process is obtained DANH SÁCH CÁC HÌNH DANH SÁCH BẢNG DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Trong khoảng chục năm trở lại đây, nhóm cơng nghiệp ngày bật cấu kinh kế Việt Nam Một số đó, điều với lượng xuất đứng đầu giới không ngừng tăng năm Trong tháng 10-2012, Việt Nam xuất 20.000 hạt điều đạt kim ngạch 135 triệu USD Tính chung 10 tháng đầu năm, lượng điều xuất ước đạt 181.000 tấn, kim ngạch 1,224 tỉ USD, tăng 25,8% lượng 2,1% giá trị so với kỳ năm 2011 Nhờ đó, Việt Nam tiếp tục nước xuất hạt điều nhân số giới Với lượng xuất đạt 100.000 tấn/năm đóng góp khơng nhỏ vào GDP quốc gia, điều trở thành công nghiệp trọng điểm Với lượng lớn nhân điều xuất khẩu, vấn đề tồn song song lượng vỏ hạt điều tồn đọng Với lực nội tại, việc khai thác tiềm vỏ hạt điều chưa thiết thực, thời điểm này,vỏ hạt điều dùng làm thức ăn gia súc, ép lấy dầu hay thu lấy dịch hạt điều (CNSL) dùng cho ngành công nghiệp khác, … Tất trưng dụng chưa đánh giá hết tiềm vỏ hạt điều, thu lấy thành phần chiếm tỷ lệ nhỏ Trong đó, hàm lượng cellulose vỏ hạt điều chiếm lượng lớn, lại không sử dụng Nhận thấy điều xuất phát từ nhu cầu thực tế, gợi ý hỗ trợ PGS Ts Trương Vĩnh, thực đề tài: “Nghiên cứu phương pháp sản xuất ethanol nhiên liệu từ vỏ hạt điều” 3.3 Phương pháp phân tích 3.3.1 Phương pháp xác đinh độ ẩm a Khái niệm Hàm lượng vật chất khơ mẫu vật phần cịn lại loại bỏ nước trình làm khơ mẫu Hiện có nhiều phương pháp khác để xác định hàm lượng nước phương pháp sấy khô, phương pháp tách chiết qua dung môi hữu (với mẫu vật chứa nhiều nước) b Nguyên lý Ẩm độ lượng nước từ mẫu vật bị bay qua q trình sấy Vật chất khơ coi phần lại sau sấy c Phương pháp (cân nguội) Sấy chén sứ 100 -105 oC giờ, đậy nắp bỏ nhanh vào bình hút ẩm đậy nắp bình lại Để nguội nhiệt độ phòng 30 phút cân để xác định khối lượng bì (Wt) Trong cân chén sứ phải đậy kín bình hút ẩm để tránh hút ẩm từ khơng khí Cân khoảng g mẫu khơ (trường hợp mẫu nhiều nước sử dụng nhiều hơn) vào hộp đựng mẫu, lắc nhẹ hộp để mẫu dàn mặt đáy đảm bảo diện tiếp xúc mẫu với đáy hộp lớn Đặt chén sứ vào tủ sấy, bật điện tủ sấy để khoảng Nhiệt độ tủ sấy phải đạt 1000C (hoặc 1050C vòng kể từ mở.) Tiếp tục sấy 24 liền để 100 oC 16 nhiệt độ 1050C Chuyển chén sứ vào vình hút ẩm đậy nắp bình Để ngi nhiệt độ phịng Cân tồn chén sứ (Wd) Lặp lại việc sấy cân đến khối lượng không đổi thời gian sấy ngắn (khoảng giờ) Chú ý : • Hộp để tủ sấy không chạm cho không khí tuần hồn dễ dàng • Mở nắp bình hút ẩm nhẹ nhàng tránh mẫu bay khỏi hộp đựng d Tính tốn kết Tính Hàm lượng vật chất khô (DM) theo công thức sau đây: DM, % = (Wd - Wt)/ W x 100 Trong : W : Khối lượng mẫu tươi, g Wt : Khối lượng bì, g Wd : Khối lượng mẫu bì sau sấy 3.3.2 Phương pháp xác định hàm lượng CNSL – Soxhlet a Khái niệm Dịch chiết vỏ hạt điều (CNSL) sản phẩm công nghiệp chế biến hạt điều Nó có q trình chiết dầu nóng (hoặc dung mơi) q trình ép học từ vỏ CNSL thường có màu nâu đỏ CNSL hỗn hợp hợp chất phenolic acid anacardic, cardol, cardanol, 2-methyl cardon Những sản phẩm thiên nhiên tương lai thay sản phẩm từ công nghiệp dầu mỏ Chiết Soxhlet hoạt động dựa nguyên tắc chiết lỏng rắn Ở đó, q trình chiết thực liên tục qua lớp vật chất rắn nhờ vào hệ thống hồi lưu Phương pháp thường dùng để chiết sản phẩm thiên nhiên từ nguồn nguyên liệu sinh học hạt b Nguyên tắc Dùng dung môi hữu để hịa tan CNSL có vỏ hạt điều, sau đuổi dung mơi hệ thống quay, sấy khơ CNSL thu tính hàm lượng CNSL có vỏ hạt điều Nguyên tắc hoạt động chiết Soxhlet: dung mơi bình (a) đun sôi bếp Hơi dung môi theo ống dẫn lên trụ chiết tới ống sinh hàn Tại dung môi làm lạnh, ngưng tụ lại chảy trụ chiết Khi lượng dung môi trụ chiết vượt lên độ cao ống xifong tồn dung mơi hịa tan chất béo trụ chiết tràn bình cầu Hơi dung mơi lại tiếp tục bay lên chu trình chiết lại tiếp diễn c Tiến hành Quá trình định lượng CNSL tóm tắt sơ đồ sau: Chuẩn bị bình cầu Chuẩn bị mẫu Chuẩn bị chiết Tiến hành chiết Sấy đến m = số Tính kết • Bước 1: Chuẩn bị chai đựng mẫu - Rửa chai đựng mẫu - Sấy nhiệt độ 1050C đến khối lượng khơng đổi - Làm nguội bình hút ẩm - Cân khối lượng chai  m0 (g) • Bước 2: Chuẩn bị mẫu - Nghiền nhỏ mẫu cối, chày - Cân khoảng 5g mẫu xác đến 0,0001g vào chén sấy, m (g) - Sấy mẫu nhiệt độ 1050C - Lấy làm nguội bình hút ẩm khoảng 30 phút - Chuyển mẫu vào ống giấy lọc, gấp cẩn thận, cho vào ống chiết Soxhlet • Bước 3: Chuẩn bị chiết - Lắp chiết - Mở nước chảy vào ống sinh hàn • Bước 4: Tiến hành chiết - Đun bình cầu bếp - Tiến hành chiết ÷ với điều kiện khơng ÷ lần khơng nhiều q ÷10 lần dung mơi tràn bình cầu - Chiết đến hồn tồn hết CSNL Q trình chiết hồn tất dung mơi chiết ống chiết trở • Bước 5: Sấy mẫu đến khối lượng khơng đổi - Mang bình cầu chưng cất thu hồi dung môi - Cho mẫu cô vào chai đựng mẫu, tráng lại thật kỹ bình cầu dung môi chiết, cho tất vào chai đựng mẫu - Sấy chai đựng mẫu nhiệt độ 1050C Làm nguội bình hút ẩm cân - Tiếp tục sấy, làm nguội cân đến khối lượng không đổi Thời gian lần sấy 30 phút - Ghi lại khối lượng bình cầu chất béo sau sấy m1 (g) d Tính tốn kết Hàm lượng đối tượng cần chiết tính % theo cơng thức: X (%) = m1 − m0 m m0 khối lượng chai đựng mẫu (g) m1 khối lượng chai đựng mẫu đối tượng (g) m khối lượng mẫu (g) Kết cuối trung bình cộng hai kết thử song song, tính xác đến 0,1% Chênh lệch kết hai lần thử song song không lớn 0,3% 3.3.3 Phương pháp xác định hàm lượng đường – phương pháp Miller a Nguyên tắc Phương pháp dựa sở phản ứng tạo màu đường khử với thuốc thử 3,5- dinitrosalisylic (DNS) Cường độ màu hỗn hợp phản ứng tỷ lệ thuận với nồng độ đường khử Dựa theo đồ thị chuẩn glucose tinh khiết với thuốc thử acid dinitrosalisylic tính hàm lượng đường khử mẫu nghiên cứu b Máy móc, thiết bị, hóa chất Thuốc thử acid dinitrosalisylic (DNS): cân 1g DNS pha 20ml dung dịch NaOH 2N, thêm vào 50ml nước cất 30g muối sodium potassium tartrate Đun nhẹ cho tan định mức tới 100ml Dung dịch glucose mẫu (1mg/ml): cân xác 100mg D-glucose hòa tan 100ml nước cất Máy quan phổ hấp thu UV - VIS c Tiến hành  Dựng đường chuẩn glucose Từ dung dịch glucose chuẩn, pha dung dịch glucose chuẩn có nồng độ từ – 1000 (mg/ml) Vẽ đường chuẩn glucose với trục tung mật độ quang, trục hoành nồng độ glucose  Tiến hành thí nghiệm Phản ứng dung dịch đường cần phân tích với thuốc thử DNS tiến hành phần xây dựng đồ thị chuẩn Nồng độ đường khử mẫu xác định nhờ vào đường chuẩn glucose dựng d Tính tốn kết Dãy chuẩn mang chạy UV – VIS bước sóng 540 nm, thu dãy cặp số liệu Nồng độ - ABS Mang xử lý excel ta có đường chuẩn dạng: Y = aX + b (*) Y: giá trị ABS đo X: nồng độ mẫu cần đo a, b: hệ số phương trình (có từ chạy dãy chuẩn) Chạy mẫu ta thu giá trị ABS thay vào (*) ta giá trị nồng độ tương ứng Nếu mẫu pha lỗng, với hệ số pha lỗng N, thì: ND = X*N 3.3.4 Phương pháp xác định lượng CO2 3.3.5 Phương pháp xác định hàm lượng Ethanol a Nguyên tắc Nguyên tắc hoạt động phù kế dựa vào lực đẩy Ácsimét Phù kế cân trọng lực bị cân trọng lượng thể tích chất lỏng bị chiếm chỗ Nếu khối lượng riêng chất lỏng nhẹ, thể tích chiếm lớn phù kế chìm sâu Trong chất lỏng nhẹ dầu hỏa, xăng cồn, phù kế chìm sâu chất lỏng nặng sữa, axít Thực tế thường có hai loại phù kế, loại đo chất lỏng nặng nước (đánh dấu 1,000 cho nước đỉnh), loại cho chất lỏng nhẹ nước (đánh dấu 1,000 cho nước đáy) b Thiết bị • Cồn kế • Ống đong 250 ml 100ml c Tiến hành thí nghiệm Chất lỏng rót vào bình cao, phù kế thả nhẹ vào bình lơ lửng Vị trí mà bề mặt chất lỏng tiếp xúc với phù kế đánh dấu so sánh thang đo dải vạch đặt nằm phù kế Khối lượng riêng chất lỏng đọc trực tiếp thang đo (thường theo đơn vị gam xentimét khối) 3.4 Thí nghiệm 1: khảo sát yếu tố nguyên liệu 3.4.1 Thí nghiệm 1.1: độ ẩm nguyên liệu – TCVN 4069:2009 a Dụng cụ • Tủ sấy điều chỉnh nhiệt ± oC • Chén sứ • Bình hút ẩm (Desiccator) chứa chất hút ẩm si-li-ca-gen (nhớ thường xuyên kiểm tra độ hút nước thông qua chuyển màu phải sấy no nước) • Cân phân tích có độ xác 0,1 mg b Phương pháp tiến hành Chén sứ rửa mang sấy 105 oC 2h Sau mang đặt bình hút ẩm để nguội nhiệt độ phòng cân xác định khối lượng bì (Wt) Cân khoảng g mẫu khơ vào chén sứ Đặt chén sứ vào tủ sấy, bật điện tủ sấy để khoảng Nhiệt độ tủ sấy phải đạt 100 oC (hoặc 105 oC vòng kể từ mở.) Tiếp tục sấy 24 liền để 100 oC 16 nhiệt độ 1050C Chuyển chén sứ vào bình hút ẩm đậy nắp bình Để nguội nhiệt độ phịng Cân tồn chén sứ(Wd) Lặp lại việc sấy cân đến khối lượng không đổi thời gian sấy ngắn (khoảng giờ) 3.4.2 Thí nghiệm 1.2: hàm lượng xơ thơ 3.4.3 Thí nghiệm 1.3: hàm lượng CNSL a Dụng cụ, hóa chất • • • • Bộ soxhlet (bình cầu, trụ chiết, ống sinh hàn, bếp đun) Tủ sấy Cân phân tích Giấy lọc gấp thành túi đựng ngun liệu • Bình hút ẩm • Ethanol anhydrous b Phương pháp tiến hành • Chuẩn bị chai bi đựng mẫu Chai bi rửa mang sấy 105 oC 3h Lấy cho vào bình hút ẩm, để nguội nhiệt độ phòng (chú ý: cần kiểm tra silicagel, bị đổi màu phải thay đổi silicagel cho chai bi vào) Lấy cân (cân số), thu nhận mo (g) • Chuẩn bị mẫu Mẫu nghiền nhỏ qua rây 1mm Cân khoảng 5g mẫu xác đến 0,0001g vào chén sấy, m1 (g) Sấy mẫu nhiệt độ 105oC Lấy làm nguội bình hút ẩm khoảng 30 phút Chuyển mẫu vào ống giấy lọc, gấp cẩn thận, cho vào ống chiết Soxhlet • Tiến hành chiết Cho dung mơi vào ống chiết, đến độ cao ống xiphong, thêm 50ml dung mơi vào bình cầu Lắp hệ thống chiết cố định đảm bảo độ kín hệ thống để dung mơi khơng ngồi Đun bình cầu bếp đun 85 ± oC Quá trình chiết hồn thành dung mơi ống chiết (khơng cịn màu nâu đỏ) • Thu mẫu Nghiêng ống chiết để tồn dung mơi chảy xuống bình cầu Cho tồn dung mơi vào bình cầu hệ thống quay Q trình quay thực lượng dung mơi bay hết cịn lại CNSL Thu mẫu cho vào chai bi (chú ý: cần tráng thật kỹ bình cầu để tránh mẫu) Mẫu mang sấy 105oC 1h Quá trình sấy lặp lại khối lượng khơng đổi Mang cân thu m2, (g) c Tính tốn kết Hàm lượng CNSL tính % theo công thức: X (%) = m1 − m0 m m0 khối lượng chai đựng mẫu (g) m2 khối lượng chai đựng mẫu CNSL (g) m1 khối lượng mẫu (g) 3.5 Thí nghiệm 2: xác định điều kiện tối ưu trình thủy phân a Thí nghiệm 2.1: xây dựng đường chuẩn glucose a Dụng cụ, hóa chất b Phương pháp tiến hành c Tính tốn b Thí nghiệm 2.2: khảo sát q trình thủy phân a Dụng cụ, hóa chất • Dụng cụ - Bếp điều nhiệt - Erlen 50 ml - Bộ lọc chân không - Brix kế - Máy đo pH - Máy quang phổ hấp thu UV – VIS - Quỳ tím • Hóa chất - H2SO4 (2, 3, 4, 5)% - Thuốc thử DNS - NaOH (4, 6, 8, 10)% b Phương pháp tiến hành • Chuẩn bị mẫu - Mẫu nghiền qua rây mm (bảo quản túi nhựa) • Thủy phân mẫu - Cân 5g mẫu cho vào bình tam giác 50ml - Lấy 50ml H2SO4 (với nồng độ khác – 2, 3, 4, 5%) cho vào bình tam giác (tỷ lệ khối lượng mẫu : V H2SO4 = : 10) - Đun mẫu bếp điều nhiệt 100 ± oC (ở khoảng thời gian khác – 1, 2, 3, 4h) - Sau khoảng thời gian, thu mẫu để nguội - Lắp hệ thống lọc chân không, tiến hành lọc mẫu (lọc nguội) - Thu mẫu lọc, tiến hành xác định thơng số thí nghiệm: V ban đầu, pHban đầu, oBrixban đầu - Trung hòa mẫu đến pH = ± 1, ghi nhận VNaOH, Vtổng - Lọc mẫu loại bỏ kết tủa (màu đen rêu) - Thu mẫu, xác định thông số sau trung hòa như: pH sau, Vtổng, o Brixsau, ABS c Tính tốn Giá trị hàm lượng glucose (mg/ml) tính tốn dựa phương trình đường chuẩn qua thơng số ABS đo thí nghiệm 3.6 Thí nghiệm 3: khảo sát trình lên men chất glucose 3.6.1 Thí nghiệm 3.1: so sánh hoạt tính lên men loại nấm men 3.6.2 Thí nghiệm 3.2: Khảo sát trình lên men chất glucose 3.7 Thí nghiệm 4: lên men dịch thủy phân điều kiện tối ưu ... LỚP: DH09HH Đầu đề luận án: NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ VỎ HẠT ĐIỀU Nhiệm vụ (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu): Nghiên cứu trình thủy phân rơm rạ Nghiên cứu trình lên men glucose... trợ PGS Ts Trương Vĩnh, thực đề tài: ? ?Nghiên cứu phương pháp sản xuất ethanol nhiên liệu từ vỏ hạt điều? ?? 1.2 Mục đích đề tài • Nghiên cứu thủy phân vỏ hạt điều acid sunfuric • Đánh giá lại trình... sản xuất ethanol nhiên liệu từ vỏ hạt điều chia làm hai phần Phần đầu nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố: nồng độ acid, thời gian thủy phân phần hai nghiên cứu trình lên men lên men dịch thủy phân Vỏ hạt