Sản xuất bioethanol từ rơm rạ

Nguồn nhiên liệu đang dần cạn kiệt, vì vậy cần tìm nguồn thay thế tránh gây ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên cấp thiết. Đó là sản xuất nhiên liệu sinh học từ các phế phẩm nông nghiệp I. Đặt vấn đề II. Giới thiệu về rơm rạ III. Một số VSV và VK sử dụng trong sx Bioethanol IV. Phân lập và bảo quản giống V. Quy trình sản xuất VI. Ứng dụng và ý nghĩa

ỨNG DỤNG VÀ Ý NGHĨA SẢN XUẤT BIOETHANOL TỪ RƠM RẠ I - - - - ĐẶT VẤN ĐỀ Nền kinh tế giới phụ thuộc vào nhiều vào nhiên liệu hóa thạch, nhu cầu lượng không ngừng gia tăng theo phát triển KT – XH Với tốc độ tiêu thu lượng trữ lượng dầu mỏ có, nguồn lượng nhanh chóng bị cạn kiệt vòng 40 – 50 năm tới Hơn nữa, chất đốt hóa thạch làm tăng lượng CO2 khí quyển, làm nhiệt độ Trái Đất ngày nóng lên Do đó, việc tìm kiếm nguồn thay cho nhiên liệu ngày trở nên cấp thiết Một hướng để giải nhiệm vụ sản xuất nhiên liệu sinh học cách sử dụng sinh khối, sản xuất từ thực vật phế thải ví dụ như: loại nông nghiệp, chất thải đô thị hay phụ phẩm nông lâm nghiệp Ethanol sản xuất từ thực vật bao gồm đường, tinh bột lignocellulose, sản xuất từ vật liệu đường tinh bột coi hệ nhiên liệu sinh học Tuy nhiên, việc sử dụng nguyên liệu hệ dẫn đến nhiều vấn đề nảy sinh bao gồm an ninh lương thực việc thay đất nông nghiệp nhu cầu nhiên liệu sinh học ngày cao Thế hệ thứ hai nhiên liệu sinh học sử dụng phế thải có chứa cellulose làm nguyên liệu có số lượng lớn chi phí thấp Việc sử dụng phế thải làm giảm đáng kể áp lực nhu cầu đất đai đáp ứng nhu cầu nhiên liệu sinh học Việc sử dụng rơm rạ nguyên liệu thay để sản xuất nhiên liệu sinh học nghiên cứu Nền nông nghiệp VN năm tạo lượng lớn phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu lignocellulose từ vụ mùa Tận dụng nguồn rơm rạ để sản xuất bioethanol phương pháp sử dụng rơm rạ cách hiệu đồng thời góp phần giải lượng cho nước ta II GIỚI THIỆU VỀ NGUỒN RƠM RẠ TẠI VIỆT NAM Hiện trạng - Theo ước tính, sào ruộng phát sinh khoảng đến tạ rơm tươi (tương đương với đến tạ rơm khô) Việc đốt rơm, rạ gây tác động tiêu cực đến môi trường không khí, làm gia tăng khói bụi, nhiệt độ; nhiệt độ tăng không tận dụng chất hữu làm thoái hóa đất, suy giảm đa dạng sinh học, hệ sinh vật đất Môi trường ô nhiễm tác động trực tiếp đến sức khỏe người, bệnh liên quan đường hô hấp Ðáng lưu ý, thành phần chất ô nhiễm đốt rơm, rạ có số hợp chất chất dẫn xuất đi-ô-xin, lâu dài gây bệnh ung thư Thực tế có nhiều trường hợp tai nạn giao thông dẫn đến chết người khói rơm, rạ gây nên - Các nguồn sinh khối Việt Nam năm 2000 STT Khối lượng Phần trăm (%) (triệu tấn) Sinh khối Rơm rạ, trấu 67,5 67,2 Thứ phẩm, phụ phẩm từ ngô 4,8 1,3 Gỗ thải từ nhà máy cưa 3,1 2,6 Gỗ đốt 12,4 13,4 Rác thải rắn 0,015 (≈) Bã sắn 0,6 0,5 Thứ, phụ phẩm từ mía 6,5 4,0 Vỏ đậu 0,1 0,1 Xơ dừa 5,8 7,5 0,3 0,3 10 Vỏ hạt café Bảng số liệu đồ thị cho thấy vị trí tiềm lớn loại thứ phẩm, phụ phẩm nông lâm nghiệp gồm rơm rạ, trấu từ lúa, thứ phụ phẩm từ ngô, mùn cưa viêc sử dụng làm nguồn nguyên liệu, chiếm tới gần 80% tổng khối lượng sinh khối Việt Nam (năm 2000) Hơn nữa, sản lượng lúa ngô nước ta ngày tăng nên nguồn thứ phụ phẩm từ sản xuất lúa ngô tăng - Sản lượng lúa ngô vài năm gần (Đơn vị: nghìn tấn) Năm Sản lượng lúa Sản lượng ngô 2005 35.832,9 3.787,1 2006 35.849,5 3.854,6 2007 35.942,7 4.303,2 2008 38.725,1 4.531,2 ( Nguồn: Niên giám thống kê 2008 ) Việc khai thác hợp lý nguồn lượng sinh khối giúp cho địa phương có khả tự cung cấp đảm bảo nguồn lượng giúp cho người nông dân tận dụng phế thải sẵn có hộ gia đình Hơn việc khai thác nguồn nhiên liệu sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp không đòi hỏi kỹ thuật đại Các thành phần rơm a Cellulose - Là polymer mạch thẳng D-glucose, D-glucose liên kết với liên kết β 1-4 glucosid Cellulose loại polymer phổ biến trái đất, độ trùng hợp đạt 3.500 – 10.000 DP Các nhóm _OH hai đầu mạch có tính chất hoàn toàn khác nhau, cấu trúc hemiacetal C1 có tính khử, _OH C4 có tính chất rượu Hình 2-3 Công thức hóa học cellulose - Các mạch cellulose liên kết với nhờ liên kết H liên kết Van Der Waals, hình thành hai vùng cấu trúc kết tinh vô định hình Trong vùng kết tinh, phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng khó bị công enzyme hóa chất Ngược lại, vùng vô định hình, cellulose liên kết không chặt với nên dễ bị công b Hemicellulose - Là polysaccharide tan kiềm acid Công thức phân tử ( C5H8O4 )n, có cấu tạo phức tạp 50 – 200 phân tử đường tạo nên Hemicellulose chứa đường gồm glucose, mannose galactose đường gồm xylose arabinose Thành phần hemicellulose β-D xylopyranose, liên kết với liên kết β (1, 4) - Cấu tạo hemicellulose phức tạp đa dạng tùy vào nguyên liệu, nhiên có vài điểm chung gồm: • Mạch hemicellulose cấu tạo từ liên kết β - (1, 4) • Xylose thành phần quan trọng • Nhóm phổ biến nhóm acetyl O – liên kết với vị trí - Mạch nhánh cấu tạo từ nhóm đơn giản, thông thường disaccharide trisaccharide Sự liên kết hemicellulose với polysaccharide khác với lignin nhờ mạch nhánh Cũng hemicellulose có mạch nhánh nên tồn dạng vô định hình dễ bị thủy phân c Lignin - Là polyphenol có cấu trúc mở Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vai trò chất liên kết thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose hemicellulose nên khó để tách lignin hoàn toàn - Là polymer, cấu thành từ đơn vị phenylpropene, vài đơn vị cấu trúc điển hình đề nghị là: guaiacyl (G), chất gốc rượu trans-coniferyl; syringly (S), chất gốc rượu trans-sinapyl; p-hydroxylphenyl (H), chất gốc rượu trans-p-courmary - Cấu trúc hóa học lignin dễ bị thay đổi điều kiện nhiệt độ cao pH thấp điều kiện trình tiền xử lý nước Ở nhiệt độ cao 200 0C, lignin bị kết khối thành thành phần riêng biệt tách khỏi cellulose III MỘT SỐ VI SINH VẬT VÀ VI KHUẨN TRONG SẢN XUẤT BIOETHANOL A NẤM MEN Saccharomyces ceresiviae a Cấu tạo Hình dạng: tế bào hình cầu, hình ovan, elip, hình trụ hình sợi Nấm men thay đổi hình dáng kích thước giai đoạn phát triển điều kiện môi trường xung quanh Có kích thước tương đối lớn, đường kính khoảng 1µm, chiều dài 8µm Thành tế bào dày khoảng 25nm, cấu tạo từ glucan mannan b Đặc tính sinh học Là vi sinh vật nhân chuẩn đơn bào, có đặc tính chủ yếu điển hình Eukaryote Thích nghi môi trường chứa đường cao, có tính acid cao, dễ dàng thu nhận sinh khối tế bào Sinh sản vô tính theo kiểu nảy chồi, sống kị khí không bắt buộc c Đặc điểm sinh hóa Những tác động pH thấp, hàm lượng đường cao khả chịu áp suất thẩm thấu tế bào yếu tố đánh giá cho màng tế bào Ngoài thiếu hụt chất dinh dưỡng gây biến động đáng kể cho sinh trưởng nấm men Do phải cân nhắc phương pháp kỹ thuật lên men - - Nấm men vi sinh vật kỵ khí tùy tiện Khi thiếu O chúng lên men mạnh không sinh trưởng, có O2 trình hô hấp lên men bị ức chế, tiêu thụ glucose sản lượng etanol CO2 giảm sinh khối, trái lại số lượng tế bào tăng lên - Đối với nấm men trình hoạt động sống, chúng đồng hóa monosacarit điều kiện yếm khí, thải môi trường xung quanh sản phẩm dị hóa rượu etylic khí cacbonic nhờ tác dụng phức hệ enzyme d Khả sinh ethanol - S.cerevisiae thuộc loại nấm men lên men Trong trình lên men, tế bào chúng lơ lửng dung dịch lên men tập trung bề mặt Nhờ tăng diện tích tiếp xúc với chất, trình lên men xảy nhanh chóng mạnh mẽ - Có khả lên men nhiệt độ cao 36-400C, chịu độ acid - Nấm men điều kiện kỵ khí chuyển hóa glucose thành ethanol đường EM Phản ứng thật bao gồm tạo thành 2mol ethanol, 2mol CO 2mol ATP glucose lên men Do vậy, mặt trọng lượng gam glucose lý thuyết tạo 0,51g ethanol Tuy nhiên sản lượng đạt thực tế thường không vượt 90,95% số lý thuyết Pichia stipitis: - Vi khuẩn có dạng hình cầu hay elip - Là loại nấm men lên men đường ( xylose, ) với hiệu suất tiêu thụ cao, chịu nhiệt độ nồng độ chất cao Tuy nhiên lại bị ức chế ethanol nồng độ cao - P stipitis có khả sản xuất ethanol với suất cao nên thành phần quan trọng ngành công nghiệp nhiên liệu lượng sinh học thay B VI KHUẨN - Zymomonas mobilis vi sinh vật kỵ khí khác với nấm men, không cần đến bổ sung O2 để tồn phát triển Quá trình tạo ethanol Zymomonas mobilis tạo sản phẩm phụ nấm men, thao tác gen đơn giản  Điều mang đến hội cho sản xuất ethanol công nghiệp suất Zymomonas mobilis cao hẳn nấm men S.cerevisiae Zymomonas mobilis: - Vi khuẩn gram âm, kỵ khí hình que, dài từ 2-6 µm, rộng 1- 1,5 µm, thường xuất dạng cặp Hầu hết giống không di động được, phần di động nhờ tiên mao phân cực - Tế bào dạng bào tử, màng nhầy vỏ bọc bên ngoài, lipid nội - bào, glucogen - Con đường lên men: Zymomonas mobilis chuyển hóa đường thành pyruvat qua đường ED Pyruvat sau lên men tạo thành ethanol CO2 sản phẩm - Đặc điểm: • Đường hấp thu sản lượng sản phẩm cao • Khí tạo thành • Khả chịu ethanol cao • Không phụ thuộc vào điều chỉnh O2 thêm vào trình lên men IV PHÂN LẬP VÀ ĐỊNH DANH S.CEREVISIAE e Phân lập - Mục đích: lấy chủng nấm men S.cerevisiae để làm giống cho trình lên men ethanol từ rơm rạ Nguyên tắc chung : tách rời tế bào vi sinh vật nuôi tế bào môi trường đặc trưng cho khuẩn lạc riêng rẽ, cách biệt Chuẩn bị môi trường STT - Tên hóa chất Glucose Peptone KH2PO4 MgSO4.7H2O Agar Nước cất Hàm lượng 20g/l 10g/l 3g/l 2,5g/l 20g/l 1l Cách tiến hành: + Nghiền men bánh mì + Cân 1g mẫu có vi sinh vật cho vào ống nghiệm chứa 9ml nước cất vô trùng + Lấy 1ml mẫu + 9ml nước cất cho vào ống nghiệm, ta dung dịch pha loãng 10 -1 Tiếp tục làm ta dung dịch pha loãng 10-2, 10-3 + Hút 100µl mẫu nồng độ pha 10 -3 cấy ria lên đĩa peptri có môi trường thạch Hasen + Nuôi cấy nhiệt độ 300 C 24 – 48h, quan sát phát triển khuẩn lạc  Chủng S.cerevisiae có khuẩn lạc màu trắng sữa, tròn , to, bề mặt trơn bóng + Cấy chuyền khuẩn lạc vào ống thạch nghiêng, đem bảo quản giống 0C Khi sử dụng mang ống thạch nhân giống nên hoạt hóa lại sau đến tháng để giữ giống Định danh giải mã trình tự - Tách chiết DNA nấm men - Dùng máy PCR Thermal Cycle để nhân đặc hiệu đoạn DNA - Điện di sản phẩm gel agarose 2% - Tinh sản phẩm clean up Promega - Nấm Điệnmen di sản phẩm tinh hệ thống máy Agilent 2100 Bioanalyzer giải trình tự hệ thống máy ABI 3103XL - Phân tích trình tự phần mềm Sequencing analysis định danh BLAST Nhân giống NCBI Bioethanol f V Quy trình sản xuất Chuẩn bị nguyên liệu Lên men Thủy phân Chưng cất Tiền xử lý Chuẩn bị nguyên liệu Nguyên liệu sản phẩm nông nghiệp Trước tiến hành sản xuất công nghiệp phải tiến hành phân loại loại bỏ thành phần không thích hợp Tùy nguyên liệu mà có biện pháp xử lý tương ứng Ta chọn nguồn nguyên liệu rơm rạ chúng chứa nhiều cellulose Cellulose thành phần cấu tạo màng tế bào, thành phần sản xuất ethanol Là hợp chất cao phân tử chúng tham gia nhiều phản ứng thủy phân, phản ứng tạo nhánh phân tử cellulose Rửa nguyên liệu đồng thời băm, nghiền nhỏ nguyên liệu để phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật nhằm tạo điều kiện cho trình thủy phân diễn nhằm tăng hiệu suất thủy phân Tiền xử lý Để chuyển hóa cellulose thành ethanol, polymer chuyển hóa phải bẻ gãy thành phân tử nhỏ trước vi sinh vật hoàn toàn đường chuyển hóa Những yếu tố cấu trúc thành phần ảnh hưởng đến khả chống lại công enzyme lignincellulose: - - - - + Cấu trúc tinh thể cellulose: cellulose tự nhiên hình thành cấu trúc tinh thể chống lại công enzyme + Sự bao bọc lignin quanh cellulose: lignin với hemicellulose tạo thành cấu trúc mô, lignin đóng vai trò kết dính sợi cellulose + Bề mặt tiếp xúc tự cellulose: liên quan đến bề mặt tiếp xúc cellulose với enzyme thể tích xốp, bề mặt tiếp xúc tự có liên quan đến độ kết tinh bảo vệ lignin + Sự diện hemicellulose: lignin, hemicellulose tạo thành lớp bảo vệ xung quanh cellulose, nghiên cứu xử lý acid sulfuric khả thủy phân tăng theo tỉ lệ hemicellulose bị loại bỏ, thí nghiệm tiền xử lý rơm lúa mì acid, kết cho thấy việc loại bỏ hemicellulose gia tăng đáng kể khả thủy phân rơm rạ + Mức độ acetyl hóa hemicelluloses - - - - Quá trình tiền xử lý: • Tăng vùng vô định hình celllose • Tăng kích thước lỗ xốp cấu trúc sợi biomass • Phá vỡ bao bọc lignin hemicellulose cellulose a Xử lý phương pháp nổ nước (Steam explosion) Là trình – hóa – nhiệt, phá vỡ cấu trúc hợp phần với giúp đỡ nhiệt dạng ( nhiệt ), lực cắt giãn nở ẩm ( ) thủy phân liên kết glucoside ( ) Cơ chế: trình tác động học, hóa học nhiệt độ lên hỗn hợp nguyên liệu Nguyên liệu bị phá vỡ cấu trúc tác động nhiệt, áp lực giãn nở ấm phản ứng thủy phân liên kết glucoside nguyên liệu Quá trình nổ gồm giai đoạn: + Giai đoạn 1: nước áp suất cao thâm nhập vào cấu trúc lignocellulose trình khuếch tán làm ẩm nguyên liệu Ẩm biomass thủy phân nhóm acetyl hemicellulose hình thành nên acid hữu Các acid xúc xác trình depolymer hóa hemicellulose, giải phóng xylan phần glucan + Giai đoạn 2: ẩm ngưng tụ cấu trúc biomass bốc tức thời giảm áp đột ngột Sự giãn nở nước gây lực cắt bao quanh cấu trúc nguyên liệu Nếu lực cắt đủ lớn, nước gây phá hủy học lên cấu trúc lignocellulose Thời gian biomass lưu lại thiết bị phản ứng giúp xác định phạm vi thủy phân hemicellulose acid hữu b • • • • • • Xử lý NaOH: rơm sau nổ ngâm dung dịch NaOH 0.1N 24h Mục đích: để NaOH thủy phân lignin Lọc ép: rơm sau ngâm qua đêm dung dịch kiềm mang lọc ép máy ép pittong, nhằm loại bỏ dịch chứa lignin Trung hòa: Rơm sau lọc ép chỉnh pH tới - acid HCl Lọc ép: Cuối rơm lọc ép lần cuối loại bỏ dung dịch acid, bã rắn bảo quản tủ lạnh ( chưa dùng tới ) để tránh phát triển nấm mốc Ưu nhược điểm trình nổ Ưu điểm: Tăng kết tinh cellulose cách thúc đẩy kết tinh vùng cô định hình Hemicellulose bị thủy phân trình nổ Sự nổ thúc dẩy việc khử lignin Nhược điểm Tốn chi phí, lượng vận hành Đòi hỏi thiết bị chịu nhiệt độ, áp suất cao Có thể phân hủy cellulose • c - - - Làm sinh fufural 5-hydroxymethyl fufural gây ức chế trình lên men Các yếu tố ảnh hưởng trình nổ Thời gian: thời gian lưu nguyên liệu thiết bị phản ứng dài hemicellulose thủy phân nhiều Nếu giữ nguyên liệu thiết bị lâu  Thủy phân sản phẩm thủy phân tạo sản phẩm không cần thiết Việc thủy phân hemicellulose giúp cho trình thủy phân cellulose diễn thuận lợi Nhiệt độ: có mối quan hệ chặt chẽ với áp suất thiết bị Nhiệt độ cao áp suất cao ngược lại Sự gia tăng áp suất làm tăng chênh lệch áp suất thiết bị áp suất khí  Ảnh hưởng đến lực cắt ẩm khí hóa Thủy phân Để thủy phân cấu trúc cellulose cellulose tinh thể cần có tham gia nhiều enzyme Cellulase gồm hợp phần bản: endoglucanase, exoglucanase ( cellobiohydrolase ) β-glucosidase ( cellobiase ) Các sản phẩm cuối trình thủy phân ức chế tác dụng cellulose Do trình thủy phân phải liên tục tách sản phẩm khỏi dịch thủy phân Cơ chế: • Endoglucanase thủy phân liên kết β-1,4-glucoside vùng vô định hình tạo nhiều đầu không khử • Exoglucanase cắt đơn vị cellobiase từ đầu không khử • β-glucosidase tiếp tục thủy phân cellobiose tạo glucose • - Nhân giống nấm men Chọn nấm men có tên cerevisiae Ống giống gốc Ống nghiệm 10mL Saccharomycas Bình nuôi 100mL Thùng 1000L đủ lượng giống yêu cầu Thùng 100L Bình 10L Bình cầu 1000mL - Từ ống gốc đến 10l thường thực phòng thí nghiệm Môi trường nuôi cấy 10ml, 100ml Môi trường nuôi cấy giai đoạn thường dùng malt đại mạch Từ 10l thực phân xưởng sản xuất Thao tác thực hiện: Men giống nuôi cấy môi trường thạch nghiêng Khi có men giống chuẩn bị xong môi trường, ta tiến hành cấy chuyền nấm men giống từ môi trường thạch nghiêng sang môi trường dịch thể 10ml Sau nuôi tủ ấm, trì nhiệt độ 28 - 320C giữ thời gian 20 - 24 Sau thời gian ta chuyển nấm men từ ống nghiệm 10ml sang bình 100ml, 1000ml chứa môi trường dinh dưỡng chuẩn bị trước, thời gian nuôi cấy 12 Tiếp tục, chuyển sang nuối cấy bình 10l, sau 10 - 12 chuyển sang nuôi cấy thiết bị lớn Hỗn hợp sau lên men gọi giấm chín Lên men Hình : Sơ đồ lên men liên tục Sơ đồ gồm: hai thùng nhân giống nấm men cấp 1, thùng nhân giống nấm men cấp 2, thùng lên men có khoảng - thùng lên men Thùng nhân giống cấp đặt thùng nhân giống cấp để dễ dàng tự chảy Thùng nhân giống cấp đặt cao so với thùng lên men - Khi bắt đầu sản xuất ta chuẩn bị nấm men giống thùng cấp lệch khoảng - Khi nấm men giống thùng nhân giống nấm men cấp đạt yêu cầu tháo xuống thùng cấp Thùng vừa giải phóng cần vệ sinh, trùng đổ đầy dịch đường Tiếp trùng 750C axit hoá tới độ chua 1,8 - 2,4g H 2SO4/l Sau làm lạnh đến nhiệt độ nhân giống cho 25 - 30% lượng nấm men giống thùng cấp lại - 10 vào lên men đến độ biểu kiến - 6% Lượng nấm men giống lại thùng cấp tháo hết xuống thùng cấp Sau vệ sinh trùng lại tiếp tục chu kỳ nhân giống khác - Ở thùng nhân giống nấm men cấp tiếp tục cho dịch đường tới đầy axit hoá tới độ chua - 1,25g H2SO4/l lên men tiếp tới độ lên men biểu kiến - 6% Cho toàn dịch thùng cấp vào thùng lên men liên tục cho dịch đường vào Dịch lên men tiếp tục chảy từ thùng lên men sang thùng bên cạnh đến thùng cuối ta thu giấm chín Tổng thời gian lên men 70 – 72h, nhiệt độ lên men thùng lên men ( 25 - 270C ), hai thùng ( 27 - 300C ), thùng lại ( 27 - 28 C ) - Hỗn hợp sau lên men gọi giấm chín - Cơ chế trình lên men - Các yếu tố ảnh hưởng trình lên men: • Nhiệt độ: nhiệt độ cao, hoạt tính nấm men giảm nhanh dễ bị nhiễm vi sinh vật khác, tạo nhiều sản phẩm phụ ( ester, aldehyde ) tổn thất ethanol • pH: pH tối ưu để tạo ethanol 4,5 – 5, pH thấp khoảng – nấm men hoạt động vi khuẩn bị ức chế Nếu pH cao, tạo sản phẩm có độ chua thấp, dễ bị nhiễm khuẩn tạo nhiều sản phẩm phụ, hiệu suất lên men thấp • Nồng độ dịch lên men: nồng độ dịch đường cao  Tăng áp suất, cân trạng thái sinh lý nấm men Đường nhiều  Hao tổn nguồn nguyên liệu kéo dài thời gian lên men Nồng độ đường dịch lên men thấp  Giảm suất thiết bị lên men làm cho nấm men không đủ chất dinh dưỡng để phát triển 11 Thời gian: phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhiệt độ lên men, nồng độ đường, chủng nấm men Thời gian lên men tính cấy chủng nấm men vào môi trường lên men, thời gian kết thúc tùy thuộc vào môi trường lên men cụ thể tùy thuộc vào mục đích lên men mà ta dừng trình lên men • Nồng độ CO2 môi trường: hàm lượng đường cao cản trở CO thoát  Ức chế sinh sản nấm men hiệu suất lên men thấp Do vậy, thùng lên men phải có nút đặc biệt cho phép CO2 bay mà không cho không khí vào • Thành phần chất dinh dưỡng môi trường nấm men: phải có đầy đủ thành phần dinh dưỡng chủ yếu glucide dạng monosaccharide disaccharide, nito dạng acid amin, muối vô trừ dạng muối NO 22-, NO3- , vitamin muối khoáng • Hàm lượng giống nấm men: loài nấm men có khả lên men khác nhau, điều kiện khả lên men khác nhau, sản phẩm trình lên men khác Chưng cất tinh chế • Chưng cất trình tách cồn chất dễ bay khỏi giấm chín để thu cồn thô bã rượu - Tinh chế trình tách tạp chất khỏi cồn thô nâng cao nồng độ cồn cuối nhận cồn tinh chế - Tiến hành: theo sơ đồ chưng ba tháp gián tiếp dòng - Hình: Sơ đồ chưng ba tháp gián tiếp dòng Chú thích: Thùng chứa dấm chín Bình làm lạnh ruột gà 12 - - - - Bình hâm dấm Tháp trung gian ( tháp aldehyde ) Bình tách CO2 9,10 Bình ngưng tụ Tháp thô 11.Tháp tinh chế Bình chống giấm 12 Bình ngưng tụ hồi lưu Bình ngưng tụ cồn thô 13 Bình làm lạnh sản phẩm Quá trình: Giấm chín bơm lên thùng chứa giấm chín ( ), sau tự chảy vào bình hâm giấm ( ) Ở giấm chín hâm nóng rượu ngưng tụ đến nhiệt độ 70 - 800C  Chảy qua bình tách CO2 số ( )  Tháp (4) Khí CO2 rượu bay lên ngưng tụ ( ) qua ( ) Tháp thô đun trực tiếp, rượu từ lên, giấm chảy từ xuống nhờ trình chuyển khối thực hiện, sau rượu khỏi tháp ngưng tụ ( ) ( )  (7) Chảy xuống tới đáy nồng độ rượu giấm khoảng 0,015 - 0,03% V thải gọi bã rượu Muốn kiểm tra rượu sót bã ta phải ngưng tụ dạng cân với pha lỏng Hơi ngưng tụ có nồng độ 0,4 - 0,6% đạt yêu cầu Nhiệt độ tháp thô 103 - 1050C Phần lớn rượu thô (90 - 95%) liên tục vào tháp aldehyde số ( ) Tháp dùng trực tiếp, ruợu bay lên ngưng tụ hồi lưu đến 90%, điều chỉnh lượng nước làm lạnh lấy khoảng - 5% gọi cồn đầu Một phần rượu thô (5 - 10%) ( ) hồi lưu vào đỉnh tháp aldehyde chứa nhiều tạp chất Sau tách bớt tạp chất, rượu thô từ đáy tháp aldehyde số ( ) liên tục vào tháp tinh ( 11 ) với nồng độ 35 - 40%V Tháp tinh chế ( 11 ) cấp nhiệt trực tiếp ( gián tiếp ), bay lên nâng dần nồng độ sau ngưng tụ ( 12 ) hồi lưu lại tháp Bằng cách điều chỉnh lượng nước làm lạnh ta lấy 1,5 - 2% cồn đầu cho hồi lưu đỉnh ( ) Cồn sản phẩm lấy dạng lỏng cách đĩa hồi lưu đến đĩa làm lạnh ( 13 ) Nhiệt độ đáy tháp aldehyde trì nhiệt độ 78 - 790C Nhiệt độ thân tháp tinh vị trí cách đĩa tiếp liệu - đĩa phía khống chế 82 - 830C VI ỨNG DỤNG VÀ Ý NGHĨA SẢN XUẤT ETHANOL Ứng dụng Xăng sinh học: hỗn hợp xăng truyền thống cồn sinh học ( Bioethanol ), 95% xăng A92 không chì 5% cồn sinh học, sử dụng làm nhiên liệu cho loại động đốt xe máy, ô tô, Đồ uống có cồn: Ethanol thành phần đồ uống có cồn, uống ethanol chuyển hóa lượng cung cấp chất dinh dưỡng Thuốc sát trùng: Dung dịch chứa 70% ethanol sử dụng chất tẩy Hiệu việc chống lại phần lớn loại vi khuẩn nấm, nhiều loại virus, không tiêu diệt bào tử vi khuẩn Dược: ethanol thuốc ngủ, độc hại chết thường xảy nồng độ cồn máu vượt 5%, giảm thị lực bất tỉnh nồng độ thấp - - - 13 - Làm dung môi: Ethanol có sơn, sản phẩm chăm sóc cá nhân nước hoa, chất khử mùi,sưng móng tay, Làm nguyên liệu: Ethanol thành phần quan trọng công nghiệp sử dụng rộng rãi hợp chất hữu như: ethyl halogenua, ethyl ester, acid acetic, Ý nghĩa Có ý nghĩa to lớn nhiều mặt, môi trường kinh tế, thúc đẩy nông nghiệp phát triển đồng thời làm tăng diện tích đất trồng cây, làm tăng diện tích phổi Trái Đất VII Tài liệu tham khảo - - Trần Diệu Lý, Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ, ĐH bách khoa,2008 http://www.slideshare.net/tulipbong7/bao-cao-thuc-tap-35full-2 Cao Đình Khánh Thảo, Nghiên cứu thử nghiệm khả xử lý rơm rạ để lên men ethanol, Luận văn Đại học, Bộ môn Công Nghệ Sinh Học – Khoa Công Nghệ Hóa Học, 01/2007 Th.S Trịnh Hoài Thanh, Nghiên cứu trình xử lý rơm rạ để chế biến cồn nhiên liệu, Luận văn Thạc sĩ, Bộ môn Máy Thiết bị - Khoa Công nghệ Hóa học M.Roehr, The Biotechnology of ethanol classical and future application, Weinheim, WILEY – VCH Verlag GmbH, 2001 14 [...]... khảo - - Trần Diệu Lý, Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ, ĐH bách khoa,2008 http://www.slideshare.net/tulipbong7/bao-cao-thuc-tap-35full-2 Cao Đình Khánh Thảo, Nghiên cứu thử nghiệm khả năng xử lý rơm rạ để lên men ethanol, Luận văn Đại học, Bộ môn Công Nghệ Sinh Học – Khoa Công Nghệ Hóa Học, 01/2007 Th.S Trịnh Hoài Thanh, Nghiên cứu quá trình xử lý rơm rạ để chế biến cồn nhiên liệu, Luận... vật khác, tạo nhiều sản phẩm phụ ( ester, aldehyde ) và tổn thất ethanol • pH: pH tối ưu để tạo ethanol là 4,5 – 5, nếu pH thấp khoảng 3 – 4 nấm men còn hoạt động được và vi khuẩn bị ức chế Nếu pH cao, tạo sản phẩm có độ chua thấp, dễ bị nhiễm khuẩn và tạo nhiều sản phẩm phụ, hiệu suất lên men thấp • Nồng độ dịch lên men: nồng độ dịch đường quá cao  Tăng áp suất, mất cân bằng trạng thái sinh lý của... Bình làm lạnh sản phẩm Quá trình: Giấm chín được bơm lên thùng chứa giấm chín ( 1 ), sau đó tự chảy vào các bình hâm giấm ( 2 ) Ở đây giấm chín được hâm nóng bằng hơi rượu ngưng tụ đến nhiệt độ 70 - 800C  Chảy qua bình tách CO2 số ( 3 )  Tháp (4) Khí CO2 và hơi rượu bay lên được ngưng tụ ở ( 6 ) qua ( 7 ) rồi ra ngoài Tháp thô được đun bằng hơi trực tiếp, hơi rượu đi từ dưới lên, giấm chảy từ trên xuống... aldehyde duy trì ở nhiệt độ 78 - 790C Nhiệt độ thân tháp tinh ở vị trí cách đĩa tiếp liệu 3 - 4 đĩa về phía trên khống chế ở 82 - 830C VI ỨNG DỤNG VÀ Ý NGHĨA SẢN XUẤT ETHANOL Ứng dụng Xăng sinh học: hỗn hợp xăng truyền thống và cồn sinh học ( Bioethanol ), trong đó 95% là xăng A92 không chì và 5% cồn sinh học, được sử dụng làm nhiên liệu cho các loại động cơ đốt trong như xe máy, ô tô, Đồ uống có cồn:... độ đường, chủng nấm men Thời gian lên men được tính bắt đầu từ khi cấy chủng nấm men vào môi trường lên men, nhưng thời gian kết thúc thì tùy thuộc vào từng môi trường lên men cụ thể và tùy thuộc vào mục đích lên men mà ta dừng quá trình lên men • Nồng độ CO2 trong môi trường: hàm lượng đường cao sẽ cản trở CO 2 thoát ra ngoài  Ức chế sinh sản của nấm men và hiệu suất lên men thấp Do vậy, các thùng... khi tách bớt tạp chất, rượu thô từ đáy tháp aldehyde số ( 8 ) liên tục đi vào tháp tinh ( 11 ) với nồng độ 35 - 40%V Tháp tinh chế ( 11 ) cũng được cấp nhiệt bằng hơi trực tiếp ( gián tiếp ), hơi bay lên được nâng dần nồng độ sau đó ngưng tụ ở ( 12 ) rồi hồi lưu lại tháp Bằng cách điều chỉnh lượng nước làm lạnh ta lấy ra 1,5 - 2% cồn đầu rồi cho hồi lưu về đỉnh ( 8 ) Cồn sản phẩm lấy ra ở dạng lỏng cách... chua 1 - 1,25g H2SO4/l rồi để cho lên men tiếp tới độ lên men biểu kiến còn 5 - 6% Cho toàn bộ dịch ở thùng cấp 2 vào thùng lên men chính rồi liên tục cho dịch đường vào Dịch lên men sẽ tiếp tục chảy từ thùng lên men chính sang các thùng bên cạnh và đến thùng cuối cùng ta thu được giấm chín Tổng thời gian lên men là 70 – 72h, nhiệt độ lên men ở thùng lên men chính ( 25 - 270C ), hai thùng tiếp theo... là thuốc ngủ, mặc dù nó ít độc hại hơn nhưng cái chết thường xảy ra khi nồng độ cồn trong máu vượt 5%, giảm thị lực hoặc bất tỉnh ở nồng độ thấp 1 - - - 13 2 - Làm dung môi: Ethanol có trong sơn, các sản phẩm chăm sóc cá nhân như nước hoa, chất khử mùi,sưng móng tay, Làm nguyên liệu: Ethanol là thành phần quan trọng trong công nghiệp và sử dụng rộng rãi như một hợp chất hữu cơ như: ethyl halogenua,... acid amin, các muối vô cơ trừ dạng muối NO 22-, NO3- , các vitamin và muối khoáng • Hàm lượng giống nấm men: mỗi loài nấm men có khả năng lên men khác nhau, những điều kiện và khả năng lên men khác nhau, sản phẩm của quá trình lên men khác nhau Chưng cất và tinh chế • 6 Chưng cất là quá trình tách cồn cùng các chất dễ bay hơi ra khỏi giấm chín để thu được cồn thô và bã rượu - Tinh chế là quá trình tách