do an mon hoc xang sinh hoc

Xăng sinh học- Khái quát về xăng sinh họcCHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ XĂNG SINH HỌC 1.1 Khái niệm 1 Xăng sinh học trong tiếng Anh được gọi là gasohol hoặc biogasoline để phân biệtvới gasoline x

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌCMÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÔN HỌC -o0o -

BÁO CÁO ĐỒ ÁN

XĂNG SINH HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 5/2017

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÔN HỌC

MSSV: 2004150245

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 5/2017

Trang 4

Xăng sinh học

Trang 5

Khoa Công nghê Hóa h c ọ Trang 5

Trang 6

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Sinh viên: Phan Huỳnh Đăng Duy MSSV: 2004150245

Nhận xét:

Điểm đánh giá

Ngày……….tháng……….năm (Ký tên, ghi rõ họ và tên)

Trang 7

Xăng sinh học

MỤC LỤC

Trang 9

Xăng sinh học

LỜI MỞ ĐẦU

Kinh tế càng phát triển, đòi hỏi cơ sở vật chất càng tiện nghi và hiện đại hơn,nhưng nó cũng mang theo mình rất nhiều hệ lụy Đặc trưng nhất là ô nhiễm môi trường,Trái Đất đang nóng lên không ngừng do lượng CO2 thải ra quá lớn- hậu quả tất yếu từ sựphát triển quá mạnh mẽ của giao thông vận tải Điều này đã tạo ra thách thức cho các nhàkhoa học và không lâu sau đó, một nhiên liệu mới đã xuất hiện, làm giảm khí thải ô nhiễm

và rất an toàn, đó chính là xăng sinh học

Trang 10

Xăng sinh học

Sự phát triển không ngừng của thị trường năng lượng tái tạo đã làm bừng lên hyvọng vào sự ra đời của một kỉ nguyên mới – kỉ nguyên năng lượng tái tạo Năng lượng táitạo ngày càng khẳng định được vị thế và tầm quan trọng so với các nguồn năng lượngtruyền thống như than đá, khí đốt, dầu mỏ, Các nguồn năng lượng hóa thạch ấy đangdần bị cạn kiệt và các nguồn nhiên liệu mới như xăng sinh học được đầu tư và phát triểnnhiều hơn

Nội dung đề tài bao gồm những khái quát cơ bản về xăng sinh học, qui trình sảnxuất xăng sinh học và cũng như các tiêu chí qui định cho loại xăng này

LỜI CÁM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin cám ơn các thầy cô thuộc khoa Công nghệHóa học đã tạo điều kiện cho em được học hỏi nhiều hơn thông qua môn đồ án môn họcnày Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Hưng Thủy đã tận tình hướng dẫn

em trong suốt thời gian qua để em có thể hoàn thành bài báo cáo đồ án này Sau cùng, emKhoa Công nghê Hóa h c ọ Trang 10

Trang 12

Xăng sinh học- Khái quát về xăng sinh học

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ XĂNG SINH HỌC

1.1 Khái niệm (1)

Xăng sinh học trong tiếng Anh được gọi là gasohol hoặc biogasoline để phân biệtvới gasoline (xăng thông thường), được tạo ra bằng cách phối trộn cồn sinh học ethanolkhan (anhydrous ethanol) với xăng thông thường theo một tỉ lệ nhất định, trong đó xăngE5 gồm 5% ethanol và 95% xăng thông thường, còn xăng E10 có 10% ethanol Xăng sinhhọc từ E5 đến E25 được gọi là hỗn hợp ethanol thấp, từ E30 đến E85 là hỗn hợp ethanolcao E100 là Ethanol nguyên chất sau khi sản xuất

độ 78,39oC), hóa rắn ở -114,15oC, tan trong nước vô hạn, tan trong ete và clorofom, hút

ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời Sở dĩ rượu etylictan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehyde có khốilượng phân tử xấp xỉ là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử rượu với nhau vàvới nước

1.2.2 Tính chất dung môi

Ethanol là một dung môi linh hoạt, có thể pha trộn với nước và với các dung môihữu cơ khác như axit axetic, axeton, benzen, cacbon tetrachlorua, cloroform, dietyl ete,etylen glycol, glycerol, nitrometan, pyridin, và toluen Nó cũng có thể trộn với cáchydrocacbon béo nhẹ như pentan và hexan, và với các clorua béo như trichloroetan vaftetrachloroetylen

Tính hòa tan của etanol với nước trái ngược với tính không thể trộng lẫn của cácchất cồn có chuỗi dài hơn (có từ 5 nguyên tử cácbon trở lên), tính chất không thể trộn lẫnnày giảm mạnh khi số nguyên tử cacbon tăng Sự trộn lẫn của etanol với các ankan chỉxảy ra ở những ankan đến undecan, hòa trộn với dodecan và các ankan cao hơn thể hiệnmột khoảng cách trộng lẫn ở một nhiệt độ nhất định (khoảng 13°C đối với dodecan).Khoảng cách trộn lẫn có khuynh hướng rộng hơn với các ankan cao hơn và nhiệt độ caohơn để tăng tính hòa trộn toàn bộ

Khoa Công nghệ hóa học Trang 12

Trang 13

Hỗn hợp etanol-nước có thể tích nhỏ hơn tổng thể tích thành phần với một tỷ lệnhất định Khi trộn lẫn cùng một lượng etanol và nước chỉ tạo thành 1,92 thể tích hỗnhợp Hỗn hợp etanol và nước có tính tỏa nhiệt với lượng nhiệt lên đến 777 J/mol ở nhiệt

độ 298 K (25oC)

Hỗn hợp etanol và nước tạo thành một azeotrope với tỉ lệ mol 89% etanol và 11%mol nước hay một hỗn hợp 96% thể tích etanol và 4% nước ở áp suất bình thường vànhiệt độ 351 K Thành phần azeotropic này phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ và áp suất vàbiến mất ở nhiệt độ dưới 303 K

Các liên kết hydro làm cho etanol nguyên chất có tính hút ẩm, làm chúng sẵn sànghút hơi nước trong không khí Sự phân cực tự nhiên của nhóm chức hydroxyl làm choetanol có thể hòa tan một số hợp chất ion như natri và kali hydroxit, magiê clorua, canxiclorua, ammoni clorua, ammoni bromua, và natri bromua Natri và kali clorua ít tan trongetanol do phân tử etanol có một đầu không phân cực, nó cũng sẽ hòa tan các hợp chấtkhông phân cực, bao gồm hầu hết tinh dầu và nhiều chất hương liệu, màu, và thuốc

1.2.3 Tính chất hóa học

Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ Ví dụ:

2 C2H5OH + 2 Na -> 2 C2H5ONa + H2Phản ứng este hóa, phản ứng giữa rượu và axit với môi trường là axit sulfuric đặcnóng tạo ra este Ví dụ:

C2H5OH + CH3COOH -> CH3COOC2H5 + H2O

Phản ứng loại nước như tách nước trong một phân tử để tạo thành olefin, trong môitrường axit sulfuric đặc ở 170oC:

C2H5OH -> C2H4 + H2OHay tách nước giữa 2 phân tử rượu thành ether

C2H5OH + C2H5OH -> C2H5-O-C2H5 + H2O

Phản ứng oxi hóa, trong đó rượu bị oxi hóa theo 3 mức: DDOCHAU (hữu hạn)thành aldehyde, axit hữu cơ và oxi hóa hoàn toàn (đốt cháy) thành CO2 và H2O Ví dụ ởmức 1, trong môi trường nhiệt độ cao

Trang 14

CH3-CH2-OH + CuO -> CH3-CHO + Cu + H2OMức 2, có xúc tác:

CH3-CH2-OH + O2 -> CH3-COOH + H2OMức 3

Ethanol có trị số octane (RON) cao tới 108 - 109 nên khi pha vào xăng sẽ làm trị

số octane (khả năng chống kích nổ của nhiên liệu) cao hơn với xăng truyền thống

Hàm lượng oxy cao hơn xăng thông dụng, giúp quá trình cháy trong động cơ diễn

ra triệt để hơn, tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu, đồng thời giảm thiểu phát thảicác chất độc hại trong khí thải động cơ (CO và HC) và khả năng tăng tốc của xe cũng tốthơn

Quá trình sử dụng E5 rất thuận tiện, không cần phải điều chỉnh động cơ khichuyển đổi giữa nhiên liệu E5 và xăng thông thường

Đối với các loại xe sử dụng động cơ loại cũ (trước năm 1993), axit trong xăngsinh học có thể gây ảnh hưởng đến các zoăng cao su, nhựa, polymer của động cơ Còn đốivới các xe có động cơ sản xuất sau năm 1993 thì điều này gần như là không xảy ra, do vậtliệu của động cơ, đặc biệt là hệ thống cung cấp nhiên liệu đã được cải tiến

Còn việc sử dụng lẫn xăng E5 với các loại xăng thường thì điều này hoàn toànkhông gây ảnh hưởng đối với động cơ Vì thực ra xăng E5 là A92 pha 5% ethanol, nếu sửdụng lẫn với xăng thường thì lượng ethanol trong hỗn hợp chỉ giảm đi

Trang 15

1.4 Nguyên liệu đầu vào(4)

Nguyên liệu ban đầu để sản xuất ethanol là cây nông phẩm chứa đường gồm mía,

củ cải đường, sorgho-đường; nông phẩm chứa tinh bột gồm hạt ngũ cốc như lúa mì, lúa,bắp, sorgho,…; củ như khoai tây, khoai mì, khoai lang

Mía có hiệu quả kinh tế nhất vì cho năng suất thân (khoảng 170-200 t/ha ở Brazil,80-100 t/ha ở Úc, Việt Nam khoảng 35-50 t/ha), biến chế ethanol thẳng từ nước ép, bãmía dùng làm năng lượng chạy máy ép và chưng cất ethanol Mía sản xuất trung bình15,500 lít ethanol/ha/năm, và cứ 1 tấn chất khô mía sản xuất được 438 lít ethanol Brazilsản xuất ethanol chính từ mía Sorgho- đường hiện được ưa chuộng hơn mía ở một sốvùng nhiệt đới khô hạn, có hiệu quả kinh tế hơn mía Sorgho- đường canh tác ở Hoa Kỳcho 28,500 lít ethanol/ha/vụ-4-tháng

Thực vật hoang dại: tảo (algae) nước ngọt, tảo biển, lục bình (Eichornia crassipes),

cỏ Vetiver, cỏ voi (elephant grass, Pennisetum purpureum, sản xuất 13,700 lít ethanol/ha/năm), lác (Cyperus), cỏ tranh (Imperata cylindrica), v.v.

Ngoài ra còn có một số loại nguyên liệu tái chế khác như :Giấy phế thải: 1 tấn giấy

cũ sản xuất khoảng 416 lít ethanol; Rác thành phố: 1 tấn rác sản xuất khoảng 227 lítethanol

Trang 16

Xăng sinh học- Sản xuất xăng sinh học

CHƯƠNG 2 SẢN XUẤT XĂNG SINH HỌC

2.1 Qui trình sản xuất ethanol (5)

2.1.1 Từ đường

Sản xuất ethanol từ đường có kỹ thuật dễ dàng, hiệu năng cao, và ít tổn phí nhất làcho lên men (yếm khí) từ đường, nước mật (molasse), hay trực tiếp từ nước mía ép, nướccủ- cải đường ép, như theo lối thủ công hay công nghiệp xưa nay Ngày nay đã tuyểnchọn được nhiều dòng men hữu hiệu, biến đường thành nhiều rượu hơn Mặc dầu tổn phíbiến chế thấp, nhưng đường, và cả phụ phẩm nước mật, là thức ăn của người và gia súc,

có giá cao, nên ethanol biến chế từ đường có giá thành cao hơn ethanol sản xuất từ tinhbột Theo lý thuyết, cứ 1 tấn đường sucrose sản xuất được 678 lít ethanol, tuy nhiên hiệunăng cao nhất hiện nay là 587 lít 1 tấn đường đen cho 562 lít ethanol, 1 tấn đường cát cho

587 lít Thân mía chứa khoảng 10-15% đường sucrose, thân cây sorgho- đường khoảng15-23% sucrose, còn củ- cải- đường khoảng 16-18% sucrose Trung bình, tại các nhà máyđường ở Hoa Kỳ, cứ sản xuất 100 kg đường thì cho ra 25 lít nước mật (molasse), nướcmật có độ đường 49.2%

Tại Hoa Kỳ, trung bình cứ 1 tấn mía (thân) sản xuất được 81 lít ethanol, 1 tấn nướcmật (molasse) cho 289 lít ethanol Năng suất mía trung bình toàn quốc ở Hoa Kỳ là 65tấn/ha, cho khoảng 3.90 tấn đường Riêng tại Hawaii năng suất tới 170 tấn thân mía/ha (vìmùa trồng dài hơn) Với các giống mía “di-truyền-biến-cải” (GM, genetically modified)tại Brazil, năng suất tới 240 tấn mía/ha, với độ đường 14.6% Năng suất mía tại Việt Namkhoảng 35 đến 50 tấn mía/ha Trung bình 1 ha mía tại Brazil sản xuất được 5,600 lítethanol, 1 ha củ cải đường tại Pháp sản xuất 6,700 lít ethanol, và 1 ha bắp ở Hoa Kỳ sảnxuất 3,000 lít ethanol Năng suất mía và đường ở Brazil tăng gấp đôi trong thời gian 30năm 1975-2005, nhờ trồng giống cải thiện, nhất là các giống mía “biến-cải-di-truyền”ngày nay

2.1.2 Từ tinh bột

Để sản xuất ethanol từ tinh bột, tinh bột trước hết phải được điều chế thành đường,rồi từ đó mới lên men rượu Hạt bắp chứa khoảng 70-72% tinh bột, hạt sorgho khoảng 68-70%, gạo 70-80% Muốn vậy, hạt ngũ cốc được xay nghiền thành bột, pha với nước, nấu

ở 70°C (để biến thành đường) rồi nấu chín ở 100-110°C (vừa diệt trùng vừa thêm đường),

để nguội rồi trộn men, cho lên men 48 giờ ở nhiệt độ 36°C Men dùng thường là vi nấm

Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus oryzae, Mucor, Rhizopus, vi khuẩn Zymomonas

Trang 17

mobilis Sau đó, dùng máy ly tâm tách rời chất hèm để làm thức ăn gia súc Phần chất

lỏng, có độ cồn (rượu) 5-15%, được chưng cất ở lò chưng nhiều tầng để tăng độ cồn Đểđạt độ cồn 99.9%, trước đây dùng benzene và cyclohexane (đắt tiền, không tái sử dụngđược, và độc gây bệnh) để loại nước Kỹ thuật ngày nay dùng “chất sàng phân tử”(molecular sieve, như silica gel, zeolite, hút thấm nước nhưng không hút rượu, vì rượu cóphân tử lớn hơn) thay thế, rẻ tiền và hiệu quả hơn Việt nam có mỏ Zeolite (một loại sét) ởvùng Lâm Đồng

Một kỹ thuật mới được áp dụng hiệu quả hơn, không cần phải nấu tinh bột (tiếtkiệm năng lượng) là sử dụng một loại men (yeast) mới, giúp lên men biến tinh bột thànhđường ở nhiệt độ 32°C Trung bình, cứ 1 tấn bắp sản xuất được 409 lít ethanol

cọng sinh trong bao tử (như Cellulomonas), một số vi khuẩn có khả năng biến cellulose ra

đường, nhờ chúng 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, bằngthuỷ 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 (C5H10O5),nhưng xylose không biến chế thành ethanol được Cũng vậy, với kỹ thuật hiện tại, chưa cócách biến lignin ra ethanol Vì vậy trước tiên phải loại lignin và hemicellulose, chỉ còn lạithành phần cellulose Loại lignin bằng sulfuric acid đậm đặc, hay bằng đun sôi trong nướcvới sodium carbonate, hay butanol Cellulose sau đó cho lên men với cellulase ở nhiệt độkhoảng 71°C trong vài ngày để biến thành đường

Hiện tại, sản xuất enzyme cellulase để biến cellulose thành đường khá phức tạp,tốn kém, chiếm khoảng 40% chi phí sản xuất rượu vì gồm 3 loại cellulases:

(i) Endo-p-glucanase, 1,4-ß-D-glucan glucanohydrolase, CMCase, phá huỷ các cầucủa chuỗi cellulose để biến thành đường glucose và oligo-saccharide

Trang 18

(ii) Exo-P-glucanase, 1,4-ß-D-glucan cellobiohydrolase, Avicelase, C1: biến thànhđường cellobiose (C12)

(iii) ß-glucosidase, cellobiase: thuỷ phân đường cellobiose thành glucose

Vi nấm Trichoderma sản xuất nhiều endo-ß-glucanase và exo-ß-glucanase, nhưng rất ít ß-glucosidase, ngược lại Aspergillus sản xuất nhiều endo-ß-glucanase và ß-

glucosidase, nhưng ít exo-ß- glucanase Vì vậy, muốn có nhiều hiệu quả phải tuyển chọn

nhiều dòng nấm Kết quả cho biết dòng nấm Trichoderma reesei QM-9414 có hiệu quả tốt

nhất trong việc biến cellulose thành đường Trong số dòng này, tuyển chon lại thành dòng

746 Phương pháp sản xuất enzyme cellulase từ men Trichoderma reesei dòng

KY-746 hữu hiệu và tương đối rẻ tiền và được sử dụng hiện nay Ngày nay nhiều công ty sảnxuất men rượu dùng kỹ thuật “biến-cải-di-truyền” tạo được nhiều dòng men sản xuấtenzyme cellulase, xylanase và hemicellulase

Nguyên liệu chứa nhiều thành phần cellulose như bã mía (41% là cellulose), rơmlúa (35%), gỗ (40-50%) được thái nhỏ trước khi khử với NaOH (nồng độ khoảng 1 – 1.2N) ở nhiệt độ 45°C trong 24 giờ, tiếp theo là rửa trong nước ấm để loại chất lignin Dung

dịch cellulose được cho lên men với Trichoderma reesei để biến cellulose thành đường.

Hiệu năng biến chế thành rượu ethanol từ chất xơ còn kém, chưa có hiệu quả kinh

tế nhiều ở kỹ thuật hiện nay, vì sản xuất cellulase còn rất mắc, thời gian lên men lâu nên

dễ bị nhiễm trùng làm hư cả bồn lên men Để tăng hiệu quả lên men biến các thành phầncellulose, lignin trong nguyên liệu thực vật thành xăng-sinh-học, các nhà vi sinh học đã

thành công cấy vào bộ máy di truyền (genome) của vi khuẩn Escherichia coli thêm 2 gen của vi khuẩn Zymomonas mobilis để giúp lên men chất đường và tinh bột thành ethanol,

và một gen của vi khuẩn Acinetobacter baylyi để biến chất dầu trong thực vật thành

diesel-sinh-học Với kỹ thuật hiện tại, biến rơm rạ của lúa và ngũ cốc ra xăng-sinh-họcchưa kinh tế Các nhà khoa học Đài Loan thành công trong phòng thí nghiệm biến chếethanol từ rơm lúa, cứ mỗi 10 kg rơm rạ lúa biến chế được 2 lít alcohol 99.5% để pha làmxăng-sinh-học (Taipei Times, 19/2/2008), nhưng phải mất vài năm nữa mới có thể sảnxuất thương mại quy mô Các nghiên cứu ở Trung quốc cho thấy xăng-sinh-học sản xuất

từ rơm rạ mắc hơn xăng-cổ-sinh khoảng 250 USD/tấn Ngày 14/1/2008, hãng GeneralMotors của Hoa Kỳ tuyên bố hợp tác với đại công ty sản xuất ethanol Coskata để bắt đầusản xuất quy mô ethanol từ thân bắp vào cuối năm 2008, và kể từ 2011 sẽ sản xuất 50 –

100 triệu gallons/năm, với giá 1 USD/gallon

Định dạng
Số trang	33
Dung lượng	1,06 MB