Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ hóa dầu Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình sản xuất bioethanol từ bã mía

d i MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Bố cục đề tài CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 TỔNG QUAN VỀ BIOETHANOL 1.1.1 Nhiên liệu sinh học 1.1.2 Ethanol nhiên liệu 1.1.3 Tình hình sản xuất sử dụng ethanol 1.2 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BIOETHANOL 1.2.1 Sản xuất ethanol từ tinh bột 1.2.2 Sản xuất ethanol từ rỉ đƣờng 1.2.3 Sản xuất ethanol từ nguyên liệu có nguồn gốc lignocellulose 10 1.3 KỸ THUẬT SIÊU ÂM 22 1.3.1 Giới thiệu 22 1.3.2 Cơ chế 23 1.3.3 Các yếu tố ảnh hƣởng 24 1.4 QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM 25 1.4.1 Vai trò quy hoạch thực nghiệm 25 1.4.2 Các phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm 26 1.4.3 Các bƣớc quy hoạch thực nghiệm cực trị 26 1.4.4 Phần mềm Design Expert 26 CHƢƠNG 2: NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 28 2.1 NGUYÊN LIỆU 28 2.2 HÓA CHẤT 28 SVTH: Ng - d ii 2.3 THIẾT BỊ 29 2.3.1 Cân điện tử 29 2.3.2 Nồi hấp tiệt trùng 29 2.3.3 Máy đo pH 29 2.3.4 Thiết bị đồng hóa siêu âm 29 2.3.5 Bể siêu âm 29 2.3.6 Thiết bị hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier (FT- IR) 30 2.3.8 Thiết bị sắc ký khí (GC) 30 2.3.9 Thiết bị sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC) 30 2.3.10 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 30 2.3.11 Tủ sấy 31 2.4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 2.4.1 Phƣơng pháp xác định độ ẩm nguyên liệu 31 2.4.2 Phƣơng pháp xác định đƣờng khử 31 2.4.3 Phƣơng pháp xác định thành phần xơ sợi 31 2.4.4 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X 32 2.4.5 Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét 33 2.4.6 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại chuỗi Fourier 33 2.4.7 Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng ethanol GC 34 2.5 TRÌNH TỰ NGHIÊN CỨU 35 2.5.1 Quy trình thực 35 2.5.2 Quá trình tiền xử lý 36 2.5.3 Quá trình thủy phân 38 2.5.4 Quá trình lên men 39 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40 3.1 QUÁ TRÌNH TIỀN XỬ LÝ 40 3.1.1 Thành phần bã mía trƣớc xử lý 40 3.1.2 Thủy phân dịch thu đƣợc trƣớc xử lý bã mía 41 3.1.3 Tối ƣu điều kiện tiền xử lý 43 3.1.4 Ảnh hƣởng trình tiền xử lý đến hình thái bề mặt nguyên liệu bã mía 48 SVTH: Ng - d iii 3.1.5 Ảnh hƣởng trình tiền xử lý đến thay đổi thành phần nhóm chức nguyên liệu bã mía 49 3.1.6 Ảnh hƣởng trình tiền xử lý đến mức độ kết tinh nguyên liệu bã mía 51 3.2 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN 52 3.3 QUÁ TRÌNH LÊN MEN 57 3.3.1 Đƣờng chuẩn ethanol 57 3.3.2 Nồng độ ethanol sau trình lên men 58 3.3.3 Đánh giá hoạt tính enzyme 59 CHƢƠNG 4: DỰNG SƠ Đ C NG NGHỆ SẢN UẤT LIÊN TỤC ETHANOL 62 4.1 M dòng nguyên liệu 62 4.2 Chiết tách dịch đƣờng bã mía 63 4.3 Tiền xử lý bã mía 63 4.4 Quá trình thủy phân 64 4.5 Lên men dịch sau thủy phân 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 SVTH: Ng - d iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: Kpl Hệ số pha loãng Cm Nồng độ mẫu pha loãng X Nồng độ mẫu kh ng pha loãng I Cƣờng độ peak CÁC CHỮ VIẾT TẮT: Cr I Chỉ số kết tinh (Crystallinity Index) DNS DiNitro- Salicylic EPA Cơ quan bảo vệ m i trƣờng (Environmental Protection Agency) EU Liên minh Châu Âu (European Union) E85 Xăng sinh học gồm 15% xăng 85% ethanol tinh khiết E5 Xăng sinh học gồm 95% xăng 5% ethanol tinh khiết FT- IR Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier (Fourier Transform InfraRed) GC Sắc ký khí (Gas Chromatography) HPLC Sắc ký lỏng hiệu cao (High Performance Liquid Chromatography) MTBE Metyl Tert Butyl Ether OECD Tổ chức Hợp tác Phát triển Kinh tế (Organization for Economic Cooperation and Development) PTHQ Phƣơng trình hồi qui SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electronic Microscope) TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electronic Microscopy) VSSA Hiệp hội mía đƣờng Việt Nam XRD Nhiễu xạ tia X (X- ray diffraction) SVTH: Ng - d i DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Thành phần lignocellulose rác thải phụ phế phẩm n ng nghiệp phổ biến 10 Bảng Ƣu nhƣợc điểm phƣơng pháp tiền xử lý 14 Bảng Bƣớc sóng đặc trƣng số nhóm chức [17] .34 Bảng Thành phần dƣỡng chất cho nấm men phát triển 39 Bảng Độ ẩm bã mía trƣớc xử lý .40 Bảng Thành phần bã mía theo số liệu Hiệp hội Mía đƣờng Việt Nam [29] 41 Bảng Kết chuẩn glucose 41 Bảng Kết đo nồng độ glucose dịch thủy phân trƣớc xử lý bã 42 Bảng Mức, khoảng biến thiên yếu tố .43 Bảng 10 Thành phần bã mía sau q trình tiền xử lý 43 Bảng 11 Kết q trình tiền xử lý bã mía theo thí nghiệm 45 Bảng 12 Hệ số b phƣơng trình hồi quy 46 Bảng 13 Kiểm tra ý nghĩa hệ số hồi qui 47 Bảng 14 Kiểm tra tƣơng thích PTHQ 47 Bảng 15 Mức, khoảng biến thiên yếu tố .53 Bảng 16 Nồng độ glucose dịch thủy phân 53 Bảng 17 Kết trình thủy phân bã mía theo thí nghiệm 54 Bảng 18 Hệ số b phƣơng trình 55 Bảng 19 Kiểm tra ý nghĩa hệ số hồi quy 56 Bảng 20 Kiểm tra tƣơng thích PTHQ 56 Bảng 21 Kết chuẩn ethanol .57 Bảng 22 Kết đo ethanol sau trình lên men 59 SVTH: Ng - d ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Cấu trúc lignocellulose 10 Hình Cơng thức hóa học cellulose 11 Hình Phân bố vùng trồng mía Việt Nam [7] .13 Hình Sơ đồ trình thủy phân lên men tách biệt 16 Hình Sơ đồ trình thủy phân lên men đồng thời 16 Hình Quá trình phân giải cellulose 17 Hình Giống nấm men Pichia stipitis Saccharomyces Cerevisiae .22 Hình Tác động sóng siêu âm m i trƣờng lỏng 24 Hình 9.Giao diện phần mềm Design Expert 7.0 27 Hình 10 Nấm men S.Cerevisiae nhìn dƣới kính hiển vi 28 Hình 11 Quy trình nghiên cứu sản xuất bioethanol từ bã mía 36 Hình 12 Bã mía trƣớc xử lý .37 Hình 13 Hỗn hợp sau trình tiễn xử lý 37 Hình 14 (a) Bã mía sau rửa, lọc 38 Hình 15 (b) Bã mía sau ép khơ 38 Hình 16 (a) Bã mía trƣớc thủy phân, (b) Dịch thu đƣợc sau trình thủy phân 38 Hình 18 Bộ dụng cụ lên men 39 Hình 19 Thành phần (% khối lƣợng) bã mía trƣớc xử lý 40 Hình 20 Đƣờng chuẩn glucose 42 Hình 21 Kết tính hệ số b theo phần mềm Design Expert v7.0 46 Hình 22 Kết tối ƣu phần mềm Design Expert v7.0 48 Hình 23 SEM: (a) Mẫu chƣa xử lý; (b) Mẫu xử lý: 3% NaOH, 300C siêu âm 25phút 49 Hình 24 FT- IR mẫu chƣa xử lý 49 SVTH: Ng - d iii Hình 25 FT- IR mẫu xử lý: 1% NaOH, 300C, 15 phút, 22.5kHz 50 Hình 26 FT- IR mẫu xử lý: 1% NaOH, 300C, 25 phút, 22.5kHz 50 Hình 27 FT- IR mẫu xử lý: 1% NaOH, 500C, 15 phút, 22.5kHz 51 Hình 28 XRD: (a) Mẫu chƣa xử lý; (b) Mẫu xử lý: 3% NaOH, 30 0C siêu âm 25phút 52 Hình 29 Kết tính hệ số b theo phần mềm Design Expert v7 55 Hình 30 Kết tối ƣu phần mềm Design Expert v7.0 57 Hình 31 Đƣờng chuẩn ethanol 58 Hình 32 (a) Lên men dịch thủy phân có siêu âm; (b) Lên men dịch thủy phân kh ng có siêu âm; (c) Nƣớc v i bị đục CO2 59 Hình 33 Kết thí nghiệm đánh giá hoạt tính enzyme 61 Hình 34 Thành phần nguyên liệu .62 Hình 35 Chiết tách dịch đƣợng bã mía 63 Hình 36 Sơ đồ tiền xử lý bã mía 64 Hình 37 Sơ đồ trình thủy phân 64 Hình 38 Sơ đồ trình thủy phân 65 SVTH: Ng - d MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong điều kiện cạn kiệt nhiên liệu hoá thạch vấn đề khí thải liên quan gây nhiễm m i trƣờng từ việc sử dụng nguồn nhiên liệu này, việc tìm kiếm phát triển nguồn lƣợng thay cần thiết cấp bách Trong số nguồn lƣợng tái tạo, sinh khối nguồn lƣợng quan trọng C c Loại lƣợng tái tạo ă l ợ v dự b [4] Năm / Lƣợng (triệu dầu qui đổi) % năm 2001 2010 2020 2040 2040 Tổng lƣợng sơ cấp 10 038 11 258 15 347 17 690 100.00 Sinh khối 080 291 221 843 16.07 Thuỷ điện 223 255 296 308 1,75 Thuỷ điện nhỏ 9,5 16 62 91 0,51 Gió 4,7 35 395 580 3,28 Pin mặt trời 0.2 110 445 2,51 Nhiệt mặt trời 4,1 11 127 274 1,55 Nhiệt điện mặt trời 0,1 0,4 29 0,16 Địa nhiệt 43 73 194 261 1,47 Thuỷ triều 0.05 0,1 0,05 364,5 682,5 416 844 13,6 14,3 22 27,4 Tổng lƣợng tái tạo % Năng lƣợng tái tạo 27,4 Nhiên liệu sinh học nguồn lƣợng đƣợc sản xuất từ sinh khối Ethanol sinh học hay cịn gọi bioethanol sản xuất từ chất hữu có nguồn gốc sinh học chứa hàm lƣợng đƣờng định vật chất chuyển đổi sang dạng đƣờng nhƣ tinh bột cellulose Một phần đáng kể lấy gỗ thân thảo có thành phần chủ yếu cellulose đƣợc chuyển đổi sang đƣờng Sinh khối có nguồn gốc lignocellulose có thành phần gồm cellulose, hemicellulose, lignin Sự xếp thành phần bên sinh khối làm cho có cấu trúc v phức tạp Chỉ cellulose hemicellulose đƣợc chuyển đổi - d thành đƣờng lên men Do đó, cần có q trình tiền xử lý để phá vỡ lignin xung quanh phân tử cellulose, làm tăng khả tác động enzyme thủy phân cellulose thành đƣờng Việc ứng dụng kỹ thuật siêu âm cải thiện loạt trình sinh học có tiềm đƣợc sử dụng sản xuất ethanol từ nguyên liệu lignocellulose Kỹ thuật siêu âm đƣợc áp dụng nhƣ trình hỗ trợ việc phá hủy liên kết lignin tạo điều kiện cho trình thủy phân, gia tăng vận chuyển chất, kích thích tế bào sống enzyme giúp gia tăng sản lƣợng chất trao đổi, đẩy nhanh trình lên men Với lý trên, chúng t i chọn đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao hiệu trình sản xuất bioethanol từ bã mía” Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng sóng siêu âm để tăng cƣờng hiệu trình tiền xử lý, thuỷ phân nhằm nâng cao suất trình sản xuất bioethanol từ bã mía từ nhà máy đƣờng Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu  Bã mía nhà máy đƣờng  Qui trình th ng số c ng nghệ q trình sản xuất bioethanol từ bã mía nhà máy đƣờng  Kỹ thuật siêu âm 3.2 Phạm vi nghiên cứu  Các điều kiện tiền xử lý, thủy phân lên men  Xử lý số liệu thống kê, quy hoạch thực nghiệm với hàm mục tiêu tối đa hiệu suất loại bỏ lignin trình tiền xử lý tối đa nồng độ glucose trình thủy phân Phƣơng pháp nghiên cứu Áp dụng phƣơng pháp phân tích hố học việc xác định hàm lƣợng cellulose lignin thành phần bã mía - d Áp dụng phƣơng pháp vật lý hóa lý nhƣ:  Phƣơng pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) để xác định thay đổi cấu trúc bã mía trƣớc sau q trình tiền xử lý  Phƣơng pháp phổ hồng ngoại chuỗi Fourier (FT- IR) để đánh giá đến thay đổi thành phần nhóm chức ngun liệu bã mía  Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định độ kết tinh cellulose bã mía trƣớc sau trình tiền xử lý  Phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC) để xác định hàm lƣợng glucose thu đƣợc sau trình thủy phân  Phƣơng pháp sắc ký khí (GC) để xác định hàm lƣợng ethanol thu đƣợc sau trình lên men  Phƣơng pháp toán học: Các phƣơng pháp xử lý số liệu thống kê, quy hoạch thực nghiệm, sử dụng phần mềm Design Expert để xác định phƣơng trình hồi quy Bố cục đề tài Sau phần mở đầu, đồ án gồm chƣơng: Chƣơng Tổng quan đề tài Tổng quan nhiên liệu sinh học, ethanol nhiên liệu, tình hình sản xuất sử dụng nhƣ nguyên liệu c ng nghệ sản xuất bioethanol, kỹ thuật siêu âm, chế yếu tố ảnh hƣởng, quy hoạch thực nghiệm Chƣơng Những nghiên cứu thực nghiệm Giới thiệu nguyên liệu, hóa chất, thiết bị sử dụng nghiên cứu này, trình bày phƣơng pháp nghiên cứu trình tự nghiên cứu Chƣơng Kết thảo luận Trình bày kết phân tích thành phần bã mía trƣớc tiền xử lý, kết phân tích dịch thủy phân thu đƣợc trƣớc tiền xử lý, thành phần bã sau tiền xử lý, tối ƣu điều kiện tiền xử lý, phân tích kết SEM, FT- IR, XRD, kết trình thủy phân lên men riêng biệt Cuối phần kết luận kiến nghị đề tài -  dy   dy   dy       0;   0;  0  dx1  x , x3  dx2  x1 , x3  dx3  x1 , x Ta có hệ phƣơng trình: 0.23  0.03x2  0.035x3   0.037x1    0.03x1  0.06x3  0.11  0.035x  0.045x   0.078x   Giải hệ đƣợc: x1 = 1; x2 = 0.03; x3 = 0.49 Đổi sang biến thực: Z1 = 5%; Z2 = 470C; Z3 = 3.3h Sử dụng phần mềm Design Expert để tối ƣu hóa điều kiện tiền xử lý thu đƣợc kết tối ƣu là: 5% NaOH, 47.30C, 3.48h dự đoán nồng độ tối đa 1.58% Sai số phần mềm phƣơng pháp đạo hàm nhỏ 5% Hình 29 Kết tối ưu phần mềm Design Expert v7.0 3.3 QUÁ TRÌNH LÊN MEN 3.3.1 Đƣờng chuẩn ethanol Các dung dịch chuẩn ethanol đƣợc pha theo nồng độ định trƣớc, đo máy GC Kết đƣợc trình bày bảng 3.13 Bảng 21 Kết chuẩn ethanol STT Nồng độ (%v/v) Chiều cao peak 0,05 15415,39 0,1 29599,69 - 0,2 54518,44 0,5 141828,19 Từ kết chuẩn ethanol, ta vẽ đƣợc đồ thị biểu diễn mối quan hệ chiều cao peak nồng độ ethanol Hình 30 Đường chuẩn ethanol Từ phƣơng trình đƣờng chuẩn ethanol ta tính đƣợc nồng độ ethanol (%v/v) mẫu cần phân tích biết chiều cao peak Phƣơng trình đƣờng chuẩn glucose có dạng: y = 281753,368x + 374,271 3.3.2 Nồng độ ethanol sau trình lên men Nhƣ biết, trình lên men đƣờng glucose tạo thành rƣợu CO 2, đó, để kiểm tra định tính xem q trình lên men có xảy hay kh ng, ta sử dụng nƣớc v i lắp đặt hệ thống lên men nhƣ trình bày mục 2.5.4 Sau trình lên men, kết cho thấy nƣớc v i bị đục (hình 3.13), chứng tỏ trình lên men có xảy Tuy nhiên, để xác định tƣơng đối xác hàm lƣợng ethanol hình thành phải sử dụng máy GC kết đƣợc trình bày phụ lục - (a) (b) (c) Hình 31 (a) Lên men dịch thủy phân có siêu âm; (b) Lên men dịch thủy phân khơng có siêu âm; (c) Nước vơi bị đục CO2 Từ chiều cao peak phƣơng trình đƣờng chuẩn ta xác định đƣợc nồng độ ethanol (%v/v) tạo thành kết đƣợc trình bày bảng 3.14 Bảng 22 Kết đo ethanol sau trình lên men Mẫu Lên men dịch q trình thủy phân có siêu âm (M1) Lên men dịch trình thủy phân kh ng siêu âm (M2) Lần Lần Trung bình (%v/v) (%v/v) (%v/v) 0.667 0.685 0.676 0.835 0.865 0.85 Kết cho thấy sau trình lên men, nồng độ ethanol mẫu cao so với mẫu khoảng 20,47% Tuy nhiên, xét trình sản xuất việc sử dụng siêu âm cho trình thủy phân giúp giảm thời gian sản xuất từ 48h xuống 3h, đồng thời tiết kiệm chi phí cho lƣợng so với trình sản xuất bình thƣờng Trong nghiên cứu này, mẫu lên men dịch trình thủy phân enzyme với hỗ trợ siêu âm bổ sung dịch thủy phân trƣớc xử lý cho sản lƣợng ethanol khoảng 0,17g/g với sản lƣợng ethanol nghiên cứu trƣớc Rajendran Velmurugan cộng trình lên men dịch trình thủy phân bã mía acid có hỗ trợ siêu âm [25] 3.3.3 Đánh giá hoạt tính enzyme Xác định hoạt tính phân giải cellulose phƣơng pháp khuyếch tán thạch đĩa - a Nguyên tắc Enzyme ellusoft L thủy phân m i trƣờng CMC (CarboxyMethylCellulose) tạo vịng thủy phân có màu vàng xung quanh lỗ đục đƣợc nhỏ vi sinh vật màu dung dịch lugol Dựa vào hiệu số đƣờng kính vịng thủy phân D đƣờng kính đục lỗ d, đơn vị đo mm, ngƣời ta xác định đƣợc hoạt tính CMC-aza vi sinh vật b Cách tiến hành - Cân 1g CMC, 15g agar cho vào 1000 ml nƣớc cất khử trùng - Đổ dịch lỏng vào hộp petri có chiều dày 1.5 cm - Dùng dụng cụ đục lỗ tròn vào hộp petri chứa m i trƣờng CMC - Nhỏ 0.1 ml dịch enzyme ly tâm vào lỗ đục Sau đó, chờ dịch kh , chuyển hộp petri vào tủ lạnh từ ÷ h để enzyme khuyếch tán Chuyển vào tủ ấm 370C để enzyme tác dụng với chất CMC - Cho vào hộp petri 5ml dịch lugol (cân 2g KI 1g I2 vào 300 ml nƣớc cất), tráng lên mặt thạch chờ khoảng 15 phút Sau đó, gạt bỏ hết dịch lugol, quan sát vòng khuyếch tán - Dùng thƣớc kẻ, đo vòng CMC bị phân giải xung quanh lỗ (vùng màu vàng tím) c Kết D-d = đƣờng kính vịng thủy phân – đƣờng kính lỗ đục (mm) Trong đƣờng kính lỗ đục d=10mm Mẫu D-d (mm) 18 19 20 - 19 Trung bình 19 Hoạt tính CMC-aza enzyme Cellusoft L là: D-d = 19mm Hình 32 ết thí nghiệm đánh giá hoạt tính enzyme - CHƢƠNG 4: DỰNG SƠ Đ C NG NGHỆ SẢN UẤT LIÊN TỤC ETHANOL 4.1 M dịng ngun liệu Bã mía có thành phần chủ yếu gồm cellulose, hemicellulose lignin cấu tử kh ng có ngân hàng liệu Hysys ta phải tiến hành tạo cấu tử giả Ngồi bã mía lƣợng đƣờng saccarozơ ( tên thƣơng mại sucrose) Thành phần cấu tử nhƣ sau: Hình 33 Thành phần nguyên liệu Các th ng số khác dòng nguyên liệu:  Lƣu lƣợng: 300kg/h  Nhiệt độ: 250C  Áp suất: barg - 4.2 Chiết tách dịch đƣờng bã mía Bã mía trƣớc tiền xử lý đƣợc đun s i với nƣớc 100 0C nhằm thu hồi lƣợng đƣờng cịn sót lại, dịch chiết dung dịch saccarozơ nƣớc tiếp tục đƣợc thủy phân m i trƣờng H2SO4 nhiệt độ khoảng 700C sau tiến hành trung hòa lƣợng axit xúc tác dung dịch xút Dịch thu đƣợc đƣợc thêm vào dịch sau thủy phân bã mía sau đƣợc lên men chúng t i xây dựng sơ đồ nhƣ sau: Hình 34 Chiết tách dịch đượng bã mía Sơ đồ cụm c ng nghệ bao gồm:  Thiết bị tách bã mía khỏi dịch đƣờng: Simple solid separator X-101 nhằm tách bã mía khỏi khỏi dịch đƣờng Bã mía đƣợc tiền xử lý  Thiết bị phản ứng thủy phân đƣờng saccarozơ: Đây thiết bị chuyển hóa đƣờng saccarozơ thành Dextrose fructuose*  Thiết bị trung hòa axit: Trung hòa axit NaOH  Thiết bị tách dịch đƣờng khỏi muối NaOH dƣ 4.3 Tiền xử lý bã mía Bã mía sau đƣợc tách dịch đƣờng qua cụm tiền xử lý đễ phá vỡ cấu trúc vững Lignin với Cellulose Quá trình đƣợc tiến hành thiết bị chuyển hóa, Lignin bị xử lý đƣợc chiết khỏi dung dịch phần lại chƣa bị xữ lý có - bã mía làm ngun liệu cho trình thủy phân Sơ đồ c ng nghệ trình đƣợc xây dựng nhƣ sau: Hình 35 Sơ đồ tiền xử lý bã mía 4.4 Quá trình thủy phân Bã mía sau tiền xử lý đƣợc đƣa đến cụm thủy phân, sử dụng enzyme Cellulose soft L để chuyển hóa Cellulose thành đƣờng Sử dụng thiết bị chuyển hóa theo phản ứng sau: Cellulose*+H2O→ Dextrose Sử dụng thiết bị tách rắn để tách dịch khỏi bã kết hợp với dịch thủy phân lƣợng đƣờng cịn sót thực lên men thành ethanol Sơ đồ c ng nghệ cụm thủy phân nhƣ sau: Hình 36 Sơ đồ trình thủy phân - Ở sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt nhằm đạt nhiệt độ tối ƣu cho trình thủy phân 47.30C Các thiết bị tách rắn sử dụng Simple Solid Separator nhằm tách dịch khỏi bã 4.5 Lên men dịch sau thủy phân Quá trình lên men đƣợc thực 370C với diện nấm men Dịch đƣợc lên men bao gồm dịch từ trình thủy phân trình thu hồi đƣờng sót lại bã mía M sử dụng thiết bị phản ứng chuyển hóa: Hình 37 Sơ đồ trình thủy phân - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN  Xác định đƣợc điều kiện tốt cho trình tiền xử lý bã mía kiềm có hỗ trợ siêu âm: NaOH: 1,56% Nhiệt độ: 500C Thời gian siêu âm: 22 phút 46 giây  Trƣớc tiến hành tiền xử lý bã mía thu hồi lƣợng đƣờng cịn sót lại bã, 1kg bã mía thu hồi đƣợc 2,2g glucose Tính nƣớc, năm có khoảng 4,5 triệu bã thu hồi đƣợc khoảng 9900 glucose Đây nguồn glucose bổ sung giúp tăng hiệu trình sản xuất ethanol từ bã mía  Với q trình thủy phân có siêu âm, điều kiện tiến hành nhƣ sau: %Enzyme: 5% pH: 4,8 Nhiệt độ: 47.30C Thời gian siêu âm: mở phút, tắt phút 29 phút Nếu tiến hành điều kiện trên, nồng đồ glucose thu đƣợc đạt 25,79g/l nghiên cứu Rajendran Velmurugan Karuppan Muthukumar nồng độ glucose thu đƣợc 38,4g/l nhƣng cần đến 6h để thực trình thủy phân Với trình thủy phân kh ng siêu âm, điều kiện tiến hành nhƣ sau: %Enzyme: 5% pH: 4,8 Nhiệt độ: 500C Thời gian: 48h - Nếu tiến hành điều kiện trên, nồng đồ glucose thu đƣợc đạt 37,30g/l tăng 30,86% so với trình sử dụng siêu âm nhƣng thời gian thủy phân kéo dài đến 48h Xét tổng thể, trình thủy phân enzyme kết hợp siêu âm có nhiều ƣu điểm nhƣ giảm thời gian thủy phân rút ngắn thời gian sản xuất mẻ ethanol, tiết kiệm lƣợng hơn…  Với trình lên men, điều kiện tiến hành nhƣ sau: Nhiệt độ: 370C pH: 4,8 Thời gian: 48h Tiến hành lên men điều kiện với mẫu M1 M2, kết cho thấy sản lƣợng ethanol mẫu khoảng 0,85%v/v cao 20,47% so với sản lƣợng ethanol thu đƣợc từ trình lên men mẫu Sự chênh lệch sản lƣợng xét trình sản xuất ethanol trình sản xuất ethanol từ bã mía có hỗ trợ siêu âm đem lại nhiều lợi ích KIẾN NGHỊ  Cellulose thành phần dùng để thủy phân lên men thành ethanol Nhƣ biết, có phần cellulose bã mía qua tiền xử lý kh ng thể bị enzyme c ng phần cellulose đƣợc bao bọc hemicellulose lignin, điều làm giảm ảnh hƣởng đến trình Vì vậy, việc nghiên cứu nâng cao hiệu trình tiền xử lý cần thiết  Quá trình lên men dừng lại việc chứng minh bã mía có khả thủy phân thành đƣờng lên men thành ethanol chƣa nghiên cứu đƣợc yếu tố ảnh hƣởng đến trình lên men nhƣ chƣa tối ƣu đƣợc điều kiện tiến hành Do đó, cần phát triển vấn đề tƣơng lai nhằm nâng cao hiệu q trình sản xuất ethanol từ bã mía  S.cerevisiae vi sinh vật lên men đƣờng 6C thành ethanol, kh ng khả lên men đƣờng 5C thành ethanol đƣợc Để trình biến đổi bã mía thành ethanol có hiệu cao cần thiết lựa chọn loại nấm men có khả lên men đƣờng 6C 5C -  Trong nghiên cứu này, chủ yếu sử dụng enzyme cellulosoft L thƣơng mại phí cho trình kh ng nhỏ Chính vậy, việc nghiên cứu sản xuất enzyme phục vụ cho trình thủy phân cellulose cần thiết để giảm chi phí cho trình sản xuất - DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Văn Chín (2007), Nghiên cứu tổng quan khả sản xuất sử dụng ethanol làm nhiên liệu cho động cơ, Đồ án tốt nghiệp, Bộ m n C ng nghệ hóa học dầu khí, Khoa Hóa, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng [2] Vũ Thị Dịu (2009), Nghiên cứu yếu tố ánh hƣởng đến bột hyđroxyapatit Ca10(PO4)6(OH)2 kích thƣớc nano điều chế từ canxi hyđroxit Ca(OH)2, Luận văn Thạc sỹ, Hà Nội [3] Nguyễn Vũ Minh Hạnh (2010), Bƣớc đầu nghiên cứu enzyme xylanolytic cellulolytic từ chủng vi khuẩn ƣa nhiệt, Luận văn thạc sỹ, Bộ m n C ng nghệ sinh học, Đại học Khoa học Tự Nhiên [4] Phạm Văn Hội, Tổng quan phát triển nhiên liệu sinh học Thế giới, Đại học N ng nghiệp Hà Nội [5] Giang Thị Kim Liên (2009), Bài giảng Quy hoạch thực nghiệm, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Đà Nẵng [6] Trần Diệu Lý (2007), Nghiên cứu sản xuất Ethanol nhiên liệu từ rơm rạ, Đồ án tốt nghiệp, Bộ m n Kỹ thuật hữu cơ, Trƣờng Đại học Bách Khoa TP HCM [7] Phạm Lê Duy Nhân (2014), Báo cáo ngành mía đƣờng, C ng ty cổ phần chứng khốn FPT [8] Nguyễn Đình Tiến (2011), Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ bã mía, Đồ án tốt nghiệp, Bộ m n C ng nghệ sinh học, Khoa Kỹ thuật hóa học, Trƣờng Đại học Bách Khoa TP HCM Tiếng Anh [9] Ahmad Ziad Sulaiman, Azilah Ajit, Rosli Mohd Yunus, Yusuf Chisti (2011), “Ultrasound- assisted fermentation enhances bioethanol productivity”, Biochemical Engineering Journal, 54, pp 141- 150 [10] B E Wood, H C Aldrich, and L O Ingram, “Ultrasound Stimulates Ethanol Production during the Simultaneous Saccharification and Fermentation of Mixed Waste Office Paper”, Biotechnol, 13, pp 232- 237 [11] Chengzhou Li, Makoto Yoshimoto, Haruki Ogata, Naoki Tsukuda, Kimitoshi Fukunaga, Katsumi Nakao(2005), “Effects of ultrasonic intensity and reactor scale on kinetics of enzymatic saccharification of various waste papers in continuously irradiated stirred tanks”, Ultrasonics Sonochemistry, 12, pp 373- 384 [12] Dawson and Boopathy (2008), “Cellulosic ethanol, bagasse”, BioResources, 3(2), pp 452- 460 [13] Filson PB, Dawson- Andoh BE (2009), “Sono- chemical preparation of cellulose nanocrystals from lignocellulose derived materials”, Bioresour Technol, 100, pp - 2259−2264 [14] García A, Alriols MG, Llano- Ponte R, Labidi J (2011), “Ultrasound- assisted fractionation of the lignocellulosic material”, Bioresour Technol, 102, pp 6326−6330 [15] Kathrin Hielscher, Ultrasonically- Assisted Fermentation for Bioethanol Production, Hielscher Ultrasonics, Germany [16] Klemm D, Heublein B, Fink HP, Bohn A (2005), “Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable raw material”, Angewandte Chemie International Edition, 44(22), pp 3358−3393 [17] K Subramanian, Biochemical conversion of rice straw into bioethanol- an exploratory investigation, Department of Biotechnology, Bannari Amman Institute of Technology [18] Melissa T abada Montalbo- lomboy (2008), Ultrasonic pretreatment for enhanced saccharification and fermentation of ethanol production from corn, Iowa State University [19] Muhammad Saif Ur Rehman, Ilgook Kim, Yusuf Chisti, Jong- In Han (2013), “Use of ultrasound in the production of bioethanol from lignocellulosic biomass”, Energy Science and Research, 30(2), pp 1391- 1410 [20] Niyaz Ahamed Methrath Liyakathali (2014), Ultrasonic pretreatment of energy cane bagasse for biofuel production, The Department of Biological and Agricultural Engineering, Sri Ramakrishna Engineering College (Anna University) [21] Qiang Li, Geng- Sheng Ji, Yu- Bin Tang, Xu- Ding Gu, Juan- Juan Fei, Hui- Qing Jiang (2012), “Ultrasound- assisted compatible in situ hydrolysis of sugarcane bagasse in cellulase- aqueous- N- methylmorpholine- N- oxide system for improved saccharification”, Bioresource Technology, 107, pp 251- 257 [22] Roni Maryana, Dian Ma'rifatun, A Wheni I., Satriyo K.W., W Angga Rizal (2014), “Alkaline Pretreatment on Sugarcane Bagasse for Bioethanol Production”, Energy Procedia, 47, pp 250- 254 [23] Rajendran Velmurugan, Karuppan Muthukumar (2012), “Sono- assisted enzymatic saccharification of sugarcane bagasse for bioethanol production”, Biochemical Engineering Journal, 63, pp 1- [24] Rajendran Velmurugan, Karuppan Muthukumar (2012), “Ultrasound- assisted alkaline pretreatment of sugarcane bagasse for fermentable sugar production: Optimization through response surface methodology”, Bioresource Technology, 112, pp 293- 299 [25] Rajendran Velmurugan, Karuppan Muthukumar (2011), “Utilization of sugarcane bagasse for bioethanol production: Sono- assisted acid hydrolysis approach”, Bioresource Technology, 102, pp 7119 - 7123 [26] Svetlana Nikolic, Ljiljana Mojovic, Marica Rakin, Dušanka Pejin, Jelena Pejin(2010), “Ultrasound- assisted production of bioethanol by simultaneous saccharification and fermentation of corn meal”, Food Chemistry, 122, pp 216- 222 [27] Zhang Y, Fu E, Liang J (2008), “Effect of ultrasonic waves on the saccharification processes of lignocellulose”, Chem Eng Technol, 31, pp 1510−1515 Internet - [28] http://vi.wikipedia.org/wiki/M%C3%ADa [29] http://www.vietlinh.vn/library/materials_equipment/bamia.asp [30] https://vi.scribd.com/doc/207253773/%E1%BB%A8ng- E1%BB%A5ng- song- sieu- am- trong- qua- trinh- th%E1%BB%A7y- phan- tinh- %E1%BB%99t [31] http://www.statease.com [32] http://www.sggp.org.vn/khoahoc_congnghe/2012/12/307507/ [33] http://vi.wikipedia.org/wiki/Nhi%C3%AAn_li%E1%BB%87u_sinh_h%E1%BB %8Dc [34] http://www.asiacreative.vn/tinh- hinh- san- xuat- va- tieu- thu- ethanol- tren- the- gioi/ [35] http://petrotimes.vn/news/vn/xang- sinh- hoc- e5/trien- vong- xang- ethanol- tren- thegioi.html [36] http://thegioidaunhon.vn/vn/detail/news/tinh- hinh- nghien- cuu- va- san- xuat- nhienlieu- sinh- hoc- tren- the- gioi- va- viet- nam/1265 - ... tăng sản lƣợng chất trao đổi, đẩy nhanh trình lên men Với lý trên, chúng t i chọn đề tài tốt nghiệp: ? ?Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao hiệu trình sản xuất bioethanol từ bã mía? ??... tiêu nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng sóng siêu âm để tăng cƣờng hiệu trình tiền xử lý, thuỷ phân nhằm nâng cao suất trình sản xuất bioethanol từ bã mía từ nhà máy đƣờng Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu. .. Sau đó, bã mía đƣợc đem nghiên cứu sản xuất bioethanol với quy trình thực đƣợc trình bày dƣới dạng sơ đồ khối hình 2.2 - Hình 11 Quy trình nghiên cứu sản xuất bioethanol từ bã mía 2.5.2 Q trình