Bioethanol (ethyl alcohol, CH3CH2OH, EtOH) là một loại nhiên liệu sinh học được sản xuất từ nhiều dạng nguyên liệu sinh khối khác nhau, được nghiên cứu và sử dụng phổ biến trên các loại động cơ đốt trong với mục đích thay thế nhiên liệu hóa thạch và giảm lượng khí thải gây ô nhiễm – nhiên liệu thân thiện với môi trường
MỞ ĐẦ I TỔNG QUAN .2 1.1 Định nghĩa dạng lượng bioethanol 1.1.1 Năng lượng không tái sinh 1.1.2 Năng lượng tái sinh .3 1.1.3 Bioethanol 1.1.4 df 10 1.2 Tầm quan trọng bioethanol khả thay cho nguồn nhiên liệu 10 1.3 Các nguồn nguyên liệu phục vụ cho sx ethanol 11 I CHỦNG, KỸ THUẬT NUÔI, KỸ THUẬT THU HỒI 13 2.1 Chọn chủng 13 2.2 Kỹ thuật nuôi .16 2.3 Các thiết bị nuôi 16 2.4 Thu hồi tảo từ canh trường 16 I QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ TẢO .16 IV XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN 16 4.1 Jahfj 16 4.2 àh .16 MỞ ĐẦU I TỔNG QUAN I.1 Định nghĩa dạng lượng bioethanol I.1.1 Năng lượng không tái sinh Năng lượng không tái sinh nguồn lượng thiên nhiên mà người khơng có khả can thiệp vào hình thành q trình tích lũy Đó dạng lượng khơng thể phục hồi, tái tạo, hay tái sử dụng Tuy nhiên dạng lượng sử dụng phạm vi rộng lớn khắp toàn cầu, cho thấy đáp ứng nhu cầu sử dụng người tương lai Năng lượng khơng tái sinh chia thành hai nhóm: lượng hóa thạch lượng hạt nhân - Năng lượng hóa thạch: dạng lượng hình thành dựa trình địa chất dài hàng triệu năm xảy xác động thực vật, dạng hóa thạch Bao gồm than đá, dầu mỏ khí thiên nhiên Do q trình hình thành lâu dài vậy, nên bị người khai thác hết khơng có khả phục hồi Hình 1: Sự hình thành lớp nhiên liệu hóa thạch - Năng lượng hạt nhân: dạng lượng hình thành khả phóng xạ vài ngun tố Có hai kiểu phản ứng hình thành nên lượng hạt nhân, phản ứng phân hạch phản ứng nhiệt hạch I.1.2 Năng lượng tái sinh Năng lượng tái sinh dạng lượng thu từ nguồn mà người xem vơ hạn Sự vơ hạn ngồi ý nghĩa nhiều đến mức cạn kiệt, nên hiểu theo nghĩa rộng có khả tái tạo thời gian ngắn liên tục Dạng lượng bao gồm: - Năng lượng mặt trời - Năng lượng gió - Năng lượng sóng - Năng lượng thủy triều - Năng lượng địa nhiệt - Năng lượng sinh khối Hình 2: Các dạng lượng tái sinh a Năng lượng gió Năng lượng gió coi nguồn lượng xanh vô dồi dào, phong phú có nơi Người ta sử dụng sức gió để quay turbin phát điện Theo Hội đồng Năng lượng Gió Thế giới, đến năm 2010, sản lượng điện từ gió tồn giới dự kiến đạt 149,5 gigawatts (GW), tăng gấp đôi so với sản lượng Riêng năm 2006, nhà máy điện sức gió giới sản xuất 74 GW, tăng 25% so với năm trước Châu Âu đứng đầu giới sản lượng điện sức gió với cơng suất lắp đặt 40.500 MW, chiếm tới 2/3 sản lượng điện gió tồn giới Lượng điện tạo sức gió đủ để đáp ứng nhu cầu 40 triệu người dân Ðan Mạch có cơng suất điện chạy sức gió lớn giới, chiếm 20% tổng sản lượng điện nước Ðan Mạch nước đầu lắp đặt nhà máy phát điện gió ngồi khơi Ðức nước có cơng suất phát điện gió chiếm 6% sản lượng điện, Tây Ban Nha, tỷ lệ 8% Hiệp hội Năng lượng Gió châu Âu (EWEA) đặt mục tiêu, vào khoảng 2020, 195 triệu người, tức nửa số dân châu lục này, sử dụng điện từ gió Điện gió thỏa mãn tới 23% nhu cầu điện châu Âu vào năm 2030 Bắc Mỹ khu vực đứng thứ hai sau châu Âu sản lượng điện từ gió Tuy nhiên, giai đoạn 2006-2010, lượng sức gió phát triển mạnh châu Á, đặc biệt nước Trung Quốc Ấn Ðộ Châu Phi châu lục phát triển chậm sản xuất lượng sức gió Hiện nay, việc sản xuất điện sức gió chủ yếu tiến hành Ai Cập Ma-rốc Dự kiến đến 2010, sản lượng điện sức gió châu lục đạt 900 MG/năm Về mặt công nghệ, công nghệ tuabin tạo nguồn lượng từ gió với chi phí hiệu hiệu suất cao Các phát triển lượng gió thường cạnh tranh với cơng nghệ lượng truyền thống khác Các tuabin gió nhỏ thường gây rủi ro loài chim, loại tuabin có cánh rộng tốc độ quay chậm hơn, đặt tránh xa đường chim di cư b Năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời xét lâu dài giải pháp cho tương lai Một nguyên nhân khác việc sử dụng lượng mặt trời tính mặt mơi trường Trong q trình sử dụng, nguồn lượng khơng sinh khí nhà kính hay gây hiệu ứng tiêu cực tới khí hậu tồn cầu Có cách sử dụng lượng mặt trời: - Sử dụng dạng nhiệt năng: lò hấp thụ mặt trời, nhà kính - Sử dụng thơng qua chuyển hố thành điện năng: hệ thống pin quang điện (hay pin mặt trời) Pin quang điện thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện bán dẫn ( thường gọi hiệu ứng quang điện - quang dẫn) để tạo dòng điện chiều từ ánh sáng mặt trời Loại pin quang điện thông dụng loại sử dụng Silic tinh thể Ngày này, nhà khoa học phát minh loại pin quang điện chất dẻo, pin quang điện vật liệu nanô dùng chất nhuộm có hiệu suất chuyển đổi điện hiệu nhiều so với loại pin Nhật Bản, Hoa Kỳ số quốc gia Tây Âu nơi đầu việc sử dụng nguồn lượng mặt trời sớm, từ năm 50 kỷ trước Ứng dụng lượng mặt trời thấy nơi, từ máy tính bỏ túi, hệ thống chiếu sáng hay đội tàu bảo vệ bờ biển Các pin mặt trời lắp đặt mái nhà trung tâm thương mại Chi phí pin mặt trời giảm xuống, hiệu suất tăng cao Hiệu suất chuyển đổi pin mặt trời làm từ silic tăng từ 4% năm 1982 lên 20% nhờ công nghệ Loại pin không gây ô nhiễn trình sản xuất điện Pin mặt trời khơng phù hợp sản xuất điện mang tính cơng nghiệp phải cần diện tích lớn Các lĩnh vực thực tiễn sử dụng pin mặt trời ngày tăng c Năng lượng từ đại dương Đây nguồn lượng vô phong phú, quốc gia có diện tích biển lớn Sóng thủy triều sử dụng để quay turbin phát điện Nguồn điện sản xuất dùng trực tiếp cho thiết bị vận hành biển hải đăng, phao, cầu cảng, hệ thống hoa tiêu dẫn đường v.v… Sự chuyển động sóng, dòng nước, thuỷ triều khác biệt nhiệt độ trở thành dạng lượng đáng ý Rất nhiều thử nghiệm nguồn lượng tiến hành Pháp, Anh, Xcốtlen Hoa Kỳ Trước đây, vấn đề thường gặp phải ăn mòn kim loại nước biển, dạng đời sống ký sinh biển hàu…và ảnh hưởng bão, ngày vấn đề khắc phục cách sử dụng loại vật liệu khác d Thuỷ điện Đây nguồn lượng sạch, lại bị hạn chế đặc điểm địa lý Thuỷ điện tạo nhờ biến đổi dòng nước thơng qua tuabin làm chạy máy phát điện Thuỷ điện nguồn điện tái tạo quan trọng Tất đập nước lớn xây dựng trước gây vấn đề dạng đời sống thuỷ sinh Tuy nhiên có nhiều cải thiện xây dựng đập mà không gây ảnh hưởng đến đời sống thuỷ sinh Vấn đề thu hút ý giảm bớt tác động khai thác nguồn nước từ sông để làm thuỷ điện không muốn gây vấn đề sinh thái e Năng lượng địa nhiệt Năng lượng địa nhiệt tạo từ việc sử dụng nhiệt từ nguồn lòng đất Tính đến cuối năm 2005, công suất điện địa nhiệt 8.932 MW 24 nước tạo 57 tỷ MWh/năm Tại Nhật Bản có tới 17 nhà máy điện địa nhiệt, lớn nhà máy địa nhiệt Hatchobaru Oita Kyushu, công suất 110.000 kW đủ cung cấp cho 3.700 hộ gia đình Một nghiên cứu Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) Hoa Kỳ cho nước tăng cường khai thác địa nhiệt sản xuất nguồn điện đáp ứng 10% nhu cầu điện vào năm 2050 Từ năm 1970, công nghệ hệ thống địa nhiệt cấp tiến (EGS) thử nghiệm số nơi Hoa Kỳ phát triển Pháp Ôxtrâylia f Năng lượng sinh khối Đây nguồn lượng cổ xưa người sử dụng đun nấu sản xuất từ nhiều nguồn sinh học Lợi to lớn sinh khối so với nguồn lượng tái tạo khác lượng gió mặt trời dự trữ sử dụng cần Nguồn lượng tái sinh sử dụng nhiều thủy Song, nguồn lượng sinh khối nguồn người khai thác sử dụng hiệu Sinh khối xem nguồn lượng lớn thứ tư, ước tính chiếm khoảng 14-15% tổng lượng lượng tiêu thụ giới Ở nước phát triển, sinh khối thường nguồn lượng lớn nhất, trung bình đóng góp khoảng 35% tổng cung cấp lượng Vì vậy, chiến lược sử dụng nguồn lượng cách hiệu lượng sinh khối xem ưu tiên hàng đầu mang tính định việc đáp ứng nhu cầu lượng giới tương lai [1] Hiện nay, theo thuật ngữ nhiên liệu, sinh khối (biomass) xem nhiên liệu dạng rắn, nhiên liệu sinh học (biofuel) nhiên liệu dạng lỏng thu nhận từ sinh khối cuối khí sinh học (biogas) sản phẩm q trình phân giải yếm khí chất hữu [1] Hai dạng nhiên liệu sinh học phổ biến biodiesel bio-ethanol, hai dạng nhiên liệu tương ứng thay cho diesel gasoline mà không cần cải tiến nhiều không cần cải tiến động phương tiện giao thông máy móc sản xuất Chúng sản xuất chủ yếu từ sinh khối hay nguồn lượng tái sinh khác góp phần giảm thiểu khí thải từ việc đốt cháy nhiên liệu so với nhiên liệu hóa thạch tính đơn vị hiệu suất [80] Hình 3: Bảng thống kê sử dụng nguồn lượng I.1.3 Bioethanol Bioethanol (ethyl alcohol, CH3-CH2-OH, EtOH) loại nhiên liệu sinh học sản xuất từ nhiều dạng nguyên liệu sinh khối khác nhau, nghiên cứu sử dụng phổ biến loại động đốt với mục đích thay nhiên liệu hóa thạch giảm lượng khí thải gây nhiễm – nhiên liệu thân thiện với mơi trường Đặc tính nhiên liệu bioethanol: Chỉ số octane, độ bén lửa nhiệt hóa cao xăng Độ nén cao, thời gian cháy ngắn… làm tốc độ đốt động đẩy nhanh Giàu oxy (35% ôxy), không chứa lưu huỳnh Có nhiệt trị thấp xăng (sản sinh 66% lượng so với xăng) Được sử dụng dạng tinh khiết thường phối trộn với xăng làm nhiên liệu cho động đốt I.1.4 df I.2 Tầm quan trọng bioethanol khả thay cho nguồn nhiên liệu Gần đây, người quan tâm đến hai vấn đề quan trọng, mơi trường khủng hoảng lượng Đối với mơi trường, nóng dần lên trái đất tâm điểm Mọi người biết sử dụng nhiên liệu hóa thạch ngun nhân gây nóng dần lên tồn cầu, nguồn lượng có khả tái sinh sản xuất từ sinh khối nhằm thay cho nhiên liệu hóa thạch cấp thiết để giảm thải CO Ngoài ra, khủng hoảng lượng khiến cho giá dầu thô giới ngày tăng, ảnh hưởng đến tình hình lượng sử dụng gia đình khu vực [67] Giảm bớt hình thành CO2 khí quyển, nhiệm vụ hàng đầu việc làm giảm hiệu ứng nhà kính, thực ba phương pháp sau [6]: - Giảm bớt sử dụng nhiên liệu hóa thạch - Loại bỏ CO2 khí - Thu hồi cô lập tận dụng CO2 từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch trước thải mơi trường Vì sản xuất nhiên liệu sinh học đem lại hội góp phần gia tăng đa dạng nguồn thu nhập nguồn cung cấp lượng, cụ thể đẩy mạnh việc làm vùng nông thôn, phát triển thay dài hạn nguồn nhiên liệu hóa thạch, giảm bớt lượng khí thải nhà kính, đẩy mạnh việc loại bỏ Carbon từ nhiên liệu vận tải nâng cao an toàn việc cung cấp nhiên liệu [80] Những lợi ích sử dụng NLSH Tham gia cân đối nhiên liệu, giảm lượng xăng dầu nhập ngoại nguồn nhiên liệu có sẵn nước, cải thiện cán cân thương mại Sử dụng NLSH giảm thiểu nhiễm khí nhà kính Hiện nay, hàng năm toàn giới phát thải khoảng 25 tỷ khí độc hại khí nhà kính Nhiệt độ trái đất tăng 0,2 – 0,4oC Sử dụng NLSH so với xăng dầu khống giảm khoảng 70% khí CO2 30% khí độc hại Sử dụng NLSH góp phần nâng cao hiệu kinh tế nông nghiệp Cung cấp lượng thực thực phẩm cung cấp nguồn nguyên liệu sản xuất lượng cho xã hội I.3 Các nguồn nguyên liệu phục vụ cho sx ethanol 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 Nhiên liệu sinh học hệ Nhiên liệu sinh học hệ Nhiên liệu sinh học hệ Nhiên liệu sinh học hệ àg Trong sản xuất bioethanol từ tảo xu với điểm bật khắc phục nhược điểm hệ bioethanol trước đó: - Tránh khủng hoảng lương thực cẩn lương thực Nhiên liệu sinh học hệ - Với nguyên liệu nhiên liệu sinh học hệ thứ 2, lignocellulose thường chứa lignin chất khó phân hủy gây cản trở trình sản xuất ethanol Nhưng hầu hết loại tảo hay rong biển – nguồn nguyên liệu nhiên liệu sinh học hệ không chứa lignin - Không tốn đất canh tác: việc sản xuất nhiên liệu sinh học từ tảo khơng đòi hỏi đất canh tác Nó cần ánh nắng mặt trời, nước biển, khí thải gây hiệu ứng nhà kính CO2 chút phân bón đủ Do lồi tảo tiêu thụ lượng lớn khí CO2 sau thải khối lượng tương tự, nên khơng tạo thêm khí thải gây hiệu ứng nhà kính chu trình sản xuất đốt cháy nhiên liệu - Năng suất cao: sản xuất nhiên liệu sinh học từ tảo cho suất cao: hécta đất sa mạc đầy ánh nắng cung cấp lượng nhiên liệu sinh học cao gấp 40 lần số nhiên liệu sinh học mà hécta đất canh tác màu mỡ trồng ngô mang lại - Hàm lượng carbonhydrate cao (> 50%) Là nguồn nguyên liệu tiềm cho sản xuất ethanol Việc dùng tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học thay nguồn nhiên liệu giống mũi tên bắn trúng hai đích: vừa tạo lượng vừa làm môi trường Mỗi cá thể tảo nhà máy sinh học nhỏ xíu sử dụng q trình quang hợp để chuyển hóa CO2 ánh nắng thành lượng Hoạt động chuyển đổi chúng hiệu trọng lượng chúng tăng gấp nhiều lần ngày II CHỦNG, KỸ THUẬT NUÔI, KỸ THUẬT THU HỒI II.1 Chọn chủng Sinh khối tảo gồm thành phần carbonhydrate, protein lipid Trong thành phần carbohydrate thành phần sử dụng để sản xuất ethanol ( lipid sử dụng để sản xuất biodiesel) Vì chủng tảo có hàm lượng carbohydate cao nguồn nguyên liệu đầy hứa hẹn cho sản xuất ethanol: Botryococcus braunii, Sargassum, Glacilaria, Prymesim parvum, Euglena gracilis, Spirogyra, ……… Tảo (Algae): nguồn thực vật đầy hứa hẹn để sản xuất bioethanol Tảo thực vật có khả lục hoá, lấy lượng mặt trời biến CO thành đường Tảo mọc nước hay nước mặn, từ vủng nước nhỏ, ao hồ hay biển Tuỳ theo loại, tảo giàu protein (như Spirulina maxima chứa 60-70%; Chlorella vulgaris chứa 51-58% protein trọng lượng chất khô), chất bột (carbohydrates) (như Botryococcus braunii chứa 86%, Spirogyra sp chứa 33-64%; Porphyridium cruentum chứa 40-57% trọng lượng chất khô), lipids (như Scenedesmus dimorphus, chứa 16-40%; Prymnesium parvum chứa 22-40%) Tảo canh tác thùng (tank), ao, hồ, biển Quan trọng phải đầy đủ ánh sáng (mặt trời hay đèn), đầy đủ CO hoà tan nước (bằng cách bơm khơng khí vào nước ni cá, hay bơm khí CO 2), chất dinh dưởng phân bón hố học, chất hữu nước thải từ cống rảnh Nếu canh tác tảo biển, cần phải bón thêm phân chứa sắt (iron) Loại tảo xanh Chlorophyceae (green algae) cho nhiều carbohydrates lipids, tăng trưởng mạnh 30°C, cần nhiều ánh sáng nước có độ dẫn điện 55 mmho/cm Vi tảo (Microalgae): Là vi sinh vật nhỏ bé khơng thể nhìn thấy khó nhìn thấy mắt thường Muốn quan sát chúng phải sử dụng tới kính hiển vi Trong số khoảng 50 000 lồi tảo giới vi tảo chiếm đến khoảng 2/3 Phân loại: Năm 1969 R.H Whitake đưa hệ thống phân loại giới, tồn tảo xếp giới ngun sinh Sau đề xuất việc phân chia sinh giới thành lĩnh giới (domain) Carl R Woese đề xuất hệ thống phân loại giới ( Vi khuẩn, Cổ khuẩn, Ngun sinh, Nấm, Thực vật, Động vật) tồn tảo xếp giới nguyên sinh Gần , theo P.H Raven G.B Johnson (2002) có hệ thống phân loại chia lĩnh giới sinh vật nhân thật (Eukarya hay Eukaryotic Kingdoms) thành giới, gồm có: -Giới Archezoa: gồm nguyên sinh chưa có ty thể, bao gồm Pelomyxa, Giardia -Giới Protozoa (động vật nguyên sinh): bao gồm 14 ngành nguyên sinh- có Hypermastigotes, Euglenoides, Slime molds (Nấm nhầy), Choanoflagellates, Dinoglagellates, Ciliates, Apicomplexans, Rhizopods, Heliozoans, Foraminiferans, Radiolarians -Giới Chromista: gồm 10 ngành nguyên sinh, có tảo nâu (Phaeophyta) Tảo silic (Diatoms ) -Giới Fungi (Nấm): Bao gồm nấm ngành nguyên sinh sống hoại sinh ngành Chytridiomycota -Giới Plantae (Thực vật): bao gồm thực vật ngành nguyên sinh (nhiều Tảo lục Volvox, Ulva, Spirogyra Tảo đỏ (Rhodophyta) -Giới Animalia (Động vật) Hiện số nghiên cứu từ tảo để sản xuất ethanol tập trung vào loại tảo sau: Spirogyra, Cladophora, Cyanobacterium ( tảo xanh)… - Spirogyra tảo lục dạng sợi, chiều dài 10-100µm đến cm thành tế bào lớp - Loại tảo xanh Chlorophyceae (green algae) cho nhiều carbohydrates lipids, tăng trưởng mạnh 30°C, cần nhiều ánh sáng II.2 Kỹ thuật ni Nhìn chung có phương pháp ni tảo: - Hệ thống kín: tảo nuôi ống đường ống Trong hệ thống kín, điều kiện dinh dưỡng, CO 2, ánh sáng điều khiển Dinh dưỡng bổ sung dịch nuôi, thường nước thải hữu sinh hoạt CO2 cung cấp đủ cách hòa tan nước bơm hay sục khí vào bể nuôi Tảo phát triển điều kiện lý tưởng cho suất thu cao - Hệ thống hở: tảo nuôi ao hồ tự nhiên, biển hay ao hồ nhân tạo Trong hệ thống hở, ánh sáng tự nhiên CO cung cấp qua hệ thống sục khí Nếu canh tác ngồi biển cần bón thêm phân chứa sắt, ni bể bổ sung chất dinh dưỡng phân bón hóa học, chất hưu nước thải từ cống rãnh Yếu tố quan trọng phải đủ ánh sáng, hệ thống kín hay hệ thống hở Tảo giống thường ni phòng thí nghiệm, sau chuyển qua hệ thống ni II.3 Các thiết bị ni II.3.1.Hệ thống kín Các ống: Các đường ống: II.3.2.Hệ thống hở Các ao hồ: Hồ nhân tạo: Biển: II.4 Thu hồi tảo từ canh trường Vi tảo vơ nhỏ nên cần có kỹ thuất đặc biệt để thu sinh khối tảo trước vào trình sản xuất ethanol Hiện kỹ thuật thu hồi vi tảo nghiên cứu có số phương pháp sử dụng nay: - Dịch tảo từ canh trường -> lọc -> ép đùn, phơi khô (1) - Dịch tảo từ canh trường -> qua thiết bị có hệ thống lọc sấy băng tải (2) QT (1): QT (2) : III QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ TẢO Sơ đồ trình sản xuất ethanol từ tảo Tảo thu hoạch -> loại nước -> sấy khô -> loại dầu -> tách hợp chất sinh học ( cần) -> Phân hủy sơ ( phá vỡ thành tế bào) -> thủy phân -> lên men -> chưng cất -> ethanol III.1 Thủy phân III.2 III.3 Lên men Chưng cất IV XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN IV.1.Jahfj IV.2.àh KẾT LUẬN ... nguyên liệu sản xuất lượng cho xã hội I.3 Các nguồn nguyên liệu phục vụ cho sx ethanol 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 Nhiên liệu sinh học hệ Nhiên liệu sinh học hệ Nhiên liệu sinh học hệ Nhiên liệu sinh. .. ethanol Nhưng hầu hết loại tảo hay rong biển – nguồn nguyên liệu nhiên liệu sinh học hệ không chứa lignin - Không tốn đất canh tác: việc sản xuất nhiên liệu sinh học từ tảo khơng đòi hỏi đất canh... loại nhiên liệu sinh học sản xuất từ nhiều dạng nguyên liệu sinh khối khác nhau, nghiên cứu sử dụng phổ biến loại động đốt với mục đích thay nhiên liệu hóa thạch giảm lượng khí thải gây nhiễm – nhiên