Tìm hiểu về công nghệ màng trong quá trình sản xuất năng lượng sinh học

LỜI CẢM ƠN Đồ án tốt nghiệp tác phẩm sinh viên trước rời khỏi trường đại học Để hoàn thành đồ án, sinh viên cần phải áp dụng tất kiến thức hiểu biết tích lũy suốt năm học trường Chính kiến thức mà em tiếp thu năm học trường Đại Học Mỏ Địa Chất tảng vững giúp em hoàn thành đồ án Trước tiên cho em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Phạm Xn Núi – mơn Lọc-Hóa Dầu, khoa Dầu Khí, trường Đại Học Mỏ - Địa Chất, người trực tiếp hướng dẫn em thực đồ án, đồng thời người tận tình bảo, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Dầu Khí nói chung thầy mơn Lọc-Hóa Dầu nói riêng, tận tình giảng dạy, giúp đỡ em suốt năm vừa qua Cuối em xin chân thành cảm ơn bạn bè người thân gia đình người ln chỗ dựa vững ủng hộ em việc MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU .6 DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG – GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ MÀNG 1.1 Màng polyme .9 1.2 Màng vô 1.3 Màng hỗn hợp vô – hữu 10 CHƯƠNG – SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG TRONG MỘT SỐ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG SINH HỌC 12 2.1 Sản xuất ethanol sinh học .12 2.1.1 Tổng quan nhiên liệu ethanol sinh học 12 2.1.2 Lợi ích hạn chế sử dụng nhiên liệu ethanol 13 2.1.2.1 Lợi ích 13 2.1.3 Các phương pháp sản xuất ethanol 14 2.1.4 Nguồn nguyên liệu sản xuất ethanol sinh học 15 2.1.4.1 Sản xuất Bio-ethanol từ nguồn nguyên liệu chứa đường 15 2.1.4.2 Sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu chứa tinh bột 16 2.1.4.3 Sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu chứa cellulose 16 2.1.5 Quy trình sản xuất ethanol sinh học từ lignocellulose .18 2.1.5.1 Loại bỏ chất ức chế trình lên men 18 2.1.5.2 Sự phục hồi enzime từ trình thủy phân 20 2.1.5.3 Lò phản ứng sinh học để sản xuất ethanol sinh học 22 2.2 Sản xuất khí sinh học 28 2.2.1 Sản xuất khí methan .28 2.2.2 Sản xuất khí hydro 30 2.3 Sản xuất bio – dầu diesel sinh học 31 2.3.1 Sản xuất bio – dầu 31 2.3.2 Sản xuất diesel sinh học 32 2.3.2.1 Thiết bị phản ứng màng sản xuất dầu diesel sinh học 33 2.3.2.2 Tách tinh chế sản phẩm 34 2.4 Sản xuất tảo 35 2.5 Các trình sản xuất khác 36 CHƯƠNG – ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG TRONG SẢN XUẤT HYDRO SINH HỌC 40 3.1 Tổng quan nhiên liệu hydro sinh học .40 3.1.1 Khí Hydrogen 40 3.1.2 Thuộc tính hydro .41 3.1.3 Khả kết hợp hydro 42 3.1.4 Điều chế khí hydro 42 3.1.5 Khả ứng dụng khí hydro 43 3.2 Các công nghệ màng sản xuất hydro sinh học .50 3.2.1 Cơng nghệ màng kỵ khí sản xuất hydro sinh học (AnHPMBR) 51 3.2.1.1 Đặc điểm chung hệ thống AnMBR 51 3.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình sản xuất hydro sinh học lò phản ứng màng kỵ khí 55 3.2.2 Cơng nghệ màng kỵ khí sản xuất hydro sinh học ( CSTR ) .59 3.2.2.1 Nguyên liệu 60 3.2.2.2 Cấu tạo lò phản ứng liên tục sản xuất hydro 60 3.2.2.3 Công nghệ lên men theo mẻ sử dụng CSTR 63 3.2.2.4 Ảnh hưởng tiền xử lý axit đến suất H2 64 3.2.3 Cân nhắc thiết kế lò phản ứng để sản xuất hydro sinh học: CSTR với AnMBR 64 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO .68 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Thế giới bị phụ thuộc nặng nề vào kinh tế nhiên liệu hóa thạch Nhiên liệu sử dụng cho phương tiện giao thông đại như: xe hơi, xe lửa, máy bay,… từ dầu mỏ Hơn nữa, tỷ lệ cao nhà máy điện nhiệt điện dùng nhiên liệu dầu, khí thiên nhiên hay than đá Nếu khơng có nhiên liệu hóa thạch, kinh tế với phương tiện giao thông liên lạc, vận tải rơi vào khủng hoảng, ngưng trệ Gần tồn kinh tế, xác toàn xã hội đại phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Trong nhiên liệu hóa thạch đóng vai trò quan trọng việc đưa xã hội đến mức phát triền ngày tồn vấn đề nan giải lớn kỷ: nhiễm khơng khí, vấn đề mơi trường tràn dầu, nguy hiểm nóng bỏng vấn đề biến đổi khí hậu tồn cầu với nóng lên trái đất ngồi ra, nhiên liệu hóa thạch nguồn tài nguyên hữu hạn tái tạo, kinh tế dựa nhiên liệu hóa thạch làm cho số nước khơng có nhiều nguồn tài ngun bị phụ thuộc vào nước vốn có nguồn dầu dồi vùng Trung Đơng, từ dẫn đến nhiều q trình trị kinh tế khác, chí chiến tranh giành dầu mỏ Giữa bối cảnh đó, khái niệm kinh tế sinh học dựa nguồn lượng sạch, dồi phục vụ mục tiêu phát triển bền vứng nhân loại xuất giải pháp đầy tiềm Trong kinh tế sinh học, đặc biệt lĩnh vực lọc sản xuất lượng sinh học, năm gần nhận ý đáng kể thay đổi để tái tạo tài nguyên sinh học để sản xuất nguồn lượng hóa chất có nguồn lượng hóa thạch, đại diện cho lượng bền vững Cơng nghệ màng đóng vai trò quan trọng trình phát triển tinh lọc sản phẩm tinh chế trình sản xuất tái chế lượng sinh học số công nghệ tách khác sử dụng, công nghệ màng cung cấp khả tách phân đoạn tốt nhất, lượng tiêu thụ hóa học thấp, nhu cầu lượng giảm,… Các trình khác sản xuất tái chế lượng sinh học, bao gồm: phân tách tinh chế phân tử riêng lẻ từ sinh khối, loại bỏ chất ức chế trình lên men, thu hồi enzyme từ trình thủy phân, phản ứng màng sinh học cho sản xuất lượng sinh học hóa học, chẳng hạn ethanol sinh học, khí sinh học axit axetic, tách nước ethanol sinh học, sản xuất dầu sinh học diesel sinh học, thu hoạch tảo Những lợi hạn chế công nghệ màng cho ứng dụng thảo luận quy trình tích hợp màng đề xuất Cuối cùng, thách thức hội công nghệ màng cho lọc sản xuất lượng sinh học năm tới đề cập Việt Nam có nhiều tiềm lượng sinh học xăng dầu có nguồn gốc dầu mỏ Nhiều loại sắn, ngơ, mía,… sản xuất cồn sinh học mà Việt Nam lại có nhiều vùng đất thích hợp với loại trồng Sản lượng sắn nước năm 2007 triệu tấn, mía đường 14 triệu ngơ gần triệu Với sản lượng đáp ứng cho nhu cầu sản xuất cồn sinh học quy mơ vừa nhỏ Ước tính Việt Nam sản xuất triệu lít cồn sinh học năm có điều chỉnh sản lượng diện tích trồng Về sản xuất điêzen sinh học từ loại dầu thực vật mỡ động vật Ở Việt Nam, loại trồng tiềm cung cấp nguyên liệu cho sản xuất điêzen sinh học cọc rào, dầu cọ, hạt bơng… Điều kiện đất đai khí hậu Việt Nam cho phép hình thành vùng nguyên liệu tập trung Mỡ cá, dầu thực phẩm thải sử dụng cho sản xuất điêzen sinh học giúp giải vấn đề môi trường chế biến thủy sản Ước tính Việt Nam sản xuất khoảng 500 triệu lít điêzen sinh học năm tổ chức quy hoạch thực vùng nguyên liệu theo hướng sử dụng đất triệt để, tạo nhiều loại giống có sản lượng cao sở hữu công nghệ tách dầu từ nguyên liệu Mặt khác, NLSH loại nhiên liệu tái tạo coi nhiên liệu thân thiện với mơi trường Do việc nghiên cứu phát triển nguồn lượng sinh học có ý nghĩa to lớn vấn đềan ninh lượng thếgiới nói chung Việt Nam nói riêng Vì lý em định chọn đề tài “ Tìm hiểu cơng nghệ màng q trình sản xuất lượng sinh học” CHƯƠNG – GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ MÀNG 1.1 Màng polyme Hầu hết màng sử dụng để thoát nước cơng nghiệp màng polyme Màng polyme có cấu hình màng bao gồm màng sợi rỗng phẳng / tấm-và khung Các vật liệu sử dụng để chế tạo màng polyme đa dạng Một số polyme, cuprammonium cellulose tái sinh (CRC), poly(amidesulfonamide) (PASA), sodium alginate (SA), poly(phenylene oxit) (PPO), chitosan (CS) Màng polyme thường thuộc tính tối ưu cho mục đích tách định, số nghiên cứu để cải thiện hiệu suất tách cách thay đổi đặc tính màng polyme Cụ thể chế tạo màng composite với lớp da mỏng, trộn polymer với thơng lượng cao có tính chọn lọc, kết hợp với nhóm chức polyme đồng trùng hợp biến tính ion hóa polymer Ví dụ, Chanachai et al (2000) quan sát thấy chitosan/hydroxyetylxenlulo (CS / HEC) pha trộn màng có thông lượng thấm qua tương tự màng CS tinh khiết, yếu tố tách tăng từ 2200 đến 10491 trình tách nước ethanol 90% 60°C Shih et al (2007) giới thiệu nhóm sulfonic vào poly(phenylene oxit) (PPO) thông qua phương pháp sulfonation trực tiếp Các màng PPO sunfonat thể tỷ lệ thấm nước tuyệt vời khoảng 300g/m2/h với chọn lọc đến gần 700, PPO màng tinh khiết có tốc độ thấm nước 210g/m2/h độ chọn lọc 145 25°C với hiệu suất 90% tách nước ethanol.[3] 1.2 Màng vô Màng làm từ vật liệu vô thu hút ý rộng rãi nhà khoa học màng làm từ vật vơ có đặc tính vượt trội so với màng làm từ vật liệu cao phân tử khác ổn định tính chất học chúng điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt Năm 2000, nhà máy tách nước qua màng quy mô lớn trang bị mô đun màng zeolit NAA phát triển Mitsui Engineering Shipbuilding Ví dụ, nhà khoa học tổng hợp quy mô cơng nghiệp màng zeolit NaY tiến hành thí nghiệm thành phần ethanol thẩm thấu lên đến 130°C 570 kPa Zeolite màng với số cấu trúc zeolit, zeolite NAA, zeolit NaX, zeolite NaY, mordenite, zeolite T, zeolite ZSM5, nghiên cứu rộng rãi tính chất đặc biệt chúng, tức là, phân bố kích thước lỗ chân lơng thu hẹp, ảnh hưởng kết hợp hấp phụ lọc phân tử, kháng dung môi cao ổn định nhiệt độ cao.[3] Một số nhà nghiên cứu cố gắng để giải thích chế vận chuyển q trình tách nước hỗn hợp ethanol / nước Shah et al (2000) sử dụng màng zeolit NAA thương mại tổng hợp để nghiên cứu chế vận chuyển hỗn hợp ethanol/nước vật liệu zeolitic Tính chọn lọc cao gây tương tác mạnh mẽ phân tử nước ion mạng tinh thể zeolit lọc phần đạt zeolite Pera-Titus et al (2006a) phát triển mơ hình hấp phụ-khuếch tán cách sử dụng phương pháp tiếp cận Maxwell-Stefan với công thức Langmuir mở rộng để mô tả trạng thái cân hấp phụ bề mặt nguyên liệu / màng nước / bề mặt màng Trong màng vơ có nhiều lợi so với màng polyme chúng sản xuất khó khăn giảm tính khả thi kinh tế hai trở ngại nên màng vô không ứng dụng cao công nghiệp Do đó, phương pháp tổng hợp dễ dàng hiệu cần thiết để ổn định trình phù hợp với quy mơ sản xuất lớn với khả tái tạo cao Việc xây dựng màng vơ với thơng lượng tính chọn lọc cao khơng có khiếm khuyết hướng quan trọng cho nghiên cứu tương lai góp phần vào việc giảm chi phí màng mơ đun.[3] 1.3 Màng hỗn hợp vô – hữu Màng hỗn hợp hữu – vô dự kiến hệ công nghệ màng với hiệu suất cao, sở hữu tính đặc trưng hai màng hữu (tính nhẹ tính uốn) màng vô ( khả chịu nhiệt ổn định) Đến nay, màng hỗn hợp hữu – vô thường tổng hợp cách kết hợp hạt vô với sở màng hữu Có hai phương pháp chế tạo sử dụng phương pháp sol – gel phương pháp trộn hạt vô với màng hữu Hầu hết màng hỗn hợp hữu – vô sử dụng cách kết hợp hạt vô kết hợp thành sở màng polymer , trừ số trường hợp polymer phủ trực tiếp hỗ trợ chất vô Một số nghiên cứu sử dụng chitosan polyme sở hình thành nên chất kháng hóa Do tính chất sàng phân tử khả hấp phụ chọn lọc nên zeolit lựa chọn số nhà nghiên cứu làm chất độn vơ để điều chỉnh thuộc tính vật liệu polymer cặn bám, phương pháp liệt thêm hóa chất bao gồm bazơ NaClO, NaOH axit citric, hydrochloric, nitric tác nhân khác EDTA ozone Mặc dù trình hình thành thường sử dụng để khôi phục lại hiệu suất màng, chúng làm hỏng chất tính màng, nên thay phương pháp sinh học khác, cụ thể biến tính enzym đề xuất vài nhà nghiên cứu Hơn nữa, việc bổ sung từ bên chất hỗ trợ dòng (ví dụ poly-nhơm clorua, bột than hoạt tính) lựa chọn thực tế để cản trở khả thẩm thấu giảm 3.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình sản xuất hydro sinh học lò phản ứng màng kỵ khí a Các tác dụng chất rắn thời gian lưu thủy lực AnHPMBRs Sản xuất hydro sinh học liên tục thực thường xuyên mạch trộn lẫn phát triển vi sinh vật xác định việc áp dụng tỷ lệ pha loãng chúng, thể nguy tiềm ẩn cho việc rửa trơi sinh khối Do đó, tách thủy lực (HRT) chất rắn / thời gian lưu sinh khối (SRT) màng kỵ khí, lò phản ứng sinh học sản xuất hydro mang lại nhiều lợi ích Tế bào lưu trữ lò phản ứng liên tục thực nhiều cách khác hoạt động tái chế tế bào bị ngừng hoạt động Tuy nhiên, trước bị hạn chế chuyển đổi khối lượng mức độ khuếch tán chậm chất qua màng sinh học ma trận sóng mang (ví dụ hạt alginate) mà đại diện cho giới hạn rõ ràng trình Tuy nhiên, tái chế lại tế bào giúp tránh hạn chế khuếch tán Ngày nay, thiết bị di động lưu giữ đảm bảo SRT đủ dài thiết kế hấp dẫn cách sử dụng màng tham khảo phản ứng sinh học màng kỵ khí sản xuất hydro Trước đây, chứng minh việc trì SRT lâu HRT ngắn nâng cao hiệu sản xuất hệ H sinh học Điều hệ thống lượng lớn chủng vi sinh vật sản xuất H hoạt động cung cấp có kết dự kiến bề mặt chuyển đổi khí sinh học cao đặc biệt nguyên liệu tan mục tiêu trình lên men từ từ phân hủy sinh học Mặc dù thời gian lưu chất rắn độc lập thủy lực biến số trình quan trọng cho sản xuất hydro hứa hẹn giá trị chúng, cách cẩn thận nên lựa chọn thời gian lưu chất rắn dài làm giảm khả hình thành hydro Hơn nữa, nói chung, mức độ HRT SRT chứng minh có ảnh hưởng xấu đến sản lượng hydro suất thể tích, nghĩa giá trị cao xảy hoạt động (thời gian lưu) điều kiện khác Bên cạnh đó, tác động SRT có mối tương quan với hình thành chất cao phân tử ngoại bào (EPS) tốt Việc tạo thành EPS thường mạnh SRTs cao tích tụ sản phẩm trao đổi chất bên lò phản ứng giải thích cho ức chế H tiến hóa Tuy nhiên, tài liệu khảo sát không phù hợp liên quan đến thiết lập tối ưu SRT Ví dụ, nghiên cứu tìm thấy thời gian SRT hoạt động 90 ngày không thuận lợi, AnHPMBR với thời gian đào thải chất rắn có giới hạn chừng 450 ngày hoạt động mà khơng cần quan sát mát hiệu suất không mong muốn hệ hydro Những kết thể cần thiết phải xác định cụ thể hệ thống trường hợp SRT thích hợp nhất, tương tự trường hợp HRT số khác cho phép làm rõ ràng hoạt động AnHPMBR Ví dụ, thay đổi độ HRT thay đổi tỷ lệ chất dinh dưỡng tốc độ nạp liệu có khả làm thay đổi hiệu sử dụng chất nguyên liệu đồng thời hiệu suất phản ứng sinh học đạt Hơn nữa, thay đổi SRT dẫn đến thay đổi đáng kể đa dạng vi sinh vật mà trực tiếp chuyển hướng hồn tồn hoạt động phản ứng với trạng thái kèm theo mơ hình sản xuất sinh học hydro khác Điều thực tế kéo dài thời gian lưu sinh khối khơng đẩy nhanh phát triển vi khuẩn phát triển H mà vi sinh vật cạnh tranh tiêu thụ hydro (ví dụ methanogenes, homoacetogenes, …), hay nói cách khác, thành phần sản phẩm thay đổi xuất sinh vật chủ đạo Tuy nhiên, khơng có nghiên cứu có liên quan tài liệu có xuất hoạt động vi sinh methanogenic, giá trị SRT trì cao Vì vậy, việc giải cộng đồng vi khuẩn già hóa với độ lệch SRT đối tượng thú vị nghiên cứu tương lai Từ kết luận phản ứng sinh học màng sử dụng thường xuyên ví dụ với mục đích xử lý nước thải sinh học nêu trên, khả ứng dụng lĩnh vực hydro sinh học khơng đạt kết cao Do đó, ứng dụng cần phải phát triển đến nhận thức rộng rãi b Ảnh hưởng chất dinh dưỡng AnHPMBR Tính khả dụng chất dinh dưỡng bao gồm nguồn carbon chất khác muối khoáng vấn đề quan trọng không tế bào chuẩn tự mà cong màng sinh học Nhóm thường vai trò chuyển đổi sinh học thành khí hydro phân tử Các hệ thống sinh học hình thành hydro AnMBRs thiết kế xây dựng với mục đích nâng cao hiệu hệ so với CSTRs sản lượng H giá sản xuất điều kiện linh hoạt hoạt động với tỷ lệ chất tải khác Tuy nhiên, nghiên cứu có liên quan chủ đề khơng cung cấp câu trả lời dứt khoát dù việc triển khai AnHPMBRs dẫn đến khả hình thành hydro bật thử nghiệm với trọng lượng chất hữu khác (OLR) Trong thực tế, số tác giả thấy giảm sản lượng H giảm tốc độ tiến hóa H2 chế độ AnMBR Ngược lại, báo cáo khác phản ánh vượt trội hoạt động AnHPMBR phạm vi rộng tải trọng chất hữu cho thấy phụ thuộc định chất Ngoài ra, thấy tăng dần OLR (4-22 g COD/Ld) hỗ trợ sản xuất H mức độ cao (30 g COD/Ld) gây suy giảm đáng ý (20%) hiệu suất khí Hơn nữa, hiệu suy thoái chất đưa đến phản ứng sinh học chứng minh có ảnh hưởng đáng kể SRT áp dụng, cách đầy đủ trì chất rắn kéo dài yếu tố then chốt cho hấp thu vi sinh tốt chuyển đổi chất hữu Hơn nữa, Shen et al (2010) nghiên cứu tác động OLR tính (nồng độ, đường kính) dạng keo chất hữu (polysaccharides protein) AnHPMBRs, nhiên, xác định khơng có tương quan rõ ràng yếu tố Như nêu phần đầu mục này, nguyên tố thứ yếu dung mơi ảnh hưởng mạnh mẽ đến thành cơng q trình lên men hydro AnMBRs, tùy thuộc vào nồng độ chúng Theo đó, mức độ sắt thiết bị thiết kế biến quan trọng cải thiện ngăn chặn q trình lên men Thực tế hầu hết enzyme Evolver H đặc trưng với cấu tử Fe phần lõi/vị trí hoạt động chúng Qua đó, q trình sản xuất H2 bền vững AnHPMBRs cần hàm lượng sắt thích hợp, q trình để Fe sử dụng yếu tố xây dựng sinh khối hydro Tuy nhiên, Fe cần cung cấp nồng độ định, dung nạp dòng khơng nhận sức căng q tải sau bị ngộ độc mà dễ dẫn đến giảm hiệu hình thành hydro Mặc dù số kết luận đưa liên quan đến tác động chất dinh dưỡng AnHPMBRs, nghiên cứu thêm cần thiết với số thành phần khác, chưa kiểm tra tài liệu ưu tiên phức tạp nhằm nâng cao kiến thức chất lượng số lượng chất nền, hoạt động phụ thuộc vào hệ thống sinh học lên men sử dụng màng để sản xuất hydro c Các vấn đề cặn bám màng AnHPMBR Quá trình vi sinh vật lên men có tác động đáng kể hiệu suất tổng thể màng áp dụng AnHPMBRs mà hệ việc tạo thành sản phẩm trao đổi chất chủng loại vi sinh vật Về vấn đề này, hình thành EPS protein, charides polysac,… cụm polymer sinh học làm tăng q trình lên men dung dịch có độ nhớt thúc đẩy hình thành màng sinh học bề mặt màng tế bào Do đó, dẫn đến gia tăng cặn bám đồng thời kháng trình màng vận chuyển dẫn đến hoạt động hệ phản ứng không ổn định Mặt khác, EPS thể hiệu ứng đặc biệt thuận lợi đóng vai trò hạt vi sinh vật, chi phối hệ thống sinh học sản xuất hydro ổn định tốt hiệu suất khả thi Cường độ EPS chức SRT áp dụng Do đó, mức độ thu chất rắn lơ lửng bên phản ứng sinh học, hay nói cách khác, nồng độ tích lũy chất định (bao gồm khối tế bào) gọi yếu tố ảnh hưởng đến khả sử dụng tiềm màng Đó (keo) hợp chất vi sinh vật chuyển tuân thủ bề mặt màng có khả giảm bớt thơng lượng thấm qua đạt AnHPMBRs Khi lắng tế bào sống bề mặt màng, màng sinh học bắt đầu phát triển làm tăng nguy cặn bám sinh học Tương tự vi khuẩn, EPS thường không phép qua đơn vị màng lọc chất lỏng liên kết với mặt pha, gây cặn bám sinh học nghiêm trọng Hơn nữa, giải thích EPS - nhóm chức mặt dây chuyền chúng có thể tạo thành phức hợp với cation kim loại phối tử khác có nước dùng lên men Hiện tượng khơng ảnh hưởng sẵn có vi chất dinh dưỡng mà làm giảm thơng lượng thấm lò phản ứng sản xuất biohydrogen màng dựa Ngoài tập trung EPS, chất hữu lơ lửng khối tế bào vi khuẩn, màng thấm nhập thông lượng AnHPMBRs phản ánh phụ thuộc vào thông số áp suất màng, vận tốc dòng ngang đường kính lỗ màng 3.2.2 Cơng nghệ màng kỵ khí sản xuất hydro sinh học ( CSTR ) Đậu phụ đậu tương (đậu phụ) thành phần phổ biến ăn châu Á thường chế biến cách nghiền đậu nành đun sơi đậu nành, sau tiếp tục xử lý cách lọc, làm đông protein, bảo quản đóng gói [2] Trong chế biến, lên đến 30% khối lượng đậu tương bị chất thải, chiếm gần 8.10 năm Hàn Quốc Nhật Bản Tuy nhiên, chất thải đậu tương có hàm lượng hữu cao, bao gồm 40 – 60% carbohydrate, lý tưởng để sử dụng sản phẩm chất thải sinh học phong phú cho hệ sản xuất H2 Giữa chất carbohydrate, lipid, protein carbohydrate có tiềm sản xuất H2 cao nhiều so với hai hợp phần lại Lựa chọn carbohydrate sản xuất hydro nghiên cứu tốt Ví dụ, nghiên cứu, sản lượng H2 khoảng 19,3 – 96,0 mL/g, chất rắn bay (VS) lấy từ bắp cải, cà rốt, gạo, tổng hợp H từ chất thải thực phẩm bao gồm protein (trứng thịt nạc) eand lipid (mỡ da gà) không đáng kể [3] Dữ liệu từ nghiên cứu khác tiềm sản xuất H nguyên liệu giàu carbohydrate, chất thải rắn cao so với chất béo chất giàu protein gần 20 lần [4] Một số nghiên cứu sử dụng chất thải chế biến đậu phụ (TPW) chất hữu cho sản xuất H2 Noike et al [5] cố gắng sử dụng TPW chất cho sản xuất H2 khuẩn Clostridium acetobutylicum điều kiện ưa nhiệt Trong ba ngày hoạt động, H2 sản xuất liên tục, sản xuất ngừng vào ngày khơng phục hồi Các tác giả cho việc giảm để tác dụng ức chế vi khuẩn axit lactic nội tại, khắc phục tiền xử lý nhiệt TPW 70 0C 30 phút Tuy nhiên, bước tiền xử lý đưa vào quy trình sản xuất H2, suất H2 thấp: 0,52 mol H2/mol hexose, mà 13% giá trị mặt lý thuyết đạt được, dựa nguyên liệu TPW ban đầu Hoạt động lò phản ứng nhiệt độ cao nâng cao hiệu suất q trình lên men H2 cách thúc đẩy trình thủy phân đơn giản hóa đa dạng vi sinh vật có lợi cho sản xuất H Trong hoạt động liên tục, Gavala et al Yu et al quan sát sản xuất tăng cường H từ glucose nước thải nhà máy rượu gạo, lượng hydro tăng họ tăng nhiệt độ lên men 35-55 C Ngoài ra, theo Shin et al [8] Valdez-Vazquez et al sản xuất H thu từ vi khuẩn ưa nhiệt nuôi cấy cao nhiều so với từ vi khuẩn mesophilic, thay đổi khác biệt q trình trao đổi chất có lợi cho sản xuất H2 Ở đây, sử dụng phương pháp để liên tục sản xuất hydro phương pháp lên men từ TPW Sử dụng hỗn hợp hệ vi sinh kỵ khí ni mơi trường chịu nhiệt lò phản ứng khuấy liên tục (CSTR) Nhận thấy rằng, thực tế sử dụng hỗn hợp vi khuẩn vi sinh kỵ khí so với sử dụng vi khuẩn tinh khiết có nhiều ưu điểm hoạt động lò phản ứng dế dàng kiểm sốt, sử dụng nguyên liệu với phạm vi rộng Ngoài ra, màng sợi rỗng sử dụng với CSTR tạo phản ứng sinh học màng (MBR) khiến thời gian lưu sinh khối chất rắn tăng 3.2.2.1 Nguyên liệu Bùn hạt giống lấy từ phân hủy yếm khí nhà máy xử lý nước thải cục Độ pH, độ kiềm, chất rắn lơ lửng dễ bay (VSS) nồng độ bùn hợp lý Nguyên liệu xử lý nhiệt 90 0C 15 phút để làm hoạt động sử dụng hydro để thu hoạch vi khuẩn kỵ khí tạo thành bào tử Clostridium sp [8,10] TPW thu thập từ công ty địa phương đậu phụ (nằm Daejeon, Hàn Quốc) sản phẩm phụ đậu phụ từ q trình lọc đun sơi (95-105 0C) Các TPW bảo quản -300C trước sử dụng cho trình Các TPW lưu trữ làm tan băng, pha loãng với nước máy 1: tỷ (w / w), đồng máy trộn (Model HGBRWTG4, Waring Thương Cp, Ltd., USA.) Trước đưa vào CSTR, TPW pha loãng xử lý HCl để làm tăng hàm lượng carbohydrate hòa tan 3.2.2.2 Cấu tạo lò phản ứng liên tục sản xuất hydro Sơ đồ hệ thống lên men mơ tả Hình 3.11 Tổng thể tích CSTR L, với thể tích buồng làm việc L Độ pH nước giữ mức 5,5 0,1 sử dụng cảm biến pH điều khiển, với bổ sung 3N KOH Tốc độ khuấy 100 rpm, nhiệt độ trì 60 0C0.1 cách cài đặt lò phản ứng buồng kiểm sốt nhiệt độ Hình 3.11 Sơ đồ hệ thống hoạt động (A) Bể nguyên liệu (B) Máy bơm nhu động (C) Lò phản ứng (D) Khuấy từ (E) Thiết bị điều chỉnh pH (F) Đồng hồ đo khí (G) Khí sinh (H) Màng lọc (I) Tuần hoàn (J) Nguyên liệu vào thiết bị màng lọc (K) Thiết bị điều chỉnh áp suất (L) Bề chứa (M) Dòng chất thải lỏng Nguyên liệu sau xử lý sơ bể nguyên liệu bơm vào thiết bị phản ứng đặt máy khuấy từ với tốc độ khuấy 100 rpm Tại thiết bị phản ứng xảy trình lên men theo phương trình phản ứng sau: Glucose Lactate Glucose 2H2 2Propionate Glucose 2H2O Glucose (1) 2Acetate Butyrate 2H2O 2CO2 4H2 2CO2 2H2 (2) (3) (4) Khí hydro sinh phần thu đỉnh thiết bị phản ứng, phần bơm vào thiết bị màng lọc Dòng chất thải đưa đáy lò phản ứng Màng lọc để tăng thời gian lưu chất rắn nồng độ vi sinh vật, nâng cao hiệu suất sử dụng chất để sản xuất H Sản phẩm hydro sau qua thiết bị màng lọc bơm vào bể chứa, phần tuần hoàn lại thiết bị phản ứng Để tăng nồng độ sinh khối thời gian lưu chất rắn, phận lọc màng ghép với CSTR Hỗn hợp rượu bơm vào đơn vị lọc màng bên ngoài, có thấm bơm ra, thành phần rắn tái lưu thông đến CSTR Đối với màng, sử dụng mô-đun rỗng sợi vi lọc màng với diện tích bề mặt 0,025 m Thời gian hút, rửa ngược trình rửa ngược tiến hành khí sinh học sparging với tốc độ dòng chảy 5,0 L/m2/h Thơng lượng kiểm soát mức 4,32 L/h/m2 Khi nồng độ VS lò phản ứng vượt 50 g VS /L, hỗn hợp rượu bị đẩy khỏi lò phản ứng Trong mười ngày trình lên men, mơi trường tổng hợp có chứa 1% glucose với số lượng thích hợp chất dinh dưỡng (mô tả Kim et al.) [10] đưa vào lò phản ứng để thích nghi, sau axit xử lý sơ TPW bổ sung nồng độ 50% (v / v) ngày 19 Từ ngày 20 trở đi, có axit xử lý sơ TPW đưa tới lò phản ứng Vào ngày 30, đơn vị lọc màng kết nối với lò phản ứng, HRT giảm xuống 82 h Nghiên cứu trình sản xuất H2 liên tục từ trình lên men đậu hũ (đậu phụ đậu tương) xử lý chất thải (TPW) sử dụng hỗn hợp vi sinh vật yếm khí điều kiện ưa nhiệt (60 0C) so sánh tốc độ sản lượng sản xuất H2 bể khuấy lò phản ứng liên tục (CSTR) kết hợp với lò phản ứng sinh học màng (MBR), thiết bị lọc màng ghép với CSTR Các TPW pha loãng với nước máy sau thủy phân cách pha trộn với HCl Phương pháp làm tăng đáng kể lượng chất hòa tan hỗn hợp Nhu cầu oxy hóa học hòa tan (SCOD), COD (TCOD) tăng từ 14% đến 60%, nồng độ carbohydrate hòa tan tăng gấp ba lần Theo đó, tiềm sản xuất H tăng lên 2,8 lần Trong trình sử dụng CSTR xử lý sơ TPW chất nền, thể tích tốc độ sản xuất H ổn định tốc độ tạo thành H2 tăng đáng kể Năng suất H2 thu VHPR với CSTR quan sát hoạt động MBR Vai trò MBR để tăng thời gian lưu chất rắn nồng độ vi sinh vật, nâng cao hiệu suất sử dụng chất để sản xuất H Axetic axit butyric chất chuyển hóa trạng thái lỏng sản xuất q trình lên men Do hoạt động điều kiện chịu nhiệt thuận lợi cho sản xuất H từ TPW Một lượng H2 gia tăng tối đa 1,87 mol H2 /mol hexose đạt AT8-h HRT sau giảm xuống 1,00 mol H2 / mol hexose tương đương 2-h HRT Trong đó, VHPR liên tục tăng lên đến tối đa 19,86 L H 2/L/d lúc 4h HRT sau giảm xuống với tốc độ pha loãng cao HRT hạ xuống đến h (tối thiểu) Vào lúc 2-h HRT, xuống cấp carbohydrate hòa tan hạn chế Bởi tốc độ sản xuất nhanh chóng, kỹ thuật đơn giản, không cần yêu cầu cho thêm lượng ánh sáng [1], sản xuất H sinh học thơng qua q trình lên men bóng tối nhận ý nhà nghiên cứu Lên men bóng tối cho có nhiều thực tế, dễ áp dụng thương mại so với trình sinh học phụ thuộc vào ánh sáng cho phép việc sử dụng chất thải nước thải làm chất nền, có khả tăng cường lợi ích kinh tế tăng lên đáng kể 3.2.2.3 Công nghệ lên men theo mẻ sử dụng CSTR Việc tiêm chủng cho thử nghiệm lên men theo mẻ sinh khối thu thập từ CSTR (tại ngày 10) thích nghi với điều kiện nhiệt độ Sau bùn ly tâm kỵ khí 4500 rpm 30 phút, mL gieo trồng vào bình theo mẻ, dẫn đến OD660 (mật độ quang 660 nm) ban đầu giá trị 0,6 Lên men theo mẻ (250 mL) trang bị với cảm biến pH khuấy từ Thêm 100 ml dung dịch pha loãng xử lý sơ TPW đưa vào lên men, pH ban đầu điều chỉnh đến 7,0 Các bình sau làm khí Ar, đặt bồn nước với máy khuấy từ Tốc độ trộn nhiệt độ kiểm soát mức 200 rpm 60±1 0C, tương ứng Sản xuất khí sinh học thành phần đo định kỳ từ bình để ước tính sản xuất H Như axit sản xuất trình lên men dẫn đến giảm độ pH, thêm 1N NaOH vào để trì độ pH 5,5±0.1 Nồng độ carbohydrate pH theo dõi suốt trình lên men 3.2.2.4 Ảnh hưởng tiền xử lý axit đến suất H2 Bởi ngun liệu TPW có khả hòa tan thấp (dưới 15%), nên bước tiền xử lý áp dụng để làm cho phân hủy sinh học Axit hóa lựa chọn phương pháp tiền xử lý, hiển thị để tăng sản xuất H từ vật liệu sinh học khác Quá trình tiền xử lý tăng cường đáng kể trình thủy phân TPW nguyên liệu Ở đây, "hòa tan" định nghĩa phần trăm nhu cầu oxy hóa học hòa tan tỷ lệ (SCOD) nhu cầu oxy hóa học etoetotal (TCOD), tăng từ 14% đến 60% sau phút trước xử lý Ngoài ra, lượng carbohydrate hòa tan, chất để sản xuất H2 lên men tăng đáng kể Nghiên cứu cho thấy khơng có gia tăng TPW thủy phân sau xử lý với HCl Trong thử nghiệm batch cách sử dụng xử lý sơ không xử lý sơ (điều khiển) TPW, TPW xử lý sơ suất H cao nhiều Tổng số tiền sản xuất H tăng 2,8 lần Ngoài ra, xuống cấp carbohydrate hạn chế 15,3% không xử lý trước TPW tăng lên đến 40,4%, phản ánh rõ ràng việc sử dụng tăng cường chất hữu TPW q trình trước xử lý Ngồi ra, số lượng sản phẩm axit lớn hơn, pH giảm nhanh xử lý sơ TPW 3.2.3 Cân nhắc thiết kế lò phản ứng để sản xuất hydro sinh học: CSTR với AnMBR Theo đánh giá phê bình, nghiên cứu liên quan có nghĩa AnMBRs cạnh tranh với CSTRs ứng dụng xem xét cấu hình lò phản ứng lên men sản xuất hydro sinh học có tính khả thi hơn, cho mục đích khác Theo đó, thấy CSTR tốt trường hợp nâng cao suất hydro sinh học tốc độ sản xuất hydro xác định mục tiêu hướng tới, thiết kế thay AnMBR lẽ cho phép đạt tương đối tăng xuất thể tích hydro Tuy nhiên, số báo cáo, thực tiến hóa tổng thể AnMBR sản xuất hydro vượt trội so với CSTR hoạt động ổn định Hơn nữa, AnMBRs cung cấp khả hoạt động mạnh mẽ phù hợp Tuy nhiên, việc lựa chọn hai hệ thống phải thực trường hợp cụ thể, ví dụ từ q trình phù hợp cho dự án cụ thể đó, ứng dụng khác khả thi cho mục đích khác Hơn nữa, điều quan trọng khơng có sản lượng tốc độ sản xuất H yếu tố quan trọng, rõ ràng phải xem xét thực việc đánh giá hệ thống số tính bổ sung, chẳng hạn khía cạnh downstream tốt Điều tất cả, phân tích đa khía cạnh trình dự định thay đổi phù hợp khái niệm lò phản ứng khác tăng/giảm mức độ hấp dẫn tương đối CSTR AnMBR Ví dụ, sản lượng hydro sinh học luôn cao trình liên tục khác, ứng dụng tế bào tự khác, nhận AnMBR mang lại số lợi nước thải chất lượng cao, khơng có cần thiết bị bổ sung (ví dụ bể lắng) để tái chế tế bào để sửa chữa thiết bị bỏ Phản ứng sinh học hỗ trợ với màng vi lọc siêu lọc đảm bảo tương đối nước thải chất hữu rắn thơng số vi khuẩn Do đó, làm giảm cần thiết chi phí trình sau trình lên men Tuy nhiên, phát triển rộng lớn lĩnh vực cần thiết để thiết lập kết luận sở vững số hạn chế nghiên cứu sử dụng AnMBRs cho sản xuất hydro sinh học Để tạo thuận lợi cho tiến nghiên cứu AnHPMBR, số gợi ý dùng cho thiết kế chúng, sau: Trước hết, hydro sản xuất truyền chất có tầm quan trọng cao Nhiệt axit xử lý sơ quần yếm khí xuất có tính khả thi Hơn nữa, mang lại lợi ích để có thích nghi với chất định lò phản ứng thơng thường (ví dụ mạch liên tục khuấy) trước tích hợp hệ thống với mô-đun màng chuyển sang chế độ AnMBR Thời gian chuyển dịch hoạt động MBR nên có thời điểm rửa trơi xúc tác sinh học tế bào trở thành mối đe dọa tiềm màng lọc thơng thường lên men đảm bảo thủy lực thời gian lưu giữ vững Trong chế độ AnMBR, tỷ lệ SRT / HRT trình diễn biến quan trọng cho hiệu suất sản xuất hydro Kết sơ thu lò phản ứng thiếu màng sử dụng điểm chuẩn cho đạt cấu hình AnMBR Đối với màng tế bào, màng vi lọc dường áp dụng, khái niệm hoạt động thích hợp cần thiết để hạn chế nguy thất bại lò phản ứng sinh học ví dụ lò phản ứng tắc nghẽn Điều khẳng định lựa chọn thích hợp yếu tố nồng độ (tỷ lệ SRT/HRT) kỹ thuật tái tạo thông lượng thấm Tổng quan phản ứng sinh học màng kỵ khí,mặc dù số lượng hạn chế tài liệu có liên quan hệ thống tích hợp hấp dẫn cho sản xuất hydro sinh học coi giải pháp thay cho ứng dụng phổ biến CSTR Tuy nhiên, nhiều cống hiến nghiên cứu cần thiết cho phát triển lĩnh vực sản xuất ví dụ để có tốt đứng tương hỗ phản ứng sinh học màng, yếu tố quan trọng để đạt hiệu tốt dễ dự đoán hơn, kiểm soát dài hạn, trạng thái ổn định Do đó, cơng việc nỗ lực đưa tổng quan tiến độ phản ứng sinh học màng kỵ khí sử dụng công nghệ lên men hydro Thứ nhất, tính thơng thường, phản ứng sinh học kỵ khí màng trình bày Sau đó, số vấn đề cần quan tâm (thời gian lưu giữ, chất dinh dưỡng, vấn đề liên quan đến màng) ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng sinh học kỵ khí sử dụng màng sản xuất hydro (AnHPMBR) thảo luận Cuối cùng, tính khả thi AnMBR cho hệ hydro sinh học so với CSTRs truyền thống đánh giá cao KẾT LUẬN Nhiên liệu sinh học chìa khóa giải vấn đề nhiễm bầu khí biến đổi khí hậu tồn cầu mối lo tồn giới sử dụng nhiên liệu hóa thạch Một kinh tế lượng sinh học xuất xuất kinh tế dầu – khí, buộc phải thay đổi tận gốc hạ tầng sở kinh tế hóa thạch hoạt động người Phương thức sản xuất nguồn lượng khơng tìm kiếm, thăm dò, khai thác; phương thức tồn chứa, vận chuyển, cung ứng lượng sinh học cho nhu cầu tiêu thụ buộc phải có cấu trúc, xây dựng hạ tầng sở Động chế tạo theo nguyên lý phù hợp nguồn lượng sinh học, tất nhiên khác hẳn động xăng, dầu Các nhà khoa học giới nỗ lực nghiên cứu, tìm tòi khám phá cách tốt để sản xuất nhiên liệu sinh học, tương lai khơng phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch Với mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng công nghệ màng đến trình sản xuất lượng sinh học, em thu kết sau: - Nắm vững lý thuyết công nghệ màng - Hiểu rõ số công nghệ sản xuất lượng sinh học có sử dụng cơng nghệ màng như: sản xuất ethanol sinh học, sản xuất khí metan hydro sinh học, sản xuất bio – dầu diesel sinh học, sản xuất tảo - Nắm vững lý thuyết quy trình hai cơng nghệ: Cơng nghệ màng kỵ khí sản xuất hydro sinh học (AnHPMBR) Cơng nghệ màng kỵ khí sản xuất hydro sinh học ( CSTR ) TÀI LIỆU THAM KHẢO Luận văn công nghệ sản xuất bio ethanol, Kỹ sư: Trần Thái Huy – Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Cao Đình Khánh Thảo, Nghiên cứu thử nghiệm khả xử lý rơm rạ để lên men ethanol, Luận văn Đại học, Bộ môn Cơng Nghệ Sinh Học – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học, 01/2007 Recent advances in membrane technologies for biorefining and bioenergy production Oh S-E, Iyer P, Bruns MA, Logan BE Biological hydrogen production using a membrane bioreactor Biotechnol Bioeng 2004;87:119–27 P Bakonyi, N Nemestóthy, V Simon, K Bélafi-Bakó, Fermentative hydrogen production in anaerobic membrane bioreactors: A review Uragami T, Matsugi H, Miyata T Pervaporation characteristics of organic– inorganic hybrid membranes composed of poly(vinyl alcohol-co-acrylic acid) and tetraethoxysilane for water/ethanol separation Macromolecules 2005;38:8440–6 Shen L, Zhou Y, Mahendran B, Bagley DM, Liss SN Membrane fouling in a fermentative hydrogen producing membrane bioreactor at different organic loading rates J Membr Sci 2010;360:226–33 Shen L, Bagley DM, Liss SN Effect of organic loading rate on fermentative hydrogen production from continuous stirred tank and membrane bioreactors Int J Hydrogen Energy 2009;34:3689–96 Lee D-Y, Li Y-Y, Noike T Continuous H2 production by anaerobic mixed microflora in membrane bioreactor Bioresour Technol 2009a;100:690–5 10 ... từ trình thủy phân, phản ứng màng sinh học cho sản xuất lượng sinh học hóa học, chẳng hạn ethanol sinh học, khí sinh học axit axetic, tách nước ethanol sinh học, sản xuất dầu sinh học diesel sinh. .. THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ MÀNG 1.1 Màng polyme .9 1.2 Màng vô 1.3 Màng hỗn hợp vô – hữu 10 CHƯƠNG – SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG TRONG MỘT SỐ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG SINH. .. diện cho lượng bền vững Công nghệ màng đóng vai trò quan trọng q trình phát triển tinh lọc sản phẩm tinh chế trình sản xuất tái chế lượng sinh học số công nghệ tách khác sử dụng, công nghệ màng cung