định hướng sản xuất bio ethanol từ chất tải sinh khối sau khi thu hoạch nông sản

ĐỊNH HƯỚNG SẢN XUẤT BIO-ETHANOL TỪ CHẤT TẢI SINH KHỐI SAU KHI THU HOẠCH NÔNG SẢN 1.Mở đầu 1.1.Định nghĩa phân loại bio-ethanol a.Định nghĩa Ethanol hay gọi tên khác rượu etylic, rượu ngũ cốc, cồn, ethyl alcohol, ethyl hydrate hợp chất hữu thuộc dãy đồng đẳng rượu no đơn chức có cơng thức phân tử: C 2H5OH hay C2H6O Bio-ethanol hỗn hợp pha trộn theo tỷ lệ xác định ethanol xăng, ethanol sản xuất từ nguyên liệu sinh học (đường mía, tinh bột, xenlullo ) b.Phân loại Những loại xăng sinh học sử dụng giới: • E5, E10: Bioethanol pha 5%, 10% thể tích vào xăng khơng ảnh hưởng đến động xe • E25: Bioethanol pha 25% thể tích vào xăng, động xe cần cải tiến • E85: Bioethanol pha 85% thể tích vào xăng, sử dụng cho động chế tạo riêng Đầu kỷ 21 xăng sinh học trở thành nhiên liệu ưu tiên hàng đầu xây dựng chiến lược lượng Mỹ, Tây Âu, Nhật Bản, Braxin Ưu điểm xăng sinh học cháy triệt để hơn, loại bỏ phụ gia chống kích nổ chứa chì, giảm phát thải CO2 khơng khí đáng kể so với xăng thường Nhược điểm lớn xăng sinh học nồng độ cao Bio-Ethanol làm hỏng chi tiết máy động 1.2.Hiện trạng sản xuất,sử dụng Bioethanol a.Trên giới Hiện có khoảng 50 nước giới khai thác sử dụng bioethanol mức độ khác Năm 2006, tồn giới sản xuất khoảng 50 tỷ lít etanol (75% dùng làm nhiên liệu) so với năm 2003 38 tỷ lít Chỉ số octan etanol cao nên thích hợp với hệ đánh lửa động đốt ô tô, song số xetan thấp nên khơng thích hợp với động diezel Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page Bảng 1.2.1.Tổng sản lượng etanol hàng năm số nước [1] Tổng sản lượng Etanol hàng năm 15 nước đứng đầu (2004-2006) (Triệu gallon ) Xếp hạn g giới Đất nước/ Vùng Tổng sản lưọng Etanol hàng năm 15 nước đứng đầu (2007) (Triệu gallon) 2006 2005 2004 Xếp hạng giới Đất nước/ Vùng 2007 Mỹ 4855 4264 3535 Mỹ 6498,6 Brazil 4491 4227 3989 Brazil 5019,2 Trung Quốc 1017 1004 964 EU 570,3 Ấn Độ 502 449 462 Trung Quốc 486,0 Pháp 251 240 219 Canada 211,3 Đức 202 114 71 Thái Lan 79,2 Nga 171 198 198 Campuchia 74,9 Canada 153 61 61 Ấn Độ 52,8 Tây Ban Nha 122 93 79 Trung Mỹ 39,6 10 Nam Phi 102 103 110 10 Australia 26,4 11 Thái Lan 93 79 74 11 Thổ Nhĩ Kỳ 15,8 12 Anh Quốc 74 92 106 12 Pakistan 9,2 13 Ukraine 71 65 66 13 Peru 7,9 14 Ba Lan 66 58 53 14 Argentina 5,2 15 Saudi Arabia 52 32 79 15 Paraguay 4,7 Tổng số 13489 12150 10770 Tổng số 13101,7 Năm 2005, Brazil sản xuất 16 tỷ lít etanol, chiếm 1/3 sản xuất toàn cầu Năm 2006, Brazil có 325 nhà máy etanol khoảng 60 nhà máy khác xây cất, để sản xuất xăng etanol từ mía (đường, nước mật, bả mía) bắp dự trù sản xuất 38 tỷ lít vào năm 2013 Hiện tại, diện tích trồng mía Brazil 10,3 triệu ha, nửa sản lượng mía dùng sản xuất xăng-etanol, nửa dùng sản xuất đường Dự đoán Brazil trồng 30 triệu mía vào năm 2020 Vì lợi nhuận khổng lồ, cơng ty tiếp tục phá rừng Amazon để Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page canh tác mía, bắp, đậu nành cho mục tiêu sản xuất xăng sinh học vừa tiêu thụ nước vừa xuất Giá xăng etanol bán nửa giá xăng thường Brazil Hoa kỳ sản xuất Etanol chủ yếu từ hạt bắp, hạt cao lương thân cao lương củ cải đường Khoảng 17% sản lượng bắp sản xuất hàng năm Hoa Kỳ dùng để sản xuất etanol Hoa Kỳ đặt tiêu sản xuất E10 để cung cấp 46% nhiên liệu cho xe năm 2010 100% vào 2012 Hãng General Motor thực dự án sản xuất E85 từ cellulose (thân bắp) có khoảng triệu xe chạy E85 Hãng Coskata có nhà máy lớn sản xuất xăng etanol Hiện nơng dân Hoa Kỳ chuyển hướng sản xuất lúa mì bắp cho xăng sinh học số lượng xuất hạt ngũ cốc giảm từ nhiều năm làm giá nông sản giới gia tăng Mặt khác, giá xăng sinh học cịn cao xăng thường phủ Mỹ phải trợ cấp khoảng 1,9 USD cho gallon (=3,78 lít) xăng sinh học, tổng cộng khoảng tỷ USD/năm Đức nước tiêu thụ nhiều xăng sinh học cộng đồng EU, có khoảng 0,48 triệu etanol Nguyên liệu sản xuất etanol Đức củ cải đường Pháp nước thứ hai tiêu thụ nhiều etanol sinh học cộng đồng EU với mức khoảng 1,07 triệu etanol diesel sinh học năm 2006 Thuỵ Điển có chương trình chấm dứt hoàn toàn nhập xăng cho xe vào năm 2020, thay vào tự túc xăng sinh học Hiện nay, 20% xe Thuỵ Điển chạy xăng sinh học, xăng etanol Thuỵ Điển chế tạo xe vừa có khả chạy etanol vừa có khả chạy điện Để khuyến khích sử dụng xăng sinh học, phủ Thuỵ Điển không đánh thuế xăng sinh học trợ cấp xăng sinh học rẻ 20% so với xăng thông thường, trả tiền đậu xe thủ đô số thành phố lớn, bảo xe rẻ Vương quốc Anh đặt tiêu 5% xe giao thông sử dụng xăng sinh học năm 2010 Hiện xe bus chạy xăng sinh học Hảng hàng không Virgin (Anh quốc) bắt đầu sử dụng xăng sinh học cho máy bay liên lục địa Trung quốc sản xuất 920.000 etanol Chỉ tiêu sản xuất triệu etanol vào năm 2010 300 triệu etanol vào 2020 Hiện Trung quốc cho phép trồng sắn, lúa miến số hoa màu không quan trọng khác loại đất nghèo dinh dưỡng, khơng thích ứng sản xuất nơng nghiệp Shangdong Xinjiang Uygur để sản xuất ethanol Ở Ấn Độ, Chính phủ có sách sử dụng xăng E5, E10, E20 năm tới Ấn Độ gia tăng diện tích trồng dầu lai mía để sản xuất xăng etanol Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page Thái Lan bắt đầu nghiên cứu sản xuất xăng sinh học từ năm 1985 Năm 2001, Thái Lan thành lập Uỷ ban NLSH để điều hành phát triển nghiên cứu NLSH Xăng E10 bắt đầu bán trạm xăng từ 2003 Bảng 1.2.2.So sánh số tiêu etanol, xăng ETBE [2] TT Đặc tính nhiên liệu Etanol ETBE C2H5OH C4H9-O\C2H5 Xăng (Quy ước) Cơng thức hóa học C8H15 Khối lượng phân tử (kg/kmol) 46 102 111 Chỉ số octan (RON) 109 118 97 Chỉ số octan (MON) 92 105 86 Chỉ số xetan 11 - Áp lực bay Reid (kPa) 150C 16,5 28 Khối lượng riêng (kg/1) 15°C 0,80 0,74 75 Giá trị calo thấp (MJ/kg) 15°C 26,4 36 0,75 Etanol làm phụ gia cấp oxy cho xăng (nồng độ 3%) giảm phát thải khí CO đồng thời làm phụ gia thay chì tetraethyl Etanol dùng làm yếu tố tăng số octan cho xăng qua giảm nổ cải thiện tiếng ồn động Pha trộn với tỉ lệ hợp lý etanol xăng làm tăng hiệu động xe Các loại xe chạy nhiên liệu xăng pha etanol gọi xe chạy nhiên liệu gasohol Thơng thường gasohol có tỉ lệ pha trộn 10% etanol 90% xăng khơng pha chì (E10) Nếu xe cải thiện phận đánh lửa động cơ, chạy với nhiên liệu gasohol E85 (85% etanol 15% xăng) b.Tại Việt Nam Việt Nam với đất hẹp (diện tích canh tác khoảng 9,3 triệu ha), dân đơng (85 triệu năm 2007, trung bình mồi đầu người 0,11 ha), lại nước phát triển (GDP trung bình 726 USD/đầu người năm 2006) vùng sản xuất nơng nghiệp đồng Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page Sông Cửu Long Sông Hồng tải Đất canh tác phải tiếp tục sản xuất lương thực thiết yếu cho đời sống người dân Vì Việt Nam phải tìm nguồn nguyên liệu thực vật phù hợp để sản xuất xăng sinh học mà không ảnh hưởng đến sản xuất cung cấp lương thực Việt Nam tiến hành nghiên cứu sử dụng dạng lượng tái tạo Trong lượng sinh học ý Các hội thảo diễn vào tháng 7/2006 Tp Hồ Chí Minh tháng 10/2007 Hà Nội thu hút ý hàng trăm nhà khoa học kinh doanh chung quanh vấn đề xăng sinh học Qua hội thảo này, số chuyên gia nhà kinh doanh đề cập đến việc sử dụng lúa gạo, mía đường, để sản xuất etanol; dầu lai (miền Bắc gọi dầu mè - Jatropha curcas), mỡ cá ba sa (khoảng 40.000 tấn/năm) Hội thảo đề cập đến lý hạn chế phát triển xăng sinh học là: • Số lượng nguyên liệu sản xuất xăng sinh học tinh bột ngũ cốc, mật rỉ đường mỡ cá ba sa cịn hạn chế • Chưa có đầu tư thích đáng chưa có hỗ trợ Chính phủ • Chính phủ chưa có sách, chiến lược phát triển NLSH Các nhà khoa học kinh doanh mong chờ Chính phủ ban hành sách luật lệ rõ ràng Nhiều công ty sẵn sàng đầu tư nghiên cứu phát triển NLSH mía đường Lam Sơn Thanh Hố, Sài Gịn Petro, Cơng ty Rượu Bình Tây, Cơng ty Chí Hùng, v.v Tuy nhiên chưa có nhà kinh doanh dám mạnh dạn đầu tư nghiên cứu phủ chưa có sách quy định cụ thể 2.Các loại chất thải sau thu hoạch nơng sản sản xuất Bioethanol 2.1.Tình hình sản xuất nơng nghiệp Nơng nghiệp Việt Nam gồm có ngành trồng trọt chăn ni trồng trọt tập trung vào loại lương thực như: lúa, ngô, khoai, sắn công nghiệp ngắn, dài ngày Số liệu bảng 2.1 cho thấy trồng nơng nghiệp chủ yếu lúa, sau ngô, trồng khác chiếm tỉ lệ nhỏ Như vậy, lượng phụ phẩm nông nghiệp (PPNN) (phần để lại sau thu hoạch gốc rễ,thân, ) sau vụ thu hoạch lớn Nếu tính sơ bộ, lượng phụ phẩm chiếm 50% sinh khối (SK) hàng năm có tới 38 triệu rơm rạ từ lúa khoảng 16 triệu thân ngô bị bỏ lại đồng ruộng Đây lượng SK lớn, nguồn nguyên liệu tiềm cho sản xuất etanol đầu tư nghiên cứu có sách đắn Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page Bảng 2.1.Diện tích gieo trồng sản lượng số loại trồng năm 2008 [3] TT Cây trông Lúa Ngô Khoai lang Săn Bơng Đay Cói Mía Lạc 10 Đậu tương 11 Thc Diện tích gieo Sản lượng trơng (nghìn ha) (nghìn tấn) 7414,3 38725,1 1125,9 4531,2 162,2 1323,9 557,7 9395,8 5,2 6,9 3,4 8,8 11,7 84,7 271,1 1628,0 256,0 533,8 191,5 268,6 16,4 28,7 2.2.Tình hình sử dụng phụ phẩm nơng nghiệp (PPNN) 2.2.1.Sử dụng phụ phâm nông nghiệp Hiện nay, PPNN (rơm rạ) thường sử dụng làm thức ăn gia súc, trồng nấm tận dụng làm phân bón hữu Trong vài năm gần PPNN thu hút quan tâm nhà khoa học, ngành tiềm sản xuất điện etanol PPNN nguyên liệu sản xuất sản phẩm như: • Thức ăn gia súc PPNN thường làm thức ăn cho gia súc Đặc biệt ủ với u rê làm nguyên liệu giàu dinh dưỡng, dự trữ cho mùa đông thiếu thức ăn xanh Các PPNN thường dùng rơm rạ, thân lạc, sắn, bã mía, v.v • Phân bón hữu Khi sử dụng nguồn nguyên liệu sản xuất phân bón hữu sinh học, PPNN phối trộn lẫn với số nguyên liệu khác phân chuồng, đạm, chế phẩm vi sinh Các PPNN thường dùng xác bã thực vật xác rau xanh, thân lạc Ngoài sử dụng số nguồn nguyên liệu PPNN khác vỏ cà phê, rơm rạ Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page • Sản xuất điện Sử dụng PPNN sản xuất điện nghiên cứu Các PPNN tận dụng vỏ trấu, lõi ngơ, bã mía Năm 2006, Viện Cơ điện Nơng nghiệp Cơng nghệ sau thu hoạch hồn thiện công nghệ sản xuất điện từ loại PPNN Viện xây dựng lò sấy phát nhiệt tỉnh Long An, Kiên Giang, Tp Hồ Chí Minh, Gia Lai Dây chuyền công nghệ sản xuất điện gồm phận: nồi lò đốt, tuốc bin hơi, máy phát, thiết bị trao đổi nhiệt, máy sấy tầng sơi, máy sấy thấp Theo tính tốn Ts Phạm Văn Lang, sản xuất KW điện cần khoảng - kg PPNN • Etanonl sinh hoc Nghiên cứu sản xuất etanol làm nhiên liệu sinh học từ PPNN quan tâm Các nhà khoa học Đài Loan thành cơng phịng thí nghiệm biến chế etanol từ rơm rạ, 10 kg rơm rạ thu lít cồn 99,5% để pha làm xăng sinh học (Taipei Times, 19/2/2008), phải vài năm sản xuất quy mơ thương mại Các nghiên cứu Trung quốc cho thấy, xăng sinh học sản xuất từ rơm rạ đắt xăng dầu mỏ khoảng 250 USD/tấn Hãng General Motors Hoa Kỳ hợp tác với Công ty sản xuất etanol Coskata để sản xuất ethanol từ thân bắp vào cuối năm 2008, kể từ 2011 sản xuất 50 - 100 triệu gallons/năm, với giá USD/gallon Ở Việt Nam, theo nghiên cứu thuộc đề tài “Nghiên cứu công nghệ xử lý số loại PPNN nước áp suất cao đ ể thu dung dịch đường có khả lên men tạo thành Etanol” Nguyễn Hoàng Dũng (Đại học Bách Khoa, TP.HCM), PPNN sử dụng rơm, rạ, trấu Để thu etanol, rơm, rạ, trấu xử lý thiết bị phản ứng thủy nhiệt quy mơ phịng thí nghiệm Sau tiếp tục nghiên cứu quy mô pilot thiết bị cấp nước áp suất cao Thiết bị thủy nhiệt Trường Đại học Tokyo (Nhật Bản) cung cấp Cả loại phụ phẩm xử lý nước nhiều chế độ thí nghiệm khác nhau, sau chúng phân tích acid để xác lập chế độ tối ưu cho trình xử lý nước Trên sở đó, nghiên cứu q trình thủy phân lên men để chứng minh khả chuyển hóa rơm rạ, trấu nguồn PPNN chủ yếu thành cồn nhiên liệu khả thi Nhóm nghiên cứu thu cồn nhiên liệu 90° 2.2.2.Vấn đề phát thải sau thu hoạch Hiện nay, PPNN không cịn sử dụng nhiều chăn ni xu hướng sử dụng thức ăn chăn nuôi công nghiệp diễn mạnh mẽ Hơn nữa, việc sử dụng phụ Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page phẩm theo cách thức truyền thống cho việc đun nấu khơng cịn Do vậy, người dân sau thu hoạch sản phẩm chính, phần cịn lại (phụ phẩm) thải bỏ đồng ruộng, chất đống đốt Việc đốt phụ phẩm gây ô nhiễm môi trường phát thải vào khơng khí nhiều khí độc hại mà cịn lãng phí tài ngun gây nhiều tác hại khác Theo nghiên cứu Ân Độ, việc đốt rơm rạ hay tàn dư trồng vùng đồng sơng Hằng thải khoảng 0,14 triệu khí metan (CH4) Số lượng tương đương 20% tổng khí CH4 từ cánh đồng lúa nước vùng Khí CO sinh việc dùng dầu diesel để chạy máy nông nghiệp trình đốt cháy tàn dư trồng rơm rạ Khí N 2O đốt cháy tàn dư trồng sản sinh 40g N 2O/tấn rơm rạ Nếu giả định đồng sông Hằng với 12 triệu đốt cháy 2.000 khí N2O phóng thích vào bầu khí Hình 2.2.2 Đốt rơm rạ sau thu hoạch ruộng [4] Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page 2.2.3.Cây ngô phụ phẩm từ ngô Theo số liệu thống kê Tổng cục thống kê Việt Nam, diện tích ngơ trồng trồng từ năm 2000 đến năm 2008 thể Bảng 2.2.3 Bảng 2.2.3 Diện tích gieo trồng ngơ trồng từ năm 2000 đến năm 2008 [5] Năm 2000 2004 2005 2006 2007 2008 Cả nước Đồng sông Hồng 730,2 991,1 1052,6 1033,1 1096,1 1125,9 97,8 89,8 88,3 85,3 91,0 98,4 Diện tích gieo trơng (nghìn ha) Trung Băc Tây Đông Nam du Trung Nguyên Bộ miền Bộ núi duyên phía hải miền Bắc Trung 282,5 144,1 86,8 100,0 348,4 211,4 209,2 99,8 371,5 225,6 236,6 95,7 369,6 224,4 227,6 92,5 426,3 213,9 235,6 92,6 440,5 219,7 236,9 89,5 Đông sông Cửu Long 19,0 32,5 34,9 33,7 36,7 40,9 Nếu ước tính lượng phụ phẩm ngô để lại đồng ruộng vào khoảng 5060 tấn/ha tổng lượng phụ phẩm ngơ hàng năm 50-60 triệu thân ngô Đây lượng phụ phẩm lớn, nguyên liệu tiềm cho sản xuất ethanol sinh học Phụ phẩm từ ngô bao gồm: thân, lá, bẹ lõi ngơ Hình 2.2.3.Các phụ phẩm ngơ sau thu hoạch [6] Hiện trạng sử dụng phụ phẩm từ ngô • Thân ngô Vào mùa thu hoạch người dân thường bẻ bắp ngơ riêng, cịn thân hầu hết chặt phơi ruộng (khoảng 90%), khô Tùy theo vùng mà thân ngơ bị thải bỏ ruộng vận chuyển nhà sử dụng cho Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page mục đích khác làm thức ăn cho gia súc, làm chất đốt cho đun nấu gia đình Thân, ngô dùng làm thức ăn cho gia súc tốt thân ngơ hàm lượng chất xơ chiếm 31,5% (trong hợp chất chứa cacbon 40%, hợp chất chứa cacbon 24%, lignin 14%), protein thô chiếm 7,6%, hàm lượng đường tinh bột cao so với rơm rạ • Lõi bẹ ngơ Bắp ngơ sau thu hoạch về, bẹ bóc Khi tươi bẹ dùng phần làm thức ăn cho gia súc cịn phần lớn phơi khơ để đun nấu Bắp ngơ sau tách hạt cịn lại lõi ngô Lõi ngô phơi khô dùng cho đun nấu vứt bỏ Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page 10 3.Các phương pháp sản xuất Bioethanol Để sản xuất ethanol ta áp dụng nhiều phương pháp khác Việt Nam nước nông nghiệp có sản phẩm nơng nghiệp phong phú nên ta sản xuất ethanol từ nhiều nguyên liệu Các phương pháp sản xuất Bio-ethanol là: • • • • Sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột (sắn, ngô) Sản xuất ethanol từ nguyên liệu rỉ đường Sản xuất ethanol từ nguyên liệu chứa cellulose (rơm rạ, mùn cưa…) Công nghệ sản xuất bio-ethanol hệ từ tảo Hiện nay, Việt Nam áp dụng sản xuất bio-ethanol sử dụng công nghệ sản xuất bio-ethanol hệ với nguyên liệu chủ yếu tinh bột rỉ đường Các phụ phẩm nông nghiệp giàu tiểm sắn, ngô, rơm rạ 3.1.Sản xuất ethanol từ nguyên liệu chứa tinh bột (sắn, ngô) 3.1.1.Các cơng đoạn sản xuất ethanol từ tinh bột Công nghiệp sản xuất ethanol nhiên liệu từ tinh bột dựa hoạt động enzyme vi sinh vật có khả chuyển hóa tinh bột thành đường Quá trình giúp phá vỡ tế bào tinh bột trạng thái hịa tan Q trình cịn sử dụng enzyme amylaza chuyển hóa tinh bột hịa tan thành đường Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page 11 Hình 3.1.Cơng nghệ sản xuất bio-ethanol từ tinh bột [7] a.Thuyết minh công đoạn sản xuất ethanol từ tinh bột Nguyên liệu tinh bột đưa xử lý công đoạn làm sơ để tách tạp chất, nghiền mịn thành tinh bột, hòa trộn với nước tạo thành dung dịch tinh bột ( thủy phân), tinh bột chuyển hóa enzyme alpha amylaza Sau thủy phân, dung dich đưa qua cơng đoạn đường hóa tinh bột thành đường lên men Qua q trình đường hóa, dịch đưa vào thùng lên men chuyển hóa thành rượu CO với nhiều sản phẩm phụ khác Dung dich khỏi thùng lên men chuyển đến khu vực chưng cất bao gồm chưng cất thô chưng cất tinh Ở tháp chưng cất thô, bio-ethanol tách khỏi thùng lên men, nồng độ lên 40-70%v/v, sản phẩm đáy dung dịch men đưa qua tách bã xử lý nước Bio-ethanol sau chưng cất thô đưa qua tháp chưng cất tinh Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page 12 để tách tạp chất, nồng độ lên khoảng 90%, sản phẩm đưa qua tách nước tách axit để nồng độ lên tới 99,8% đưa lưu trữ b.Ưu, nhược điểm • Ưu điểm: tạo nhiên liệu xăng sinh học góp phần giảm thải nhiễm môi trường, công nghệ sản xuất đơn giản hơn, dễ vận hành… • Nhược điểm: sau chưng cất bio- enthanol có nồng độ thấp nên cần phải tách nước tách axit nên tốn nhiều thiết bị lượng Tuy nhiên, việc phát triển nhanh vùng ngun liệu gây hậu qủa mơi sinh, ảnh hưởng đến phát triển bền vững, cân sinh thái cho địa phương Từ năm 2010 đến nay, 1/3 tổng sản lượng sắn nước ta bị nấm bệnh đất xấu, lạm dụng phân vơ cơ, giống bị thối hóa, thời tiết khơng thuận 3.2 Sản xuất bio-ethanol hệ từ nguyên liệu có chứa cellulose a.Nguyên liệu Về nguyên tắc sản xuất bio-ethanol từ nguồn nguyên liệu có chứa cellulose Tuy nhiên, để phù hợp với kinh tế điều kiện Việt Nam, ta sử dụng nguyền nguyên liệu sau: rơm, trấu, bã mía, lõi ngơ, vỏ ngơ, cỏ dại,… Bảng 3.2.Ngun liệu celullozơ sản xuất Bio-ethanol [8] Nguồn nguyên liệu Sản lương (triệu tấn/ năm) Rơm rạ 15 Trấu 6,7 Bã mía Lõi ngơ Vỏ ngơ 3,17 3,1 0,67 Tiểu luận nhiên liệu sinh học Sử dụng cho mục đích Nguyên liệu, giấy, nấm rơm, thức ăn gia súc,… Nhiên liệu rắn, đóng gói xây dựng, chất độn, đốt lò Đốt lò, điện, chế biến giấy, ván ép Chủ yếu đốt lò Thức ăn gia súc, đốt bỏ Page 13 Sản lượng lại 6,6 – 7,8 1,8 – 2,2 0,087 - b.Quy trình cơng nghệ sản xuất bio-ethanol điển hình từ nguyên liệu chứa cellulose Về nguyên tắc, trình sản xuất ethanol từ nguồn nguyên liệu chứa cellulose giống từ tinh bột hay rỉ đường Quá trình sản xuất ethanol từ nguồn nguyên liệu chứa cellulose giống từ tinh bột hay rỉ đường Nó bao gồm ba bước bản: • Xử lí ngun liệu • Đường hố lên men • Tinh chế sản phẩm (chưng cất, tách nước, bốc hơi, tách lỏng rắn) Ngồi ra, cịn hai bước phụ là: • Xử lý nước thải • Sản xuât nước điện Quá trình tinh chế gồm giai đoạn sau: • • • • Chưng cất: Chưng cất giấm chín để nâng cao nồng độ ethanol lên 95,57% Tách nước: Nâng nồng độ ethanol từ 95,57% lên 99,5% Bốc hơi: Thu hồi ethanol chứa bã rượu Phân tách lỏng rắn: Tách triệt để phần cặn từ tháp bốc làm nhiên liệu cho lò Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page 14 Giấm chín Gia nhiệt Bả rượu Tháp tách sơ Ethanol thô Tháp bốc CO2, ethanol Tháp thu hồi ethanol Ethanol Tháp tách tinh ethanol 95,97% Cặn Tách lỏng rắn NL lò CO2 Xử ly nước thải Làm khan Ethanol 99,5 % Hình 3.2.Sơ đồ cơng nghệ trình tinh chế sản phẩm [9] c.Thuyết minh sơ đồ Quá trình chưng cất tiến hành tháp: tháp tách sơ tháp tách tinh Giấm chín gia nhiệt cho vào đỉnh tháp chưng cất sơ Tại trình phân tách xảy Khí CO2 có lẫn ethanol đỉnh tháp Sản phẩm trung gian ethanol thô lấy dịng trích ngang thân tháp Ở đáy tháp tập trung cấu tử khó bay gọi bã rượu Dịng ethanol thơ đựơc đưa sang tháp tách tinh để nâng cao nồng độ ethanol đến 95,57% Hỗn hợp tiếp tục đưa đến công đoạn làm khan ethanol để nâng nồng độ ethanol lên 99,5% Khí CO2 có lẫn ethanol đỉnh tháp tách sơ dẫn vào tháp thu hồi ethanol (sử dụng nước chuyển động ngược chiều để hấp thụ Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page 15 ethanol), CO2 khí Sản phẩm đáy tháp tách sơ dẫn vào thiết bị bốc để thu hồi ethanol cịn sót lại Hơi từ tháp bốc ethanol sau ngưng tụ cho hồi lưu lại tháp tách tinh Cặn đưa sang thiết bị phân tách lỏng rắn, phần rắn thu làm nhiên liệu đốt cho lò hơi, phần lỏng đưa xử lý nước thải d.Ưu, nhược điểm • Ưu điểm: Tận dụng phế thải sau nông nghiệp để làm nhiên liệu sinh học nhằm giảm thiểu nhiễm mơi trường • Nhược điểm: Khó khăn việc thu gom, cung ứng nguồn nguyên liệu cách ổn định, liên tục Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page 16 4.Định hướng sản xuất Bioethanol từ chất thải sau thu hoạch nông sản 4.1.Định hướng kỹ thuật 4.1.1.Đề xuất sơ đồ công nghệ Rơm rạ H2O H2O enzyme Nấm men Tiền xử lý (nổ nước) Rửa bã Thủy phân Lên men Chưng cất Ethanol Hình 4.1.Sơ đồ công nghệ sản xuất ethanol từ rơm, rạ [10] Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page 17 4.1.2.Thuyết minh sơ đồ cơng nghệ a.Q trình tiền xử lý Để chuyển hóa carbohydrate (cellulose hemicellulose) lignocellulose thành ethanol, polymer phải bị bẻ gãy thành phân tử đường nhỏ trước vi sinh vật hồn tất q trình chuyển hóa Tuy nhiên, chất cellulose lại bền vững trước công enzyme nên bước tiền xử lý bắt buộc để q trình đường hóa glucose diễn tốt Những yếu tố cấu trúc thành phần ảnh hưởng đến khả chống lại cơng enzyme tới lignocellulose có: • Sự bao bọc lignin quanh cellulose, lignin với hemicellulose tạo thành cấu trúc mơ vững • Những mơ bền hóa với lignin tương tự nhựa gia cố sợi, lignin đóng vai trị kết dính sợi cellulose Trong thiên nhiên, lignin bảo vệ cellulose khỏi tác động môi trường khí hậu Nhiều nghiên cứu cho khả thủy phân enzyme tăng 40-50% lignin bị tách Tuy nhiên, khơng có nghiên cứu tiến hành loại bỏ lignin mà không kèm theo phân hủy hemicellulose Ngay phương pháp tiền xử lý nguyên liệu kiềm nhiệt độ thấp, loại bỏ 70% lignin có 5% hemicellulose bị hịa tan Một số phương pháp sử dụng để loại bỏ lignin: • Sử dụng acid: gồm phương pháp xử lý với acid lỗng, bơm nước có acid nổ có acid Trong đó, acid sulfuric hiệu Tuy nhiên, vấn đề gặp phải xử lý acid thiết bị phải chịu ăn mòn lượng thạch cao (CaSO4) sinh nhiều từ trình trung hịa acid với CaOH • Sử dụng kiềm: có nhiều nghiên cứu liên quan, chủ yếu xút xút hóa chất khác Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học cho rằng, dựa chi phí hóa chất, vơi tơi hóa chất thích hợp Mặt khác nhiều nghiên cứu cho thấy amonia lỏng có hiệu việc tăng khả thủy phân bã rắnvà ethylenediamine cịn hiệu • Sử dụng dung mơi hữu cơ: dùng dung mơi ethanol, methanol, acetone để hịa tan lignin; xử lý khí SO2, khí CO2, NH3 … Các quy trình sử dụng quy mơ phịng thí nghiệm mà chưa thể áp dụng thực tế Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page 18 • Phương pháp nổ nước (diễn 2100C áp suất 26 atm) Quá trình nổ nước q trình kết hợp – hóa – nhiệt Đó phá vỡ cấu trúc hợp phần với giúp đỡ nhiệt dạng (nhiệt), lực cắt giãn nở hàm ẩm (cơ), thủy phân liên kết glycosidic (hóa) Trong thiết bị phản ứng, nước áp suất cao thâm nhập vào cấu trúc lignocellulosic trình khuếch tán làm ẩm nguyên liệu Hàm ẩm biomass thủy phân nhóm acetyl hemicellulose hình thành nên acid hữu acetic uronic acid Các acid xúc tác q trình depolymer hóa hemicellulose, giải phóng xylan phần glucan Hàm ẩm biomass hóa đột ngột áp suất thiết bị phản ứng giải phóng hạ đột ngột từ cao khoảng vài chục atm xuống cịn áp suất khí trời Hiện tượng giống tượng nổ Nguyên liệu tống mạnh khỏi thiết bị qua lỗ nhỏ lực ép Hàm ẩm ngưng tụ cấu trúc biomass bị bốc tức thời giảm áp đột ngột Sự giãn nở nước gây áp lực bao quanh cấu trúc nguyên liệu Nếu áp lực đủ lớn, nước gây phá hủy học lên cấu trúc lingo cellulosic Ưu nhược điểm trình nổ nước: • Tăng kết tinh cellulose • Hemicellulose bị thủy phân mạnh trình nổ • Sự nổ thúc đẩy việc khử lignin Nhược điểm • • • • • Tốn chi phí, lượng vận hành Đòi hỏi thiết bị chịu nhiệt độ, áp suất cao Có thể làm phân hủy cellulose Mất đường từ hemicellulose Làm sinh fufural 5-hydroxymethyl fufural gây ức chế trình lên men Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page 19 b.Quá trình Thủy phân (C6H10O5)n + n H2O enzyme n C6H12O6 Để phản ứng diễn cần có tham gia xúc tác enzym trình thủy phân cellulose thành gluco cần có hệ enzyme tương ứng gồm enzyme sau: • Endo-1,4 glucanases (EG) hay 1,4 D-glucan 4-glucanohydrolases (EC3.2.1.4), enzyme công ngẫu nhiên vào chất 1,4 glucan tan không tan • Exo -1,4 D-glucanases bao gồm 1,4- -D-glucan glucohydrolase (EC3.2.1.74), enzyme có tác dụng giải phóng D-glucose từ 1,4 D-glucan thủy phân chậm D-cellobiose; ngồi cịn có enzyme 1,4 D-glucancellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) (CBH), enzyme giải phóng cellobiose từ 1,4 glucan • -D-glucosidase hay cịn gọi -D-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21) cótác dụng tạo thành D-glucose từ celobiose cellodextrin, olygomercủa glucose Cơ Chế phản ứng thủy phân gồm Quá trình hấp phụ enzyme lên xơ sợi Có hai yếu tố định lượng hấp phụ protein lên bề mặt phân pha rắn/lỏng chất bề mặt lực liên kết phân tử Những tương tác thường khơng mang chất cộng hóa trị, nói cách khác, tương tác thường tạo thành liên kết hydro, lực tĩnh điện tương tác nhóm kỵ nước Các phân tử protein hay ion khối lượng phân tử thấp hấp phụ trước bề mặt có ảnh hưởng đến hấp phụ Lực tĩnh điện góp phần vào việc hấp phụ protein (enzyme) lên bề mặt phân pha, nhiên yếu tố định trình hấp phụ protein Protein polymer lưỡng cực, chứa điện tích dương âm, điều làm cho protein có chất phân tử hoạt động bề mặt Phần kỵ nước phân tử protein nhóm chứa nhân thơm tryptophane, phenylalanine tyrosine Bề mặt cellulose mang chất kỵ nước mạch tạo liên kết hydro (khơng cịn nhóm phân cực tự do) Cellulose tinh khiết khơng chứa nhóm mang điện.Trong thực tế, điện tích bề mặt chất tạo thành có phân bố ion từ bề mặt Tùy thuộc vào tính chất protein bề mặt hấp phụ mà tương tác điện tích – địên tích hay tương tác nhóm kỵ nước đóng vai trị định cho q trình Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page 20 a) Quá trình tạo liên kết cellulase cellulose Hình vẽ mơ tả liên kết CBH với cellulose Trung tâm tạo liên kết cellulase làm phá hủy phần cấu trúc chặt chẽ mạch cellulose.Sau đó, mạch dẫn vào vùng trung tâm hoạt động cellulase.Quá trình dẫn xảy nhờ diện mạch peptide ưa nước, khu vực tạo liên kết hydro bao bọc sợi cellulose, nhằm tránh xâm nhập sâu CBD vào bề mặt cellulose Cellulase tương tác với bề mặt cellulose thông qua trung tâm liên kết cellulose trung tâm hoạt động Cellulase tạo liên kết với cellulose nhờ vàotrung tâm tạo liên kết Đối với chủng T reesi, trung tâm liên kết trung tâm gồm phân tử nhỏ, gồm 36 amino acid Thông thường, trung tâm liên kết có amino acid tyrosine, chịu trách nhiệm cho việc liên kết với cellulose Trong CBH I, tyrosine bị thay tryptophane Khác biệt cấu trúc loại enzyme (CBH I, CBH II, EG …) dẫn đến lực khác trình hấp phụ enzyme lên chất Tyrosine Phenylalanin Tryptophan Các yếu tố ảnh hưởng đến trình thủy phân Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page 21 Acid aspartic • Ảnh hưởng cấu trúc nguyên liệu: cấu trúc tự nhiên lignocellulose tạo nhiều cản trở đến q trình cơng tác nhân thủy phân Ngay trình thủy phân cellulose tinh khiết, tốc độ thủy phân giảm theo thời gian Tốc độ phản ứng giảm dần theo thời gian số lý sau: ức chế enzyme sản phẩm, giảm phần chất dễ thủy phân, enzyme bị bất hoạt bị giữ lại lỗ xốp cellulose Hiệu suất trình thủy phân bị ảnh hưởng mạnh tính chất nguồn nguyên liệu • Nhiệt độ:Giống nhiều phản ứng enzyme khác, phản ứng thủy phân cellulose bằngenzyme cellulase chịu ảnh hưởng lớn nhiệt độ Tốc độ phản ứng thủy phân tăng theonhiệt độ, nhiên đến nhiệt độ định, tốc độ phản ứng giảm dần đến mức triệt tiêu Đối với enzyme cellulase, nhiệt độ tối ưu khoảng 500C Nếu nhiệt độ cao thấp làm suy giảm hoạt lực vi sinh vật • pH:pH mơi trường thường ảnh hưởng đến mức độ ion hóa chất, enzyme đặc biệt ảnh hưởng đến độ bền enzyme Chính pH có ảnh hưởng mạnh đến phản ứng enzyme Enzyme cellulase, khoảng pH thích hợp 4-5, tốt 4.8 • Nồng độ enzyme:Khi nồng độ enzyme tăng, tốc độ phản ứng tăng theo đường thẳng Tuy nhiên, nồng độ enzyme đạt đến ngưỡng đó, nồng độ chất trở thành yếu tố hạn chế tốc độ phản ứng • Sự có mặt chất cạnh tranh c.Quá trình lên men C6H12O6 nấm men 2C2H5OH +2 CO2+Q Bản q trình lên men q trình oxy hóa Q trình oxy hóa lại xảy thể sinh vật tác động hệ thống enzyme, người ta gọi trình lên men q trình oxy hóa sinh học Để phản ứng diễn cần có tham gia nấm men Nấm men cần có đặc điểm sau: • • • • Hiệu suất lên men cao Chịu ethanol Chịu sản phẩm phụ trình thuỷ phân Lên men pH thấp, tiêu thụ nhiều chất khác Lignocellulose cấu tạo từ đường đường nên hai chủng nấm men sử dụng phổ biến là: Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page 22 • Saccaromyces Cerevisiae, nấm men sử dụng phổ biến lên men glucose S.cerevisiae có ưu điểm như: chịu nồng độ ethanol cao, sản phẩm phụ, tốc độ lên men cao môi trường acid, chịu acid acetic Tuy nhiên, nấm men khơng có khả lên men đường • Pichia stipitis, nấm men phổ biến chủng nấm men lên men đường Pichia stipitis có ưu điểm cho hiệu suất tiêu thụ xylopse cao, chịu nhiệt độ nồng độ chất cao Tuy nhiên lại bị ức chế ethanol nồng độ cao Xu hướng ngày sử dụng kết hợp hai loại nấm men qua chu trình đường phân 4.2.Định hướng quản lý, pháp lý Nhận thức tầm quan trọng lượng sinh học, Việt Nam bước có sách tạo thuận lợi cho phát triển lượng sinh học nói chung bioethanol nói riêng: • Quyết định 177/2007QĐ – TTG phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” Nhiệm vụ chủ yếu nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ, triển khai sản xuất thử sản phẩm, xây dựng tiềm lực phục vụ phát triển nhiên liệu sinh học, hợp tác quốc tế Một số giải pháp đẩy mạnh việc triển khai ứng dụng kết nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất, khuyến khích thực chuyển giao công nghệ, tăng cường đầu tư đa dạng hoá nguồn vốn, tăng cường xây dựng sở vật chất kỹ thuật đào tạo nguồn nhân lực, hồn thiện hệ thống chế, sách, văn quy phạm pháp luật, mở rộng tăng cường hợp tác quốc tế để học hỏi kinh nghiệm, nâng cao nhận thức cộng đồng phát triển nhiên liệu sinh học • Năm 2007, tiêu chuẩn xăng sinh học dầu nhờn sinh học ban hành • Năm 2007 2008, Bộ Tài ban hành hai thông tư hỗ trợ từ ngân sách cho chương trình phát triển nhiên liệu sinh học • Tháng 10/2008, Bộ Cơng thương phê duyệt dự án trồng loại làm nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học, phát triển công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học, soạn thảo quy hoạch sách hỗ trợ phát triển nhiên liệu sinh học Việt Nam kiểm định, ứng dụng xăng sinh học Việt Nam • Năm 2009, Bộ Khoa học Công nghệ ban hành hai tiêu chuẩn quốc gia nhiên liệu sinh học Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page 23 • Ngày 11/11/2011 diễn Đại hội thành lập Hiệp hội Nhiên liệu Sinh học Việt Nam Đây coi Hiệp hội thành lập thuộc hàng sớm so với hình thành ngành công nghiệp Việt Nam Khung pháp lý cho sản xuất mua bán nhiên liệu sinh học Việt Nam gần hoàn chỉnh Nhiên liệu sinh học xem ngành công nghiệp then chốt dự án sản xuất nhiên liệu sinh học nhận nhiều ưu đãi đầu tư Tuy nhiên lượng sinh học thực phát triển, vào đời sống, cần bổ sung sách nguyên liệu sản xuất, quy hoạch vùng nguyên liệu cho sảnxuất lượng sinh học, phân phối sản phẩm đến người tiêu dùng Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO http://thegioidaunhon.vn/vn/detail/news/tinh-hinh-nghien-cuu-va-san-xuatnhien-lieu-sinh-hoc-tren-the-gioi-va-viet-nam/1265 Biotechnology for Fuels and Chemicals- Applied Biochemistry and Biotechnology http://www.vietbulbiotech.com/vi/58/6/detailnews/Nhien-lieu-sinh-hocEthanol -hy-vong-hay-ao-vong.htm http://ttntt.free.fr/archive/Trandanghong.html, Xăng sinh học Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page 25 ... việc thu gom, cung ứng nguồn nguyên liệu cách ổn định, liên tục Tiểu luận nhiên liệu sinh học Page 16 4 .Định hướng sản xuất Bioethanol từ chất thải sau thu hoạch nông sản 4.1 .Định hướng kỹ thu? ??t... nghiệp có sản phẩm nơng nghiệp phong phú nên ta sản xuất ethanol từ nhiều nguyên liệu Các phương pháp sản xuất Bio- ethanol là: • • • • Sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột (sắn, ngô) Sản xuất ethanol. .. xuất ethanol từ nguyên liệu rỉ đường Sản xuất ethanol từ nguyên liệu chứa cellulose (rơm rạ, mùn cưa…) Công nghệ sản xuất bio- ethanol hệ từ tảo Hiện nay, Việt Nam áp dụng sản xuất bio- ethanol sử