Đang tải... (xem toàn văn)
Năng lượng rất quan trọng và cần thiết cho con người khắp nơi trên thế giới. Hiện nay, con người hầu như đều phụ thuộc vào nguồn năng lượng không có khả năng tái tạo như dầu, than và khí tự nhiêm. Đó là những nguồn năng lượng có nhiều bất lợi và là một tring những điều quan trọng nhất dẫn đến tình trạng thay đổi khí hậu toàn c6àu có ảnh hưởng đến sức khỏe con người và gây ra những thiên tai như hạn hán, lũ lụt, nước biển dâng… Dân số thế giới tăng với tốc độ 1,4%/năm, với tỷ lệ này trong 50 năm tới dân số sẽ đạt khoảng 9 tỷ người. Vì vậy, ảnh hưởng của tốc độ tăng trưởng đi kèm việc gia tăng về nhu cầu năng lượng. Điều này sẽ làm tăng lượng khí thải CO2. Chính vì vậy, chúng ta cần có giải pháp thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch cũng như giảm thiểu lượng CO2 khi sử dụng các nguồn năng lượng. Giải pháp tốt nhất hiện nay được đưa ra là sản xuất và sử dụng nguồn năng lượng thay thế. Đó là lý do nhóm chọn đề tài “Nguyên liệu sinh học” để tìm hiểu. Trong quá trình tìm hiểu không tránh khỏi các sai sót, mong Cô bỏ qua. Nhóm xin cám ơn Cô đã cho nhóm có thể tìm hiểu và học hỏi thêm về đề tài này. Thiếu sót trong đề tài mong sẽ nhận được sự góp ý của Cô.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ SINH HỌC & KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG - - TIỂU LUẬN MÔN NHẬP MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐỀ TÀI: NHIÊN LIỆU SINH HỌC NHĨM: GVHD: Trần Hồng Ngâu DANH SÁCH THÀNH VIÊN TP HCM, 10/2014 STT Họ Tên Văn Thị Ngọc Hà Kiều Nhật Trung Trần Thị Mỹ Duyên Nguyễn Thị Kim Nam Nguyễn Công Lực Mai Văn Tú Chế Thị Tú Xương Nguyễn Vinh MSSV 2008120056 2008120062 2008120234 2008120296 2008120305 2008120308 2008120321 2008120334 LỜI MỞ ĐẦU Năng lượng quan trọng cần thiết cho người khắp n th ế gi ới Hiện nay, người phụ thuộc vào nguồn lượng khả tái tạo dầu, than khí tự nhiêm Đó ngu ồn l ượng có nhiều bất lợi tring điều quan tr ọng dẫn đến tình tr ạng thay đổi khí hậu tồn c6àu có ảnh hưởng đến sức khỏe người gây thiên tai hạn hán, lũ lụt, nước biển dâng… Dân số giới tăng với tốc độ 1,4%/năm, với tỷ lệ 50 năm tới dân s ố đạt khoảng tỷ người Vì vậy, ảnh hưởng tốc độ tăng trưởng kèm việc gia tăng nhu cầu lượng Điều làm tăng l ượng khí th ải CO Chính vậy, cần có giải pháp thay th ế ngu ồn l ượng hóa th ạch giảm thiểu lượng CO2 sử dụng nguồn lượng Giải pháp tốt đưa sản xuất sử dụng nguồn lượng thay Đó lý nhóm chọn đề tài “Nguyên liệu sinh học” để tìm hiểu Trong q trình tìm hiểu khơng tránh khỏi sai sót, mong Cơ b ỏ qua Nhóm xin cám ơn Cơ cho nhóm tìm hi ểu học h ỏi thêm v ề đ ề tài Thi ếu sót đề tài mong nhận góp ý Cơ Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Định nghĩa Nhiên liệu sinh học (tiếng Anh: biofuel, ti ếng Pháp:biocarburant) hi ểu đ ơn gi ản nhiên liệu có nguồn gốc từ vật liệu sinh khối Nhiên liệu sinh học (NLSH) loại nhiên liệu hình thành từ h ợp ch ất có nguồn gốc thực vật, chế xuất từ chất béo động vật th ực v ật, ngũ c ốc, ch ất thải nông nghiệp, sản phẩm thải cơng nghiệp Hình: Năng lượng sinh học 1.2 Phân loại Nguồn lượng sinh học chia làm bốn loại: Biogas Biogas B ioethanol Bioethanol Biodiesel Biodiesel B iohydrogen Biohydrogen Biogas Biogas (còn gọi cơng nghệ sản xuất khí sinh học) q trình ủ phân rác, phân hữu cơ, bùn cống rãnh,… để tạo nguồn khí sinh học sử dụng hộ gia đình hay sản xuất Biogas tạo sau trình ủ lên men sinh kh ối hữu c ph ế th ải nông nghiệp, chủ yếu cellulose, tạo thành sản phẩm dạng khí Biogas dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí từ sản phẩm dầu mỏ Có thành phần chính: CH4 (50 - 60%) CO2 (>30%) lại chất khác nước, N2, O2, H2S, CO … Được thuỷ phân môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20 - 40ºC Nhiệt trị thấp CH4 37,71.103 KJ/m3, sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động đốt Bioethanol Là loại nhiên liệu lỏng, sử dụng ethanol loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì Ethanol chế biến thơng qua q trình lên men sản phẩm hữu như: tinh bột, xenlulose,… Ethanol pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học thay hoản toàn cho loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống Biodiesel Là loại nhiên liệu lỏng có tính tương tự sử dụng thay cho loại dầu diesel truyền thống Biodiesel điều chế từ dẫn xuất từ số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật) thông qua q trình transester hóa cách cho phản ứng với loại rượu phổ biến (methanol, ethanol,…) Biohydrogen Là nhiên liệu dạng khí có lượng lớn Biohydrogen định nghĩa đơn giản hydro sản xuất cách điện phân nước nước; sản xuất đường sinh học, phổ biến tảo , vi khuẩn vi khuẩn cổ Biohydrogen tiềm nhiên liệu sinh học đạt từ việc nuôi trồng vật liệu từ chất thải hữu 1.3 Nguồn nguyên liệu Nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học đa dạng, phong phú, bao gồm: Nơng sản: sắn, ngơ, củ cải đường, mía… Cây có dầu: lạc, đậu tương, hướng dương… Chất thải dư thừa: sinh khối phế thải, rơm rạ,… Mỡ cá Tảo Nước Tùy theo lợi nguồn nguyên liệu quốc gia, người ta lại chọn loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất NLSH Ví dụ: Brazil sản xuất ethanol chủ yếu từ mía Mỹ sử dụng chủ yếu từ ngô Việt Nam sử dụng sắn nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất NLSH Có thể chia nguồn nguyên liệu thành ba hệ sau: Chương 2: QUY TRÌNH SẢN XUẤT 2.1 Quy trình sản xuất Biogas Ngun tắc Dựa vào vi khuẩn yếm khí để lên men phân hủy kỵ khí chất hữu sinh hỗn hợp khí cháy được, như: H2, H2S, NH3, CH4, C2H2… CH4 sản phẩm lên men chủ yếu Nguyên liệu Nguyên liệu dùng để lên men tạo khí sinh học phong phú, đa dạng: Phế liệu, phế thải sản xuất nông, lâm nghiệp, hoạt động sống, sản xuất chế biến nông lâm sản Phân gia súc nguồn nguyên liệu chủ yếu nước ta Trước sử dụng cần phải chọn lọc kỹ xử lý cho phù hợp với yêu cầu chất lượng sau: Giàu cellulose Ít Ligin NH4+ ban đầu khoảng 2000mg/l Tỷ lệ cacbon/nito ~ 20/30 Nguyên liệu phải hòa tan nước Sơ đồ trình lên men metan Giai đoạn 1: Phân giải Chất hữu phức tạp (protenin, a.amin, lipid…) loại vi khuẩn Closdium bipiclobacterium, Bacillus (gram âm, không sinh bào tử), Staphyloccus phân giải thành chất hữu đơn giản như: albumoz pepit, glyxerin, axit béo… Giai đoạn 2: Hình thành axit Nhờ vào vi khuẩn Acetogenic bacteria (vi khuẩn tổng hợp acetat), hydrates cacbon → axit có phân tử lượng thấp (C 2H5COOH, C3H7COOH, CH3COOH ), pH môi trường nên gây thối Các vi khuẩn tham gia pha này: Giai đoạn 3: Hình thành khí metan Sản phẩm pha axit nguyên liệu để phân hủy giai đoạn này, tạo hỗn hợp khí CH4, CO2, H2S, N2, H2… muối khống (pH môi trường chuyển sang kiềm) Các vi khuẩn tham gia: Thuyết minh quy trình Sự tạo thành khí sinh vật trình lên men phức tạp bao g ồm r ất nhiều phản ứng, cuối tạo khí CH4 CO2 số chất khác Quá trình thực theo nguyên tác phân hủy kị khí, tác d ụng vi sinh vật yếm khí phân hủy từ chất hữu c dạng phức tạp chuyển thành dạng đơn giản, lượng đáng k ể chuy ển thành khí d ạng chất hịa tan Sự phân hủy kỵ khí xảy nhiều giai đoạn với hàng ngàn sản phẩm trung gian với tham gia chủng loại vi sinh vật đa dạng Đó s ự phân hủy protein, tinh bột, lipit để tạo thành axit amin, glyxerin, axit béo, methylamine, chất độc hại như: tomain, indol, scatol Và cu ối liên kết cao phân tử mà khơng phân hủy dễ dàng b ởi vi khu ẩn yếm khí lignin, cellulose: Phản ứng tổng quát sau: Một phần CO2 bị giữ lại trông số sản phẩm trình lên men ion K+, Ca++, NH3+, Na+ Do đó, hỗn hợp khí sinh có từ 60 – 70% CH4 khoảng 30 – 40% CO2 Những chất hữu liên kết phân tử thấp như: đường, protein, tinh bột cellulose phân hủy nhanh tạo axit hữu Các axit h ữu c tích tụ nhanh gây giảm phân hủy Ngược lại, lignin, cellulose phân hủy từ từ nên khí sinh cách liên tục Tóm lại, q trình t ạo khí methane diễn theo hai hai phương pháp sau: Phương pháp thứ Giai đoạn 1: Axit hóa cellulose Tạo muối: Các bazơ có mơi trường (đặc biệt NH 4OH) kết hợp với axit hữu cơ: Giai đoạn 2: Lên men methane phân hủy muối hữu Phương pháp thứ hai Sơ đồ quy trình sản xuất ethanol Có hai phương pháp để sản xuất ethanol: Nghiền ướt Nguyên liệu nhúng vào nước hay axits hoà tan để tách thành thành phần (tinh bột, protein, mầm, dầu, chất xơ,…) trước chuy ển hoá tinh b ột thành đường để lên men thành ethanol Phần lớn ethanol sản xuất theo phương pháp nghiền khô Nghiền khô Nguyên liệu nghiền thành bột mịn chế biến mà không phân tách thành thành phần Các bước q trình nghiền khơ bao gồm: Nghiền: nguyên liệu xay thành bột mịn Hố lỏng đun nóng bột mịn: Bổ sung chất lỏng vào bột m ịn đ ể làm hỗn hợp nghiền nhừ, sau dùng nhiệt để chuyển tinh bột thành dạng lỏng loại bỏ vi khuẩn Thuỷ phân enzyme: Enzyme bổ sung để phá vỡ chuỗi carbonhydrate để chuyển tinh bột thành chuỗi đường ngắn phân tử đường glucose Lên men: Hỗn hợp nghiền nhừ sau thuỷ phân chuy ển vào b ồn lên mem nơi men bổ sung để chuyển hoá glucose thành ethanol Chưng cất: Nước tạo trình lên men dung dịch ethanol hòa tan (10 - 12%) Dịch bơm qua nhiều tháp khoang ch ưng cất để tách ethanol khỏi chất lỏng nước Sau chưng cất, ethanol có độ tinh khiết 96% Chất rắn bơm khỏi đáy thùng ch ế biến thành sản phẩm phụ giàu protein cho sản xuất thức ăn chăn nuôi DDGs Tách nước: Lượng nước nhỏ ethanol vừa chưng cất tách vi lưới lọc ethanol tinh khiết Ethanol sản xuất từ mía, bã mía, bắp, thân h ạt lúa mi ến, c ủ c ải đường, lúa mạch, đai, bố, khoai tây, khoai lang, trái quả, hoa hướng dương, rơm rạ loại sinh khối khác Trước lên men, enzyme dùng thủy phân chất tinh bột, cellulose thành phân tử đường Từ đó, đường glucose phân tích thành hai phân tử: ethanol carbon dioxide: C 6H12O6 → 2C2H6O + 2CO2 Rượu ethanol (C2H6O) dùng làm nhiên liệu ô tô bị đốt cháy với hòa trộn oxygen động để sản xuất carbon dioxide, nước nhiệt lượng: C2H6O + 3O2 → 2CO2 + 3H2O Tổng hợp hai công thức sau: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + nhiệt lượng Nhiệt lượng dùng chạy máy, carbon dioxide loại khí thải làm hâm nóng bầu khơng khí Q trình sản xuất ethanol làm nhiên liệu sinh học gồm có giai đo ạn: Lên men chất đường với chất men (microbial yeast) Hi ệu s ản xuất ethanol mía đường cao gấp lần so với bắp Cất Ethanol: Ethanol dùng để làm nhiên liệu cho xe ô tô ph ải chứa r ất nước phương pháp cất rượu, rượu đạt đến gi ới hạn 95-96% Loại rượu dùng chạy máy, khơng th ể hịa trộn với dầu xăng Làm khơ: Đây phương pháp làm rịng ethanol cách dùng sàng phân tử ZEOCHEM Z3-03, thêm chất hydrocarbon benzene ho ặc dùng chất calcium oxide chất làm khô để khử nước rượu 2.4 Quy trình sản xuất biohydrogen Có thể nói nguồn nguyên liệu lý tưởng tương lai vì: Nguồn nguyên liệu đơn giản, dễ tìm: nước Quá trình sản xuất đơn giản: điện phân Sản phẩm sau trình sản xuất sử dụng n ước không làm ảnh hưởng đến hệ sinh thái mơi trường Có thể tái sử dụng nguồn ngun liệu Hình: Khả ưu việt lượng biohydrogen Quá trình sản xuất đơn giản phản ứng điện phân nước, diễn quy mơ cơng nghiệp: Cực cathode (cực âm) hút nguyên tử hydroge cực anode (cực dương) tách lấy phân tử oxygen Hình: Hệ thhống sơ đồ khái quát máy tạo khí hydro Ngồi ra, sản xuất biohydrogen tảo: Hoặc vi khuẩn: 2.5 Sản xuất nguyên liệu từ tảo Tảo sản xuất dầu tế bào quang hợp v ới thành ph ần d ầu lên đ ến 80% khối lượng thơ Dầu tảo có khả chuyển hóa thành dầu mỏ nhân tạo nhiên liệu sinh học sách tốt hẳn loại dầu có Lợi từ tảo: Sinh trưởng nhanh, tốt khắp nơi kể nước ngọt, nước mặn, nước l ợ nước thải Chỉ cần có ánh sáng khí CO chúng sinh trưởng tốt mà chẳng cần chăm sóc Sống môi trường khắc nghiệt như: sa mạc… Thân thiện với mơi trường: nước thải tái sử dụng cách ni tảo, tảo thừa dùng làm thức ăn cho gia súc Đây quy trình khép kín ưu việt Chiết xuất dầu từ tảo Sẽ có suất chất lượng khác tùy thu ộc lo ại tảo s d ụng, cách tr ồng tảo phương pháp trích xuất dầu Loại tảo sử dụng: có 100.000 loại tảo khác trái đất, với đủ màu sắc, hình dạng, sống trơi ao h Các nhà khoa h ọc chứng minh, vi tảo (tảo có kích thước nhỏ) loại thích h ợp đ ể chế biến dầu nhờ tập hợp lượng lớn chất béo, dễ chiết xu ất d ầu sinh học sinh sản vô tính nhanh Đây nguồn nguyên liệu dồi b ởi vi tảo chiếm đến 2/3 lượng tảo trái đất Vùng trồng tảo: để sản xuất đủ lượng tảo đáp ứng nhu cầu nhiên liệu, tảo cần nuôi trồng quy mô lớn Hai hệ thống nuôi tr ồng tảo phổ biến là: Hệ thống mở: tận dụng ao, hồ tự nhiên gần khu cơng nghi ệp có sẵn nước, CO2, ánh sáng… Đây phương pháp thơng dụng với chi phí th ấp, khó chuẩn hóa chất lượng tảo phải đối mặt với nguy dịch bệnh, môi trường mật độ tảo trồng dày đặc Hệ thống đóng: sử dụng túi nhựa thủy tinh suốt để tảo tiếp xúc với ánh nắng mặt trời (Vertical growth/closed loop production) Các túi xếp chồng lên theo chiều d ọc, có nắp đ ậy đ ể tránh m ưa bảo vệ tảo khỏi nhiễm khuẩn Một cách khác trồng tảo nhà máy với điều kiện sinh trưởng lý tưởng (losed-tank bioreactor plants) Khi đó, t ảo phát triển với tốc độ tối đa thu hoạch ngày v ới s ản l ượng l ớn Hệ thống đóng tối ưu hóa quy trình sản xuất tảo cho phép ki ểm sốt tất c ả yếu tố môi trường áp dụng nơi th ế gi ới Nhược ểm chi phí cao Các phương pháp khai thác dầu từ tảo Nén, ép (oil press): Làm khô tảo, sau ép dầu Đây phương pháp v ật lý đ ơn gi ản nh ưng phổ biến, trích xuất đến 75% dầu từ tảo Dùng dung môi hexan tách dầu tảo Thường sử dụng kết hợp với phương pháp nén, ép Phần tảo sau ép dầu trộn với hexan Dầu tảo tan hexan lọc chưng cất Cách thu đến 95% dầu từ tảo khơng an tồn hexane hóa chất độc hại Phương pháp chất lỏng siêu tới hạn (supercritical fluids method) CO2 xử lý nhiệt độ áp suất thích hợp (nhiệt độ 31 oC , áp suất 73 bar) để trở thành trạng thái siêu tới hạn, có th ể hịa tan giống chất lỏng khuếch tán chất khí Trộn CO vào tảo sấy khơ giúp hịa tan hồn tồn dầu tảo, sau gi ảm áp suất ch ất l ỏng đ ể CO2 trở lại trạng thái khí thu hồi dầu Phương pháp phổ bi ến cần nhiều máy móc, thiết bị chiết xuất 100% dầu có tảo với độ tinh khiết cao, hồn tồn thân thiện với mơi trường Thủy nhiệt hóa lỏng Phương pháp vừa phịng thí nghiệm quốc gia Pacific Northwest (PNNL) sáng chế năm 2013 Khác với phương pháp trên, phương pháp sử dụng áp suất 206,8 bar nhiệt độ 350 oC để chiết xuất dầu mà không cần qua q trình sấy khơ tảo, th ời gian th ực hi ện không 30 phút Đây phương pháp cho hiệu tốt tính đến thời ểm hi ện công bố tạp chí Agal Research vi ết “Q trình phát triển nguyên liệu tảo thủy nhiệt hóa lỏng lò phản ứng dòng chảy liên tục (Process development for hydrothermal liquefaction of algae feedstocks in a continuous flow reactor) Chương 3: TỔNG KẾT 3.1 Ưu điểm nhược điểm 3.1.1 Ưu điểm Nhiều nỗ lực thực hiện, nhằm tìm kiếm nguồn lượng thay thế, đó, nguồn lượng quan tâm nhiên liệu sinh học (NLSH) Đây nguồn lượng khơng cạn kiệt gây nhiễm mơi trường Giảm thiểu nhiễm khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính Trong q trình phát triển loại thực vật, chúng hấp thụ CO từ môi trường thơng qua q trình quang hợp Một lượng CO2 tương đương giải phóng thực vật bị phân hủy tự nhiên đốt cháy Điều có nghĩa NLSH có nguồn gốc từ thực vật khơng đóng góp vào q trình phát thải CO2 - khí nhà kính Sự cân phát thải CO2 NLSH cịn thể qua chu trình khép kín: NLSH sau sử dụng thải khí CO 2, trồng hấp thụ khí CO với lượng mặt trời lại phát triển, tạo nguồn nguyên liệu cho sản xuất NLSH Ở phạm vi toàn cầu, khí thải tơ chiếm gần 20% tổng khí thải gây hiệu ứng nhà kính phát tán từ trình liên quan tới lượng Nếu kể phát tán ngược gắn với trình sản xuất nhiên liệu tỷ lệ đạt gần 25% Cả ethanol biodiesel bảo đảm giảm đáng kể phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính Kết cơng trình nghiên cứu cho thấy, ethanol sản xuất từ ngũ cốc giảm 40% phát thải khí nhà kính so với xăng, giảm tới 100% ethanol sản xuất từ nguyên liệu cellulose từ mía; biodiesel giảm tới 70% so với dầu diesel Hàm lượng khí thải độc hại khác CO, NOx, SOx, hydrocarbon… giảm đáng kể sử dụng NLSH Ngoài ra, NLSH cịn có khả phân hủy sinh học nhanh, gây ô nhiễm nguồn nước đất Sản xuất ứng dụng NLSH đa dạng Sản xuất sử dụng NLSH tương đối đơn giản so với dạng nhiên liệu khác như: hydro, pin nhiên liệu, LPG… Khơng địi hỏi phải sử dụng thiết bị công nghệ đắt tiền Khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu chứa 20% ethanol khơng cần cải tạo động sử dụng Mặt khác, không cần thay đổi thay đổi phần nhỏ hệ thống tồn chứa phân phối xăng dầu có chuyển sang sử dụng NLSH Nhìn chung, cơng nghệ sản xuất NLSH khơng phức tạp, sản xuất quy mơ nhỏ (hộ gia đình) quy mơ lớn Nguồn nguyên liệu dễ tìm kiếm thay Nguyên liệu cho sản xuất NLSH nguồn quen thuộc (cồn, dầu thực vật ) không gây độc hại Mặt khác, việc sử dụng NLSH nâng cao ý thức Về mặt tiết kiệm lượng cho cộng đồng nhận thức nguồn nguyên liệu có nguồn gốc từ thực phẩm Cải thiện chất lượng Chất lượng nhiên liệu hiệu suất hoạt động động ơtơ nhờ lượng sinh học: Biodiesel cải thiệntính dầu diesel truyền thống tính bơi trơn trị số cetane Ethanol có trị số octane cao dùng để nâng trị số octane xăng Trong thực tế, mức hàm lượng thấp (