Công nghệ lên men bioethanol từ cellulose

Có thể sử dụng tất cả các loại nguyên liệu chứa đường lên men được, hoặc nguyên liệu chứa gluxit có thể chuyển hóa thành đường lên men được để sản xuất cồn etylic.Dựa trên nguyên tắc đó, người ta chia ra làm 3 loại nguyên liệu:Nguyên liệu chứa nhiều tinh bột (gạo, ngô, khoai, sắn, lúa mì, đại mạch...)Nguyên liệu chứa đường (rỉ đường, nước mía, trái cây chín,...)Nguyên liệu chứa nhiều cellulose (rơm rạ, gỗ vụn, mùn cưa,...)

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BÀI BÁO CÁO CÔNG NGHỆ LÊN MEN ETHANOL TỪ CELLULOSE Người hướng dẫn: Người thực hiện: THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2020 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG PHẦN 1: TỔNG QUAN 1.1 Nguyên tắc để sản xuất cồn ethanol: Có thể sử dụng tất loại nguyên liệu chứa đường lên men đ ược, nguyên liệu chứa gluxit chuyển hóa thành đường lên men đ ược để sản xuất cồn etylic Dựa nguyên tắc đó, người ta chia làm loại nguyên liệu: - Nguyên liệu chứa nhiều tinh bột (gạo, ngơ, khoai, sắn, lúa mì, đại mạch ) Nguyên liệu chứa đường (rỉ đường, nước mía, trái chín, ) Nguyên liệu chứa nhiều cellulose (rơm rạ, gỗ vụn, mùn cưa, ) 1.2 Nguyên liệu sản xuất ethanol phương pháp lên men: 1.2.1 Nguồn gốc Cây lúa ln giữ vị trí trung tâm nơng nghi ệp kinh tế Vi ệt Nam Hình dáng Việt Nam miêu tả đòn gánh mà hai đầu hai vựa lúa lớn Đồng sông Cửu Long (ĐBSCL) Đ ồng b ằng sông Hồng (ĐBSH) Việc sản xuất lúa gạo tạo lượng lớn phế phẩm từ lúa bao gồm rơm tro trấu Rơm tro trấu hai nhi ều ngu ồn biomass phổ biến có tiềm Việt Nam Bảng Các nguồn biomass Việt Nam năm 2000 STT Biomass Lượng (triệu tấn) Năng lượng chứa đựng (GJ) Phần trăm (%) 3,1 35,960 2,6 Gỗ thải từ nhà máy cưa Gỗ đốt 12,4 186,000 13,4 Rác thải rắn 0,015 57 Rơm 61,9 866,600 62,6 Trấu 5,6 63,840 4,6 V ỏ bắ p 4,8 60,000 1,3 Bã khoai mì 0,6 7,500 0,5 Phế phẩm mía 1,5 18,750 1,4 Bã mía 5,0 36,050 2,6 10 Vỏ đậu 0,1 1,250 0,1 11 Xơ dứa 5,8 104,400 7,5 12 Vỏ hạt cafe 0,3 4,670 0,3 Tổng 101,1 1,385,077 100 Dựa vào bảng số liệu cho thấy rơm rạ có tiềm l ớn trơng việc sử dụng để làm nguyên liệu Rơm nguồn lượng lớn trước không sử dụng hiệu Việt Nam Phần lớn rơm rạ bón trở lại ruộng sau thu hoạch, sử dụng làm chất đốt cho hộ dân nhà nông làm th ức ăn cho gia súc, Hiệu suất sử dụng nguồn lượng thấp, ngày r ơm cịn có cơng dụng để sản xuất bioethanol Rơm rạ dạng vật liệu lignocellulose Lignocellulose v ật li ệu biomass phổ biến trất đất Lignocellulose có ph ế ph ẩm nơng nghiệp, chủ yến dạng phế phẩm mùa vụ, sản phẩm phụ công nghiệp sản xuất bột giấy giấy, có rác th ải thành ph ố V ới thành phần cellulose, lignocellulose ngu ồn nguyên li ệu to l ớn cho việc sản xuất bioethanol 1.2.2 Thành phần hóa học: Bảng Thành phần hóa học rơm rạ Compoent Water content Volatiles Ash C H O N S Cl Cellulose Hemicellulose Lignine Lignin acid insoluble (AIL) Lignin acid soluble (ASL) Lipids Protein wt% wet wt% daf wt% dry wt% daf wt% daf wt% daf wt% daf wt% daf wt.% daf wt.% dry wt.% dry wt.% dry wt.% dry wt.% dry wt.% dry wt% dry Mean value 23.9 83.9 18 48.7 5.92 44.2 1.05 0.14 0.489 36 24 15.6 Min value 6.8 80.1 9.6 43.3 4.94 30.8 0.57 0.07 0.013 28.1 21.5 9.9 Max value 88 98.2 24.4 60 7.01 50.4 2.11 0.23 0.909 41 26.5 23.3 • Cấu trúc lignocellulose Thành phần cellulose, hemicellulose, lignin, ch ất trích ly tro Hình 1.1 Cấu trúc cellulose Các mạch cellulose tạo thành sợi Các s ợi đ ược g ắn l ại v ới nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi s ợi, v ới chi ều r ộng kho ảng 25nm Các vi sợi bao bọc hemicellulose lignin, giúp bảo v ệ cellulose khỏi công enzyme hóa chất q trình thủy phân - Cellulose polymer mạch thẳng D-glucose, D-glucose liên kết với liên kết beta-1,4-glucosid Cellulose loại polymer ph ổ bi ến trái đất, độ trùng hợp đạt 3.500 – 10.000 DP Các nhóm OH hai đầu có tính chất hồn tồn khác nhau, cấu trúc hemiacetal t ại C1 có tính kh ử, OH C4 có tính chất ancol Hình 1.2 Cơng thức hóa học Cellulose - Hemicellulose loại polymer phức tạp phân nhánh, đ ộ trùng hợp khoảng 70 đến 200 DP Hemicellulose chứa đường gồm glucose, mannose galactose đường gồm xylose arabinose Thành phần c b ản hemicellulose beta-D-xylopyranose, liên kết v ới liên k ết beta1,4 - Lignin hợp chất cao phân tử có c ấu trúc vơ định hình Nó thành phần cấu tạo hầu hết thành tế bào thực vật cạn, liên kết tế bào, s ợi mạch.Lignin polymer tự nhiên phong phú thứ hai th ế gi ới, sau cellulose Điểm đặc biệt lignin nguồn sinh khối quy mơ lớn nh ất có tính thơm Thành phần cấu trúc lignin thay đổi tùy theo ngu ồn g ốc c chúng Đặc điểm Lignin: Chống thủy phân axit, dê b ị oxy hóa, hịa tan kiềm nóng bisulfite, dê ngưng tụ với phenol Ngoài chức cấu trúc, lignin đóng vai trị quan trọng vi ệc ngăn cản h ấp thụ n ước polysacarit thành tế bào th ực vật, cho phep vận chuyển nước hiệu mô mạch, tạo hàng rào hi ệu qu ả ch ống l ại côn trùng nấm Lignin không độc hại cực ky linh hoạt hi ệu suất chất lượng, điều khiến ngày trở nên quan tr ọng nhi ều ứng dụng công nghiệp - Các chất trích ly chất dê hịa tan có khả hịa tan dung mơi hữu nước Các chất trích ly thường có màu, mùi v ị đ ặc trưng Chúng quan trọng giữ lại chức sinh học Ví d ụ: flavonoid sử dụng chất chống tác nhân oxy hóa chống virus, 1.3 Giống VSV sản xuất ethanol 1.3.1 Tên lồi: - Để sản xuất lượng cồn lớn, việc lựa chọn chủng nấm men thích hợp điều cần thiết Những giống nấm men thường sử dụng công nghiệp sản xuất cồn Saccharomyces spp mà số loài S Cerevisiea hay S.unvarum giống có khả tạo độ cồn cao (12-13%), hay đặc biệt S.oviformis có khả tạo độ cồn 18% đặc biệt lồi nấm men có kh ả lên men nhiều loại đường khác glucose, manose, maltose rafinose (trừ galactose) - Ngồi cịn có Zymononas mobilis thường sử dụng q trình rượu hóa Tuy nhiên Saccharomyces Zymononas sp thiếu hoàn toàn khả chuyển hóa loại đường pentose Khuynh h ướng bi ến đ ổi gen giống nhằm giúp biểu khả chuyển hóa loại đường pentose phổ biến D-xylose L-arabinose - Gần đây, người ta phát thấy có số lồi nấm men nh Pichia stipitis, Candida shehatae Pachyhysolen tannophillus chủng có khả chuyển hóa xylose mạnh dùng sản xuất ethanol Trong P.stipitis lại bật khả sản xuất hàm lượng cồn cao nhu cầu dinh dưỡng chúng không phức tạp so với giống nấm men khác Hình 1.3 Cấu trúc hiển vi Saccharomyces cerevisiae 1.3.2 Đặc điểm sinh lý: Nấm men (Yeast, Levure) tên gọi thơng thường nhóm n ấm có v ị trí phân loại khơng thống có chung đặc ểm sau đây: - Đa số sinh sôi nảy nở theo lối nảy chồi, có hình th ức phân c t ế bào - Nhiều loại có khả lên men đường - Thành tế bào có chứa mannan - Thích nghi với mơi trường chứa đường cao, có tính axit cao Nấm men phân bố rộng rãi tự nhiên, mơi tr ường có chứa đường, có pH thấp, chẳng hạn hoa quả, rau dưa, mật mía, r ỉ đường, mật ong, đất ruộng mía, đất vườn ăn quả, đất có nhiêm dầu mỏ Ví dụ: Nấm men Saccharomyces cerevisiae + Là đơn bào nên tiến hành thí nghiệm vi khu ẩn, đ ồng th ời có đặc tính chủ yếu điển hình Eukaryota có ty th ể v ới b ộ gen ADN nhỏ, giống với vi khuẩn nên ni môi trường dịch thể hay đặc tạo khuẩn lạc mơi trường thạch + Thích nghi mơi trường chứa đường cao, có tính acid cao Có th ể nuôi tế bào nấm men quy mô lớn nồi lên men dê dàng thu nh ận sinh khối tế bào 1.3.3 Cơ chế tổng hợp: - Sinh sản vơ tính theo kiểu nảy chồi:  Ở điều kiện thuận lợi nấm men Saccharomyces cerevisiae sinh sôi nảy nở nhanh  Khi chồi xuất hiện, enzyme thủy phân xuất hi ện làm phân gi ải phần polisaccarit thành tế bào làm cho chồi chui kh ỏi t ế bào mẹ  Vật chất tổng hợp huy động đến chồi làm ch ồi phình to lên, xuất vách ngăn chồi tế bào mẹ  Chồi tách khỏi tế bào mẹ hình thành tế bào - Nấm men Saccharomyces cerevisiae có hai dạng tế bào đơn bội (n) a α tồn độc lập nhờ sinh sản vơ tính qua ngun phân (mitosis) Hình 1.4 Quá trình sinh sản nấm men Saccharomyces cerevisiae - Khi hai dạng a α gặp bắt cặp, phối hợp tế bào h ợp nhân tạo tế bào lưỡng bội (2n) Tế bào lưỡng bội có th ể sinh s ản vơ tính vơ h ạn dạng thường sử dụng sản xuất Trong điều kiện định, tế bào lưỡng bội (2n) sinh sản hữu tính qua giảm phân tạo nang có bốn bào tử ( 2a 2α ), mà kết hợp a α tạo tế bào 2n lặp lại chu trình PHẦN 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT Nguyên liệu Chuẩn bị Tiền xử lí Nấm men Nhân giống Thủy phân Thủy phân lên men đồng thời Lên men Chưng cất Ethanol Hình 2.5 Sơ đồ quy trình sản xuất ethanol 2.1 Q trình tiền xử lí rơm rạ: 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 chuy ển hóa Tuy nhiên, chất cellulose lại bền vững tr ước s ự công c enzyme, nên bước tiền xử lý bắt buộc để q trình đường hóa glucose có th ể di ên tốt Cellulose ban đầu bị phá hủy acid mà khơng c ần đ ược ti ền x lý Tuy nhiên, luận văn đề cập đến việc thủy phân lignocellulose b ằng enzyme Những yếu tố cấu trúc thành phần ảnh hưởng đến khả chống lại công enzyme lignocellulose gồm có: Cấu trúc tinh th ể cellulose: cellulose tự nhiên hình thành cấu trúc tinh th ể ch ống l ại s ự công enzyme Trong báo mình, Fan et al ước tính t ỉ l ệ cellulose tinh thể 50-90% Tuy nhiên, khơng có s ự liên quan gi ữa m ức đ ộ tinh thể cellulose khả phân hủy enzyme rơm rạ bã mía Sự bao bọc lignin quanh cellulose: lignin với hemicellulose tạo thành cấu trúc mô 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 đ ộng c mơi trường khí hậu Lignin yếu tố ngăn cản công enzyme đến cellulose cơng nhận nhiều Theo có nhà nghiên c ứu cho r ằng kh ả thủy phân enzyme tăng 40-50% lignin bị tách Tuy nhiên, phải th ừa nhận rằng, khơng có nghiên cứu tiến hành loại bỏ lignin mà không kèm theo phân hủy hemicellulose Ngay phương pháp ti ền xử lý nguyên li ệu kiềm nhiệt độ thấp, loại bỏ 70% lignin có 5% hemicellulose bị hịa tan Vì vậy, thí nghiệm khơng hồn tồn cho thấy ảnh hưởng việc loại bỏ lignin riêng lẻ Bề mặt tiếp xúc tự cellulose: liên quan đến b ề m ặt ti ếp xúc c cellulose với enzyme, thể tích xốp Stone et al gi ả thi ết r ằng tốc đ ộ đầu trình thủy phân hàm bề mặt tiếp xúc tự Grethlein et al cho thể tích lỗ xốp khơng phải độ kết tinh cellulose ảnh hưởng đ ến t ốc độ đầu Tuy nhiên, bề mặt tiếp xúc tự có liên quan đ ến đ ộ k ết tinh s ự bảo vệ lignin Sự diện hemicellulose: lignin, hemicellulose t ạo thành l ớp bảo vệ xung quanh cellulose Knappert et al, nghiên cứu x lý b ằng acid sulfuric với gỗ dương cho thấy khả thủy phân tăng theo t ỉ lệ hemicellulose bị loại bỏ Grohman, thí nghiệm tiền xử lý rơm lúa mì acid, kết qu ả cho thấy việc loại bỏ hemicellulose gia tăng đáng k ể kh ả th ủy phân r ơm r Họ cho rằng, việc loại bỏ lignin không cần thi ết, n ếu đ ạt đ ược tốt Trong đó, hemicellulose chứng minh ngăn cản q trình t ấn cơng enzyme vào rơm rạ Tuy nhiên, thí nghiệm này, lignin khơng bị loại bỏ lại bị đơng chảy phần, làm gi ảm khả bao bọc cellulose Vì thí nghi ệm chưa cho th đ ược hiệu việc loại bỏ riêng lẻ hemicellulose Mức độ acetyl hóa c hemicelluloses: Đây yếu tố quan tâm, xylan, loại hemicellulose gỗ cứng thân cỏ bị acetyl hóa với tỉ lệ cao Grohmann et al, nghiên cứu với rơm lúa mì dương, cho thấy xylan bị deacetyl hóa, tỉ l ệ cellulose bị thủy phân tăng lên 2-3 lần Ảnh hưởng tồn t ại đ ến kho ảng 75% hemicellulose bị deacetyl hóa Nói tóm lại, trình ti ền xử lý nhằm: - Tăng vùng vơ định hình cellulose 10 • Phản ứng đường phân 2.2.2 Nhân giống men Cơng đoạn nhân Hình 2.16 Q trình đường phân giống men phận cung cấp men cho bồn lên men Các công đoạn thi ết k ế cho men phát tri ển điều kiện chặt chẽ Trong bồn nhân gi ống, dung d ịch lên men đ ược trùng sử dụng để làm dịch chủng men Quá trình nhân gi ống men ch ỉ cần thiết tiến hành thời điểm ban đầu, kh ởi động nhà máy, d ừng nhà máy lâu bồn lên men tháo khơ 18 Chọn men có tên Zymomonas mobils Zymomonas mobils phát tri ển bình sản xuất men giống Ở đó, cặn đường, chất dinh dưỡng men giống cho vào bỉnh nhỏ trình diên đ ạt đ ược s ố lượng men giống cần thiết qua qus trình lên men CH3CHO Cuối men giống, dinh dưỡng cặn đường cho liên tục vào thùng – CO2 lên men Alcohol dehydrogenase C2H5OH CH3CHO Hỗn hợp sau lên men gọi giấm chín Pyruvat decarbonxylase NADH 2.2.3 + H+ NAD+ Quá trình lên men Quá trình lên men trình chuy ển đường đơn thành ethanol, khí CO2 phẩCOOH m trung gian khác CH3các –––sảCn––– Sau đó, pyruvate chuyển thành ethanol theo ph ương trình sau: O = Hình q men Bản chất q trình lên2.17 menSơlàđoxi hóatrình khử.lên Q trình oxi hóa x ảy thể vi sinh vật tác động hệ enzyme, nên người ta gọi trình q trình oxy hóa sinh học Q trình lên men thực thùng lớn với th ời gian dự đoán dể lên men đường thành ethanol khoảng 36h Men giống từ thùng sản xuất men giống (khoảng 10% tổng dịch đường cho vào thùng lên men Trong trình người ta bổ sung 0,33g DAP/ lít giấm chín để cung cấp dinh dưỡng cho nấm men hoạt động 19 Hình 2.18 Điều kiện lên men Hiện có 02 quy trình lên men dùng phổ bi ến: Lên men liên tục lên men gián đoạn Công suất nhà máy loại nguyên liệu nhân tố quy ết đ ịnh để lựa chọn quy trình lên men Hình 2.19 Ưu nhược lên men liên tục gián đoạn Việc lựa chọn công nghệ lên men liên tục hay gián đoạn tùy thu ộc vào ngu ồn nguyên liệu công nghệ sản xuất Đối với lên men nguyên li ệu g ốc tinh bột, quy trình lên men gián đoạn thường lựa chọn Ngược lại lên men từ nguyên liệu chứa đường, quy trình lên men liên tục lại thường sử dụng h ơn 20 giúp giảm vốn đầu tư, giảm thời gian lên men đảm bảo hiệu suất lên men Sau lên men, hỗn hợp ethanol sản ph ẩm khác g ọi dấm chín có nồng độ ethanol thơng thường khoảng 8-10% (v/v) Q trình lên men trình sinh nhiệt, lượng lớn nhiệt tạo gây ức ch ế trình lên men, dịch lên men cần trì nhi ệt độ ổn đ ịnh b ằng cách làm nguội dịch cưỡng thiết bị trao đổi nhiệt bên bồn Thời gian lên men dịch đường hóa từ 48-72 giờ, nước mía từ 10-48 tùy công nghệ lên men, pH khối dịch lên men từ 4,2-4,5; nhiệt độ lên men tối ưu 320ºC Dấm chín thu sau q trình lên men chuy ển đ ến công đo ạn chưng cất để tách ethanol khỏi dấm chín để nâng nồng độ ethanol lên 99,5% 2.2.4 Thủy phân lên men tách riêng: Sản xuất enxyme Giảm kích thước Xử lí sơ Thủy phân cellulose Chế biến rác thải rắn Thủy phân lấy đường từ cellulose Thủy phân lấy đường từ hemicellulose Lên men 2.2.5 Thủy phân lên men đồng thời: Tiền xử lí Thu hồi ethanol Sản xuất enzyme Chế biết chất thải rắn Giảm kích Hình 2.20 Sơthước đồ q trình sản xuất trình thủy phân lên men tách riêng Thủy phân lấy đường hemicellulose Đường hóa lên men đồng thời 21 Thu hồi enthanol Hình 2.21 Sơ đồ trình sản xuất q trình lên men th ủy phân đ ồng thời Khác với quy trình thủy phân lên men tách rời Quy trình này, trình thủy phân lên men diên đồng thời, điều làm hạn ch ế xuất hi ện ph ản ứng lên men đồng thời phức tạp sản phẩm phụ s ản phẩm làm ức chế hoạt động enzyme Quá trình thủy phân lên men đồng thời (cịn gọi q trình đ ường hóa lên men đồng thời) có nhiều ưu điểm: • Glucose tạo thành trình thủy phân tiêu th ụ l ập tức b ởi n ấm men vậy, lượng cellobiose glucose tích tụ h ệ th ống r ất Đi ều giải vấn đề ức chế enzyme nhờ tốc độ glucose tăng đáng k ể, lượng enzyme cần dùng nhỏ • Số thiết bị cần cho quy trình thủy phân lên men đ ồng th ời h ơn s ố c ần cho phương pháp truyền thống trình lên men tiến hành thiết bị Điều giúp giảm vốn đầu tư • Việc tạo thành ethano suốt trình làm gi ảm kh ả phát tri ển c vi sinh vật tạp chất, có lợi cho quy trình liên tục Sau lên men, hỗn hợp ethanol sản ph ẩm khác g ọi dấm chín có nồng độ ethanol thơng thường khoảng 8-10% (v/v) Quá trình lên men trình sinh nhiệt, lượng lớn nhiệt tạo gây ức ch ế trình lên men, dịch lên men cần trì nhi ệt độ ổn đ ịnh b ằng cách làm nguội dịch cưỡng thiết bị trao đổi nhiệt bên bồn Thời gian lên men dịch đường hóa từ 48-72 giờ, nước mía từ 10-48 tùy công nghệ lên men, pH khối dịch lên men từ 4,2-4,5; nhiệt độ lên men tối ưu 320oC Dấm chín thu sau q trình lên men chuy ển đến công đo ạn chưng cất để tách ethanol khỏi dấm chín 22 2.3 Chưng cất Đối với nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu, công đoạn chưng c ất tách nước thiết kế liên hoàn thành dây chuyền đ ồng nhằm gi ảm chi phí đầu tư để tiết kiệm lượng Đối với nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu, công đoạn chưng c ất tách nước thiết kế liên hoàn thành dây chuyền đ ồng nhằm gi ảm chi phí đầu tư để tiết kiệm lượng Công đoạn nằm tách ethanol khỏi dấm chín, lo ại b ỏ t ạp ch ất nâng nồng độ ethanol lên > 95% (v/v) Dịch sau lên men có n ồng đ ộ ethanol thấp cần chưng cất nhằm loại bỏ tối đa lượng nước tạp ch ất khác để thu ethanol có nồng độ chất lượng phù hợp với u cầu 02 quy trình cơng nghệ chưng cất dùng phổ biến chưng cất áp suất dư chưng cất áp suất chân không Tuy nhiên, đ ối v ới n ước tiên tiến thường áp dụng hệ thống chưng cất chân không ưu điểm vượt trội như: Đạt cồn có chất lượng cao với tiêu hao lượng tối thi ểu có hiệu suất cao; Hệ thống chưng cất vận hành liên tục, không cần dừng để vệ sinh tháp; Cơng suất chưng cất ổn định, khơng có giảm công suất tượng bám cáo cặn; Điểm sôi dung dịch thấp nên tiêu hao h th ấp h ơn giảm khả hình thành cặn canxi 2.4 Cơng đoạn tách nước Do tượng “điểm đẳng phí” hỗn hợp ethanol-nước, nên sau công đoạn chưng cất thông thường, ethanol thu đạt nồng độ tối đa 96,5% (v/v) Để sử dụng làm nhiên liệu, ethanol thô đưa qua công đoạn tách n ước để đạt nồng độ đến 99,7% (v/v) Hình 2.22 Quy trình tách nước Có 03 phương án công nghệ sử dụng để tách nước sản xuất ethanol nhiên liệu là: công nghệ chưng cất sử dụng hỗn hợp cấu tử (nh 23 benzen) để phá “điểm đẳng phí”, cơng nghệ hấp phụ nước rây phân tử, công nghệ tách nước hệ thống lọc màng Trong ba phương pháp trên, phương án công nghệ hấp phụ nước rây phân tử sử dụng rộng rãi có nhiều ưu điểm so v ới ph ương pháp dùng hỗn hợp cấu tử chi phí vận hành thấp so với phương án lọc màng Phương án hấp phụ nước rây phân tử có ưu ểm: Sử dụng nhân cơng; Vận hành ổn định; Hiệu suất thực tế gần với thi ết kế; Tiêu hao h th ấp; Hệ thống làm việc hoàn toàn tự động 2.5 Tồn trữ làm biến tính Ethanol nhiên liệu thu từ q trình sản xuất có tính chất dê bốc cháy, nên q trình tồn trữ phải tuân theo quy định nghiêm ng ặt M ặt khác, mục đích sản xuất ethanol để làm nhiên liệu nên ethanol lẫn nhi ều tạp ch ất khơng sử dụng cho mục đích khác Do vậy, tr ước xu ất x ưởng ethanol nhiên liệu cần phải làm biến tính cách pha chất bi ến tính vào để phân biệt tránh dùng sai mục đích Ethanol nhiên liệu cần phải chứa thiết bị làm thep carbon, thep không gỉ, bồn chứa phải trang bị hệ th ống đ ảo b ồn thu hồi bốc để tránh tượng giảm nồng độ ethanol 2.6 Xử lý nước thải Nước thải nhà máy có lưu lượng lớn có nhiều chất hữu c ơ, thành ph ần BOD/COD cao, nên công nghệ xử lý phải qua nhiều công đo ạn xử lý vi sinh, xử lý hóa học, hóa lý học Q trình xử lý bao gồm cơng đoạn sau: Xử lý k ỵ khí b ậc (SAR, UASB); Xử lý hiếu khí bậc (vi sinh hiếu khí); Xử lý làm s ạch (hóa lý); X lý bùn: nen ep tách nước làm giảm độ ẩm bùn thiết bị Decanter Do v ậy, cần nhiều loại hóa chất H 2SO4, FeCl3, NaOH, Ure, Polymer, H2O2, PAC với tiêu hao lớn PHẦN 3: SẢN PHẨM 3.1 Tổng quan xăng sinh học Xăng sinh học hỗn hợp xăng truyền thống cồn sinh học(Bioethanol) sử dụng cho loại động xăng đốt xe oto xe gắn máy Cồn sinh học hỗn hợp nhiên liệu sinh học sử dụng chất chứa oxy thay cho hợp chất pha vào xăng tr ước nh chì hay ete Ethanol hay chì phụ gia khác tr ộn vào xăng đ ể tăng ch ỉ s ố octane giúp động hoạt động tốt hơn, bền Xăng nen xi-lanh động xe ô tô xe máy trước đốt, xăng nen mạnh động dê đạt công suất cao, nhiên nen mạnh mà chưa kịp đốt xăng tự kích nổ bốc cháy, gây hại cho đ ộng c Ch ỉ s ố 24 octane (RON - Research Octane Number) vừa giúp nen xăng t ốt h ơn v ừa giúp tăng khả chống tự kích nổ xăng, ngành cơng nghi ệp xăng ln tìm kiếm phụ gia để gia tăng số octane cho xăng Tuy nhiên, ethanol không giống với phụ gia khác chỗ thân xem nh m ột loại nhiên liệu, với số octane lên tới 109 (xăng thông th ường ch ưa tr ộn ph ụ gia có số octane khoảng 70, xăng A92 có RON 92), v ề lý thuy ết có th ể thay hồn tồn xăng thông thường, nhiên động phải thiết kế phù hợp với loại nhiên liệu Tên gọi gasohol dùng đ ể ch ỉ xăng pha c ồn t ỉ l ệ th ấp nhiên liệu thay Các hỗn hợp từ E85 tr lên m ới đ ược coi nhiên liệu thay 3.2 Phân loại xăng sinh học Xăng E5 gồm 5% ethanol 95% xăng thơng thường, cịn xăng E10 có 10% ethanol Xăng sinh học từ E5 đến E25 gọi hỗn h ợp ethanol th ấp, t E30 đến E85 hỗn hợp ethanol cao E100 Ethanol nguyên ch ất sau s ản xu ất Tin tổng hợp Mạng Thông tin Khoa học Công nghệ TP.HCM cho bi ết: Theo Hiệp hội Nhiên liệu Tái tạo (RFA), loại xe thông th ường có th ể s d ụng xăng từ E0 đến E10 Riêng xăng có hàm lượng ethanol cao, E85 đ ộng c xe phải thiết kế phù hợp Xe nhiên liệu linh hoạt (FFV- flexible-fuel vehicles) thiết kế để chạy hay nhiều loại nhiên liệu, thường xăng hay xăng pha ethanol hàm lượng cao) Xăng sinh học E5 nhiên liệu chứa 5% thể tích cồn sinh học 95% th ể tích xăng truyền thống Xăng sinh học E10 nhiên liệu chứa 10% thể tích cồn sinh h ọc 90% th ể tích xăng truyền thống 3.3 Chỉ tiêu sản phẩm Bảng Chỉ tiêu chất lượng xăng khơng chì E5, E10 TT Tên tiêu Mức giới hạn Trị số ốc tan (RON) phương pháp nghiên cứu, 92 25 Phương pháp thử TCVN 2703 (ASTM D2699) TCVN 7143 (ASTM D3237) Hàm lượng chì, g/l, max 0,013 TCVN 6704 (ASTM D5059) Thành phần cất phân đoạn - Điểm sôi đầu, oC báo cáo -10% thể tích, oC, max 70 - 50% thể tích, oC, max 120 -90% thể tích, oC, max 190 -Điểm sôi cuối, oC, max 215 -Cặn cuối, % thể tích, max 2,0 TCVN 2698 (ASTM D86 TCVN 6701 (ASTM D2622) Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg, max Hàm lượng benzen, % thể tích, max Hydrocacbon thơm, % thể tích, max Hàm lượng olefin, % thể tích, max 500 TCVN 7760 (ASTM 5453) TCVN 3172 (ASTM D4294) TCVN 6703 (ASTM D3606) 2,5 TCVN 3166 (ASTM D5580) TCVN 7330 (ASTM D1319) 40 TCVN 3166 (ASTM D5580) TCVN 7330 (ASTM D1319) 38 26 ASTM D6296 Hàm lượng ôxy, % khối lượng, max 3,7 TCVN 7332 (ASTM D4815) Hàm lượng etanol, % thể tích 4-5 TCVN 7332 (ASTM D4815) 10 Hàm lượng kim loại (Fe, Mn), mg/l, max TCVN 7331 (ASTM D3831) Ngoại quan suốt, khơng phân lớp khơng có tạp chất TCVN 7759 (ASTM D4176) 11 3.4 Ảnh hưởng xăng sinh học đến động cơ: 3.4.1 Thuận lợi Việc sử dụng xăng sinh học E5 giúp cải thiện tính đ ộng c ơ, giảm phát thải, mang lại lợi ích cho người tiêu dùng xã h ội Qúa trình s d ụng xăng sinh học E5 thuận tiện, không cần phải điều chỉnh độg c chuy ển đ ổi gi ữa xăng sinh học E5 xăng thơng thường Do ethanol có trị số octsn cso tới 109 nên pha vào xăng s ữ làm tăng tr ị s ố octan tăng khả chống kích nổ nhiên li ệu Thêm vào đó, v ới hàm lượng oxy cao xăng thơng dụng, giúp q trình cháy động di ên triệt để hơn, tăng công suất, giatm tiêu hao hiên li ệu Đồng th ời gi ảm thi ểu phát thải chất độc hại khí thải động 3.4.2 Khó khăn Với đặc tính ngậm nước, dẫn tới tượng tách lớp, ảnh hưởng đến trình cung cấp nhiên liệu bình thường chất l ượng làm vi ệc đ ộng c Ngồi ra, loại xăng sinh học có hàm l ượng ethanol cao h ơn, t E15 tr lên, dùng động điều chỉnh để chạy loại xăng Các loại xe thông thường sử dụng nhiên liệu xăng có hàm lượng ethanol cao gây ảnh hưởng đến số chi tiết kim loại, cao su, nh ựa, polymer c động rượu/cồn có tính ăn mịn cao Cồn ăn mịn bình xăng cấu thành từ vật liệu sợi thuỷ tinh, ống cao su đường dẫn plastic Nó tiềm ẩn nguy gây rỉ set làm đọng nước nhi ều chi ti ết kim lo ại Ở 27 động chạy xăng thời gian dài, diện c ồn rã c ặn rỉ tồn từ trước chúng lọt vào hệ thống xăng, đ ộng c làm t ắc kim phun mức xăng xuống thấp trừ thu thập từ trước Cồn ethanol có tính hút ẩm mạnh xăng nhi ều Đi ều có th ể gây tượng đọng nước bên bình xăng, phận khác nh ch ế hồ khí, kim phun, xy lanh, đường ống dẫn – hay ph ận có kho ảng trống khơng khí Việc xuất nước hệ thống dẫn xăng làm gi bên lọc xăng thông thường bị phồng lên chẹn đường chảy nhiên li ệu t ới động Do khác biệt trọng lượng riêng, xăng cồn thường có s ự phân tách (kể nước ngưng tụ) khiến cho tỉ lệ xăng/khơng khí trở nên khơng xác – đặc biệt dịng xe sử dụng chế hồ khí ến hiệu su ất đ ộng c b ị ảnh hưởng Cần lưu ý sử dụng nhiên liệu xăng có hàm lượng ethanol cao h ơn 10% ảnh hưởng đến số chi tiết động Tuy nhiên, với hàm l ượng 5% ethanol xăng sinh học E5 ảnh hưởng không xảy 3.5 Ảnh hưởng xăng sinh học với môi trường 3.5.1 Thuận lợi Ý nghĩa lớn xăng sinh học giúp gi ảm s ự phụ thu ộc vào nhiên liệu hóa thạch giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch V ới nh ững n ước phải nhập dầu mỏ xăng sinh học giúp giảm phụ thu ộc nguồn dầu m ỏ nước Các tài liệu xăng sinh học nước khẳng định khí th ải từ động sử dụng xăng pha cồn so v ới lo ại xe s d ụng xăng d ầu thông thường, với mức giảm lượng khí thải carbon monoxide (CO-khí th ải gây hiệu ứng nhà kính) từ 20-30% Khí thải CO khí độc, mức phát thải CO cao đọng xe máy Theo kết nghiên cứu, động sử dụng xăng sinh h ọc E5 t ạo r ất khí thải CO HC, hẳn loại xăng thơng dụng A92 A95 tới 20% Bên cạnh đó, khả tăng tốc xe tốt đối v ới xăng sinh h ọc E5 Qúa trình cháy động sử dụng xăng sinh học E5 đ ược c ải thi ện nh h ỗn hợp khơng khí nhiên liệu đồng khả bay tốt xăng sinh học E5 Ngồi ra, có mặt thành phần oxy xăng E5 y ếu tố giúp cho nhiên liệu cháy điều kiện không thiếu oxy( cháy v ới h ỗn hopje nhạt so với trường hợp động xăng dùng chế hịa khí s dụng 28 nhiên liệu xăng RON 92) cháy kiệt Đây s t ạo khí th ải đô ục h ại CO HC Thêm vsof đó, loại xe hệ có b ộ ph ận x lí khí th ải, kết hợp với sử dụng xăng sinh học E5 lượng khí độc th ải mơi tr ường giảm đáng kể Quá trình sản xuất ethanol sinh sản phẩm phụ khí carbon dioxide (CO2) khí cần cho quang hợp thực vật, có th ể tận d ụng khí để phát triển số loại cơng nghi ệp Chẳng hạn Brazil có d ự án xây dựng nhà máy nuôi trồng rong biển sát cạnh khu vực nhà máy s ản xuất ethanol từ mía đường sử dụng khí CO2 thải trình s ản xu ất ethanol để thúc đẩy trình quang hợp rong bi ển, từ gi ảm đ ược l ượng khí thải gây nhiêm mơi trường 3.5.2 Khó khăn Khi sử dụng nhiên liệu ethanol làm nguyên liệu cho động tơ, l ượng khí thải nhiêm cho dù khơng ảnh hưởng đến bi ến đổi khí hậu, nh ưng ảnh hưởng tới sức khỏe người phát thải khí nh carbon monoxide, hydrocarbons nitrogen oxide, người tiêu dùng mua sắm tơ nên tính đến lượng khí thải tơ phủ cần nghiên c ứu loại nhiên liệu xanh không ảnh hưởng đến môi trường 3.6 Thực trạng 3.6.1 Thực trạng Việt Nam Ở Việt Nam từ 1/1/2018, xăng E5 thức thay hồn tồn cho xăng RON 92 Thị trường loại xăng xăng E5 xăng RON 95 Tuy nhiên, việc phát triển mạng lưới phân phối xăng sinh h ọc ch ậm, không theo kịp việc đầu tư sản xuất ethanol Nguyên nhân khó khăn thị trường tiêu thụ nước, nhà máy phải xuất với giá thấp, khơng đủ bù chi phí, nhiều nhà máy ph ải ho ạt đ ộng cầm chừng, chí ngừng sản xuất Ngồi lý giá thành s ản xu ất cao, t ốc độ phát triển mạng lưới phân phối cịn chậm, khơng đáp ứng tốc độ phát triển dự án sản xuất nhiên liệu sinh học, tâm lý ng ười tiêu dùng v ẫn cịn thơng tin ưu điểm xăng E5 ưu tiên l ựa ch ọn nhiên li ệu truyền thống, gây trở ngại nhiều cho việc tiêu thụ sản phẩm Còn theo lý giải doanh nghiệp, nguyên nhân tác động đến tốc độ phát tri ển m ạng l ưới phân phối chưa xứng tầm công ty phải đầu tư c ải tạo, b ổ sung m ột s ố thiết bị, sở vật chất để phục vụ phân phối xăng E5, khơng hưởng sách ưu đãi dự án sản xuất 29 3.6.2 Thực trạng giới Những năm 1970, công nghiệp sản xuất ethanol phát tri ển Brazil Mỹ nên ethanol sử dụng xe lại quan tâm, ch ỉ th ực s ự phát tri ển 10 năm vừa qua trước nguy dầu mỏ cạn kiệt có sách h ỗ trợ phủ nước Hơn 50 nước giới sử dụng ethanol pha xăng để chạy xe, dẫn đầu Mỹ (trên 90% ethanol nhiên liệu pha xăng E10) Brazil (bắt buộc sử dụng E22 đến E25), Ấn Độ s dụng tối đa E5, Thái Lan bắt buộc sử dụng E5, E10 E85 giới thiệu từ 2008 Bảng Loại xăng pha sử dụng nước Còn loại xăng có chứa tới 85% ethanol bán nhi ều nước châu Âu Thụy Điển, Pháp, Đức hay phổ biến Hungary, Áo, Hà Lan hay Tây Ban Nha Xăng E85 không giảm khí thải nhà kính, có hàm lượng octane cao giúp động hoạt động tốt mà giảm thi ểu tình tr ạng nóng động Cồn ethanol đốt cháy sinh s ản ph ẩm ph ụ h ơn so v ới xăng khoáng thông thường 30 Tuy nhiên phổ biến xăng E85 bị hạn chế b ởi loại xăng c ần động chuẩn FFV để vận hành Loại động chưa thực phổ bi ến, k ể c ả nước phát triển Theo số liệu Cục Thơng tin lượng Mỹ, có khoảng 16,3 triệu xe vận hành Mỹ xe có chu ẩn FFV, t ương đ ương 7% số xe nước Thị trường tiềm cho xăng E85 Brazil nước sớm đưa chuẩn FFV cho đ ơn v ị s ản xu ất xe h t năm 2003 tỷ lệ xe có chuẩn FFV Brazil lên tới 90% lượng xe bán PHẦN 4: TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Ái, Công nghệ lên men ứng dụng công nghệ thực phẩm, NXB.Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh, 2013 Cao Đình Khánh Thảo, Nghiên cứu thử nghiệm khả xử lí rơm rạ để lên men ethanol, Luận văn Đại học, Bộ môn Công nghệ sinh học – Khoa Cơng nghệ Hóa học, 01/2007 Đỗ Trung Sỹ, Nguyễn Đình Tuyến, Đỗ Thu Hương, Hồng Thị Bích, Tạ Thủy Nguyên, Nguyễn Ngọc Tùng, Trần Thị Hiền, Nguyễn Thị Trang, Trần Đình Toại, N Stepanov A., Efremenko E N., S.Varfolomeev D Chất xúc tác sinh học sở tế bào nấm men chịu nhiệt để lên men đồng thời chuyển hóa Tạp chí hóa học 2012, 59-62 Đỗ Trung Sỹ, Trần Đình Toại, Hoàng Lương, Trần Mạnh Hải, Trần Thị Phương, Hoàng Thị Bích, Nguyễn Hồng Nhung, Phạm Hồng Hải, Nguyễn Bích Thủy, Nghiên cứu hệ xúc tác sinh học để chuyển hóa phế thải nơng nghiệp (rơm rạ) thành ethanol Tạp chí Hóa học, 2011, T.49, Số 5AB, 509-512 Hội nghị Xúc tác hấp phụ toàn quốc lần thứ Thừa Thiên Huế, Tháng 11-2011 Nguyên Đức Lượng, Công nghệ lên men, NXB Đại học Quốc Gia Thành ph ố Hồ Chí Minh, 2001 Trần Diệu Lý 2008, Nghiên cứu sản xuất ethanol từ nguyên liệu rơm rạ, Đề tài tốt nghiệp, Khoa Kỹ thuật hóa học, Đại học Bách Khoa Thành ph ố Hồ Chí Minh Trần Đình Toại, Phạm Hồng Hải, Nguyễn Bá Kiên, Hồng Thị Bích, Đỗ Trung Sỹ, Nghiên cứu tối ưu hóa q trình thủy phân cellulose tách từ rơm rạ thành đường tan nấm mốc Aspergillus terreus để sản xuất ethanol – nhiên liệu sinh học, Tạp chí Khoa học Cơng Nghệ, Tập 49, Số 3, trang 87 – 96, 2011 Trích Báo Mơi Trường Giao Thơng Vận Tải, Bộ Giao Thơng Vận Tải Trích Kỹ thuật việc phân giải cellulose làm nguyên liệu s ản xuất nhiên liệu sinh học, Trường ĐH Nông Lâm Thái Nguyên 10 Trích Giới thiệu mặt hàng tiêu chuẩn xăng sinh h ọc E5 RON92-II, Công ty xăng dầu Pelimex 11 Trích Xăng sinh học E5, Cơng ty lọc hóa dầu Bình Sơn 12 Trích Xăng sinh học E5 Ron92, Tập đoàn dầu quốc gia Vi ệt Nam 31 13 Trương Hương Lan, Tiểu luận nhiên liệu sinh học “ Nghiên cứu s ản xuất ethanol từ rơm rạ, Viện đại học Mở Hà Nội 32 ... quy trình lên men Hình 2.19 Ưu nhược lên men liên tục gián đoạn Việc lựa chọn công nghệ lên men liên tục hay gián đoạn tùy thu ộc vào ngu ồn nguyên liệu công nghệ sản xuất Đối với lên men nguyên... chín để cung cấp dinh dưỡng cho nấm men hoạt động 19 Hình 2.18 Điều kiện lên men Hiện có 02 quy trình lên men dùng phổ bi ến: Lên men liên tục lên men gián đoạn Công suất nhà máy loại nguyên liệu... dịch lên men cần trì nhi ệt độ ổn đ ịnh b ằng cách làm nguội dịch cưỡng thiết bị trao đổi nhiệt bên bồn Thời gian lên men dịch đường hóa từ 48-72 giờ, nước mía từ 10-48 tùy công nghệ lên men,