Các phương pháp và quy trình sản xuất cồn sinh học và các dạng nhiên liệu sinh học khác từ phế phụ liệu nông nghiệp.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH VIỆN: CƠNG NGHỆ SINH HỌC – THỰC PHẨM  CÔNG NGHỆ XỬ LÝ PHẾ PHỤ LIỆU GVHD: Lê Hương Thủy Thành Viên Nhóm Bùi Thúy An 17060091 Lê Thị Hoàng Dung .17060091 Nguyễn Thị Hông Hạnh .17032971 Lê Thị Vân 17019561 MỤC LỤC I, TỔNG QUAN II, CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT CỒN SINH HỌC Công nghệ xử lý phế phụ liệu GVHD: Lê Hương Thủy 1.1 Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu 1.2 Bước 2: Tiền xử lí .8 1.3 Bước 3: Quy trình công nghệ thủy phân lên men ethanol 12 1.3.1 Thủy phân acid 13 1.3.2 Thủy phân bang enzyme: 15 III, CÁC DẠNG NHIÊN LIÊU SINH HỌC 25 3.1, Diesel sinh học(biodiesel) 25 3.1.1 Dầu thực vật .25 3.1.2 Mỡ động vật .26 3.2 Xăng sinh học(Gasohol) 30 3.3 Khí sinh học 31 Tài liệu tham khảo: .32 Page | Nhóm Cơng nghệ xử lý phế phụ liệu GVHD: Lê Hương Thủy Các phương pháp quy trình sản xuất cồn sinh học dạng nhiên liệu sinh học khác từ phế phụ liệu nông nghiệp I, TỔNG QUAN  Khái niệm cồn sinh học Cồn sinh học bao gồm Bio-metanol, Bio-ethanol, Bio-Butanol…Trong số dạng cồn sinh học này, Bio-ethanol loại nhiên liệu thông dụng giới có khả sản xuất quy mô công nghiệp  Nguyên liệu sản xuất cồn sinh học + Nông phẩm chứa dầu + Cây kĩ nghệ chứa dầu( lạc, đậu tương, hướng dương, dừa, cọ dầu, ) + Nguyên liệu từ gỗ rác( cellulose) + Phế phẩm nông nghiệp: vỏ trấu, lõi ngô, lá, cọ, lát mỏng gỗ, vỏ bào gỗ, rơm rạ, gỗ viên trịn, phế thải + Nơng phẩm chứa tinh bột: ngô, khoai, lúa gạo + Thực vật hoang dại  Khái niệm Ethanol Ethanol chất lỏng không màu, sôi nhiệt độ 78,3°C dung mơi hữu đa dụng, sản xuất từ dầu khí thơng qua phản ứng hydrat hóa ethylene ( ethanol hỗn hợp, khơng sử dụng vào mục đích lượng ) từ nguyên liệu sinh học( ethnol sinh học, sử dụng chủ yếu vào mục đích lượng) Ethanol sinh học có khả thay hồn tồn xăng sản xuất từ dầu mỏ pha trộn với xăng để tạo xăng sinh học Xăng sinh học ghi danh kí tự “E” kèm theo số số phần tram Ethanol sinh học pha trộn xăng Trên thị trường ta thường gặp loại xăng sinh học E5, E20, E95… tức xăng sinh học chứa 5%, 20%, 95% ethanol Cơng thưc hóa học , hay , viết tắt Ethanol sản xuất từ nhiều ngun liệu khác như: mía, ngơ, sắn, củ cải đường, phế phẩm nông nghiệp… Page | Nhóm Cơng nghệ xử lý phế phụ liệu GVHD: Lê Hương Thủy II, CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT CỒN SINH HỌC Mía đường củ cải đường dự trữ lượng dạng đường đơn glucose () Phân tử đường Ethanol + Page | Nhóm Cơng nghệ xử lý phế phụ liệu GVHD: Lê Hương Thủy Mía Ép Bã mía Men zymase, acid photphoride Lên men Ethanol (5-12%) Chưng Ethanol (80-95%) Dùng để thay dầu Tách nước 100 % Etha nol Trộn thêm vào dầu Page | Nhóm Cơng nghệ xử lý phế phụ liệu GVHD: Lê Hương Thủy Phương pháp sản xuất cồn sinh học từ cellulose Page | Nhóm Công nghệ xử lý phế phụ liệu GVHD: Lê Hương Thủy QUY TRÌNH ĐƠN GIẢN Page | Nhóm Công nghệ xử lý phế phụ liệu GVHD: Lê Hương Thủy 1.1 Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu Nguyên liệu Mục đích: Rửa nguyên liệu đồng thời băm, nghiền nhỏ nguyên liệu nhằm phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực Cân Đánh tơi Rửa Băm nhỏ Nghiền Tiền thủy phân thuỷphaan 1.2 Bước 2: Tiền xử lí Q trình tiền xử lí rơm rạ nổ để thủy phân tạo dịch đường, (Trích từ “ Luận văn tốt nghiệp đại học, nghiên sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ, Trần Diệu Lý, Trường đại học Bách khoa HCM khoa kĩ thuật hóa học, 1/2008 đề tài “ Nghiên cứu công nghệ thiết bị liên tục xử lí rơm rạ nước để lên men ethanol” ThS Hoàng Minh Nam…) Phương pháp nổ nước phát triển vào năm 1925 W.H Mason sản xuất gỗ ép  Cơ chế trình nổ nước Page | Nhóm Cơng nghệ xử lý phế phụ liệu GVHD: Lê Hương Thủy Page | Nhóm Cơng nghệ xử lý phế phụ liệu GVHD: Lê Hương Thủy Q trình nổ nước q trình cơ-hóa –nhiệt Đó phá vỡ cấu trúc hợp phần với giúp đỡ nhiệt dạng (nhiệt), lực cắt giãn nở ẩm (cơ) thủy phân liên kết glycosidie (hóa) Q trình nổ có giai đoạn: + Làm ẩm nguyên liệu + Giảm áp đột ngột Trong thiết bị phản ứng giai đoạn nước áp suất cao thâm nhập vào cấu trúc lignocellulosic trình khuếch tán làm ẩm nguyên liệu 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 Dưới điều kiện khắc nghiệt, vùng vơ định hình cellulose bị thủy phân đến mức độ Dưới điều kiện khắc nghiệt hơn, ví dụn nhiệt độ cao, áp suất cao, thúc đẩy phân hủy xylose thành furfural glucose thành 5-hydroxymethyl furfural Furfural 5-hydroxylmethyl furfural kìm hãm phát triển vi sinh vật, khơng thuận lợi cho q trình lên men Mơ tả q trình nổ Trong goai đoạn 2: Ẩm biomass hóa đột ngột khí 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 Một vài tượng xảy thời điểm Đầu tiên, ẩm ngưng tụ cấu trúc biomass bốc tthời giảm áp đột ngột Sự giản nở nước gây lực cắt bao quanh cấu trúc nguyên liệu Nếu lực cắt đủ lớn, nước gây phá hủy học lên cấu trúc lignocellulosic Sự mơ tả q trình làm bật tầm quan trọng việc tối ưu yếu tố: thời gian lưu nhiệt độ Thời gian biomass lưu lại thiết bị phản ứng giúp xác định phạm vi thủy phân hemicellulose acid hữu Việc thủy phân hemicellulose giúp cho trình lên men thuận lợi Page | 10 Nhóm Cơng nghệ xử lý phế phụ liệu GVHD: Lê Hương Thủy Bước 4: Chưng cất khử nước Page | 20 Nhóm Công nghệ xử lý phế phụ liệu GVHD: Lê Hương Thủy Phương pháp sản xuất cồn sinh học từ tinh bột Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn ethanol Mơ tả q trình cơng nghệ sản xuất ethanol từ sắn sau: Nguyên liệu sắn khô Nguyên liệu sắn lát trước đem sản xuất phải làm nghiền nhỏ nhằm loại bỏ tạp chất phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật nguyên liệu, giải phóng Page | 21 Nhóm Công nghệ xử lý phế phụ liệu GVHD: Lê Hương Thủy hạt tinh bột khỏi mô, giúp cho nước thẩm thấu vào tinh bột tốt để trình hồ hóa diễn nhanh Tuy nhiên, việc lựa chọn cơng nghệ nghiền phải tính tốn cân nhắc kỹ thiết kế phù hợp với thực tế nguyên liệu để tránh hư hỏng thiết bị làm gián đoạn sản xuất Hiện nay, với công nghệ sản xuất ethanol từ nguyên liệu chứa tinh bột thường sử dụng 02 cơng nghệ nghiền nghiền ướt nghiền khơ Hồ hóa – đường hóa (đối với ngun liệu sắn khô) Mặc dù tồn song song 02 công nghệ hồ hóa - đường hóa axít chế phẩm enzyme amylaza Tuy nhiên, hầu hết nhà cung cấp công nghệ sản xuất ethanol lựa chọn cơng nghệ hồ hóa - đường hóa chế phẩm enzyme amylaza Tinh bột có màng tế bào bảo vệ nên enzyme amylaza tác động trực tiếp Khi nghiền nguyên liệu, phần tế bào tinh bột bị phá vỡ Mặt khác nhiệt độ mơi trường tinh bột khơng hịa tan nước, đường hóa,enzyme amylaza tác dụng chậm Q trình hồ hóa tiếp tục phá vỡ tế bào tinh bột, biến tinh bột trạng thái khơng hịa tan nước thành trạng thái hoà tan, giúp cho q trình đường hóa thuận lợi Q trình đường hóa sử dụng enzyme amylaza chuyển hóa tinh bột hịa tan thành đường lên men Trên sở phát triển công nghệ enzyme chủ yếu nhà sản xuất enzyme hàng đầu giới NOVO ENZYME (Đan Mạch), GENENCOR (Mỹ) Lên men Quá trình lên men trình chuyển đường đơn thành ethanol, khí CO sản phẩm trung gian khác Sau lên men, hỗn hợp ethanol sản phẩm khác gọi 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 chế trình lên men, dịch lên men cần trì nhiệt độ ổn định 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 chuyển đến công đoạn chưng cất để tách ethanol khỏi dấm chín Nhân giống men Cơng đoạn nhân giống men phận cung cấp men cho bồn lên men Men phát triển theo ba công đoạn Hai công đoạn đầu thiết kế cho men phát triển điều kiện vô trùng chặt chẽ Trong bồn nhân giống, dung dịch lên men trùng sử dụng để làm dịch chủng men Quá trình nhân giống men cần thiết tiến hành thời điểm ban đầu, khởi động nhà máy, dừng nhà máy lâu bồn lên men tháo khơ Page | 22 Nhóm Cơng nghệ xử lý phế phụ liệu GVHD: Lê Hương Thủy Công nghệ lên men Hiện có 02 qui trình lên men dùng phổ biến: Lên men liên tục lên men gián đoạn Công suất nhà máy loại nguyên liệu nhân tố định để lựa chọn quy trình lên men Việc lựa chọn cơng nghệ lên men liên tục hay gián đoạn tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu công nghệ sản xuất Đối với lên men nguyên liệu gốc 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 giúp giảm vốn đầu tư, giảm thời gian lên men đảm bảo hiệu suất lên men Chưng cất khử/tách nước Đối với nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu, công đoạn chưng cất tách nước thiết kế liên hoàn thành dây chuyền đồng nhằm giảm chi phí đầu tư để tiết kiệm lượng Chưng cất Page | 23 Nhóm Cơng nghệ xử lý phế phụ liệu GVHD: Lê Hương Thủy Cơng đoạn nằm tách ethanol khỏi dấm chín, loại bỏ tạp chất nâng nồng độ ethanol lên > 95% (v/v) Dịch sau lên men có nồng độ ethanol thấp cần chưng cất nhằm loại bỏ tối đa lượng nước tạp chất 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, nước 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 thiểu có hiệu suất cao; Hệ thống chưng cất vận hành liên tục, không cần dừng để vệ sinh tháp; Công suất chưng cất ổn định, khơng có giảm cơng suất tượng bám cáo cặn; Điểm sôi dung dịch thấp nên tiêu hao thấp giảm khả hình thành cặn canxi 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 nước để đạt nồng độ đến 99,7% (v/v) Có 03 phương án cơng nghệ sử dụng để tách nước sản xuất ethanol nhiên liệu là: công nghệ chưng cất sử dụng hỗn hợp cấu tử (như 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 với phương 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 điểm: Sử dụng nhân cơng; Vận hành ổn định; Hiệu suất thực tế gần với thiết kế; Tiêu hao thấp; Hệ thống làm việc hoàn toàn tự động Tồn trữ làm biến tính Ethanol nhiên liệu thu từ q trình sản xuất có tính chất dễ bốc cháy, nên trình tồn trữ phải tuân theo quy định nghiêm ngặt Mặt khác, mục đích sản xuất ethanol để làm nhiên liệu nên ethanol lẫn nhiều tạp chất khơng sử dụng cho mục đích khác Do vậy, trước xuất xưởng ethanol nhiên liệu cần phải làm biến tính cách pha chất biến tính vào để phân biệt tránh dùng sai mục đích Ethanol nhiên liệu cần phải chứa thiết bị làm thép carbon, thép không gỉ, bồn chứa phải trang bị hệ thống đảo bồn thu hồi bốc để tránh tượng giảm nồng độ ethanol Xử lý nước thải Nước thải nhà máy có lưu lượng lớn có nhiều chất hữu cơ, thành phần BOD/COD cao, nên công nghệ xử lý phải qua nhiều công đoạn xử lý vi sinh, xử lý hóa học, hóa lý học Page | 24 Nhóm Cơng nghệ xử lý phế phụ liệu GVHD: Lê Hương Thủy Quá trình xử lý bao gồm cơng đoạn sau: Xử lý kỵ khí bậc (SAR, UASB); Xử lý hiếu khí bậc (vi sinh hiếu khí); Xử lý làm (hóa lý); Xử lý bùn: nén ép tách nước làm giảm độ ẩm bùn thiết bị Decanter Do vậy, cần nhiều loại hóa chất H2SO4, FeCl3, NaOH, Ure, Polymer, H2O2, PAC với tiêu hao lớn III, CÁC DẠNG NHIÊN LIÊU SINH HỌC 3.1, Diesel sinh học(biodiesel) Định nghĩa: alkyl este axit béo, không sản xuất từ dầu mỏ mà từ mỡ động vật dầu thực vật 3.1.1 Dầu thực vật - Nguồn cung ứng Là loại dầu chiết suất từ cá hạt, Dầu lấy từ hạt có dầu dầu nành, dầu đậu phộng, dầu dừa, dầu cải, dầu hướng dương….Dầu lấy từ có dầu dừa, cọ liu… - Ưu điểm: Page | 25 Nhóm ... sinh học 31 Tài liệu tham khảo: .32 Page | Nhóm Công nghệ xử lý phế phụ liệu GVHD: Lê Hương Thủy Các phương pháp quy trình sản xuất cồn sinh học dạng nhiên liệu sinh học. .. nghệ xử lý phế phụ liệu GVHD: Lê Hương Thủy Phương pháp sản xuất cồn sinh học từ tinh bột Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn ethanol Mơ tả q trình cơng nghệ sản xuất ethanol từ sắn sau: Nguyên liệu sắn... học khác từ phế phụ liệu nông nghiệp I, TỔNG QUAN  Khái niệm cồn sinh học Cồn sinh học bao gồm Bio-metanol, Bio-ethanol, Bio-Butanol…Trong số dạng cồn sinh học này, Bio-ethanol loại nhiên liệu