Quy trình sản xuất cồn sinh học từ bã mía

Trong tình hình nguồn nguyên liệu hóa thạch cạn kiệt trong tương lai và sự ô nhiễm môi trường ngày càng cao do việc sử dụng nguyên liệu hóa thạch được chế biến từ dầu mỏ. Do sự tăng giá liên tục của dầu thô, nguồn năng lượng chính trên thế giới hiện nay, rất nhiều đề tài nghiên cứu quan tâm phát triển nguồn nhiên liệu mới có giá trị về kinh tế và môi trường. Việc tìm nguồn năng lượng sạch có khả năng tái tạo để thay thế một phần xăng dầu đang trở thành một vấn đề cấp thiết được nhiều quốc gia quan tâm. Một trong những hướng đi hiệu quả là sử dụng ethanol để pha vào xăng vừa làm chỉ số octane tăng, vừa làm giảm ô nhiễm môi trường nên xăng pha cồn càng ngày càng trở nên phổ biến trên toàn thế giới. Trước sự cạn kiệt của nguyên liệu hóa thạch, để đảm bảo an ninh năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và khí nhà kính góp phần vào nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp, các nghiên cứu về sản xuất các nhiên liệu thay thế, trong đó có nhiên liệu sinh học đang được phát triển mạnh mẽ. Bio ethanol hay còn gọi là cồn sinh học một dạng nhiên liệu được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn. Ngoài ra etanol sinh học còn được sản xuất từ cellulose thì bã mía là phế phẩm phụ của ngành công nghiệp sản xuất đường có ưu điểm hơn so với các nguyên liệu khác như rơm rạ... Do hàm lượng cellulose cao hơn và đây là một ưu điểm quan trọng trong vuệc nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học từ nguồn nhiên liệu này

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÁC SẢN PHẨM GIÀU PROTEIN/LIPIT ĐỀ TÀI: SẢN XUẤT CỒN SINH HỌC TỪ BÃ MÍA Giảng viên: PGS.TS Nguyễn Thanh Hằng Sinh viên thực hiện: Phạm Nguyễn Khánh Linh - 20174834 Phạm Thu Trang - 20175261 Phạm Thị Hồng Thu - 20175214 Phạm Thu Giang - 20174584 Nguyễn Đức Hiếu – 20174687 HÀ NỘI, THÁNG MỤC LỤC I Tổng quan nguyên liệu bã mía II Quy trình cơng nghệ sản xuất cồn từ bã mía Q trình tiền xử lí Quá trình thủy phân Quá trình lên men Quá trình chưng cất III So sánh – Kết luận chung Lời mở đầu Trong tình hình nguồn nguyên liệu hóa thạch cạn kiệt tương lai ô nhiễm môi trường ngày cao việc sử dụng nguyên liệu hóa thạch chế biến từ dầu mỏ Do tăng giá liên tục dầu thô, nguồn lượng giới nay, nhiều đề tài nghiên cứu gần quan tâm phát triển đến nguồn nhiên liệu có giá trị kinh tế mơi trường Việc tìm kiếm nguồn lượng sạch, có khả tái tạo để thay phần xăng dầu trở thành vấn đề cấp thiết nhiều quốc gia quan tâm Một hướng hiệu sử dụng ethanol để pha vào xăng vừa làm tăng số octane, vừa làm giảm ô nhiễm môi trường nên xăng pha cồn ngày trở nên phổ biến toàn giới Trước cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch, để đảm bảo an ninh lượng, giảm thiểu ô nhiễm mơi trường khí nhà kính, góp phần vào nâng cao hiệu kinh tế nông nghiệp, nghiên cứu sản xuất nhiên liệu thay thế, có nhiên liệu sinh học phát triển mạnh mẽ Bio-ethanol hay gọi cồn sinh học, dạng nhiên liệu sản xuất đường sinh học, chủ yếu phương pháp lên men chưng cất loại ngũ cốc chứa tinh bột chuển hóa thành đường đơn Ngồi ra, ethanol sinh học cịn sản xuất từ cỏ có chứa hợp chất từ cellulose ( celluloic ethanol) Trong nguyên liệu sản xuất ethanol từ cellulose bã mía phế phụ phẩm ngành công nghiệp sản xuất đường có ưu điểm so với nguyên liệu khác trấu, rơm, rạ… hàm lượng cellulose cao ưu điểm quan trọng việc nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học từ nguồn ngun liệu Chính nhóm em xin trình bày “ Công nghệ sản xuất Cồn sinh học từ bã mía” II Giới thiệu chung Nguồn gốc Theo từ điển bách khoa tồn thư, mía tên gọi chung số loài loại Saccharum, bên cạnh loài lau, lách khác Chúng vốn loài cỏ, có thân cao từ 2-6 m, chia làm nhiều đốt, bên có chứa đường Tất giống mía trồng giống mía lai nội chi nội loại phức tạp Cây mía cịn coi sáu nhiên liệu sinh học tốt giới tương lai (cây mía đứng đầu, tiếp đến cọ dầu, cải dầu, gỗ, đậu nành tảo) Mía cơng nghiệp lấy đường quan trọng ngành cơng nghiệp đường Trong thân mía chứa khoảng 80-90% nước dịch, dịch có chứa khoảng 1618% đường Vào thời kì mía già, người ta thu hoạch mía đem ép lấy nước dịch Nước dịch mía chế lọc đặc thành đường Phần nguyên liệu lại sau chiết xuất đường gọi bã mía Bã mía chiếm khoảng 25-30% khối lượng mía đem ép I Với lượng bã mía thải lớn, cần có phương pháp xử lý để tận dụng bã mía vào ngành công nghiệp khác để bảo vệ môi trường tăng giá trị phế phụ phẩm Tình hình trữ lượng Lúa trồng chủ lực Việt Nam, nhiên loại hoa màu, công nghiệp ngắn chiếm ưu cấu trồng Việt Nam Trong số công nghiệp ngắn ngày phải kể đến mía với sản lượng đạt gần 15,3 triệu năm 2019 Bã mía chiếm 25-30% khối lượng mía, điều có nghĩa năm nước thải 4,5 triệu bã mía Tuy diện tích trồng mía giảm lớn, lượng bã mía thải lớn nên vấn đề xử lý chúng chưa triệt để Hình Tình hình sản xuất trữ lượng mía Việt Nam 2007-2019 (Nguồn: FAOSTAT) Công suất nhà máy đường từ vài chục vài trăm lượng bã mía thải tương đương Theo Hiệp hội Mía đường Việt Nam (VSSA), năm nhà máy đường ép 15 triệu mía, phát sinh 4,5 triệu bã mía Tại Nhà máy Đường Bourbon (Tây Ninh), với cơng suất chế biến 8.000 mía/ngày, nhà máy thải lượng bã mía khoảng 2.800 tấn/ngày Trong đó, Cơng ty Đường Biên Hịa (Đồng Nai) có nhà máy, nhà máy sử dụng mía làm ngun liệu với tổng cơng suất 5.000 mía/ngày Thành phần bã mía Bã mía phần xơ cịn lại thân mía sau q trình ép mía Bã mía gồm có sợi xơ, nước lượng tương đối nhỏ chất hòa tan chủ yếu đường Bã mía chiếm 25-30% trọng lượng mía đem ép Trong bã mía tươi trung bình chứa 49% nước; 48,5% xơ (trong 45 – 55% xenlulozơ); 2,5% chất hịa tan (đường) Tuỳ theo loại mía đặc điểm nơi trồng mía mà thành phần hố học có bã mía biến đổi Thành phần xơ bảng sau: Bảng Thành phần hóa học xơ STT Thành phần Xenllulose Hemixenlulose Lignin Chất hòa tan khác % khối lượng 40-50 20-25 18-23% 2-5 • Xenlulose Xenlulozơ polisaccarit mắt xích β-glucose [C6H7O2(OH)3]n nối với liên kết β-1,4-glicozit Phân tử khối xenlulozơ lớn, khoảng từ 10.000 –150.000 đvC Là thành phần chủ yếu tế bào thực vật chất tổng hợp nhiều sinh Các mạch Xenlulose liên kết với liên kết hidro lực Van Der Waals hình thành hai vùng cấu trúc kết tinh vơ định hình: + Vùng kết tinh, phân tử Xenlulose liên kết chặt chẽ với nhau, khó bị cơng enzym hóa chất enzyme xenlulaza có tác dụng bề mặt hệ sợi vùng + Vùng vô định hình, xenlulose liên kết khơng chặt nên dễ bị công Khi gặp nước chúng dễ bị trương phồng lên, enzym xenlulaza dễ công làm thay đổi cấu trúc chúng Xenlulose bao bọc bở Ligin Hemixenllulose làm cho xenlulose bền vững tác động enzym hóa chất • Hemixenlulose Hemicellulose polysaccharide màng tế bào tan dung dịch kiềm có liên kết chặt chẽ với cellulose, ba sinh khối tự nhiên Cùng với cellulose lignin, hemicellulose tạo nên thành tế bào vững thực vật Hemixenlulose loại polymer phức tạp, phân nhánh độ trùng hợp khoảng 70-200 Dp Hemixenlulose chứa đường (D-galactose, LGalactose, D-mantose,L-rhamnose,L-fructose),đường 5(D-xylose, L-arabinose), axit uronic (D-glucuronic) chứa lượng nhỏ nhóm acety Thành phần hemicellulose β - D -xylopyranose, liên kết với liên kết β - (1,4) Cấu tạo hemicellulose đa dạng tùy vào loại nguyên liệu có vài điểm chung gồm: + Mạch hemicellulose cấu tạo từ liên kết β -(1,4) + Xylose thành phần quan trọng + Nhóm phổ biến nhóm acetyl (O-liên kết với vị trí 3) + Mạch nhánh cấu tạo từ nhóm đơn giản, thơng thương disaccharide trisaccharide Sự liên kết hemixenlulozo với polysaccharide khác với lignin nhờ mạch nhánh Vì hemixenlulozo có mạch nhánh nên tồn dạnh vơ định hình dễ bị thủy phân so với xenlulose • Lignin Lignin polyphenol có cấu trúc mở Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vai trị chất liên kết thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose hemicellulose Rất khó để tách lignin hoàn toàn Lignin loại polyme tạo mắt xích phenylpropen, vài đơn vị cấu trúc điển hình là: guaiacyl (G), trans-coniferyl alcohol; syringyl (S), transsinapyl alcohol; p-hydroxylphenyl (H), trans-p-courmary alcohol Hình Các đơn phân Lignin Thực trang sử dụng Bã mía tận dụng vào sản xuất nhiều ngành công nghiệp như: - Sử dụng làm bột giấy, loại ván ép, ốp trần: Bã mía có nhiều xenlulozo nên dùng làm nguyên liệu thay gỗ làm ván ép thông thường - Điện sinh học - Ủ lên men làm phân bón, giá để trồng nấm - Ủ lên men làm thức ăn cho gia súc thay rơm, cỏ - Làm vật liệu lọc nước tự nhiên, hấp thụ kim loại nặng - Ethanol: dùng làm nguyên liệu Tiềm bã mía sản xuất Ethanol Cồn sinh học loại cồn sản xuất từ thực vật từ trình sinh học lên men Cồn sinh học coi giải pháp tiềm để sản xuất nguồn nguyên liệu thân thiện với môi trường nhthay ngun liệu khác có tính độc hại hơn, số bật xăng sinh học Ứng dụng bã mía sản xuất cồn sinh học: + Trong bã mía có nhiều xenlulozo (40-50%), nguồn nguyên liệu tiềm để sản xuất cồn sinh học + Đây nguồn nguyên liệu dễ kiếm rẻ tiền phụ phẩm trình sản xuất Giảm bớt áp lực cho nguồn nguyên liệu sinh hcij từ sắn, gạo… + Bã mía sau sản xuất tự phân hủy sinh học→ thân thiện với môi trường + Giải vấn đề bã mía khơng sử dụng hiệu đồng thời tận dụng triệt để mía cơng nghiệp + Góp phần giải phần vấn đề lượng ý thời gian gần + Tuy nhiên kỹ thuật sản xuất chưa hồn thiện chi phí cho giống vi sinh vật lên men cao III Cơng nghệ sản xuất ethanol từ bã mía Tiền xử lý - Mục đích q trình tiền xử lý loại bỏ lignin hemicenlulose → Giảm kết tinh cenlulose tăng độ xốp vật liệu - u cầu q trình: • Tăng khả thủy phân đường • Tránh tổn thất cacbohydrat ngun liệu • Tránh hình thành sản phẩm phụ gây ức chế cho q trình lên men • Tiết kiệm chi phí - Một số phương pháp tiền xử lý: Vật lý – Hóa học – Hóa lý – Sinh học - Các yếu tố ảnh hưởng đến trình tiền xử lý: • Cấu trúc tinh thể cenllulose: cenllulose tự nhiên hình thành cấu trúc tinh thể chống lại công enzyme hay xâm nhập hóa chất → Trong q trình sản xuất cần có thay đổi vùng để hóa chất nhiệt dễ tiếp xúc với cenllulose • Sự bao bọc lignin quanh cenllulose: Lignin hemicenllulose tạo thành cấu trúc mơ vững Lignin đóng vai trị kết dính sợi cenllulose làm bảo vệ chúng khỏi bị thủy phân enzyme • Bề mặt tiếp xúc tự cenllulose → Bề mặt tiếp xúc đơn vị vật liệu → Ảnh hưởng đến tiếp xúc cenllulose với hóa chất nguồn nhiệt → Có liên quan đến độ kết tinh bảo vệ lignin • Sự diện hemicenllulose: lignin, hemicenllulose tạo thành lớp bảo vệ xung quanh cenllulose 1.1 Phương pháp sinh học - Một số VSV lựa chọn để phân hủy lignin hemixenlulo bã mía → Basidiomycetes hiệu việc tiền xử lí sinh học lignocellulosic ban đầu - Kết quả: Sử dụng kết hợp 19 loại nấm thối trắng → 35% bã mía chuyển thành đường khử tuần Để tăng hiệu thu hồi đường, ngăn chặn mát cenllulose, chủng Sporotrichum pulvererryum bổ sung để sử dụng lignin hemicenllulose không sử dụng cenllulose - Bổ sung thêm số enzyme polyphenol oxidase, enzym khử quinone phân hủy lignin ➔ Ưu điểm phương pháp sinh học: yêu cầu lượng thấp điều kiện mơi trường ơn hịa ➔ Nhược điểm: Hiệu suất trình thấp thời gian dài 1.2 Phương pháp hóa lý - Sử dụng phương pháp nổ với tác nhân nước bão hòa - Cách tiến hành: Đưa nước bão hịa có nhiệt độ từ 160–260°C vào khối nguyên liệu áp suất tương ứng 0,69–4,83 MPa vài giây đến vài phút trước → Kết hemicenllulose thối hóa biến đổi lignin → Tăng hiệu suất thủy phân cenllulose - Trong trình nổ, bổ sung H2SO4 (hoặc SO2) CO2 nổ nước → Cải thiện hiệu trình thủy phân, loại bỏ tốt hemicenllulose - Ưu điểm: • Yêu cầu lượng thấp so với phương pháp vật lý khơng có chi phí tái chế mơi trường - Nhược điểm: • Phá hủy phần xylan • Tạo chất ức chế vi sinh vật cho trình lên men 1.3 Phương pháp vật lý - Cách tiến hành: Vật liệu thu gom cách kết hợp băm, nghiền xay xát để giảm độ kết tinh cenllulose → Kích thược vật liệu nhỏ khoảng 0,22mm 1.4 Phương pháp hóa học 1.4.1 Xử lý Ozon - Ưu điểm : • Ozone sử dụng để phân hủy lignin hemicenllulose lại không ảnh hưởng đến cenllulose → Loại bỏ 60% lignin → Hiệu cao • Sử dụng ozon → Hỗ trợ cho trình thủy phân → Tốc độ thủy phân enzyme tăng 50% → Không tạo chất độc hại cho thực trình sau • Phản ứng thực nhiệt độ áp suất thông thường - Nhược điểm: Cần lượng ozon lớn với giá thành cao 1.4.2 Xử lý axit - Sử dụng axit đậm đặc H2SO4 HCl - Ưu điểm: Là tác nhân mạnh, vừa xử lý lignocellulosic vừa thủy phân cenllulose - Nhược điểm: - • Do axit mạnh nên gây ăn mịn lị phản ứng, thao tác xác khơng gây nguy hiểm • Axit đậm đặc phải thu hồi sau trình thủy phân • Chi phí sản xuất cao 1.4.3 Xử lý kiềm - Cơ chế trình thủy phân kiềm xà phịng hóa liên kết chéo este liên phân tử phân tử xylan hemicelluloses ➔ Tăng độ xốp nguyên liệu → Tăng diện tích xốp bên trong, giảm độ kết tinh → Trong q trình thủy phân enzyme dễ dàng xâm nhập ➔ Tách liên kết cấu trúc phá vỡ cấu trúc lignin cacbohydrat - Hóa chất sử dụng là: NaOH 2% NH3 20-25% 1h 1.4.4 Xử lý chất oxi hóa - Sự phân hủy sinh học lignin xúc tác enzyme peroxidase với diện H2O2 - Khoảng 50% lignin hầu hết hemicellulose hòa tan 2% H2O2 30°C vòng trình thủy phân thực 45°C→ Hiệu suất sản xuất glucose 95% 1.5 Tổng kết, so sánh ưu nhược điểm phương pháp Vật lý Hóa lý Hóa học Sinh học Chất oxi Axit Bazo hóa Tác nhân Cơ học- Hơi nước H2O2/O3 H2SO4/HCl NaOH/NH3 Nấm Nhiệt bão hòa thối phân hủy có hóa chât Áp suất cao Ưu điểm Nhanh Năng Không Xử lý Tăng độ Năng Thiết bị lượng ảnh Lignocellulosic xốp lượng đơn giản thấp hưởng Cenllulose xenllulose thấp Không đến Điều tốn chi Cenlulose kiện ôn phí tái Điều kiên hịa chế mơi ơn hịa trường Nhược Tốn Phá hủy Số lượng Gây ăn mòn Hiệu điểm lượng Xylan lớn Cần thu hồi suất nhiệt Tạo Giá thành axit đặc thấp Thất chất cao Chi phí sản ức chế vi xuất cao Cenlulose sinh vật Thủy phân - Các phân tử cenllulose cấu tạo từ glucose ➔ Mục đích trình thủy phân: Phá vỡ liên kết phân tử cenllulose để tạo đường đơn - Có phương pháp thủy phân chính: • Thủy phân axit • Thủy phân enzyme 2.1 Thủy phân axit - Bã mía thủy phân axit lỗng để thu hỗn hợp sản phẩm: • Sản phẩm chính: Xylose đường • Sản phẩm phụ: Axit axetic, axit hữu cơ, furfural, hợp chất phenolic, sản phẩm phân hủy lignin → Những chất ức chế vi sinh vật trình lên men - Cách tiến hành: Sử dụng hỗn hơp axit H2SO4 HCl với nồng độ 70-100 mg axit/ lít, đun nhiệt độ 140-160°C 10-20 phút • Nếu sử dụng axit đậm đặc, nhiệt độ không cần cao → Thu hồi 90% thời gian ngắn → Nhược điểm giá thành sản xuất cao khó thu hồi sản phẩm, khó kiểm sốt nồng độ đường tái chế axit → Bên cạnh đó, sử dụng axit đậm đặc nên có khả phân hủy sản phẩm • Nếu sử dụng axit lỗng, nhiệt độ cần nâng lên cao thời gian dài → Tạo số sản phẩm phụ không mong muốn 2.2 Thủy phân enzym - Quá trình thủy phân cenlullose thực enzyme cenlulaza có tính đặc hiệu cao → Sản phẩm thủy phân thường hỗn hợp đường khử, bao gồm glucose - Cơ chế thủy phân Cenlluloza: Enzyme cenlluloza sử dụng gồm hỗn hợp enzyme: • Enzyme endo-1,4-β-glucanase cắt vào vùng có độ kết tinh thấp sợi cenllulose → Sự hình thành cenllodextrin chuỗi ngắn có đầu khử đầu khơng khử • Enzyme exoglucanase 1,4-β glucan cellobiohydrolase cắt vào đơn vị cenllodextrin → thu cenllubioses • Enzyme β-glucosidase thủy phân cenllobiose để tạo thành glucose - Cơ chế thủy phân Hemicellulose → Dễ dàng so với thủy phân cenllulose • Trong Hemicellulose có 10-35% xylan (đường 5C), lại đường 6C: glucose, mannose • Phân hủy Xylan cách sử dụng enzyme endo-β-1,4-xylanase để thu xylan oligosaccharide • Oligosaccharide tiếp tục bị phân hủy thành dạng pyranose xylan gọi xyropyranose β –xylosidase - Cách tiến hành: • Thủy phân cenlullose enzyme nhiệt độ 45 - 50 °C pH=4,8-5,0 - Ưu điểm – nhược điểm: • Ưu điểm: Hiệu suất thu hồi đường cao, khơng hình thành chất ức chế cho vi sinh vật hay ăn mịn • Nhược điểm: Tuy khơng tốn nhiều chi phí cho điện nước, chi phí cho enzyme đắt → Đang nghiên cứu từ chủng vi sinh vật thủy phân cenllulose - Các yếu tố ảnh hưởng: • Cơ chất: Nồng độ chất tăng tốc độ phản ứng enzyme tăng → Tăng đến giới hạn dừng lại vận tốc khơng đổi • Hoạt độ enzyme: Nếu thừa chất, lượng enzyme tăng làm tăng tốc độ phản ứng → Nếu tăng nhiều gây ức chế không gian → Vận tốc phản ứng giảm • Điều kiện phản ứng: pH, nhiệt độ • Các chất ức chế: Các chất ức chế có tác động thuận nghịch không thuận nghịch với enzyme → Chất ức chế làm giảm hoạt độ enzyme Lên men - Mục đích: Chuyển hóa đường thành rượu tác nhân lên men vi sinh vật Phương trình lên men bản: C6H12O6 → 2C2H5OH + CO2 + Q Vi sinh vật sử dụng nấm men Bản chất trình lên men oxy hóa khử diễn tế bào nấm men tác động hệ thống enzyme, cịn gọi q trình oxy hóa sinh học - Đây trình phức tạp gồm nhiều phản ứng sinh hóa với tham gia nhiều enzyme Tuy nhiên mơ tả ngắn gọn trình sau: đường dưỡng chất hấp thụ qua bề mặt tế bào thẩm thấu vào bên Ở enzyme xúc tác phản ứng khác để cuối tạo sản - - - phẩm rượu khí carbonic Ngồi cịn số sản phẩm khác axit, este, aldehit, Phương pháp thực hiện: thêm nấm men vào dịch sau thủy phân, điều chỉnh pH nhiệt độ để điều kiện yếm khí thời gian định để thực trình lên men Các yếu tố ảnh hưởng: + Chủng nấm men: Chủng nấm men khác nồng độ rượu tạo khác Nấm men sử dụng để lên men Saccharomyces cerevisiea Một vài nghiên cứu tìm số chủng nấm men lên men chất bã mía cho nồng độ cồn cao, chẳng hạn dòng H13 phân lập từ viên men từ tỉnh Bến Tre, Cần Thơ, Hậu Giang + pH: pH làm thay đổi điện tích vỏ tế bào, làm tăng giảm mức độ thẩm thấu chất dinh dưỡng chiều hướng trình lên men Mỗi vi sinh vật hoạt động tốt khoảng pH định gọi pH tối ưu Vi sinh vật khác pH tối ưu khác Đối với nấm men Saccharomyces cerevisiea lên men với chất bã mía, nghiên cứu đến từ trường đại học Kelantan, Malaysi pH tối ưu 4,5 với nồng độ cồn tạo 14,8% + Nhiệt độ: Mỗi vi sinh vật có nhiệt độ tối ưu cho phát triển chúng Trong trường hợp này, nhiệt độ tối ưu theo nghiên cứu [2] 35oC với nồng độ cồn 13,7% + Nồng độ dịch đường: nồng độ dịch đường có ảnh hưởng đến áp suất thẩm thấu qua màng tế bào nấm men, từ tác động đến sinh lý chúng Nếu nhiều nấm men cân trạng thái sinh lý nấm men sinh nhiều rượu gây tượng ức chế ngược Nếu thấp làm giảm hiệu suất + Các yếu tố khác:Nguồn nitơ dinh dưỡng đảm bảo cho phát triển sinh trưởng nấm men bã mía chứa protein, chất khác sinh trình lên men (Axit, este, rượu, ) ức chế ngược lại nấm men, - Ngồi q trình lên men độc lập sản xuất cồn với ngun liệu bã mía thực thủy phân lên men đồng thời Một nghiên cứu trường đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh chứng minh kết hợp thủy phân lên men đồng thời thích hợp cho q trình sản xuất cồn ngun liệu từ bã mía Theo trình đạt kết tốt 10% bã rắn, 5% enzyme, 10% giống nấm men, pH = 4,8 48h 37oC với hiệu suất 87,13% Thiết bị: tank lên men giống thiết bị lên men sản xuất cồn từ nguyên liệu khác Hình Thiết bị lên men Chưng luyện 4.1 Chưng cất 4.1.1 Khái niệm • Chưng cất phương pháp tách dùng nhiệt để tách hỗn hợp đồng thể (dung dịch) chất lỏng khác dựa vào độ bay chúng (hay nhiệt độ sôi khác áp suất) Kết ta nhận rượu thơ hay cồn thơ • Dấm chín: bao gồm chất dễ bay : rượu, este, andehyt số ancol cao phân tử hay dầu fusel Ngồi dấm chín cịn chứa tinh bột, dextrin, protit, axit hữu chất khoáng Tuy hỗn hợp nhiều cấu tử thành phần giấm chín chứa chủ yếu rượu Etylic nước, nghiên cứu người ta xem giấm chín hỗn hợp hai cấu tử 4.1.2 Mục đích Dấm chín thu sau q trình lên men có nồng độ ethanol thấp (khoảng 5,7% ethanol) Vì ta cần chưng cất để nâng nồng độ cồn lên 40-45% →Nguyên nhân tiếp tục lên men để tạo nên rượu có nồng độ cao hơn: + Lượng đường giảm dần nấm men sử dụng, lượng đường khơng đủ để tạo rượu có nồng độ cao + Ở nồng độ cồn rượu chất độc phát triển nấm men 4.1.3 Các phương pháp chưng cất Phân loại theo trình chưng cất → Phương pháp chưng cất phân đoạn chưng cất lôi 4.2 Tinh chế cồn Cồn thơ nhận sau chưng cất cịn chứa nhiều tạp chất ( 50 chất), có cấu tạo tính chất khác Trong gồm nhóm chất như: aldehyt, este, alcol cao phân tử axit hữu Hàm lượng chung tất tạp chất không vượt 0,5% so với khối lượng cồn Etylic Thành phần tạp chất nói chung thay đổi phụ thuộc vào nguyên liệu Có số tạp chất mang tính đặc thù nguyên liệu → Tinh chế trình tách tạp chất khỏi cồn thô nâng cao nồng độ cồn 4.3 Lựa chọn phương pháp chưng luyện Để tách cồn thô khỏi giấm tinh chế để nhận cồn tinh chế có chất lượng cao ta thực theo phương pháp sau: phương pháp gián đoạn, phương pháp bán liên tục phương pháp liên tục, sơ đồ thiết bị khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp, tuỳ theo điều kiện, vốn đầu tư yêu cầu chất lượng sở sản xuất Trong phương pháp bán liên tục phương pháp liên tục sử dụng phổ biến có tính hiệu kinh tế sản xuất công nghiệp mà phương pháp gián đoạn không đáp ứng 4.3.1 Sơ đồ hệ thống chưng luyện bán liên tục (chưng gián đoạn, luyện liên tục) 1- Thùng chưng cất thơ 5- Bình ngưng tụ 2- Thùng ngưng tụ cồn thơ 6- Bình ngưng tụ 3- Thùng tạp chứa cồn thơ 7- Bình làm lạnh 4- Tháp tinh chế 8- Bình làm lạnh 4.3.2 Hoạt động hệ thống chưng luyện bán liên tục - Lên men xong, dấm chín bơm vào thùng chưng cất (1) ( phần làm việc gián đoạn → cần bố trí thùng làm việc song song làm việc so le để ổn định phần nồng độ cồn thô trước vào tháp tinh chế) Thùng chưng cất đun trực tiếp nước có áp suất 0,8-1 kg/cm2 - Hơi rượu bay lên ngưng tụ (2) vào thùng chứa (3) - Hơi rượu tiếp liên tục vào tháp tinh chế (4) (4) đun nước trực tiếp Cồn thô vào tháp tinh chế đĩa tiếp liệu ( đĩa 16 đến 18 tính từ lên) chảy xuống đáy nồng độ cồn giảm dần đến đáy tháp khoảng 0, 015 đến 0, 03% Nhiệt độ đáy tháp phải 103 đến 105 độ C Hơi rượu bay lên tăng dần nồng độ phần lớn ngưng tụ (5) hồi lưu trở lại tháp Một phần nhỏ chưa ngưng tụ chứa nhiều tạp chất đầu tiếp tục đưa sang ngưng tụ tiếp (6) lấy cồn đầu Cồn đầu dùng để đốt, sát trùng, làm dung môi để pha vecni đem cất lại - Cồn sản phẩm lấy dạng lỏng cách đĩa hồi lưu ( từ xuống ) khoảng đến đĩa, làm lạnh (7), vào thùng chứa vào kho Cồn lấy có nồng độ thấp ( 0, đến 0, 5% V) so với đỉnh chứa este aldehyt IV Kết luận So sánh bã mía với nguyên liệu khác Từ nguyên liệu chứa cellulose (bã mía) Từ nguyên liệu chứa tinh bột (sắn khô) Từ nguyên liệu chứa đường (mật rỉ) • Cellulose ≈ 50%, cịn lại • hemicellulose, lignin Gluxit lên men chiếm• 67% với sắn khơ Tính chất • ngun liệu Cần loại bỏ thành phần• Cần chuyển tinh bột → đường lên men • Đường chiếm 48%, → ko cần bước để chuyển thành đường lên men • Cần thủy phân cellulose → đường lên men Độ khiết không cao, cần xử lý rỉ đường 369 NLSX 100 lít cồn (kg) → Sắn khơ thu hồi cồn cao nhất, bã mía thấp 220 333 • Xử lý nguyên• liệu Ưu điểm Tiền xử lý (loại bỏ lignin• hemicellulose - 11 PP • → đa dạng • Thủy phân cellulose → đường (bằng axit/enzym) • Là phụ phẩm nên rẻ • Giải vấn đề bã • thải, tăng giá thành SP • Làm biofuel giúp giảm • hiệu ứng nhà kính, có lợi cho mơi trường • • Nghiền • Pha lỗng để xử lý Nấu (61 – 80oC) • Xử lý (hóa chất + 90oC) Đường hóa (enzyme) • Pha lỗng đến nồng độ gây men • → Xử lý NL từ mật rỉ đơn giản loại NL • Là phụ phẩm nên rẻ Sản lượng lớn, giá rẻ • CNSX đơn giản Hiệu suất thu cồn cao• Hàm lượng đường lớn Bã, phế phẩm • làm thức ăn chăn nuôi, trồng nấm… Thu nhiều phụ phẩm nấm men, CO2 lỏng, glycerin, mì Nguồn NL sẵn có • Hiệu suất thu hồi cồn khơng cao • Dễ có tượng thối hóa tinh bột • Nhiều VSV, cặn, độ khiết ko cao • CNSX Việt Nam chưa đầu tư • Làm hao hụt nguồn • sắn làm thực phẩm Xử lý nước thải gặp nhiều khó khăn • Quy trình xử lý nguyên • liệu phức tạp Nhược điểm Giảm đa dạng trồng • → ko loại bỏ đc màu mật rỉ, gây ô nhiễm nguồn nước Ví dụ số nhà máy Việt Nam giới sử dụng bã mía làm nguyên liệu sản xuất cồn sinh học ❖ Thế giới Brazil nhà sản xuất đường lớn thứ hai giới sau Ấn Độ, đứng thứ hai sản xuất ethanol sau Hoa Kỳ Chính phủ Brazil dự báo sản lượng đường mía niên vụ 2020-2021 đạt kỷ lục 39,33 triệu Tính riêng năm 2016 Brazil sản xuất đến 27,7 tỉ lít cồn sinh học từ mía Bên cạnh đó, Raizen company công ty phân phối nhiên liệu lớn thứ Brazil, công ty giới sản xuất ethanol hệ thứ hai (sản xuất từ bã mía) quy mơ thương mại Cơng ty có giải thích họ chọn bã mía làm nguyên liệu sản xuất vì: - Mía có tỷ lệ chuyển hóa lượng cao gấp so với lượng mặt trời - Giúp tăng sản lượng lên đến 50% mà khơng cần tăng diện tích trồng - Tạo khí thải nhà kính 97% so với xăng thơng thường - Sản xuất khoảng 2,5 tỷ lít ethanol năm, gần 1/10 so với nước Brazil (vụ thu hoạch 2019-2020) - Doanh thu đạt 103 tỉ BRL đơn vị tiền tệ Brazil = 440 nghìn tỉ đồng ❖ Việt Nam Tính đến năm 2019, Việt Nam có tới nhà máy sản xuất cồn sinh học để phối trộn với xăng truyền thống tạo xăng E5 Nhưng có đến nhà máy phải đóng cửa sau vài tháng hoạt động nhà máy Bioethanol Dung Quất Bình Phước hoạt động sản xuất E100 tổng công suất 400.000 mét khối/năm (gồm: 200.000 m3 từ ethanol Bình Phước; 200.000 m3 từ ethanol Dung Quất).→ So với số 27,7 tỉ lít Brazil nhỏ - Nguyên nhân: + Sản lượng mía khơng đủ đáp ứng để sản xuất cồn nhiên liệu, giá thành cao, khó có lãi + Quy hoạch vùng nhiên liệu không tốt + Các nhà máy ethanol chưa kịp phát triển tụt hậu: công ty đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất bioethanol sinh học hệ I (từ sắn, mía đường) = cơng nghệ lạc hậu giới → Điều không lạc hậu mặt khoa học cơng nghệ cịn tác động xấu tới chiến lược an ninh lương thực Quốc gia, giá thành nguyên liệu chi phí sản xuất cao ► Những năm gần đây, bioethanol – đặc biệt từ bã mía - quan tâm nghiên cứu sản xuất • “Sản xuất ethanol sinh học từ phế thải nông nghiệp”, PGS TS Vũ Nguyên Thành, Bộ Cơng thương • “Nghiên cứu cơng nghệ tiền xử lý bã mía thân thiện mơi trường ứng dụng sản xuất ethanol”, PGS.TS.Tơ Kim Anh, ĐHBKHN ► 01/01/2018 phủ ban hành định sử dụng xăng E5 (5% bioethanol) thay xăng RON 92 →Nhu cầu sản xuất tiêu thụ ngày tăng cao Việc gia tăng sản xuất cồn sinh học từ bã mía ko giúp bắt kịp xu giới, mà cịn giải đc vấn đề rác thải, mơi trường việt nam đáng quan tâm - - - - Tài liệu tham khảo http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S010466321997000300014#:~:text=Sugarcane%20bagasse%20can%20be%20hydrol yzed,degradation%20products%2C%20can%20be%20present Bùi Thị Ngọc Hân, Ths.Võ Văn Song Toàn, PGS.TS Trần Nhân Dũng, Phân lập tuyển chọn nấm men từ men rượu để lên men cồn chất bã mía, Trường Đại học Cần Thơ Y.C.Wong and V.Sangari, Bioethanol from Sugarcane Bagasse using Fermentation Process, University Malaysia Kenlantan Lê Đình Tiến, TS.Lê Đức Trung, KS.Lê Thị Quỳnh Trâm, Nghiên cứu sản xuất ethanol nguyên liệu từ bã mía, Trường đại Học Bách Khoa Hồ Chí Minh, khoa kỹ thuật hóa học, mơn cơng nghệ sinh học https://xuyena.vn/nguyen-ly-chung-cat-ruou https://xuyena.vn/cong-nghe-san-xuat-ruou-con-etylic-tu-cac-loai-tinh-bot ... Ethanol: dùng làm nguyên liệu Tiềm bã mía sản xuất Ethanol Cồn sinh học loại cồn sản xuất từ thực vật từ trình sinh học lên men Cồn sinh học coi giải pháp tiềm để sản xuất nguồn nguyên liệu thân thiện... xăng sinh học Ứng dụng bã mía sản xuất cồn sinh học: + Trong bã mía có nhiều xenlulozo (40-50%), nguồn nguyên liệu tiềm để sản xuất cồn sinh học + Đây nguồn nguyên liệu dễ kiếm rẻ tiền phụ phẩm trình. .. cứu sản xuất nhiên liệu sinh học từ nguồn nguyên liệu Chính nhóm em xin trình bày “ Cơng nghệ sản xuất Cồn sinh học từ bã mía? ?? II Giới thiệu chung Nguồn gốc Theo từ điển bách khoa tồn thư, mía