d. Các câu hỏi cần trả l ời và các đề nghị chỉnh sử a:
3.1.2.3.Quá trình lên men
3.1.2.3.1. Khái niệm
Lên men ethanol là quá trình trao chuyển hóa dưới tác dụng của chất xúc tác là enzyme là nấm men . Đây là quá trình lên men kỵ khí dưới sự có mặt của nấm men tạo thành ethanol và giải phóng khí CO2.
Trang 23
• Tăng sinh khối nấm men: tế bào nấm men phát triển và tăng sinh khối, giai đoạn này cần sự hiện diện của oxy.
• Lên men chuyển hóa đường thành rượu: quá trình này xảy ra dưới điều kiện kỵ khí.
3.1.2.3.2. Các loại giống nấm men
Nấm men tiến hành lên men đường tạo thành ethanol. Lignocellulose được cấu tạo từ đường 5 và đường 6. Nấm men Saccharomyces cerevisiae có thể lên men đường 6 (glucose) hiệu quả nhưng vẫn chưa tìm được chủng nấm men thích hợp để lên men đường 5 (xylose).
Nấm men thích hợp cho quá trình lên men cần có một số tính chất sau: hiệu suất lên men cao; chịu được ethanol; chịu được các sản phẩm phụ của quá trình thuỷ phân; lên men ở pH thấp, có thể tiêu thụ nhiều cơ chất khác nhau. Có hai chủng nấm men đang được sử dụng phổ biến:
• Saccaromyces cerevisiae là loại nấm men được sử dụng phổ biến cho lên men glucose. Scerevisiae có các ưu điểm như: chịu được nồng độ ethanol cao, ít sản phẩm phụ, tốc độ lên men cao trong môi trường acid, chịu được acid acetic. Tuy nhiên, nấm men này không có khả năng lên men đường 5 cụ thể là không thể lên men xylose.
• Pichia stipitis: là loại nấm men phổ biến nhất trong các chủng nấm men có thể lên men đường 5. Pichia stipitis có các ưu điểm như cho hiệu suất tiêu thụ xylose cao, chịu được nhiệt độ và nồng độ cơ chất cao. Tuy nhiên lại bị ức chế bởi ethanol nồng độ cao.
3.1.2.4. Quá trình thủy phân và lên men đồng thời
Quá trình thủy phân và lên men đồng thời (còn gọi là quá trình đường hóa và lên men đồng thời) tiến hành cả thủy phân và lên men trong cùng một bước. So với quá trình thông thường (thủy phân rồi mới lên men), quá trình thủy phân và lên men đồng thời có nhiều ưu điểm:
Trang 24
• Glucose tạo thành trong quá trình thủy phân được tiêu thụ ngay lập tức bởi nấm men vì vậy, lượng cellobiose và glucose tích tụ trong hệ thống là rất ít. Điều này sẽ giải quyết vấn đề ức chế enzyme nhờ đó tốc độ tạo glucose sẽ được tăng đáng kể, lượng enzyme cần dùng cũng nhỏ đi.
• Số thiết bị cần cho quá trình thủy phân và lên men đồng thời cũng ít hơn số cần cho phương pháp truyền thống vì cả quá trình thủy phân và lên men được tiến hành trong cùng một thiết bị. Điều này giúp giảm vốn đầu tư.
• Việc ethanol tạo thành trong suốt quá trình sẽ làm giảm khả năng phát triển của vi sinh vật khác cũng như tạp chất, rất có lợi cho các quy trình liên tục. Chính vì những ưu điểm trên mà quá trình thủy phân và lên men đồng thời được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới với các nguồn nguyên liệu khác nhau.
Nhiệt độ tối ưu cho quá trình là 37 oC - 38oC, nhiệt độ này là sự kết hợp của nhiệt độ tốt nhất cho quá trình thủy phân (45 oC - 50oC) và nhiệt độ tốt nhất cho hoạt động của nấm men (30oC).
Khi phần trăm bã rắn (cellulose) tăng, lượng ethanol tạo thành sẽ giảm. Mặc dù nồng độ đường luôn duy trì ở một mức thấp trong suốt quá trình, hiệu suất giảm là do khả năng khuếch tán của enzyme bị giảm và ethanol sẽ gây ức chế lên cả enzyme và nấm men.
3.1.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng quá trình lên men
3.1.2.5.1. Dinh dưỡng
Nitơ và nguồn carbon là yếu tố dinh dưỡng chính trong môi trường lên men. Sự tương tác lẫn nhau của các chất dinh dưỡng có thể đóng vai trò quan trọng trong trao đổi chất của nấm men. Các chất bổ sung vào môi trường sinh trưởng có chứa maltose hoặc glucose cùng với nguồn nitơ như peptone sẽ làm tăng sinh khối và sự sản sinh ethanol (Helena de Cruz et al, 2003).
Trang 25
3.1.2.5.2. Nhiệt độ
Nhiệt độ là yếu tố cần thiết ảnh hưởng lớn đến hoạt tính của nấm men. Thông thường nhiệt độ phù hợp cho lên men là 28 – 30°C. Nhiệt độ khoảng hơn 50°C và dưới 0°C thì sự lên men hầu như bị đình trệ. Thông thường quá trình lên men ở nhiệt độ thấp sẽ kéo dài hơn, nhưng lên men ở nhiệt độ quá cao sẽ làm tổn thất sản phẩm, cũng như ảnh hưởng đến mùi vị sản phẩm. Trong công nghiệp lên men thực phẩm, nhiệt độ tối ưu của quá trình lên men có thể không trùng khớp với nhiệt độ tối ưu cho sự sinh trưởng của vi sinh vật.
3.1.2.5.3. pH
Nồng độ của ion H+ có ảnh hưởng đáng kể đến sự lên men trong công nghiệp do pH đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát các vi khuẩn có thể bị nhiễm và ảnh hưởng lên sự phát triển của nấm men. Năng suất lên men ethanol cao nhất thường dao động ở pH 4,5 – 4,7. Khi pH được điều chỉnh lên 7 hoặc cao hơn thì acid acetic được tạo thành từ acetaldehyde dựa vào sự gia tăng hoạt động của enzyme aldehyde dehydrogenase, glycerol được sản sinh và ức chế sự lên men (Wang et al, 2001). 3.1.2.5.4. Khí oxy và carbonic
Nấm men là vi sinh vật vừa kỵ khí vừa hiếu khí. Trong điều kiện kỵ khí, chúng lên men đường tạo thành rượu và khí carbonic (CO2). Còn trong điều kiện đầy đủ oxy, chúng có khả năng oxy hóa đường thành CO2 và nước, đồng thời sinh sản và phát triển mạnh. Hàm lượng CO2 hình thành trong quá trình lên men thường hạn chế mạnh sự sinh sản của nấm men. Trong điều kiện nhiệt độ cao, lượng khí hòa tan trong dung dịch lên men sẽ giảm xuống, tạo điều kiện kỵ khí cho quá trình lên men của nấm men.
3.1.2.5.5. Nồng độ ethanol
Nồng độ ethanol cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình lên men, nồng độ ethanol cao có thể ức chế khả năng sinh sản tế bào và khả năng sống sót của nấm men.
Trang 26
Việc chọn lọc dòng nấm men có khả năng chịu được nồng độ ethanol cao sẽ mang lại lợi ích đáng kể cho quá trình lên men vì các dòng nấm men này có thể nâng cao hiệu suất của quá trình lên men. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Một nghiên cứu vào năm 2009 đã phân lập được 50 dòng nấm men từ viên men rượu, 9 dòng được chọn để khảo sát khả năng chịu độ cồn. Kết quả thử khả năng chịu đựng độ cồn cho thấy 7 dòng có khả năng chịu độ cồn trong khoảng 5 – 6% (w/v) ethanol và 2 dòng có khả năng chịu độ cồn thấp hơn từ 2,4 – 3% (w/v) ethanol. 3.1.2.5.6. Nồng độ dịch lên men
Nồng độ dịch lên men được xác định bằng khối lượng đường sucrose trong dung dịch (độ Brix). Nồng độ dịch đường quá cao sẽ làm thay đổi độ nhớt của môi trường tăng áp suất dẫn đến mất cân bằng trạng thái sinh lý của nấm men. Nồng độ ethanol được sản sinh tăng cao cũng gây ức chế nấm men. Tuy nhiên nếu nồng độ dịch đường quá thấp thì sẽ không kinh tế vì sẽ làm giảm năng suất lên men, hao phí trong quá trình chưng cất.
3.1.2.6. Phản ứng khử nước tạo Etylen
Hình 3.3: Phản ứng khử nước
Ethylen này sẽ trùng hợp thành polyetylen giống như ethene từ nhiên liệu hóa thạch. Ethanol là một dẫn xuất sinh khối thực vật được biết đến, có nghĩa là theo nhiều cách, nó bền vững hơn nhiều vì nó đến từ một nguồn tái tạo. Nó có thể được hình thành từ thực vật thông qua quá trình lên men và chưng cất. Một số cây có thể được sử dụng để tạo thành nó với năng suất cao bao gồm: mía, ngô và lúa mì. Trong tương lai, mọi công đoạn của quy trình polyetylen mía sẽ được giải quyết cho hoàn chỉnh và bền vững theo thời gian. Tính bền vững, sẽ giải quyết chủ yếu là hiểu được tác động môi trường mà phương thức sản xuất này đang sử dụng trên thế giới. Tuy
Trang 27
nhiên, khía cạnh quan trọng, sẽ được so sánh tính bền vững của nó với quá trình khai thác ethylene từ công nghệ hóa dầu đang dần cạn kiệt. Do đó, mục tiêu của đồ án này là tìm hiểu và đưa ra các khuyến nghị về cách thức sản xuất polyetylen hoặc PE “xanh”, sản xuất thân thiện với môi trường và bền vững hơn nhiều so với nhiên liệu hóa dầu sản xuất polyetylene.
3.1.2.7. Quá trình trùng hợp
Hình 3.4: Quá trình trùng hợp
Phản ứng trùng hợp (addition polymerization) hay còn gọi là phản ứng trùng hợp chuỗi' là phản ứng tạo thành polyme có mắt xích cơ bản cấu tạo tương tự với monome tham gia phản ứng.
3.1.3. Sản xuất LDPE và HDPE 3.1.3.1. Sản xuất LDPE
Polyethylene mật độ thấp (LDPE) là chất dẻo nhiệt dẻo làm từ ethylene monomer. Đây là lớp polyetylen đầu tiên của Imperial Chemical Industries (ICI) sản xuất năm 1933 sử dụng quy trình áp suất cao thông qua phản ứng trùng hợp tự do. Việc sản xuất của nó sử dụng phương pháp tương tự ngày nay.
LDPE được xác định bởi một khoảng mật độ 0.910-0.940 g/cm3. Nó không phản ứng ở nhiệt độ phòng, ngoại trừ các chất oxy hóa mạnh, và một số dung môi gây sưng. Nó có thể chịu được nhiệt độ 80°C liên tục và 95°C trong một thời gian ngắn. Được làm bằng các biến thể mờ hoặc mờ đục, nó khá linh hoạt và cứng rắn.
LDPE có nhiều phân nhánh hơn (khoảng 2% các nguyên tử cacbon) so với HDPE, do đó các lực liên phân tử của nó ( sự thu hút lưỡng cực-lưỡng cực ) là yếu, sức căng của nó thấp hơn, và khả năng chống chịu của nó cao hơn. Ngoài ra, bởi vì
Trang 28
các phân tử của nó không đóng gói chặt chẽ và ít tinh thể hơn do các nhánh bên, mật độ của nó thấp hơn.
Hình 3.5: Quá trình sản xuất LDPE
Quá trình nén khí: Ethylene dạng khí được cung cấp và nấu chảy khí trơ từ máy nén để được nén trong lò phản ứng đầu tiên. Khí nén mới này được nấu chảy lại với khí không phản ứng và nén trong máy nén thứ hai.
Sự trùng hợp: Một chất xúc tác (peroxide hữu cơ) được thêm vào máy nén thứ hai vào lò phản ứng và các vật liệu được trộn bên trong lò phản ứng thông qua máy khuấy. Phản ứng trùng hợp thu được trong lò phản ứng ở áp suất và nhiệt độ nhất định.
Việc tách khí: Khí trơ sau đó được phân tách. Những khí không phản ứng sẽ được bơm và mang đi tái chế lại còn polyethylen sẽ được mang đi làm nguội.
Ép đùn: Một khi khí không phản ứng được loại bỏ, các polyme được cắt thành dạng viên và làm nguội rồi mang đi sấy khô, sau đó được nấu chảy một lần nữa. Khi đó Polyethylen được nấu chảy sẽ đi qua một màng lọc để loại bỏ các Polyethylen dạng viên chưa được nấu chảy hoặc các chất cặn bã khác và chuyển sang quá trình ép đùn.
3.1.3.2. Sản xuất HDPE
HDPE được biết đến với mật độ lớn đến mật độ. Mật độ HDPE có thể dao động từ 0,93 đến 0,97 g/cm 3 hoặc 970 kg/m 3. Mặc dù mật độ HDPE chỉ cao hơn một chút so với polyetylen mật độ thấp, HDPE ít phân nhánh, tạo ra lực mạnh liên phân tử mạnh hơn và độ bền kéo cao hơn LDPE. Sự khác biệt về sức mạnh vượt quá sự khác biệt về mật độ, tạo cho HDPE sức mạnh cụ thể cao hơn. Nó cũng khó hơn và đục hơn và có thể chịu được nhiệt độ cao hơn một chút (120°C / 248°F trong thời
Trang 29
gian ngắn). Polyethylene mật độ cao, không giống như polypropylene, không thể chịu đựng được điều kiện tự cân bằng yêu cầu bình thường.
HDPE không chỉ đa năng, mà còn phổ biến. Đây là lý do tại sao:
• Nhẹ nhưng siêu bền. Đó là lý do tại sao một bình sữa HDPE nặng khoảng 2 ounce có thể chứa một gallon sữa. Và tại sao nhiều nhà sản xuất ô tô sử dụng thùng chứa nhiên liệu HDPE – trọng lượng nhẹ hơn của xe hơi có thể giúp tăng hiệu quả nhiên liệu.
• Chịu được va đập.
• Bền lâu và chịu được thời tiết
• Chống lại nấm mốc, nấm mốc, thối rữa, và côn trùng, do đó nó rất tốt cho các đường ống ngầm được sử dụng để cung cấp nước và HDPE dễ dàng đúc thành hình dạng gần như bất kỳ, cung cấp một trong những lợi ích chính của hầu hết các chất dẻo: khả năng dẻo dai. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Quá trình sản xuất HDPE bao gồm:
• Phản ứng trùng hợp: Các monome etylen được trùng hợp trong dung môi cùng với chất xúc tác, hydro và co - monomer. Nhiệt trùng hợp được làm mát thông qua bộ trao đổi nhiệt tuần hoàn bên ngoài. Hỗn hợp dung dịch đã phản ứng được chuyển sang quá trình tách / sấy.
• Tách / sấy khô: dung dịch được chuyển sang máy ly tâm tốc độ cao, từ đó nó được tách thành dung môi và bột ướt. Dung môi tách được cung cấp cho lò phản ứng và một số dung môi được tái chế trong quá trình thông qua quá trình tinh chế. Bột ướt được chuyển đến máy sấy bột và sấy khô.
• Chuyển / đùn: Bột ướt được sấy khô trong máy sấy bột bằng cách làm bay hơi dung môi bằng nitơ và hơi nước ở nhiệt độ cao. Dung môi bay hơi được thu hồi bằng máy. Bột khô được chuyển đến quá trình ép đùn, nơi chúng được nấu chảy trong máy đùn. Từ máy đùn sẽ được chuyển thành các lô màng.
Trang 30
3.1.4. Tính cơ học của PE “xanh” 3.1.4.1. Yếu tố kiểm tra
Ba thí nghiệm cơ học sẽ được đo đạc trên các mẫu tổng hợp để ki: độ uốn, độ bền kéo và DMA. Việc lựa chọn các thử nghiệm này đã được thực hiện để cung cấp nhiều tính chất vật liệu để so sánh. Quan sát một loạt các tính chất là quan trọng vì một trong những ảnh hưởng của hàm lượng chất xơ có thể tiêu cực ở một khía cạnh nhưng có lợi trong một khía cạnh khác. Điều này cũng sẽ giúp xác định cách thức sợi tích hợp và ảnh hưởng đến các polymer.
a. Các yếu tố cần kiểm tra
• Độ uốn
Độ bền uốn là khả năng của vật liệu chịu được lực uốn tác dụng vuông góc với bề mặt của vật liệu. Xác định bằng công thức.
σ =2𝑤𝑤ℎ3𝐹𝐹𝐹𝐹2
Trong đó: F là tải trọng gãy, L là khoảng cách giữa hai điểm cố định trên vật mẫu, w là chiều rộng mẫu vật và h là chiều cao mẫu vật (Askeland & Phule 2005).
Cố định mẫu có kích thước là 126 mm x 12.57 mm x 3 mm trên máy đo, đồng thời tác dụng lực bằng cách cho đầu tác dụng tiếp xúc với bề mặt vật liệu với tốc độ 1,32/phút. Ghi lại thông số kiểm tra khi bề mặt của mẫu biến dạng hoặc đứt tối đa 5%.
Hình 3.6: Kiểm tra độ uốn bằng cấu hình 3 điểm
Trang 31
Kiểm tra độ bền kéo để đo khả năng của vật liệu chịu được các lực có xu hướng kéo ra xa và lực căng của vật liệu trước khi đứt. Đối với thử nghiệm độ bền kéo, mẫu thử được cắt theo kích thước như hình 3.7.
Hình 3.7: Kích thước mẫu kiểm tra
Máy UTM, INSTRON 3382 được sử dụng để kiểm tra độ bền kéo. Mẫu thử được định vị theo chiều dọc trên máy. Các kẹp sau đó được siết chặt và chắc chắn để cố định mẫu với chiều dài đo được giữ ở mức 50mm. Trung bình của năm kết quả đo được sẽ cho ra độ bền kéo của vật liệu.
Hình 3.8: Máy kiểm tra INSTION 3382
Trang 32 Độ 𝑏𝑏ề𝑛𝑛 𝑘𝑘é𝑜𝑜 = F A = Lựckéotối đa Diệntíchmặtcắt ngang
• Phân tích cơ học động (DMA)
Phân tích cơ học động (dynamic material analysis, DMA) là một kỹ thuật được sử dụng để phân tích và mô tả vật liệu. Bằng cách tác động một lực lên bề mặt vủa vật liệu để nghiên cứu độ đàn hồi và tính chịu lực của vật liệu theo thời gian và nhiệt độ.
Thiết bị có thể đo độ căng, độ nén, độ uốn được xác định bằng các độ thị biểu hiện trên máy.
• Tính thẩm thấu.
Mẫu thử được ngâm trong nước cất ở nhiệt độ phòng trong 24 ± 2 giờ. Lấy