NHẬP MÔN CNSHNHIÊN LIỆU SINH HỌC

Nhiên liệu sinh học

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

Nhóm : 11

1


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

ĐỀ TÀI

NHIÊN LIỆU SINH HỌC

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
PHẠM MINH TUẤN
NHÓM THỰC HIỆN: NHÓM 11
NGUYỄN QUANG HỊA

2008100071

TRẦN HỒNG NAM

2008100130

MAN ĐỨC HÀ
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
TRƯƠNG THỊ HÀ

PHẠM MINH TUẤN
LÊ HỒ THẢO NGUYÊN
NHÓM THỰC HIỆN: NHÓM 12

2008100199
20008100181
2008100132

NGUYỄN QUANG HỊA

2008100071

TRẦN HỒNG NAM

2008100130

MAN ĐỨC HÀ

2008100199

TRƯƠNG THỊ HÀ

2008100181

LÊ HỒ THẢO NGUN

2008100132

THCM, 12-2012
GVHD: PHẠM MINH TUẤN

2


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

LỜI NĨI ĐẦU

Hiện nay, an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường đang là vấn đề bức thiết.
Nguồn năng lượng chính vẫn là xăng,dầu lấy từ dầu mỏ (nhiên liệu hóa thạch
khơng thể tái sinh). Nguồn nhiên liệu hóa thạch vì khơng thể tái sinh nên ngày
càng cạn dần. Do đó,giá xăng dầu tăng vọt, khơng khí đơ thị ngày một ơ nhiễm.
Theo các điều tra quốc tế thì nếu khơng tìm kiếm thêm được các nguồn dự trữ mới
thì với lượng khai thác như hiện nay, khoảng 85,9 triệu thùng mỗi ngày, thì dầu mỏ
sẽ cạn kiệt sau 43 năm nữa, với lượng khai thác 19 BBOE (tương đương triệu
thùng dầu mỏ) mỗi ngày thì khí thiên nhiên cũng sẽ cạn kiệt sau 60 năm nữa.
Lượng khai thác khoảng 29,85 BBOE mỗi ngày thì than đá nhiều nhất là 148 năm
nữa cũng sẽ cạn kiệt. Điều đó khiến các nhà chức trách phải xem xét và tìm tịi một
nguồn nhiên liệu mới, nguồn nhiên liệu có thể tái sinh và giảm thiểu ơ nhiễm, là
chìa khóa của tương lai đó chính là nhiên liệu sinh học. Đây là lĩnh vực đặc biệt
quan trọng với chúng em- sinh viên nghành công nghệ sinh học, đây là động lực để
chúng em thực hiện đề tài tiểu luận này.
Chúng em xin được gửi lời cám ơn đến thầy Phạm Minh Tuấn đã giúp chúng
em hoàn thành bài tiểu luận này.

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

3

Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

MỤC LỤC

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

4


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

I.TỔNG QUAN NHIÊN LIỆU SINH HỌC
1.Khái niệm nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học (Tiếng Anh: Biofuels, tiếng Pháp: biocarburant, viết tắt
là NLSH) là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động
thực vật (sinh học) như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ
động vật, dầu dừa, ...), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương...), chất thải trong nông
nghiệp (rơm rạ, phân, ...), sản phẩm thải trong cơng nghiệp (mùn cưa, sản phẩm
gỗ thải...),...

Hình 1. quá trình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

5


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

2.Nhiên Liệu Sinh Học – Xu Hướng Năng Lượng Tất Yếu.
Nhu cầu năng lượng của loài người đã hiện diện cách nay hàng trăm ngàn
năm, khi con người biết dùng lửa trong hoạt động hàng ngày để nướng thịt, đuổi
thú dữ, đốt rừng làm rẫy. Kể từ đó, nguồn năng lượng từ vật rắn như gỗ cây ngày
càng trở nên quan trọng, có hơn hai tỉ người trên thế giới đang dùng chất đốt rắn
trong gia đình để nấu nướng và sưởi ấm mùa đơng. Năng lượng có vai trị quan
trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội. An ninh quốc gia, an ninh kinh tế luôn
gắn liền với an ninh năng lượng của một quốc gia. Vì vậy trong chính sách phát
triển kinh tế, xã hội bền vững, chính sách năng lượng nên được đặt lên hàng đầu.
Vào thế kỷ 19, gỗ là nguồn năng lượng làm máy chạy bằng hơi nước phổ
thông trong ngành chuyên chở, giúp phát triển mạnh cơng nghiệp cơ giới. Sau đó,
con người chế tạo máy phát điện cung cấp nguồn điện năng mới có nhiều công
dụng cho đời sống hàng ngày và thay thế dần những máy chạy bằng hơi nước. Khi
tìm thấy nguồn nhiên liệu trầm tích như than đá, dầu hỏa và khí đốt, con người
tăng tốc sử dụng loại năng lượng không tái tạo này để chạy máy nổ, chủ yếu trong
ngành vận tải, nhiệt và điện năng. Loại nhiên liệu thể lỏng (xăng dầu) trở nên
thông dụng hơn trong ngành chuyển vận vì có tỉ trọng năng lượng cao, dễ sử dụng
hơn loại nhiên liệu khí và rắn, và từ đó nguồn năng lượng rắn được sử dụng giảm
dần.
Theo tính tốn của các chuyên gia kinh tế năng lượng, dầu mỏ và khí đốt hiện
chiếm khoảng 60-80% cán cân năng lượng thế giới. Với tốc độ tiêu thụ như hiện
nay và trữ lượng dầu mỏ hiện có, nguồn năng lượng này sẽ nhanh chóng bị cạn
kiệt trong vịng 40-50 năm nữa. Diễn biến phức tạp của giá xăng dầu gần đây là

do nhu cầu dầu thô ngày càng lớn và những bất ổn chính trị tại những nước sản
xuất dầu mỏ. Để đối phó tình hình đó, cần tìm ra các nguồn năng lượng thay thế,
ưu tiên hàng đầu cho các nguồn năng lượng tái sinh và thân thiện với môi trường.

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

6


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

Trong số các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang sử dụng hiện nay (năng
lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân,…), năng lượng sinh học
đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩu
nhiên liệu, do các lợi ích của nó như: cơng nghệ sản xuất không quá phức tạp, tận
dụng nguồn nguyên liệu tại chỗ, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, không cần
thay đổi cấu trúc động cơ cũng như cơ sở hạ tầng hiện có và giá thành cạnh tranh
so với xăng dầu.
3.Nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học
Nguyên liệu để sản xuất Nhiên liệu sinh học rất đa dạng, phong phú, bao gồm:
•

Nơng sản: sắn, ngơ, mía, củ cải đường…

•

Cây có dầu: lạc, đậu tương, cây hướng dương, dừa, cọ dầu, jatropha…

•

Chất thải dư thừa: sinh khối phế thải, rơm rạ, thân cây bắp, gỗ, bã mía, vỏ
trấu…

•

Mỡ cá

•

Tảo

Tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người ta lại chọn
những loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất NLSH. Ví dụ như Brasil sản xuất
ethanol chủ yếu từ mía, ở Mỹ là từ ngơ.
4.Các loại nhiên liệu sinh học
NLSH có nguồn gốc từ các vật liệu sinh khối như củi, gỗ, rơm, trấu, phân và
mỡ động vật... nhưng đây chỉ là những dạng nhiên liệu thô. NLSH dùng cho giao
thông vận tải chủ yếu gồm: các loại cồn sản xuất bằng công nghệ sinh học để sản
xuất ra Gasohol (Methanol, Ethanol, Buthanol, nhiên liệu tổng hợp Fischer
Tropsch); các loại dầu sinh học để sản xuất diesel sinh học (dầu thực vật, dầu thực
vật phế thải, mỡ động vật). Hay nói cách khác; NLSH là loại nhiên liệu được hình
thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật (sinh học). Ví dụ như nhiên liệu
GVHD: PHẠM MINH TUẤN

7


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,...), ngũ cốc (lúa
mỳ, ngô, đậu tương...), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,...), sản phẩm
thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải...),
NLSH dựa vào nguồn nguyên liệu có thể tạm chia làm mấy nhóm sau:


Nhiên liệu lỏng: Bao gồm Bio-metanol, Bio-ethanol, Bio-butanol, Biodiesel… Trong số các dạng NLSH này, Bio-ethanol là loại nhiên liệu thông
dụng nhất hiện nay trên thế giới vì có khả năng sản xuất ở quy mơ cơng
nghiệp từ ngun liệu chứa đường như mía, củ cải đường và nguyên liệu
chứa tinh bột như ngũ cốc, khoai tây, sắn…



Gas sinh học (Biogas) là một loại khí hữu cơ gồm Methane và các đồng
đẳng khác. Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ
phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí.
Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản
phẩm dầu mỏ.



Nhiên liệu sinh học rắn: Một số loại nhiên liệu sinh học rắn mà các nước
đang phát triển sử dụng hàng ngày trong công việc nấu nướng hay sưởi ấm
là gỗ, và các loại phân thú khô.

5.Ưu, nhược điểm của nhiên liệu sinh học
5.1.Ưu điểm

Loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền
thống (dầu khí, than đá...):
Tính chất thân thiện với mơi trường: chúng sinh ra ít hàm lượng khí gây
hiệu ứng nhà kính (một hiệu ứng vật lý khiến Trái Đất nóng lên) và ít gây ơ nhiễm
môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống.

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

8


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nơng
nghiệp và có thể tái sinh. Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên
nhiên liệu không tái sinh truyền thống.
5.2.Hạn chế
Tuy nhiên hiện nay vấn đề sử dụng NLSH vào đời sống còn nhiều hạn chế do
chưa hạ được giá thành sản xuất xuống thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống.
Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, NLSH có khả năng là
nguồn thay thế. Ngồi ra NLSH cịn ảnh hưởng với vấn đề đang được gây tranh
cãi hiện nay đó là nó tác động lớn đến an ninh lương thực, đây là một hạn chế
không thể coi nhẹ khi mà an ninh lương thực cũng là một vấn đề trọng tâm của thế
giới.

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

9

Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

II.GIỚI THIỆU CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU SINH HỌC
1.Biogas
1.1.Khái niệm
Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác
phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ trong mơi trường yếm khí. Thành
phần chính của Biogas là CH4 (50-60%) và CO2 (>30%) còn lại là các chất khác
như hơi nước N2, O2, H2S, CO, … được thuỷ phân trong mơi trường yếm khí,
xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20-40ºC.
1.2.Lịch sử phát triển
Các hệ thống nghiên cứu đầu tiên về sản xuất Biogas bắt đầu một nhà khoa
học Ý Allesandro Volta, người trong số những người tham gia vào các nghiên cứu
điện hiện nay, và tên đơn vị điện áp đo được gọi là “V”. Vào những năm 1770
Volta để ý đến khí đầm lầy trong trầm tích của các hồ ở miền bắc Italy, sau đó ơng
bắt đầu tiến hành thí nghiệm về sự cháy của khí này. Faraday, nhà vật lý người Anh
đã thử nghiệm với khí đầm lầy và xác định nó như một hydrocarbon. Chỉ trong
năm 1821, nhà nghiên cứu Avogadro đã thiết lập công thức hóa học của khí mêtan
(CH4). Nhà vi khuẩn học nổi tiếng của Pháp, Pasteur vào năm 1884 đã tiến hành
thử nghiệm với phân rắn. Ông là người đầu tiên đề xuất việc sử dụng các phân từ
các chuồng nuôi gia súc ở Paris để sản xuất khí đốt giúp chiếu sáng đường phố.
Cùng với sự phát triển của công nghệ, năm 1897 tại một bệnh viện cho bệnh
nhân phong ở Bombay, Ấn Độ được xây dựng nhà máy đầu tiên, khí đốt được sử

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

10


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

dụng cho chiếu sáng, và vào năm 1907 đã được cung cấp các công cụ để sản xuất
điện.
Tại Đức, một kỹ sư từ nhà máy xử lý nước thải Imhoff vào năm 1906 trong
khu vực Ruhr, bắt đầu xây dựng hệ thống kỵ khí, với cơ sở hai tầng cho xử lý nước
thải, gọi là “emshersky”. Hôm nay, mỗi nhà máy xử lý giai đoạn kỵ khí là, sản xuất
khí thải từ đó được sử dụng để sưởi ấm các lò lên mem hoặc cho nhiệt và điện.
Trước và trong chiến tranh thế giới II Đức, để đáp ứng nhu cầu tăng lên đối
với “nhiên liệu khí đốt” người ta đã cố gắng gia tăng sản xuất của khí thải bằng
cách cho thêm chất thải rắn hữu cơ được sử dụng một phương pháp gọi là
kofermentatsiey ngày hôm nay. Năm 1940, ở Stuttgart lần đầu tiên cho thành cơng
có thể pha trộn với dầu tách chất béo.
1.3.Nguyên liệu sản xuất
Nguồn năng lượng sinh khối (chất thải từ nông nghiệp, rác, nước thải đô thị...),
việc dùng nguyên liệu từ rác thải , nước thải đô thị hay nông nghiệp sản xuất
biogas sẽ giải quyết được vấn đề môi trường, đồng thời tạo được nguồn năng
lượng cho sinh hoạt cũng như sản xuất.
1.4. Quy trình sản xuất biogas từ chất thải chăn nuôi

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

11

Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

Hình 2.Quy trình sản xuất biogas từ chất thải chăn ni
Quy trình sản xuất được nêu ở đây gồm 3 giai đoạn:
a.Giai đoạn 1: Chất thải từ gia súc, gia cầm được thu gom gồm phân và nước được
dẫn vào hầm ủ biogas.
b.Giai đoạn 2: Ở hầm biogas xảy ra quá trình lên men yếm khí tạo ra biogas. Sau
đó lượng nước dư được tách riêng phục vụ tưới tiêu, biogas sẽ được tách ra trước
khi xử lý chất độc và dự trữ phục vụ cho mục đích là nhiên liệu.
Sự tạo thành khí sinh vật là một quá trình lên men phức tạp xảy ra rất nhiều
phản ứng, cuối cùng tạo ra khí CH 4 và CO2 và một số chất khác. Quá trình này
được thực hiện theo nguyên tắc phân hủy kỵ khí, dưới tác dụng của vi sinh vật yếm
khí đã phân hủy từ những chất hữu cơ dạng phức tạp chuyển thành dạng đơn giản,
một lượng đáng kể chuyển thành khí và dạng chất hịa tan. Sự phân hủy kỵ khí
diễn ra qua nhiều giai đoạn với hàng ngàn sản phẩm trung gian với sự tham giữa
các chủng loại vi sinh vật đa dạng. Đó là sự phân hủy protein, tinh bột, lipid để tạo
thành acid amin, glycerin, acid béo, acid béo bay hơi, methylamin. cùng các chất
độc hại như: Tomain (Độc tố thịt thối), sản phẩm bốc mùi như: Indol, Scatol. Và

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

12


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

cuối cùng là liên kết cao phân tử mà nó khơng phân hủy được dễ dàng bởi vi khuẩn
yếm khí như lignin, cellulose.
Tiến trình tổng quát như sau:
(C6H10 O5)n + n H2O

→

3nCO2 + 3n CH4 + 4.5cal

VSV
35oC
pH = 7

Một phần CO2 đã bị giữ lại trong một số sản phẩm quá trình lên men như
những ion K+ , Ca 2+, NH3+, Na+. Do đó hỗn hợp khí sinh ra có từ 50 - 60% CH 4 và
khoảng hơn 30% CO2.
Những chất hữu cơ liên kết phân tử thấp như: đường, protêin, tinh bột và ngay cả
cellulose có thể phân hủy nhanh tạo ra acid hữu cơ. Các acid hữu cơ này tích tụ
nhanh sẽ gây giảm sự phân hủy. Ngược lại lignin, cellulose được phân hủy từ từ
nên gas được sinh ra một cách liên tục. Tóm lại, q trình tạo khí methane có thể
diễn ra theo hai con đường và mỗi con đường gồm hai giai đoạn như sau:
Con đường thứ nhất


Giai đoạn 1



Sự acid hóa cellulose:
(C6H10O5)n + H2O → 3nCH3COOH



Sự tạo muối: Các bazơ hiện diện trong môi trường (đặc biệt là NH 4OH) sẽ
kết hợp với acid hữu cơ
CH3COOH + NH4OH → CH3COONH4 + H2O



Giai đoạn 2

Lên men methane do sự thủy phân của muối hữu cơ.
CH3COONH4 + H2O ⇔ CH4 + CO2 + NH4OH
Con đường thứ hai


Giai đoạn 1

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

13


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

Sự acid hóa
(C6H10O5)n + nH2O → 3nCH3COOH
Thủy phân acid tạo CO2 và H2

CH3COOH + 2H2O → 2CO2 + 4H2


Giai đoạn 2

Methane được tổng hợp từ một số trực khuẩn khi sử dụng CO2 và H2.
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
Như vậy cả hai con đường năng suất tạo khí methane phụ thuộc vào q
trình acid hóa. Nếu q trình lên men q nhanh hoặc dịch phân có nhiều chất liên
kết phân tử thấp sẽ dễ dàng bị thủy phân nhanh chóng đưa đến tình trạng acid hóa
và ngưng trệ q trình lên men methane. Mặt khác vi sinh vật tham gia trong giai
đoạn một của q trình phân hủy kỵ khí đều thuộc nhóm vi khuẩn biến dưỡng
cellulose. Nhóm vi khuẩn này hầu hết có các enzyne cellulosase và nằm rải rác
trong các họ khác nhau. Hầu hết là các trực trùng có bào tử (Spore). Theo A.R.
Prevot chúng có mặt trong các họ:
+ Clostridium
+ Plectridium
+ Caduceus
+ Endosponus
+ Terminosponus
Chúng biến dưỡng ở điều kiện yếm khí cho ra: CO 2, H2 và một số chất tan
trong nước như formate, acetate, alcohol, methylique, methylamine. Trừ CO 2,
những chất cịn lại đều có khả năng cho electron và dùng để dinh dưỡng cho nhóm
vi khuẩn sinh methane riêng nhóm vi khuẩn yếm khí methane rất chun biệt. Tất
cả các vi khuẩn này có hai coenzyne đặc thù:
• Coenzyme M (2. mercaptoethan – sulfonic – acid)
• Coenzyme F420 (Một loại flavin mononucleotide)
GVHD: PHẠM MINH TUẤN

14

Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

Hai coenzyme này đều là reductase, nghĩa là chúng tải electron từ những
chất cho electron đến một chất khác để khử hịa chất đó. Điều đặc biệt là cho tới
nay người ta chỉ tìm thấy hai coenzyme này có ở nhóm vi khuẩn sinh khí methane
mà khơng thấy ở nhóm khác.
Tóm lại, các vi sinh vật sinh methane theo nhiều cơ chế phản ứng khác nhau như
sau:
8 H2 + 2 HCO3-+ 2 H+ ⇔ 2 CH4 + 6 H2O
CH3CH2OH + CO2 ⇔ CH3COO- + H+ + CH4
CH3 – CHOH – COO- + H2O → 2 CH3COO- + CH4 + HCO34 CH3CH2OH + 3 H2O ⇔ 4 CH3COO- + H+ + 3 CH4 + HCO3CH3CH2 CH2 COO- + 2 H2O + HCO3- ⇔ 4 CH3COO- + H+ + CH4
CH3COO- + H2O → CH4 + HCO34 HCOOH + H2O → CH4 + 3 HCO3- + 3 H+
Methanol:
4 CH3OH → 3 CH4 + HCO3- + H2O + H+
Methylamine thủy phân tạo methane:
4 CH3NH3+ + 3 H2O → 3 CH4 + HCO3- + 4 NH4+ + H+
2 (CH3)2NH2+ + 3 H2O → 3 CH4 + HCO3- + 2 NH4+ + H+
4 (CH3)3NH+ + 9 H2O → 9 CH4 + 3 HCO3- + 6 NH4+ + 3 H+

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

15


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

Hình 3.Sơ đồ tạo thành CH4 từ các hợp chất hữu cơ
c.Giai đoạn 3: Sau khi biogas được sinh ra sau quá trình lên men yếm khí sẽ được
dẫn ra theo đường ống biogas sẽ được xử lý để khử các chất độc như H 2S,…trước
khi cho vào hệ thống dự trữ để phục vụ cho việc nấu nướng, chạy động cơ biogas.
1.5.Ưu điểm, nhược điểm của biogas
Ưu điểm


Nguồn nguyên liệu sẵn có, giá rẽ và dồi dào.



Khơng tăng lượng khí nhà kính carbonic trong khí quyển.



Khơng gây hại cho hệ sinh thái, thân thiện với mơi trường.



Có thể phát triển trình độ thủ cơng.



Có thể dự trữ được.



Mức đầu tư đa dạng phụ thuộc vào cơng nghệ.



Có thể có tính kinh tế phụ thuộc vào đặc thù của địa phương

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

16


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

Nhược điểm


Có thể độc hại cho người sử dụng nếu khơng cẩn thận.

1.6.Ứng dụng


Biogas có thể sử dụng nấu nướng, sưởi ấm, đun nóng.



Chạy các động cơ nhỏ như máy phát điện, bộ chuyển đổi năng lượng.



Ngồi ra cơng nghệ Biogas cịn có ứng dụng khác như sản xuất phân bón
sinh học, xử lý chất thải, nhiên liệu cho xe cộ.

2.Biodiesel
2.1.Khái niệm
Biodiesel hay còn gọi là Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất
tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng khơng phải được sản xuất từ dầu mỏ
mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Nhìn theo phương diện hóa học thì diesel sinh
học là methyl ester của những axít béo. Mặt khác, chúng không độc và dễ phân giải
trong tự nhiên.
2.2.Lịch sử phát triển


Biodiesel bắt đầu được sản xuất khoảng giữa năm 1800, trong thời điểm đó
người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu Glycerol ứng dụng làm xà phòng và thu
được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl Ester gọi chung là biodiessel.



10/08/1893 lần đầu tiên Rudolf Diesel đã sử dụng Biodiesel do ông sáng chế để
chạy máy. Năm 1912, ông đã dự báo: “Hiện nay, việc dùng dầu thực vật cho
nhiên liệu động cơ có thể không quan trọng, nhưng trong tương lai, những loại
dầu như thế chắc chắn sẽ có giá trị khơng thua gì các sản phẩm nhiên liệu từ dầu
mỏ và than đá”. Trong bối cảnh nguồn tài nguyên dầu mỏ đang cạn kiệt và

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

17

Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

những tác động xấu lên môi trường của việc sử dụng nhiên liệu, nhiên liệu tái
sinh sạch trong đó có Biodiesel đang ngày càng khẳng định vị trí là nguồn nhiên
liệu thay thế khả thi. Để tưởng nhớ nguời đã có cơng đầu tiên đốn được giá trị
to lớn của Biodiesel, Nation Board Biodiesel đã quyết định lấy ngày 10 tháng 8
hằng năm bắt đầu từ năm 2002 làm ngày Diesel sinh học Quốc tế (International
Biodiesel Day).


Năm 1900 tại Hội chợ thế giới tổ chức tại Pari, Diesel đã biểu diễn động cơ dùng
dầu Biodiesel chế biến từ dầu phộng.



Trong những năm của thập kỷ 90, Pháp đã triển khai sản xuất Biodiesel từ dầu
hạt cải. Và được dùng ở dạng B5 (5% Biodiesel với 95% Diesel) và B30 (30%
Biodiesel trộn với 70% Diesel).

2.2.Phân loại
Dựa vào nguồn nguyên liệu để sản xuất bio-diesel, có thể chia thành 2 nhóm:
- Biodiesel được sản xuất từ nguồn gốc thực vật: Tùy thuộc vào loại dầu và loại
rượu sử dụng mà alkyl ester có tên khác nhau:


Nếu đi từ dầu cây đậu nành (soybean) và Methanol thì ta thu được SME (soy
methyl Esters). Đây là loại esters thông dụng nhất được sử dụng tại Mỹ.



Nếu đi từ dầu cây cải dầu (rapeseed) và Methanol thì ta thu được RME
(rapeseed methyl Esters). Đây là loại esters thông dụng nhất được sử dụng ở
châu Âu.

- Biodiesel được sản xuất từ nguồn gốc động vật.
2.3.Nguyên liệu
Nguồn nguyên liệu để sản xuất biodiesel có thể nói là vơ cùng phong phú,
bao gồm cả nguyên liệu có nguồn gốc từ động vật và thực vật. Ngày nay, công

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

18


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

nghệ cải tiến cho phép người ta khai thác thêm được nguyên liệu nấm, mốc và tảo
vào sản xuất biodiesel.
Trên thế giới, nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất nhiên liệu sinh học là
sản phẩm nơng nghiệp, các loại hạt có dầu, rong tảo, cellulose và một phần nhỏ từ
các loại mỡ cá, mỡ động vật nói chung. Do vậy, ở mỗi nước thì người ta dựa vào
ưu thế riêng của mình về nguyên liệu mà chọn quy trình sản xuất cho phù hợp. Ở
Nam Phi và ở Mỹ, nhiên liệu sinh học được sản xuất từ ngô. Ở các nước Tây Âu và
ở Mỹ sản lượng diesel sản xuất từ đậu tương tăng cao vào thời điểm giá trị dinh
dưỡng của các sản phẩm đậu tương chưa lên men bị đặt dấu hỏi cùng với nhiều

loại cây đậu tương biến đổi gien có thể cho sản lượng cao nhưng chưa cho phép
dùng làm thức ăn cho người và cho gia súc.
Ở Thái Lan, Philippine… nhiên liệu sinh học lại sản xuất từ sắn, hạt cọ, cơm
dừa cịn ở Brazil sản xuất từ mía và ở Canada thì từ gỗ phế thải, mùn cưa và sản
phẩm phụ từ gỗ. Cây nho Kudzu phát triển nhanh được nhập khẩu từ Nhật cách
đây một vài thập niên đã mọc tràn lan trên đất Mỹ. Nhiều khu vực đầm lầy ở
Canada và Mỹ đã trở thành quê hương mới của một loại cây sinh sản nhanh của
châu Âu có tên gọi là Purple Loosestrife.
2.4.Các tính chất và chỉ tiêu chất lượng
a.Các tính chất hóa lý của Biodiesel

1
2
3
4
5

Tiêu chuẩn
Hàm lượng este

Đơn vị
% khối lượng

Giới hạn
> 96,5

Khối lượng riêng tại 15oC kg/m3
Điểm chớp cháy (cốc
o
kín)

C

860 - 900

Nước và cặn
Độ nhớt động học tại
40oC

% thể tích

< 0,050

mm2/s

1,9 – 6,0A

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

130

Phương pháp đo
EN 14103
TCVN 6594 (ASTM
D 1298)
TCVN 2693 (ASTM
D 93)
TCVN 7757 (ASTM
D 445)
TCVN 3171 (ASTM
445)

19


Nhiên liệu sinh học
6

Nhóm : 11

Tro sulphát

% khối lượng

< 0,020

7

Lưu huỳnh

% khối lượng
(ppm)

< 0,05 (< 500)

8

Ăn mòn đồng

Loại

No1

9
10
11

Trị số xêtan
Điểm vẩn đục
Cặn cácbonD

o

C
% khối lượng

> 47
Báo cáoC
<0,050

12

Trị số axit

mg KOH/g

< 0,05

13

g iốt/100 g

< 120

14
15
16
17
18

Chỉ số iốt
Độ ổn định oxy hóa tại
110oC
Glycerin tự do
Glycerin tổng
Phospho
Nhiệt độ cất, 90% thu hồi

giờ
% khối lượng
% khối lượng
% khối lượng
o
C

>6
< 0,020
< 0,240
< 0,001
< 360

19

Na và Ka

mg/kg

< 5,0
Khơng có nước tự
do, cặn và tạp chất
lơ lửng

20

Ngoại quan

TCVN 2689 (ASTM
D 874)
ASTM D 5453/
TCVN 6701 (ASTM
D 2622)
TCVN 2694 (ASTM
D 130)
TCVN 7630 (ASTM
D 613)
ASTM D 2500
ASTM D 4530
TCVN 6325 (ASTM
D 664)
EN 14111/ TCVN
6122 (ISO 3961)
EN 14112

ASTM D 6584
ASTM D 6584
ASTM D 4951
ASTM D 1160
EN 14108 và EN
14109
Quan sát bằng mắt
thường

Bảng1. các tính chất hóa lý của biodiesel
b.Chỉ tiêu chất lượng của Biodiesel
Việc sản xuất và sử dụng rộng rãi biodiesel đòi hỏi việc đưa ra những tiêu
chuẩn chất lượng, dành riêng cho biodiesel: EN 14214 ở Châu Âu, ASTM D6751 ở
Mỹ…Khi đảm bảo được những tiêu chuẩn chất lượng này, biodiesel có thể được
trộn với dầu diesel để sử dụng trong động cơ diesel. Hiện tại, hỗn hợp biodiesel với
dầu diesel trước khi sử dụng cho động cơ diesel phải đảm bảo được tiêu chuẩn chất
lượng dành cho dầu diesel, thí dụ EN 590 ở Châu Âu. Dự kiến đến cuối năm 2007,
National Biodiesel Board (NBB) sẽ đưa ra tiêu chuẩn chất lượng cho B20.
NBB đã đưa ra chương trình BQ-9000, chuyên cấp chứng nhận cho các nhà
sản xuất, marketing, phân phối biodiesel tại Mỹ và Canada. Chương trình là sự kết
GVHD: PHẠM MINH TUẤN

20


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

hợp của ASTM D6751 và các chương trình đảm bảo chất lượng trong các quá trình

bảo quản, lấy mẫu, kiểm tra chất lượng, vận chuyển, phân phối…
Trong bảng dưới đây giới thiệu một số chỉ tiêu chất lượng đối với dầu diesel
(tiêu chuẩn EN 590) và biodiesel (tiêu chuẩn EN 14214, ASTM D6751):
Chỉ tiêu

EN14214

ASTM

820-845

860-900

D6751
-

2,0-4,5

3,5-5,0

1,9-6,0

Điểm cháy chớp, 0C, không thấp hơn

55

120

130

Lưu huỳnh, mg/kg, không lớn hơn

50

10

15

Chỉ số xetan, không thấp hơn

51

51

45

Nước, mg/kg, không lớn hơn

200

500

500

Este,% khối lượng, không nhỏ hơn

-

96,5

-

Methanol, % khối lượng, không lớn hơn

-

0,2

-

Monoglixerit, % khối lượng, không lớn hơn

-

0,8

-

Điglixerit , % khối lượng, không lớn hơn

-

0,2

-

Triglixerit, 5 khối lượng, không lớn hơn

-

0,2

-

Glixerin tự do,% khối lượng, không lớn hơn

-

0,02

0,02

Tổng lượng glixerin,% khối lượng,không lớn hơn

-

0,25

0,024

0

Tỉ trọng ở 15 C,kg/m

3

Độ nhớt ở 400C

EN590

Bảng 2 . Các chỉ tiêu chất lượng so sánh giữa dầu diesel (EN 590) và biodiesel (EN 14214,
ASTM D6751)

Một số tính chất như chỉ số cetan, tỉ trọng chỉ phụ thuộc vào tính chất của
nguyên liệu ban đầu. Hầu hết các tính chất cịn lại phụ thuộc vào các yếu tố kỹ
thuật của quá trình sản xuất.
Yếu tố quan trọng nhất chính là độ chuyển hóa của phản ứng chuyển vị este.
Thậm chí khi thu được hiệu suất phản ứng cao nhất, trong biodiesel vẫn chứa một
lượng nhỏ tri, đi, monoglixerit. Những chất này làm tăng độ nhớt, giảm độ bền oxi
hóa, do đó, hàm lượng của chúng phải là nhỏ nhất.

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

21


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

Tổng lượng glixerin chính là tổng phần glixerin chứa trong các glixerit và
glixerin tự do. Glixerin khơng tan trong biodiesel, có độ nhớt cao. Nhiên liệu chứa
nhiều glixerin dẫn đến hiện tượng lắng glixerin, làm nghẽn bộ lọc nhiên liệu và
làm xấu đi quá trình cháy trong động cơ.
Metanol bị hạn chế duới 0,2% trong tiêu chuẩn EN 14214, nhưng không đề
cập đến trong ASTM. Tuy nhiên, hàm lượng metanol có thể hạn chế thơng qua chỉ
tiêu độ chớp cháy ( càng nhiều metanol, độ chớp cháp càng thấp). Yêu cầu độ chớp
cháy không nhỏ hơn 130 độ C trong ASTM tương ứng với hàm lượng metanol nhỏ
hơn 0,1%.
2.5.Quy trình sản xuất

Hình 4.Sơ đồ quy trình sản xuất biodiesel

Quy trình sản xuất Bidiesel gồm nhiều bước và tương đối phức tạp trong đó
có bước trực tiếp và quan trọng nhất để thu được Biodiesel là quá trình thu
biodiesel dựa trên phản ứng chuyển vị este.

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

22


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

Hình 5. Q trình thu Biodiesel dựa trên phản ứng chuyển vị este

Dầu nguyên liệu, rượu và chất xúc tác được trộn trong lò phản ứng trong
thời gian thích hợp (1-2 tiếng) ở nhiệt độ khoảng 60 độ C.
Q trình thu biodiesel có thể liên tục hoặc theo chu kỳ . Trên thực tế quá
trình thường được thực hiện liên tục qua hai giai đoạn (2 lò phản ứng): khoảng
80% lượng rượu và xúc tác được dùng ở lò phản ứng thứ nhất. Hỗn hợp phản ứng
sau khi tách khỏi pha glixerin được đưa vào lò phản ứng thứ hai để kết thúc phản
ứng với lượng rượu và xúc tác còn lại.
Glixerin tạo thành được tách ra khỏi pha este ở máy phân ly hoặc máy ly
tâm. Quá trình tách thường xảy ra dễ dàng vì glixerin hầu như khơng tan trong
este. Lượng rượu dư có thể làm chậm q trình tách vì rượu hịa tan tốt cả glixerin
lẫn este. Nhưng không thể đuổi lượng rượu dư trước quá trình tách pha vì như thế
sẽ dịch chuyển cân bằng về phía tạo ra triglixerit.

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

23


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

Este sau khi tách khỏi glixerin được đưa đến khâu trung hòa và qua tháp tách
metanol. Ở khâu trung hòa người ta dùng axit như HCl, axit xitric để trung hòa
lượng xúc tác kiềm dư và lượng xà phòng tạo thành:

Tất cả lượng dư xúc tác, xà phòng, muối, metanol và glixerin tự do được tách
khỏi biodiesel bằng q trình rửa nước. Trung hịa bằng axit trước khi rửa nước
nhằm giảm tối đa lượng xà phịng và lượng nước rửa cần dùng do đó hạn chế được
quá trình tạo nhũ tương (nước trong biodiesel với tác nhân tạo nhũ tương là xà
phịng), gây khó khăn cho việc tách nước khỏi biodiesel. Biodiesel được làm sạch
nước trong tháp bay hơi. Nếu sản xuất ở qui mô nhỏ người ta thường dùng các
muối khô để hút nước.
Một số nguồn nguyên liệu chứa một lượng lớn axit béo tự do. Axit béo tự
do phản ứng với xúc tác kiềm sinh ra xà phòng và nước. Thực tế cho thấy rằng q
trình thu biodiesel có thể xảy ra bình thường với hàm lượng axit béo tự do thấp hơn
5%. Khi đó, cần dùng thêm xúc tác để trung hịa axit béo tự do. Lượng xà phòng
tạo ra nằm ở mức cho phép.
Khi hàm lượng axit béo tự do lớn hơn 5%, lượng xà phịng tạo ra làm chậm
q trình tách pha este và glixerin, đồng thời tăng mạnh sự tạo nhũ tương trong quá
trình rửa nước. Để giảm hàm lượng axit béo tự do, trước phản ứng chuyển vị este,
người ta dùng xúc tác axit, như H2SO4, chuyển hóa axit béo tự do thành este (phản

ứng este hóa).

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

24


Nhiên liệu sinh học

Nhóm : 11

Vì vậy, hàm lượng axit béo tự do là yếu tố chính trong việc lựa chọn cơng
nghệ cho q trình sản xuất biodiesel
2.6.Ưu nhược điểm so với diesel sản xuất từ dầu mỏ
a.Ưu điểm


Xu thế diesel hóa các động cơ đốt trong dựa trên các ưu điểm của diesel so với
xăng như công suất lớn hơn khi sử dụng cùng một lượng nhiên liệu, động cơ
diesel tăng tốc nhanh hơn, giá diesel có thể rẻ hơn khi giá dầu thơ q cao và có
thể giảm hàm lượng các chất độc hại trong khí thải.



So với diesel truyền thống, sản xuất từ dầu mỏ, thì diesel sinh học có nhiều ưu
điểm về mặt bảo vệ mơi trường như chứa ít lưu huỳnh (2-11ppmS), dễ phân hủy
bằng vi sinh, giảm ơ nhiễm khơng khí. Ngồi ra chúng có tính bơi trơn cao hơn
diesel dầu mỏ nên tuổi thọ của động cơ sẽ dài hơn và nguồn nguyên liệu lấy từ sản
phẩm hoặc phế thải nông nghiệp, thủy sản nên có thể tái sinh nhanh, góp phần
tăng giá trị nông nghiệp, sử dụng được lao động dôi dư,đất cằn cỗi, giảm nhập

khẩu tốn kém ngoại tệ.



Ngày nay, tùy theo nguồn nguyên liệu khác nhau mà mỗi nước sản xuất nhiều loại
diesel sinh học khác nhau rồi đem trộn với diesel truyền thống theo tỷ lệ quy định
trong các tiêu chuẩn sản phẩm như B5 (5% diesel sinh học, 95% diesel dầu mỏ),
B10 (10% diesel sinh học, 90% diesel dầu mỏ), B20 (20% diesel sinh học, 80%
diesel dầu mỏ) …

GVHD: PHẠM MINH TUẤN

25