báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - phòng thí nghiệm năng lượng sinh học

Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
LỜI CẢM ƠN
Thực tập quá trình & thiết bị là cơ hội để nhóm sinh viên thực tập chúng em tiếp cận và
tìm hiểu thực tế thông qua những kiến thức lí thuyết đã học tại trường trong suốt những năm
qua.
Trải qua thời gian thực tập tại phòng thí nghiệm năng lượng sinh học – ĐH Bách Khoa
TP HCM, được tham gia vận hành một số thiết bị, chúng em đã học hỏi nhiều kiến thức thực
tế, những kinh nghiệm quý báu, được tiếp xúc môi trường và điều kiện làm việc nơi đây. Có
được những kiến thức đó, chúng em xin chân thành cảm ơn sự tận tình giúp đỡ từ thầy cô và
các anh chị tại đây.
Chúng em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Đình Quân. Cảm ơn Thầy đã tạo điều
kiện thuận lợi cho chúng em được thực tập tại Xưởng, đã truyền đạt cho chúng em những
kinh nghiệm quý báu, đã giúp đỡ và hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực tập.
Xin chân thành cảm ơn chú Nguyễn Văn Khanh, Chị Trần Phước Nhật Uyên, Chị Vũ Lê
Vân Khánh, anh Lê Nguyễn Phúc Thiên, và anh Phan Đình Đông đã tận tình hướng dẫn
chúng em trong suốt quá trình thực tập, sẵn sàng giúp đỡ chúng em giải đáp những vướng
mắc, trao đổi với chúng em những kinh nghiệm quý báu trong quá trình làm việc và trong
cuộc sống.
Chúng em xin cảm ơn khoa Kỹ thuật hóa học nói chung và bộ môn Quá trình &Thiết bị
nói riêng đã tạo điều kiện để chúng em có cơ hội được thực tập tại đây, xin cảm ơn thầy
Nguyễn Sĩ Xuân Ân đã tạo điều kiện và hướng dẫn tận tình để chúng em hoàn thành đợt thực
tập này.
1
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Nhận xét của Cán bộ hướng dẫn:



…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………

Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng…… năm 2012.
Cán bộ hướng dẫn: Xác nhận của phòng Thí nghiệm.
2
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:



Tp. Hồ Chí Minh, ngày……tháng…… năm 2012.
Xác nhận của bộ môn.
3
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
MỤC LỤC
I. Nghiên cứu ethanol từ rơm rạ:
1.Tình hình nước ta hiện nay
Theo thống kê của các cơ quan chức năng, hàng năm, nước ta có sản lượng thóc khoảng 40
triệu tấn. Cứ 1 tấn thóc thu hoạch thì có 2 tấn rơm rạ, trấu. Đối với số phụ phẩm này, nông dân
thường có tập quán đốt bỏ, hoặc xả thẳng ra kênh rạch, phơi bừa bãi ven đường lộ gây khói bụi, ô
nhiễm môi trường, Khói rơm rạ là nguồn tạo ra các khí CO, CO
2
, NO
2
, SO
2
, H
2
O, các chất nhựa
bay hơi và hàng trăm hợp chất khác có hại cho sức khỏe con người. Rơm rạ thối mục là nguồn
sinh khí metan, làm tăng lượng khí thải vào bầu khí quyển, là 1 nguồn ô nhiễm đáng kể gây nên
hiệu ứng nhà kính, làm tăng nhiệt độ của trái đất, biến đổi khí hậu toàn cầu. Khi đốt các chất hữu
cơ có trong rơm rạ và trong đất, do nhiệt độ cao sẽ biến thành chất vô cơ làm cho đồng ruộng bị
khô, chai cứng. Phần tro còn sót lại không giúp ích mấy cho cây trồng.

Cách xử lý rơm rạ như hiện nay là một sự lãng phí nguồn nhiên liệu vô cùng lớn, gây ô nhiêm
môi trường. Do vậy việc tận dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả rất được quan tâm
bởi các nhà quản lý, nhà khoa học trong và ngoài nước. Và phương pháp đang được quan tâm đặc
biệt là sản xuất ethanol từ các phế phẩm nông nghiệp trên.
Ethanol được đánh giá là nguồn cung cấp nhiên liệu tốt cho tương lai vì con người có khả
năng sản xuất với sản lượng lớn, không gây ô nhiễm môi trường và có thể thay thế được cho xăng
nhiên liệu. Ethanol làm nhiên liệu này hoàn toàn có thể sản suất được từ nguồn cellulose như rơm
rạ, trấu, bã mía,…. Theo đánh giá sơ bộ, lượng rơm rạ hằng năm, nếu được chuyển thành ethanol,
hoàn toàn có khả năng thay thế toàn bộ nhu cầu xăng dầu cả nước hiện nay.
2.Tình hình sản xuất ethanol từ biomass:
Cho đến nay, trên thế giới việc sản xuất ethanol từ biomass nói chung và từ rơm rạ nói riêng
vẫn chưa được thực hiện với quy mô công nghiệp. Lý do lớn nhất của vấn đề này là hiệu quả kinh
tế mang lại của việc sản suất nhiên liệu ethanol so với nhiên liệu truyền thống như xăng dầu
không cao. Ở các nước có nguồn biomass phụ phẩm nông nghiệp dồi dào như Canada và Mỹ,
Nhật những dự án sản xuất ethanol từ rơm rạ với quy mô bán công nghiệp (vài chục tấn một
ngày) đang dần được nghiên cứu và triển khai. Các nước bắc Âu như Hà Lan, Thụy Điển cũng
đang có các dự án xây dựng nhà máy sản suất và tinh chế ethanol dùng cho động cơ. Trong khi
đó đối với những nước đang trên đà phát triển và có nguồn rơm rạ dồi dào như Việt Nam thì việc
sản xuất này cũng đang dần được quan tâm. Ở Việt Nam, ethanol cũng được sản suất với sản
lượng khoảng 25 triệu lít mỗi năm. Trong đó chủ yếu là làm từ mật rỉ, ngô, gạo và khoai mì, chủ
yếu phục vụ cho các ngành công nghiệp thực phẩm và hóa chất. Tuy nhiên, tình hình lương thực
đang ngày càng khan hiếm. Với dân số tăng cao và quỹ đất dành cho sản xuất nông nghiệp ngày
4
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
càng bị thu hẹp thì việc sản xuất cồn từ các nguyên liệu truyền thống trên rất khó được mở rộng
để đáp ứng cho nhu cầu nhiên liệu ngày một tăng cao như hiện nay. Ngày nay sự lệ thuộc vào dầu
mỏ của con người ngày càng cao dẫn đến tình trạng suy thoái kinh tế khi xảy ra khủng hoảng dầu
mỏ. Chính vì thế nên ngày càng nhiều những dự án nghiên cứu và triển khai sử dụng năng lượng
địa phương để thay thế dần dầu mỏ. Trong tình hình đó ethanol là một giải pháp được đánh giá
cao cho khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai. Tiềm năng lớn và thân thiện với

môi trường là 2 ưu điểm lớn của loại nhiên liệu này.
II. Tổng quan về phòng thí nghiệm.
1. Lịch sử hình thành và phát triển.
Hiện nay, công nghệ sản xuất xăng sinh học từ ethanol với nguyên liệu sắn, ngô,
khoai… rất phổ biến, nhưng nhiều quốc gia cảnh báo rằng, điều này sẽ ảnh hưởng đến an ninh
lương thực thế giới. Để tìm nguồn thay thế, nhiều nghiên cứu đang hướng đến việc tận dụng
phụ phẩm trong nông nghiệp như rơm, rạ, vỏ trấu, bã mía… để sản xuất ethanol.
Ở nước ta, dự án “Kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương với công nghiệp chế
biến biomass” do JICA (Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản) tài trợ, có nhiệm vụ xây dựng và
phát triển công nghệ sản xuất bioethanol từ các nguồn biomass là phế thải nông nghiệp như:
rơm, rạ, vỏ trấu, bã mía… bước đầu đã thành công ở quy mô phòng thí nghiệm. Sản phẩm sẽ
được ứng dụng vào mục đích làm nhiên liệu cho động cơ và các thiết bị đốt công nghiệp.
Dự án JICA được thực hiện trong khuôn khổ hợp tác nghiên cứu giữa trường Đại học
Bách Khoa Tp.HCM và Viện Khoa học Công nghiệp thuộc trường Đại học Tokyo. Dự án
hướng đến xây dựng phương pháp luận nhằm kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương
với nền công nghiệp chế biến sinh khối, thiết lập quy trình tinh chế bằng phương pháp sinh
học quy mô nhỏ tại khu vực. Từ đó, xây dựng chu trình tự cung tự cấp các nhiên – vật liệu
sinh học. Trong khuôn khổ dự án, hai mô hình thí điểm về “Tổ hợp thử nghiệm quá trình chế
biến sinh khối” và “Mô hình xưởng thực nghiệm kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa
phương và nền công nghiệp chế biến sinh khối” được thiết lập.
Mục tiêu nghiên cứu của xưởng thực nghiệm là phản hồi lại mục tiêu chung của dự án,
triển khai những kết quả thí nghiệm đạt được ở quy mô phòng thí nghiệm, hiểu được toàn bộ
quy trình và hệ thống, cải tiến và phát triển các trang thiết bị.
5
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học

Hình 1: Phòng thí
nghiệm năng lượng sinh
học
Dự án bắt đầu

năm 2009 và kết thúc vào năm 2014. Từ năm 2009 tới cuối năm 2010 là gian đoạn lắp đặt nhà
xưởng và cung cấp thiết bị, máy móc. Đầu năm 2010 phòng thí nghiệm bắt đầu đi vào hoạt
động.
Địa điểm xây dựng: Xưởng thực nghiệm với tên gọi là phòng thí nghiệm năng lượng
sinh học, được xây dựng trong khuôn viên trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM. Xưởng nằm
sau lưng tòa nhà C4 và C5, từ cổng 3 trường ĐHBK (đường Tô Hiến Thành) đi thẳng vào
khoảng 100m sẽ thấy xưởng nằm bên phải.
6
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Hình 2: Địa điểm xây dựng phòng thí nghiệm.
2. Sơ đồ tổ chức mặt bằng.
Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học gồm có 2 lầu.Lầu 1 và lầu 2 là được sử dụng làm
phòng thí nghiệm và phân tích.Tầng trệt là xưởng thực nghiệm và phòng làm việc, nghỉ ngơi của
nhân viên.
7
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Hình 3: Xưởng thực nghiệm.
Các cụm thiết bị chính của xưởng:
1/ Máy nổ hơi rơm (công suất 350 kg/h)
2/ Bồn lên men (thể tích 800 L)
3/ Tháp chưng cất thô (tháp mâm xuyên lỗ, công suất 100 L/mẻ)
4/ Tháp chưng cất tinh chế (tháp đệm, công suất 100 L/mẻ)
5/ Máy lọc ép
6/ Lò hơi (thu nhiệt từ quá trình than hóa trấu)
3. An toàn lao động.
An toàn lao động được xem là yếu tố quan trọng hàng đầu khi làm việc trong bất kỳ môi
trường sản xuất nào, nắm được các nguyên tắc về an toàn lao động sẽ tránh được những tai nạn
đáng tiếc cho bản thân và hạn chế được những hư hỏng gây ra cho thiết bị. Khi làm việc trong
xưởng thực nghiệm cần nắm vững các yêu cầu an toàn:
- Không phận sự miễn vào.

8
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
- Khi vận hành thiết bị phải nắm rõ các thao tác vận hành và giới hạn an toàn của thiết bị để
tránh xảy ra sự cố cho thiết bị và người vận hành. Đặc biệt, với nồi hơi là thiết bị làm việc ở áp
suất và nhiệt độ cao nên rất nguy hiểm, vì vậy, người vận hành nên có ít nhất 2 năm kinh
nghiệm.
- Sử dụng dụng cụ và thiết bị đúng chức năng để tránh hư hỏng và tăng tuổi thọ của dụng cụ và
thiết bị.
- Tất cả các van trong hệ thống cần được cài đặt và kiểm tra kỹ càng bởi hội đồng trước khi vận
hành.
- Giai đoạn cắt rơm: phải mặc áo bảo hộ, đeo mắt kính, khẩu trang chống bụi rơm, mang găng
tay bảo vệ tay không bị ngứa khi bốc rơm bỏ vào máy cắt, chân mang giày không được mang
dép phòng chống rủi ro có thể xảy ra như bị ngứa dị ứng với bụi rơm. Đọc bảng hướng dẫn an
toàn sử dụng thiết bị cắt trước khi tiến hành làm việc.
Hình 4: Một số hú ý khi sử dụng máy cắt rơm.
Giai đoạn ngâm kiềm, trung hòa acid: phải đeo bao tay
chống thấm, mặc áo bảo hộ, mang tạp dề bằng nhựa dẻo
phía trước người, đeo khẩu trang, đi ủng cao su bảo vệ
chân, đội mũ có tấm kiếng bảo vệ mặt để tránh hóa chất rơi
trúng mặt, vào mắt, v.v…
- Giai đoạn chưng cất: cho lượng nguyên liệu vào thiết bị chưng cất sao cho không vượt
mức quy định an toàn của thiết bị.
- Những thiết bị đang vận hành ở nhiệt độ cao được treo biển cảnh báo.
4. Xử lí phế thải.
- Than trấu: là phế thải sinh ra trong quá trình đốt lò bằng trấu nhằm cung cấp nhiệt cho hơi
nước đun nóng thiết bị chưng cất. Sau quá trình đốt lò, than trấu được đem ra sân chứa, công ty
9
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
môi trường và một số dịch vụ khác (chăm sóc cây kiểng, v.v…) sẽ thu nhận hoặc thu mua về để
làm phân bón.v.v…

- Xử lý khí thải: cần nghiên cứu nồng độ CO
2
thải ra môi trường đạt tiêu chuẩn hay không.
- Rơm rạ: trong quá trình lên men, lượng rơm không được lên men hoàn toàn sẽ được đem ra
sân phơi nắng cùng với lượng rơm bị thừa thải trong quá trình cắt, quá trình nổ hơi nhẹ, v.v…và
được công ty môi trường thu nhận dùng làm phân bón cho cây trồng.
- Dung dịch kiềm dùng thủy phân rơm rạ: sau quá trình ép rơm rạ, nước thải sẽ được trung hòa
bằng dung dịch acid, lượng acid được cho vào từ từ đến khi pH của nước thải đạt khoảng
6-7 sẽ thải ra đường cống.
- Dung dịch trung hòa: sau khi ép đợt 1 cho ra nước thải kiềm, rơm rạ sẽ được trung hòa bằng
acid. Sau một khoảng thời gian trung hòa nhất định, rơm rạ được ép đợt 2, nước thải này đã
được đo pH trong quá trình trung hòa rơm bằng acid, vì vậy không cần đo lại pH, thải trực tiếp
ra đường cống.
- Phế phẩm sinh ra trong quá trình chưng cất: thải trực tiếp ra đường cống.
III. Quy trình công nghệ.
1. Dạng năng lượng sử dụng.
Điện: Được dùng để thắp sáng, chạy các động cơ máy cắt, bơm, quạt và các hệ thống điều
khiển tự động.
Gas: dùng để tạo hơi nước cấp nhiệt cho bình phản ứng và tháp chưng cất khi không vận
hành hệ thống khí hóa trấu. Ngoài ra còn dùng để đốt mồi trong quá trình đốt cháy syngas tại
buồng đốt khí syngas (burner).
Syngas: là dạng năng lượng sinh học được sản xuất từ trấu, dùng trong quy trình tạo hơi
nước cung cấp cho thiết bị lên men và tháp chưng cất.
Nước: Lấy từ hệ thống máy bơm, cung cấp cho hầu hết quá trình tại xưởng: làm mát, cung
cấp cho nồi hơi, máy nổ hơi…
Khí nén: Dùng để điều khiển tự động một số chi tiết thiết bị.
2. Sơ đồ khối quy trình.
Quy trình chính của phòng thí nghiệm là sản xuất ethanol từ rơm rạ. Để đáp ứng tối đa
mục đích của dự án là tận dụng phế thải nông nghiệp nên hệ thống pilot có ứng dụng đồng
thời quy trình khí hóa trấu tạo syngas để cung cấp năng lượng cho việc sản xuất ethanol.

10
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Rơm rạ
Cắt rơm
Nổ hơi
Xử lý bằng NaOH
Trung hòa
Lọc ép
Thủy phân và lên men đồng thời
Chưng cất
Ethanol
Nước
Nước + NaOH
Lọc ép
Nước thải
Bã rắn
Nước + HCl
Bã rắn
Trung hòa và thải bỏ
Enz cellulase
Nấm men
Nhân giống
Than hóa và khí hóa
Trấu
Syngas
Oxy hóa
11
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Nồi hơi
Than trấu

2.1. Quy trình sản xuất ethanol từ rơm rạ.
2.1.1. Nguyên liệu.
Rơm lúa:(giống Trâu Năm Mới) được thu mua từ xã Thái Mỹ (huyện Củ Chi, Tp.HCM)
trong 2 tuần sau khi gặt và phơi dưới nắng. Rơm được đựng trong các túi 25 kg và giữ ở nơi
khô ráo.
Thành phần hóa học của rơm: Thành phần hoá học chính của rơm bao gồm: Hydrat cacbon,
lignin- là những thành phần cấu tạo nên thành tế bào nguyên liệu.
Trong hydrat cacbon gồm 2 thành phần chủ yếu là cellulose và hemicellulose, chúng khác nhau
về trọng lượng phân tử, cấu trúc, tính chất hoá học.
- Cellulose
Là hợp chất cao phân tử, đơn vị mắt xích là D – glucopyrano liên kết với nhau bằng liên
kết β -1,4-glucoxit. Các đơn vị mắt xích chứa ba nhóm hydroxyl, một nhóm rượu bậc
một, hai nhóm rượu bậc hai.
Cấu trúc cellulose theo Haworth
Số monomer có thể đạt từ 2 000 đến 10 000, độ trùng hợp này tương ứng với chiều dài
mạch phân tử từ 5,2- 7,7mm. Sau khi thực hiện quá trình nấu gỗ với tác chất, độ trùng
hợp còn khoảng 600-1500. Cellulose không tan trong nước, trong kiềm hay axit loãng,
12
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
nhưng có thể bị phân huỷ và bị oxy hoá bởi dung dịch kiềm đặc ở nhiệt độ >150
o
C. Ở
nhiệt độ thường nó có thể hoà tan trong một số dung môi như dung dịch phức đồng –
amoniac Cu(NH
3
)
4
(OH)
4
, cuprietylendiamin(CED), cadimietylediamin…Một số axit cũng có

thể hoà tan cellulose như H
2
SO
4
72%, H
3
PO
4
85%
- Hemicellulose
Cũng là những hydrat cacbon nhưng là loại polysaccarit dị thể. Các đơn vị cơ sở là đường
hexose hoặc đường pentose. Độ bền hoá học và bền nhiệt của hemicellulose thấp hơn so
với cellulose, vì chúng có độ kết tinh và độ trùng hợp thấp hơn (độ trùng hợp <90). Đặc
trưng của nó là có thể tan trong dung dịch kiềm loãng. So với cellulose nó dễ bị thuỷ
phân hơn trong môi trường kiềm hay axit.
- Lignin
Lignin là nhựa nhiệt dẻo, mềm đi dưới tác dụng của nhiệt độ và bị hòa tan trong một số tác chất
hóa học. Trong gỗ, bản thân lignin có màu trắng. Lignin có cấu trúc rất phức tạp, là một
polyphenol có mạng không gian mở, đơn vị cơ bản là phenyl propan và trong phân tử luôn chứa
nhóm metoxyl (OCH
3
). Các đơn vị mắt xích này được liên kết với nhau bằngmột số kiểu liên kết
như: β-O-4 (chiếm chủ yếu 40 – 60 %), α-O-4 (chiếm 5 – 10 %), CO-C, C-C…Lignin có liên kết
chặt chẽ với hydrat cacbon đặc biệt là có liên kết hoá học với hemicellulose. Trong quá trình chế
biến bột giấy, người ta dùng tác động cơ học hoặc hoá học để hoà tan lignin hoặc biến tính lignin
để giải phóng các bó sợi cellulose.
13
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Vi sinh lên men đường thành rượu: chủng S. Cerevisiae là một sản phẩm của hãng Ethanol
Red

TM
, Pháp.
Saccharomyces có khoảng 40 loài (Van Der Walt, 1970) và các loài trong giống này được
biết nhiều do chúng được ứng dụng trong làm nổi bánh, bia, rượu Chúng hiện diện nhiều
trong sản phẩm có đường, đất, trái cây chín, phấn hoa Nấm men cấu tạo gồm vỏ tế bào
thành phần là carbohydrat, lipid, protein dầy khoảng 0,5 µm, màng tế bào chất, tế bào chất và
nhân. S. cerevisiae thường có cấu tạo hình elip, đường kính lớn từ 5-10nm và đường kính nhỏ
từ 1-7nm, tế bào gia tăng kích thước theo độ tuổi. Thể tích tế bào đơn bội là 29 mm
3
và tế bào
lưỡng bội là 55 mm
3
. Các tế bào của nấm men mang cấu trúc và chức năng của eukaryote bậc
cao, được sử dụng như là một mô hình hữu ích đại diện cho các tế bào eukarylote. Các thành
phần cấu trúc và hóa học của tế bào được được minh họa theo bảng 1 và bảng 2
Bảng 1 : Thành phần các chất có trong cấu trúc của nấm men được lạnh đông khô
Thành phần trong cấu trúc Phần trăm khối lương khô
14
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Độ ẩm
Protein
Carbohydrate
Acid nucleic
Lipid
Chất khoáng
2-5%
42-46%
30-37%
6-8%
4-5%

7-8%
Bảng 2: Các thành phần hóa học trong nấm men đông khô
Thành phần Phần trăm khối lượng khô (%)
Cacbon
Hydro
Oxy
Nitơ
Phospho
Magiê
Kali
48.2
6.5
33.8
6.0
1.0
0.04
2.1
Hình 5 : Nấm men Sacchromyces cerevisiae dưới dạng bột khô.
Từ những thành phần trên Rosen đã cho rằng nấm men có sự hình thành cấu trúc của
C
4.02
H
6.5
O
2.11
N
0.43
P
0.03
. Các phân tử carbonhydrate là thành phần cấu trúc: thành tế bào và các hợp

chất liên quan đến nguồn dinh dưỡng dự trữ, khả năng kháng stress, như là glycogen và trehalose.
Vách ngăn bao phủ tế bào chất (plasmalemma) chiếm khoảng 15-25% trên tổng khối lượng
tế bào. Thành tế bào nấm men có cấu trúc thay đổi tùy biến phù hợp với các điều kiện ngoại cảnh
và ở các giai đoạn khác nhau của chu kì sống. Tùy theo cấu trúc và điều kiện tăng trưởng và quá
trình trao đổi chất, thành tế bào chứa những enzyme có khả năng tạo điều kiện thuận lợi cho việc
15
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
vận chuyển các phân tử vào trong tế bào chất. Khoảng không gian giữa màng trong và màng
ngoài (periplasme) của thành tế bào từ 25-45A.
Các tế bào S. cerevisiae chứa 1 lượng chitin rất nhỏ ( khoảng 1% khối lượng khô) tập trung
nhiều nhất tại các điểm nảy chồi, nơi đóng vai trò quan trọng trong sự phân bào (khi chồi vừa
chớm nở). Trong nấm men. mạng lưới các sợi 1,3-β-glucan chiếm tới 40% khối lượng khô của
vách tế bào, có ảnh hưởng chính đến cơ chế cân bằng của vách tế bào. 1,3-β-glucan được tổng
hợp tại bề mặt của tế bào và chứa những chuỗi hẹp trung bình khoảng 1500 đơn vị glucose. 1,3-
β-glucan có cấu trúc sợi và vô định hình. Sự hình thành này chỉ ra khả năng giữ vững hình dạng
và cấu trúc vững chắc của vách tế bào cũng như tính đàn hồi. Các sợi glucan không tan trong
nước, kiềm và acid acetic trong khi đó phần vô định hình hòa tan trong nước và acid những
không hòa tan trong kiềm. Hai polysacharide khác nhau,1,6-β-glucan và chitin đã được liên kết
với 1,3-β-glucan và có những chức năng khác vượt trội hơn là chỉ ổn định hình dạng và tính bền
vững cho vách tế bào.
Một lượng nhỏ lipid và phophate vô cơ là thành phần trong mạng lưới vách tế bào. Lượng
lipid chứa trong S. cerevisiae chứa khoảng 2-15%. Đối với tế bào khỏe mạnh bề mặt tế bào mang
lưới có điện tích âm, được cho rằng các chuỗi phosphate nằm trên lớp mannoprotein ngoài. Bề
mặt tế bào có cấu trúc kị nước, các liên kết trên lớp màng chủ yếu là lipid, nằm trên lớp vách
ngoài phức tạp.
Những tác động của pH thấp, hàm lượng đường cao và khả năng chịu áp suất thẩm thấu của
tế bào là những yếu tố đánh giá cho màng tế bào. Khi nấm men làm quen với môi trường chứa áp
suất thẩm thấu cao thì kết quả mang lại sau quá trình lên men là nồng độ ethanol từ 12-15% khi
đó lại trở thành tác nhân có hại cho nấm men. Ngoài ra sự thiếu hụt các chất dinh dưỡng cũng gây
ra những biến động đáng kể cho sự sinh trưởng của nấm men. Do đó phải cân nhắc trong các

phương pháp và kỹ thuật lên men.
Quá trình sinh sản của nấm men thường thông qua sinh sản vô tính, phân chia tế bào bất đối
xứng (nảy chồi) tế bào con được hình thành giống hệt tế bào mẹ. Dưới điều kiện thích hợp tế bào
con sẽ phát triển khỏe mạnh như tế bào mẹ. Quá trình này kéo dài đến khi các tế bào bị lão hóa
và chất dinh dưỡng bị cạn kiệt, sau đó tế bào chết. Chu trình sinh trưởng của nấm men được
nghiên cứu đóng một vai trò quan trọng trong công nghiệp cũng như là đại diện cho tế bào
16
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
eukaryote. Trên thực tế nấm men có một hệ gen nhỏ tuân theo những kĩ thuật di truyền và chu kì
tế bào được xảy ra nhanh chóng cho thấy khả năng ứng dụng trong phòng thí nghiệm.
Hình 6: Chu kỳ sinh sản của tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae
Enzyme: Enzyme đường hóa cellulose (cellulase) được đặt mua từ công ty Meiji Seika (Nhật).
Enzyme là những chất xúc tác sinh học có bản chất protein và rất không ổn định, hoạt động
ở vùng pH trung tính hoặc gần như trung tính (7±2), kim loại nặng và nhiệt độ cũng ảnh hưởng
lớn đến enzyme.
Enzyme là những chất xúc tác sinh học, có nhiều trong cơ thể sống. Việc điều chế chúng
bằng phương pháp hóa học với số lượng lớn là việc làm rất khó khăn và đầy tốn kém nếu không
muốn nói là điều không tưởng, nên người ta thường thu nhận chúng từ các nguồn sinh học. Mặc
dù enzyme có trong tất cả các cơ quan, mô của động vật thực vật cũng như trong tế bào vi sinh
vật, song việc tách enzyme đáp ứng yêu cầu về mặt kinh tế chỉ có thể tiến hành khi nguyên liệu
có chứa một lượng lớn enzyme cũng như cho phép thu được enzyme với hiệu suất cao và dễ dàng
tinh chế chúng. Việc phân bố của enzyme trong tế bào cũng không đồng đều, trong một loại tế
bào cũng có thể có nhiều enzyme này song không có enzyme khác. Lượng enzyme lại thay đổi
17
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
tùy theo giai đoạn sinh trưởng phát triển của sinh vật và tùy theo loài nên chúng ta phải chọn
nguồn nguyên liệu thích hợp cho việc chiết rút và tinh chế enzyme. Có ba nguồn nguyên liệu sinh
học cơ bản: các mô và cơ quan động vật, mô và cơ quan thực vật, tế bào vi sinh vật.
Hóa chất: NaOH (pellet, 99.9 %), acid HCl (37 wt. %), H
2

SO
4
đậm đặc (72 wt. %), cồn
tuyệt đối (99+ %), L-lactic acid (99%), khí helium (99.999 %) là những sản phẩm được mua
từ Công ty Hóa chất Công nghiệp Việt Nam. Nước cất khử ion được mua từ khu Công nghệ
cao (Thủ Đức).
2.1.2. Thuyết minh quy trình.
Tóm gọn thì quy trình sản xuất ethanol từ rơm rạ gồ 3 bước: tiền xử lí, thủy phân và lên
men, cuối cùng là chưng cất.
Tiền xử lí bao gồm nhiều công việc : xử lí cơ học gồm cắt và nổ hơi, xử lí hóa học. Tiền xử
lí bao gồm rất nhiều công đoạn khác nhau vậy vì sao lại phải tiền xử lí và liệu có thể bỏ qua
công đoạn này hay không?
Để chuyển hóa các carbohydrate (cellulose và hemicellulose) trong lignocellulose thành ethanol,
các polymer phải bị bẻ gãy thành những phân tử đường nhỏ hơn trước khi vi sinh vật có thể hoàn
tất quá trình chuyển hóa. Tuy nhiên, bản chất của cellulose lại là rất bền vững trước sự tấn công
của enzyme, nên bước tiền xử lý là bắt buộc để quá trình đường hóa glucose có thể diễn ra tốt.
Cellulose ban đầu có thể bị phá hủy bởi acid mà không cần được tiền xử lý. Tuy nhiên, ngày nay
người ta thường dùng enzyme để thủy phân lignocelllulose.
Những yếu tố về cấu trúc và thành phần ảnh hưởng đến khả năng chống lại sự tấn công
của enzyme của lignocellulose gồm có :
- Sự bao bọc của lignin quanh cellulose: lignin cùng với hemicellulose tạo thành cấu
trúc mô vững chắc cực kì. Những mô được bền hóa với lignin tương tự như nhựa
được gia cố bằng sợi, trong đó lignin đóng vai trò kết dính những sợi cellulose. Trong
thiên nhiên, lignin bảo vệ cellulose khỏi những tác động của môi trường và khí hậu.
Lignin là yếu tố ngăn cản sự tấn công của enzyme đến cellulose được công nhận nhiều
nhất. Tuy nhiên quá trình loại bỏ lignin thường kèm theo sự phân hủy hemicellulose.
18
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Ngay cả trong phương pháp tiền xử lý nguyên liệu bằng kiềm ở nhiệt độ thấp, loại bỏ
được 70% lignin thì cũng có 5% hemicellulose bị hòa tan.

- Bề mặt tiếp xúc tự do của cellulose: liên quan đến bề mặt tiếp xúc của cellulose với
enzyme, và thể tích xốp. Tuy nhiên, bề mặt tiếp xúc tự do này có liên quan đến độ kết
tinh và sự bảo vệ của lignin.
- Sự hiện diện của hemicellulose: cũng như lignin, hemicellulose tạo thành lớp bảo vệ
xung quanh cellulose.
- Mức độ acetyl hóa của hemicelluloses: Đây là yếu tố ít được quan tâm, xylan, loại
hemicellulose chính trong gỗ cứng và cây thân cỏ bị acetyl hóa với tỉ lệ rất cao. Ảnh
hưởng này tồn tại đến khoảng 75% hemicellulose bị deacetyl hóa.
Nói tóm lại, quá trình tiền xử lý nhằm :
- Tăng vùng vô định hình của cellulose
- Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass
- Phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose.
2.1.2.1.Cắt rơm: Rơm ban đầu được cắt 2 lần qua máy cắt thô và máy cắt mịn để ra rơm sản
phẩm có chiều dài từ 2-3 cm làm tăng bề mặt tiếp xúc và thuận lợi cho quá trình nổ hơi.
2.1.2.2. Nổ hơi.
Cơ chế
Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước là một quá trình tác động cơ học, hóa học và nhiệt độ
lên hỗn hợp nguyên liệu. Nguyên liệu bị phá vỡ cấu trúc dưới tác dụng của nhiệt, hơi và áp
lực do sự giãn nở của hơi ẩm và các phản ứng thủy phân các liên kết glycosidic trong nguyên
liệu. Quá trình nổ hơi nước gồm các giai đoạn sau: Làm ẩm nguyên liệu, giảm áp đột ngột
Hình 7: Cơ chế của quá trình nổ hơi.
Các yếu tố
ảnh hưởng
Quá
trình nổ bằng
áp lực hơi nước chịu ảnh hưởng lớn bởi 2 yếu tố: nhiệt độ và thời gian.
19
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
• Thời gian lưu: thời gian lưu ảnh hưởng đến sự thủy phân của hemicellulose. Thời gian lưu của
nguyên liệu trong thiết bị phản ứng càng dài thì hemicellulose được thủy phân càng nhiều.

Nhưng nếu giữ nguyên liệu ở trong thiết bị quá lâu sẽ dẫn đến sự phân hủy các sản phẩm thủy
phân tạo ra các sản phẩm không cần thiết. Việc thủy phân hemicellulose giúp cho quá trình thủy
phân cellulose diễn ra thuận lợi hơn.
• Nhiệt độ: nhiệt độ có mối quan hệ chặt chẽ với áp suất trong thiết bị. Nhiệt độ càng cao thì áp
suất càng cao và ngược lại. Sự gia tăng áp suất làm tăng sự chênh lệch giữa áp suất trong thiết bị
và áp suất khí quyển. Từ đó ảnh hưởng đến lực cắt của ẩm khí hóa hơi.
Hình 8: Cấu trúc của rơm sau khi qua quá trình nổ hơi.
20
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Hình 9: Rơm sau khi qua thiết bị nổ hơi nước.
Ưu nhược điểm của quá trình nổ hơi nước:
Tóm tắt lại, theo quá trình nổ hơi nước có mấy tác động sau lên cấu trúc nguyên liệu
lignocellulose:
(1) Tăng sự kết tinh của cellulose bằng cách thúc đẩy sự kết tinh của vùng vô định hình.
(2) Hemicellulose bị thủy phân trong quá trình nổ hơi.
(3) Sự nổ hơi thúc đẩy việc khử lignin.
Cùng với việc gia tăng kích thước lỗ xốp, tác động (2) và (3) là 3 ưu điểm của quá trình nổ hơi.
Tuy nhiên, tác động (1) lại gây ra khó khăn cho quá trình thủy phân. Ngoài ra những nhược
điểm chính của quá trình nổ hơi là:
-Tốn chi phí, năng lượng vận hành.
-Đòi hỏi thiết bị chịu được nhiệt độ, áp suất rất cao.
-Có thể làm phân hủy cellulose.
-Mất đi đường từ hemicellulose.
-Làm sinh ra fufural và 5-hydroxymethyl fufural gây ức chế quá trình lên men.
2.1.2.3. Xử lý bằng NaOH: rơm sau khi được cắt và nổ hơi sẽ được ngâm trong dung dịch
NaOH 0.1N trong vòng 24 giờ. Mục đích quá trình này để NaOH thủy phân lignin bao bọc
cenluloso, giúp cho việc tiếp cận cenluloso của em zim thuận lợi hơn.
21
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Hình 10: Rơm ngâm trong dung dịch NaOH

2.1.2.4. Lọc ép: Rơm sau khi ngâm qua đêm bằng dung dịch kiềm sẽ được mang đi lọc ép
bằng máy ép pittong, nhằm loại bỏ dịch chứa lignin.
2.1.2.5. Trung hòa: Rơm sau khi lọc ép sẽ được chỉnh pH tới 5-6 bằng acid HCl.
2.1.2.6. Lọc ép: Cuối cùng rơm được lọc ép lần cuối loại bỏ dung dịch acid, bã rắn sẽ được
bảo quản trong tủ lanh (khi chưa dùng tới) để tránh sự phát triển của nấm mốc.
Hình 11: Rơm sau khi lọc ép (kết thúc tiền
xử lí).

2.1.2.7. Thủy phân và lên men đồng thời: Rơm qua giai đoạn tiền xử lí sẽ được cho vào thiết bị
phản ứng SSF (bình phản ứng khuấy liên tục, có bọc vỏ áo). Thời gian thủy phân và lên men
khoảng 5 ngày, cấp nhiệt bằng hơi nước để duy trì nhiệt độ bình phản ứng ở 35
0
C đến 40
0
C. Lưu
ý khi nhập liệu không nên nhập một lần mà nên chia ra.
Trong bình phản ứng xảy ra đồng thời 2 quá trình thủy phân và lên men.
a/ Thủy phân.
22
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Quá trình này sử dụng enzyme cellulose thủy phân cellulose thành đường:
-Enzyme endo_cellulose tấn công ngẫu nhiên vào mạch cellulose nhờ tạo liên kết tương tác
giữa CBD với cellulose tạo thành oligosaccharide
-Enzyme exo-cellulose tấn công vào cellulose và cả oligomer từ đầu đường khử và không
khử thông qua tương tác của CBD với cellulose thành của cellobiose và glucose.
-Β-glucosidase tấn công cellobiose và oligosaccharide tan tạo glucose.
b/ Lên men.
Sự tạo thành rượu từ glucose phải trải qua nhiều giai đoạn, sơ đồ hình thành rượu từ glucose
được biễu diễn như sau :
23

Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Sau đó, pyruvate sẽ chuyển thành ethanol theo các phương trình sau :
Ưu điểm của lên men thủy phân đồng thời: 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 cũng như tạp chất, rất có lợi
cho các quy trình liên tục.
2.1.2.8. Chưng cất.
Sản phẩm sau khi lên men được đưa qua lưu trữ ở bồn chứa và được đem đi chưng cất để thu
được ethanol tinh khiết. Việc chưng cất được thông qua 2 tháp chưng cất: chưng cất thô (50 –
60%v/v) và chưng cất tinh (97% v/v).
Tháp chưng thô gồm có 8 bậc chưng cất, mỗi bậc chưng cất sẽ có một mâm chóp nằm dưới và
mâm xuyên lỗ nằm trên, nhờ đó hiệu quả chưng cất tốt hơn. Tháp chưng thô có nhiệm vụ chính là
tách hệ lỏng – rắn, thu hồi triệt để lượng ethanol bị hấp thu vào pha rắn. Nồng độ ethanol thu
được sau quá trình chưng thô khoảng 50 – 65 % (v/v).
24
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Tháp chưng cất tinh là tháp đệm. Nhiệm vụ chính của tháp này là làm tăng nồng độ ethanol
thu hồi. Nồng độ ethanol thu được sau quá trình chưng cất tinh là 97%. Nếu khối lượng rơm khô
nạp liệu vào bồn lên men 100kg thì sau quá trình chưng thô sẽ thu được trung bình khoảng 30kg
ethanol 65%, và qua quá trình chưng cất tinh sẽ thu được khoảng gần 20kg ethanol 97%.
2.2.Khí hóa trấu để chạy hồi hơi.
2.2.1. Nguyên liệu: Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay
xát. Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và
khoảng 25% còn lại chuyển thành tro. Chất hữu cơ chủ yếu cellulose, lignin và Hemi-cellulose
(90%), ngoài ra có thêm thành phần khác như hợp chất Nito và vô cơ. Lignin chiếm khoảng 25 –
30% và cellulose chiếm khoảng 35 – 40%.

Các chất hữu cơ của trấu là các mạch polycarbohydrat rất dài nên hầu hết các loài sinh vật
không thể sử dụng trực tiếp được, nhưng các thành phần này lại rất dễ cháy nên có thể dùng làm
chất đốt. Sau khi đốt, tro trấu có chứa trên 80% là silic oxyt.
Khi đốt vỏ trấu tạo ra nhiệt lượng khoảng 15 MJ/kg
2.2.2. Khái niệm: Khí hóa là một quá trình chuyển đổi nhiên liệu có nguồn gốc cacbon hữu cơ
hoặc nhiên liệu hóa thạch thành hỗn hợp khí CO, H
2
, CO
2
và CH
4
từ phản ứng của vật liệu ở
nhiệt độ cao (>700
0
C) mà không đốt với lượng oxy hoặc hơi nước được kiểm soát. Hỗn hợp khí
được gọi là khí tổng hợp (syngas), là một loại nhiên liệu. Năng lượng từ quá trình khí hóa sinh
khối và đốt khí tổng hợp được coi là môt nguồn năng lượng tái tạo. Các quá trình khí hóa của
vật liệu nhiên liệu hóa thạch không được coi là năng lượng tái tạo.
2.2.3. Quy trình:
2.2.3.1. Than hóa và khí hóa: trấu được nhập vào buồng khí hóa, tại đây xảy ra các giai
đoạn:
- Giai đoạn sấy: xảy ra ở nhiệt độ 100
0
C, hơi nước thoát ra, vật liệu bị khô dần. Thông thường,
hơi nước được trộn vào dòng chảy khí và có thể tham gia phản ứng hóa học tiếp theo, đặc biệt
là các phản ứng nước – khí nếu nhiệt độ đủ cao.
25