Ứng dụng công nghệ sinh thái trong quá trình sản xuất xăng sinh học từ bã xác mía của nhà máy đường Phổ Phong tỉnh Quảng Ngãi

Ứng dụng công nghệ sinh thái trong quá trình sản xuất
xăng sinh học từ bã xác mía của nhà máy đường Phổ
Phong tỉnh Quảng Ngãi
NỘI DUNG :
-Không gian hệ sinh thái
-Quy mô,quy trình nhà máy
-Hiện trạng nhà máy
-Giải pháp công nghệ sinh thái cho nhà máy
I.Không gian sinh thái
a) Vị trí địa lí:
-Được xây dựng tại quốc lộ 24,xã Phổ Phong,huyện Đức Phổ,tỉnh Quảng Ngãi
- Phía Đông giáp: Suối Khoai và đồi núi hiện hữu.
- Phía Tây giáp: Núi Tam Cọp.
- Phía Nam giáp: xã Phổ Nhơn
- Phía Bắc giáp: Sông Ba Liên.
b) Đặc điểm khí hậu:
-Nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa ,có 2 mùa mưa nắng rõ rệt, mùa mưa từ tháng
9-12,mùa khô từ tháng 1-8.
-Có 2 mùa gió chính là gió mùa đông với hướng gió thịnh hành là tây đông bắc và
gió mùa hạ với hướng gió chính là đông nam.
-Tốc độ gió trung bình 2-4m/s,nhiệt độ trung bình trong năm là 25.8
o
C.
- Lượng mưa cả năm đạt 1.915mm.
Hình 1: sơ đồ khu công nghiệp nhà máy đường Quảng Ngãi.
II.Giới thiệu quy trình và quy mô:
1.Qui mô:
-diện tích: tổng diện tích 147.5ha ,là một trong 115 khu công nghiệp tập trung của cả
nước.
-nguyên liệu:2000 tấn/ngày.
-chức năng và nhiệm vụ:

+sản xuất ,cung ứng sản phẩm đường trắng RS,mật rỉ.
+chịu trách nhiệm về mọi hoạt động sản xuất kinh doanh trước ban Giám đốc công ty và
pháp luật của nhà nước,các quy định về bảo vệ môi trường.
-một số mặt hàng sản xuất tại nhà máy:
+sản phẩm chính:7459.000 tấn đường
+mật rỉ đường: 3714 tấn
+sản phẩm phụ: khối lượng bùn:3053 tấn.
2.Giới thiệu quy trình:
a).Quy trình công nghệ sản xuất đường
Sơ đồ:
hình 2:nguyên liệu
Nguyên liệu
Dao băm 1

hình 3:bã mía




Hình 4:bã bùn
Máy hút sắt từ
Băng tải 1
Lò hơi
bã
Máy ép dập
Thùng chưa nước
bơm
Gia nhiệt(t=65-70
0
C)

Sunfit hóa lần I(pH=3,4-
3,8)
Tản hơi
Gia nhiệt II(t=100-
104
0
C)
bùn
Lắng trong
Lọc bùn
Bã bùn
b).Diễn tả quy trình:
Mía được thu hoach từ các vùng nguyên liệu được vận chuyển về nhà máy. Đầu tiên sẽ
lấy mẫu mía sau đó cho vào giàn cầu và đưa đến dao băm để chặt từng khúc nhỏ rồi đưa
qua máy hút từ để hút kim loại có trong mía(từ việc băm mía). Đưa nguyên liệu mía đến
máy ép ,ở đây sử dụng 4 máy ép để lấy lượng nước có trong cây mía.Còn bã sau khi ép
được bang tải cao su nối tiếp băng tải đưa đến lò hơi để làm nhiên liệu đốt.
Rồi trải qua các công đoạn gia nhiệt,sunfit hóa.Sau đó được bơm lên hệ thống dẫn
khí,tách khí,giảm áp lực của dung dịch làm cho nước mía đi vào thiết bị lắng dễ dàng.Tại
thiết bị lắng người ta cho chất trợ lắng nhằm tách các tạp chất lơ lửng ra khỏi nước mía
hỗn hợp.Ta thu được bã bùn và nước lọc.Nước đường còn lại đi nấu đường rồi cho ra sản
phẩm đường.
III.Hiện trạng nhà máy
• Bụi,khói tập trung từ khu ép míavà đốt bã gây ra.
Xác bã mía phơi khô được tận dụng đem đốt để cung cấp nhiệt cho các động cơ nhà máy
nên lượng khí thải CO2,CO,bụi… tập trung quanh nhà máy gây ô nhiễm nặng khu vực
xung quanh nhà dân
Sàn lọc
Nấu đường
Sản phẩm

Hình 5:khói bụi thải từ nhà máy
• Khối lượng bã xác mía rất lớn chưa có cách xử lí
Hình 6:bã xác mía sau khi ép
• Tiếng ồn từ các máy móc động cơ.
• Ánh sáng chưa được thông thoáng.
• Nhiệt tỏa ra từ các khu lò hơi,tuabin ,hóa chế và nấu đường.
• Nguồn nước thải bã mía chưa được xử lí thải ra sông Ba Liên:
Nhà máy đường vận hành không đúng quy trình xử lí môi trường. Lượng nước thải
vượt quá tiêu chuẩn,quy chuẩn về chất thải.
+nước thải từ khu ép mía:nước được dung ngâm ép mía và làm mát các trục của
máy ép.Loại nước thải này có BOD cao và có chưa dầu mỡ.Chiếm 25-30% trọng
lượng mía đem ép,mật rỉ (3-5%)
+nước thải rửa lọc,làm mát,rửa thiết bị và rủa sàn: nước làm mát được dùng với
lượng lớn và thường được tuần hoàn hết hoặc một phân trong quy trình sản xuất.Nước
làm mát thường nhiễm bẩn một số chất hữu cơ bay hơi từ nước đường đun sôi trong
nồi nấu.Nước chảy tràn từ các tháp làm mát thường có giá trị BOD thấp.
Nước rò rỉ và nước rửa sàn ,nước rảu thiết bị tuy có hàm lượng thấp và được xả định kỳ
nhưng có hàm lượng BOD.
+nước thải từ các khu lo hơi: gồm các chất lơ lửng cao và có giá trị BOD thấp ,nước
thải mang tính kiềm.
Hiên nay, lưu lượng và hàm lượng các chất hữu cơ,các chất dinh dưỡng cao,nước thải
nhà máy đường đang làm ô nhiễm nặng các nguồn tiếp nhận.Đường có trong nước
thải chủ yếu là đường saccarozo và glucozo và fructozo.
Các loại đường này có trong nước dễ phân hủy trong nước ,chúng có khả năng gây
kiệt nguồn oxi trong nước,làm ảnh hưởng đến quá trình ví sinh vật trong nước.
Trong quá trình công nghệ sản xuất đường,ở nhiệt độ cao hơn 55
0
C các loại đường
glucozo và fructozo bị phân hủy thành các hợp chất có màu bền.Ở nhiệt độ cao hơn
200

0
C,chúng chuyển hóa thành caramen(C
12
H
18
O
9
)n.Đây là dạng bột cháy tan trong
nước,có màu nâu sẫm,vị đắng.Phần lớn các sản phẩm phân hủy của đường có phân tử
lượng lớn nên khó thắm qua màng vi sinh.Để chuyển hóa chúng,vi sinh vật phải phân
rã chúng thành nhiều mãnh nhỏ để có thể thấm vào tế bào.Các chất lơ lửng có trong
nước thải còn có khả năng lắng xuống đáy nguồn nước.Quá trình phân hủy kị khí các
này sẽ làm cho nước có màu đen và có mùi hôi thối.
Hình 7:nước thải đổ ra sông Ba Liên
• Nguồn năng lượng nhà máy đều lấy từ việc đốt bã mía làm quay động cơ….
Hình 8:lò đốt bã xác mía.
IV.Đề xuất phương pháp công nghệ sinh thái:
Xăng sinh học (Biogasoline) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử
dụng ethanol hoặc buthanol như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay
phụ gia chì. Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như
tinh bột, cellulozo, lignocellulose. Buthanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo
thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền
thống.
Nhà máy đường Phổ Phong là nhà máy sản xuất đường lớn trong cả nước.Hàng
năm,lượng bã mía thải ra nhà máy rất lớn.Đa số chúng được sử dụng làm nguyên liệu đốt
trong các nhà máy.Các nguyên liệu phế phẩm hiện nay đang sử dụng không hiệu quả,đa
số chúng dung để đốt hoặc thải bỏ vì vậy sẽ gây ra ô nhiễm môi trường rất lớn.
Trong các loại nguyên liệu phế phẩm thì bã mía có ưu điểm hơn so với các loại nguyên
liệu khác như:rơm,rạ…là hàm lượng xenlulozo cao hơn .Vì vậy,ứng dụng công nghệ để
sản xuất buthanol để sản xuất nhiên liệu sinh học là nhiệm vụ cấp bách hàng đầu.

Mô hình sinh thái trong sản xuất đường tại nhà máy Phổ
Phong:
a).Giới thiệu ehanol:
Ethanol là một ancol có công thức phân tử C
2
H
5
OH
Llà một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn
nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15 độ C), dễ bay hơi (sôi ở nhiệt độ 78,39 độ C),
hóa rắn ở -114,15 độ C, tan trong nước vô hạn, tan trong ete và clorofom, hút ẩm, dễ
cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời.Ứng dụng ưu việt lớn của
ethanol là sử dụng để pha trộn vào xăng là nhiên liệu cho các động cơ .Ethanol được đề
xuất như là một nguồn nhiên liệu thay thế diesel và xăng.
b).Giới thiệu về bã mía
Mía là cây công nghiệp lấy đường quan trọng của ngành công nghiệp
đường. Trong thân mía chứa khoảng 80-90% nước dịch, trong dịch có chứa
khỏang 16-18% đường. Vào thời kì mía già, người ta thu hoạch mía rồi đem ép
láy nước dịch. Nước dịch mía được chế lọc và cô đặc thành đường. Phần nguyên
liệu còn lại sau khi chiết xuất đường được gọi là bã mía. Bã mía chiếm khoảng
25-30% khối lượng mía đem ép. Bã mía có thể làm nguyên liệu đốt lò,. Bã mía còn lại
sau khi ép có thể đốt để sản xuất nhiệt lẫn điện năng.
Ngoài ra, với mục đích thân thiện với môi trường do được làm từ phụ phẩm của nguyên
liệu sản xuất đường, bã mía được sử dụng trong sản xuất nhiên liệu sinh học từ
ethanol,buthanol.
Tuy nhiên, bã mía sau khi được ép thường được nhà máy đem phơi khô rồi đốt cung cấp
nhiệt cho lò đốt động cơ.Như vậy, nguồn nguyên liệu phế phẩm này hiện nay đang sử
dụng không hiệu quả và gây ô nhiêm môi trường.
Bã mía là phần xơ còn lại của thân cây mía sau quá trình ép mía. Bã mía gồm có sợi xơ,
nước và một lượng tương đối nhỏ các chất hòa tan chủ yếu là đường.Thành phần trung

bình của bã mía bao gồm:
-cellulozo:nó là một polysaccarid đồng nhất bao gồm những đơn vị lặp lại
cellobiose.Phân tử cellulozo có dạng mạch thẳng,không xoắn.Độ trùng hợp lên khoảng
2000-14000.
Các đơn vị glucozo trong cấu trúc cellulozo liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-
glucoside.Trong vách tế bào các chuỗi cellulozo xếp song song thành sợi,các sợi
cellulozo hình thành nên các sợi cơ bản.
Cấu trúc phân tử cellulozo
Giữa các chuỗi cellulozo có rất nhiều gốc OH tạo nên rất nhiều liên kết hydro giúp ổn
định các sợi cellulozo ,làm cho sợi cellulozo rất bền vững thủy phân.
Sợi cellulozo có thể kết hợp với nhau một cách chặt chẽ,có trật tự hình thành nên vùng có
cấu trúc tinh thể.Bên cạnh đó cũng có một số sợi cellulozo kết hợp một cách ngẫu nhiên
hình thành nên cấu trúc vô dịnh hình
hemicellulozo : đóng vai trò là chất kết dính các tế bào. Hemicellulozo là một nhóm các
polysaccaide không đồng nhất gồm sự kết hợp của glucozo,mannozo,galacozo…
Hemicellulozo có cấu trúc phân nhánh với những chuỗi ngăn hơn so với cenllulozo.
Độ trùng hợp 150,thấp hơn cellulozo.Ngoài một số hợp phần đường,hemicellulozo có thể
chứa các thành phần khác ở dạng acetyl hoặc uromic acid.Sự phân nhanhstrong cấu trúc
của hemicellulozo tạo điều kiện thuận lợi cho dung môi và các chất hóa học tấn
công.Trong quá trình xử lí nhiệt, hemicellulozo dễ bị phân hủy nhiệt ở 150-230
o
C.
Cấu trúc hemicellulozo
Lignin:được tạo thành từ 3 đơn vị phenylpropan cơ bản:p-coumaryl,sinapyl và conifer.
Cấu trúc của đơn vị phenylpropan
c).Quy trình công nghệ tổng hợp ethanol:
Nguyên liệu(bã xác
mía)
Nghiền nhỏ
Tiền xử lí

Thủy phân
Nấm men Lên men
hình 10:nấm men Saccharomyces
Diễn tả quy trình:
1.Nghiền nhỏ: nguyên liệu được nghiền nhỏ bằng máy nghiền.Vật liệu trong máy nghiền
nhỏ do sự va đập cảu búa vào thành vật liệu và sự chà sát giữa búa và thành máy.Các hạt
vật liệu sau khi nghiền có kích thước nhỏ hơn lỗ lưới sẽ đi ra ngoài,các hạt có kích thước
lớn hơn sẽ tiếp tục nghiền.
Hinh 11:máy nghiền búa
Chưng cất
ethanol
2.Tiền xử lí:nhằm xử lí biomass để phá vỡ cấu trúc lignocellulozo nhằm giúp quá trình
thủy phân xenlulozo tạo ra các monosaccharide diễn ra mạnh mẽ và triệt để.Quá trình tiền
xử lí biomas chịu ảnh hưởng của các yếu tố như:kích thước lỗ xốp,tỉ lệ vùng kết tinh của
xenllulozo.Quá trình tiền xử lí giúp tách loại lignin, tăng khả năng xúc tác trên cấu trúc
phân tử cenllulozo.Bên cạnh đó, quá trình tiền xử lí còn thủy phân hemicellulozo.
Phương pháp nổ hơi bằng áp lực 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 cấc phản ứng thủy phân các liên kết glycosidic
trong nguyên liệu.
Cơ chế
Quá trình nổ hơi nước:
Nước được gia nhiệt và giữ ở áp suất cao trong thiết bị phản ứng. Hơi nước ngưng tụ ở áp
suất cao khuếch tán vào cấu trúc lignocellulozo bị thủy phân.Sau đó một số sản phẩm của
quá trình thủy phân hemicellulozo bị phân hủy thành các acid hữu cơ như acid acetic và
acid uronic.Các acid này lần lượt tham gia vào quá trình phân cắt mạch
hemicellulozo,giải phóng xylozo và một phần glucan.Các vùng vô định hình của
cenlulozo cũng bị thủy phân một phần.
Giảm áp đột ngột:
Sau khi nguyên liệu được đưa vào thiết bị,gia nhiệt và tăng áp đến nhiệt độ và áp suất

nhất định để làm ẩm nguyên liệu,hỗn hợp được ép đưa ra ngoài qua lỗ nhỏ.Ẩm trong
biomass đang ở áp suất cao.Khi hỗn hợp đi ra khỏi thiết bị, áp suất giảm đột ngột.Tại đây
diễn ra quá trình phân cắt nguyên liệu.Quá trình phân cắt nguyên liệu diễn ra dưới tác
dụng cơ học và hóa học.Nước trong nguyên liệu đang ở nhiệt độ và áp suất ca.Áp suất
giảm đột ngột làm giảm nhiệt độ bốc hơi của nước xuống thấp hơn nhiệt đô hiện có của
nguyên liệu.Nước có mặt trong cấu trúc biomass bị bốc hơi.Sự giãn nở của hơi nước tạo
ra lực cắt tác động lên khối nguyên liệu.
A:phản ứng thủy phân tạo hợp chất phenolic
B:phản ưng tạo quinie
C:phản ứng tạo ra hỗn hợp các sản phẩm phụ như phenol, acid carboxylic, oligilignol
Hình 7:quá trình phân hủy lignin điển hình.
-các yếu tố ảnh hưởng:quá trình nổ hơi nước chịu ảnh hưởng lớn tới bởi 2 yếu tố:
Thơi gian lưu: thời gian lưu ảnh hưởng đến sự thủy phân của hemicellulozo.Thời gian
lưu của nguyên liệu trong thiết bị phản ứng càng dài thì hemicellulozo được thủy phân
cang nhiều.Nhưng nếu giữ nguyên liệu ở trong thiết bị quá lâu sẽ dẫn đến sự thủy phân
các sản phẩm thủy phân tạo ra các sản phẩm không cần thiết.Việc thủy phân
hemicellulozo giúp cho quá trình thủy phân hemicellulozo diễn ra thuận lợi hơn.
Nhiệt độ:nhiệt độ môi quan hệ chặt chẽ với áp suất trong thiết bị.Nhiệt đô càng cao thì áp
suất càng cao và ngược lại.Từ đó ảnh hưởng đến lực cắt của ẩm khí hóa hơi.
Hình 12: máy tiền xử lí biomass
3.Thủy phân:mục đích của quá trình thủy phân nguyên liệu là để tạo ra đường làm cơ
chất cho quá trình lên mên tạo thành ethanol .Quá trình thủy phân cần đạt được các yêu
cầu sau:
+thủy phân hemicellulozo,cellulozo tạo ra hàm lượng đường lên men cực đại
+ hạn chế sự phân hủy cacsbohydrat den muc tối đa
+giảm sự hình thành furural và các hợp chất phenolic
+có hiệu quả kinh tế cao.
-quá trình thủy phân acid ban đầu chỉ phá vỡ cấu trúc cellulozo ở một nhất định.
Cơ chế:
-acid xâm nhập vào mạng lưới các vi sợi của biomass.Chất xúc tác chính là các

ionhydrogen có kích thước 4A
0
.Trong khi kích thước lỗ trong vi sợi cho phép các phần tử
có kích thước 51A
0
đi vào.Do đó các ion hydrogen dễ dàng len lỏi vào mạng lưới vi sợi
của cấu trúc biomass.
-xúc tác quá trình thủy phân: ion hydrogen kết hợp với nguyên tử oxy nằm trong cấu trức
mạch vòng của gốc glucozo làm cho nguyên tử này tích điện dương.Sau đó liên kết O-
C
1
bị cắt,phần điện tích dương dich chuyển sang C
1
.Cuối cùng,phân tử cộng hợp nước tạo
ra glucozo.
Cơ chế thủy phân bằng acid.
Sản phẩm của quá trình thủy phân là các đường tan chủ yếu là glucozo,xylozo.Quá trình
thủy phân cũng tạo ra các acid yếu,các furan và phenolic.Đây là những chất bất lợi cho
lên men.
4.Lên men
Bản chất của quá trình lên men là oxy hóa khử.Quá trình này diễn ra trong cơ thể vi sinh
vật dưới tác động của enzyme.Trong các quá trình đó,các nguyên tử cacbon của cơ chất
bị oxy hóa đến CO
2
còn các nguyên tử hydro tách ra khỏi cơ chất,đầu tiên được chuyển
đến NDA,sau đó NADH
2
trong điều kiện yếm khí.Sự tạo thành ethanol từ glucozo phải
qua nhiêu giai đoạn sau đó pyruvate sẽ chuyển thành ethanol theo phương trình
sau:

Sự tạo thành pyruvate.
-vi sinh vật được chọn là nấm men Saccharomyces cerevisiae.Đây là nấm men được dùng
nhiều trong sản xuất ethanol.Nó có nhiều ưu điểm như:hiệu suất coa,ít tạo sản phẩm
phụ,chịu được nồng độ ethanol
Các yếu tố ảnh hưởng:
Nhiệt độ:mỗi vi sinh vật đều có một điều kiên tối ưu nhất cho sư phát triển của
chúng.Đối với nấm men Saccharomyces cerevisiae ,nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 28-
32
0
C.Ở nhiệt độ cao,hoạt tính của nấm men giảm nhanh và dễ bị nhiễm vi sinh vật như vi
khuẩn lactic và nấm men dại.
Độ pH:nồng độ ion H
+
ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nấm mưn.Chúng có khả năng
làm thay đổi diện tích tế bào,làm tăng hoặc giảm nồng độ thẩm thấu cảu chất dinh dưỡng
cũng như chiều hướng cảu quá trình lên men.Trong điêỳ kiện lên men ethanol,pH tối ưu
là 4,5-5.Nếu pH thấp khoảng 3-4 thì nấm mưn bị ức chế.
Nồng độ dich lên men:nếu nồng độ dich đường quá cao sẽ dẫn đến làm tăng áp suất
thẩm thấu và làm mất cân bằng trạng thái sinh lý nấm men.Kết quả là ethanol nhiều sẽ
ức chế không những các tạp chất khuẩn mà cả nấm men.Mặc khác,đường nhiều sẽ kéo
dài thời gian lên men.
Thời gian:cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm.Thời gian
lên men phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ lên men,nồng độ lên men…Thời gian
lên men được tính bắt đầu từ khi cấy chúng lên men vào môi trường lên men,nhưng thời
gian kết thúc thì tùy thuộc vào từng môi trường lên men cụ thể và tủy thuộc vào mục đích
len men mà ta dừng quá trình lên men.
Nồng độ CO
2
trong môi trường: CO
2

được hình thành trong quá trình lên men truef
đường. CO
2
tích tụ lại chỉ làm giảm khả năng sinh sản của nấm men,nhưng không thể làm
cho khả năng lên men của nấm men yếu đi.
Trong môi trường có hàm lượng cao sẽ cản trở CO
2
thoát ra ngoài,dẫn đến ức chế sinh
sản của từng nấm men và sự lên men có hiệu suất thấp. CO
2
nằm trong khoảng không
giữa bề mặt canh trường và không khí bên ngoài có tác dụng kìm chế sự phát triển của
những vi sinh vật hiếu khí gây hại.
Thành phần các chất dinh dưỡng của môi trường lên men:môi trường nuôi cấy cần phải
có đầy đủ các thành phần dinh dưỡng chủ yếu là glucid ở dạng monosaccard và
disaccarid,nito ở dạng acid amin…
Thiết bị: để thực hiện quá trình lên men ta có thể sử dụng thiết bị lên men liên tục.Thiết
bị co cấu tạo như hình vẽ.
Môi trường và giống vi sinh vật được đưa vào qua các ống 3,4,5 để vào bình khuấy trộn
đều trước khi vào thiết bị.Sau đó canh trường nuôi cấy chat vào ông 2 rồi xuống các ống
khuếch tán 8.Đồng thời,thổi không khí vào các ống nằm giữa các ống khuếch tán vào
canh trường.Canh trường dâng lên từ từ trong ống khuếch tán.Sau đó chảy tràn qua các
tấm chắn.
Cấu tạo:1)vỏ thiết bị ;2)ống chảy;3,4,5) ống nhập liệu của môi trường,giống vi sinh
vật; 6)tấm chắn; 7) ống khuếch tán; 8)bộ phận phân phối khí.