Tiểu Luận Sản xuất cồn nhiên liệu từ phụ phẩm nông nghiệp

Công nghệ sản xuất cồn sinh học từ nguồn nguyên liệu
lignocellulose


Nguyên liệu lignocellulose bao gồm cellulose. lignin và hemicellulose là thành
phần chính
Bước 1: Quá trình tiền xử lý nguyên liệu
Nhằm tạo ra một dạng cellulose đơn giản hơn để cho quá trình thủy phân dễ dàng
hơn, các enzyme có thể tiếp xúc tối đa với cơ chất tương thích. Phương thức và hiệu
quả của quá trình tiền xử lý thay đổi nhiều tùy thuộc vào đặc tính cấu trúc của nguồn
nguyên liệu được lựa chọn. Giai đoạn này bao gồm sử dụng cơ học làm giảm kích
thước nguyên liệu và một số phương pháp hóa sinh để loại lignin (lignin là thành
phần không thể chuyển đổi thành ethanol). Rất nhiều phương pháp được sử dụng bao
gồm các phương pháp hóa học trong đó phương pháp xử lý bằng hơi nước kết hợp
xử lý bằng acid/alkali đang được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên xử lý bằng phương
pháp hóa học gây nhiều tốn kém và ảnh hưởng nặng đến môi trường, do đó hiện nay
phương pháp sinh học đang dần được được hoàn thiện để thay thế toàn phần hay sử
dụng kết hợp với các phương pháp hóa học. Bằng cách sử dụng loại nấm như
Cyathus sp, Streptomyces viridosporus, Phelebia tremellosus, Pleurotus florida và
Peurotus cornucopiae có khả năng thủy phân lignin và hỗ trợ một phần thủy phân
nguồn nguyên liệu cellulose. Tuy nhiên, thời gian xử lý kéo dài cũng là một hạn chế
lớn của phương pháp này.

Bước 2: Thủy phân nguồn nguyên liệu bằng tổ hợp enzyme
Quá trình này gây tiêu tốn nhiều chi phí trong giai đoạn sản xuất cồn. Bằng kỹ thuật
di truyền, các nhà nghiên cứu đang hướng đến tạo ra một tổ hợp enzyme có thể thủy
phân nguồn nguyên liệu lignocellulose hiệu quả nhất. Thủy phân hoàn toàn nguồn
lignocellulose cần có những sự chuyển đổi các nhóm polysaccharide sau:

-glucosidase tạo ra sản phẩm cuối cùng là glucose.β-(1-4) glycoside. Quá trình thủy
phân bằng tổ hợp enzyme cellulase bao gồm cellobiohydrolase (exoglucanase),
endoglucase và β-D-glucose thông qua liên kết β Chuyển đổi cellulose: Cellulose là
loại polysaccharide đồng hình được cấu thành từ các đơn phân
-L-arabinofuranosidase. α-glucuronidase và α-xylosidase, β-xylanse, β Chuyển đổi
hemicellulose: hemicellulose là thành phần dồi dào nhất thứ 2 trong nguồn nguyên
liệu lignocellulose (25-30%). Hemicellulose là một loại polymer dị hình được tạo
bằng các đơn phân pentose (D-xylose, D-arabinose), đơn phân hexose (D-mannose,
D-glucose, D-galactose) và các acid đường. Xylan là thành phần thường thấy trong
các thân gỗ cứng, tuy nhiên glucomanan lại là thành phần chính trong các loại thực
vật thân mềm. Tổ hợp enzyme để thủy phân hemicellulose cũng rất phức tạp. Ví
dụ để thủy phân xylan thì tổ hợp enzyme cần thiết là endo-1,4- Chuyển hóa pectin:
pectin là thành phần chiếm thứ 3 trong nhóm polysaccharide cấu thành nên vách tế
bào thực vật. Tương tự pectin cũng có thể được chuyển hóa thành các dạng
đườnghòa tan, ethanol hay biogas. Một số enzyme liên quan để thủy phân pectin như:
polymethylgalacturanosidase, exopolygalacturonase và exopolygalacturanosidase
hydrolase. Nguồn enzyme được sử dụng phổ biến hiện nay là từ Trichoderma reesei
vàAspergillus niger. Hiện nay, người ta đang thay thế dần các hệ enzyme chịu nhiệt,
chịu các điều kiện hóa học quá hạn. Hơn hết là các nghiên cứu về phức hợp
cellulosome của các vi khuẩn kỵ khí đang dần mở ra một con đường
mới nhằm tăng hiệu quả thủy phân của tổ hợp trên các loại nguyên liệu
lignocellulose.

Bước 3: Lên men cồn từ hỗn hợp đường hòa tan
Để sản xuất một lượng cồn lớn, thì việc lựa chọn một chủng nấm men thích hợp là
rất cần thiết. Những giống nấm men thường được sử dụng trong công nghiệp sản
xuất cồn như Saccharomyces spp mà hiện tại một số loài như S.Cerevisiea hay
S.unvarum là giống có khả năng tạo độ cồn cao (12-13%), hay đặc biệt S.oviformis
có khả năng tạo độ cồn 18% đặc biệt loài nấm men này có khả năng lên men được rất
nhiều đường khác nhau như glucose, manose, saccharose, maltose và rafinose, tuy

nhiên không có khả năng lên men galactose. Ngoài ra còn có Zymononas mobilis
cũng thường được sử dụng trong quá trình rượu hóa. Tuy nhiên cả Saccharomyces và
Zymononas sp đều thiếu hoàn toàn khả năng chuyển hóa các loại đường pentose.
Khuynh hướng biến đổi gen của 2 giống này nhằm giúp biểu hiện khả năng chuyển
hóa 2 loại đường pentose phổ biến nhất là D-xylose, và L – arabinose cũng đã được
phát triển nhiều. Gần đây, người ta phát hiện thấy có một số loài nấm men như Pichia
stipitis, Candida shehatae và Pachyhysolen tannophillus là những chủng có khả năng
chuyển hóa xylose mạnh và đã được dùng trong sản xuất ethanol. Trong đó P. stipilis
lại nổi bật bởi khả năng sản xuất hàm lượng cồn cao và nhu cầu dinh dưỡng của
chúng không quá phức tạp so với các giống nấm men khác.Ngoài ra, các chủng chịu
nhiệt độ cao như G. thermoglucosidasius, T.mathranii và T. saccharolyticum cũng
đang được sử dụng. Quá trình lên men cồn của chúng có nhiều lợi ích hơn các quá
trình chuyển hóa xảy ra ở nhiệt độ trung bình. Chúng có khả năng lên
men không chỉ đường pentose, hexose mà còn có khả năng lên men cellobiose, thậm
chí trong một số trường hợp những cơ chất polycarbonhydrate phức tạp như
cellulose. Quá trình lên men ở nhiệt độ cao giúp quá trình thu hồi sản
phẩm dễ dàng hơn, bởi vì ethanol có chứa nước (aqueous ethanol) sẽ bốc hơi tại nhiệt
độ 50 độ C, đồng thời giảm nồng độ cồn trong bồn lên men nhằm giảm thiểu ảnh
hưởng ngược lại của nồng độ cồn đến sự phát triển của tế bào, từ đó giảm được chi
phí sản xuất.

Bước 4: Chưng cất- khử nước
Quá trình tách nước và tinh sạch ethanol để đáp ứng đặc điểm kỹ thuật của nhiên liệu

Tóm lại, sự biến đổi phế liệu nông nghiệp thành các nguồn nhiên liệu cụ thể là
ethanol còn là thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất. Các chủng cần
được cải tiến để tăng cường tổng hợp tổ hợp enzyme thủy phân hiệu quả hay tăng
cường khả năng chuyển hóa nhiều dạng đường thành ethanol bằng các kỹ thuật biến
đổi gen, biến đổi quá trình trao đổi chất nên cần được phát triển để tạo ra nguồn năng
lượng chi phí thấp mà vẫn không ảnh hưởng đến môi trường

trong tương lai.
Giai đoạn chưng cất cồn thô sang cồn tinh khiết
Chưng cất được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học và có khả năng
tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc
hoàn toàn. Hỗn hợp cần chưng cất là etanol-nước.
Để cho qúa trình chưng cất được liên tục cần cho hỗn hợp đi vào phân li tiếp
xúc trực tiếp với luồng hơi có nộng độ cấu tử khó bay hơi lớn hơn so với dung dịch.
Do đó trong hệ thống thiết bị để chưng cất liên tục, tháp gồm hai phần đoạn chưng và
đoạn luyện.
Ơ đoạn chưng của tháp xảy ra: cấu tử dễ bay hơi được tách ra khỏi chất lỏng
chảy ở trên xuống, còn ở đoạn cất thì hơi đi lên càng giàu cấu tử dễ bay hơi.
Hệ thống thiết bị chưng cất (xem sơ đồ) :
Hỗn hợp etanol-nước có nồng độ 35%(khối lượng) etanol tại bình chứa 3 có
nhiệt độ 25
0
C được bơm vào thiết bị gia nhiệt 2. Ở đó hỗn hợp được làm nóng lên
đến nhiệt độ sôi của nhập liệu (t
F
=83.8
o
C), sau đó được đưa vào tháp chưng cất. Từ
thiết bị gia nhiệt, hỗn hợp đi vào tháp chưng cất 1, ở đĩa nhập liệu (đĩa trên cùng của
đoạn chưng). Tại đây qúa trình chưng cất xảy ra.
Trên đĩa nhập liệu , chất lỏng được trộn lẫn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp
chảy xuống. Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống. Hơi từ đĩa
dưới đi vào các ống hơi của các chóp, vào trục qua lớp chất lỏng, một phần chóp
ngập vào chất lỏng , chóp có răng cưa , hơi đi qua đó, tạo thành những tia rất nhỏ để
làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa hơi và lỏng. Vì nhiệt độ càng lên trên càng thấp nên
phần dưới là cấu tử có nhiệt độ bay hơi cao. Trên đỉnh, ta thu được hỗn hợp hơi gồm
etanol chiếm tỉ lệ cao. Hơi đó đi vào thiết bị ngưng tụ 7 và được ngưng tụ hoàn toàn,

thiết bị ngưng tụ với chất làm lạnh là nước, nhiệt độ vào là 25
o
C , nhiệt độ ra là 45
o
C
Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm 4, phần còn lại
của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với chỉ số hồi lưu R= 2.5
Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn , một phần cấu tử có
nhiệt độ sôi thấp : etanol được bốc hơi ra do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong
chất lỏng ngày càng tăng và cuối cùng ở đáy thápthu được hỗn hợp lỏng hầu hết là
nước. Dung dịch lỏng ở đáy tháp ra khỏi tháp một phần dược đưa vào thiết bị nồi hơi
để đung bốc hơi cung cấp cho tháp, một phần qua thết bị làm nguội sau đó đưa vào
bình chứa.
Hệ thống làm việc liên tục cho etanol ở đỉnh tháp
Sơ đồ tháp chưng cất liên tục cho ethanol ra ở đỉng tháp
Ethanol tinh khiết(99,6%)