Thiết kế nhà máy sản xuất Bio etanol từ sắn lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu ngày

Đồ án tốt nghiệp

-1-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

MỞ ĐẦU
Theo các chuyên gia, thế giới đang phải đối mặt với nhiều vấn đề rất cấp bách
trong đó năng lượng và ô nhiễm là hai vấn đề quan trọng cần giải quyết nhanh
chóng. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền đại công nghiệp thì lượng năng
lượng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn. Trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch
đang ngày càng cạn kiệt, theo như dự báo của các nhà khoa học thì trữ lượng xăng
dầu của toàn thế giới chỉ đủ cho khoảng 50 năm nữa.
Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng thay thế và thân thiện với môi trường rất
quan trọng và cần thiết. Trong nhiều loại nhiên liệu được nghiên cứu thì bio –
etanol nổi lên như là một điểm sáng vì nó đáp ứng được nhiều tiêu chuẩn như dễ
sản xuất, giá thành thấp và thân thiện với môi trường. Bio – etanol được sử dụng
như một phụ gia để pha vào xăng tạo thành một loại nhiên liệu được gọi là
“gasohol”. Ngoài ra bio – etanol còn được ứng dụng trong nhiều ngành khác như
dược phẩm, hóa chất, mỹ phẩm, … và nhiều ứng dụng trong đời sống hàng ngày,
đem lại nhiều lợi ích kinh tế góp phần vào nền công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất
nước.
Đây là một hướng phát triển mới và đầy triển vọng của ngành công nghiệp vì
việc sử dụng cồn thay thế một phần cho xăng sẽ làm giảm bớt sự ô nhiễm môi
trường, để tiết kiệm năng lượng của các loại động cơ.
Ngành công nghiệp thực phẩm là ngành khoa học kĩ thuật đóng một vai trò
quan trọng trong nền kinh tế quốc dân và nó giải quyết những nhu cầu cần thiết về
cuộc sống của con người. Những năm gần đây, ngành công nghiệp thực phẩm đã có
nhiều khởi sắc và đặc biệt Việt Nam là nước nông nghiệp, có thế mạnh về trồng trọt
trồng cây lương thực như lúa, ngô, khoai, sắn, … chính là nguồn nguyên liệu chính
để sản xuất bio – etanol.

Nắm bắt được tình hình, xu hướng phát triển và nhu cầu ngày càng lớn về
nguồn nhiên liệu sinh học này, tôi được giao nhiệm vụ: “Thiết kế nhà máy sản
xuất Bio - etanol từ sắn lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu /ngày”
Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-2-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

Chương 1

LẬP LUẬN KINH TẾ KỸ THUẬT
1

Đặt vấn đề
Nếu trước đây cồn được sử dụng với mục đích cồn pha với nước thành rượu

để uống, chế biến thức ăn, chế biến các loại hương hoa quả, trong y tế cồn được
dùng để sát trùng, sản xuất dược phẩm, ... thì hiện nay cồn tuyệt đối (≥ 99,5%V)
còn dùng để thay thế một phần nhiên liệu cho các động cơ. Để sản xuất cồn nhiên
liệu đòi hỏi công nghệ và thiết bị hiện đại do đó khi thiết kế một nhà máy cần phải
chú ý đến việc lựa chọn công nghệ, trang thiết bị và địa điểm xây dựng thích hợp.
2

Tính khả thi
Cồn có thể thay thế 20÷22% trong tổng lượng xăng thành "gasohol" sử dụng

trong các phương tiện dùng động cơ xăng, hạn chế sự ô nhiễm, mặt khác nguồn
nguyên liệu sản xuất cồn dồi dào. Từ đó cho thấy việc xây dựng thêm một nhà máy
sản xuất bio-etanol với quy mô công nghiệp, hiện đại là có tính khả thi.
3

Vị trí xây dựng
Địa điểm chọn để xây dựng nhà máy thuộc địa phận xã Quế Cường, huyện

Quế Sơn, tỉnh Quảng Nam gần với các tỉnh Quảng Ngãi, Kon Tum, … Cách quốc
lộ 1A khoảng 2km về phía Tây, cách thành phố Tam Kỳ 30km về phía Tây Bắc,
cách thành phố Đà Nẵng 40km về phía Tây Nam, cách sân bay Chu Lai, cảng Kỳ
Hà 70km về phía Bắc rất thuận lợi cho việc vận chuyển hàng hóa qua đường hàng
không, đường thủy, đường sắt và đường bộ. Huyện Quế Sơn phía Đông giáp
huyện Thăng Bình; phía Tây giáp huyện Nông Sơn; phía Nam giáp huyện Hiệp
Đức; phía Bắc giáp huyện Duy Xuyên [11].
4

Đặc điểm tự nhiên
Quảng Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, chỉ có 2 mùa là mùa mưa và

mùa khô, chịu ảnh hưởng của mùa đông lạnh miền Bắc. Nhiệt độ trung bình năm
25,40C. Độ ẩm trung bình trong không khí đạt 84%. Lượng mưa trung bình
2.000÷2.500mm. Hướng gió chủ đạo là hướng Đông Nam [11].
Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa

lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

5

-3-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

Nguồn nguyên liệu và nguồn nhân lực
Cồn được sản xuất bằng nguyên liệu là tinh bột hay rỉ đường để đảm bảo về

giá thành sản phẩm. Quảng Nam là vùng nông nghiệp chủ đạo, trong đó cây sắn
luôn có sản lượng cao với nguồn nguyên liệu dồi dào. Bên cạnh đó, giá thành của
sắn lại rẻ hơn nhiều so với các loại tinh bột khác như ngô, gạo, ... Bởi vậy khi dùng
sắn làm nguyên liệu cho nhà máy sản xuất là hợp lý. Khi dùng sắn để sản xuất, để
đảm bảo nguyên liệu cho nhà máy làm việc liên tục thì dùng sắn lát khô, vì dùng
sắn lát khô có thể chủ động dự trữ nguyên liệu khi vào mùa sắn để cung cấp cho
những vụ trái mùa. Nguyên liệu cung cấp chính cho nhà máy ở xã Quế Cường,
ngoài ra còn có các vùng lân cận ở huyện Quế Sơn, Đại Lộc, Thăng Bình, Nông
Sơn, tỉnh Kon Tum, tỉnh Quảng Ngãi, ...
Diện tích đất nông nghiệp lớn và phần lớn lao động làm trong lĩnh vực nông
nghiệp, bên cạnh đó các chính sách của ủy ban nhân dân tỉnh tập trung vùng nguyên
liệu chuyên canh, tăng cường thâm canh, canh tác (huy động đội ngũ cán bộ, kĩ
thuật lớn). Ở đây chắc chắn sẽ trở thành nguồn nguyên liệu ổn định và vững mạnh.
Quảng Nam có lực lượng lao động dồi dào, với trên 887.000 người (chiếm
62% dân số toàn tỉnh), trong đó lao động ngành nông nghiệp chiếm 61,57%, ngành

công nghiệp và xây dựng là 16,48% và ngành dịch vụ là 21,95% [11].
6

Giao thông
Giao thông vận tải là vấn đề quan trọng, là phương tiện dùng để vận chuyển

một khối lượng lớn nguyên vật liệu xây dựng nhà máy, vận chuyển nguyên liệu và
sản phẩm của nhà máy đảm bảo cho nhà máy hoạt động thuận lợi, liên tục. Quảng
Nam là đầu mối giao thông quan trọng giữa các vùng, nhà máy sử dụng tuyến quốc
lộ 1A và đường giao thông nông thôn đã được phát triển và nâng cấp.
7

Nguồn cung cấp điện - nước
Nguồn cung cấp điện cho nhà máy sản xuất lấy từ lưới điện quốc gia. Ngoài ra

còn sử dụng nguồn điện từ trạm điện của nhà máy (máy phát điện dự phòng) nhằm
đảm bảo sản xuất liên tục khi không sử dụng được lưới điện quốc gia.
Trong quá trình sản xuất nhà máy cồn sử dụng rất nhiều nước cung cấp lò hơi,
Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-4-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

làm nguội máy móc, vệ sinh thiết bị, sinh hoạt, … lượng nước nhà máy sử dụng
lớn. Sử dụng nguồn nước từ mạch nước ngầm qua các giếng khoan và nước máy từ
thành phố. Nước này qua hệ thống xử lý, kiểm tra các chỉ tiêu như vi sinh vật, độ
cứng, nồng độ chất hữu cơ, vô cơ, … đạt yêu cầu mới đưa vào sử dụng.
8

Xử lý nước
Trong nhà máy cồn có một lượng lớn nước thải: nước thải trong quá trình sản

xuất, nước vệ sinh các thiết bị, nước thải sinh hoạt, … có độ nhiễm bẩn lớn bao
gồm rất nhiều chất tồn tại dưới các dạng khác nhau, là môi trường thuận lợi cho vi
sinh vật phát triển, nếu thải ra môi trường mà không qua xử lý sẽ ảnh hưởng đến
sức khoẻ công nhân, môi trường khu dân cư xung quanh nhà máy. Do đó nước thải
của nhà máy phải tập trung lại và xử lý trước khi đổ ra sông theo đường cống riêng
của nhà máy.
9

Thị trường tiêu thụ
Quảng Nam cách thủ đô Hà Nội 860km về phía Bắc, cách thành phố Hồ Chí

Minh 865km về phía Nam. Phía Bắc giáp tỉnh Thừa Thiên Huế và thành phố Đà
Nẵng; phía Nam giáp tỉnh Quảng Ngãi; phía Tây giáp tỉnh Kon Tum và nước Cộng
hòa Dân chủ Nhân dân Lào; phía Đông giáp biển Đông. Với vị trí thuận lợi trên,
lượng cồn sản xuất ra sẽ được phân bố trên khắp cả nước, làm nguyên liệu cho
ngành công nghiệp thực phẩm, cho hầu hết người tiêu dùng trên cả nước và cho
xuất khẩu sang các nước khác.

Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy

Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-5-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

Chương 2

TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU, SẢN PHẨM VÀ
PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT
1
1

1
Tổng quan về nguyên liệu
Sắn
Giới thiệu về sắn
Sắn có tên khoa học là Manihot utilissima Pohl, một cây lương thực quý của
các nước ở vùng nhiệt đới Châu Á, Châu Phi, Châu Mỹ. Sắn là một cây dễ trồng có
thể thích hợp với đất đồi gò, sản lượng sắn tương đối cao và ổn định, năng suất
trung bình đạt 8÷10 tấn/ha, có nơi đạt 30÷40 tấn/ha. Củ sắn nhiều tinh bột nên sản
lượng tinh bột trên một đơn vị diện tích canh tác khá lớn so với nhiều loại cây trồng
khác. Ở Việt Nam, sắn được trồng ở khắp nơi từ Bắc tới Nam, được trồng nhiều ở
vùng đồi núi trung du, thượng du hơn là đồng bằng [3, tr 36].

Trong công nghệ sản xuất tinh bột, phân thành là sắn đắng và sắn ngọt. Sắn
đắng có hàm lượng axit xyanuahydric cao, ăn bị ngộ độc, hàm lượng tinh bột cũng
cao, không dùng ăn tươi màHình
chỉ2.1.
để Cây
sảnsắn
xuất
bộtsắn
và[12]
sắn lát. Sắn ngọt có hàm lượng
và củ
axit xyanuahydric thấp, hàm lượng bột cũng thấp hơn, dễ chế biến và sử dụng.
2

Cấu tạo của sắn
Cấu tạo của sắn gồm có (nếu cắt ngang củ sắn):
+ Vỏ bao (vỏ gỗ) cấu tạo chủ yếu là xenluloza. Vỏ gỗ có tác dụng bảo vệ củ khỏi tác
động của bên ngoài và hạn chế mất nước của củ. Bản thân vỏ củ cứng nhưng liên
kết không bền với vỏ cùi, do đó dễ mất khi thu hoạch, vận chuyển. Tỷ lệ vỏ phụ
thuộc vào giống sắn, độ già và khối lượng củ - thường vào khoảng 1,5÷2%.
Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-6-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

+ Vỏ cùi dày khoảng 1÷3mm và chiếm khoảng 8÷15% khối lượng củ. Vỏ cùi gồm tế
bào mô cứng phủ ngoài. Thành phần lớp này cũng chủ yếu là xenluloza, hầu như
không chứa tinh bột nhưng chứa nhiều dịch bào (mủ sắn). Trong thành phần dịch
bào có chứa các polyphenol. Tiếp theo là lớp tế bào mô mềm, lớp này ngoài dịch
bào còn chứa khoảng 5% tinh bột. Các polyphenol, enzim và linamarin có tác dụng
bảo vệ củ phát triển bình thường trước thu hoạch, nhưng khi đào bới củ khỏi đất
chúng lại gây trở ngại cho quá trình bảo quản và chế biến. Tổng lượng polyphenol
trong sắn chiếm 0,1÷ 0,3%, trong đó có đến 85÷90% tập trung ở vỏ củ.
+ Thịt sắn chứa nhiều tinh bột, protein và các chất dầu. Đây là phần dự trữ chủ yếu
các chất dinh dưỡng của củ. Các chất polyphenol, độc tố và enzyme chứa ở thịt củ
tuy không nhiều chỉ 10÷15% so với thành phần của chúng có trong củ nhưng vẫn
gây trở ngại khi chế biến như làm biến màu, sắn bị chảy mủ sẽ khó thoát nước khi
sấy hoặc phơi khô.
+ Lõi sắn nằm ở trung tâm củ, dọc suốt chiều dài của củ. Thành phần chủ yếu là
xenluloza. Lõi sắn có chức năng dẫn nước và các chất dinh dưỡng giữa cây và củ,
đồng thời giúp thoát nước khi sấy hoặc phơi khô [5, tr 21-22].
3

Thành phần hóa học của sắn
Thành phần của củ sắn tươi dao động trong giới hạn khá lớn: tinh bột
20÷34%, protein 0,8÷1,2%, chất béo 0,3÷0,4%, xenluloza 1÷3,1%, polyphenol
0,1÷0,3%, chất tro 0,54% và nước 60÷74,2%. Ngoài các chất kể trên trong sắn còn
chứa một số vitamin, độc tố. Trong các vitamin thì vitamin B 1 và B2 mỗi loại chiếm
0,03mg%, còn B6 chiếm 0,06mg%. Các vitamin này sẽ mất một phần khi chế biến
nhất là khi nấu [5, tr 22-23].
Chất độc có trong sắn ngày nay đã được nghiên cứu và xác định tương đối rõ
đó chính là HCN tồn tại dưới dạng phazeolunatin C 10H17NO16 gồm hai glucozit

linamarin và lotaustralin. Bình thường phazeolunatin không độc nhưng khi thủy
phân thì các glucozit này sẽ giải phóng axit HCN gây độc.
Trong sắn khô có 73,3% là tinh bột; 13,12% là nước và còn lại là các chất
khác. Lượng axit xyanhydric trong sắn khoảng 0,007÷0,24% thường tập trung ở vỏ
Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-7-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

[3, tr 36].
Hàm lượng amyloza trong tinh bột chiếm sắn chiếm tới 30% và trọng lượng
phân tử của amylopectin gần bằng trọng lượng phân tử của amyloza.
Chính do cấu tạo hai thành phần trong tinh bột sắn có tỷ lệ amyloza cao và
phân tử lượng amylopectin không lớn, hàm lượng tinh bột trong sắn cao, chất béo ít,
nên sắn dùng trong sản xuất cồn bằng phương pháp mycomalt là rất tốt, năng suất
và hiệu suất thu hồi cao, lượng hơi nhiệt giảm 15÷20% so với ngô. Tuy nhiên do
sắn thiếu dinh dưỡng nên trong quá trình lên men phải bổ sung thêm nguồn đạm và
lân ở dạng vô cơ hoặc hữu cơ.
2

Nước
Trong công nghiệp sản xuất cồn, nước được sử dụng rộng rãi với nhiều mục

đích như nước dùng để xử lí nguyên liệu, nấu nguyên liệu, làm nguội bán thành
phẩm và thành phẩm, vệ sinh thiết bị, cấp nước cho lò hơi, … Ngoài ra, nước còn
dùng cho sinh hoạt, chữa cháy trong khu vực sản xuất. Nguồn nước cung cấp cho

3
1

-

nhà máy sản xuất cồn là nước ngầm hay nước máy từ thành phố [3, tr 41-44].
Chất lượng nước phải đảm bảo các yêu cầu:
Trong suốt, không màu, không mùi, độ cứng không quá 7mgЭ/l.
Khả năng oxy hóa 1 lít nước không quá 2ml KMnO4 0,01N.
Chất cặn không vượt quá 1000mg/lít, không có muối kim loại nặng Hg, Ba, ...
Hàm lượng các muối không vượt quá yêu cầu (mg/l): Cl - ≤ 0,5mg/l; SO42- ≤ 80mg/l;

-

NO3- ≤40mg/l.
Không cho phép có NH3 và muối của axit nitric (HNO3).
Nấm men
Đặc tính chung của nấm men
Nấm men (Yeast, levure) là tên chung để chỉ nhóm nấm thường cấu tạo đơn
bào, sinh sản bằng cách nảy chồi. Nấm men sống đơn độc hay từng đám không di
động, phân bố rộng rãi trong tự nhiên như trong đất, thực phẩm, lương thực, hoa
quả, … Nấm men xuất hiện nha bào chỉ khi môi trường quá nghèo hoặc trong điều
kiện nuôi cấy không thuận lợi [3, tr 206].
Trong thực tế sản xuất có thể nhận biết được tế bào nấm men trẻ, trưởng
thành, già và chết bằng hình thái vật lý qua kính hiển vi kết hợp với nhuộm màu.
Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn

SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-8-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

Nấm men sử dụng trong thùng lên men lúc tế bào đang thời kì trưởng thành. Trong
một thị trường (vòng kính) thường gồm tất cả các loại tế bào, nên phương pháp
nhanh và tương đối chính xác là nhuộm màu bằng phương pháp xanh metylen. Tế
bào trẻ không bắt màu trong sáng, tế bào già màu xanh nhạt đều từ nguyên sinh chất
đến màng tế bào, tế bào chết bắt màu xanh đậm và màng tế bào rõ nét hơn.

2

Chọn chủng nấm men
Khi chọn một chủng
nấm men đưa vào sản xuất phải có tính chất cơ bản sau:
Hình 2.2. Nấm men Saccharomyces cerevisiae
+ Tốc độ phát triển nhanh. Lên men được nhiều loại đường khác nhau. Chịu
được nồng độ lên men cao, đồng thời ít bị ức chế bởi những sản phẩm của sự lên
men, tức là lên men đạt nồng độ rượu cao.
+ Thích nghi với điều kiện không thuận lợi của môi trường, đặc biệt là đối với
chất sát trùng. Với Việt Nam, đòi hỏi lên men ở nhiệt độ tương đối cao (≥35oC).
Để có được một chủng nấm men thỏa mãn các yêu cầu trên, thường phải trải

qua thời gian tuyển chọn, thuần hóa, đột biến, lai ghép, ... lâu dài, công phu và phức
tạp. Để sản xuất cồn từ nguyên liệu tinh bột có thể dùng các chủng nấm men sau:
Nấm men chủng II (Saccharomyces cerevisiae Rasse II): sinh sản trong môi
trường nước đường thường tụ lại thành đám, sau một thời gian ngắn lắng xuống.
Đặc điểm của loại này trong tế bào có chứa nhiều hạt glycogen, không bào lớn, hình
thành bào tử nội sinh ít và chậm, sinh bọt nhiều và thích nghi ở độ axit thấp, có sức
kháng cồn cao. Không lên men được đường lactoza. Kích thước tế bào 5,6÷7µm.
Nấm men chủng XII (Saccharomyces cerevisiae Rasse XII): tốc độ phát triển
nhanh sau 24 giờ, 1 tế bào có thể phát triển được 55 tế bào mới. Không bào nhỏ, ít
sinh bọt, tế bào hình trứng hoặc tròn, kích thước vào khoảng 5÷8µm. Lên men ở
nhiệt độ cao và lên men được các đường glucoza, fructoza, saccaroza, maltoza và
1/3 đường raffinoza, không lên men đường galactoza. Có thể lên men đạt 13% rượu
Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-9-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

trong môi trường. Thuộc loại men nổi, được phân bố rất đều trong toàn bộ dịch lên
men, không tạo thành đám trắng.
Nấm men men thuốc bắc Việt Nam: phân lập từ men thuốc bắc, tế bào hình
bầu dục, kích thước 3÷5×5÷8µm. Là những nấm men đa bội nên có thể hình thành
2÷4 bào tử trong một tế bào. Có khả năng lên men được đường glucoza, fructoza,

galactoza, saccaroza, maltoza. Lên men được ở nhiệt độ cao (39÷40 0C), chịu được
độ axit tương đối cao 1÷1,50 nồng độ có thể đạt từ 12÷14%. Đặc biệt qua nhiều năm
thuần hóa, nấm men này đã phát triển và lên men tốt ở môi trường có 0,02÷0,025%
chất sát trùng Na2SiF6 [3, tr 209-210].
4

Chất hỗ trợ kĩ thuật
1

Các hóa chất

− Axit sunfuric có tác dụng điều chỉnh pH môi trường, tiêu diệt vi sinh vật lạ trong
quá trình đường hóa.
− Ure: đảm bảo lượng đạm cho nấm men sinh trưởng, phát triển tạo ra nhiều rượu.
− Nhóm các hóa chất xử lý nước như: Than hoạt tính, hạt nhựa,…
− Hóa chất sát trùng như Na2SiF6 bổ sung trong quá trình lên men để hạn chế và ngăn
chặn sự nhiễm khuẩn trong quá trình lên men.
2

Chế phẩm enzim amylaza
Trong công nghệ sản xuất cồn, enzim xúc tác cho quá trình thủy phân tinh bột

thành đường lên men khá quan trọng, các enzim này thuộc loại amylaza. Enzim
amylaza của hãng Novo (Đan Mạch): termamyl 60L, fugamyl 800L và
spiritamylaza Novo 150L được sản xuất từ các vi sinh vật không gây bệnh trong
điều kiện vệ sinh cao, sự lựa chọn, sàng lọc gắt gao. Các Novo amylaza này thường
được tinh chế, cô đặc và tiêu chuẩn hóa ở dạng lỏng để có hoạt độ cao. Các enzim
này có thể lưu trữ 6 tháng mà không có những biến đổi nào về đặt tính trong điều
kiện bảo quản nhỏ hơn 250C. Enzim này được sử dụng tăng hiệu suất đường hóa.
+ Termamyl 60L: enzim α-amylaza cô đặc ở dạng lỏng hoạt động ổn định cao, thủy

phân tinh bột thành dextrin giống như α-amylaza của malt. Termamyl 60L xúc tác
tốt trong quá trình thủy phân ở pH = 5. Nhiệt độ thích hợp 900C.
+ Fungamyl 800L: enzim α-amylaza cô đặc dạng lỏng. Nhiệt độ tối thích 60÷65 0C,
Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-10-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

hoạt động ở pH = 4,5, nó xúc tác quá trình thủy phân tinh bột thành dextrin giống
như các α-amylaza khác nhưng có một lượng lớn mantoza tạo thành.
+ Spiritamylaza Novo 150L: glucoamylaza lỏng cô đặc, sử dụng thủy phân tinh bột.
Enzim này thủy phân tinh bột hoàn toàn thành các đường lên men không có các
dextrin trong sản phẩm thủy phân. Nó giữ được hoạt tính và ổn định bền vững ở pH
thấp pH = 3 tại 600C.
2
1
1

Tổng quan về sản phẩm bio – etanol

Tính chất của etanol
Tính chất vật lý

Etanol là chất lỏng không màu, nhẹ hơn nước và có mùi thơm đặc trưng, vị
cay, sức hút ẩm mạnh, dễ bay hơi. Etanol hòa tan trong nước ở bất cứ tỷ lệ nào kèm
theo hiện tượng tỏa nhiệt và co thể tích. Etanol hòa tan được nhiều chất vô cơ như:
CaCl2, MgCl2, SiCl4, KOH, … và nhiều chất khí: H2, N2, O2, NO, SO2, H2S, CO, …
nhưng không hòa tan được tinh bột, disaccarit, …
Các thông số vật lý của etanol nguyên chất: tỷ trọng d420–0,7894, d415–0,79425,
d40–0,806, phân tử lượng 46,03, nhiệt độ sôi 78,32 0C ở áp suất 760mmHg, nhiệt độ
bắt lửa 120C, nhiệt dung 0,548 (ở 00C), 0,615 (ở 200C) và 0,769 (ở 600C). Năng suất
tỏa nhiệt 6642÷7100 kcal/kg. Nhiệt độ đóng băng – 1170C.
Khi chưng cất hỗn hợp dung dịch có nồng độ 95,57% etanol và 4,43% nước thì
điểm sôi chung là 78,150C và gọi là điểm đẳng phí. Điều đó cũng có nghĩa là biện
pháp chưng cất không thể thu được rượu có nồng độ cao hơn 95,57 %V [3, tr 12].

2

Tính chất hóa học
− Tác dụng với oxi, tùy theo cường độ tác dụng với rượu mà sản phẩm khác nhau.
2C2H5OH + O2
2CH3CHO + H2O
(nhẹ)
C2H5OH + O2
CH3COOH + H2O
(đủ)
C2H5OH + O2
2CO2 + 3H2O + 326 kcal (mạnh)
− Tác dụng với kim loại kiềm và kiềm thổ, trong trường hợp này etanol được coi như
là axit yếu và có phản ứng với kim loại kiềm và kiềm thổ tạo muối alcolat.
2C2H5OH + 2M

2 C2H5OM + H2á (alcolat kiềm)

− Tác dụng với NH3, ở nhiệt độ 2500C và có xúc tác, etanol tác dụng với NH 3 tạo
thành amin: C2H5OH + NH3

C2H5NH2 + H2O

Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-11-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

− Tác dụng với axit, etanol tác dụng với axit tạo thành este phức tạp.
C2H5OH + CH3COOH
C2H5OH + HNO3
2
1

CH3COOC2H5 + H2O
C2H5NO3 + H2O [3, tr 13]

Cồn nhiên liệu
Lịch sử phát triển

Từ những năm 20 của thế kỉ XX cồn đã được nghiên cứu, sử dụng làm nhiên
liệu thay thế cho xăng dầu. Tuy nhiên với việc phát hiện ra các mỏ dầu có trữ lượng
lớn cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp lọc hóa dầu đã tạo ra
sản phẩm xăng dầu chất lượng cao, giá thành hạ làm cho cồn nhiên liệu đẩy lùi.
Năm 1973, cuộc khủng hoảng năng lượng làm vấn đề dùng cồn nhiên liệu được đề
cập nhưng đến đầu thế kỉ XXI hướng phát triển cồn nhiên liệu mới được ưu tiên
phát triển nhưng nó vẫn đóng vai trò thứ yếu so với các nhiên liệu hóa thạch, nhưng
tương lai nó sẽ là nguồn năng lượng chính khi dầu mỏ cạn kiệt. Hiện nay Mỹ, Tây
Âu, Brasil, Trung Quốc, Nhật Bản là các nước sản xuất cồn nhiên liệu nhiều nhất.
2

Yêu cầu về chất lượng
Cồn khan 99,5% trở lên được sử dụng làm nhiên liệu giúp cho các động cơ có

thể hoạt động được, tuy nhiên nó có nhiều đặc tính như ăn mòn kim loại, làm hư các
chi tiết cao su hay nhựa trong động cơ nên nếu không cải tiến động cơ thì không thể
thay thế hoàn toàn xăng bằng cồn khan để chạy động cơ.
Đối với ôtô, xe gắn máy thông thường chỉ được sử dụng xăng pha cồn với
nồng độ tối đa là 10% (xăng E10). Với xăng E10 không cần cải tiến hay thay đổi
động cơ mà có thể chạy hoàn toàn bình thường so với việc dùng 100% xăng. Cồn
pha xăng ngày nay đã được tiêu chuẩn hóa về chất lượng, tùy quốc gia quy định.
3

Các phương pháp pha cồn vào xăng
Cồn có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho vào động cơ ở nhiều dạng khác

nhau, cụ thể là pha lẫn với xăng với tỷ lệ nào đó hoặc sử dụng 100% cồn. Qua việc
thử nghiệm trên các loại động cơ với nhiên liệu có cồn kết quả cho thấy nếu tỉ lệ
cồn không quá 10% thì không cần thay đổi kết cấu động cơ.
Hiện nay trên thị trường đang lưu hành các loại xăng pha cồn như E5, E7,

Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-12-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

E10, E15, E20, E85, E95, E100. Ký hiệu E có nghĩa là xăng pha cồn còn chỉ số có
nghĩa là phần trăm thể tích của cồn trong xăng.
Tổng quan về phương pháp sản xuất bio-etanol

3

1
1

Quá trình nấu
Các biến đổi trong quá trình nấu

a Sự trương nở và hòa tan tinh bột (hồ hóa)
Hạt tinh bột sắn không đồng nhất mà cấu tạo từ hai polysaccarits với tỉ lệ là
30% amylose và 70% amylopectin.
Trong dung dịch, hạt tinh bột tương tự những lổ thẩm thấu, trong đó
amylopectin đóng vai trò là màng bán thấm. Khi tăng nhiệt độ thì áp suất thẩm thấu

và độ trương nở sẽ tăng, hạt tinh bột sẽ hút nước khoảng 25÷30 lần nhiều hơn so
với thể tích hạt. Amyloza dễ hòa tan trong nước nóng và bắt đầu khuếch tán ra môi
trường xung quanh. Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ tới giới hạn xác định thì dưới tác
dụng của lực thẩm thấu (lực trương nở) các hạt tinh bột sẽ hút nước và tăng thể tích,
có thể từ 50 đến 100 lần. Do đó các nối liên kết giữ phân tử sẽ yếu dần và bị đứt, lúc
đó hạt tinh bột sẽ được giải phóng và xảy ra hiện tượng hồ hóa. Nhiệt độ hồ hóa của
tinh bột sắn 61÷800C [5, tr 38-40].
b

Những biến đổi của hemixenluloza, xenluloza, pectin
Trong quá trình nấu nguyên liệu, ở điều kiện môi trường axit yếu xenluloza
không bị thủy phân. Hemixenluloza cấu tạo chủ yếu từ pentozan có thể bị thủy phân
một phần. Sự thủy phân này bắt đầu xảy ra khi nấu nguyên liệu, chuẩn bị hỗn hợp
(do tác dụng của xitaza chứa trong nguyên liệu) và tiếp tục trong quá trình nấu (do
tác dụng của ion H+ và nhiệt độ cao). Kết quả tạo ra dextrin, các hợp chất cao phân
tử (rất ít) và đường 5 cacbon – arabinoza và xiloza. Bị thủy phân nhiều hơn cả là
các chất pectin – este của axit polygalacturonic tạo thành este metyl và axit
polygalacturonic [5, tr 41].

c Những biến đổi của tinh bột và đường
Khi nấu có một lượng nhỏ tinh bột biến thành đường và dextrin do tác dụng
của amylaza chứa trong nguyên liệu. Sự có mặt của các chất đường trong dịch bột
Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-13-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

chưa nấu là điều không mong muốn vì sẽ gây tổn thất khi đun đến nhiệt độ cao. Do
đó khi nấu sơ bộ cần tăng nhanh nhiệt độ trong giới hạn từ 50÷60 0C nhằm rút ngắn
thời gian để hạn chế hoạt động của amylaza. Ngoài ra, khi nấu tinh bột còn chịu tác
dụng của ion H+ và tạo dextrin và maltoza nhưng với lượng rất ít.
Đường chứa trong nguyên liệu chủ yếu là saccaroza, glucoza, fructoza và một
ít maltoza được tạo thành trong thời gian nấu. Ở nhiệt độ cao các đường sẽ bị phân
hủy và mất nước để tạo thành caramen, furfurol, oxymetyl, melanoidin. Mức tạo
các chất đước sắp xếp theo thứ tự: Tạo melanoidin > furfurol > caramen [5, tr 42].
2

Các phương pháp nấu

a Nấu gián đoạn
- Đặc điểm: toàn bộ quá trình nấu đều thực hiện trong cùng một nồi [5, tr 48].
- Ưu điểm: + Tốn ít vật liệu để chế tạo thiết bị.
+ Thao tác đơn giản, dễ vệ sinh và sữa chữa.
- Nhược điểm:
+ Tốn hơi vì không sử dụng được hơi thứ.
+ Nấu lâu ở áp suất và nhiệt độ cao nên tổn thất nhiều đường.
+ Dùng axit thêm vào nấu nhiệt độ cao thời gian dài sẽ chóng ăn mòn thiết bị.
+ Năng suất thiết bị thấp hơn phương pháp nấu khác do làm việc gián đoạn.
b Nấu bán liên tục
- Đặc điểm: nấu được tiến hành trong ba nồi nấu khác nhau và chia thành nồi
nấu sơ bộ, nấu chín và nấu chín thêm [5, tr 49].
- Ưu điểm:

+ Giảm được thời gian nấu ở áp suất và nhiệt độ cao, do đó giảm được tổn thất
và tăng hiệu suất đến 7 lít cồn/tấn tinh bột. Năng suất tăng.
+ Nhờ sử dụng được hơi thứ vào nấu sơ bộ nên tiết kiệm 15÷30% lượng hơi.
- Nhược điểm:
+ Tốn nhiều kim loại để chế tạo thiết bị, thiết bị cồng kềnh chiếm diện tích.
+ Khó vệ sinh do nhiều thiết bị và thiết bị nấu chín thêm có cấu tạo phức tạp.
c Nấu liên tục
- Đặc điểm [5, tr 51-53]:
Quá trình nấu chia ra làm 3 giai đoạn: Nấu sơ bộ nấu chín và nấu chín thêm và
Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-14-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

cuối cùng là thiết bị tách hơi. Thiết bị nấu chín là trao đổi nhiệt ngược chiều đi từ
dưới lên, cháo nhiệt đi từ trên xuống cho nên hiệu quả trao đổi nhiệt rất cao và thời
gian dịch cháo ở nhiệt độ cao được rút ngắn. Thời gian nấu được rút ngắn.
- Ưu điểm:
+ Tận dụng được nhiều hơi thứ do có thể đun dịch cháo tới nhiệt độ cao mà
không ảnh hưởng tới làm việc của thiết bị.
+ Cho phép nấu ở nhiệt độ thấp hoặc thời gian ngắn nên giảm được tổn thất
đường do cháy và tạo melanoidin. Do đó hiệu suất tăng 5 lít/tấn so với nấu bán liên

tục và 12 lít/tấn tinh bột so với nấu gián đoạn.
+ Chi phí chế tạo thiết bị giảm 50% so với bán liên tục, tốn ít diện tích lắp đặt.
+ Dễ cơ khí hóa và tự động hóa.
- Nhược điểm: Đòi hỏi các điều kiện nghiêm ngặt
+ Yêu cầu nghiêm ngặt về kích thước bột nghiền: thường trên rây d = 3mm
không quá 10% và lọt rây d = 1mm phải nhiều hơn 40%.
+ Yêu cầu kỹ thuật cao. Điện, hơi, nước đầy đủ và ổn định.
2

Quá trình đường hóa
Muốn đạt hiệu quả cao trong quá trình thủy phân tinh bột thì vấn đề quan trọng

trước tiên là tác nhân đường hóa: [5, tr 62]
− Dùng axit HCl hay H2SO4: ít dùng vì giá thành cao mà hiệu suất thu hồi thấp.
− Dùng amylaza của thóc mầm (malt đại mạch): Một số nước Châu Âu dùng.
− Dùng amylaza nhận được từ nuôi cấy vi sinh vật: sử dụng nhiều nhất.
1 Đường hóa gián đoạn
- Đặc điểm: Tất cả quá trình diễn ra trong 1 nồi duy nhất [5, tr 101-104].
- Ưu điểm: + Thiết bị đơn giản dễ chế tạo, dễ thao tác, vận hành, sửa chữa.
+ Hoạt tính amylaza ít bị vô hoạt do ít tiếp xúc với nhiệt độ cao.
- Nhược điểm:
+ Làm nguội đến 700C mới cho amylaza vào để dịch hóa nên tinh bột bị lão
hóa nhiều, dịch đặc, độ nhớt cao ảnh hưởng đến làm việc của cánh khuấy.
+ Do kéo dài thời gian ở nhiệt độ gần 600C nên amylaza mất hoạt tính nhiều.
+ Khó cơ khí và tự động hóa, năng suất thấp.
+ Dễ bị nhiễm trùng, làm tăng độ chua và giảm hiệu suất lên men.

Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa

lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

2

-15-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

Đường hóa liên tục
- Đặc điểm: thực hiện trong các thiết bị khác nhau, dịch cháo và dịch amylaza
liên tục đi vào hệ thống, dịch đường liên tục đi sang bộ phận lên men [5, tr 95].
- Ưu điểm:
+ Thời gian ngắn, tăng công suất thiết bị, chất lượng dịch đường ổn định.
+ Dịch cháo ít bị lão hóa vì dịch cháo được làm lạnh tức thời.
+ Hoạt tính amylaza ít bị vô hoạt do thời gian tiếp xúc nhiệt độ cao rút ngắn.
+ Dễ cơ khí và tự động hóa, tiết kiệm được diện tích nhà xưởng.
- Nhược điểm: Thiết bị phức tạp, yêu cầu kỹ thuật vận hành cao; điện, nước
đầy đủ và ổn định.
3
1

Quá trình lên men
Cơ chế và động học của quá trình lên men rượu

a Cơ chế của quá trình lên men rượu
Quá trình lên men rượu là quá trình yếm khí, chuyển hoá đường thành rượu,

giải phóng CO2 và toả nhiệt: C6H12O6

2C2H5OH + 2CO2 + Q

Nấm men hấp phụ cơ chất vào tế bào nhờ hoạt động của enzim zymaza
chuyển hóa đường thành rượu và CO2. Rượu etylic được tạo thành khuyếch tán ra
môi trường bên ngoài qua màng tế bào. Rượu hòa tan trong nước ở bất kỳ tỉ lệ nào
nên khuyếch tán rất nhanh. CO2 cũng hòa tan trong nước nhưng độ hoà tan không
lớn. Khi bão hoà, CO2 bao quanh màng tế bào nấm men thành bọt khí. Bọt khí CO 2
và tế bào nấm men thường dính liền nhau. Bọt khí CO 2 lớn đến mức độ nhất định
thì lôi kéo tế bào nấm men cùng nổi lên trên bề mặt dung dịch. Đến bề mặt của
dung dịch, do thay đổi sức căng của bề mặt nên bọt khí bị vỡ, CO 2 thoát ra ngoài, tế
bào nấm men lúc này chìm xuống. Quá trình này diễn ra liên tục nên đã làm tế bào
nấm men từ trạng thái không chuyển động sang chuyển động làm tăng quá trình tiếp
xúc giữa nấm men và các chất nên quá trình lên men tăng nhanh [3, tr 243-244].
b Động học của quá trình lên men rượu
Tốc độ lên men rượu có thể xác định trực tiếp bằng lượng đường lên men hoặc
Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-16-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

gián tiếp xác định lượng rượu tạo thành và lượng CO 2 thoát ra trong một đơn vị thời
gian. Hay có thể xác định nhanh bằng cách đo nồng độ biểu kiến của dịch lên men.
Theo hình 2.3, nhận thấy lên men được chia làm ba giai đoạn: lên men sơ bộ,
lên men chính và lên men phụ.
- Lên men sơ bộ: kéo dài khoảng 60 giờ, lượng đường được lên men rất ít nên
sinh tổng hợp ít cồn và CO2.
- Lên men chính: kéo dài trong thời gian 60÷120 giờ, nấm men sinh trưởng và
phát triển ở mức độ cực đại, cơ chất sử dụng nhiều sinh nhiều cồn và CO 2, sự lên
men sau mỗi giờ tăng mạnh. Cuối giai đoạn, tế bào nấm men già nên lên men chậm
lại. Thời kì này có sự biến đổi sâu sắc về thành phần trong dịch lên men.
- Lên men phụ: biểu hiện đường cong lên men là sự đi xuống tiệm cận trục
hoành. Tốc độ lên men rất chậm vì lượng đường trong dịch ít [5, tr 145-146].

Hình 2.3. Đường cong lên men (theo Lêbêdep)

2

Các phương pháp lên men

a Lên men gián đoạn
- Đặc điểm: tiến hành trong từng thùng riêng biệt, thời gian lên men kéo dài.
- Ưu điểm: Thiết bị đơn giản, dễ vệ sinh, sửa chữa, bị nhiễm tạp thì dễ xử lý.
- Nhược điểm: Hiệu suất lên men không cao và không ổn định, chất lượng
giấm chín không đều ở mỗi thùng. Chu kỳ lên men dài (72h) nên tốn nhiều thùng
lên men. Tốn nhiều năng lượng, mỗi thùng phải có hệ thống khuấy trộn và hệ thống
thu hồi CO2 riêng biệt [3, tr 254].
b Lên men bán liên tục (còn gọi là lên men theo kiểu pha dần)
- Đặc điểm: Lên men liên tục ở giai đoạn lên men chính và lên men gián đoạn
Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy

Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-17-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

ở giai đoạn cuối.
- Ưu điểm: Công nghệ gần như liên tục, chu kì lên men giảm, năng suất cao.
- Nhược điểm: Vì công nghệ cao nên đòi hỏi chất lượng nấm men giống và
dịch đường phải tốt và ổn định, thao tác lành nghề, nếu bị sự cố thì sẽ ảnh hưởng
đến cả hệ thống do được nối thông với nhau.
c Lên men liên tục
-

Đặc điểm: Dịch đường và nấm men liên tục đi vào, dịch giấm chín liên tục đi ra.
Dịch đường phải đi qua nhiều thùng lên men: thùng lên men chính, các thùng lên
men tiếp theo là lên men phụ. Nhiệt độ lên men thấp hơn so với lên men gián đoạn.

-

Ưu điểm:
+ Hiệu suất lên men tăng, dễ cơ khí và tự động hóa.
+ Thời gian lên men được rút ngắn, chất lượng giấm chín ổn định.
+ Hạn chế được nhiễm tạp khuẩn do lượng nấm men giống ban đầu cao.

-

Nhược điểm: [5, tr 149-155]
+ Khi nhiễm tạp thì rất khó xử lý nên đỏi hỏi vô trùng cao.
+ Đòi hỏi trình độ công nghệ tiên tiến, các thông số kỹ thuật ổn định.
4
1

Quá trình chưng cất và tinh chế
Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất và tinh chế

a Lý thuyết chưng cất
Giấm chín gồm các chất dễ bay hơi như: rượu, este, aldehyt và một số ancol
có cacbon lớn hơn hai. Các ancol này được gọi là các ancol cao phân tử hay dầu
fusel hay dầu khét. Ngoài ra trong giấm chín còn chứa tinh bột, dextrin, protit, axit
hữu cơ và chất khoáng. Tuy là hỗn hợp nhiều cấu tử nhưng trong thành phần của
giấm chín chứa chủ yếu là rượu etylic và nước. Vì thế khi nghiên cứu xem giấm
chín như hỗn hợp hai cấu tử.

Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-18-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

Khi nghiên cứu về chưng cất hỗn hợp rượu - nước, Conovalop và Vrepski
đưa ra các định luật sau:

Hình 2.5. Đường cong cân bằng hỗn hợp rượu nước ở
Hình 2.4. Độ bay hơi đẳng nhiệt của dung dịch rượu
nước
áp suất
khí quyển

Định luật 1: ở trạng thái cân bằng lỏng, cấu tử dễ bốc hơi thì ở thể hơi thường
chứa một lượng nhiều hơn ở thể lỏng. Tức là khi thêm cấu tử dễ bốc hơi vào dung
dịch, ở nhiệt độ không đổi thì áp suất hơi bão hòa sẽ tăng hay nhiệt độ sôi của hỗn
hợp sẽ giảm. Định luật 1 có thể biểu thị bằng đồ thị hình 2.4.
Qua đồ thị hình 2.4 chứng tỏ rằng áp suất hơi bão hòa tăng cùng với nồng độ
rượu ở thể lỏng và tăng tới điểm cực đại a trên đường cong áp suất hơi bảo hòa, ứng
với nồng độ rượu là c. Nếu tiếp tục tăng nồng độ lên nữa thì áp suất hơi bão hòa sẽ
giảm. Như vậy định luật 1 của Conovalop chỉ đúng ở khoảng nồng độ từ 0 đến c.
Định luật 2: Trên đường cong áp suất hơi bão hòa, a là điểm sôi chung của hỗn
hợp rượu - nước, tại đó thành phần rượu trong pha hơi và pha lỏng bằng nhau. c là
nồng độ hỗn hợp đẳng phí.
Khi chưng cất không đến điểm cực đại thì tiến hành theo định luật 1 của
Conovalop. Khi tới điểm cực đại thì quá trình chưng cất tiến hành theo định luật 2
của Conovalop.
Dựa vào lý thuyết trên, biểu diễn đường cong cân bằng của hỗn hợp rượu nước bằng đồ thị hình 2.5.
Điểm đẳng phí là giao điểm của đường cong cân bằng với đường chéo ob. Tại
điểm đẳng phí a nồng độ rượu trong thể lỏng bằng thể hơi bằng 95,57% khối lượng
= 89,41% mol = 97,2% thể tích tương ứng với điểm sôi là 78,15 0C. Vì vậy các
Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn

SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-19-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

phương pháp chưng cất rượu thông thường không thể đạt tới nồng độ trên 95,57%
khối lượng. Muốn có nồng độ rượu cao hơn phải dùng các phương pháp chưng cất
đặc biệt [5, tr 170-172].
b Lý thuyết tinh chế
Mục đích của tinh chế rượu là tách các tạp chất trong rượu thô ra khỏi rượu
etylic và nâng cao độ rượu đạt tiêu chuẩn chất lượng quy định mặt khác cũng nâng
cao nồng độ tạp chất và thu hồi để sử dụng. Căn cứ vào quan điểm tinh chế cồn chia
làm 3 loại: tạp chất đầu, tạp chất cuối, tạp chất trung gian. Chia như vậy chỉ là
tương đối và qui ước vì tính chất của tạp chất có thể thay đổi tùy theo nồng độ cồn.
Tạp chất đầu là tạp chất dễ bay hơi hơn rượu etylic ở nồng độ bất kỳ, nghĩa là
hệ số bay hơi lớn hơn hệ số bay hơi của rượu ở cùng nồng độ. Các chất có nhiệt độ
sôi thấp hơn nhiệt sôi của rượu etylic: aldehyt axetic, axetat metyl, axetat etyl, etyl
formiat, aldehit butyric. Tạp chất này lấy ra ở sản phẩm đầu nên gọi là cồn đầu.
Tạp chất trung gian có 2 tính chất, vừa có thể là tạp chất đầu vừa có thể là tạp
chất cuối. Ở nồng độ cao của rượu etylic nó là tạp chất cuối, nồng độ thấp nó là tạp
chất đầu. Tạp chất trung gian khó tách khỏi rượu etylic khi tinh chế, tạp chất trung
gian bao gồm izobutylrat etyl, izovalerat etyl, izovalerat izoamyl, axetat izoamyl.
Tạp chất cuối: tạp chất khó bay hơi, khi chưng cất nó tồn tại ở phía dưới tháp,

nó có nhiệt độ sôi cao hơn rượu etylic, độ bay hơi kém hơn rượu etylic, như: axit
axetic, các rượu bậc cao như amylic, izo amylic, izobutylic, propylic, izopropylic.
Tuy nhiên đặc tính và hàm lượng của tạp chất trong rượu còn phụ thuộc vào
nguyên liệu và chất lượng nguyên liệu sử dụng, phương pháp sản xuất và thiết bị
công nghệ, nhất là thiết bị chưng cất và tinh chế [5, tr 174-176].
2

Các phương pháp chưng cất

a Chưng luyện gián đoạn

+

- Ưu điểm: Đơn giản, dễ thao tác [5, tr 178-179].
- Nhược điểm:
Hiệu suất thu hồi rượu thấp do rượu còn lại trong bã nhiều.

Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

+

-20-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

Tốn hơi do giấm chín đưa vào không đun nóng bằng nhiệt ngưng tụ của cồn thô.

Nồng độ cồn không ổn định, giảm dần theo thời gian.
+ Thời gian cất mất 6÷8g nên thùng chứa lớn, tốn vật liệu chế tạo.
b Phương pháp chưng luyện bán liên tục
Phương pháp này khắc phục được nhược điểm của chưng cất và tinh chế gián
đoạn nhưng chưa triệt để và hiệu quả kinh tế của hệ thống chưa cao.
c

Phương pháp chưng luyện liên tục
Chưng cất liên tục khắc phục được các nhược điểm trên của chưng cất gián
đoạn và bảo đảm hiệu quả kinh tế cao hơn. Chưng luyện liên tục có thể thực hiện
theo nhiều sơ đồ khác nhau: 2 tháp, 3 tháp, 4 tháp. Từ đó chia thành chưng luyện

-

theo hệ thống một dòng (gián tiếp) hoặc hai dòng (vừa gián tiếp vừa trực tiếp).
Sơ đồ hai tháp gián tiếp - 1 dòng: Hệ thống này tuy có tiên tiến hơn hệ thống chưng
luyện gián đoạn và bán liên tục nhưng chất lượng cồn chưa cao hoặc muốn thu nhận

-

cồn tốt phải tăng lượng cồn đầu lấy ra.
Hệ thống ba tháp làm việc gián tiếp: Hệ thống cho phép nhận 70÷80% cồn loại I
theo tiêu chuẩn TCVN-71, 30÷20% cồn loại II, 3÷5% cồn đầu. Sơ đồ gián tiếp một
dòng có ưu điểm là dễ thao tác, chất lượng cồn tốt và ổn định, nhưng tốn hơi. Còn
sơ đồ vừa gián tiếp vừa trực tiếp, hai dòng có ưu điểm là tiết kiệm được hơi nhưng

-

đòi hỏi tự động hóa tốt và chính xác.
Sơ đồ chưng luyện 3 tháp và một tháp fusel
Hệ thống này khác với các hệ thống khác là dầu fusel được lấy ra nhiều hơn
(khoảng 10%) rồi đưa vào tháp riêng gọi là tháp fusel. Tinh luyện theo phương pháp

-

này tách dầu fusel triệt để hơn nhưng có tổn thất rượu etylic trong dầu fusel.
Sơ đồ chưng luyện bốn tháp (thêm một tháp làm sạch)
Cồn tinh chế lấy ra ở dạng lỏng không làm lạnh mà được đưa vào tháp làm
sạch để tinh chế tiếp nhằm tách tạp chất đầu và tạp chất cuối. Cồn đầu cho quay lại
tháp aldehit, cồn cuối ở đáy tháp làm sạch đi vào trên đĩa tiếp liệu của tháp tinh. Do
vậy chất lượng cồn được nâng cao [5, tr 178-193].

5

Quá trình tách nước để thu nhận cồn tuyệt đối dùng chất hấp phụ chọn lọc zeolit
Đây là phương pháp hiện đại nhất hiện nay dùng để sản xuất cồn tuyệt đối nói
chung và bio-etanol nói riêng.
Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-21-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

− Zeolit là các aluminosilicat tinh thể có cấu trúc không gian 3 chiều với hệ thống lỗ
xốp đặc biệt và rất trật tự nên được gọi là rây phân tử. Hệ mao quản trong zeolit có
kích thước cỡ phân tử, dao động khoảng từ 3÷12A0[13].
− Nguyên tắc của phương pháp: Dựa vào kích thước mao quản của zeolit, chất hấp
phụ này có thể hấp phụ những phân tử có kích thước nhỏ hơn kích thước mao quản
và không hấp phụ những phân tử có kích thước lớn. Khi sử dụng zeolit để hấp phụ
sản xuất cồn tuyệt đối, bản chất là chất hấp phụ chọn lọc nước trong hỗn hợp nước
và etanol có nồng độ thấp hơn [14].
+ Kích thước động học của etanol là 4A0.
+ Kích thước động học của nước là 2,5A0.
Khi nhả hấp phụ dùng các tác nhân: Hơi nước bão hòa hoặc hơi nước quá
nhiệt, hơi của các chất hữu cơ, khí trơ, … Nhả hấp phụ có thể tiến hành ở nhiệt độ
cao hoặc thấp, ở áp suất thường, áp suất dư hoặc áp suất thấp (trong chân không).

Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-22-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

Chương 3

CHỌN VÀ THUYẾT MINH
DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
1 Chọn dây chuyền công nghệ
Sắn lát khô
Làm sạch
Nghiền nguyên liệu

Nước

Hơi thứ

Nấu sơ bộ

Enzim Termamyl

Phun dịch hóa

Hơi

Nấu chín

Hơi

Tách hơi

Làm nguội

Enzim amylaza

Hơi

Đường hóa

H2SO4, Na2SiF6

Làm nguội

Nấm men phòng thí nghiệm

Lên men

Nhân giống nấm men

Tháp thô

Bã rượu

Hơi
Cồn nhạt*

Tháp tinh chế

Cồn đầu
Dầu fusel

NaOH

Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT
Cồn nhạt*
NaOH


Đồ án tốt nghiệp

-23-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

Cồn 960

Hơi

Gia nhiệt

Hấp phụ zeolit

Giải hấp phụ

Cồn tuyệt đối

Cồn nhạt*

Ngưng tụ, làm nguội

Bảo quản

2 Thuyết minh dây chuyền công nghệ
1
1

Làm sạch
Mục đích
Mục đích của quá trình nhằm tách các tạp chất bụi bẩn, các chất đất, đá có

kích thước lớn và kim loại có trong nguyên liệu, nhằm tránh hư hỏng thiết bị và ảnh
hưởng đến chất lượng sản phẩm.
2

Tiến hành
Cửa nạp liệu
Nam châm
Lưới sàng 1
Lưới sàng 2
Tạp chất bé
Nguyên liệu đạt yêu cầu
Tạp chất lớn
Ống dẫn bụi ra

Hình 3.1. Sàng rung

Nguyên liệu sắn lát được xe nâng chuyển đến cửa nạp liệu, nguyên liệu sẽ đi
qua nam châm để tách kim loại và qua lưới sàng để tách tạp chất. Nguyên liệu sắn
Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn

SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

-24-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

đưa vào máy làm sạch qua cửa nạp liệu (1). Trước khi xuống lưới sàng 1 (3),
nguyên liệu được tách kim loại bằng nam châm (2), sau đó nguyên liệu rơi xuống
lưới sàng 2 (4). Tại đây, với kích thước lỗ lưới lớn hơn nguyên liệu và dưới tác
động của chuyển động rung nên tạp chất lớn được giữ lại, còn nguyên liệu và tạp
chất bé sẽ lọt qua lưới 1 (3) và xuống lưới sàng 2 (4). Do lưới sàng 2 (4) có kích
thước nhỏ hơn nguyên liệu nên tại đây nguyên liệu đạt yêu cầu được giữ lại, tạp
chất bé lọt qua lưới sàng 2 (4) và xuống ngăn cuối, đưa ra ngoài ở (5). Bụi lơ lững
được quạt hút ra ngoài qua đường ống (8). Nguyên liệu đạt yêu cầu đem đi nghiền.
2
1

Nghiền nguyên liệu
Mục đích
Phá vỡ cấu trúc thực vật của củ sắn, tạo điều kiện giải phóng tinh bột khỏi các

mô, làm tăng bề mặt tiếp xúc của tinh bột với nước giúp cho quá trình trương nở,
hòa tan tốt hơn. Do đó sẽ rút ngắn thời gian nấu và đường hóa, tiết kiệm hơi và
nâng cao hiệu suất thu hồi cồn [5, tr 33].

2

Tiến hành
Sắn lát khô cho vào máy nghiền búa qua cửa nạp liệu. Do sự va đập của vật

liệu với các cánh búa đang quay và với thành trong của máy, sắn sẽ biến dạng rồi vỡ
ra thành các thành phần có kích thước nhỏ hơn. Do bị va đập nhiều lần giữa cánh
búa và vỏ máy, nguyên liệu giảm kích thước đến khi nhỏ hơn lỗ lưới, hạt sẽ theo lỗ
lưới ra ngoài dưới tác động của khí động học nhờ quạt hút sinh ra. Còn các hạt vật
liệu to chưa lọt qua lưới lại được các búa tiếp tục nghiền nhỏ. Sau khi nghiền kích
thước của bột sắn khoảng 1,5mm. Ðể nghiền được, động năng của búa khi quay
phải lớn hơn công làm biến dạng để phá vỡ vật liệu.

Hình 3.2. Máy nghiền búa

Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT


Đồ án tốt nghiệp

3

Nấu nguyên liệu

1

Mục đích

-25-

GVHD: KS. Bùi Viết Cường

Mục đích của nấu nguyên liệu tinh bột là để phá vỡ màng của hạt tinh bột và
chuyển tinh bột của nguyên liệu sang trạng thái hoà tan để quá trình đường hóa đạt
hiệu quả cao hơn và hiệu suất thu hồi cao hơn [5, tr 36].
2

Tiến hành
Nấu nguyên liệu theo phương pháp nấu liên tục.
Thùng hòa bột
Bơm
Nồi nấu sơ bộ
Bơm ly tâm
Thiết bị phun dịch hóa
Nồi nấu chín
Điều chỉnh mức khối nấu
Thiết bị tách hơi

Hình 3.3. Sơ đồ nấu liên tục

Nguyên liệu bột sắn và nước liên tục đi vào thùng hòa trộn (1) theo một tỉ lệ
nhất định, nhiệt độ dịch bột đạt 35÷40 0C, rồi đưa vào nồi nấu sơ bộ (3). Trong quá
trình nấu có bổ sung enzim Termamyl với tỉ lệ 30% so với tổng lượng tinh bột. Tại
nồi nấu sơ bộ khối nấu được nâng lên 80÷85 0C trong 10÷15 phút đây là nhiệt độ
thích hợp cho hoạt động của enzim α-amylaza để phân cắt mạch tinh bột.
Tiếp đó khối nấu nhờ bơm ly tâm (4) bơm sang thiết bị phun dịch hóa (5), tại

đây khối nấu tiếp xúc với hơi nhiệt ở áp suất cao và nhiệt độ cao làm cho cấu trúc
tinh bột bị phá vỡ, làm cho khối cháo mịn hơn, qua thiết bị này nhiệt độ khối nấu
đạt 94÷960C. Sau đó khối nấu tiếp tục được bơm sang nồi nấu chín (6), theo đó dịch
cháo chảy từ trên xuống còn hơi chính được cấp từ dưới lên do đi ngược chiều nên
sẽ làm cho dịch cháo được khuấy mạnh và đun nóng tới mức độ cần thiết. Ở mỗi
Thiết kế nhà máy sản xuất bio - etanol từ sắn
SVTH: Trương Thị Thúy
Nghĩa
lát khô năng suất 160 tấn nguyên liệu/ngày
Lớp: 12H2LT