Báo cáo thực tập: Quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.94 MB, 47 trang )
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, CO2, NO2, SO2, H2O,
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:
4
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
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 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.
5
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
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.
6
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
7
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
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.
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.
8
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:
9
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Không phận sự miễn vào.
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…
10
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
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 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 CO2 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
67 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.
11
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
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.
12
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
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 1,4glucoxit. 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
13
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
hợp còn khoảng 6001500. Cellulose không tan trong nước, trong kiềm hay axit loãng,
nhưng có thể bị phân huỷ và bị oxy hoá bởi dung dịch kiềm đặc ở nhiệt độ >150o C. Ở
nhiệt độ thường nó có thể hoà tan trong một số dung môi như dung dịch phức đồng –
amoniac Cu(NH3)4(OH)4, cuprietylendiamin(CED), cadimietylediamin…Một số axit cũng có
thể hoà tan cellulose như H2SO4 72%, H3PO4 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 (OCH3). Các đơn vị mắt xích này được liên kết với nhau bằngmột số kiểu liên
kết như: βO4 (chiếm chủ yếu 40 – 60 %), αO4 (chiếm 5 – 10 %), COC, CC…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.
14
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 RedTM, 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 510nm và
đường kính nhỏ từ 17nm, tế bào gia tăng kích thước theo độ tuổi. Thể tích tế bào đơn bội
là 29 mm3 và tế bào lưỡng bội là 55 mm3. 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
15
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
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
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
16
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
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
C4.02H6.5O2.11N0.43P0.03. 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 1525% 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 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 2545A.
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 1,3βglucan chiếm tới 40% khối
lượng khô của vách tế bào, có ảnh hưởng chính đến cơ chế cân bằng của vách tế bào. 1,3β
glucan được tổng hợp tại bề mặt của tế bào và chứa những chuỗi hẹp trung bình khoảng 1500
đơn vị glucose. 1,3βglucan 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,1,6βglucan và
chitin đã được liên kết với 1,3βglucan 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 215%. 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
17
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
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
1215% 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 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
18
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
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 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 2SO4 đậm đặc (72 wt. %), cồn
tuyệt đối (99+ %), Llactic 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.
19
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
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. 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.
20
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
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 23 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
21
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
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.
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.
22
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 5hydroxymethyl fufural gây ức chế quá trình lên men.
23
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
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.
Hình 10: Rơm ngâm trong dung dịch NaOH
24
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
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 56 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 0C đến 400C.
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.
25
