TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Theo nghiên cứu của Đại học California, với trữ lượng dầu mỏ toàn cầu khoảng 1,332 tỷ thùng (ước tính năm 2008) và mức tiêu thụ hiện tại là 85,22 triệu thùng/ngày, tăng 1,3% mỗi năm, dự báo rằng nguồn dầu mỏ sẽ cạn kiệt vào năm 2041 hoặc muộn nhất là năm 2054.
Trong khi đó, theo tính toán của các nhà nghiên cứu, các nguồn năng lượng mới chỉ có thể thế chỗ của dầu mỏ sớm nhất là vào năm 2140
Năng lượng sinh học đang trở thành xu thế phát triển tất yếu trong bối cảnh các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ như năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng hạt nhân Đặc biệt tại các nước nông nghiệp và nhập khẩu nguyên liệu, năng lượng sinh học mang lại nhiều lợi ích, bao gồm công nghệ sản xuất đơn giản, tận dụng nguyên liệu tại chỗ, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, không cần thay đổi cấu trúc động cơ và cơ sở hạ tầng hiện có, cùng với giá thành cạnh tranh so với xăng dầu.
Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, năng lượng sinh học (NLSH) có khả năng là nguồn thay thế
Hiện nay, nhiên liệu sinh học như bioethanol đang được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi, với nhiều nguyên liệu như ngô, mía, khoai mì và gạo Tuy nhiên, việc sử dụng các nguồn nguyên liệu này gây tranh cãi về an ninh lương thực toàn cầu Do đó, nghiên cứu đã chuyển hướng sang rơm rạ, một nguồn nguyên liệu tiềm năng cho nhu cầu năng lượng tương lai Rơm rạ là một trong những nguyên liệu dồi dào lignocellulose nhất trên thế giới Lúa, với sản lượng trung bình khoảng 650 triệu tấn vào năm 2007 theo FAO, là cây trồng quan trọng thứ ba sau lúa mì và ngô.
Việc tận dụng phế phẩm nông nghiệp không chỉ giúp giảm ô nhiễm môi trường do đốt rơm rạ hàng năm mà còn đảm bảo không ảnh hưởng đến nguồn lương thực toàn cầu.
Rơm rạ là nguồn nguyên liệu phổ biến trên khắp thế giới.
Tình hình s ản xuất và sử dụng ethanol sinh học trên thế giới
Theo báo cáo F.O.Licht, Bioethanol đã được sử dụng làm nhiên liệu đốt từ năm 1860 nhờ vào phát minh của nhà khoa học Nicolas Otto (Đức) Đến năm 1930, nhiều quốc gia như Mỹ, Brazil, Anh, Pháp, Đức và Ý đã bắt đầu thay thế xăng bằng Bioethanol Tuy nhiên, trào lưu này thực sự bùng nổ vào những năm 1970 khi nguồn cung dầu mỏ gặp khủng hoảng.
Các nước sản xuất Bioethanol lớn như Braxin, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, và Pháp chiếm 84% sản lượng Bioethanol nhiên liệu toàn cầu trong năm 2005
Năm 2006, sản lượng Bioethanol toàn cầu đạt 50 tỷ lít, trong đó Bioethanol nhiên liệu chiếm 77% với 38,5 tỷ lít, Bioethanol công nghiệp chiếm 8% với 4 tỷ lít, và Bioethanol cho đồ uống chiếm 15% với 7,5 tỷ lít.
Bảng 1.1: Tình hình sản xuất Bioethanol của các quốc gia qua các năm
Quốc gia Số lít sản xuất mỗi năm
TRUNG QUỐC 3,8 tỷ lít ẤN ĐỘ 1,7 tỷ lít
( Nguồn: http://www.asiacreative.vn/tinh-hinh-san-xuat-va-tieu-thu-ethanol-tren-the- gioi)
Hiện nay, Việt Nam đã tiến hành các nghiên cứu bước đầu về sản xuất ethanol sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp, với những kết quả khả quan Các nghiên cứu tiêu biểu bao gồm: "Nghiên cứu sản xuất ethanol từ nhiên liệu rơm rạ" của Trần Diệu Lý (2008), "Nghiên cứu sản xuất ethanol từ phụ phẩm nông nghiệp" của Nguyễn Thị Hằng Nga (2009), và nghiên cứu của Nguyễn Thị Ngọc Liễu về quá trình sản xuất ethanol từ rơm rạ, trong đó có sự bổ sung hệ thống enzyme thủy phân và tối ưu hóa điều kiện cho quá trình lên men cồn của nấm men Picha Stipis.
TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU
Tổng quan về rơm rạ
Nguồn rơm rạ và tình hình sử dụng rơm rạ ở Việt Nam
Sản lượng lương thực cao tại Việt Nam dẫn đến việc sản xuất một lượng lớn phế phẩm, đặc biệt là rơm rạ Cụ thể, để sản xuất 1 tấn gạo, trung bình có khoảng 1,2 tấn rơm rạ được thải ra Mỗi năm, tổng lượng rơm rạ thải ra lên tới khoảng 48 triệu tấn, cho thấy tiềm năng lớn trong việc sử dụng nguồn phế phẩm này.
Bảng 2.1: Thống kê sản lượng lúa cả nước từ năm 2000 – 2010
Năm Cả năm Đông Xuân Hè Thu Lúa mùa
( Nguồn: tổng cục thống kê và Bộ nông nghiệp Phát triển Nông thôn ngày 1/1/2012)
Đến nay, phần lớn rơm rạ thường được để phân hủy tự nhiên ngoài đồng hoặc đốt tại chỗ để bổ sung khoáng chất cho đất Phần còn lại được thu gom để làm thức ăn cho gia súc, sản xuất nấm, hoặc sử dụng làm chất đốt phục vụ nhu cầu nấu nướng trong gia đình.
Cấu trúc của rơm rạ
Về thành phần hóa học, rơm rạ chủ yếu chứa cellulose 32 – 47 %, hemicellulose
19 – 27 % và lignin 5 – 24 %, (Garrote et al, 2002; Maiorella, 1983; Saha, 2003;
Trong hemicellulose các pentoses chiếm ưu thế, trong đó xylose và đường quan trọng nhất chiếm 14,8 - 20,2 % (Maiorella, 1983; Roberto và cộng sự, 2003)
Bảng 2.2: Thành phần cơ bản và các nguyên tố chính của tro trong rơm rạ, trấu gạo và rơm lúa mì
Rơm rạ Trấu gạo Rơm lúa mì
Phân tích gần đúng (% chất hô) Carbon cố định
Thành phần tro cơ bản (%) SiO2 74,67 91,42 55,32
( Nguồn: Maiorella, 1983; Roberto và cộng sự, 2003)
Thành phần hóa học của rơm rạ có sự biến đổi tùy thuộc vào vùng miền, khu vực và điều kiện trồng trọt Nghiên cứu cho thấy rằng các thành phần chính trong rơm rạ cũng có sự thay đổi đáng kể.
Ngoài ra trong rơm rạ có nhiều đường pentose, thành phần chủ yếu của các pentose là xylose tiếp theo là arabinose và hexose
Bảng 2.3: Thành phần hóa học của rơm rạ
Hydrate cacbon (%) Không phải hydrate cacbon (%) Glucose Mannose Xylose Arabinose Galactose Lignin Tro
(Nguồn: Maiorella, 1985; Roberto et al, 2003)
Trong lignocellulose, cellulose đóng vai trò là khung chính, được bao bọc bởi hemicellulose, chất tạo mạng lưới, và lignin, chất kết dính.
Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau và liên kết cộng hóa trị với nhau
Các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid 4-O- methylglucuronic và các nhom thường liên kết với lignin
Hình 2.1: Cấu trúc của lignocellulose
Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản, được liên kết bởi hemicellulose để hình thành cấu trúc vi sợi rộng khoảng 25 nm Những vi sợi này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn công của enzyme và hóa chất trong quá trình thủy phân.
Cellulose là một hợp chất hữu cơ với công thức phân tử (C6H10O5)n, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc tế bào thực vật Nó được hình thành từ nhiều phân tử cellobiose liên kết với nhau, cụ thể là 4-O-(β-D-Glucopyranosyl)-D-glucopyranose Cellulose không chỉ là thành phần chủ yếu trong thực vật mà còn là hợp chất hữu cơ phổ biến nhất trong sinh quyển, với khoảng 1011 tấn cellulose được tổng hợp hàng năm Trong đó, cellulose chiếm khoảng 50% trong gỗ và lên đến 90% trong bông.
Hình 2.2: Công thức hóa học của cellulose (Nguồn: www.sci.waikato.ac.nz)
Các mạch cellulose liên kết với nhau thông qua liên kết hydro và liên kết Van der Waals, tạo thành hai vùng cấu trúc chính: tinh thể và vô định hình Trong vùng tinh thể, các phân tử cellulose gắn kết chặt chẽ, khiến vùng này khó bị tấn công bởi enzyme và hóa chất Ngược lại, vùng vô định hình có liên kết lỏng lẻo, dễ bị tấn công hơn Hai mô hình cấu trúc cellulose đã được đề xuất để mô tả rõ ràng đặc điểm của hai vùng này.
Hình 2.3: Mô hình Fringed Fibrillar và mô hình chuỗi gập
(Nguồn: www.chemed.c hem.wisc.edu)
Mô hình Fringed Fibrillar mô tả cấu trúc của phân tử cellulose được kéo thẳng và định hướng theo chiều sợi Trong đó, vùng tinh thể có chiều dài khoảng 500 Å và được sắp xếp xen kẽ với các vùng vô định hình.
Trong mô hình chuỗi gập, phân tử cellulose được gấp khúc theo chiều sợi, với mỗi đơn vị lặp lại có độ trùng hợp khoảng 1000 Độ trùng hợp này được giới hạn bởi hai điểm a và b, như thể hiện trong hình vẽ.
Các đơn vị glucose được sắp xếp thành chuỗi và dễ bị thủy phân, với các vị trí lặp lại có tính chất kết tinh cao hơn khi ở giữa Trong vùng vô định hình, các liên kết β-glycoside giữa các monomer có sự thay đổi góc liên kết, tạo ra sự thay đổi 180 độ cho toàn mạch Vùng vô định hình dễ bị tấn công bởi các tác nhân thủy phân hơn vùng tinh thể do sự giảm độ bền của các liên kết cộng hóa trị và không tạo được liên kết hydro.
Cellulose có cấu trúc tương tự như carbohydrate phức tạp, bao gồm tinh bột và glycogen, với các đơn phân là glucose Khác với các carbohydrate khác, cellulose là glucan không phân nhánh, trong đó các gốc glucose liên kết với nhau qua liên kết β1,4-glycoside Cellulose được hình thành từ các chuỗi dài ít nhất 500 phân tử glucose, sắp xếp song song để tạo thành các vi sợi cellulose có đường kính khoảng 3,5 nm Mỗi chuỗi cellulose chứa nhiều nhóm -OH tự do, cho phép hình thành các liên kết hydro giữa các sợi Các vi sợi này kết hợp với nhau tạo thành các vi sợi lớn hay mixen có đường kính 20 nm, với các khoảng trống lớn giữa các sợi Trong tế bào non, các khoảng trống này chứa nước, trong khi ở tế bào già, chúng chứa lignin và hemicellulose.
Cellulose có cấu trúc bền vững và khó bị thủy phân, khiến cho con người và động vật không thể tiêu hóa được do thiếu enzyme cellulase Mặc dù cellulose không có giá trị dinh dưỡng, nhưng một số nghiên cứu cho thấy nó có thể giúp điều hòa hoạt động của hệ thống tiêu hóa Vi khuẩn trong dạ cỏ của gia súc và động vật nhai lại, cũng như động vật nguyên sinh trong ruột của mối, có khả năng sản xuất enzyme phân giải cellulose Ngoài ra, nấm đất cũng có thể phân hủy cellulose, cho phép chúng sử dụng cellulose làm nguồn thức ăn.
Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng
Hemicellulose là một polysaccharide có từ 70 đến 200 đơn phân, bao gồm các loại đường 6 carbon như glucose, mannose và galactose, cùng với các loại đường 5 carbon như xylose và arabinose Thành phần chính của hemicellulose là β-D-xylopyranose, được liên kết với nhau bằng liên kết β-(1,4).
Hình 2.4: Cấu trúc hóa học của hemicellulose
Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy nhiên có một vài điểm chung gồm:
Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết β -(1,4)
Xylose là thành phần quan trọng nhất
Mạch nhánh của hemicellulose được cấu tạo từ các nhóm đơn giản như disaccharide và trisaccharide, cho phép chúng liên kết với các polysaccharide khác và lignin Do có cấu trúc mạch nhánh, hemicellulose tồn tại ở dạng vô định hình, điều này làm cho chúng dễ bị thủy phân.
Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl O – liên kết với vị trí 2 hoặc 3
Hình 2.5: Vị trí nhóm thế của hemicellulose
Hemicellulose là một polysaccharide có trong màng tế bào, tan trong dung dịch kiềm và liên kết chặt chẽ với cellulose, cùng với lignin tạo thành thành tế bào vững chắc ở thực vật Cấu trúc của hemicellulose chủ yếu bao gồm D-glucose, D-galactose, D-mannose, D-xylose và L-arabinose, liên kết qua glycoside Nó cũng chứa axit 4-O-methylglucuronic, axit D-galacturonic và axit glucuronic Đặc biệt, D-xylose, L-arabinose, D-glucose và D-galactose thường gặp ở thực vật thân cỏ và ngũ cốc Hemicellulose ở thực vật thân cỏ có nhiều dạng liên kết và phân nhánh phong phú, tùy thuộc vào loài, loại mô và độ tuổi của mô đó.
Hemicellulose chứa các monosaccharide khác nhau, do đó có các tên gọi như manan, galactan, glucan và xylan Những polysaccharide này, bao gồm manan, galactan, glucan và xylan, là thành phần phổ biến trong thực vật, chủ yếu có mặt trong cấu trúc màng tế bào của các bộ phận như gỗ và rơm rạ.
Xylan là một polymer chính của thành tế bào thực vật, được cấu thành từ các gốc D-xylopyranose liên kết với nhau qua liên kết β-1,4-D-xylopyranose, đóng vai trò là nguồn năng lượng dồi dào thứ hai trên trái đất Phân tử xylan thường chứa nhiều nhóm chức ở trục chính và chuỗi bên, trong đó các gốc thay thế chủ yếu là acetyl, arabinosyl và glucuronosy Những nhóm này có khả năng tạo ra các liên kết tương tác cộng hóa trị và không hóa trị với lignin, cellulose và các polymer khác.
Cấu tạo, số lượng và vị trí của xylan ở các loài thực vật khác nhau là khác nhau
Cơ chế quá trình thủy phân rơm rạ
Quá trình thủy phân có thể được tóm tắt trong hình sau:
Hình 2.7: Cơ chế quá trình thủy phân
• Enzyme endo-cellulase tấn công ngẫu nhiên vào mạch cellulose nhờ tạo liên kết bằng tương tác giữa CBD với cellulose, tạo thành các oligosaccharide
Enzyme exo-cellulase tác động vào cellulose và oligomer từ cả hai đầu đường khử và không khử, nhờ vào sự tương tác của CBD với cellulose, dẫn đến sự hình thành cellobiose và glucose.
• β-glucosidase tấn công cellobiose và oligosaccharide tan, tạo glucose.
Nguyên liệu men giống
Lý thuyết quá trình lên men đã được nhiều nhà sinh học nghiên cứu từ rất lâu
Năm 1769, Lavoisier phân tích sản phẩm lên men rượu và nhận thấy khi lên men, đường không chỉ tạo thành ethanol và CO2 mà còn tạo ra acid acetic
Năm 1810, Gay-Lussac phát hiện rằng 45 phần khối lượng đường sẽ chuyển hóa thành 23 phần ethanol và 22 phần khí carbonic Dựa trên kết quả này, ông đã đề xuất một phương trình tổng quát để mô tả quá trình chuyển hóa này.
Năm 1857, Louis Pasteur đã nghiên cứu và phát hiện rằng khi lên men 100 phần đường saccharose, sẽ tạo ra 51.1 phần ethanol, 48.4 phần CO2, 32.0 phần glycerin, 0.7 phần acid succinic và hai phần các sản phẩm khác.
Trong quá trình lên men, 45 phần khối lượng glucose sẽ tạo ra 21.8 phần ethanol, thay vì 23 phần như tính toán của Gay-Lussac Mặc dù vậy, phương trình lên men do Gay-Lussac đề xuất vẫn chính xác và được sử dụng làm cơ sở lý thuyết để tính toán hiệu suất thu hồi rượu.
Gay-Lussac còn kết luận sự lên men là quá trình sinh học có liên hệ mật thiết đến sự hoạt động của tế bào nấm men
Vào khoảng năm 1871-1872, Manaxemi đã nghiền nát tế bào nấm men với cát thạch anh trước khi cho vào dịch đường để lên men, và hiện tượng lên men vẫn diễn ra Năm 1879, Buchuer tiếp tục nghiên cứu bằng cách nghiền nát tế bào nấm men, chiết lấy dịch trong không chứa xác nấm men và cho vào dịch đường, phát hiện dịch chiết vẫn có khả năng lên men Từ đó, người ta gọi các chất trong dịch tế bào nấm men là zymase, một hợp chất gồm nhiều enzyme tham gia chuyển hóa đường thành ethanol và khí carbonic.
Quá trình lên men thực chất là quá trình oxy hóa khử, diễn ra trong cơ thể sinh vật nhờ vào tác động của hệ thống enzyme Do đó, quá trình này được gọi là quá trình oxy hóa sinh học.
Sự tạo thành rượu từ glucose phải trải qua nhiều giai đoạn, sơ đồ hình thành rượu từ glucose được biễu diễn ở hình bên dưới:
Hình 2.8: Quá trình đường phân
2.4.2 Tổng quan về vi khuẩn Zymomonas Mobilis 2.4.2.1 Một số nguồn phân lập Z mobilis
Bảng 2.4: Một số nguồn phân lập vi khuẩn Zymomonas Mobilis Nguồn phân lập Môi trường Điều kiện, kết quả Người thực hiện
Hèm bia Thạch gelatin Xuất hiện khuẩn lạc sauu
Bia tiệt trùng Thạch Agar ( 2% glucose)
Dịch nước táo Môi trường lỏng
3 canh trường chứa dịch chiết nấm men khác nhau
Khuẩn lạc sau 4 – 5 ngày ở 30 0 C có dạng hình hạt đậu, đường kính từ 1 – 4mm, màu xanh sậm
(Nguồn: http://doan.edu.vn/do-an/de-tai-len-men-ethanol-voi-vi-khuan-zymomonas- mobilis-25524)
Là một loại vi khuẩn gram õm, cú roi dài từ 1 – 1,4àm
Không hình thành bào tử
Một số loài có từ 1 – 4 tiêm mao
Không phát triển trên môi trường thạch hoặc nước thịt dinh dưỡng
Là loài vi khuẩn vi hiếu khí ( kỵ khí không bắt buộc)
Có thể lên men đường glucose và fructose
Tạo ra số mol ethanol và CO2 bằng nhau
Chứa khoảng 47,5 – 49,5 guanine và cytosine (G + C)
Loài phụ: Zymomonas mobilis subsp, mobilis
Loài phụ: Zymomonas mobilis subsp, pomaceae
Bảng 1Bảng 2Bảng 2.5: Thành phần của tế bào vi khuẩn Zymomonas Mobilis
Thành phần Hàm lượng ( theo khối lượng chất khô)
ATP: Pha logarit 1 - 5àmol/mg
ATP :Trong điều kiện thiếu thức ăn – 0,1 àg/mg ( Nguồn: http://doan.edu.vn/do-an/de-tai-len-men-ethanol-voi-vi-khuan-zymomonas- mobilis-25524)
Rất nhạy cma3 với thuốc nhuộm ( Brilliant areen…)
2.4.2.6 Cơ chế chuyển hóa đường thành ethanol bởi Zymomonas mobilis
Cơ chế lên men chính của vi khuẩn Zymomonas từ nguồn cơ chất glucose và fructose là con đường Entner – Doudoroff
Hình 2.9: Con đường Entner – Doudoroff
(http://doan.edu.vn/do-an/de-tai-len-men-ethanol-voi-vi-khuan-zymomonas-mobilis)
Do đó cân bằng chung của con đường KDPG là:
Hình 2.10: Cân bằng chung của con đường KDPG
( Nguồn: http://doan.edu.vn/do-an/de-tai-len-men-ethanol-voi-vi-khuan-zymomonas- mobilis-25524)
Enzyme trong con đường Entner-Doudoroff có khả năng kháng ethanol tốt hơn, cho phép Z mobilis hấp thụ glucose nhanh chóng và sản xuất ethanol với hiệu suất cao hơn 15% w/v.
Màng tế bào của Z mobilis có chứa nhiều loại acid béo giúp nó chịu được nồng độ ethanol cao
2.4.2.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men
Nồng độ đường ban đầu Hệu suất lên men cực đại ứng với 15% (w/v) nồng độ đường ban đầu
Gia tăng nồng độ đường ban đầu từ 15 – 20% sẽ lam 2giam3 hiệu suất lên men
Với 25% (w/v) tất cả các chủng đều giảm khả năng hấp thụ cơ chất và lên men ethanol
Cơ chất Bảng 3Bảng 4Bảng 2.6: Glucose và fructose
Tốc độ hấp thụ đường riêng cực đại ( g đường/g tế bào.giờ)
Tốc độ sản xuất ethanol riêng cực đại ( g ethanol/g tế bào.giờ
Hiệu suất sinh trưởng trung bình ( g sinh khối tế bào/g đường)
Giá trị hiệu suất ATP ( g sinh khối tế bào/mol ATP)
(http://doan.edu.vn/do-an/de-tai-len-men-ethanol-voi-vi-khuan-zymomonas-mobilis-
Nghiên cứu cho thấy hiệu suất lên men đạt cao nhất ở pH 7 và thấp nhất ở pH 4, cho thấy rằng việc tăng pH ban đầu sẽ cải thiện khả năng hấp thu cơ chất và nâng cao hiệu suất lên men Vì vậy, pH tối ưu cho quá trình lên men ethanol với Zymomonas mobilis được xác định là 7.
Nhiệt độ Nhiệt độ tối ưu cho quá trình lên men là 30 0 C
Khi nhiệt độ môi trường lên men tăng từ 30 đến 36 độ C, trong khi nồng độ glucose trong hỗn hợp nhập liệu giữ nguyên, nồng độ sinh khối sẽ giảm và tốc độ hấp thu glucose sẽ tăng dần.
Khi tăng nhiệt độ khoảng 2 – 3 0 C, hiệu suất chuyển hóa glucose tăng từ 82% đến 90%
Tuy nhiên, nhiệt độ cao quá mức sẽ có nhiều glucose taht61 thaot1 trong canh trường, hiệu suất chuyển hóa giảm còn 65%
Nồng độ ethanol ban đầu
Sự hiện diện của ethanol trong môi trường dinh dưỡng sẽ dẫn đến việc giảm sản xuất sinh khối, khả năng hấp thu cơ chất, cũng như làm giảm hiệu suất và hệ số chuyển hóa đường trong quá trình sản xuất ethanol.
Cụ thể: Với môi trường là sucrose có 2,5% ethanol ban đầu thì hiệu suất eyhanol giảm 48,8%, hiệu suất sinh khối giảm 25%, va 2tong63 lượng đường hấp thụ giảm 28,3%
Trong môi trường chứa 3% ethanol, sự hấp thu glucose giảm từ 60% đến 65% (Moreau và cộng sự, 1997) Khi nồng độ ethanol đạt mức rất cao là 20% (wt/vol), quá trình lên men bị ức chế hoàn toàn.
Thêm ethanol vào quá trình lên men sẽ ức chế khả năng lên men của tế bào Z.mobilis
2.4.2.8 Một số ưu điểm của Z mobilis là:
Là một chủng vi sinh vật có khả năng lên men tự nhiên
Tạo ra ít sinh khối tế bào
Không cần cung cấp oxy
Có thể kháng cự với các chất kiềm hãm có trong sản phẩm thủy phân
Có thể sinh trưởng ở nồng độ glucose cao
Tạo ra sản lượng ethanol cao từ glucose ( 95 – 98% hoặc 0,49 – 5,00 g/g)
Khả năng chịu được nồng dộ ethanol (13% ethanol từ 30% glucose)
Hiệu suất sna3 xuất riêng cao (2-6 g rhanol/ g chất khô.giờ)
Tốc độ hấp thụ đường glucose cao ( có thể lên đến 10g glucose g/g chất khô.giờ)
Giới hạn cơ chất hẹp, không có khả năng chuyển hóa các polysaccharide phức tạp như: cellulose, hemicelluloses và tinh bột thành ethanol)
Tạo ra một số sản phẩm phụ như: sorbitol, acetoin, glycerol và acid acetic hình thành một loại polymer levan ngoại bào.
QUY TRÌNH LÊN MEN
Lựa chọn phương pháp lên men
Các phương pháp lên men phụ thuộc vào đặc điểm sinh lý của vi sinh vật đối với oxy, được chia thành hiếu khí và kỵ khí Lên men kỵ khí thường sử dụng phương pháp nuôi cấy chìm, trong đó vi sinh vật được nuôi ở sâu trong môi trường và thỉnh thoảng khuấy để tăng cường trao đổi chất Trong quá trình lên men rượu, khi có oxy, vi sinh vật phát triển mạnh mẽ, nhưng khi thiếu oxy, chúng chuyển sang tích tụ etanol Do đó, giai đoạn đầu của lên men rượu thường được cung cấp oxy để nấm men phát triển, sau đó ngừng cung cấp khí để tiến hành lên men Lên men hiếu khí được thực hiện qua hai phương pháp chính: nuôi cấy bề mặt và nuôi cấy bề sâu.
Lựa chọn phương pháp lên men chìm dạng từng mẻ
Lên men chìm là phương pháp phổ biến trong quy trình lên men công nghiệp, cho phép kiểm soát dễ dàng các khâu trong quá trình So với lên men bề mặt, phương pháp này có ưu điểm như tiết kiệm diện tích, dễ cơ giới hóa và tự động hóa Tuy nhiên, nó đòi hỏi đầu tư lớn cho thiết bị và nếu một mẻ lên men bị hỏng, thường phải hủy bỏ toàn bộ quá trình, gây tốn kém Quá trình này cũng cần công nghệ xử lý chất thải để bảo vệ môi trường Lên men chìm có thể áp dụng cho cả vi sinh vật kị khí và hiếu khí, trong đó vi sinh vật kị khí không cần sục khí liên tục, trong khi vi sinh vật hiếu khí cần cung cấp ôxy liên tục Phương pháp hiện đại này đã được sử dụng từ nửa cuối thế kỷ XX và mang lại kết quả lớn cho công nghệ vi sinh.
Phương pháp nuôi cấy chìm hiện nay được sử dụng rộng rãi trong công nghệ vi sinh, phục vụ cho việc sản xuất men bánh mì, protein đơn bào, chế phẩm vi sinh để làm phân bón và thuốc trừ sâu, cũng như các enzyme, acid amin, vitamin, kháng sinh và chất kích thích sinh học.
Phương pháp nuôi cấy chìm có một số ưu điểm:
Tốn ít mặt bằng trong xây dựng và lắp đặt dây chuyền
Chi phí điện năng, nhân lực và các khoản phụ cho một đơn vị sản phẩm thấp -
Dễ tổ chức được xí nghiệp có sản lượng lớn
Các thiết bị lên men chìm có ưu điểm về khả năng cơ khí hóa và tự động hóa, nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm Phương pháp này yêu cầu trang bị kỹ thuật cao và dễ bị nhiễm trùng toàn bộ Do đó, thiết bị lên men chìm cần được chế tạo đặc biệt cẩn thận, chịu áp lực cao, kín và làm việc trong điều kiện vô trùng tuyệt đối, khác với nuôi cấy bề mặt, nơi có thể loại bỏ phần đã nhiễm trùng Trong quá trình lên men chìm, việc khuấy và sục khí liên tục là cần thiết, vì vi sinh vật chỉ sử dụng được oxy hòa tan trong môi trường Hệ thống khí nén cần được lọc sạch tạp trùng, nhưng điều này cũng tạo ra sự phức tạp và dễ gây nhiễm cho môi trường nuôi cấy.
Lên men dạng mẻ, hay nuôi gián đoạn (batch culture), là phương pháp nuôi vi sinh vật đến khi một thành phần dinh dưỡng chính bị giới hạn, dẫn đến sự chuyển đổi từ pha luỹ thừa sang pha cân bằng Trong quá trình này, sự sinh trưởng của vi sinh vật gắn liền với sự thay đổi điều kiện nuôi, giảm chất dinh dưỡng và tăng khối lượng tế bào, đồng thời trạng thái sinh lý của tế bào cũng biến đổi Việc tạo ra sản phẩm mong muốn thường liên quan đến một trạng thái sinh lý nhất định trong pha sinh trưởng, nhưng không thể duy trì lâu dài Phương pháp nuôi gián đoạn thường được áp dụng cho sự lên men vô trùng do tính dễ dàng về mặt kỹ thuật.
Quy trình s ản xuất Ethanol từ rơm rạ
Hình 3.1: Quy trình sản xuất ethanol đi từ ligocllulose
(Nguồn:http://www.slideshare.net/luongnguyenthanh/nghin-cu-sn-xut-ethanol- tu-rom-ra)
Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu
Nguyên liệu từ kho được chuyển đến nhà máy, nơi chúng được băm nghiền để phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật Quá trình này tạo điều kiện thuận lợi cho thủy phân, từ đó nâng cao hiệu suất sản xuất Sau khi hoàn tất, nguyên liệu sẽ được chuyển đến khu vực tiền xử lý.
Rơm chứa nhiều polyme carbohydrate phức tạp như cellulose và hemicellulose, được bảo vệ bởi lớp lignin dày đặc, khiến enzym khó thủy phân Do đó, cần có bước tiền xử lý để phá vỡ lignin, giúp lộ cellulose và hemicellulose cho enzym dễ dàng tiếp cận Tiền xử lý nhằm giảm kết tinh cellulose, tăng diện tích bề mặt sinh khối, loại bỏ hemicellulose và phá vỡ lignin, từ đó tăng tốc quá trình chuyển đổi polyme carbohydrate thành đường lên men Các phương pháp tiền xử lý bao gồm hóa học, vật lý, nhiệt, hoặc sự kết hợp giữa chúng Quá trình bắt đầu bằng cách xử lý nguyên liệu bằng dung dịch H2SO4 loãng ở nhiệt độ cao trong thời gian ngắn, giải phóng hemicellulose và các hợp chất khác, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình đường hóa và lên men Lượng acid dư được trung hòa bằng dung dịch Ca(OH)2 để loại bỏ kết tủa CaSO4 Sau đó, nguyên liệu tiếp tục được đưa vào giai đoạn đường hóa bằng enzym, biến cellulose thành glucose, rồi lên men glucose và các đường khác thành ethanol bằng chủng men Zymomonas mobilis.
Bước 3: Nhân giống vi khuẩn lên men và lên men:
Chọn men giống Zymomonas Mobilis để phát triển trong bình sản xuất men giống, nơi cặn đường và chất dinh dưỡng được bổ sung liên tục cho đến khi đạt số lượng men cần thiết cho quá trình lên men Cuối cùng, men giống, dinh dưỡng và cặn đường sẽ được đưa vào thùng lên men, gọi là giấm chín Để lên men hiệu quả, cần có lượng giống đủ cung cấp cho nồi lên men, với tỷ lệ 10% thể tích dịch lên men Số lượng tế bào trong dịch nhân giống cần đạt 100-120 triệu tế bào/ml hoặc hơn, với giống phải trẻ, khỏe và đang ở pha phát triển, không được tạp nhiễm.
Muốn đạt được yêu cầu giống đưa vào sản xuất phải:
Nhân giống trong phòng thí nghiệm bắt đầu từ ống giống thạch nghiêng, sau đó chuyển qua dịch trong ống nghiệm, bình tam giác và các bình có dung tích từ 5 đến 10 lít, trước khi chuyển sang quy trình nhân giống trong sản xuất.
Thông thường giống sản xuất được nuôi riêng trong các nồi nhân giống, sau đó tiếp vào các thùng lên men
Chúng tôi tiến hành nuôi gián đoạn trong một thiết bị được gọi là nồi nhân giống Nồi này được chế tạo bằng thép kín, bên trong trang bị hai hệ thống xoắn ruột gà để cung cấp hơi và nước, cùng với cánh khuấy Thể tích của nồi nhân giống chiếm khoảng 6-8% thể tích của thùng lên men.
Dịch đường dùng để nhân giống được tạo ra từ quá trình thủy phân nguyên liệu rơm rạ, với dinh dưỡng đã được cân bằng và pH điều chỉnh trong khoảng 4,5-5,2 Để đảm bảo chất lượng, dịch nhân giống cần phải trải qua quá trình thanh trùng Pasteur, và toàn bộ quy trình phải được thực hiện trong điều kiện vô trùng.
Nhân giống cũng như lên men cần giữ ở nhiệt độ 28-32 o C, nếu nhiệt độ tăng cao phải hạ nhiệt độ bằng nước lạnh qua đường ruột gà
Trước khi bắt đầu quá trình nuôi vi sinh vật, cần phải rửa sạch nồi và thùng nuôi, sau đó tiến hành xì hơi nóng và thanh trùng bằng hơi Khi nhiệt độ giảm xuống khoảng 55-58 độ C, bổ sung nguồn dinh dưỡng nitơ cùng với dịch đường Tiếp theo, nâng nhiệt độ lên 75 độ C và giữ trong 30 phút trước khi làm lạnh.
Quá trình lên men được thực hiện trong một thùng lớn với thời gian dự đoán để lên men đường thành ethanol khoảng 36 giờ
Men giống được sản xuất từ thùng chứa, chiếm khoảng 10% tổng lượng dịch đường Để cung cấp dinh dưỡng cho nấm men hoạt động, cần bổ sung 0,33g DAP cho mỗi lít giấm chín.
Bước 4 Chuẩn bị dịch lên men
Dịch đường thủy phân sau khi được làm nguội xuống 28-30 o C, với dịch đường vào là 12,6%, pH= 4,5-5,2
Trong quá trình chuẩn bị dịch lên men và dịch nhân giống trong sản xuất, việc bổ sung nguồn Nitơ (N) và Photpho (P) vào dịch đường thủy phân là rất quan trọng Để thực hiện điều này, chúng ta sử dụng diammoni photphat (DAP) nhằm cung cấp đồng thời cả hai nguồn N và P Theo tính toán hợp lý, cần bổ sung 0,33g DAP cho mỗi lít dịch đường.
Bước 5 Lên men dịch thủy phân trong 36 giờ Bước 6 Chưng cất dịch sau lên men bằng tháp chưng cất để thu ethanol tinh sạch.
Tỉ lệ thành phần các nguyên liệu cho vào thiết bị lên men
Bảng 3.1: Tỉ lệ thành phẩn các nguyên liệu cho vào thiết bị lên men
Hàm lượng men 10% tổng dịch đường lên men
( Nguồn: http://www.slideshare.net/luongnguyenthanh/nghin-cu-sn-xut-ethanol-tu- rom-ra)
Thiết bị lên men
Phần chính của thiết bị là một thùng lên men A được làm bằng thép không rỉ
Thùng kín hoạt động ở áp suất cao hơn áp suất khí trời để ngăn ngừa sự xâm nhập của không khí và tránh lây nhiễm Bên ngoài thùng được bao bọc bởi lớp nước B để gia nhiệt, làm nguội và điều hòa nhiệt độ Để đảm bảo sự đồng đều của thành phần trong thùng, cánh khuấy C được kéo bởi động cơ D Trên trục cánh khuấy thường được lắp bộ phận phá bọt E Ở phía dưới thùng, cơ cấu xục khí F với nhiều lỗ nhỏ không chỉ giúp xục khí mà còn có thể thay thế vai trò khuấy trộn của cánh khuấy trong một số trường hợp.
Hình 3.2: Thiết bị lên men
Thùng lên men được thiết kế với nhiều đường dẫn, cho phép đưa vật chất vào và ra khỏi thùng một cách hiệu quả Các dòng dẫn này đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất ethanol từ rơm rạ.
1 : đưa canh trường vào thùng,
2 : đưa dưỡng chất & cơ chất vào thùng,
3 : đưa dịch lên men ra khỏi thùng,
5 : đưa khí ra khỏi thùng,
6 : đưa dung dịch axit hay kiềm vào thùng để điều chỉnh pH cho môi trường lên men,
7 : đưa nước hay hơi nước vào và ra thùng để gia nhiệt, làm lạnh hay điều hòa nhiệt độ cho môi trường lên men,
3.4.2 Đo lường trong thiết bị lên men Để cho quá trình lên men luôn hoạt động ở điều kiện tốt nhất, việc đo lường và điều khiển các thông số giữ một vai trò rất quan trọng:
N : đo vận tốc quay của cánh khuấy (m/s)
V : đo mức của dịch lên men, qua đó ta có thể xác định được thể tích của dịch lên men (m 3 )
X : đo hàm lượng sinh khối khô (%)
T : đo nhiệt độ môi trường lên men ( 0 C)
pH : đo pH của dịch lên men
Oxy : đo hàm lượng oxy hòa tan trong dịch lên men (%)
THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN THIẾT BỊ LÊN MEN
Cân bằng vật chất và năng lượng
Chọn thể tích nhập liệu V m 3 Với:
18m 3 dung dịch đường sau thủy thủy phân
Diammoni phosphate bổ sung theo tỉ lệ: 0,33g/l dịch đường Vậy lượng DAP cần bổ sung cho quá trình lên men :0,33 ∗ 18 ∗ 10 3 = 6 𝑘𝑔
Dịch đường ban đầu chứa 13% đường ( ρ68,27 kg/m 3 ) : hiệu suất tổng hợp ethanol là 97% Gồm:
7% glucose : hiệu suất chuyển hóa 96%
4% xylose : hiệu suất chuyển hóa tương ứng 40%
0,04.M (kg) 0,51.0,04.M.0,4 (kg) Với m là khối lượng dịch đường nhập liệu ban đầu:
Khối lượng Ethanol ban đầu: methanol = ( 0,51 ∗ 0,07𝑚 ∗ 0,96 + 0,51 ∗ 0,04𝑚 ∗ 0,4) ∗ 0,97 = 791,4 (𝑘𝑔)
Vậy nồng độ ethanol là: 𝑚
Nồng độ % ethanol trong dịch sản phẩm : 791,4∗ 100
Trong quá trình hoạt động của vi sinh vật trong thiết bị lên men, nhiệt độ tăng lên có thể làm chậm sự phát triển của chúng và thậm chí dẫn đến cái chết Để ngăn ngừa hiện tượng này, thiết bị lên men cần được trang bị các cơ cấu thải nhiệt như ống xoắn, áo và các ống nhiệt Trong trường hợp này, chúng ta chọn thiết bị áo nước qua vách để đảm bảo hiệu quả trong việc kiểm soát nhiệt độ.
Lượng nhiệt thải ra tử canh trường và tiêu hao nước làm lạnh được xác định từ cân bằng nhiệt trong 1h làm việc
Bảng 5Bảng 6Bảng 4.1: Công thức tính toán lượng nhiệt trước và sau lên men
Thu nhiệt Tiêu hao nhiệt
Với môi trường dinh dưỡng: 𝑄 1 𝐺 𝑛 ∗ 𝐶 𝑛 ∗ 𝑡 𝑛
Nhiệt sinh học được giải phóng khi phát triển canh trường: 𝑄 2 = 𝑞 ∗ 𝑝
Với canh trường thành phẩm: 𝑄 𝑠 𝐺 𝑘 𝐶 𝑘 𝑡 𝑘
Với không khí thổi: 𝑄 4 = 𝐿𝑖 1 Với không khí thổi: 𝑄 7 = 𝐿𝑖 2
Tổn thất nhiệt vào môi trường xung quanh: 𝑄 8 = 3600 ∗𝛼∗ 𝐹 𝑎 ∗
Gn , GB và GK – khối lượng môi trường dinh dưỡng, nước làm lạnh và canh trường thành phẩm (kg)
Cn, CB và CK là nhiệt dung riêng của môi trường dinh dưỡng, nước làm lạnh và canh trường thành phẩm (kJ/kg.K) Các ký hiệu tn, tK, t1B và t2B đại diện cho nhiệt độ của môi trường dinh dưỡng, canh trường thành phẩm, và nước làm lạnh ở đầu và cuối (K) Nhiệt lượng trung bình q được giải phóng khi mức tăng sinh khối của chủng vi sinh vật đạt p (kg/h) (kJ/kg).
L – lượng không khí được thổi (kg/h) i và i2 – entanpi của không khí mới và không khí thải (kJ/kg)
Fa – diện tích bề mặt của thiết bị lên men, m 2 α – hệ số thải nhiệt từ bề mặt thiết bị vào môi trường xung quanh kW/(m 2 K);
t – hiệu trung bình nhiệt độ của canh trường phát triển và không khí xung quanh thiết bị (K)
Phương trình cân bằng nhiệt của thiết bị:
Nhiệt độ phản ứng tối ưu là 30°C, cho thấy nước đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nhiệt độ ổn định Hơn nữa, với nhiệt độ phản ứng không đáng kể, nước giúp giảm thiểu sự thất thoát nhiệt ra môi trường.
Vậy phương trình cân bằng nhiệt thực tế : 𝐺 𝐵 ∗ 𝐶 𝐵 ∗ (𝑡 1𝐵 − 𝑡 2𝐵 ) = 𝑄 8
Năng lượng thất thoát được tính theo công thức 𝑄 8 = 3600 ∗ 𝛼 ∗ ∆𝑡 ∗ 𝐹𝑎, trong đó diện tích bề mặt lên men được xác định bằng 𝐹𝑎 = 0,785𝐷 2, tương ứng với 3,14𝑚 2 Dựa trên thực nghiệm với thiết bị có áo lạnh, hệ số nhiễm bẩn tường được sử dụng là 𝛼 = 3000𝑤/(𝑚 2 𝑘).
Xét ở Tp Hồ Chí Minh, ta chọn nhiệt độ thiết bị là 27 0 C, nhiệt độ hỗn hợp phản ứng là 30 0 C, ∆𝑡 = 30 0 C Vậy, năng lượng thất thoát là:
𝑄 8 = 3600 ∗ 𝛼 ∗ ∆𝑡 ∗ 𝐹𝑎 = 1,017 ∗ 10 8 𝐽 = 𝐺 𝐵 ∗ 𝐶 𝐵 ∗ (𝑡 1𝐵 − 𝑡 2𝐵 ) Xem nhiệt độ nước bằng nhiệt độ phản ứng: 𝑡 1𝐵 0 0 C; 𝑡 2𝐵 ' 0 C
𝐶 𝐵 B00 J/kg.k Lượng nước tham gia truyền nhiệt:
Trong một giờ, khoảng 8,1 m³ nước sẽ tham gia vào quá trình truyền nhiệt để ổn định nhiệt độ của bình phản ứng, với tổng khối lượng nước là 8074,286 kg Tùy thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ môi trường hoặc nhiệt độ phản ứng, lượng nước có thể được điều chỉnh phù hợp để đảm bảo nhiệt độ luôn ổn định.
Ta thiết kế 1 lớp áo nước bên ngoài thành thi ết bị sao cho chiều cao không được thấp hơn chiều cao cột chất lỏng
Ta chọn chiều cao lớp áo nước 4m Khoảng cách của lớp áo nước được tính như sau:
Vậy chiều dày lớp áo nước là 10cm
Ta cho dòng nước được gia nhiệt đến 30 0 C chạy tuần hoàn trong lớp áo nước nhầm giữ nhiệt độ ổn định trong bồn lên men
Nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ nước từ nhiệt độ ban đầu là 25 0 C lên
Công suất điện trở gia nhiệt nước trong 10 phút (600s)
Tính toán thiết kế thiết bị
4.2.1 Tính toán thể tích thiết bị lên men (V)
𝑉 1 = 𝑉 ∗ 𝑘 ( k là hệ số chứa đầy, chọn k=0,65)
H là chiều cao của thùng lên men (m)
D là đường kính trong của thiết bị (m) dk đường kính cánh khuấy (m) hc chiều cao đáy/nắp elip (m)
Ta có thể tích phần xylanh:
Giả sử đáy và nắp kết hợp lại tạo thành một elip tròn xoay xung qunah trục Ox
4.2.2 Tính chiều dày vách, nắp, đáy, chân đỡ thiết bị:
Chúng tôi chọn thép không gỉ CT 3 làm vật liệu cho thân thiết bị, với thiết kế thùng lên men hình trụ có nắp và đáy elip Thùng được hàn tay bằng hồ quang điện, ghép mối hai bên theo chiều dọc để đảm bảo độ bền và chất lượng.
Môi trường lỏng (𝜌 = 1068,27 𝑘𝑔/𝑚 3 ) – khí CO2
Thân không lỗ, được hàn dọc, hàn tay bằng hồ quag điện → 𝜑 ℎ = 0,95
Thiết bị không đốt nóng thuộc nhóm 2, loại II (𝜇 = 1)
H; chiều cao cột chất lỏng 𝐻 = ℎ 𝑐 + 𝑉 1 −𝑉 đá𝑦
𝑝 1 = 1068,27 ∗ 9,81 ∗ 4,6 = 48046 𝑁/𝑚 3 Áp suất do CO2 sinh ra: 𝑝 2 = 𝑛∗𝑅∗𝑇
2 ∗ [𝜎] ∗ 𝜑 ∗ 𝑝 Ứng suất cho phép C theo giới hạn bền:
2,6 ∗ 1 = 146 ∗ 10 6 𝑁/𝑚 2 Ứng suất cho thép CT 3 theo giới hạn chảy:
Hệ số dẫn nhiệt CT 3: 𝜆 = 50𝑊 /𝑚.độ
6 145∗10 6 ∗ 0,95 = 96 > 50 do đó có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu của công thức
Chọn ứng suất nhỏ hơn (146*10 6 ):
𝐶 3 = 0,8 ∗ 10 −3 𝑚 ( Bảng XIII.9) Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất (tập 2)
𝑆 = 1,25 ∗ 10 −2 + 1,8 ∗ 10 −3 = 1,43𝑐𝑚 Áp suất thử được xác định theo bảng XIII.5
𝑝 0 = 𝑝 𝑡ℎử + 𝑝 = (0,3 + 1,45) ∗ 10 6 = 1,75 ∗ 10 −3 𝑚 Xác định ứng suất ở thân thiết bị theo áp suất thử tính toán:
Chiều dày đáy, nắp Elip
2 ∗ ℎ 𝑐 + 𝐶 Ở nắp và đáy có lỗ nhập liệu và tháo liệu 𝑑 = 15𝑐𝑚 được hàn từ hai tấm, hàn tay hoặc điện 𝜑 = 0,95; [𝜎] = 146 ∗ 10 6 𝑁
Hệ số k được xác định: 𝑘 = 1 − 𝑑
6 1,45∗10 6 ∗ 0,938 ∗ 0,95 = 89,7 > 30 nên bỏ qua đại lượng p ở mẫu trong công thức Vậy nên:
Kiểm tra ứng suất của nắp, đáy thiết bị theo áp suất thủy lực bằng công thức sau:
Ta có chiều dày đáy và nắp thiết bị là 16mm Vậy chiều cao phần gấp nếp bằng
Bích ghép thân, nắp và đáy:
Mặt bích là một thành phần thiết yếu trong việc kết nối các phần của thiết bị và các bộ phận khác Có nhiều loại mặt bích được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp.
Bích liền là bộ phận kết nối thiết bị qua các phương pháp hàn, đúc và rèn Loại bích này thường được sử dụng cho các thiết bị hoạt động dưới áp suất thấp và trung bình.
Bích tự do chủ yếu được sử dụng để nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, kết nối các bộ phận bằng kim loại màu và hợp kim của chúng Điều này đặc biệt quan trọng khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn thiết bị.
Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc áp suất cao
Do thiết bị hoạt động ở áp suất trung bình nên ta chọn loại bích liền làm bằng thép để nối các bộ phận của thiết bị
Chọn bích ghép thân , đáy và nắp bằng thép X18H10T Tra bảng XIII.27 Sổ tay quá trình thiết bị tập 2
Với đường kính trong thiết bị 2400mm, áp suất 1,6 10 6 N/m 2 , cho kiểu bích liền số 2
Ta được: D&80mm, Db%80mm, DI%20mm, bu lông M48 ZV, hamm, Hmm, SI"
Vậy số bích ghép thân- đáy- nắp là 56 bích
Độ kín của mối ghép bích chủ yếu phụ thuộc vào vật đệm được sử dụng Việc làm dày các chỗ gồ ghề trên bề mặt bích bằng đệm là rất quan trọng Để đảm bảo độ kín cho thiết bị, nên chọn đệm có kích thước D2$54mm và D4$30mm.
Khối lượng của bích ghép thân được tính toán với thép X18H10T có khối lượng riêng 7900 kg/m³, cho kết quả là 538 kg Trong khi đó, khối lượng của thân thiết bị làm từ thép CT3, với khối lượng riêng 7850 kg/m³, đạt 31635,75 kg Đối với nắp và đáy, khối lượng được xác định là 286,47 kg Tổng khối lượng toàn bộ thiết bị sẽ bao gồm các thành phần này.
M = m1 + m2 + m3 = 32460,22kg Suy ra trọng lượng thiết bị
Chân đỡ thiết bị Thiết bị được đỡ trên 4 chân Tải trọng cho phép trên mỗi chân :
GC = P/4 = 318434,76/4 y608 N Các kích thước chân đỡ bảng XIII.35 (tính bằng mm)
L= 320mm , B = 265mm, B1 = 270mm, B2 = 400mm, H = 500mm, h= 275mm, s = 22mm, l = 120mm, d= 34mm
4.2.3 Tính toán hệ thống khuấy
Ta có độ nhớ môi trường làm việc dựa trên công thức:
𝜇 = (1,2 + 0,046 ∗ 𝐵 − 0,0014 ∗ 𝐵 ∗ 𝑡) ∗ 10 −3 Với B: nồng độ phần trăm (%) t: nhiệt độ của môi trường ( 0 C) suy ra: 𝜇 = (1,2 + 0,046 ∗ 13 − 0,0014 ∗ 13 ∗ 30) ∗ 10 3 = 1,252 ∗ 10 −3 Khối lượng riêng 𝜌 = 1068,27 𝑘𝑔/𝑚 3
Chọn cánh khuấy mái chèo tua bin 3 cánh thẳng ( dựa trên “ Các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm tập 2) Bảng 6.2; 6.3
𝜇Với n: số vòng quay ( vòng/s)
Công thức tính toán cho trục khuấy trộn:
Với k1: hệ số chứa đầy, k2: hệ số có tính đến tăng công suất do tăng sức cản của môi trường trong quá trình phát triển của môi trường ( k2=1,1)
∑ 𝑘 : hệ số tính đến sự tăng công suất để vượt thắng sức cản gây ra do cơ cấu phụ
∑ 𝑘 = 𝑘 𝑛 + 𝑘 𝑀 + 𝑘 𝑇 kn: hệ số cản của vách ngăn phản xạ ( kn=1,5) kM: hệ số cản bộ khung trộn ( kM=0,2) kT: hệ số cản của ống lót trục ( kT=0,3)
Suy ra: 𝑁 𝑝 = 0,65 ∗ 1,1 ∗ (2 + 1) ∗ 1716,66 = 3682,24 𝑊 Đường kính trục dẫn của máy khuấy:
𝜏 𝑐𝑝 : ứng suất tiếp cho phép đối với vật liệu
CM: hiệu chỉnh rò rỉ
Trục chế tạo bằng thép CT45 Giới hạn bền 𝜎 𝑏 = 610 ∗ 10 6 𝑁
𝑚 2 , hệ số an toàn n=2,6 Ứng suất cho phép: [𝜎] = 𝜎 𝑏
𝑛 = 234,6 ∗ 10 6 𝑁/𝑚 2 Ứng suất tiếp cho phép:[𝜏] = 0,6 ∗ [𝜎] Ứng suất cho phép đối với các trục của cơ cấu khuấy:
3 = 0,025𝑚 = 2,53𝑐𝑚 Để đảm bảo độ bền cần lấy tích của dB với hệ số 1,25 Suy ra 𝑑 ′ 𝐵 = 𝑑 𝐵 ∗ 1,25 = 3,16𝑐𝑚 Đường kính đoạn trục nằm cao hơn tuabin nhỏ phía dưới
Bề dày miếng đệm vòng chắn dầu (m) với:
Chiều cao miếng đệm: ℎ 𝑐 = 6𝑆 𝑐 = 48,54𝑚𝑚 Công suất để thắng ma sát trong vòng chắn dầu trục:
P: áp suất khí làm việc trên mức lỏng ( 𝑃 = 1 10 5 𝑁/𝑚 2 ) Công suất động cơ:
𝜂 = 1741552 ,13 𝑊 ≈ 1,7 𝑀𝑊 Với 𝜂: là hiệu suất truyền động (70%)
Thể tích hỗn hợp lỏng nhập liệu
Thời gian bơm nhập liệu : = 30 phút = 0,5h
Suất lượng thể tích của dòng nhập liệu đi trong ống
4.4 Tính toán chi ều cao bồn cao vị
Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu d= 150(mm),độ nhám ống = 0,1 (mm), chiều dài ống 15 (m)
Dòng nhập liệu có = 1068,27 kg/m 3 à = 1,25.10 -3 N/m.s
Chọn bơm có năng suất là Qb = 36m 3 /h
Vận tốc dòng nhập liệu trong ống
Chuẩn số Reynolds của dòng nhập liệu
1,252.10 −3 = 72441 Theo “ sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - tập 1, ta có:
Chuẩn số Reynolds tới hạn : Regh = 6 ( 𝑑 ℎ
Chuẩn số Reynolds khi bắt đàu xuất hiện vùng nhám
Suy ra : Regh < Re < Ren
Khu vực chảy quá độ
Hệ số tổn thất của dòng nhập liệu qua:
lần đột mở : 𝑚1 = 2 1= 2 Suy ra: ∑ ℎ = 𝑣 + 𝑢 + 𝑡1 + 𝑚1 = 40,7
Vậy tổn thất trong ống dẫn liệu: h = (0,022 20
mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị
mặt cắt (2-2) là mặt cắt tại vị trí nhập liệu của tháp
Áp dụng phương trình Bernolli cho (1-1) và (2-2) z1 + 𝑃 1
z1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem như chiều cao bồn cao vị Hcv = z1
z2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem như chiều cao từ vị trí nhập liệu tới mặt đất : z2 = hchân đỡ + hbình = 0,5 + 7,23 = 7,73 (m)
p1 : áp suất tại mặt thoáng (1-1) , chọn p1 = 1at
p2 : áp suất tại mặt thoáng (2-2) chọn p2 = 1at
v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1) , xem như v1 = 0 (m/s)
v2 : vận tốc tại vị trí nhập liệu , v2 = vF = 0,566 (m/s)
∑ ℎ 𝑓1−2 tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2)
Vậy chiều cao bồn cao vị Hcv = z 2 + 𝑝 2 −𝑝 1
Chọn bơm nhập liệu có năng suất 3,6m 3 /h Đường kính ống hút và đẩy bằng nhau bằng d = 150(mm)
Nhiệt độ trung bình nhập liệu là 30 0 C và = 1068,27 kg/m 3 à = 1,25.10 -3 N/m.s Vận tốc dòng nhập liệu trong ống hút đẩy
- 𝑙 ℎ : chiều dài ống hút chọn lh = 1,5 (m)
- 𝑙 𝑑 : chiều dài ống đẩy chọn ld = 11,5 (m)
- ∑ ℎ : tổng tổn thất cục bộ trong ống hút
𝑑 : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy
- : hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy Chuẩn số Reynolds của dòng tháo liệu
1,25 10 −3 = 72538,56 Theo “ sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - tập 1
Chuẩn số Reynolds tới hạn : Regh = 6 ( 𝑑 ℎ
7 = 25584,08 Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám
8 = 823237,88 Suy ra : Regh < Re < Ren
Khu vực chảy quá độ
Hệ số tổn thất cục bộ ống hút qua
- 1 lần vào miệng thu nhỏ t = 0,5 suy ra : ∑ ℎ = vh + t = 10,5
Hệ số tổn thất cục bộ trong ống đẩy qua
Vậy tổn thất trong ống hút và ống đẩy: hhd = (0,022 1,5+11,5
Mặt cắt (1-1) đại diện cho mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu, trong khi mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị Áp dụng phương trình Bernoulli cho các mặt cắt này, ta có z1 + P1.
z1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất
z2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất.
p1: áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn p1= 1at
p2: áp suất tai mặt thoáng (2-2), chọn p2t
v1, v2: vận tốc tại mặt thoáng (1-1) đến (2-2), xem v1= v2=0 (m/s)
∑ ℎ 𝑓1−2 : tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2)
Suy ra : Hb = ( z2- z1) + hhd = Hcv + hhd = 10,42m
Chọn hiệu suất của bơm là 80%
Công suất thực tế của bơm Nb = 𝑄 𝑏 𝐻 𝑏 𝜌 𝐹 𝑔
Lưu lượng dòng nhập liệu là 36 m 3 /h
Chọn bơm có công suất là 36 m 3 /h đường kính ống hút đẩy bằng nhau bằng 150(mm)
Dòng tháo liệu có nhiệt độ trung bình là 30 o C Các tính chất của dịch sản phẩm:
Độ nhớt động lực à = 1,772.10 -3 (N/m 2 s) Vận tốc dòng tháo liệu
3600.𝜋.0,15 2 = 0,566 (m/s) Tổng trở lực trong ống hút đẩy
- 𝑙 ℎ : chiều dài ống hút chọn lh = 1,5 (m)
- 𝑙 𝑑 : chiều dài ống đẩy chọn ld = 11,5 (m)
ℎ: tổng tổn thất cục bộ trong ống hút
𝑑 : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy
- : hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy Chuẩn số Reynolds của dòng tháo liệu
1,772 10 −3 = 46196,72 Theo “ sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - tập 1
Chuẩn số Reynolds tới hạn : Regh = 6 ( 𝑑 ℎ
7 = 25584 Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám
Suy ra : Regh < Re < Ren
Khu vực chảy quá độ
Hệ số tổn thất cục bộ ống hút qua
1 lần vào miệng thu nhỏ t = 0,5
1 lần uốn góc : u = 1,1 suy ra : ∑
Hệ số tổn thất cục bộ trong ống đẩy qua
Vậy tổn thất trong ống hút và ống đẩy: hhd = (0,024 1,5+11,5
Trong quá trình phân tích, chúng ta có 2.9,81 = 0,439 Mặt cắt (1-1) đại diện cho đáy chất lỏng trong bồn lên men, trong khi mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa sản phẩm Áp dụng phương trình Bernoulli cho các mặt cắt này, ta có z1 + 𝑃1.
z1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất
z 2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất.
p1: áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn p1= 1,4 10 6 𝑁/𝑚 2
p2: áp suất tai mặt thoáng (2-2), chọn p2t = 101325 N/m 2
v1, v2: vận tốc tại mặt thoáng (1-1) đến (2-2), xem v1= v2=0 (m/s)
∑ ℎ 𝑓1−2 : tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2)
Do áp suất trong bồn lên men lớn hơn rất nhiều so với áp suất ở bồn chứa sản phẩm nên ta không cần dùng đến bơm.
Chọn bơm tháo liệu
Sau khi nghiên cứu và tính toán thiết kế thiết bị lên men Ethanol sinh học từ rơm rạ, chúng tôi đã phát triển một hệ thống lên men dịch đường sau thủy phân bằng phương pháp nuôi cấy chìm dạng mẻ Bài viết này sẽ trình bày các đặc tính kỹ thuật của thiết bị chính, cụ thể là bồn lên men, dựa trên các thông số ban đầu đã được cung cấp.
Hàm lượng men: 10% tổng dịch đường lên men
Thiết bị chính: Bồn lên men
Chọn vật liệu là thép CT 3
Chiều cao bồn lên men: 7,23m
Đường kính trong của thiết bị: 2,41m
Chiều dày đáy và nắp elip: 16mm
Chọn cánh khuấy tuabin 3 cánh thẳng
Số vòng quay: 48 vòng/phút
Công suất trục khuấy trộn: 3682,24 W
Đường kính trục dẫn của máy khuấy: 3,16cm
Đường kính trục nằm cao hơn tuabin nhỏ phía dưới: 3,38cm
Bề dày miếng đệm vòng chắn dầu: 8,1cm
Vận tốc dòng nhập liệu trong ống hút ,đẩy: 0,566 (m/s)
Công suất bơm thực tế: 1364,64 W.
