ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHÍ HOÁ VỎ TRẤU TRONG SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ RƠM

BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHÍ HOÁ VỎ TRẤU TRONG SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ RƠM CB NM HD: KS. Lê Nguyễn Phúc Thiên GV phụ trách: ThS. Trần Thị Tưởng An Ngành: Công nghệ sinh học Đơn vị thực tập: Phòng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học và Biomass TP. Hồ Chí Minh, 2021 LỜI CẢM ƠN Nhóm sinh viên thực tập chúng em xin chân thành cám ơn TS. Nguyễn Đình Quân – Trưởng phòng thí nghiệm Năng Lương Sinh Học – Trường đại học Bách Khoa TPHCM – Đại Học Quốc Gia TPHCM – đã tạo điều kiện thuận lợi để chúng em có cơ hội được thực tập tại phòng thí nghiệm. Đây là cơ hội để chúng em được tiếp xúc trực tiếp, tìm hiểu các thiết bị, các quá trình hóa lý và hóa học đã được học tập trong điều kiện thực tế, các yếu tố kỹ thuật và quy trình vận hành sản xuất thực tế. Qua đó, quá trình thực tập đã giúp chúng em củng cố thêm những kiến thức đã được học và cũng biết cách sơ bộ vận hành vào thực tế. Ngoài những kiến thức chuyên môn ra, chúng em còn học hỏi được rất nhiều kỹ năng, tinh thần làm việc nghiêm túc, tuân thủ chặc chẽ kỹ luật và nội quy an toàn lao động của các thầy cô và các anh chị kỹ sư đang công tác tại phòng thí nghiệm. Đây là những tố chất rất quan trọng và cần thiết cho người kỹ sư. Chúng em cũng xin gởi lời cám ơn đến anh Lê Nguyễn Phúc Thiên – Tổ trưởng phòng phân tích của phòng thí nghiệm. Anh chính là người trực tiếp hướng dẫn chúng em về quy trình công nghệ và thiết bị, giải đáp những thắc mắc và chia sẻ kinh nghiệm, những tình huống thực tế gặp phải trong suốt thời gian anh công tác tại phòng thí nghiệm. Chúng em xin cảm ơn cô Trần Thị Tưởng An đã tạo cơ hội cho chúng em được thực tập tại phòng thí nghiệm và tạo điều kiện thuận lợi để phát triển những kỹ năng cần thiết cho môi trường lao động chuyên nghiệp sau này. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 2 MỤC LỤC 3 DANH SÁCH HÌNH VẼ 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÒNG THÍ NGHIỆM 7 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển. 7 1.2 Địa điểm xây dựng 8 1.3 Cơ cấu tổ chức nhân sự 9 1.4 Sản phẩm và sơ đồ bố trí mặt bằng 10 1.5 Nội quy an toàn lao động. 12 CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU – SẢN PHẨM – CHẤT THẢI 14 2.1 Nguyên liệu. 14 2.1.1 Rơm rạ 14 2.1.2 Vỏ trấu. 16 2.1.3 Dung dịch xút. 16 2.1.4 Dung dịch acid. 16 2.1.5 Enzyme 16 2.1.6 Nấm men. 16 2.1.7 Nước – không khí – LPG 17 2.1.8 Khí nén. 17 2.2 Sản phẩm. 17 2.2.1 Syngas. 17 2.2.2 Hơi nước quá nhiệt. 17 2.2.3 Ethanol. 17 2.3 Chất thải. 18 CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC 19 3.1 Sơ đồ khối. 19 3.2 Quy trình công nghệ lò hơi. 20 3.2.1 Quá trình lọc bụi. 20 3.2.2 Quá trình khí hóa 21 3.2.3 Quá trình đốt khí Syngas 21 3.2.4 Quá trình tạo hơi nước. 21 3.3 Quy trình công nghệ sản xuất Ethanol từ rơm rạ. 22 3.3.1 Quá trình cắt. 22 3.3.2 Quá trình nổ hơi. 23 3.3.3 Quá trình kiềm hóa. 24 3.3.4 Quá trình lọc ép. 24 3.3.5 Quá trình trung hòa 25 3.3.6 Quá trình tiệt trùng 25 3.3.7 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời. 25 3.3.8 Quá trình chưng cất. 25 CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ CHI TIẾT 27 4.1 Lò khí hóa. 27 4.1.1 Kích thước. 27 4.1.2 Buồng khí hóa. 27 4.1.3 Vật liệu chế tạo. 27 4.1.4 Công suất. 27 4.1.5 Năng suất. 28 4.1.6 Thông số kỹ thuật. 28 4.1.7 Nguyên tắc vận hành. 28 4.1.8 Sự cố 29 4.2 Bồn thủy phân và lên men đồng thời. 30 4.2.1 Kích thước. 30 4.2.2 Cấu tạo. 30 4.2.3 Vật liệu. 30 4.2.4 Công suất. 30 4.2.5 Năng suất. 30 4.2.6 Cơ chế hoạt động 31 4.2.7 Thông số kỹ thuật. 31 4.2.8 Nguyên tắc vận hành. 31 4.2.9 Sự cố 33 4.3 Tháp chưng cất. 34 4.3.1 Kích thước. 34 4.3.2 Cấu tạo. 34 4.3.3 Vật liệu chế tạo 34 4.3.4 Năng suất 35 4.3.5 Hiệu suất 35 4.3.6 Công dụng 35 4.3.7 Vị trí nhập liệu và tháo liệu 35 4.3.8 Nguyên lý hoạt động 35 4.3.9 Thông số kỹ thuật 36 4.3.10 Khắc phục sự cố 36 NHẬN XÉT VÀ KIẾN NGHỊ 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 : Phòng thí nghiệm – xưởng thực nghiệm nhiên liệu sinh học Biomass. 7 Hình 1.2: Vị trí phòng thí nghiệm. 9 Hình 1.3 : Cơ cấu tổ chức nhân sự 9 Hình 1.4 : Sơ đồ bố trí mặt bằng tầng trệt. 10 Hình 1.5 : Bên trong xưởng thực nghiệm. 11 Hình 1.6: Sơ đồ thiết bị thí nghiệm tầng 1. 11 Hình 1.7: Sơ đồ thiết bị thí nghiệm tầng 2. 12 Hình 2.1: Cấu trúc của rơm. 14 Hình 2.3: Các đơn vị mắt xích của Lignin và cách liên kết. 15 Hình 2.4 : Cơ chế lên men của nấm men. 17 Hình 3.1: Sơ đồ khối của quy trình sản xuất. 18 Hình 3.2: Hệ thống lò lò hơi đốt trấu 20 Hình 3.3: Máy cắt thô và máy cắt tinh. 22 Hình 3.4: Máy nổ hơi. 23 Hình 3.5: Phản ứng giữa Lignin với dung dịch xút. 24 Hình 3.6: Máy ép và khung lọc. 24 Hình 3.7: Tháp chưng cất. 26 Hình 4.1: Thông số nhiệt độ hệ lò hơi 28 Hình 4.2: Quy trình hệ thống lò hơi đốt trấu 29 Hình 4.3: Sơ đồ đường ống thiết bị thủy phân và lên men. 33 Hình 4.4: Sơ đồ tháp chưng cất thô. 36 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ PHÒNG THÍ NGHIỆM 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển. Dầu mỏ và khí Condensate có vai trò quan trọng trong nền công nghiệp năng lượng của thế giới. Đây là nguồn nguyên liệu quan trọng nhất để sản xuất nhiên liệu phục vụ cho giao thông vận tải. Tuy nhiên, dầu mỏ và khí Condensate cũng là nguồn tài nguyên không thể phục hồi sau khi khai thác cùng với những ảnh hưởng đến môi trường trong quá trình khai thác và vận chuyển yêu cầu con người cần phải tìm nguồn năng lượng khác hiệu quả hơn. Nhằm đáp ứng nhu cầu đó, Ethanol sinh học đã được xem xét và nghiên cứu để thay thế cho nhiên liệu xăng truyền thống để giảm các tác động môi trường và nguồn tài nguyên hóa thạch. Hiện nay công nghệ sản xuất xăng sinh học từ ethanol với nguyên liệu sắn, ngô, khoai…rất phổ biến trên thế giới. Tuy nhiên với nguồn nguyên liệu từ thực phẩm sẽ gây ảnh hưởng đến an ninh lương thực và lãng phí. Do đó, xuất hiện nhiều nghiên cứu tìm kiếm nguồn nguyên liệu từ các phế phẩm nông nghiệp như rơm rạ, vỏ trấu, bã mía... để sản xuất Ethanol. Hình 1.1 : Phòng thí nghiệm – xưởng thực nghiệm nhiên liệu sinh học Biomass. Ở nước ta, dự án “Kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương với công nghiệp chế biến biomass” do JICA (Japanese International Cooperation Agency 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. Dự án JICA sẽ được thực hiện trong vòng 5 năm (2009 – 2014) 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, với sự tham gia của các viện và cơ quan nghiên cứu liên quan. Dự án hướng đến xây dụng 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. Bắt đầu triển khai xây dựng từ năm 2009, đến cuối năm 2010 phòng thí nghiệm năng lượng sinh học – xưởng thực nghiệm của dự án, cơ bản hoàn thành và bước đầu đi vào hoạt động năm 2011. 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. 1.2 Địa điểm xây dựng. Xưởng thực nghiệm với tên gọi là phòng thí nghiệm năng lượng sinh học, được xây dụng trong khuôn viên trường Đại học Bách Khoa TP.HCM. xưởng nằm sau lưng tòa nhà C4 và C5, từ cổng 3 trường Đại học Bách Khoa (đường Tô Hiến Thành) đi thẳng vào khoảng 100m sẽ thấy

TỔNG QUAN VỀ PHÒNG THÍ NGHIỆM

Cơ cấu tổ chức nhân sự

Tổ chức nhân sự của phòng thí nghiệm gồm các nhân sự thể hiện trên hình 1.3:

Hình 1.3 : Cơ cấu tổ chức nhân sự.

1.4 Sản phẩm và sơ đồ bố trí mặt bằng.

Phòng thí nghiệm được trang bị các thiết bị và yếu tố kỹ thuật để vận hành quy trình sản xuất nhiên liệu Ethanol sinh học từ nguyên liệu phế phẩm nông nghiệp như rơm rạ và trấu Rơm rạ, phần thân và cành lá của cây lúa sau khi thu hoạch, chiếm khoảng một nửa sản lượng của các loại cây ngũ cốc như lúa mạch, lúa mì và lúa gạo Với việc tận dụng nguồn phế thải này, chúng ta có thể biến chúng thành nguyên liệu mới cho sản xuất Ethanol Sơ đồ bố trí các thiết bị được trình bày trong hình 1.4.

Hình 1.4 : sơ đồ bố trí mặt bằng tầng trệt.

Hình 1.5 : Bên trong xưởng thực nghiệm.

Hình 1.6: Sơ đồ thiết bị thí nghiệm tầng 1.

Hình 1.7: Sơ đồ thiết bị thí nghiệm tầng 2.

1.5 Nội quy an toàn lao động.

1 Vận hành máy theo đúng trình tự đã được hướng dẫn.

2 Phải thực hiện theo sự chỉ dẫn của các bảng cấm, bảng hướng dẫn, chỉ dẫn treo tại nơi sản xuất hoặc gắn tại máy, thiết bị.

3 Không được sử dụng sửa chữa các máy thiết bị khi chưa được huấn luyện về các quy tắc an toàn và quy trình vận hành máy thiết bị đó.

4 Trong lúc làm việc phải giữ gìn các trang bị, phương tiện bảo hộ cá nhân và các dụng cụ đã được cấp phát.

5 Không được tháo gỡ hoặc giảm hiệu quả các thiết bị an toàn.

6 Không được tự do đi lại các nơi không thuộc trách nhiệm của mình.

7 Phải báo ngay cho quản lí khi máy, thiết bị đó có sự cố hoặc nghi ngờ có sự cố.

8 Các phương tiện vật liệu, sản phẩm, phế liệu không được để sát lối đi, cửa thoát hiểm, tủ điện, phương tiện chữa cháy, tủ thuốc sơ cấp cứu.

9 Nơi làm việc phải ngăn nắp, không được để dụng cụ, dây điện, vật tư, trang bị, các phương tiện gây cản trở sự hoạt động và đi lại.

10 Có nghĩa vụ thông báo và khai báo với cấp trên về sự cố tai nạn lao động, về việc vi phạm nguyên tắc an toàn lao động xảy ra tại nơi làm việc.

Ngoài ra trong từng giai đoạn cũng cần có những lưu ý riêng để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị :

Khi vận hành thiết bị, việc nắm rõ các thao tác và giới hạn an toàn là rất quan trọng để tránh sự cố cho cả thiết bị và người sử dụng Đặc biệt, nồi hơi hoạt động ở áp suất và nhiệt độ cao, do đó rất nguy hiểm; vì vậy, người vận hành cần có ít nhất 2 năm kinh nghiệm để đảm bảo an toàn.

Trong giai đoạn cắt rơm, người lao động cần mặc áo bảo hộ, đeo kính bảo vệ và khẩu trang chống bụi để đảm bảo an toàn Ngoài ra, việc mang găng tay sẽ giúp bảo vệ tay khỏi ngứa khi tiếp xúc với rơm, và giày bảo hộ là lựa chọn an toàn hơn so với dép để giảm thiểu rủi ro dị ứng với bụi rơm Trước khi bắt đầu công việc, hãy đọc kỹ bảng hướng dẫn an toàn sử dụng thiết bị cắt.

Trong giai đoạn ngâm kiềm và trung hòa acid, việc bảo vệ an toàn cá nhân là rất quan trọng Người thực hiện cần đeo bao tay chống thấm, mặc áo bảo hộ và mang tạp dề bằng nhựa dẻo Ngoài ra, nên đeo khẩu trang, đi ủng cao su để bảo vệ chân và đội mũ có tấm kiếng bảo vệ mặt nhằm tránh hóa chất tiếp xúc với mặt và mắt.

- 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.

Nội quy an toàn lao động

1 Vận hành máy theo đúng trình tự đã được hướng dẫn.

2 Phải thực hiện theo sự chỉ dẫn của các bảng cấm, bảng hướng dẫn, chỉ dẫn treo tại nơi sản xuất hoặc gắn tại máy, thiết bị.

3 Không được sử dụng sửa chữa các máy thiết bị khi chưa được huấn luyện về các quy tắc an toàn và quy trình vận hành máy thiết bị đó.

4 Trong lúc làm việc phải giữ gìn các trang bị, phương tiện bảo hộ cá nhân và các dụng cụ đã được cấp phát.

5 Không được tháo gỡ hoặc giảm hiệu quả các thiết bị an toàn.

6 Không được tự do đi lại các nơi không thuộc trách nhiệm của mình.

7 Phải báo ngay cho quản lí khi máy, thiết bị đó có sự cố hoặc nghi ngờ có sự cố.

8 Các phương tiện vật liệu, sản phẩm, phế liệu không được để sát lối đi, cửa thoát hiểm, tủ điện, phương tiện chữa cháy, tủ thuốc sơ cấp cứu.

9 Nơi làm việc phải ngăn nắp, không được để dụng cụ, dây điện, vật tư, trang bị, các phương tiện gây cản trở sự hoạt động và đi lại.

10 Có nghĩa vụ thông báo và khai báo với cấp trên về sự cố tai nạn lao động, về việc vi phạm nguyên tắc an toàn lao động xảy ra tại nơi làm việc.

Ngoài ra trong từng giai đoạn cũng cần có những lưu ý riêng để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị :

Khi vận hành thiết bị, việc nắm rõ các thao tác và giới hạn an toàn là rất quan trọng để tránh sự cố cho cả thiết bị và người vận hành Đặc biệt, nồi hơi hoạt động ở áp suất và nhiệt độ cao, do đó, người vận hành cần có ít nhất 2 năm kinh nghiệm để đảm bảo an toàn.

Trong giai đoạn cắt rơm, người lao động cần tuân thủ các biện pháp an toàn như mặc áo bảo hộ, đeo kính bảo hộ và khẩu trang chống bụi rơm Ngoài ra, nên mang găng tay để bảo vệ tay khỏi ngứa khi tiếp xúc với rơm và đi giày thay vì dép để giảm thiểu rủi ro dị ứng với bụi rơm Trước khi bắt đầu công việc, cần đọc kỹ bảng hướng dẫn an toàn sử dụng thiết bị cắt để đảm bảo an toàn lao động.

Trong giai đoạn ngâm kiềm và trung hòa acid, việc bảo vệ bản thân là rất quan trọng Người thực hiện cần đeo bao tay chống thấm, mặc áo bảo hộ và tạp dề bằng nhựa dẻo, đồng thời sử dụng khẩu trang và ủng cao su để bảo vệ chân Ngoài ra, đội mũ có tấm kính bảo vệ mặt cũng cần thiết để tránh hóa chất rơi trúng mặt và vào mắt.

- 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.

NGUYÊN LIỆU – SẢN PHẨM – CHẤT THẢI

Nguyên liệu

Nguyên liệu của xưởng thực nghiệm bao gồm:

Rơm rạ là nguồn nguyên liệu phong phú, dễ tìm và có giá thành thấp tại Việt Nam Thành phần hóa học chính của rơm bao gồm khoảng 60% cellulose và hemi-cellulose, 14% lignin, cùng với một số chất khác như protein và lipid.

Cấu trúc rơm trình bày theo hình 2.1:

Hình 2.1: Cấu trúc của rơm.

Cellulose là một carbohydrate màu trắng, không mùi, không vị và không tan trong nước hay các dung môi hữu cơ thông thường, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc màng tế bào thực vật Với cấu trúc cao phân tử, cellulose được hình thành từ các đơn vị D-Glucopyrano liên kết với nhau qua liên kết 1,4 Glucoside.

Cellulose có chiều dài từ 5.2 đến 7.7mm, với khoảng 2000 đến 10000 mắt xích Các sợi cellulose liên kết tạo thành sợi sơ cấp có đường kính khoảng 3mm, và những sợi sơ cấp này tiếp tục kết hợp để hình thành vi sợi, tồn tại dưới hai dạng: vùng kết tinh và vùng vô định hình.

Vùng kết tinh của các mạch Cellulose có cấu trúc bền vững do các liên kết Hydro giữa chúng, khiến enzyme cellulase chỉ có thể tác động trên bề mặt của vùng này.

 Vùng vô định hình, các mạch Cellulose liên kết yếu với nhau bằng liên kết Valder- Waals nên chúng dễ bị tác động và thay đổi cấu trúc.

Hemi-Cellulose là một loại carbohydrate có cấu trúc tương tự như cellulose nhưng kém bền vững hơn Điều này là do đơn vị mắt xích của nó là đường pentose, có độ trùng hợp thấp hơn và dễ bị thủy phân hơn.

Lignin là một loại nhựa nhiệt dẻo, có khả năng mềm khi chịu tác động của nhiệt độ và hòa tan trong một số hóa chất Trong tự nhiên, lignin có màu trắng và có cấu trúc phức tạp, thuộc nhóm Polyphenol với mạng không gian mở Đơn vị cơ bản của lignin là Phenyl Propane, trong đó luôn chứa nhóm Metoxyl (-OCH3) Các đơn vị này được liên kết với nhau qua nhiều kiểu liên kết khác nhau, chủ yếu là liên kết β-O-4 (chiếm 40 – 60 %), α-O-4 (chiếm 5 – 10 %), cùng với các liên kết C-O-C và C-C.

Lignin có mối liên kết chặt chẽ với carbohydrate, đặc biệt là hemi-cellulose Trong quá trình chế biến bột giấy, các phương pháp cơ học hoặc hóa học được sử dụng để hòa tan hoặc biến tính lignin, nhằm giải phóng các bó sợi cellulose.

Hình 2.3: Các đơn vị mắt xích của Lignin và cách liên kết.

Trấu, lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa, được tách ra trong quá trình xay xát và có thành phần hóa học không ổn định, phụ thuộc vào giống lúa, mùa vụ và loại đất Vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi, cháy trong quá trình đốt, trong khi 25% còn lại chuyển thành tro Mặc dù các thành phần của vỏ trấu hầu hết không thể sử dụng trực tiếp, nhưng chúng là nguồn nhiên liệu rất tốt vì dễ cháy Vỏ trấu được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình khí hóa, tạo ra hỗn hợp khí tổng hợp (Syngas) phục vụ cho quá trình đốt khí.

Sử dụng dung dịch NaOH để kiềm hóa, hòa tan thành phần Lignin có trong rơm, sau đó loại bỏ bằng quá trình lọc ép.

Sử dụng dung dịch HCl để trung hòa rơm sau kiềm hóa để chuẩn bị cho quá trình thủy phân và lên men đồng thời.

Dung dịch HCl còn được dùng để trung hòa phần nước thải Lignin sau kiềm hóa.

Phức hệ enzyme cellulase đóng vai trò quan trọng trong việc xúc tác phản ứng thủy phân cellulose thành đường glucose, cung cấp nguyên liệu thiết yếu cho quá trình lên men Phức hệ này bao gồm các enzyme chính như endoglucanase (EC3.2.1.4), exoglucanase (EC3.2.1.91) và β-glucosidase (EC3.2.1.21).

 Nhiệt độ thích hợp hoạt động 55 o C, bền ở 30 – 45 o C.

 Bền ở pH = 5.5 và hoạt tính cao ở pH = 6.

Nấm men sử dụng trong quá trình lên men đường Glucose thành Ethanol là giống

Saccharomyces Cerevisiae Quá trình sinh trưởng của nấm men gồm 4 pha :

1 Pha thích nghi: giống nấm men mới được cấy vào môi trường, dần thích nghi với môi trường dinh dưỡng, phát triển kích thước tế bào.

2 Pha tăng trưởng: nấm men trưởng thành, bắt đầu sinh sản theo cấp số nhân, tăng sinh khối, giảm chất dinh dưỡng (Glucose) và tăng sản phẩm trao đổi (Ethanol).

3 Pha cân bằng: nồng độ Ethanol tăng, Glucose giảm nên nấm men bị ức chế rồi chết dần, vận tốc chết bằng với vận tốc sinh sản nên sinh khối không tăng.

4 Pha suy vong: nồng độ Ethanol cao, không còn chất dinh dưỡng nên nấm men chết rất nhiều.

Cơ chế của quá trình lên men của nấm men theo chu trình hô hấp yếm khí (hình 2.4) :

Hình 2.4 : Cơ chế lên men của nấm men.

Sử dụng nguyên liệu cho các quá trình như lò khí hóa, lò đốt và lò hơi nhằm tạo ra hơi nước quá nhiệt hoặc nước làm mát phục vụ cho việc trao đổi nhiệt trong các thiết bị.

Tạo áp suất đẩy sản phẩm lên men ra khỏi bồn thủy phân và lên men đồng thời qua bồn chứa.

Sản phẩm

Là sản phẩm của quá trình khí hóa, sử dụng làm nhiên liệu cho lò đốt, sinh nhiệt cho nồi hơi. Thành phần chủ yếu là khí H2 và CO.

Là sản phẩm của lò hơi, được dùng làm tác nhân trao đổi nhiệt trong các quá trình khác.

Ethanol thô được sản xuất từ quá trình thủy phân và lên men đồng thời với nồng độ thấp khoảng 5-10% Để nâng cao nồng độ ethanol, sản phẩm cần được chưng cất qua hai tháp chưng: tháp chưng cất thô và tháp chưng cất tinh Quy trình này giúp đạt được ethanol với nồng độ mong muốn.

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU – SẢN PHẨM – CHẤT THẢI

Ethanol thô, sau khi trải qua quá trình lên men, sẽ được đưa vào tháp chưng cất thô (tháp chóp), nơi nồng độ sản phẩm đạt khoảng 70% Tiếp theo, sản phẩm này sẽ được chuyển sang tháp chưng cất tinh (tháp đệm) để đạt nồng độ yêu cầu khoảng 97%.

Chất thải

Gồm 3 dạng: chất thải rắn, nước thải và khí thải Cách xử lý trình bày trong bảng 2.1:

Bảng 2.1 : Phương pháp xử lý chất thải

Loại chất thải Chất thải rắn Nước thải Khí thải

Thành phần Tro của quá trình khí hóa

Dịch ép sau kiềm hóa.

Dung dịch ép rơm đã được trung hòa

Khí nóng sau lò đốt và lò hơi

Lượng chất thải Tùy thuộc thông số hoạt động của quy trình sản xuất.

Than trấu được đem ra sân chứa.

Lượng rơm chưa được lên men hoàn toàn sẽ được phơi nắng cùng với rơm thừa từ quá trình cắt và các yếu tố như nổ hơi nhẹ.

Cả than trấu và rơm thừa sẽ được công ty môi trường thu nhận dùng làm phân bón cho cây trồng.

Dịch ép sau kiềm hóa là quá trình trung hòa nước thải bằng dung dịch acid Acid được thêm từ từ cho đến khi pH của nước thải đạt khoảng 6-7, sau đó nước thải sẽ được thải ra đường cống.

Dung dịch ép rơm đã được trung hòa với pH được kiểm tra trong quá trình sử dụng acid, do đó không cần đo lại pH trước khi thải trực tiếp ra đường cống.

Trộn với không khí để giảm nhiệt rồi thải ra môi trường Đo nồng độ CO 2 thải ra môi trường đã đủ tiêu chuẩn hay không.

QUY TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC

Quy trình công nghệ lò hơi

Quy trình bao gồm các bước lọc bụi, khí hóa, lò đốt và lò hơi, sử dụng vỏ trấu và nước làm nguyên liệu chính Sản phẩm cuối cùng của quy trình này là hơi nước quá nhiệt.

Hình 3.2: Hệ thống lò hơi đốt trấu

1 TB Cyclone 2 Bơm phân phối trấu

3 Lò khí hóa 3.1 Cửa nhập liệu 3.2 Cửa thoát Syngas

4 Lò đốt 4.1 Cung cấp lò hơi 4.2 Xả thải khi có sự cố

5 Lò hơi 5.1 Nhập liệu nước (đã xử lý làm mêm) 5.2 Ống sản phẩm 5.3 Ống xả khí thải

Mục đích: nhằm lọc bụi cám ra khỏi vỏ trấu.

Nguyên lý: sử dụng lực ly tâm để phân riêng vỏ trấu và bụi cám dựa trên chênh lệch khối lượng riêng.

Thiết bị sử dụng bơm ly tâm Cyclone để tạo lực ly tâm trong dòng vật chất, với hình dạng trụ và đáy côn Cửa nhập liệu được đặt vuông góc với trục thân trụ, trong khi cửa thoát cho bụi nằm ở phía trên, cho phép vỏ trấu di chuyển xuống cửa bên dưới Vỏ trấu sau đó được phân phối vào lò khí hóa bằng hai bơm phân phối.

Yếu tố ảnh hưởng: lượng nhập liệu và vận tốc bơm.

Mục đích của việc biến đổi vỏ trấu thành khí Syngas là để tạo ra nhiên liệu cho lò đốt Nguyên lý hoạt động dựa trên việc đốt vỏ trấu trong điều kiện thiếu oxy, từ đó sản sinh ra khí Syngas.

Lò khí hóa được thiết kế với kích thước theo bản vẽ 2, cho phép nhập liệu vỏ trấu qua cửa (3.1) Không khí được cung cấp từ dưới đáy lò, trong khi cánh khuấy bên trong giúp trộn đều không khí và vỏ trấu Khí Syngas thoát ra qua cửa (3.2), trong khi tro được cánh khuấy gạt ra qua cửa thoát than.

 Lượng vỏ trấu và không khí được tính toán sao cho quá trình oxy hóa không hoàn toàn.

 Vận tốc quay của cánh khuấy giúp trộn trấu – không khí và đối lưu nhiệt đều, không bị quá nhiệt cục bộ.

 Nhiệt độ: được theo dõi bằng cảm biến nhiệt, điều chỉnh bằng cách tăng giảm lượng nhập liệu.

3.3.3 Quá trình đốt khí Syngas.

Mục đích: đốt lượng khí Syngas tạo nhiệt cho lò hơi.

Khí Syngas được đưa vào lò đốt qua cửa (3.2) và được đốt cháy trong điều kiện không khí dư kết hợp với khí mồi LPG Hơi quá nhiệt sinh ra sẽ được dẫn qua ống (4.1) đến lò hơi hoặc thải ra ngoài qua ống (4.2) Để giảm nhiệt, khí thải sẽ được trộn với không khí.

Yếu tố ảnh hưởng: lượng nhập liệu, lượng khí LPG, nhiệt độ lò.

3.3.4 Quá trình tạo hơi nước.

Mục đích: tạo hơi nước dùng để tiệt trùng nguyên liệu trong quá trình lên men và chưng cất.

Nguyên lý: dùng dòng khí nóng sinh ra trong quá trình đốt khí syngas để trao đổi nhiệt với nước lạnh khiến nước sôi và hóa hơi.

Lò hơi bao gồm các thiết bị quan trọng như ống nhập liệu nước đã qua xử lý làm mềm (5.1), đường khí nóng vào lò hơi (4.1), ống sản phẩm hơi nước (5.2) và ống khí thải (5.3).

Quy trình công nghệ sản xuất Ethanol từ rơm rạ

Gồm các quá trình: cắt, nổ hơi, kiềm hóa, lọc ép, trung hòa, tiệt trùng, thủy phân và lên men đồng thời, chưng cất.

Mục đích: Dùng để cắt nhỏ rơm ban đầu thành rơm có chiều dài 2 – 3 cm để thuận lợi cho quá trình nổ hơi.

Nguyên lý: sử dụng lực cắt từ các bánh răng quay roto Gồm 2 giai đoạn: cắt thô cho chiều dài rơm 7 – 8cm và cắt tinh cho chiều dài 2 – 3cm.

Thiết bị: máy cắt thô và máy cắt tinh.

Yếu tố ảnh hưởng: lượng nhập liệu, vận tốc quay roto và kích thước bánh răng cắt.

Hình 3.3: Máy cắt thô và máy cắt tinh.

Mục đích: nhằm phá vỡ cấu trúc sợi rơm, chuẩn bị cho quá trình tiền xử lý Phá vỡ lớp

Lignin bao bọc cấu trúc Lignocellulose của rơm sau khi cắt, giúp giải phóng các bó sợi Cellulose Quá trình này kết hợp với việc thủy phân Hemicellulose, chuẩn bị cho bước xử lý hóa học tiếp theo bằng kiềm NaOH.

Nguyên lý: rơm sau khi cắt được nén lại cùng với hơi nước ở áp suất cao và nhiệt độ cao.

Sau khi được chuyển sang không gian lớn hơn với áp suất thấp, chênh lệch áp suất sẽ làm cho khối rơm và hơi nước giãn nở thể tích Hiện tượng này dẫn đến việc hơi nước giãn nở sẽ phá vỡ kết cấu của sợi rơm.

Thiết bị: hệ thống nổ hơi.

Input container: thùng nhập liệu rơm

Weight feeder: trục vít nhập liệu

Main screw: trục vít chính, cấp rơm rạ cho quá trình nổ hơi

Inclination CV: trục vít tháo liệu

Detector of blocking: đầu dò phân phối nguyên liệu, kiểm tra mức độ đồng đều

Detector of water pressure: đầu dò áp suất hơi nước

Water service control valve: thiết bị điều khiển áp suất hơi nước

Water supply: cung cấp nước

Detector of material: đầu dò mức nhập liệu

Mục đích: nhằm loại bỏ thành phần Lignin có trong rơm.

Nguyên lý: Lignin sẽ tan trong dung dịch xút, thông qua quá trình lọc ép sẽ tách được phần rơm và phần dung dịch hòa tan Lignin.

Hình 3.5: Phản ứng giữa Lignin với dung dịch xút.

Mục đích: nhằm phân riêng phần rơm với nước thải (phần dung dịch hòa tan).

Nguyên lý: sử dụng máy ép nén vật chất, phần rơm sẽ giữ lại trên khung, phần nước thải sẽ thoát qua lỗ nhỏ trong khung.

Hình 3.6: Máy ép và khung lọc.

Mục đích của việc trung hòa xút trong rơm là nhằm đưa giá trị pH về mức tối ưu cho quá trình thủy phân và lên men đồng thời Điều này cũng giúp trung hòa pH cao trong nước thải sau quá trình kiềm hóa, đảm bảo an toàn khi thải ra môi trường.

Nguyên lý: dùng dung dịch HCl phản ứng trung hòa với NaOH dư.

Mục đích của việc loại bỏ hoàn toàn vi sinh vật trong rơm là để chuẩn bị cho quá trình thủy phân và lên men Việc tồn tại của các vi sinh vật trong rơm có thể gây ra sự cạnh tranh với nấm men, dẫn đến giảm hiệu suất lên men và xuất hiện các sản phẩm phụ không mong muốn Do đó, để đảm bảo chất lượng và hiệu suất sản phẩm, cần thiết phải tiêu diệt hết vi sinh vật trước khi tiến hành cấy nấm men.

Nguyên lý: sử dụng nhiệt độ cao từ hơi nước quá nhiệt để diệt hết vi sinh vật Điều kiện tiệt trùng 90 o C trong 15 phút.

Thiết bị tiệt trùng trong bồn thủy phân và lên men đồng thời có thiết kế dạng vỏ áo, trong đó hơi nước quá nhiệt được đưa vào phần áo để gia nhiệt cho khối rơm bên trong.

Yếu tố ảnh hưởng: nhiệt độ và thời gian tiệt trùng.

3.4.7 Quá trình thủy phân và lên men.

Mục đích: chuyển hóa Cellulose trong rơm thành Ethanol.

Nguyên lý của quá trình này là sử dụng enzyme Cellulase để xúc tác phản ứng thủy phân, cắt mạch Cellulose thành đường Glucose Ngay sau đó, nấm men sẽ chuyển hóa đường Glucose thông qua quá trình lên men để sản xuất Ethanol.

Thiết bị: bồn thủy phân và lên men

 Nhiệt độ để nấm men và enzyme có thể hoạt động tốt là 35 o C.

 pH tối ưu là từ 4.6 – 5.

Mục đích: nhằm thu được sản phẩm Ethanol với độ tinh khiết cao (95%).

Nguyên lý: sử dụng quá trình chưng cất, dựa trên chênh lệch nhiệt độ bay hơi để thu được sản phẩm với độ tinh khiết cao hơn.

Thiết bị: gồm tháp mâm để chưng cất thô và tháp đệm để chưng cất tinh.

Yếu tố ảnh hưởng: lượng nhập liệu, lượng hoàn lưu, số bậc chưng cất.

THIẾT BỊ CHI TIẾT

Tháp chưng cất

Tháp chưng cất thô -Tháp mâm chóp:

 Chiều cao từ đỉnh tháp đến đáy là 3600mm

 Nồi đun: chiều cao 900mm, đường kính 550mm.

 Tháp có đường kính 250mm, chiều cao mỗi mâm là 250mm.

 Mâm chóp gắn bằng ốc vào thân thiết bị, mỗi mâm có 17 chóp đường kính 25mm

 Ống chảy tràn có đường kính trong là 43mm, đường kính ngoài là 45mm.

 Chiều cao chân đỡ là 460mm.

 Cửa nhập liệu ở phía trên nồi đun có đường kính 70mm.

 Ống tháo sản phẩm đáy đường kính 84mm.

Thiết bị hoạt động gián đoạn gồm phần đế và tháp chưng cất.

 Phần đế: dùng để nâng đỡ toàn bộ thiết bị, thuận tiện trong việc vận hành, vệ sinh, bảo dưỡng.

 Phần tháp chưng: gồm nồi đun đáy tháp, các mâm chóp, và thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp Toàn bộ thân thiết bị được bọc lớp cách nhiệt.

 Phần nồi đun đáy tháp: cấp nhiệt bằng hơi nước gián tiếp qua lớp vỏ áo Phía dưới đáy nồi có ống tháo sản phẩm đáy.

Ngoài ra còn có đồng hồ áp đo áp suất trong nồi, và đầu đo nhiệt độ của dung dịch.

Tháp gồm 8 mâm chóp, mỗi mâm có 2 cửa quan sát và 17 chóp được bố trí theo kiểu tam giác đều với đường kính 25mm Ống chảy tràn có đường kính 45mm, và chiều cao mỗi đoạn là 250mm.

Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp có dạng hình ống trụ với chiều dài 0,67m Đây là thiết bị ngưng tụ kiểu ống chùm, hoạt động theo nguyên lý truyền nhiệt ngược chiều, trong đó nước lạnh chảy bên ngoài ống từ dưới lên, còn hơi từ tháp chưng đi từ trên xuống.

Năng suất nhập liệu: 80kg/ mẻ.

Hiệu suất chưng thô trung bình là 83,5%

Dùng cất hỗn hợp sản phẩm lên men (Ethanol 3-5% và cặn rơm) thành ethanol với nồng độ cao hơn vào khoảng 70%.

4.3.7 Vị trí nhập liệu và tháo liệu

Cửa nhập liệu ở phía trên nồi đun có đường kính 70mm. Ống tháo sản phẩm đáy đường kính 70mm.

Quá trình chưng cất gián đoạn được thực hiện bằng tháp chưng cất thô để tách ethanol từ hỗn hợp sản phẩm lên men có nồng độ 3-5% và cặn rơm, đạt được ethanol với nồng độ khoảng 70% Sau đó, ethanol sẽ được chuyển tiếp qua tháp chưng cất tinh để nâng cao nồng độ Kết quả cuối cùng là nồng độ ethanol đạt khoảng 95.6%, tương ứng với hỗn hợp ethanol – nước tại điểm đẳng phí, với nhiệt độ sôi của hỗn hợp là 78.15°C.

Nhập liệu gián đoạn vào nồi đun đáy tháp theo mẻ khoảng 80 kg, được cấp nhiệt bằng hơi nước gián tiếp từ dưới để đun sôi dung dịch Các chất rắn và nước có nhiệt độ sôi cao sẽ lắng xuống đáy, trong khi ethanol với nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ bay hơi lên đỉnh tháp qua thiết bị ngưng tụ Một phần ethanol sẽ được hoàn lưu về tháp ngưng tụ, phần còn lại là sản phẩm thu được Khi nhiệt độ dung dịch đạt 98°C, quá trình sẽ được dừng lại.

Hình 4.4: Sơ đồ tháp chưng cất thô.

4.3.9 Thông số kỹ thuật Áp suất: Áp suất làm việc và áp suất hơi nước là áp suất khí quyển.

Nhiệt độ: Nhiệt độ dung dịch đầu vào là nhiệt độ phòng và nhiệt độ dung dịch đạt 98 o C thì ta dừng quá trình.

Thời gian lưu: tùy thuộc vào lượng hơi nước cấp cho nồi đun.

Khi lượng hơi ở tháp không ngưng tụ kịp bằng thiết bị ngưng tụ chính do thiếu nước làm mát thì hơi sẽ dẫn qua thiết bị ngưng tụ phụ.

NHẬN XÉT VÀ KIẾN NGHỊ

Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học hiện đang triển khai quy trình công nghệ ở quy mô pilot, với mục tiêu ứng dụng thiết thực trong đời sống Nếu quy trình này được áp dụng thành công trong công nghiệp, nó sẽ góp phần giải quyết nhiều vấn đề quan trọng.

 Giảm sức ép đối với nhiên liệu hóa thạch.

 Có được nhiên liệu sinh học mà không ảnh hưởng tới vấn đề an ninh lương thực.

 Syngas thay thế cho Gas.

Phế phẩm nông nghiệp không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn cho ngành nông nghiệp mà còn giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường Việc tận dụng các phế phẩm này là một giải pháp bền vững, góp phần nâng cao giá trị sản xuất nông nghiệp và bảo vệ môi trường.

Quy trình sản xuất Ethanol từ rơm và trấu có ý nghĩa lớn đối với một nước có nền nông nghiệp lúa nước như Việt Nam.