Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình sản xuất bioethanol từ bã mía
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn (Ký và ghi rõ họ tên) MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN............................................................................................1 1.1. 34 Nguyễn Văn Chín (2007), Nghiên cứu tổng quan khả năng sản xuất và sử dụng ethanol làm nhiên liệu cho động cơ, Đồ án tốt nghiệp, Bộ môn Công nghệ hóa học dầu và khí, Khoa Hóa, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. .................................................................................................................75 1.2. Vũ Thị Dịu (2009), Nghiên cứu các yếu tố ánh hưởng đến bột hyđroxyapatit Ca10(PO4)6(OH)2 kích thước nano điều chế từ canxi hyđroxit Ca(OH)2, Luận văn Thạc sỹ, Hà Nội.......................................75 1.3. Nguyễn Vũ Minh Hạnh (2010), Bước đầu nghiên cứu enzyme xylanolytic và cellulolytic từ một chủng vi khuẩn ưa nhiệt, Luận văn thạc sỹ, Bộ môn Công nghệ sinh học, Đại học Khoa học Tự Nhiên.......75 1.4. Phạm Văn Hội, Tổng quan phát triển nhiên liệu sinh học trên Thế giới, Đại học Nông nghiệp Hà Nội..................................................................75 1.5. Giang Thị Kim Liên (2009), Bài giảng Quy hoạch thực nghiệm, Trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng.........................................................75 1.6. Trần Diệu Lý (2007), Nghiên cứu sản xuất Ethanol nhiên liệu từ rơm rạ, Đồ án tốt nghiệp, Bộ môn Kỹ thuật hữu cơ, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM.......................................................................................75 1.7. Phạm Lê Duy Nhân (2014), Báo cáo ngành mía đường, Công ty cổ phần chứng khoán FPT...........................................................................75 1.8. Nguyễn Đình Tiến (2011), Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ bã mía, Đồ án tốt nghiệp, Bộ môn Công nghệ sinh học, Khoa Kỹ thuật hóa học, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM.....................................75 1.9. Ahmad Ziad Sulaiman, Azilah Ajit, Rosli Mohd Yunus, Yusuf Chisti (2011), “Ultrasound- assisted fermentation enhances bioethanol productivity”, Biochemical Engineering Journal, 54, pp. 141- 150........75 1.10. B. E. Wood, H. C. Aldrich, and L. O. Ingram, “Ultrasound Stimulates Ethanol Production during the Simultaneous Saccharification and Fermentation of Mixed Waste Office Paper”, Biotechnol, 13, pp. 232- 237..................................................................................................75 1.11. Chengzhou Li, Makoto Yoshimoto, Haruki Ogata, Naoki Tsukuda, Kimitoshi Fukunaga, Katsumi Nakao(2005), “Effects of ultrasonic intensity and reactor scale on kinetics of enzymatic saccharification of various waste papers in continuously irradiated stirred tanks”, Ultrasonics Sonochemistry, 12, pp. 373- 384.........................................76 1.12. Dawson and Boopathy (2008), “Cellulosic ethanol, bagasse”, BioResources, 3(2), pp. 452- 460............................................................76 1.13. Filson PB, Dawson- Andoh BE (2009), “Sono- chemical preparation of cellulose nanocrystals from lignocellulose derived materials”, Bioresour Technol, 100, pp. 2259−2264.................................................76 1.14. García A, Alriols MG, Llano- Ponte R, Labidi J (2011), “Ultrasoundassisted fractionation of the lignocellulosic material”, Bioresour Technol, 102, pp. 6326−6330.................................................................................76 1.15. Kathrin Hielscher, Ultrasonically- Assisted Fermentation for Bioethanol Production, Hielscher Ultrasonics, Germany.......................76 1.16. Klemm D, Heublein B, Fink HP, Bohn A (2005), “Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable raw material”, Angewandte Chemie International Edition, 44(22), pp. 3358−3393...........................76 1.17. K. Subramanian, Biochemical conversion of rice straw into bioethanol- an exploratory investigation, Department of Biotechnology, Bannari Amman Institute of Technology................................................76 1.18. Melissa T abada Montalbo- lomboy (2008), Ultrasonic pretreatment for enhanced saccharification and fermentation of ethanol production from corn, Iowa State University............................................................76 1.19. Muhammad Saif Ur Rehman, Ilgook Kim, Yusuf Chisti, Jong- In Han (2013), “Use of ultrasound in the production of bioethanol from lignocellulosic biomass”, Energy Science and Research, 30(2), pp. 13911410.........................................................................................................76 1.20. Niyaz Ahamed Methrath Liyakathali (2014), Ultrasonic pretreatment of energy cane bagasse for biofuel production, The Department of Biological and Agricultural Engineering, Sri Ramakrishna Engineering College (Anna University)......................................................................76 1.21. Qiang Li, Geng- Sheng Ji, Yu- Bin Tang, Xu- Ding Gu, Juan- Juan Fei, Hui- Qing Jiang (2012), “Ultrasound- assisted compatible in situ hydrolysis of sugarcane bagasse in cellulase- aqueous- Nmethylmorpholine- N- oxide system for improved saccharification”, Bioresource Technology, 107, pp. 251- 257...........................................77 1.22. Roni Maryana, Dian Ma'rifatun, A. Wheni I., Satriyo K.W., W. Angga Rizal (2014), “Alkaline Pretreatment on Sugarcane Bagasse for Bioethanol Production”, Energy Procedia, 47, pp. 250- 254..................77 1.23. Rajendran Velmurugan, Karuppan Muthukumar (2012), “Sonoassisted enzymatic saccharification of sugarcane bagasse for bioethanol production”, Biochemical Engineering Journal, 63, pp. 1- 9..................77 1.24. Rajendran Velmurugan, Karuppan Muthukumar (2012), “Ultrasoundassisted alkaline pretreatment of sugarcane bagasse for fermentable sugar production: Optimization through response surface methodology”, Bioresource Technology, 112, pp. 293- 299...........................................77 1.25. Rajendran Velmurugan, Karuppan Muthukumar (2011), “Utilization of sugarcane bagasse for bioethanol production: Sono- assisted acid hydrolysis approach”, Bioresource Technology, 102, pp. 7119 - 7123.. 77 1.26. Svetlana Nikolic, Ljiljana Mojovic, Marica Rakin, Dušanka Pejin, Jelena Pejin(2010), “Ultrasound- assisted production of bioethanol by simultaneous saccharification and fermentation of corn meal”, Food Chemistry, 122, pp. 216- 222..................................................................77 1.27. Zhang Y, Fu E, Liang J (2008), “Effect of ultrasonic waves on the saccharification processes of lignocellulose”, Chem Eng Technol, 31, pp. 1510−1515...............................................................................................77 1.28. http://vi.wikipedia.org/wiki/M%C3%ADa........................................77 1.29. http://www.vietlinh.vn/library/materials_equipment/bamia.asp........77 1.30. https://vi.scribd.com/doc/207253773/%E1%BB%A8ng- E1%BB %A5ng- song- sieu- am- trong- qua- trinh- th%E1%BB%A7y- phantinh- %E1%BB%99t...............................................................................77 1.31. http://www.statease.com....................................................................77 1.32. http://www.sggp.org.vn/khoahoc_congnghe/2012/12/307507/.........78 1.33. http://vi.wikipedia.org/wiki/Nhi%C3%AAn_li%E1%BB %87u_sinh_h%E1%BB%8Dc................................................................78 1.34. http://www.asiacreative.vn/tinh- hinh- san- xuat- va- tieu- thuethanol- tren- the- gioi/............................................................................78 1.35. http://petrotimes.vn/news/vn/xang- sinh- hoc- e5/trien- vong- xangethanol- tren- the- gioi.html....................................................................78 1.36. http://thegioidaunhon.vn/vn/detail/news/tinh- hinh- nghien- cuu- vasan- xuat- nhien- lieu- sinh- hoc- tren- the- gioi- va- viet- nam/1265.....78 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: Kpl Hệ số pha loãng Cm Nồng độ trong mẫu đã pha loãng X Nồng độ trong mẫu không pha loãng I Cường độ peak CÁC CHỮ VIẾT TẮT: CrI Chỉ số kết tinh (Crystallinity Index) DNS DiNitro- Salicylic EPA Cơ quan bảo vệ môi trường (Environmental Protection Agency) EU Liên minh Châu Âu (European Union) E85 Xăng sinh học gồm 15% xăng và 85% ethanol tinh khiết E5 Xăng sinh học gồm 95% xăng và 5% ethanol tinh khiết FT- IR Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier (Fourier Transform InfraRed) GC Sắc ký khí (Gas Chromatography) HPLC Sắc ký lỏng hiệu quả cao (High Performance Liquid Chromatography) MTBE Metyl Tert Butyl Ether NGK Nước giải khát OECD Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (Organization for Economic Cooperation and Development) PTHQ Phương trình hồi qui SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electronic Microscope) TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electronic Microscopy) VSSA Hiệp hội mía đường Việt Nam XRD Nhiễu xạ tia X (X- ray diffraction) DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang Thành phần lignocellulose trong rác thải và phụ phế phẩm 18 bảng 1.1 nông nghiệp phổ biến 1.2 Ưu nhược điểm của các phương pháp tiền xử lý 23 2.1 Bước sóng đặc trưng của một số nhóm chức 47 2.2 Thành phần dưỡng chất cho nấm men phát triển 52 3.1 Độ ẩm của bã mía trước khi xử lý 54 3.2 Thành phần bã mía theo số liệu Hiệp hội Mía đường Việt 55 Nam 3.3 Kết quả chuẩn glucose 56 3.4 Kết quả đo nồng độ glucose trong dịch thủy phân trước 57 khi xử lý bã 3.5 Mức, khoảng biến thiên của các yếu tố 57 3.6 Thành phần bã mía sau quá trình tiền xử lý 58 3.7 Kết quả quá trình tiền xử lý bã mía theo từng thí nghiệm 60 3.8 Hệ số b của phương trình hồi qui 61 3.9 Kiểm tra ý nghĩa của hệ số hồi qui 62 3.10 Kiểm tra sự tương thích của PTHQ 62 3.11 Kết quả chuẩn glucose 68 3.12 Kết quả đo nồng độ glucose sau quá trình thủy phân 69 3.13 Kết quả chuẩn ethanol 70 3.14 Kết quả đo ethanol sau quá trình lên men 71 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu Tên hình vẽ hình vẽ Trang 1.1 Cấu trúc của lignocellulose 17 1.2 Công thức hóa học của cellulose 19 1.3 Phân bố các vùng trồng mía ở Việt Nam 21 1.4 Sơ đồ của quá trình thủy phân và lên men tách biệt 24 1.5 Sơ đồ của quá trình thủy phân và lên men đồng thời 25 1.6 Quá trình phân giải của cellulose 25 1.7 Giống nấm men Pichia stipitis và Saccharomyces 33 Cerevisiae 1.8 Tác động của sóng siêu âm: Quá trình hình thành, phát 35 triển và vỡ tung của bọt khí trong môi trường lỏng 1.9 Giao diện của phần mềm Design Expert 7.0 39 2.1 Nấm men S. Cerevisiae nhìn dưới kính hiển vi 40 2.2 Quy trình nghiên cứu sản xuất bioethanol từ bã mía 49 2.3 Bã mía trước khi xử lý 50 2.4 Tiền xử lý bã mía bằng NaOH kết hợp siêu âm 50 2.5 Hỗn hợp sau quá trình tiền xử lý 51 2.6 (a) Bã mía sau khi rửa, lọc; (b) Bã mía sau khi ép khô 51 2.7 (a) Bã mía trước khi thủy phân; (b) Dịch thu được sau 52 quá trình thủy phân 2.8 Bộ dụng cụ lên men 53 3.1 Thành phần (% khối lượng) của bã mía trước khi xử lý 54 3.2 Đường chuẩn glucose 56 3.3 Kết quả tính hệ số b theo phần mềm Design Expert v7.0 61 3.4 Kết quả tối ưu bằng phần mềm Design Expert v7.0 63 3.5 SEM của: (a) Mẫu chưa xử lý; (b) Mẫu đã xử lý: 3% 64 NaOH, 300C và siêu âm trong 25phút 3.6 FT- IR của mẫu chưa xử lý 64 3.7 FT- IR của mẫu đã xử lý: 1% NaOH, 30 0C, 15phút, 65 22,5kHz 3.8 FT- IR của mẫu đã xử lý: 1% NaOH, 30 0C, 25phút, 65 22,5kHz 3.9 FT- IR của mẫu đã xử lý: 1% NaOH, 50 0C, 15phút, 66 22,5kHz 3.10 XRD của: (a) Mẫu chưa xử lý; (b) Mẫu đã xử lý: 3% 67 NaOH, 300C và siêu âm trong 25phút 3.11 Đường chuẩn glucose 68 3.12 Đường chuẩn ethanol 70 3.13 (a) Lên men dịch thủy phân có siêu âm; (b) Lên men 71 dịch thủy phân không có siêu âm; (c) Nước vôi trong bị đục bởi CO2 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nhiên liệu hóa thạch là loại nhiên liệu có ưu thế vượt trội trong nền kinh tế toàn cầu từ cách mạng công nghiệp cuối thế kỷ 18, đặc biệt là trong nửa sau thế kỷ 20 khi thế giới đã trải qua những tiến bộ mạnh mẽ trong công nghệ và công nghiệp hóa. Tuy nhiên, nhiên liệu hóa thạch không phải vô hạn và sẽ cạn kiệt vào khoảng 40- 50 năm nữa. Trong điều kiện cạn kiệt nhiên liệu hoá thạch và các vấn đề khí thải liên quan gây ô nhiễm môi trường từ việc sử dụng nguồn nhiên liệu này, việc tìm kiếm và phát triển các nguồn năng lượng sạch thay thế là cần thiết và cấp bách. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, sinh khối là nguồn năng lượng quan trọng nhất. Các nguồn năng lượng tái tạo và dự báo [4] Loại năng lượng Năm / Lượng (triệu tấn dầu qui đổi) % năm 2001 2010 2020 2040 tái tạo 2040 Tổng năng lượng sơ cấp 10 038 11 258 15 347 17 690 100.00 Sinh khối 1 080 1 291 2 221 2 843 16.07 Thuỷ điện 223 255 296 308 1,75 Thuỷ điện nhỏ 9,5 16 62 91 0,51 Gió 4,7 35 395 580 3,28 Pin mặt trời 0.2 1 110 445 2,51 Nhiệt mặt trời 4,1 11 127 274 1,55 Nhiệt điện mặt trời 0,1 0,4 9 29 0,16 Địa nhiệt 43 73 194 261 1,47 Thuỷ triều 0.0 0,1 2 9 0,05 5 Tổng năng lượng tái tạo 1 364,5 1 682,5 3 416 4 844 % Năng lượng tái tạo 13,6 14,3 22 27,4 27,4 Nhiên liệu sinh học (ethanol sinh học và diesel sinh học) là các nguồn năng lượng được sản xuất từ sinh khối. Nhìn chung, nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm: giảm khí thải nhà kính, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, tăng sự an toàn về năng lượng quốc gia, góp phần phát triển nông thôn 2 và là một nguồn năng lượng bền vững trong tương lai. Ngược lại, loại nhiên liệu này cũng có một số hạn chế: nguồn nguyên liệu phải được tái tạo nhanh, công nghệ sản xuất phải được thiết kế và tiến hành sao cho cung cấp lượng nhiên liệu lớn nhất với giá thấp nhất và mang lại lợi ích về môi trường nhất. Ethanol sinh học hay còn gọi là bioethanol có thể sản xuất từ bất kỳ chất hữu cơ có nguồn gốc sinh học chứa hàm lượng đường nhất định và các vật chất có thể chuyển đổi sang dạng đường như tinh bột hoặc cellulose. Mía đường, củ cải đường, lúa miến ngọt... là những ví dụ về sản phẩm chứa đường. Lúa mì, lúa mạch và ngô…là các sản phẩm chứa tinh bột. Một phần đáng kể các cây lấy gỗ và cây thân thảo có thành phần chủ yếu là cellulose có thể được chuyển đổi sang đường. Tất cả các loại cây này/vật liệu này đều có thể sử dụng cho sản xuất ethanol. Gần đây, nhiều cố gắng nghiên cứu của các cá nhân và các tổ chức đang tập trung vào việc sản xuất ethanol từ rơm rạ, cỏ,… Tuy nhiên, theo nhận định của nhiều chuyên gia, bên cạnh các nguyên liệu phổ biến kể trên thì bã mía là lựa chọn mới cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học, phù hợp với nền nông nghiệp Việt Nam, nhất là lượng bã mía hiện thải bỏ khá lớn. Đơn cử là nhà máy Đường Bourbon (Tây Ninh) với công suất chế biến 8000 tấn mía/ngày, nhà máy thải ra lượng bã mía khoảng 2800 tấn/ngày. Công ty Đường Biên Hòa (Đồng Nai) có 3 nhà máy, trong đó 2 nhà máy sử dụng mía làm nguyên liệu với tổng công suất 5000 tấn mía/ngày [32]. Do đó, việc sử dụng bã mía để sản xuất bioethanol sẽ góp phần giảm bớt áp lực cho các loại nguyên liệu sinh học từ bắp, khoai mì,… đồng thời sẽ giảm thiểu sự cạnh tranh trong sử dụng đất trồng giữa cây nhiên liệu và cây lương thực, thực phẩm. Sinh khối có nguồn gốc lignocellulose có thành phần chính gồm cellulose, hemicellulose, lignin. Sự sắp xếp của các thành phần bên trong sinh 3 khối làm cho nó có cấu trúc vô cùng phức tạp. Chỉ cellulose và hemicellulose có thể được chuyển đổi thành đường lên men. Do đó, cần có quá trình tiền xử lý để phá vỡ lignin xung quanh các phân tử cellulose, làm tăng khả năng tác động của enzyme thủy phân cellulose thành đường. Có rất nhiều phương pháp tiền xử lý như phương pháp vật lý (giảm kích thước, nổ hơi…), phương pháp hóa học (axit, kiềm…), phương pháp sinh học… tuy nhiên, các phương pháp tiền xử lý bằng kiềm giúp sự hòa tan của lignin tốt hơn, ít hòa tan cellulose và hemicellulose hơn so với các quy trình axit hay thủy nhiệt. Tiền xử lý bằng kiềm có thể được tiến hành ở nhiệt độ phòng, ít gây ra sự thoái biến đường hơn so với tiền xử lý bằng axit và cho hiệu quả cao hơn ở các sản phẩm nông nghiệp. Thường sử dụng natri hydroxit, canxi hydroxit, kali hydroxit và amoni hydroxit. Tiền xử lý bằng Ca(OH) 2 có chi phí thấp và yêu cầu về an toàn ít hơn so với tiền xử lý bằng NaOH nhưng khả năng hòa tan Ca(OH)2 trong nước kém, khó tách ra khỏi bã rắn sau quá trình tiền xử lý. Việc ứng dụng kỹ thuật siêu âm sẽ cải thiện một loạt các quá trình sinh học và có tiềm năng được sử dụng trong sản xuất ethanol từ nguyên liệu lignocellulose. Kỹ thuật siêu âm được áp dụng như một quá trình hỗ trợ việc phá hủy liên kết lignin tạo điều kiện cho quá trình thủy phân, gia tăng vận chuyển cơ chất, kích thích tế bào sống và enzyme giúp gia tăng sản lượng các chất trao đổi, đẩy nhanh quá trình lên men. Với những lý do trên, tôi đã chọn đề tài luận văn cao học: “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình sản xuất bioethanol từ bã mía” 2. Mục tiêu nghiên cứu 4 Nghiên cứu sử dụng sóng siêu âm để tăng cường hiệu quả của quá trình tiền xử lý, thuỷ phân và lên men nhằm nâng cao năng suất của quá trình sản xuất bioethanol từ bã mía của nhà máy đường. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu - Bã mía của nhà máy đường - Qui trình và các thông số công nghệ của quá trình sản xuất bioethanol từ bã mía của nhà máy đường - Kỹ thuật siêu âm 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Các điều kiện tiền xử lý, thủy phân và lên men - Xử lý số liệu thống kê, quy hoạch thực nghiệm với hàm mục tiêu là tối đa hiệu suất loại bỏ lignin ở quá trình tiền xử lý 4. Phương pháp nghiên cứu - Áp dụng các phương pháp phân tích hoá học trong việc xác định hàm lượng cellulose và lignin trong thành phần của bã mía - Áp dụng các phương pháp vật lý và hóa lý như: + Phương pháp chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để xác định sự thay đổi cấu trúc của bã mía trước và sau quá trình tiền xử lý + Phương pháp phổ hồng ngoại chuỗi Fourier (FT- IR) để đánh giá đến sự thay đổi thành phần các nhóm chức trong nguyên liệu bã mía + Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định độ kết tinh của cellulose trong bã mía trước và sau quá trình tiền xử lý + Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) để xác định hàm lượng glucose thu được sau quá trình thủy phân + Phương pháp sắc ký khí (GC) để xác định hàm lượng ethanol thu được sau quá trình lên men 5 - Phương pháp toán học: Các phương pháp xử lý số liệu thống kê, quy hoạch thực nghiệm, sử dụng phần mềm Design Expert để xác định phương trình hồi qui. 5. Bố cục đề tài Sau phần mở đầu, luận văn gồm 3 chương: Chương 1. Tổng quan về đề tài Tổng quan về nhiên liệu sinh học, ethanol nhiên liệu, tình hình sản xuất và sử dụng cũng như nguyên liệu và các công nghệ sản xuất bioethanol, kỹ thuật siêu âm, cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng, quy hoạch thực nghiệm. Chương 2. Những nghiên cứu thực nghiệm Giới thiệu về nguyên liệu, hóa chất, thiết bị sử dụng trong nghiên cứu này, trình bày các phương pháp nghiên cứu và trình tự nghiên cứu. Chương 3. Kết quả và thảo luận Trình bày kết quả phân tích thành phần bã mía trước khi tiền xử lý, kết quả phân tích dịch thủy phân thu được trước khi tiền xử lý, thành phần bã sau khi tiền xử lý, tối ưu các điều kiện tiền xử lý, phân tích các kết quả SEM, FTIR, XRD, kết quả quá trình thủy phân và lên men riêng biệt. Cuối cùng là phần kết luận và kiến nghị của đề tài. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. TỔNG QUAN VỀ BIOETHANOL 1.1.1. Nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học theo định nghĩa rộng là những nhiên liệu rắn, lỏng hay khí được chuyển hóa từ sinh khối. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này chỉ đề cập chính đến nhiên liệu sinh học dạng lỏng. Nhìn chung, nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm: giảm khí thải nhà kính, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, tăng sự an toàn về năng lượng quốc gia, góp phần phát triển nông thôn và là một nguồn năng lượng bền vững trong tương lai. Ngược lại, loại nhiên liệu này cũng có một số hạn chế: nguồn nguyên liệu phải được tái tạo nhanh, công nghệ sản xuất phải được thiết kế và tiến hành sao cho cung cấp lượng nhiên liệu lớn nhất với giá thấp nhất và mang lại lợi ích về môi trường nhất. Nhiên liệu sinh học và những dạng nhiên liệu tái tạo khác nhằm hướng đến một chu trình tuần hoàn khí CO2. Điều đó có nghĩa là CO2 được thải ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu để cung cấp năng lượng vận chuyển hay sinh điện năng được tái hấp thụ và cân bằng với lượng CO 2 hấp thụ bởi cây cối. Những cây này sau đó lại được thu hoạch để tiếp tục sản xuất nhiên liệu. Nhiên liệu sinh học có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau [33]: - Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống. Biodiesel được điều chế bằng cách ester hóa một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật…) thông qua phản ứng của nó với các loại rượu, phổ biến nhất là methanol. 7 - Xăng sinh học (Biogasoline) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng ethanol như là một loại phụ gia pha trộn vào xăng thay phụ gia chì. Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, rỉ đường, lignocellulose. Ethanol được pha chế theo tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống. - Khí sinh học (Biogas) là một loại khí hữu cơ gồm methane và các đồng đẳng khác. Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sản phẩm hữu cơ phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí. Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm dầu mỏ. 1.1.2. Ethanol nhiên liệu a. Lịch sử hình thành Nguyên mẫu đầu tiên của động cơ đốt trong được đưa ra bởi Samuel Morey, USA, 1826. Điều này được xem là sự bắt đầu của động cơ xăng nhưng thực tế ông sử dụng ethanol để cấp nguồn năng lượng cho động cơ. Năm 1908, Henry Ford xây dựng mô hình nổi tiếng về xe ô tô chạy bằng ethanol. Cuối cùng, công nghiệp dầu mỏ “chiến thắng” trong sự cạnh tranh với ethanol. Sự thúc đẩy “thương mại hóa” ethanol trong giao thông vận tải phát triển trong suốt thập niên 1970. Cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 và cuộc cách mạng của người Iran vào năm 1978 làm cho giá của dầu gia tăng một cách nhanh chóng, ảnh hưởng lớn đến vấn đề an ninh năng lượng quốc gia. Ethanol nhiên liệu trở nên có giá trị. Tại thời điểm này, cơ quan bảo vệ môi trường (EPA) đã tìm kiếm một chất thay thế cho chì trong xăng để gia tăng chỉ số octane. Ethanol sớm thiết lập một chỗ đứng vững mạnh trong việc gia tăng chỉ số octane. Một động cơ khác thúc đẩy công nghệ sản xuất ethanol ở Mỹ trong suốt những năm 80, đó là khi giá bắp hạ thấp. 8 Các nhà lập pháp Mỹ xem việc sản xuất ethanol từ bắp là một phương tiện để ổn định thu nhập của nông nghiệp [6]. b. Lợi ích và hạn chế khi sử dụng ethanol nhiên liệu - Lợi ích Phát triển ethanol nhiên liệu giúp các quốc gia chủ động, không bị lệ thuộc vào vấn đề nhập khẩu nhiên liệu, đặc biệt đối với những quốc gia không có nguồn dầu mỏ và than đá. Đồng thời, kiềm chế sự gia tăng giá xăng dầu, ổn định tình hình năng lượng cho Thế giới. Do được sản xuất từ nguồn nguyên liệu tái tạo, ethanol thật sự là một lựa chọn ưu tiên cho các quốc gia trong vấn đề an ninh năng lượng. Việc sản xuất ethanol tương đối đơn giản hơn so với các dạng nhiên liệu mới khác như: hydro, pin nhiên liệu, … Nhìn chung, công nghệ sản xuất ethanol không phức tạp, có thể sản xuất ở quy mô nhỏ đến quy mô lớn. Ngoài ra, ethanol có trị số octane cao và có thể dùng để nâng trị số octane của xăng. Trong thực tế, ở mức hàm lượng thấp ([...]... đổi, đẩy nhanh quá trình lên men Với những lý do trên, tôi đã chọn đề tài luận văn cao học: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình sản xuất bioethanol từ bã mía 2 Mục tiêu nghiên cứu 4 Nghiên cứu sử dụng sóng siêu âm để tăng cường hiệu quả của quá trình tiền xử lý, thuỷ phân và lên men nhằm nâng cao năng suất của quá trình sản xuất bioethanol từ bã mía của nhà máy... vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Bã mía của nhà máy đường - Qui trình và các thông số công nghệ của quá trình sản xuất bioethanol từ bã mía của nhà máy đường - Kỹ thuật siêu âm 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Các điều kiện tiền xử lý, thủy phân và lên men - Xử lý số liệu thống kê, quy hoạch thực nghiệm với hàm mục tiêu là tối đa hiệu suất loại bỏ lignin ở quá trình tiền xử lý 4 Phương pháp nghiên cứu. .. ra khỏi bã rắn sau quá trình tiền xử lý Việc ứng dụng kỹ thuật siêu âm sẽ cải thiện một loạt các quá trình sinh học và có tiềm năng được sử dụng trong sản xuất ethanol từ nguyên liệu lignocellulose Kỹ thuật siêu âm được áp dụng như một quá trình hỗ trợ việc phá hủy liên kết lignin tạo điều kiện cho quá trình thủy phân, gia tăng vận chuyển cơ chất, kích thích tế bào sống và enzyme giúp gia tăng sản lượng... triển của nấm men Ngoài ra còn có các loại vi sinh vật gây ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của rỉ đường Vậy việc sử dụng rỉ đường để sản xuất rượu góp phần sử dụng triệt để phụ phế phẩm, mặt khác hạn chế việc sử dụng các loại lương thực chứa tinh bột như: sắn, ngô, khoai để sản xuất rượu b Quá trình sản xuất Sản xuất ethanol từ mật rỉ hay từ các phế liệu chứa rỉ đường về cơ bản cũng giống như sản xuất. .. Mới đây, nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng sản phẩm phế thải nông, lâm nghiệp như rơm rạ thành ethanol sinh học đã được triển khai ở Viện Công nghệ Sinh học- Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam, Đại học Bách khoa Hà Nội… Tuy nhiên kết quả đạt được còn khiêm tốn, chưa thể áp dụng triển khai sản xuất lớn và thương mại hóa 14 1.2 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BIOETHANOL 1.2.1 Sản xuất ethanol từ tinh bột a Nguyên... nghiệm Giới thiệu về nguyên liệu, hóa chất, thiết bị sử dụng trong nghiên cứu này, trình bày các phương pháp nghiên cứu và trình tự nghiên cứu Chương 3 Kết quả và thảo luận Trình bày kết quả phân tích thành phần bã mía trước khi tiền xử lý, kết quả phân tích dịch thủy phân thu được trước khi tiền xử lý, thành phần bã sau khi tiền xử lý, tối ưu các điều kiện tiền xử lý, phân tích các kết quả SEM, FTIR,... nước Việc sản xuất ethanol từ một số cây 9 trồng như: mía, ngô, sắn, … mở ra thị trường mới cho nông dân, tăng thu nhập hoặc tăng năng lực sản xuất của đất canh tác hiện có, tận dụng các vùng đất hoang hóa và tạo thêm công ăn việc làm cho người dân Bên cạnh đó, việc tận dụng các nguồn phụ, phế phẩm nông nghiệp như rơm rạ, vỏ trấu, bã mía để sản xuất ethanol cũng sẽ nâng cao giá trị của sản phẩm nông... - Chi phí thấp - Thủy phân 24 Phương trình phản ứng: (C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6 Quá trình thủy phân bằng enzyme và quá trình lên men có thể tiến hành tách biệt hoặc đồng thời (hình 1.4 và 1.5) Hình 1.4 Sơ đồ của quá trình thủy phân và lên men tách biệt 25 Hình 1.5 Sơ đồ của quá trình thủy phân và lên men đồng thời Hình 1.6 Quá trình phân giải của cellulose Quá trình thủy phân cellulose được diễn ra... liệu này đều có thể sử dụng cho sản xuất ethanol Gần đây, nhiều cố gắng nghiên cứu của các cá nhân và các tổ chức đang tập trung vào việc sản xuất ethanol từ rơm rạ, cỏ,… Tuy nhiên, theo nhận định của nhiều chuyên gia, bên cạnh các nguyên liệu phổ biến kể trên thì bã mía là lựa chọn mới cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học, phù hợp với nền nông nghiệp Việt Nam, nhất là lượng bã mía hiện thải bỏ khá... lượng mía đạt hơn 20 triệu tấn và năng suất mía bình quân cả nước đạt 64,7 tấn/ha [7] Hiện nay, theo Hiệp hội Mía đường Việt Nam (VSSA), mỗi năm các nhà máy đường ép trên 15 triệu tấn mía, phát sinh ra 4,5 triệu tấn bã mía [29] Đây là nguồn nguyên liệu dồi dào cho việc sản xuất ethanol Hình 1.3 Phân bố các vùng trồng mía ở Việt Nam [7] b Quá trình sản xuất - Tiền xử lý Đây là bước quyết định trong quá trình ... cứu ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao hiệu trình sản xuất bioethanol từ bã mía Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng sóng siêu âm để tăng cường hiệu trình tiền xử lý, thuỷ phân lên men nhằm. .. nhằm nâng cao suất trình sản xuất bioethanol từ bã mía nhà máy đường Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Bã mía nhà máy đường - Qui trình thông số công nghệ trình sản xuất bioethanol. .. tách khỏi bã rắn sau trình tiền xử lý Việc ứng dụng kỹ thuật siêu âm cải thiện loạt trình sinh học có tiềm sử dụng sản xuất ethanol từ nguyên liệu lignocellulose Kỹ thuật siêu âm áp dụng trình hỗ