ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHUYÊN NGÀNH SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ NGUYÊN LIỆU CÓ NGUỒN GỐC DẦU MỠ ĐỘNG THỰC VẬT SVTH: NGUYỄN ANH KHOA MSSV: 60604190 CBHD: PGS. TS. NGUYỄN ĐỨC LƯỢNG BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Tp. Hồ Chí Minh, 7/2010 ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của: Phó Giáo Sư, Tiến Sĩ Nguyễn Đức Lượng – Bộ môn Công nghệ Sinh Học, Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã gợi ý, định hướng đề tài cho tôi. Kỹ sư Huỳnh Nguyễn Anh Khoa – Bộ môn Công nghệ Sinh Học, Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã hướng dẫn dẫn tận tình và giúp tôi một số vấn đề về trình bày đồ án này. Các thầy cô trong bộ môn Công Nghệ Sinh Học đã tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho chúng tôi học tập. Các bạn cùng lớp HC06BSH – Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã cùng tôi trao đổi, động viên tinh thần lẫn nhau trong thời gian làm đồ án. Xin gởi đến những người kể trên lời cảm ơn chân thành nhất! iii TÓM TẮT Dầu mỡ động thực vật là nguồn nguyên liệu chứa triglyceride được dùng để sản xuất nhiên liệu tái sinh cho các động cơ đốt trong – động cơ diesel. Các vấn đề gặp phải khi dùng dầu mỡ làm nhiên liệu trực tiếp đó là độ nhớt cao, độ bay hơi thấp, hiện tượng cháy không hoàn toàn của nhiên liệu này. Có nhiều phương pháp được sử dụng để làm cho dầu mỡ đạt được các yêu cầu khi sử dụng cho động cơ. Trong đó, phản ứng transester hóa chuyển triglyceride thành mono-alkyl ester của các acid béo mạch dài – biodiesel được sử dụng nhiều nhất ở quy mô công nghiệp. Trong báo cáo này, ta sẽ tìm hiểu về nguồn nguyên liệu, cũng như là các phương pháp chuyển hóa dầu mỡ thành nhiên liệu biodiesel. ii MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC HÌNH vi CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Mục tiêu đề tài 1 1.3. Nội dung nghiên cứu 2 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3 2.1. Nhiên liệu diesel 3 2.2. Nhiên liệu biodiesel và khả năng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch 4 2.2.1. Năng lượng tái sinh và năng lượng không tái sinh 4 2.2.2. Biodiesel 7 2.2.3. Khả năng thay thế của biodiesel cho nhiên liệu hóa thạch 9 CHƢƠNG 3: ĐẶC ĐIỂM NGUỒN NGUYÊN LIỆU TRONG SẢN XUẤT BIODIESEL 12 3.1. Dầu thực vật 12 3.1.1. Nguồn cung ứng 12 3.1.2. Thành phần hóa học 15 3.1.3. Ưu điểm 17 3.1.4. Nhược điểm 18 3.2. Mỡ động vật 19 3.2.1. Nguồn cung ứng 19 3.2.2. Thành phần hóa học 20 3.2.3. Ưu điểm 21 iii 3.2.4. Nhược điểm 22 3.3. Dầu thải chiên rán 22 3.3.1. Nguồn cung ứng 22 3.3.2. Thành phần hóa học 24 3.3.3. Ưu điểm 28 3.3.4. Nhược điểm 29 CHƢƠNG 4: CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL 30 4.1. Các phương pháp chuyển dầu mỡ thành nhiên liệu sử dụng được 30 4.1.1. Phương pháp pha loãng 30 4.1.2. Phương pháp nhiệt phân 30 4.1.3. Phương pháp tạo vi nhũ tương 34 4.1.4. Phương pháp transester hóa sản xuất biodiesel 35 4.2. Giới thiệu một số quy trình công nghệ trong sản xuất biodiesel 48 4.2.1. Transester hóa với xúc tác kiềm 48 4.2.2. Transester hóa với xúc tác acid 50 4.2.3. Transester hóa với enzyme lipase 52 4.2.4. Transester hóa với methanol siêu tới hạn 55 CHƢƠNG 5: TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG BIODIESEL 58 5.1. Hiện trạng sản xuất biodiesel 58 5.2. Tính kinh tế của nhiên liệu biodiesel 60 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 6.1. Kết luận 63 6.2. Kiến nghị 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 iv CÁC TỪ VIẾT TẮT CCR Conradson carbon residue – Cặn lắng carbon conradson EU European Union – Liên minh châu Âu FAO Food and Agriculture Organization – Tổ chức Lương Nông của Liên Hiệp Quốc HPSEC High performance size exclusion chromatography – Sắc ký hiệu năng cao phân tách các hợp chất theo kích thước INE Spanish National Institute of Statistics – Viện Khoa Học Thống Kê Tây Ban Nha PBR Packed bed reactor – Thiết bị phản ứng dạng ống phức hợp v DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1-Tính chất vật lý của các hợp chất hydrocarbon trong nhiên liệu diesel 4 Bảng 2.2-So sánh tính chất của biodiesel với diesel được giảm thiểu lưu huỳnh 8 Bảng 2.3-Mười quốc gia dẫn đầu về tiềm năng sản xuất biodiesel năm 2006 11 Bảng 3.1-Sản lượng hạt lấy dầu và lượng dầu thực vật tiêu thụ năm 2009 14 Bảng 3.2- Công thức hóa học của các acid béo thông dụng trong dầu mỡ 16 Bảng 3.3-Thành phần acid béo của một số loại dầu thực vật 17 Bảng 3.4- Thành phần acid béo của một số loại mỡ động vật 20 Bảng 3.5- So sánh một số tính chất và thành phần acid béo của dầu ăn đã qua sử dụng với một số loại dầu thực vật điển hình 24 Bảng 4.1-Thành phần của các loại dầu sau khi nhiệt phân 32 Bảng 4.2-Tính chất nhiên liệu của dầu nành và dầu nành nhiệt phân 33 Bảng 4.3-Đặc tính của xúc tác SO 4 2- /TiO 2 -SiO 2 40 Bảng 4.4-Tính chất của methanol ở các điều kiện khác nhau 46 Bảng 4.5-Thành phần của các dòng chảy trong hệ thống 54 Bảng 4.6-Thành phần của các dòng chảy trong hệ thống 57 Bảng 5.1-Ước tính giá cả của biodiesel dựa trên nguồn nguyên liệu 61 vi DANH MỤC HÌNH Hình 3.1-Đồ thị sản lượng dầu thực vật được sản xuất và tiêu thụ qua các năm 13 Hình 3.2- Phần trăm khối lượng các loại hạt lấy dầu được sản xuất năm 2009 14 Hình 3.3- Phần trăm khối lượng tiêu thụ các loại dầu năm 2009 14 Hình 3.4- Công thức cấu tạo của triglyceride 15 Hình 3.5- Phản ứng giữa các nhóm acyl nội phân tử 25 Hình 3.6- Phản ứng tạo vòng từ các nối đôi nội phân tử 26 Hình 3.7- Sơ đồ phản ứng oxy hóa theo cơ chế gốc tự do 26 Hình 3.8- Hai con đường biến đổi của gốc alkoxy 27 Hình 4.1-Cơ chế nhiệt phân triglyceride 32 Hình 4.2- Phản ứng transester hóa của triglyceride với rượu 36 Hình 4.3-Cơ chế của phản ứng xúc tác kiềm tính 37 Hình 4.4- Phản ứng giữa ester và acid béo tự do với chất xúc tác 38 Hình 4.5-Cơ chế của phản ứng transester hóa với xúc tác acid 39 Hình 4.6-Các giai đoạn của phản ứng transester hóa dầu hạt hướng dương với butanol bằng enzyme lipase 42 Hình 4.7-Cơ chế xúc tác của enzyme trong phản ứng trasester hóa 44 Hình 4.8-Giản đồ pha của vật chất theo nhiệt độ và áp suất 46 Hình 4.9-Phản ứng transester hóa triglycride với methanol ở điều kiện siêu tới hạn 47 Hình 4.10-Cơ chế của phản ứng transester với methanol ở điều kiện siêu tới hạn 47 Hình 4.11-Các bước quan trọng trong sản xuất biodiesel với xúc tác kiềm 49 Hình 4.12-Thiết bị phản ứng liên tục sản xuất biodiesel với xúc tác kiềm 50 Hình 4.13-Quy trình công nghệ sản xuất biodiesel liên tục với xúc tác rắn 51 Hình 4.14-Quy trình công nghệ sản xuất biodiesel liên tục với xúc tác lipase 52 Hình 4.15-Quy trình công nghệ sản xuất biodiesel với methanol siêu tới hạn 55 Hình 5.1-Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel của EU 58 Hình 5.2-Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel của Hoa Kỳ 59 vii Hình 5.3-Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel trên toàn thế giới 59 Hình 5.4-Tiềm năng sản xuất biodiesel của các nước trên toàn thế giới 60 Hình 5. 5-Giá thành biodiesel dựa trên nguồn lipid hiện có ở các nước trên thế giới 61 Chương 1: Mở đầu 1 CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, cùng với việc phát triển quá mức của các ngành công nghiệp và sự bùng nổ dân số, nhu cầu về nhiên liệu sử dụng ngày càng gia tăng. Các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, than đá, khí đốt đang ngày càng cạn kiệt. Việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch có một số nhược điểm như ô nhiễm không khí, gây ra hiệu ứng nhà kính. Đồng thời, khủng hoảng năng lượng đang có chiều hướng ngày một gia tăng. Nên việc tìm một nguồn năng lượng mới để thay thế cho những nguồn năng lượng hóa thạch là hết sức cần thiết. Nguồn sinh khối động vật và thực vật được xem là các nguồn có khả năng tái sinh được, đặc biệt là dầu mỡ động thực vật là nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất ra biodiesel. Nhiên liệu biodiesel là một trong các loại nhiên liệu sinh học, có một số ưu điểm chính như: không độc hại, phân hủy được trong tự nhiên, sản xuất từ nguồn nguyên liệu có thể phục hồi, đạt được các chỉ tiêu về môi trường, và nhiều ưu điểm khác nữa khi ứng dụng cho các động cơ. Hiện nay, nhiên liệu biodiesel đang được chú trọng phát triển. Một số quốc gia đã tiến hành sử dụng biodiesel làm nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu xăng dầu cho các phương tiện và thiết bị có động cơ. Điển hình là ở châu Âu, các quốc gia thuộc khối liên minh EU đã đặt ra mục tiêu là vào năm 2020, tỷ lệ sử dụng nhiên liệu sinh học chiếm 20% trong tổng số nhiên liệu tiêu thụ cho các động cơ [108]. Còn ở Hoa Kỳ, biodiesel được phối trộn với diesel ở tỷ lệ 20% thể tích biodiesel đã được đưa vào sử dụng [108]. Trên thế giới, nguồn sinh khối từ các sinh vật rất dồi dào. Ứng dụng việc trồng trọt các loại thực vật cho tinh dầu để cung cấp nguyên liệu thô cho quá trình sản xuất biodiesel có nhiều tiềm năng lớn và đang được chú trọng phát triển. Hơn nữa, nếu các sản phẩm như dầu mỡ động thực vật, đặc biệt là dầu thải chiên rán từ nấu nướng-thải ra ngoài không qua xử lý thì sẽ dẫn đến ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Với hiện trạng này, việc ứng dụng các phương pháp để chuyển hóa dầu mỡ động thực vật thành nhiên liệu sử dụng được là một trong những vấn đề cấp bách trong công cuộc tìm ra nguồn nhiên liệu mới cho sự phát triển bền vững của nhân loại. 1.2. Mục tiêu đề tài [...]... các nguồn nguyên liệu khác như dầu thải chiên rán, mỡ động vật, hoặc các loại dầu thực vật không ăn được 11 Chương 3: Đặc điểm nguồn nguyên liệu trong sản xuất biodiesel CHƢƠNG 3: ĐẶC ĐIỂM NGUỒN NGUYÊN LIỆU TRONG SẢN XUẤT BIODIESEL 3.1 Dầu thực vật 3.1.1 Nguồn cung ứng Dầu thực vật là loại dầu được chiết suất từ các hạt, các quả của cây Nói chung, các hạt quả của cây đều chứa dầu, nhưng từ dầu thực vật. .. chất, nguồn cung ứng của ba loại nguyên liệu sử dụng trong sản xuất biodiesel: dầu thực vật, mỡ động vật, và dầu thải từ quá trình chiên rán - Tìm hiểu về các phương pháp trong sản xuất biodiesel từ các nguồn nguyên liệu này Trong đó tập trung vào phương pháp transester hóa chuyển triglyceride thành alkyl ester của các acid béo Giới thiệu một số quy trình sản xuất biodiesel từ các nguồn nguyên liệu. .. xuất biodiesel thực phẩm nên phải sử dụng thêm các loại dầu khác như dầu hạt jatropa, karanja để phục vụ cho sản xuất biodiesel [95] Sản lượng dầu thực vật được sản xuất trên toàn thế giới tăng từ 56 triệu tấn vào năm 1990 lên tới 88 triệu tấn vào năm 2000 Hình 3.1 cho thấy sản lượng dầu thực vật được sản xuất và tiêu thụ từ năm 1990 đến năm 2000 Hình 3.1-Đồ thị sản lượng dầu thực vật được sản xuất. .. động cơ hoạt động không ổn định Độ bay hơi thấp nên khó cháy Xảy ra phản ứng của các mạch hydrocarbon chưa bão hòa làm cho tính chất của nhiên liệu bị thay đổi, gây khó khăn cho bảo quản 18 Chương 3: Đặc điểm nguồn nguyên liệu trong sản xuất biodiesel 3.2 Mỡ động vật 3.2.1 Nguồn cung ứng Biodiesel ngày nay chủ yếu được sản xuất từ dầu thực vật Tuy nhiên, nguồn mỡ động vật từ các ngành công nghiệp thực. .. nguồn này làm nguyên liệu thô không những giúp ta giảm được giá nguyên liệu mà còn giúp ta giảm chi phí cho khâu xử lý ô nhiễm Việc sử dụng nguồn nguyên liệu mỡ phế phẩm giúp giảm giá thành sản phẩm, tạo ra khả năng cạnh tranh nhiên liệu biodiesel trên thị trường so với các nguồn nhiên liệu khác Tương tự như dầu thực vật, nhiên liệu biodiesel từ mỡ động vật có một số ưu điểm như: - Là nguồn nhiên liệu. .. vật chỉ dùng để chỉ dầu của những cây có dầu với hàm lượng lớn Dầu lấy từ hạt cây có dầu như: đậu phộng, đậu nành, cải dầu, bông, hướng dương Dầu lấy từ quả cây có dầu như: dừa, cọ, ô liu … Có thể phân loại dầu thực vật theo nhu cầu làm thực phẩm cho con người : dầu ăn được và dầu không ăn được - Dầu ăn được phổ biến là các loại như dầu nành, dầu đậu phộng, dầu dừa, - dầu cải, dầu hướng dương, …... USD/l khi giá dầu nguyên liệu tăng 0.022 USD/kg Điều này có nghĩa là mối quan hệ giữa nguồn nguyên liệu và sản phẩm là theo tỷ lệ 1:1 Hiện nay phần lớn biodiesel được sản xuất từ dầu thực vật- điển hình nhất là dầu nành, và giá của nhiên liệu này cao hơn từ 1.5-3.0 lần so với nhiên liệu diesel thông thường [32] Các loại dầu thực vật như dầu nành có giá rất cao do được sử dụng trong ngành thực phẩm, vì... biodiesel là xuất phát từ nguồn nguyên liệu [73] Việc sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền như dầu thải ra từ nấu nướng có thể giúp nhiên liệu biodiesel có khả năng cạnh tranh với các nhiên liệu khác trên thị trường Biodiesel từ dầu phế thải tuy không giúp thay thế hoàn toàn cho nhiên liệu diesel, nhưng một lượng đáng kể nhiên liệu loại này có thể giúp giảm bớt một phần sự phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu. .. trường Dầu thực vật có tiềm năng trong việc cung cấp một nguồn năng lượng không cạn kiệt, với các thông số về mặt năng lượng gần giống với nhiên liệu diesel Với việc giá cả của các nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ đang ngày càng leo thang, và các nguồn tài nguyên khoáng sản dưới lòng đất đang ngày càng cạn kiệt 17 Chương 3: Đặc điểm nguồn nguyên liệu trong sản xuất biodiesel dần thì dầu thực vật là... 2.3 cho thấy 10 quốc gia có tiềm năng lớn trong sản xuất biodiesel với Malaysia là nước dẫn đầu Nguồn nguyên liệu có khả năng để phát triển sản xuất biodiesel của các quốc gia này có 28% dầu nành, 22% dầu cọ, 20% mỡ động vật, 11% dầu dừa, và các loại dầu hạt cải, dầu hạt hướng dương và dầu oliu chỉ chiếm 5% [59] Tuy nhiên ngày nay biodiesel cần phải tốn nhiều chi phí để sản xuất, giá thành cao là một . các nguồn có khả năng tái sinh được, đặc biệt là dầu mỡ động thực vật là nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất ra biodiesel. Nhiên liệu biodiesel là một trong các loại nhiên liệu sinh học, có một. chất, nguồn cung ứng của ba loại nguyên liệu sử dụng trong sản xuất biodiesel: dầu thực vật, mỡ động vật, và dầu thải từ quá trình chiên rán. - Tìm hiểu về các phương pháp trong sản xuất biodiesel. vượt trội so với nhiên liệu diesel từ dầu mỏ như: - Được sản xuất từ nguồn nguyên liệu tái sinh là dầu mỡ động thực vật, đặc biệt tái sử dụng được nguồn dầu thải chiên rán từ quá trình nấu ăn