BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ SINH HỌC & KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Đề tài: SẢN XUẤT ETHANOL TỪ TINH BỘT VÀ CELLULOSE TỔNG TỔNG QUAN QUAN NGUYÊN NGUYÊN LIỆU LIỆU CÔNG CÔNG NGHỆ NGHỆ XỬ XỬ LÝ LÝ THÁCH THÁCH THỨC THỨC VÀ VÀ GIẢI GIẢI PHÁP PHÁP XU XU HƯỚNG HƯỚNG PHÁT PHÁT TRIỂN TRIỂN I TỔNG QUAN: Ethanol gì? CTPT: C2H5OH •.Chất lỏng khơng màu, dễ cháy, hòa tan nước tạo azeotrope •.Sử dụng hợp chất hóa học: ngành cơng nghiệp y học, thực phẩm •.Sử dụng sản xuất hợp chất hóa học cơng nghiệp: ethylene, ethyl acetate, axit axetic acetaldehyde •.Sử dụng nhiên liệu tinh khiết, pha trộn với xăng, dầu diesel Công thức cấu tạo ethanol Tình hình sản xuất sử dụng ethanol nhiên liệu giới • Cơng nghệ sản xuất ethanol: • Ethanol tổng hợp: phương pháp hóa học • Ethanol sinh học: lên men nguồn hydratcacbon có tự nhiên • Brazil: sản lượng tiêu thụ ethanol đạt 14-15 triệu tấn/năm, đứng đầu giới • Mỹ: Hình thành vành đai nơng nghiệp gồm nhiều ban chuyên sản xuất ngô, làm nguyên liệu cho 50 nhà máy sản xuất ethanol sinh học với sản lượng tiêu thụ 13 triệu tấn/năm Tình hình sản xuất khả sử dụng ethanol Việt Nam • Cơng nghệ sản xuất ethanol nhỏ lạc hậu • Chưa có nhà máy sản xuất ethanol từ nguồn nguyên liệu chứa celluolose • Hiện tại, VN xây dựng vài nhà máy sản xuất ethanol: Bình Phước, Dung Quất,… Nhà máy bio-ethanol Dung Quất II Nguyên liệu Nguyên liệu hệ • • • • Đường Mía Củ cải đường Tinh bột Nguyên liệu hệ thứ • • • • Gỗ Cỏ Tồn dư lâm nghiệp Vật liệu lignocellulosic Nhóm ngun liệu tinh bột • CâyBảng: giàuThành tinh bột: ngơ, lúa mì, khoai mì,… phần hóa học số ngun liệu chứa tinh bột Tính theo % trung bình • Tinh bột polymer phân tử glucose liên kết với liêt kết α-1,4-glycosidic • Sản xuất ethanol từ tinh bột cần bước xử lý bổ sung: xay xát hạt thủy phân polyme tinh bột cho đơn vị đường Nhóm nguyên liệu chứa lignocellulosic: Sản xuất ethanol sinh học: gỗ thực vật phụ phẩm nơng nghiệp, lâm •Một Lignin Hemicellulose: Cellulose số nguyên liệu: • • nghiệp,… Sinh khối lignocellulose bao gồm cấu trúc polymer cellulose, hemicellulose, lignin, cácthẳng hợp chất hữu cơ•khác (extractives) muối vơ•cơ Polymer phân nhánh Polymer mạch Polymer đơn vị Panicum virgatum L Cellulose thành phần hầu hết sinh khối lignocellulose • • • • Phalaris arundinacea L • Cuống ngơ • Mùn cưa • Rơm, trấu D-glucose, D-glucose đường - carbon liên kết với đường – carbon có vòng thơm • Keo kết dính sợi liên kết β-1-4 glucosid cellulose sinh khối Liên kết với nhờ lignocellulose liên kết hydro liên kết Van Der Waals III Công nghệ xử lý: QUY TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL CHUNG: Chuẩn bị nguyên liệu Sơ chế nguyên liệu Tiền xử lý nguyên liệu Thủy phân nguyên liệu Lên men Thanh lọc chưng cất Hình Sơ đồ bước sản xuất ethanol sinh học Cơng nghệ xử lí tạo ethanol từ tinh bột Sơ đồ sản xuất ethanol từ tinh bột Giai đoạn đường hóa dịch cháo: • • Là q trình thủy phân dịch cháo sau nấu xúc tác enzyme amylase tạo đường Các cơng đoạn đường hóa dịch cháo: Giai đoạn lên men dịch đường: Giai đoạn chưng cất lọc ethanol: • • • • Ethanol có thể tách cách chưng cất cơng nghệ chất lỏng siêu tới hạn Chưng cất trình tách rượu tạp chất dễ bay khỏi giấm chin để thu nhận ethanol thô Thanh lọc (tinh chế) ethanol trình tách tạp chất khỏi ethanol thô nâng cao nồng độ ethanol Quy trình: Cơng nghệ xử lí tạo ethanol từ ngun liệu cellulose Giai đoạn tiền xử lí: • Mục đích: làm tăng vùng vơ định hình cellulose, tăng kích thước lỗ xốp • cấu trúc sợi biomass phá vỡ bao bọc lignin hemicellulose cellulose Các phương pháp tiền xử lý: Giai đoạn thủy phân nguyên liệu: PT: (C6H10O5)n + nH2O enzyme⟶ • Thủy phân hóa học: n(C6H12O6) • Sử dụng nồng độ acid cao, ví dụ: q trình đặc Hydrochloride • Acid (CHAP) Sử dụng phương thức pha lỗng axít, ví dụ: thủy phân axít sulfuric lỗng nhiệt độ khoảng 200°C (CASH) Thủy phân enzyme: • Enzyme thủy phân enzyme cấu trúc cellulose, có thể sản xuất từ • nấm mốc, vi khuẩn sinh vật đơn bào; có khả thủy phân cellulose hemicellulose Ký hiệu EC3.2.1.4 Hình Tác dụng enzyme cellulose Giai đoạn lên men: Giống nấm men: Yêu cầu: hiệu suất lên men cao; chịu ethanol; chịu sản phẩm phụ trình thuỷ phân; lên men pH thấp, có thể tiêu thụ nhiều chất khác Hai chủng phổ biến: • • Hình Giống nấm men Pichia stiptis Saccharomyces cerevisiae Giai đoạn lên men: Lên men: Bản chất trình lên men q trình oxy hóa khử Q trình oxy hóa lại xảy thể sinh vật tác động hệ thống enzyme, người ta gọi q trình lên men q trình oxy hóa sinh học Các yếu tố ảnh hưởng đến qt lên men: • • • Nhiệt độ • pH • Nồng độ dịch lên men • Thời gian lên men • Hàm lượng giống nấm men Giai đoạn lọc chưng cất: Quy trình: Có thể sử dụng chất hữu lại cặn chưng cất để sản xuất khí sinh học Thủy phân lên men đồng thời • Định nghĩa: Tiến hành thủy phân lên men bước • Ưu điểm: • Glucose tạo thành tiêu thụ nấm men • Thiết bị ⟶ giảm chi phí • Giảm khả phát triển vi sinh vật, tạp chất IV Thách thức hướng giải • Chi phí mua sản xuất nguyên liệu phải giảm  làm tăng số lượng nguyên liệu pelletising đóng viên giảm chi phí vận chủn • Một số bước trình phải phát triển  tăng sản lượng sản phẩm giảm thời gian sản xuất • Tích hợp sản xuất ethanol sinh học với sản xuất nguồn khác • Quy mơ nhà máy phải tối ưu hóa cho nguyên liệu có thể sản xuất ethanol sinh học dung lượng cao với thời gian tốt để giảm chi phí sản xuất V Xu hướng phát triển • • Sản xuất dựa nguồn nguyên liệu phi lương thực, điển hình cellulose Tuy nhiên, cellulose có cấu trúc phức tạp bền vững  phân cắt cellulose thành đường đơn để lên men ethanol cần loại enzyme đắt tiền, quy trình sản xuất thường khó khăn  đẩy giá thành sản phẩm lên cao  cải thiện vấn đề Tài liệu tham khảo: [1] Mohammad J Taherzadeh - Keikhosro Karimi, “Biofuels”, Academic Press, 2011, chapter 12 [2] David M Mousdale, “Biotechnology, Chemistry, and Sustainable Development”, Taylor & Francis, 2008, chapter [3] KA Jacques - T.P Lyons - D.R Kelsall, “The Alcohol Textbook”, University Nottingham Press, Nottingham - Bath Press, Bath, England, 2003, chapter [4] Rafael Luque - Juan Campelo - James H Clark, “Handbook of biofuels production: processes and technologies”, Woodhead Publishing, 2011, chapter Website: [5] http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol [6] http://hoachatjsc.com/news/271/cong-nghe-san-xuat-con-ruou-etanol-tu-tinh-bot [7]http://diendancntpdhnt.wordpress.com/2012/11/06/tong-quan-ve-san-xuat-ethanol-sinh-hoc-tu-rom-ra/ [8]http://www.tuaf.edu.vn/khoacnsh/bai-viet/ky-thuat-moi-trong-viec-phan-giai-cellulose-lam-nguyen-lieu-san-xuat-nhien-lieu-sinh-hoc3372.html m Cả c v y ầ h t n n b ác n ắ l ý ú h c ! e h g ng ... liệu Lên men Thanh lọc chưng cất Hình Sơ đồ bước sản xuất ethanol sinh học Cơng nghệ xử lí tạo ethanol từ tinh bột Sơ đồ sản xuất ethanol từ tinh bột Chuẩn bị nguyên liệu: • • • Nghiền: nhằm phá... hình sản xuất khả sử dụng ethanol Việt Nam • Cơng nghệ sản xuất ethanol nhỏ lạc hậu • Chưa có nhà máy sản xuất ethanol từ nguồn nguyên liệu chứa celluolose • Hiện tại, VN xây dựng vài nhà máy sản. .. α-1,4-glycosidic • Sản xuất ethanol từ tinh bột cần bước xử lý bổ sung: xay xát hạt thủy phân polyme tinh bột cho đơn vị đường 2 Nhóm nguyên liệu chứa lignocellulosic: Sản xuất ethanol sinh học: