Tải bản đầy đủ - 34 (trang)
Chương 2: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Chương 2: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Tải bản đầy đủ - 34trang

Báo cáo thực tập tốt nghiệp



Trung tâm công nghệ lọc hóa dầu (RPTC)



lượng thế giới, đặc biệt là trong vấn đề sử dụng nguồn năng lượng sinh học,

năng lượng xanh,…

Việt Nam là một trong những nước sản xuất đường lớn trên thế giới, hàng

năm công nghiệp mía đường thải ra một lượng lớn bã mía. Đa số chúng chúng

được sủ dụng làm nguyên liệu đốt trong chính nhà máy. Các nguyên liệu phế

phẩm này hiện nay đang sử dụng không hiệu quả, đa số dùng để đốt hoặc thải bỏ

vì vậy sẽ gây ra sự ô nhiễm môi trường rất lớn.

Trong các loại nguyên liệu phế phụ phẩm thì bã mía có ưu điểm hơn so với

các loại nguyên liệu như trấu, rơm rạ,... là hàm lượng cellulose cao hơn và đây

là một trong những ưu điểm quan trong trong việc nghiên cứu nhiên liệu sinh

học từ các loại nguyên liệu này. Với nhu cầu phát triển nhiê liệu sinh học như

hiện nay, nghiên cứu sản xuất butanol từ nguyên liệu bã mía hiên nay vẫn là một

trong những hướng nghiên cứu tập trung với mục tiêu cải thiện hiệu suất chuyển

hoá, nâng cao nồng độ butanol và giảm chi phí thu hồi butanol.

2.2 Butanol và bã mía

2.2.1 Giới thiệu về butanol

Butanol là một alcohol có công thức phân tử C 4H9OH. Khối lượng phân tử

M = 74. Butanol là một chất lỏng rễ cháy, trong suốt không màu và có mùi đặc

biệt như mùi dầu chuối và có mùi công mạnh, khi tiếp xúc trực tiếp có thể gây

kích ứng mắt và da. Hơi của nó có khả năng gây mê khi hít ở nồng độ cao.

Butanol hầu như hòa tan trong các dung môi hữu cơ phổ biến, nhưng ít hòa tan

trong nước.



SVTH: Nguyễn Văn Sỹ



Trang 10



Báo cáo thực tập tốt nghiệp



Trung tâm công nghệ lọc hóa dầu (RPTC)



Bảng 2.1 Tính chất vật lí của butanol

Khối lượng phân tử



74,12 g.mol-1



Dạng tồn tại

Tỷ trọng

Nhiệt độ nóng chảy

Nhiệt độ sôi

Độ tan trong nước

Nhiệt độ đánh lửa

Nhiệt độ tự bốc cháy



Dung dịch lỏng màu vàng

0,810 – 0,812

-90oC

118oC

9ml/100ml

35-37 oC

343-345 oC



Một trong những ứng dụng ưu việt lớn của biobutanol là được sử dụng để

pha trộn vào xăng là nhiên liệu chính cho các động cơ. Butanol được đề xuất

như một như là một nguồn nhiên liệu thay thế nhiên liệu diesel và xăng. Khi so

sánh ethanol, butanol có nhiệt trị gấp 1,5 lần do tỉ lệ H trong phân tử cao hơn và

bằng 90% so với gasoline. Tuy nhiên độ nhới lại cao hơn ethanol và gasoline rất

nhiều. Bên cạnh đó chỉ số RON và MON cao và tiêu thụ oxy khi cháy thấp,

butanol còn dùng như một loại phụ gia pha xăng để tăng chỉ số octan, cải thiện

khả năng đốt cháy và sử dụng nhiên liệu.

Bên cạnh vai trò là nhiên liệu sinh học cho động cơ, butanol thực sự là một

hóa chất quan trọng được sử dụng lượng lớn trong ngành công nghiệp. Gần một

nửa sản lượng butanol được sản xuất trên Thế giới được sử dụng trong các

ngành công nghiệp sơn, keo dán, chất đàn hồi, công nghệ dệt may, sản xuất sợi,

nhựa, sản xuất kính an toàn, chất tẩy rửa.

Butanol cũng được sử dụng làm dung môi trong ngành công nghiệp mỹ

phẩm như nước hoa, các sản phẩm trang điểm, sơn móng tay, và được dùng cho

việc sản xuất các loại thuốc kháng sinh, vitamin và hoocmon.

Butanol có thể sản xuất bằng hai phương pháp. Phương pháp thứ nhất bằng

con đường tổng hợp hóa học, nguyên liệu đi từ propylene thu được từ nguồn dầu

mỏ, thực hiên trên xúc tác Rhodium. Phương pháp thứ hai, sản xuất butanol

bằng phương pháp lên men yếm khí từ các nguyên liệu biomass như tinh bột,

SVTH: Nguyễn Văn Sỹ



Trang 11



Báo cáo thực tập tốt nghiệp



Trung tâm công nghệ lọc hóa dầu (RPTC)



gỗ, rơm rạ, lá cây hay thậm chí những phụ phẩm nông nghiệp. Trong những năm

1950, khi ngành công nghiệp khai thác dầu mỏ phát triển mạnh mẽ, giá dầu mỏ

trở lên thấp hơn, phương pháp tổng hợp butanol từ dầu mỏ trở lên hiệu quả hơn

phương pháp lên men truyền thống. Nhưng trong quá trình hiên nay, trước sự

cạn kiệt của nguồn nguyên liệu hóa thạch và sự ô nhiễm môi trường, việc nghiên

cứu sản xuất butanol từ nguồn nguyên liệu biomass trở thành mục tiêu nghiên

cứu hàng đầu tại các nước trên thế giới.

2.2.2 Giới thiệu về bã mía

Mía là cây công nghiệp lấy đường quan trọng của ngành công nghiệp

đường. Trong thân mía chứa khoảng 80-90% nước dịch, trong dịch có chứa

khỏang 16-18% đường. Vào thời kì mía già, người ta thu hoạch mía rồi đem ép

láy nước dịch. Nước dịch mía được chế lọc và cô đặc thành đường. Phần nguyên

liệu còn lại sau khi chiết xuất đường được gọi là bã mía. Bã mía chiếm khoảng

25-30% khối lượng mía đem ép. Bã mía có thể làm nguyên liệu đốt lò, làm bột

giấy, ép thành ván dùng trong kiến trúc, hoặc cao hơn là làm ra Furfural là

nguyên liệu cho ngành sơi tổng hợp. Bã mía còn lại sau khi ép có thể đốt để sản

xuất nhiệt lẫn điện năng. Ngoài ra, với mục đích thân thiện với môi trường do

được làm từ phụ phẩm của nguyên liệu sản xuất đường,bã mía được sử dụng

trong sản xuất nhiên liệu sinh học: ethanol, butanol,... nhiều quốc gia trên thế

giới đã thử nghiêm thành công và đưa vào sản xuất ethanol từ bã mía. Tại Hoa

Kỳ, năm 2008, Verenium Corporation đã xây dựng một nhà máy sản xuất

1.400.000 lít ethanol mỗi năm từ bã mía ở Jennings, Louisiana.

Tuy nhiên ở Việt Nam, phần lớn bã mía sau khi được ép đường thường

được dùng làm thức ăn cho trâu bò hoặc phơi khô làm chất đốt đun nấu hàng

ngày, hoặc đem vứt bỏ, vừa bẩn vừa mất vệ sinh. Như vậy, nguồn nguyên liệu

phế phẩm này hiện nay đang sử dụng không hiệu quả và gây ra ô nhiễm môi

trường.



SVTH: Nguyễn Văn Sỹ



Trang 12



Báo cáo thực tập tốt nghiệp



Trung tâm công nghệ lọc hóa dầu (RPTC)



Cũng như thành phần của nhiều vật liệu thân gỗ, bã mía có thành phần chủ

yếu là cellulose. Với thành phần cellulose rất cao, bã mía có thể coi là một

nguyên liệu biomass tốt nhất để sản xuất nhiên liệu sinh học như ethanol,

butanol. Bên cạnh thành phần hóa, tính chất cách thành phần trong bã mía, cấu

trúc tế bào thực vật cũng quan trọng không kém trong việc nghiên cứu tiền xử lý

bã mía.

Bã mía là phần xơ còn lại của thân cây mía sau quá trình ép mía. Bã mía

gồm có sợi xơ, nước và một lượng tương đối nhỏ các chất hòa tan chủ

yếu là đường. Thành phần trung bình của bã mía bao gồm:

- Xơ 48%

- Độ ẩm 50%

- Chất hòa tan 2%



Thành phần xơ bao gồm:

-



Cellulose 45-55%

Hemicellulose 20-25%

Tro 1-4%

Sáp < 1%



2.3 Quá trình tiền xử lý

Quá trình tiền xử lý là công đoạn làm hoạt hóa bề mặt của cellulose giúp

cho các tác nhân như enzyme, acid có thể dễ dàng cắt đứt mạch cellulose trong

quá trình thủy phân hoặc thuận lợi cho quá trình lên men. Có nhiều phương pháp

tiền xử lý với nhiều mức độ hiệu quả khác nhau. Tuy nhiên, một quá trình tiền

xử lý hiệu quả phải đạt được những mục tiêu sau:

-



Tối ưu hóa hiệu suất thủy phân tạo ra cellulose.

Giảm tối thiểu sự phân hủy các cacbonhydrat.

Giảm thiểu sự tạo thành các tác nhân gây ức chế vi sinh vật.

Phải có tính kinh tế cao và không gây ô nhiêm môi trường.



2.3.1 Phương pháp tiền xử lý vật lý

Tiền xử lý bằng phương pháp xử lý vật lý tác động đến các tính năng về

cấu trúc vật lý của biomass, tức là làm giảm tinh thể, tăng kích thước lỗ và giảm



SVTH: Nguyễn Văn Sỹ



Trang 13



Báo cáo thực tập tốt nghiệp



Trung tâm công nghệ lọc hóa dầu (RPTC)



mức độ trùng hợp. Một trong những ưu điểm của tiền xử lý vật lý là nó tương

đối không ảnh hưởng đến các tính chất vật lý và hóa học của nguyên liệu

biomass.

Có các phương pháp tiền xử lý vật lý:

-



Nghiền cơ học

Chiếu xạ

Nhiệt phân



2.3.2 Phương pháp tiền xử lý hóa học

-



Tiền xử lý bằng ozon

Tiền xử lý bằng acid

Tiền xử lý bằng kiềm

Tiền xử lý bằng oxy hóa



2.3.3 Phương pháp tiền xử lý hóa lý

Nổ hơi là quá trình diễn ra khi sinh khối tiếp xúc với một chất thích hợp

(hơi nước, amoniac, CO2) ở nhiệt độ và áp suất cao trong một khoảng thời gian

nhất định, sau đó hạ áp đột ngột nhằm tác động về mặt cơ học và hóa học.

Phương pháp nổ hơi được nghiên cứu và áp dụng nhiều nhất là nổ hơi nước.

Các phương pháp nổ hơi nước:

-



Nổ hơi nước

Nổ hơi amoniac

Nổ hơi CO2



2.4 Quá trình thủy phân

Thủy phân biomass là một quá trình hóa học, trong đó một phân tử

cellulose bị chia cắt thành nhiều phân tử nhỏ bằng việc thêm các phân tử nước.

(C6H10O5)n + nH2O => nC6H12O6

Chủ yếu, quá trình thủy phân là để chuyển đổi cellusole thành đường được

thực hiện với các enzyme cellulolytic hoặc acid sulfuric nồng độ khác nhau.

Các phương pháp thủy phân:

-



Thủy phân bằng acid

Thủy phân bằng enzyme



SVTH: Nguyễn Văn Sỹ



Trang 14



Báo cáo thực tập tốt nghiệp



Trung tâm công nghệ lọc hóa dầu (RPTC)



2.5 Quá trình lên men

Trong sản xuất butanol sinh học, qua trình lên men là một quá trình quan

trọng, mà chủ yếu sử dụng vi sinh vật để lên men. Mà chủ yếu là sử dụng vi

khuẩn clotridium. Clotridium là một trong những giống vi khuẩn phổ biến. Một

số loài có tiềm năng lớn trong công nghệ sinh học như sản xuất nhiên liệu sinh

học. Butanol, ethanol được lên men bởi clotridium acetobutylicum thay thế xăng

dầu đồng thời giảm khí NO x, không sinh CO2 do đó không gây ô nhiễm môi

trường. Ngoài ra, chúng còn chứa các enzyme quan trọng và cũng được sử dụng

trong điều trị ung thư.

2.6 Chiết tách

Chiết tách sản phẩm butanol trong quá trình lên men là cần thiết để nâng

cao hiệu suất butanol. Việc chiết tách được thực hiện với nhiều phương pháp và

dựa trên nhiều nguyên lý khác nha. Lựa chọ một phương pháp tách butanol hợp

lý dưa trên nhiều yếu tố như tính đơn giản, tiêu hao năng lượng, hiệu quả tách

độ tinh khiết của sản phẩm.

Các phương pháp chiết tách butanol:

-



Phương pháp trích ly màng.

Phương pháp chưng cất.

Phương pháp thoát hơi nước qua màng (Pervapovation).

Phương pháp sục khí.



Chương 3: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP BUTANOL





Sơ đồ công nghệ

Nguyên liệu trước khi vào thiết bị phản ứng được cắt nhỏ nhờ dao cắt liệu.



tiến hành cấp hơi nước vào bình phản ứng nhờ bộ phận cấp hơi nước áp suất

cao. Khi cấp đủ hơi nước thì ngừng quá trình cấp hơi băng cách đóng van cấp

hơi nước, tiến hành lưu nguyên liệu và hơi nước vào trong bình phản ứng. Khi

thời gian lưu đã đủ thì mở van nổ hơi để tiến hành nổ hơi. Bã được ép và đưa ra



SVTH: Nguyễn Văn Sỹ



Trang 15



Báo cáo thực tập tốt nghiệp



Trung tâm công nghệ lọc hóa dầu (RPTC)



ngoài nhờ motor làm quay hệ thống ép trục vít, phần nước khi ép bã được thu

gom nhờ máng hứng nước thải.

Tiến hành mở nắp bộ phận thủy phân và cho bã nổ hơi vào, sau đó cho

enzyme vào rồi đổ dung dịch đệm vào. Lắp lại và tiến hành gia nhiệt bằng bộ

phận gia nhiệt kết hợp bật hệ thống cánh khuấy. Khi các thông số nhiệt độ và tốc

độ khuấy đã ổn định bắt đầu tính thời gian cho quá trình thủy phân khoảng 72

giờ.

Tiến hành cho dịch thủy phân và môi trường T6 vào thiết bị chính, sau đó

tạo môi trường kị khí. Sau khi cho hết nguyên liệu vào thiết bị chính, bật môtơ

khuấy để khuấy hỗn hợp cho đồng nhất khoảng 15 phút rồi dừng khuấy. Bật

thiết bị gia nhiệt để tiến hành nâng nhiệt độ của hỗn hợp trong thiết bị chính lên

đến nhiệt độ thích hợp. Khi đã đạt nhiệt độ thích hợp và các thông số hoạt động

đã ổn định, bắt đầu tính thời gian cho quá trình lên men.

Cho nước đá vào bể tách lỏng. Khởi động bơm chân không, hệ thống

ngưng tụ. Khởi động bơm nạp liệu ở chế độ hồi lưu 100% trở về bồn nhập liệu

(khồn bơm qua màng lọc). Khi các thông số đã ổn định thì mở van cho dung

dịch đi qua màng lọc, theo dõi ống thủy của bồn nạp liệu, quá trình kết thúc khi

lượng dung dịch còn lại khoảng 1 – 1,5 lít.

3.1 Nổ hơi

Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước là một quá trình tác động cơ học,

hóa học và nhiệt độ lên hỗn hợp nguyên liệu. Nguyên liệu bị phá vỡ cấu trúc

dưới tác dụng của nhiệt, hơi và áp lực do sự giãn nở của hơi ẩm và các phản ứng

thủy phân các liên kết glycosidic trong nguyên liệu.

Quá trình nổ hơi nước gồm hai giai đoạn:

Làm ẩm nguyên liệu

Nước được gua nhiệt và giữ ở áp suất cao trong thiết bị phản ứng. Dưới tác

-



dụng của nhiệt độ, hơi nước và áp suất, cấu trúc hemicellulose sẽ bị phá vỡ.

- Gảm áp đột ngột



SVTH: Nguyễn Văn Sỹ



Trang 16



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Chương 2: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Tải bản đầy đủ ngay(34 tr)

×