Xem mẫu
- ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM
~~~~~~~~~~~~~**&**~~~~~~~~~~~~~
Báo cáo tóm tắt đề tài:
“ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ LIÊN TỤC
XỬ LÝ RƠM RẠ BẰNG HƠI NƯỚC ĐỂ LÊN MEN ETHANOL”
PHẦN 1: “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG THIẾT BỊ
LÀM VIỆC LIÊN TỤC XỬ LÝ VÀ THỦY PHÂN RƠM RẠ THÀNH ĐƯỜNG
PHỤC VỤ QUÁ TRÌNH LÊN MEN ETHANOL”.
Mã số đề tài: B2007-20-05-TĐ
Chủ nhiệm đề tài:ThS. Hoàng Minh Nam
TP.Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 12 năm 2009
1
- 1. MỞ ĐẦU
1.1. Lý do nghiên cứu Ethanol từ rơm rạ
Nước ta là một nước nông nghiệp với sản lượng gạo hằng năm trên 35 tri ệu t ấn.
Đồng bằng Sông Hồng, khu vực Trung Du và Đ ồng bằng Sông C ửu Long là 3 khu v ực s ản
xuất lúa gạo chính của nước ta. Từ đó có thể thấy sản lượng r ơm rạ trên c ả n ước h ằng
năm là rất lớn và tập trung. Việc giá dầu mỏ tăng lên từng ngày cùng với tình tr ạng ô
nhiễm môi trường đang dần trở thành một thách thức lớn cho vi ệc sử dụng nhiên li ệu
trong tương lai. Nguồn rơm rạ của chúng ta dồi dào nhưng nh ững ứng d ụng l ại h ạn ch ế.
Phần lớn rơm rạ được để hoại mục tự nhiên hay đốt bỏ ngoài đồng. Sự lãng phí ngu ồn
năng lượng cùng với ô nhiễm môi trường do việc sử dụng rơm rạ không đúng cách nh ư
hiện nay đang dần trở thành mối quan tâm của nhiều nhà khoa học và quản lý.
Ethanol được đánh giá là nguồn cung cấp nhiên liệu tốt cho tương lai vì con người có
khả năng sản xuất với sản lượng lớn, không gây ô nhiễm môi tr ường và có th ể thay th ế
được cho xăng nhiên liệu. Ethanol làm nhiên liệu này hoàn toàn có thể sản su ất đ ược t ừ
nguồn cellulo như rơm rạ, trấu, bã mía,…. Theo đánh giá sơ bộ, lượng r ơm r ạ hằng năm,
nếu được chuyển thành ethanol, hoàn toàn có khả năng thay thế toàn bộ nhu c ầu xăng d ầu
cả nước hiện nay.
Mục tiêu của đề tài nhằm mục đích từng bước nghiên cứu các thông s ố k ỹ thu ật c ủa
quá trình sản xuất liên tục ethanol nhiên liệu từ rơm, trong đó giai đo ạn th ứ nh ất là x ử lý
và thuỷ phân rơm thanh dung dịch đường có khả năng lên men ethanol.
1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Những nghiên cứu trong đề tài này nhằm hướng đến thực hiện các quá trình xử lý r ơm
rạ liên tục với quy mô trong phòng thí nghiệm. Mục tiêu h ướng t ới là xây d ựng nh ững c ơ
sở dữ liệu và thiết bị cho quy trình hoàn chỉnh sản xuất liên tục ethanol nhiên li ệu t ừ r ơm
rạ sau này.
Nhiệm vụ cụ thể của đề tài bao gồm các nội dung cơ bản sau:
1. Thiết kế, chế tạo thiết bị liên tục xử lý rơm rạ
2. Khảo sát quá trình xử lý rơm rạ trên thiết bị liên tục đã chế tạo b ằng h ơi n ước áp
suất cao có giảm áp đột biến.
3. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nổ hơi liên tục đến hiệu suất th ủy phân r ơm
rạ bằng enzyme cellulase trên cơ sở cải thiện những nghiên c ứu tr ước theo h ướng
liên tục hóa quá trình thực hiện.
2
- 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.3. Bioethanol
1.3.1. Các sản phẩm từ Ethanol
Ethanol được sử dụng làm nhiên liệu do đốt cháy ethanol cho nhi ệt l ượng t ương đ ối
cao mà không sản sinh ra các chất độc hại. Ethanol là hợp ch ất h ữu c ơ hòa tan t ốt trong
nước và có khả năng hòa tan tốt một số hợp chất hữu cơ nên đ ược dùng làm dung môi hòa
tan, trích li trong các các sản phẩm như sơn, bút màu, rượu thuốc… Ethanol có khả năng ức
chế vi sinh vật nên được dùng làm chất kháng khuẩn. Dung d ịch ethanol 70%, 90% - c ồn
70˚, cồn 90˚- được dùng trong y học để sát trùng các vết thương, vệ sinh dụng cụ…
Các dẫn xuất của ethanol cũng có rất nhiều ứng dụng. Ethyl acrylate được sử dụng
trong sản xuất polyme acrylate có công dụng làm chất kết dính hay các v ật li ệu che ph ủ.
Ethyl axetate là dung môi phổ biến sử dụng trong sơn, các vật li ệu che ph ủ và trong công
nghiệp dược phẩm. Một số ethyl ester khác được sử dụng trong công nghi ệp như là các
chất tạo mùi . Các ethylamin được sử dụng trong việc tổng hợp các dược phẩm, hóa chất
nông nghiệp và các chất hoạt động bề mặt.
1.3.2. Tình hình sản xuất ethanol từ biomass trên thế giới
Cho đến nay, trên thế giới việc sản xuất ethanol từ biomass nói chung và từ rơm rạ nói
riêng vẫn chưa được thực hiện với quy mô công nghiệp m ặc dù đã được nghiên c ứu t ừ
những năm 1950. Lý do lớn nhất của vấn đề này là hiệu quả kinh tế mang l ại c ủa vi ệc
sản suất nhiên liệu ethanol so với nhiên li ệu truyền thống nh ư xăng d ầu. Tr ước tình hình
giá cả nhiên liệu tăng cao như hiện nay và ô nhiễm môi trường ngày càng tr ầm tr ọng, đặc
biệt là ô nhiễm không khí ở những khu đô thị lớn do khí thải ô tô gây ra, vi ệc s ản xu ất
ethanol từ biomass lại được chú ý và tiếp tục nghiên cứu hoàn thi ện trên th ế gi ới. Ở các
nước có nguồn biomass phụ phẩm nông nghiệp dồi dào như Canada và M ỹ, Nh ật nh ững
dự án sản xuất ethanol từ rơm rạ với quy mô bán công nghi ệp (vài ch ục t ấn m ột ngày)
đang dần được nghiên cứu và triển khai. Các n ước bắc Âu như Hà Lan, Th ụy Đi ển cũng
đang có các dự án xây dựng nhà máy sản suất và tinh chế ethanol dùng cho đ ộng c ơ. Trong
khi đó đối với những nước đang trên đà phát tri ển và có ngu ồn r ơm r ạ d ồi dào nh ư Vi ệt
Nam thì việc sản xuất này cũng đang dần được quan tâm. Ở Vi ệt Nam, đã có m ột vài
nghiên cứu ban đầu về việc sản suất ethanol từ biomass nói chung và r ơm r ạ nói riêng c ủa
trường ĐH Bách Khoa TpHCM. Hằng năm, ethanol cũng được sản suất trong nước với sản
lượng khoảng 25 triệu lít mỗi năm. Trong đó chủ yếu là làm t ừ m ật r ỉ, ngô, g ạo và khoai
mì, chủ yếu phục vụ cho các ngành công nghiệp thực phẩm và hóa chất. Tuy nhiên, tình
hình lương thực đang ngày càng khan hiếm. Với dân số tăng cao và qu ỹ đ ất dành cho s ản
xuất nông nghiệp ngày càng bị thu hẹp thì việc sản xuất c ồn từ các nguyên li ệu truy ền
thống trên rất khó được mở rộng để đáp ứng cho nhu cầu nhiên li ệu ngày m ột tăng cao
như hiện nay. Ngày nay sự lệ thuộc vào dầu mỏ của con người ngày càng cao dẫn đến tình
trạng suy thoái kinh tế khi xảy ra khủng hoảng dầu mỏ. Chính vì th ế nên ngày càng nhi ều
những dự án nghiên cứu và triển khai sử dụng năng lượng địa ph ương để thay th ế d ần
dầu mỏ. Trong tình hình đó ethanol là một giải pháp được đánh giá cao cho kh ả năng thay
thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai. Tiềm năng lớn và thân thi ện v ới môi tr ường là 2
ưu điểm lớn của loại nhiên liệu này.
1.3.3. Tình hình phát triển và ứng dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới
Hiện nay trên thế giới có 50 nước có chương trình nghiên c ứu và s ử d ụng nhiên li ệu
sinh học. Các nước APEC đã chọn nhiên liệu sinh h ọc thay th ế cho nhiên li ệu hóa th ạch.
Theo dự báo của các chuyên gia, đến năm 2025, thế gi ới sẽ sử d ụng 12% nhiên li ệu sinh
học trong toàn bộ nhu cầu năng lượng; đến năm 2020, EU sẽ sử dụng 20% nhiên li ệu sinh
học.
2
2. Tổng quan tài liệu
- Trong chương trình nghị sự của diễn đàn hợp tác Đông Á - Mỹ Latinh (FEALAC) cũng
đã bàn đến các nội dung liên quan đến sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh h ọc, gồm:
nguyên liệu cho sản xuất biodiesel; công nghiệp sản xuất biodiesel; sản xu ất ôtô sử d ụng
nguyên liệu thay thế; cơ chế chính hỗ trợ; các chương trình nghiên cứu và phát triển. Nhiên
liệu sinh học (biofuel) là những nhiên liệu có nguồn gốc từ biomass như c ủi, g ỗ, r ơm,
trấu... nhưng đây chỉ là những dạng nhiên li ệu thô. Nhiên li ệu sinh h ọc cho giao thông v ận
tải chủ yếu gồm: các loại cồn sản xuất bằng công ngh ệ sinh h ọc đ ể s ản xu ất ra gasohol
(methanol, ethanol, buthanol, nhiên liệu tổng hợp); các lo ại dầu sinh h ọc đ ể s ản xu ất
biodiesel (dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, m ỡ động vật). Năm 2005, n ước Đ ức đã
sản xuất được 1,7 triệu tấn biodiesel từ hạt dầu cải làm nhiên li ệu cho ô tô. Hi ện nay,
diện tích trồng dầu hạt cải ở Đức là 1,2 triệu ha, chiếm 10% đất trồng tr ọt ở n ước này và
các chuyên gia cho rằng khó có thể mở rộng diện tích trồng dầu h ạt c ải h ơn n ữa. Đ ức ch ỉ
có thể sản xuất nhiều nhất 2 triệu tấn dầu hạt cải, trong khi nhu c ầu m ỗi năm lên t ới 130
triệu tấn.
Tuy nhiên, Biodiesel cũng chỉ có thể sử dụng ở một mức độ nhất định đ ối v ới m ột số
loại động cơ diesel đời mới. Đây là lý do tập đoàn Shell quan tâm nhi ều h ơn đ ến vi ệc phát
triển nhiên liệu sinh học thế hệ hai. Để sản xuất nhiên li ệu này, người ta sử d ụng c ả các
bộ phận của cây trong quá trình sản xuất nông nghiệp, nhiều khi những b ộ ph ận này là
chất thải như rơm rạ, thân cây ngô, hướng dương...
Rượu là một loại nhiên liệu sinh học mà con người đã sản xu ất t ừ hàng nghìn năm
nay. Những năm 30 của thế kỷ trước, ở Mỹ người ta cũng đã có ý đ ịnh dùng r ượu làm
nhiên liệu ô tô. Tuy nhiên, những người tán dương sáng ki ến này không th ể th ắng th ế b ởi
lẽ khi đó người ta đã phát hiện được nhiều mỏ dầu lớn đặc biệt ở vùng Trung Đông.
Nguồn dầu mỏ dồi dào và giá rẻ lúc đó khiến các quốc gia công nghiệp phương Tây chấp
nhận lệ thuộc vào việc nhập khẩu loại nhiên liệu này.
Brazil là quốc gia duy nhất đi theo con đường riêng của mình và sử dụng c ồn làm
nhiên liệu cho các loại ô tô. Khoảng 40% nhu cầu nhiên li ệu c ủa nước này đ ược đáp ứng
bằng bioethanol, một dạng cồn được điều chế từ đường mía. Trong khi đó ở Châu Âu và
Bắc Mỹ người ta điều chế ethanol chủ yếu từ cây trồng. Chính ph ủ Mỹ cũng coi
bioethanol là một loại nhiên liệu của tương lai.
Một loạt công nghệ mới, đang trong quá trình phát tri ển, hứa h ẹn nhi ều tri ển v ọng, đó
là “sundiesel”. Trong năm tới, một hệ thống sản xuất “sundiesel” sẽ đi vào ho ạt đ ộng v ới
năng suất 15.000 tấn/năm. Sundiesel hoàn toàn không độc hại và không có chất aromat.
Cho đến nay, người ta có xu hướng sử dụng biogas để sản xu ất đi ện. Khí biogas r ất
thích hợp để sử dụng đối với các lo ại ô tô chạy b ằng khói nén. Tuy nhiên, vi ệc này cho
đến nay tiến triển rất chậm vì phải thực hiện một số thay đ ổi ở đ ộng c ơ ô tô và ph ải có
cơ sở hạ tầng cần thiết (trạm tiếp). Theo nhiều chuyên gia thì chỉ có những loại nhiên li ệu
phối trộn có nhiều triển vọng để áp dụng rộng rãi. Ethanol và sundiesel đáp ứng đ ược yêu
cầu này.
1.3.4. Liên doanh sản xuất bioethanol: “đột phá” cho sự ra đời nguồn năng lượng sinh
học
Sau khi nghiên cứu kỹ thị trường nhiên liệu nước ta, tập đoàn Itochu (Nhật Bản) v ừa
chính thức ký thỏa thuận hợp tác liên doanh với Petrosetco (thành viên c ủa T ập đoàn d ầu
khí VN) xây dựng nhà máy sản xuất ethanol tại n ước ta với công su ất 100 tri ệu lít/năm t ừ
nguồn nguyên liệu sắn lát. Dự kiến, việc xây dựng nhà máy sẽ được hoàn tất trong quý
I/2009.
Toàn bộ sản phẩm của nhà máy là ethanol 99,8% sẽ được cung ứng cho th ị tr ường n ội
địa để pha vào xăng phục vụ công nghiệp và giao thông - vận tải. “Đây ch ỉ là b ước kh ởi
đầu cho quá trình triển khai đầu tư dài hạn của Itochu tại VN sắp tới”, ông Toshio
Shigemi – Phó Chủ tịch điều hành Tập đoàn Itochu cho bi ết. Trong 6 tháng t ới, chi ti ết v ốn
3
2. Tổng quan tài liệu
- đầu tư sẽ chính thức được công bố. Vấn đề tận dụng phụ phẩm như thế nào để nâng cao
hiệu quả đầu tư cũng là điều đang được hai bên tính toán c ụ thể và chi ti ết, b ởi hai ph ụ
phẩm của Dự án này là khí CO2 và hèm - nguyên liệu rất tốt cho ngành sản xuất bia, rượu
và thức ăn gia súc với hàm lượng protein rất cao..
Sự ra đời của liên doanh sản xuất ethanol sẽ là một trong những b ước đi mang tính
“đột phá”, đáp ứng nhu cầu về nhiên liệu ngày càng tăng (tỷ lệ pha ethanol vào xăng cho
phép là 10%). Theo ông Đỗ Hữu Hào, Thứ trưởng Bộ Công nghi ệp, hiện Chính ph ủ đã
giao Bộ Công nghiệp nghiên cứu và soạn thảo những quy đ ịnh và chính sách ưu đãi đ ầu t ư
cho lĩnh vực này. Vẫn theo Thứ trưởng Hào, các nước Châu Á như Trung Quốc, Thái Lan,
Philippines cũng đang đẩy nhanh việc sản xuất ethanol sinh h ọc v ới m ục đích thay th ế m ột
phần nguồn năng lượng hóa thạch, đồng thời giảm thi ểu đ ến m ức t ối đa tình tr ạng ô
nhiễm môi trường do các hoạt động công nghiệp và vận tải gây ra. Chính ph ủ ta r ất quan
tâm đến vấn đề này và đang khuyến khích các doanh nghiệp đầu tư vào lĩnh v ực sản xu ất
ethanol.
2.1.5. Triển vọng bioethanol trong tương lai
Trên thế giới, công nghiệp ethanol nhiên liệu đạt sản lượng trên 6,2 t ỷ lít vào năm
2000. Hầu hết ethanol được sản xuất từ bắp. Một lượng lớn các chất thải nông nghi ệp t ừ
lignocellulosic hiện tại được đem đốt hoặc bỏ đi. Việc tận dụng các nguyên li ệu
lignocellulosic có thể thay thế gần như 40% gasoline trên thị trường. S ử dụng nguyên li ệu
lignocellulosic như cỏ, rơm rạ, bã mía có thể giảm đáng k ể chi phí v ề nguyên li ệu khi so
sánh với nguồn nguyên liệu là bắp.
Người ta dự đoán rằng sử dụng kĩ thuật gen trên nguyên li ệu với hàm lượng
carbohydrate cao hơn kết hợp với cải tiến công nghệ sẽ gi ảm được giá ethanol kho ảng
0,11 dollar/lit trong 10 năm tới. Giảm chi phí sản xuất cellulase là chìa khóa công ngh ệ
trong quá trình thủy phân bằng enzyme. Kĩ thuật gen đã đ ược s ử d ụng đ ể t ạo dòng các
trình tự mã hóa vào trong vi khuẩn, nấm men, nấm sợi và thực vật nh ằm tạo ra nh ững h ệ
thống sản xuất cellulase với hoạt tính cao.
Wood và các cộng sự đã báo cáo về việc biểu hiện gen tái tổ hợp endoglucanase t ừ
Erwinia chrysanthemi P86021 vào Escherichia coli KO11 và hệ thống tái tổ hợp này đã sản
xuất 3.200 IU endoglucanase/lit canh trường lỏng lên men (IU, international unit, đ ược xác
định như là 1 μl đường khử được tạo ra trong 1 phút khi sử dụng carboxymethyl cellulose
làm cơ chất). Endoglucanase E1 chịu nhiệt từ Acidothermus cellulolyticus được biểu hiện ở
Arabidopsis thaliana ở lá. Người ta cũng có thể sử dụng quá trình lên men xylose thành
ethanol. Chủng tái tổ hợp E. coli với các gen từ Zymomonas mobilis để chuyển hóa
pyruvate thành ethanol cũng đã được nghiên cứu bởi Dien và các c ộng s ự. Các plasmid tái
tổ hợp với các gen tổng hợp xylose reductase và xylitol dehydrogenase t ừ Pichia stipitis và
gen xylulokinase từ Saccharomyces cerevisiae đều được chuyển vào Saccharomyce spp. cho
quá trình lên men đồng thời xylose và glucose .
Mặc dù việc sản xuất bioethanol được cải tiến bởi nhiều công nghệ m ới, nhưng v ẫn
có nhiều thử thách cần phải vượt qua. Những thử thách đó bao gồm việc gi ữ ổn đ ịnh các
chủng nấm men đã được biến đổi gen khi lên men ở quy mô công nghi ệp, nâng cao hi ệu
quả tiền xử lý nguyên liệu lignocellulosic, và tính kinh tế của hệ thống sản xuất ethanol.
4
2. Tổng quan tài liệu
- 1.4. Biomass – Rơm rạ
Hình 2.1: Rơm rạ và các phần trên cây lúa Hình 2.2: Rơm rạ sau thu hoạch
Rơm rạ là thành phần còn lại của cây lúa sau khi thu ho ạch lấy h ạt lúa. Ngo ại tr ừ
phần hạt và rễ thì tất cả các phần khác của cây lúa đều được coi là rơm rạ. Nước ta có khí
hậu nhiệt đới gió mùa. Cùng với quỹ đất rộng và nền nông nghi ệp phát tri ển lâu đ ời, Vi ệt
nam đã trở thành một nước xuất khẩu gạo nhiều nhất thế gi ới. Theo th ống kê năm 2003,
cả nước có 33 triệu hecta đất trong đó 9,67 tri ệu hecta đất canh tác cùng 9,7 tri ệu hecta
đồng cỏ (FAQ, 2003) [1]. Tổng sản lượng hoa màu và thực phẩm cả n ước năm 2003 đạt
35 triệu tấn. Số liệu cụ thể được trình bày theo bảng 1.
Sản lượng lương thực và hoa màu cao đồng nghĩa với vi ệc n ước ta có m ột ngu ồn ph ụ
phẩm nông nghiệp rất dồi dào. Trung bình, để tạo ra 1 tấn gạo đã th ải ra kho ảng1,2 t ấn
rơm rạ. Sản lượng lúa gạo năm 2007 toàn quốc đạt 36 triệu tấn [2]. Như vậy, lượng r ơm
rạ thải ra hằng năm vào khoảng 43 triệu tấn. Số li ệu thống kê h ằng năm đ ược trình bày
theo bảng 1.
Cho đến nay, phần lớn rơm rạ thường được để mục hoại ngoài đồng hay đốt tại chỗ
để trả lại khoáng chất cho đồng ruộng. Phần còn lại được đem v ề làm th ức ăn gia súc hay
trồng nấm và làm chất đốt phục vụ nhu cầu đun nấu trong gia đình. N ếu có th ể s ản xu ất
được ethanol từ rơm rạ sẽ có thể sử dụng có ích nguồn năng lượng từ rơm mà v ẫn tr ả lại
được nguồn khoáng chất cho cây trồng.
Bảng 1: Sản lượng nông nghiệp nước ta năm 2003 (FAO 2004)
5
2. Tổng quan tài liệu
- Hình 2.3: Sản lượng lúa gạo cả nước từ 1997- 2007
1.5. Công nghệ sản xuất Bioethanol từ Biomass
1.5.1. Một số qui trình sản xuất Ethanol từ Biomass thực tế
Các quá trình xử lí nguyên liệu thành cellulose, hemicellulose và lignin ti ến hành trên
cơ sở tương tác vật lí, hóa học, sinh học. Sau đó tiếp tục các quá trình chuyển hóa thu s ản
phẩm.
Nguyên
liệu
Chuẩn
bị
Tiền xử lí
Nấm men
Thủy phân
Nhân giống
Lên men
Chưng cất
Ethanol
Hình 2.4: Qui trình công nghệ sản xuất Bioethanol từ Biomass
6
2. Tổng quan tài liệu
- Hình 2.5: Các qui trình sản xuất đi từ lignocellulosic
Hình 2.6: Qui trình sản xuất đi từ nguyên liệu biomass
1.5.2. Giai đoạn tiền xử lý
Khác với nguyên liệu tinh bột, sản xuất ethanol từ nguồn rơm rạ phải qua giai đo ạn
tiền xử lí trước khi tiến hành thủy phân thành đường. Nguyên nhân là do cellulose khó thủy
phân hơn tinh bột. Tinh bột chứa amylopectin có c ấu trúc phân nhánh nên d ễ dàng ti ếp xúc
với dung môi. Trong khi cellulose tinh thể tạo c ấu trúc th ẳng, kho ảng cách gi ữa các phân
tử thấp nên dung môi tiếp xúc với các phân tử cellulose khó khăn h ơn. Bên c ạnh đó, vi ệc
thủy phân liên kết α - 1,4 – glycosidic trong tinh b ột d ễ dàng h ơn liên k ết β- 1,4- glycosidic
trong cấu trúc của cellulose.
Rơm rạ phải được tiền xử lí trước khi lên men. Quá trình tiền xử lí để nâng cao hi ệu
quả quá trình thủy phân cần phải thoả mãn những tiêu chuẩn sau:
7
2. Tổng quan tài liệu
- • Tạo ra lượng đường có khả năng lên men cao nhất.
• Hạn chế sự phân hủy các carbohydrate.
• Giảm sự hình thành những chất ức chế vi sinh vật.
• Linh hoạt, và phải có hiệu quả kinh tế cao.
Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước
2.3.2.1.
Năm 1980, quá trình tiền xử lí biomass bằng phương pháp n ổ bằng áp lực h ơi n ước
được chính thức giới thiệu, ngay sau đó công ty Iotech Corporation đã ti ến hành các thí
nghiệm đầu tiên để tìm hiểu ảnh hưởng của phương pháp này đến hàm lượng glucose và
xylose thu được trong dịch thủy phân cellulose. Theo Iotech, đi ều ki ện xử lí tối ưu c ủa
holocellulose (xylose + glucose) là áp suất 500-550 psi, thời gian 40 giây.
Cơ chế
2.3.2.2.
Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước là một quá trình tác đ ộng c ơ h ọc, hóa h ọc và
nhiệt độ lên hỗn hợp nguyên liệu. Nguyên liệu bị phá vỡ cấu trúc dưới tác dụng c ủa nhiệt,
hơi và áp lực do sự giãn nở của hơi ẩm và các phản ứng thủy phân các liên k ết glycosidic
trong nguyên liệu.
Quá trình nổ hơi nước gồm các giai đoạn sau:
a) Làm ẩm nguyên liệu
b) Giảm áp đột ngột
Các yếu tố ảnh hưởng
2.3.2.3.
Quá trình nổ bằng áp lực hơi nước chịu ảnh hưởng lớn bởi 2 yếu tố: nhi ệt đ ộ và th ời
gian.
• Thời gian lưu: thời gian lưu ảnh hưởng đến sự thủy phân của hemicellulose. Thời
gian lưu của nguyên liệu trong thiết bị phản ứng càng dài thì hemicellulose đ ược
thủy phân càng nhiều. Nhưng nếu giữ nguyên liệu ở trong thiết bị quá lâu sẽ d ẫn
đến sự phân hủy các sản phẩm thủy phân tạo ra các sản ph ẩm không c ần thi ết.
Việc thủy phân hemicellulose giúp cho quá trình thủy phân cellulose diễn ra thuận
lợi hơn.
• Nhiệt độ: nhiệt độ có mối quan hệ chặt chẽ với áp suất trong thiết bị. Nhi ệt độ
càng cao thì áp suất càng cao và ngược lại. Sự gia tăng áp su ất làm tăng s ự chênh
lệch giữa áp suất trong thiết bị và áp suất khí quyển. Từ đó ảnh h ưởng đ ến l ực c ắt
của ẩm khí hóa hơi.
Thiết bị
2.3.2.4.
Hiện nay, StakeTech là một trong những thiết bị sử dụng trong quá trình ti ền x ử lí khá
hiệu quả. StakeTech là thiết bị áp suất làm bằng thép không gỉ, đặt n ằm ngang có th ể ch ịu
được áp suất đến 450 psig. Nguyên liệu được nạp vào liên tục ngược dòng b ằng m ột vít
tải để cân bằng với áp lực bên trong thiết bị. Nguyên liệu di chuyển dần về phía c ửa tháo
liệu. Thời gian lưu của nguyên liệu được điều khiển theo lập trình. Sau đó, dưới tác d ụng
của lực nén ép, nguyên liệu được đẩy ra ngoài qua van tháo liệu. Van hình cầu, có thể quay
và mở đều đặn theo từng khoảng thời gian đặt trước theo tốc đ ộ sản xu ất. Tùy vào đi ều
kiện sản xuất mà van có thể định kì mở mỗi 2 – 8 giây. Do đó c ần phải chu ẩn b ị ống dẫn
biomass đã xử lí sang quá trình kế tiếp. Thiết bị phản ứng StakeTech đang đ ược s ử d ụng ở
các trường đại học và là một mặt hàng có giá trị thương phẩm cao.
Quá trình tiền xử lí có thể được thực hiện bằng hệ thống thiết bị phản ứng liên tục 2
cấp. Thiết bị được thiết kế dựa trên một trục vít n ằm ngang và m ột tr ục vít đ ặt th ẳng
đứng. Trục vít thứ nhất dòng hơi nước được dẫn vào ở 170-185ºC. Tr ục vít th ứ hai s ử
dụng dòng acid loãng < 0.1 % ( tính theo khối lượng) ở 205-225 ºC .
2.3.3. Giai đoạn thủy phân
2.3.3.1. Thủy phân bằng acid
8
2. Tổng quan tài liệu
- Quá trình thủy phân acid ban đầu chỉ phá vỡ c ấu trúc cellulose ở m ột m ức đ ộ nh ất
định. Quá trình thủy phân diễn ra theo các bước sau:
Bước 1: Acid xâm nhập vào mạng lưới các vi sợi của biomass
Bước 2: Xúc tác quá trình thủy phân
Bước 3: Giới hạn tốc độ quá trình thủy phân.
2.3.3.2. Các phương pháp xử lí bằng acid
Thủy phân nguyên liệu biomass bằng acid gồm có 2 phương pháp:
a) Thủy phân bằng acid đặc:
Phương pháp thủy phân bằng acid đặc gồm các giai đoạn sau:
- Tiền thủy phân để loại hemicellulose
- Thủy phân cellulose
- Thủy phân oligosaccharide thành glucose
b) Thủy phân bằng acid loãng:
Quá trình thủy phân bằng acid loãng là quá trình xử lí hóa nhi ệt đ ể th ủy phân cellulose
và hemicellulose ở nhiệt độ cao. Các acid được sử dụng như acid sulfuride, hydrochloric
hoặc acid nitric. Tiến hành thủy phân với nồng độ acid từ 0.5-1.5% ở nhiệt độ 160ºC. Đây
là phương pháp được sử dụng phổ biến trong thực tế do lượng đ ường thu đ ược cao t ừ 75-
90% (Wooley và các cộng sự, 1999, Sun and Cheng, 2002).
c) Qui trình thủy phân biomass 2 giai đoạn
Qui trình thủy phân biomass 2 giai đoạn là qui trình có nhi ều tri ển vọng và có tính
thương mại cao. Đó là do:
• Qui trình này sẽ mau chóng được đưa vào các hoạt động thương mại dựa trên cơ sở
phương pháp sử dụng acid loãng.
• Quá trình phân tách hỗn hợp thủy phân hemicellulose và cellulose thu được sản
lượng và độ tinh khiết sản phẩm cao. Vì các dịch thủy phân được tách ra trong m ỗi
giai đoạn.
• Năng lượng tiêu hao cho toàn bộ quá trình thấp.
Quá trình xử lí được thực hiện qua 2 giai đoạn như sau:
hơi
nước hơi nước
acid
biomass lignin
acid bã
rửa
Giai đoạn đường hóa
Giai đoạn tiền thủy phân
dịch thủy phân
dịch thủy phân
2.3.3.3. Thiết bị
Quá trình thủy phân biomass có thể thực hiện trong các bình ph ản ứng. Ph ương pháp
ngâm chiết có thể thực hiện bằng cách cho dòng acid th ấm xuyên qua các c ột nh ồi nhi ều
lớp. Đây là thiết bị khá thích hợp cho phương pháp thủy phân theo m ẻ. Ưu đi ểm thứ nhất
là loại đường ngay khi nó được tạo thành. Thiết bị này ít tạo thành các sản phẩm phân h ủy
đường và các chất ức chế quá trình lên men, tạo ra lượng đường lớn. Điểm th ứ 2, thi ết b ị
có thể hoạt động với tỉ lệ rắn/ lỏng khá cao.
Năm 1997 Torget và các cộng sự phát minh ra thi ết bị phản ứng BSFT. Đây là thi ết b ị
chảy qua lớp co. Thiết kế nhằm giữ độ chặt của lớp không đổi. Dòng acid đ ược đ ưa qua
thiết bị và đi qua các lớp với vận tốc bé. Thời gian lưu của nguyên li ệu trong thi ết b ị ngắn
hơn so với phương pháp ngâm chiết. Thiết bị cho năng suất cao. Sản phẩm thu đ ược có
hàm lượng chất phân hủy thấp
9
2. Tổng quan tài liệu
- 2.3.3.4. Thủy phân bằng enzyme
Để thủy phân cấu trúc cellulose nhất là cellulose tinh thể cần có sự tham gia của nhi ều
enzyme (Schwarz, 2001). Cellulase là một hệ enzyme khá phức tạp.
Cellulase bao gồm 3 hợp phần cơ bản như sau: endoglucanase, exoglucanase
(cellobiohydrolase) và β-glucosidase (cellobiase).
Cellulase chỉ được tổng hợp khi tế bào sinh vật phát tri ển với sự có mặt c ủa cellulose,
cellobiose, lactose, sophorose hoặc các glucan khác có chứa liên k ết β–1,4–glycosidic
(Gratzali và Brown, 1979). Các sản phẩm cuối của quá trình thủy phân ức chế tác dụng của
cellulase. Do đó trong quá trình thủy phân phải liên tục tách các sản ph ẩm này ra kh ỏi d ịch
thủy phân.
Trung tâm hoạt động của enzyme cellulase chứa các gốc amino acid đặc hi ệu. Trong
khi đó cellulose chứa các liên kết glycosidic. B ộ electron σ đóng vai trò phân c ực liên k ết.
Hiệu ứng cảm ứng của nguyên tử oxy trung tâm gây ra m ột sự tập trung tích đi ện trên
nguyên tử oxy làm cho nguyên tử oxy tích điện âm. Còn các nguyên tử cacbon k ết h ợp v ới
nó bị khuyết electron nên sẽ tích điện dương. Sự khuyết electron trong liên kết b ị th ủy
phân là yếu tố quan trọng quyết định khả năng thủy phân. Tác d ụng xúc tác c ủa enzyme do
sự phân bố electron quyết định.
2.3.3.5. Cơ chế quá trình thủy phân biomass
Quá trình thủy phân tiến hành ở nhiệt độ 70ºC trong 1,5 ngày. Sản phẩm thu đ ược có
lượng glucose bằng 75-95% số gốc glucose có trong nguyên liệu.
Hiện nay, cơ chế thủy phân của hệ enzyme cellulase được chấp nhận di ễn ra theo các
bước sau:
• Endoglucanase thủy phân liên kết β-1,4-glycosidic trong vùng vô đ ịnh hình t ạo ra
nhiều đầu không khử.
• Sau đó exoglucanase cắt các đơn vị cellobiose từ đầu không khử.
• β-glucosidase tiếp tục thủy phân cellobiose tạo ra glucose.
Hình 2.7: Quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme cellulase.
Sự phối hợp hoạt động của các enzyme rất cần thiết cho quá trình t ối ưu hóa quá trình
thủy phân. Tồn tại mối tương quan tuyến tính giữa khả năng kết tinh và tốc độ thủy phân
(Fan và cộng sự ). Khả năng kết tinh càng cao thì tốc độ th ủy phân càng ch ậm. Vùng vô
định hình có tốc độ thủy phân gấp 2 lần vùng kết tinh.
10
2. Tổng quan tài liệu
- Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ quá trình thủy phân
Tốc độ quá trình thủy phân cellulose bằng cellulase chịu tác động của m ột số các yếu
tố. Năm 2002, Lyn và cộng sự đưa ra kết luận như sau:
• Tỉ lệ kết tinh: đây là yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình thủy phân. Các m ạch
cellulose có tính kết tinh cao, các sợi cellulose liên k ết r ất ch ặt ch ẽ. Do đó s ẽ c ản
trở quá trình tiếp xúc của enzyme với các mạch cellulose bên trong và làm gi ảm t ốc
độ quá trình thủy phân.
• Mức độ polymer hóa: mạch cellulose càng dài, tốc độ thủy phân càng chậm
(Walker và cộng sự , 1990).
• Kích thước lỗ xốp: kích thước của các lỗ xốp phải đủ lớn cho các enzyme đi vào.
Kích thước lỗ xốp càng lớn quá trình thủy phân càng nhanh.
• Bề mặt tiếp xúc: hầu hết các chuỗi cellulose bị giấu trong các vi sợi- yếu t ố c ản
trở sự xâm nhập của enzyme và giới hạn tốc độ thủy phân. Bề m ặt ti ếp xúc càng
lớn thì càng thuận lợi cho quá trình thủy phân.
Hình 2.8: Quy trình sản xuất ethanol liên tục từ Biomass ứng dụng kỹ thuật cố định
tế bào nấm
Tóm lại:
Như vậy, phần tổng quan tài liệu cho thấy tình hình các nghiên c ứu v ề công ngh ệ sản
suất nhiên liệu ethanol trên thế giới đặc biệt là từ các nguồn phụ phẩm nông nghiệp. Ngày
nay, nguồn nhiên liệu mới để thay thế nhiên liệu truyền thống đang ngày càng đ ược quan
tâm từ nhiều nhà nghiên cứu cũng như chính phủ các nước. Việc tổng quan tài liệu giúp tác
giả của đề tài này nhìn nhận tốt hơn những nhận định, xu hướng nghiên c ứu v ề ethanol
nhiên liệu trong nước cũng như thế giới. Từ đó tiếp tục phát tri ển những nghiên c ứu theo
những hướng đi đúng và hạn chế những sai lầm trong nhận định. Việc th ừa k ế nh ững k ết
quả của những nghiên cứu trước nhằm hoàn thiện hơn kết quả thu được là điều c ần thi ết
cho đề tài này. Do đó những nghiên cứu trong đề tài đi theo h ướng ti ếp t ục c ải thi ện
11
2. Tổng quan tài liệu
- những nghiên cứu trước trong nước cũng như theo những định hướng của các nghiên cứu ở
nước ngoài nhằm hoàn thiện hơn về mặt thông tin và công nghệ vi ệc sản su ất ethanol
nhiên liệu từ rơm. Nhiệm vụ cụ thể của đề tài bao gồm các nội dung cơ bản sau:
1. Khảo sát quá trình xử lý rơm rạ trên thiết bị liên tục bằng hơi nước áp suất cao có
giảm áp đột biến (từ đó so sánh với quá trình xử lý trên thiêt b ị nô ̉ h ơi châm tr ước
́ ̣
đây).
2. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nổ hơi đến hiệu suất thủy phân rơm rạ bằng
enzyme cellulase trên cơ sở cải thiện những nghiên cứu trước theo hướng liên t ục
hóa quá trình thực hiện.
3. Nghiên cứu khả năng thủy phân rơm rạ đã xử lý bằng Enzyme Cellulase trên thi ết
bị liên tục kêt hợp ứng dụng kỹ thuật cố định tế bào nấm trong quá trinh lên men.
́ ̀
12
2. Tổng quan tài liệu
- 3. THỰC NGHIỆM
Nguyên liệu
1.6.
1.6.1. Rơm rạ: Rơm rạ sử dụng trong nghiên cứu này thuộc giống “trâu nằm” đ ược
lấy từ xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, thành phố Hồ Chí Minh. R ơm rạ đ ược b ảo
quản trong điều kiện khô ráo, độ ẩm
- Phân tích thành phần béo: Nguyên liệu được sấy khô đem nghiền nhỏ và
1.8.1.2.
rây qua rây 250µm. Cân 10g mẫu cho vào Glass fiber filter (GFF), cân kh ối l ượng GFF và
mẫu được W’1.Chuẩn bị 300 ml hệ dung môi Ethanol/Benzene với tỷ lệ 1:2. Cho vào bình
cầu có dung tích 500ml. Đặt GFF có chứa mẫu vào soxhlet. Đun sôi trong dung môi (80 oC)
khoảng 6 giờ. Lấy GFF ra khỏi soxhlet, sấy trong tủ sấy ở nhi ệt độ 105 oC trong vòng 8
giờ. Cân lại khối lượng GFF, W’2 = (các thành phần khác c ủa r ơm r ạ + GFF). Tính lượng
chất béo đã tách ra: W’ = W’1 – W’2
Phân tích thành phần NDS (thành phần trích ly): Lấy 0.5g nguyên liệu
1.8.1.3.
(m1) được sấy khô và nghiền nhỏ cho vào bình cầu. Lấy 100ml dung dịch NDS, 2ml
decahydronaphtalene và 0,5g natri sulfite sau đó đun sôi tuần hoàn trong vòng 60 phút. L ọc
dung dịch bằng phễu Gooch Crucible, sau đó rửa bằng nước sôi (vài lần) và acetone (2
lần). Sấy khô Crucible ở nhiệt độ 105 oC trong vòng 8h sau đó cân khối lượng crucible
(W1). W1 = xơ sợi (cellulose + cellulose + lignin) + tro + crucible
Nung Crucible trong lò nung (500 → 550 0C) trong 3 giờ, sau đó cân lại khối lượng
Crucible (W2) W2 = tro + crucible. Tính khối lượng xơ sợi: xơ sợi (cellulose +
hemicellulose + lignin) = W1 – W2.
Phân tích thành phần ADS (hemicellulo): Cân chính xác 1g mẫu khô m2 cho
1.8.1.4.
vào bình cầu cùng với 100ml dung dịch ADS, 2ml decahydronaphtalene. Đun sôi tu ần hoàn
trong vòng 60 phút. Lọc hỗn hợp bằng phễu Gooch Crucible, r ửa bã b ằng n ước sôi 2 l ần.
Sau đó rửa bằng acetone đến khi nước rửa không màu. Sấy khô Crucible ở 105 oC, sau 8h,
cân khối lượng bã W4. W4 = cellulose + lignin + tro + crucible.
3.3.1.5. Phân tích thành phần ADL (lignin): Sợi sau khi sử lý ADS được hòa tan
cellulo bằng dung H2SO4 72% nhiều lần, phần còn lại không tan trên Gooch Crucible là
lignin và tro trong trong phần ADS. Bã sau đó đ ược r ửa k ỹ v ới n ước sôi nhi ều l ần. S ấy
khô crucible trong tủ sấy ở 105oC trong vòng 8 giờ, sau đó cân lại khối lượng crucible W5:
W5 = lignin + tro + crucible. Đun crucible trong lò nung, nhi ệt đ ộ 500 – 550 oC, trong 3
giờ. Cân lại crucible: W6 = tro + crucible
3.3.1.6. Phân tích tro: Cân 1g mẫu đã qua nghiền nhỏ, rây, sấy khô ở 105 0C đến
khối lượng không đổi. Cân chính xác khối lượng mẫu và ghi l ại (m 3).Cho mẫu vào cốc
nung và cân khối lượng cốc nung m 4. Đem cốc nung ở 500 – 550 0C trong 3 giờ, sau đó cân
lại khối lượng cốc (m5)
Tính toán các thành phần trong phân tích sợi
14
3. Thưc nghiêm
- 1.8.2. Phân tích nồng độ dung dịch đường
Dung dịch đường gluco thu được từ dung dịch thủy phân hay lên men đ ược phân tích
bằng máy HPLC. Pha động là dung dịch H 2SO4 0,05N được lọc qua màng lọc 0,45µm.
Dung dịch đường chuẩn được pha từ gluco tinh khiết 98% c ủa WAKO với các n ồng đ ộ t ừ
0,1g/l – 1,5g/l (đường chuẩn gluco có thể xem thêm tại phần phụ lục). Chế đ ộ phân tích
được giữ như sau: nhiệt độ oven 600C, nhiệt độ RID 400C, chế độ dòng 1ml/phút.
Các loại đường khác như xylose, arabinose, galactose, mannose, cellobio cũng đ ược
phân tích với các chế độ chạy máy như đối với gluco. Hóa chất chuẩn c ủa các lo ại đ ường
này được lấy từ hóa chất tinh khiết của WAKO.
1.8.3. Hướng nghiên cứu
Những nghiên cứu trong báo cáo này xoay quanh 3 vấn đề chính:
1. Khảo sát quá trình xử lý rơm rạ trên thiết bị liên tục bằng hơi n ước áp suất cao có
giảm áp đột biến.
2. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nổ hơi đến hiệu suất thủy phân rơm rạ bằng
enzyme cellulase trên cơ sở cải thiện những nghiên cứu trước theo hướng liên t ục
hóa quá trình thực hiện.
3. Nghiên cứu khả năng thủy phân rơm r ạ đã xử lý bằng Enzyme Cellulase trên thiết
bị liên tục kêt hợp ứng dụng kỹ thuật cố định tế bào nấm trong quá trinh lên men.
́ ̀
Trình tự làm thí nghiệm được trình bày như sơ đồ sau:
nguyên
liệu
Tiền xử lý (nổ hơi)
Enzy Nấ
Thủy phân liên tục
Thủy phân riêng me m
biệt men
3.3. Thực nghiệm
3.4.1. Xác định độ ẩm nguyên liệu ban đầu
3.4.2. Khảo sát quá trình nổ hơi: Theo các kết quả nghiên cứu trước đây của
chúng tôi với phương pháp nổ hơi theo mẻ, gián đo ạn, ph ương pháp nổ hơi nhanh cho
hiệu quả tốt với 70% ẩm và thời gian lưu là 2ph. Trong khuôn kh ổ đ ề tài này, chúng ta s ẽ
đi sâu khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đến quá trình thủy phân.
3.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ thu hồi bã nổ hơi
3.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần bã nổ hơi
3.4.5. Khảo sát sự biến đổi hàm lượng Cellulose nguyên liệu trước và sau n ổ
hơi
3.4.6. Khảo sát ảnh hưởng của các chế độ nổ hơi đến quá trình thủy phân
Bã sau nổ hơi được đem đi thủy phân đến tận cùng. Các thông số c ủa quá trình thu ỷ
phân được lựa chọn là tốt nhất từ những nghiên cứu trước đây: Nhi ệt độ th ủy phân =
500C; pH thủy phân = 4,8; Tỷ lệ bã = 5% ; Tỷ lệ enzyme = 2%; Th ời gian th ủy phân = 48
giờ. Kết thúc quá trình thủy phân, mẫu được lấy ra đem đi phân tích n ồng đ ộ glucose b ằng
máy HPLC.
3.4.7. Xây dựng giản đồ nồng độ Gluco – % Enzym – thời gian thủy phân
Chuẩn bị 20 mẩu thủy phân ứng với tỷ lệ Enzym khác nhau từ: 0,1 %, 0,25%, 0,5%,
…, 1,75%, 2%; Nhiệt độ thủy phân = 500C; pH thủy phân = 4,8; Tỷ lệ bã = 5% .
Tiến hành lấy mẫu ở các mốc thời gian: 1h, 2h, …, 10h; sau đó m ẫu được phân tích
nồng độ glucose bằng máy HPLC.
15
3. Thưc nghiêm
- 16
3. Thưc nghiêm
- 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
1.9. Thành phần nguyên liệu trước nổ hơi
Nguyên liệu đem đi phân tích theo phương pháp đã trình bày ở m ục trên. K ết qu ả phân
tích thành phần như sau:
Thành phần Chất trich ly
Cellulose Hemicellulose Lignin Tro Resin
Hàm lượng(%) 37,87 21,67 5,07 10,69 1,32 22,49
Bảng 2: Thành phần nguyên liệu rơm trước nổ hơi
Chất trich ly
Resin
22.49 %
Số liệu thành phần của rơm rạ Cellulo
1.32 %
ở trên chỉ tương ứng với nguồn 37.87 %
nguyên liệu ở xã Thái Mỹ, nếu sử
dụng nguồn nguyên liệu ở các vùng Tro
khác thì sẽ có sự thay đổi tùy vào 10.69 %
điều kiện, đất đai v.v…
Hàm lượng Cellulose của Rơm
Hemicellulo
là 37,87 % Lignin
21.67 %
5.07 %
Hình 4.9: Biêu đồ thành phần nguyên liệu rơm
̉
1.10. Quá trình nổ hơi trước nổ hơi
1.10.1. Nổ hơi chậm
Từ kết quả của những nghiên cứu trước đây, ta có:
• Quá trình xử lý nổ hơi chậm là cần thiết để làm tăng khả năng thủy phân
cellulose thành đường có khả năng lên men đặc biệt khi sử d ụng enzyme.
Chế độ nổ hơi hợp lý được lựa chọn: Nhiệt độ n ổ hơi = 210 0C ; Độ ẩm =
95,2%.
• Các thông số chọn lựa trên tiêu chí cực đại nồng độ c ồn c ủa quá trình th ủy
phân bằng enzyme là: Nhiệt độ thủy phân = 50 0C; pH thủy phân = 4.8; Tỷ lệ
bã = 5%; Tỷ lệ enzyme = 2%; Thời gian thủy phân = 48 giờ.
o Nồng độ glucose đạt được khoảng: Đối với rơm : CGlu = 3,6%
o Độ chuyển hóa Cellulose nguyên liệu ban đầu thành Glucose : Đối với
rơm: H = 69,2%
Khi tiến hành nổ hơi chậm, cần phải mất một khoảng thời gian dài để truyền nhi ệt
cho nước nóng lên. Mặt khác lượng nước sử dụng cho quá trình này là r ất nhi ều so v ới
lượng rơm cho vào (độ ẩm trên 95%). Đối với phương pháp này không thể ti ến hành n ổ
hơi khi rơm rạ chiếm trên 10% vì rơm sẽ bị than hóa c ục bộ do nhi ệt không đ ược truy ền
vào trong. Quá trình này diễn ra chậm và thời gian rơm nằm trong thi ết b ị lâu nên nhi ệt đ ộ
nổ hơi thấp. Bên cạnh việc tốn quá nhiều năng lượng cho gia nhi ệt trong n ổ h ơi do l ượng
nước sử dụng lớn là thời gian thực hiện quá trình bị kéo dài. Đây là m ột c ản tr ở l ớn đ ể
nâng cao năng suất thiết bị và tính kinh tế của quá trình nổ hơi chậm.
1.10.2. Nổ hơi nhanh
Những nhược điểm nổ hơi nhanh ở nhiệt độ cao được nghiên cứu nhằm khắc phục
hạn chế trên. Nhiệt độ liên quan đến áp suất hơi bão hòa do đó nhi ệt đ ộ ảnh h ưởng đ ến
khả năng cắt nhỏ mạch cellulo. Thời gian lưu khi ti ến hành m ỗi ch ế đ ộ là 2 phút.V ới các
thí nghiệm này, hàm mục tiêu là mức độ xé nhỏ (mức độ rời rạc) các bó sợi cellulo.
Một số hình ảnh ngoại quan của bã nổ hơi theo nhiệt độ sau đây:
17
4. Kêt quả và bàn luân
́ ̣
- Hình 4.10: Rơm rạ nổ hơi ở các nhiệt
Nhận xét: độ khác nhau
• Khi nổ hơi ở nhiệt độ thấp dưới 2200C các sợi cellulo vẫn còn có chiều dài lớn, bị kết
búi không rời rạc. Điều này sẽ gây khó khăn cho các quá trình sau về khả năng
khuấy trộn cũng như nhập liệu.
Tóm lai, quá trình nổ hơi do đó phải cắt nhỏ được các sợi cellulo. Dựa vào đánh giá
cảm quan và môt số tài liêu cho thấy, nguyên liệu có độ rời rạc cao cần phải tiến hành nổ
̣ ̣
hơi với nhiệt độ từ : Đối với rơm : 2200C 2400C.
1.10.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đến độ thu hồi nguyên liệu sau nổ hơi
Ảnh hưởng của nhiệ độ đế hiệ suấ thu hồ
t n u t i
Hiệ suất thu hồ (%)
u i
70
65
60
55
50
45
Nhiệt độ ( 0C)
40
215 220 225 230 235 240 245
Hình 4.11: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và hiệu suất thu hồi rơm
Khi nhiệt độ tăng cao, hiệu suất thu hồi giảm.
1.10.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đến hàm lượng Cellulose nguyên li ệu sau
nổ hơi
Ảnh hưởng c ủ nhiệ độ đế hàm lượng Cellulose
a t n
nguyên liệ sau nổ hơi
u
Hàm lượ Ce ll
ng
bã (%)
55
53
51
49
47
45
43
41
39
37
Nhiệt độ ( 0C)
35
215 220 225 230 235 240 245
Hình 4.12: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và hàm lượng Cellulose bã rơm nổ hơi
18
4. Kêt quả và bàn luân
́ ̣
- Khi nhiệt độ nổ hơi tăng, hàm lượng Cellulose có khuynh hướng tăng lên.
o Hàm lượng Cellulose đạt giá trị cực đại: Rơm, tại 2300C, % Cell = 53,10
Tiếp tục tăng nhiệt đổ nổ hơi, hàm lượng Cellulose giảm dần.
60
% C ell trong
ba n ô h ơi
̃ ̉
50
40
30
53.1
42.56
20
10
0
Tr ấu sau n ô h ơi R ơm sau nô h ơi
̉ ̉
Hình 4.13: Biêu đồ so sánh % Cell của bã Trâu và Rơm sau nổ hơi.
̉ ́
Chúng ta có thể lý giải điêu này như sau: quá trình nổ hơi (steam – explosion) là quá
̀
trình vât lý sử dụng hơi nước áp suât cao để phá vỡ câu trúc vững chăc lignocellulose, chủ
̣ ́ ́ ́
yêu để phá bỏ lớp lignin và hemicellulose. Ngoài ra, thành phân l ớp silica hay các chât vô c ơ
́ ̀ ́
cũng sẽ bị phá hủy môt phân trong quá trình này, tạo điêu kiên thuận lợi cho quá trình th ủy
̣ ̀ ̀ ̣
phân và lên men. Như vây quá trình nổ hơi đã làm giảm đáng kể các thành phân không mong
̣ ̀
muôn như lignin, hemicellulose, các thành phân vô cơ v.v…Từ đó làm tăng thành phân
́ ̀ ̀
Cellulose.
Khi tăng nhiêt độ của quá trình nổ hơi, độ chênh áp bên trong thiêt bị và bên ngoài t ăng,
̣ ́
câu trúc lignocellulose bị tác đông phá vỡ mạnh mẽ hơn, câu trúc sau nô ̉ hơi bị “bung” ra tôt
́ ̣ ́ ́
hơn, câu trúc lignocellulose càng mịn hơn. Đồng thời khả năng hòa tan các thành ph ần
́
không mong muốn như lignin, hemicellulose cũng tăng. Vì vậy ph ần trăm Cellulose tăng
dần.
Nhưng khi nhiệt độ nổ hơi tiếp tục tăng quá cao, hiệu suất Cellulo lại gi ảm dần. Do ở
nhiệt độ cao, lignin bị kêt tụ và tái phân bố lại trên xơ nổ hơi, hâu như ít bị hòa tan theo
́ ̀
dịch nổ hơi [7]. Ngoài ra, khi nhiêt độ càng cao, hàm lượng Cellulose bị hòa tan càng nhiêu.
̣ ̀
Vì vây, phân trăm Cellulose sẽ giảm dân.
̣ ̀ ̀
́ ̣
Tom lai:
• Quá trinh tiên xử lý là cân thiêt cho nguyên liêu vì lam tăng % Cell va ̀ lam t ơi xôp câu
̀ ̀ ̀ ́ ̣ ̀ ̀ ́ ́
truc sợi Cell thuân lợi cho quá trinh thuy phân.
́ ̣ ̀ ̉
oQuá trinh nổ hơi nhanh cho hiêu quả xử lý có thể xem là thich hợp nhât cho hiêu qua ̉
̀ ̣ ́ ́ ̣
thu hôi Cell sau nổ hơi la: Rơm, tại 230 C, % Cell = 53,10.
̀ ̀ 0
• Để đanh giá mức độ hiêu quả phương phap nổ hơi nhanh, ta tiên hanh khao sat quá trinh
́ ̣ ́ ́ ̀ ̉ ́ ̀
̉ ̀
thuy phân Cell thanh Gluco.
1.11. Quá trình thủy phân
Đối với quá trình thủy phân, 3 yếu tố xác định hiệu quả của quá trình là: n ồng đ ộ
glucose, hiệu suất tạo thành glucose (hiệu suất thủy phân bã sau nổ hơi và hi ệu su ất th ủy
19
4. Kêt quả và bàn luân
́ ̣
nguon tai.lieu . vn
