ĐỒ án CÔNG NGHỆ 1 xây DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ sản XUẤT ETHANOL từ vỏ đậu NÀNH

Trên thế giới đã có những công trình nghiên cứu ứng dụng khả năng sử dụng phụphẩm từ nông nghiệp nguồn nguyên liệu có chứa hàm lượng Cellulose khá lớn làmnguyên liệu sản xuất Ethanol sin

Trang 2

LỜI CẢM ƠN

***

Thay mặt toàn bộ thành viên của nhóm, đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn đến cô TS.Nguyễn Thị Minh Xuân đã hướng dẫn, góp ý nhiệt tình của cô trong suốt thời giannghiên cứu và hoàn thành đồ án Đồng thời em cũng xin cảm ơn các cô thầy tại Đạihọc Bách khoa – Đại học Đà Nẵng nói chung, các cô thầy giảng dạy tại khoa Hóa và

bộ môn Công nghệ sinh học nói riêng đã giúp chúng em có nền tảng để thực hiện đượcquá trình nghiên cứu này bằng các kiến thức ở môn đại cương và cơ sở.Cuối cùng, emcũng xin cảm ơn các bạn đã góp ý, hỗ trợ em trong quá trình làm đồ án

Tuy nhiên, đây là lần đầu làm đồ án nên còn nhiều bỡ ngỡ và còn nhiều hạn chế,mặc dù em đã cố gắng hết mình nhưng không thể tránh khỏi những sai sót và nhiều chỗchưa chính xác, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu từ cô, đểnhững đồ án tiếp theo em có thể khắc phục và hoàn thành tốt hơn

SVTH: Trịnh Tú Sương 18SH

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT

Đồ án công nghệ 1 này là quá trình nghiên cứu và tìm hiểu của bản thân emdưới sự hướng dẫn của cô TS Nguyễn Thị Minh Xuân

Em xin cam đoan những kết quả có được trong đồ án này hoàn toàn không saochép từ đồ án của người khác dưới bất kì hình thức nào Mọi sự tham khảo sử dụngtrong đồ án đều được trích dẫn từ các nguồn tài liệu nằm trong danh mục tài liệu thamkhảo

Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình

Đà Nẵng, ngày 13 tháng 08 năm 2021

Sinh viên thực hiện

Trịnh Tú Sương

Trang 4

LỜI MỞ ĐẦU

***

Trong bối cảnh hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của quá trình công nghiệphóa là sự khai thác quá mức những nguồn tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là nguồnnhiên liệu hóa thạch, điều đó đã khiến cho nguồn năng lượng truyền thống (dầu mỏ,than đá, khí thiên nhiên…) ngày càng cạn kiệt

Trước tình hình đó, nhiên liệu sinh học được xem như một dạng năng lượng mới đầytiềm năng bởi khả năng tái tạo của nó và hơn hết đây là nguồn năng lượng “sạch”,không độc hại và dễ dàng phân hủy trong tự nhiên Hiện nay có 2 dạng năng lượng sinhhọc chủ yếu là Ethanol sinh học và Diesel sinh học

Ethanol được coi là một nhiên liệu sạch có khả năng tái tạo và trong tương lai có thểthay thế một phần cho các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt nhưthan đá và dầu mỏ Nguồn nguyên liệu cellulose thực sự dồi dào, trong khi vấn đềnghiên cứu sản xuất ethanol từ cellulose vẫn ít được khai thác

Việt Nam là một quốc gia mà nông nghiệp có một vị trí rất quan trọng và luôn được

ưu tiên trong chiến lược phát triển kinh tế - xã hội của đất nước Hàng năm, sản xuấtnông nghiệp ở Việt Nam tạo ra một lượng lớn phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu làlignocellulose từ các mùa vụ Phế phụ phẩm nông nghiệp có tiềm năng năng lượng lớn,nhưng việc sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp dưới dạng nhiên liệu sinh học vẫn cònhạn chế và đây được coi là một hướng nghiên cứu mới và cần thiết tại Việt Nam Trên thế giới đã có những công trình nghiên cứu ứng dụng khả năng sử dụng phụphẩm từ nông nghiệp (nguồn nguyên liệu có chứa hàm lượng Cellulose khá lớn) làmnguyên liệu sản xuất Ethanol sinh học Đây một loại nguyên liệu rẻ tiền, phổ biến và cókhả năng phát triển rất nhanh

Vì vậy, em đã chọn đề tài: “XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT

ETHANOL TỪ VỎ ĐẬU NÀNH”

Trang 5

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT 2

LỜI MỞ ĐẦU 3

MỤC LỤC 4

1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 7

1.1 Giới thiệu về Ethanol 7

1.1.1 Ethanol 7

1.1.2 Tính chất 8

1.1.3 Sản xuất 8

1.1.4 Ứng dụng 11

1.2 Nguyên liệu (vỏ đậu nành) 12

1.2.1 Đặc tính 12

1.2.2 Phần cacbohydrate không hoà tan trong vỏ 12

1.2.3 Các phương pháp loại bỏ ligin 13

1.3 Tổng quan về nấm men Saccharomyces cerevisiae 16

1.3.1 Nấm men Saccharomyces cerevisiae 16

1.3.2 Gốc sinh học của nấm men Saccharomyces cerevisiae 16

1.3.3 Đặc điểm hình thái của nấm men Saccharomyces cerevisiae 16

1.3.4 Đặc điểm sinh học của nấm men Saccharomyces cerevisiae 17

1.3.5 Đặc điểm sinh hoá của nấm men Saccharomyces cerevisiae 17

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men 17

1.4.1 Môi trường dinh dưỡng 17

1.4.2 Nhiệt độ 18

1.4.3 pH 18

1.4.4 Ảnh hưởng của nồng độ Ethanol và CO2 18

1.4.5 Ảnh hưởng của tế bào nấm men 19

1.5 Thuỷ phân 19

Trang 6

1.5.1 Thuỷ phân bằng acid 18

1.5.2 Thuỷ phân bằng enzyme 19

1.6 Các phương pháp lên men 19

2 THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 20

2.1 Vỏ đậu nành 21

2.1.1 Nguồn gốc 21

2.1.2 Yêu cầu 21

2.1.3 Thành phần dinh dưỡng 21

2.2 Rửa sạch 21

2.2.1 Mục đích 21

2.2.2 Phương pháp 21

2.2.3 Thiết bị sử dụng 21

2.2.4 Yêu cầu sản phẩm đầu ra 22

2.3 Nghiền nhỏ 22

2.3.2 Phương pháp 22

2.4 Tiền xử lý 23

2.4.2 Phương pháp thực hiện 23

2.4.4 Yêu cầu đầu ra 25

2.5 Thuỷ phân 25

2.5.2 Phương pháp thực hiện 25

2.6 Lọc bã 25

2.6.2 Giai đoạn tiến hành 26

2.7 Phối trộn 26

Trang 7

2.7.2 Yêu cầu đầu vào 26

2.8 Thanh trùng và làm nguội 27

2.9 Nhân giống sản xuất 29

2.10 Lên men 30

2.10.2 Phương pháp lên men 30

2.11 Ly tâm 30

2.11.1 Mục đích 30

2.12 Chưng cất 30

2.12.1 Mục đích 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

Trang 8

1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Giới thiệu về Ethanol

Ethanol là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của ancol Ethanol córất nhiều tên gọi khác nhau như rượu etylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn côngnghiệp Ethanol đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới, nó sẽ là tương lai của nhiềungành công nghiệp và là nhiên liệu tiềm năng vô cùng lớn Trong cuộc sống hằng ngày

ta vẫn hay gọi nó là rượu

1.1.1 Ethanol

Công thức phân tử: C2H6O

Công thức cấu tạo:

Cấu hình không gian:

Tên theo IUPAC: Etanol

Tên khác: Rượu etylic, cồn, hydroxyethane (hydroxyetan)

Nhiệt độ sôi: 78.390C

Khối lượng phân tử: 46.07 g/mol

Trang 9

1.1.2 Tính chất

Ethanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng,

vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0.7936 g/ml ở 15⁰C), dễ bay hơi (sôi ở nhiệt

độ 78.39⁰C), hóa rắn ở -114.15⁰C, tan trong nước vô hạn, tan trong ete và clorofom,hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời Sở dĩ rượuetylic tan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều sovới este hay aldehyde có khối lượng phân tử xấp xỉ là do sự tạo thành liên kếthydro giữa các phân tử rượu với nhau và với nước

1.1.3 Sản xuất

Ethanol được sản xuất bằng cả công nghiệp hóa dầu, thông qua công nghệhyđrat hóa etylen, và theo phương pháp sinh học bằng cách lên men đường hay ngũcốc với men rượu

a Ethanol được sản xuất bằng cả công nghiệp hóa dầu thông qua công nghệ hyđrat hóa etylen

Ethanol được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phươngpháp hydrat hóa ethylene bằng xúc tác acid Cho ethylene hợp nước ở 300⁰C, áp suất70-80 atm với chất xúc tác là acid wolframic hoặc acid phosphoric:

H2C=CH2 + H2O → CH3CH2OHChất xúc tác thông thường là acid phosphoric, được hút bám trong các chất có

độ xốp cao chẳng hạn như điatamit (đất chứa tảo cát) hay than củi; chất xúc tác này đãlần đầu tiên được công ty dầu mỏ Shell sử dụng để sản xuất Ethanol ở mức độ côngnghiệp năm 1947 Các chất xúc tác rắn, chủ yếu là các loại oxit kim loại khác nhau,cũng được đề cập tới trong các sách vở hóa học

Trong công nghệ cũ, lần đầu tiên được tiến hành ở mức độ công nghiệp vào năm

1930 bởi Union Carbide, nhưng ngày nay gần như đã bị loại bỏ thì ethylen đầu tiênđược hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với acid sulfric đậm đặc để tạo ra

ethyl sulfat, sau đó chất này được thủy phân để tạo thành Ethanol và tái tạo acid

Trang 10

(chẳng hạn methanol) hay khó chịu (chẳng hạn denatonium- C21H29N2O•C7H5O2-là mộtchất rất đắng, gây tê).

Ethanol được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ thông qua phương pháp hydrathóa ethylene bằng xúc tác acid Cho ethylene hợp nước ở 300⁰C, áp suất 70-80 atm vớichất xúc tác là acid wolframic hoặc acid phosphoric:

Ta có phương trình điều chế sau:

Trang 11

Quá trình nuôi cấy men rượu theo các điều kiện để sản xuất rượu được gọi là ủ rượu Men rượu có thể phát triển trong sự hiện diện của khoảng 20% rượu, nhưng nồng

độ của rượu trong các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chưng cất

Để sản xuất dung môi Ethanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột như hạt ngũ cốc thì tinh bột đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường Trong việc ủ men bia, theo truyền thống nó được tạo ra bằng cách cho hạt nảy mầm hay ủ mạch nha Trong quá trình nảy mầm, hạt tạo ra các enzym có chức năng phá vỡ tinh bột để tạo ra đường Để sản xuất ethanol làm nhiên liệu, quá trình thủy phân này của tinh bột thành glucoza được thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lý hạt với acid sulfuric loãng, enzym

nấm amylas, hay là tổ hợp của cả hai phương pháp.

SVTH: Trịnh Tú Sương 18SH 10

Trang 12

1.1.4 Ứng dụng

a Trong lĩnh vực nông nghiệp

 Ethanol dùng trong công nghiệp in, công nghiệp điện tử, dệt may

 Ethanol dùng trong ngành điện tử, lau vi mạch, bo mạch

b Trong lĩnh vực công nghiệp thực phẩm

thực phẩm và có những ứng dụng sau đây:

hằng ngày chúng ta vẫn hay sử dụng như bia, rượu, …

 Ethanol còn được dùng như nước ướp gia vị

Trang 13

c Trong dược phẩm và y học

 Ethanol được dùng như một chất chống vi khuẩn, sát trùng

 Ethanol được dùng để điều chế thuốc ngủ

 Ethanol ở nồng độ nhất định còn là dung dịch dùng để tẩy rửa, vệ sinh cácdụng cụ y tế

Ethanol có vai trò rất quan trọng trong cuộc sống của con người, để giải quyếtviệc phụ phẩm nông nghiệp, người ta tận dụng để điều chế ethanol

1.2 Nguyên liệu ( vỏ đậu nành)

1.2.1 Đặc tính

Vỏ đậu nành là lớp vỏ bao bọc phía bên ngoài hạt, chiếm khoảng 8% toàn bộ hạt

và chứa 86 % carbohydrate, 9% protein,4,3% tro, 1% lipid

1.2.2 Phần cacbohydrate không hòa tan của vỏ gồm:

vị lặp lại cellobiose- một dimmer của β-D-Glucose Phân tử cellulose có dạng mạchthẳng, không xoắn Độ trùng hợp của cellulose khoảng từ 2000 đến 14000 Các đơn vịglucose trong cấu trúc cellulose liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glucoside Trongvách tế bào các chuỗi cellulose xếp song song thành sợi có Φ=3.5nm.Các sợi cellulosehình thành nên các bó sợi cơ bản có Φ=20nm Chúng tập hợp lại thành các vi sợi Visợi hình thành nên những sợi lớn hơn tương tác với hemicellulose và lignin tạo thànhvách tế bào thực vật Giữa các chuỗi cellulose có rất nhiều gốc –OH tạo nên rất nhiềuliên kết hydro giúp ổn định sợi cellulose, làm cho sợi cellulose rất bền vững, khó thủyphân Sợi cellulose có thể kết hợp với nhau một cách chặt chẽ, có trật tự hình thành nênvùng có cấu trúc tinh thể Bên cạnh đó cũng có một số sợi cellulose kết hợp một cáchngẫu nhiên hình thành nên vùng có cấu trúc vô định hình Từ đó cho thấy dung môi vàcác chất hóa học rất khó xâm nhập vào vùng tinh thể, nhưng lại dễ dàng xâm nhập vàovùng vô định hình Quá trình thủy phân cellulose khá phức tạp Bên cạnh đó điều kiệnkhắc nghiệt của quá trình thủy phân làm giảm đáng kể lượng glucose Nhiệt độ thủyphân cellulose là 210-220 °C

Trang 14

Hình ảnh: Cấu trúc phân tử Cellulose

 Pectin(4-8%): heteropolysaccharide phức tạp bao gồm axit galacturonic được liên kết bởi các các liên kết α - 1,4 – glycosidic Trọng lượng củapectin thay đổi từ 50-15000 Da tùy theo nguyên liệu nguồn và quá trình chiết xuất.Pectin vỏ đậu nành (SHP) chủ yếu chứa galactose, xylose, axit galacturonic, arabinose,glucose và rhamnose

D- Lignin(1-4%): lignin là một đại phân tử vô định hình, hầu hết được cấutạo bởi các phân tử phenylpropane, liên kết ngang bởi liên kết cacbon- cacbon Ligninđược tạo thành từ 3 đơn vị phenylpropane cơ bản: p-coumaryl, sinapyl và coniferl

 Hemicellulose (10-25%): đóng vai trò là chất kết dính các tế bào (cùngvới pectin) Hemicellulose là một nhóm các polysaccharide không đồng nhất gồm sựkết hợp của glucose, mannose, galacose, xylose và arabinose Hemicellulose có cấutrúc phân nhánh với những chuỗi ngắn hơn so với cellulose-độ trùng hợp: 150, thấphơn cellulose Ngoài một số hợp phần của đường, hemicellulose có thể chứa các thànhphần khác ở dạng acetyl hoặc uronic acid Thành phần cơ bản của hemicellulose làgalactoglucomannan, tiếp theo là arabinocuronoxylan Sự phân nhánh trong cấu trúccủa hemicellulose tạo điều kiện thuận lợi cho dung môi và các chất hóa học tấn công.Trong quá trình xử lí nhiệt, hemicellulose dễ bị thủy phân nhất ở 150-230°C

Vì ligin liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose nên chúng ta phảiloại bỏ phần ligin để dễ xử lý hemicellulose và cellulose

1.2.3 Các phương pháp loại bỏ ligin

a Ligin

 Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở, trong tự nhiên ligin chủ yếuđóng vai trò liên kết trong thành tế bào tự vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose vàhemicellulose, rất khó để có thể tách ligin ra hoàn toàn

 Ligin là một đại phân tử vô định hình, hầu hết được cấu tạo bởi cácphân tử phenylpropane, liên kết ngang bởi liên kết cacbon- cacbon Lignin được tạothành từ 3 đơn vị phenylpropane cơ bản: p-coumaryl, sinapyl và conifer

Trang 15

 Cấu trúc hoá học của ligin rất dễ bị thay đổi ở nhiệt độ cao và pH thấpnhư trong điều kiện tiền xử lý bằng hơi nước Ở nhiệt độ phản ứng cao hơn 200 độ C,ligin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách khỏi cellulose, …

b Các phương pháp loại bỏ ligin

 Sử dụng “chất lỏng ion protic” với giá thành khá rẻ bằng cách trộn mộtacid như acid acetic (thường gọi là giấm) với một bazơ (loại vật liệu hóa học gọi làamine) Như một phần của qui trình tiền xử lý, một trong số các chất lỏng ion proticđược trộn lẫn với sinh khối và sau đó được đun nóng và khuấy Lignin hòa tan trongchất lỏng ion protic, để lại cellulose dạng rắn Sau đó, cellulose được lọc ra dễ dàng từhỗn hợp để sử dụng trong các bước sản xuất nhiên liệu sinh học tiếp theo.(còn đangquá trình nghiên cứu, chưa được áp dụng)

 Xử lý lignin bằng công nghệ Kraft Với công nghệ này, nguyên liệu gỗdùng để sản xuất giấy sẽ được nấu với hỗn hợp NaOH và Na2S.Hỗn hợp này có tácdụng hòa tan Lignin và hemicellulose và giải phóng sợi cellulose

 Nổ hơi nước: quá trình cơ – hoá – nhiệt, phá vỡ cấu trúc của các hợpphần với sự giúp đỡ của nhiệt dưới dạng hơi(nhiệt), lực cắt do sự giãn nở của ẩm(cơ),thuỷ phân các liên kết glycosidic(hoá)

Quá trình nổ hơi nước gồm các giai đoạn sau:

+ Làm ẩm nguyên liệu: Nước được gia nhiệt và giữ ở áp suất cao trongthiết bị phản ứng Hơi nước ngưng tụ ở áp suất cao khuếch tán vào cấu trúc

Trang 16

lignocellulosic làm ẩm nguyên liệu Dưới tác dụng của nhiệt độ, áp suất và hơi nước,hemicellulose bị thủy phân Sau đó một số sản phẩm của quá trình thủy phânhemicellulose bị phân hủy thành các acid hữu cơ như acid acetic và acid uronic Cácacid này lần lượt tham gia vào quá trình phân cắt mạch hemicellulose, giải phóngxylose và một phần glucan Các vùng vô định hình của cellulose cũng bị thủy phân mộtphần Nếu gia tăng điều kiện tiến hành khắc nghiệt hơn sẽ thúc đẩy quá trình phân hủyxylose thành furfural kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật.

+ Giảm áp đột ngột: Sau khi nguyên liệu được đưa vào thiết bị, gia nhiệt

và tăng áp đến nhiệt độ và áp suất nhất định để làm ẩm nguyên liệu, hỗn hợp được épđưa ra ngoài qua lỗ nhỏ Ẩm trong biomass đang ở áp suất cao Khi hỗn hợp đi ra khỏithiết bị, áp suất giảm đột ngột Tại đây diễn ra quá trình phân cắt nguyên liệu Quátrình phân cắt nguyên liệu diển ra dưới tác dụng cơ học và hóa học Nước trong nguyênliệu đang ở nhiệt độ và áp suất cao Áp suất giảm đột ngột làm giảm nhiệt độ bốc hơicủa nước xuống thấp hơn nhiệt độ hiện có của nguyên liệu Nước có mặt trong cấu trúcbiomass bị bốc hơi Sự giãn nở của hơi nước tạo ra lực cắt tác động lên khối nguyênliệu Nếu lực cắt này đủ lớn hơi nước sẽ phá hủy cấu trúc lignocellulosic.Trong quátrình xử lí, lignin bị phá hủy do các liên kết β-O-4-ether và liên kết acid không bền bịcắt tạo ra các dẫn xuất rượu cinnamyl và hỗn hợp các phụ phẩm khác Chế độ xử lícàng nghiêm ngặt tạo ra càng nhiều các hợp chất có phân tử thấp

Trang 17

1.3 Tổng quan về nấm men Saccharomyces cerevisiae

1.3.1 Nấm men Saccharomyces cerevisiae

Nấm men là tên chung để chỉ những nhóm nấm có cấu tạo đơn bào, sống riêng

lẻ hoặc sống thành từng đám, không di động và sinh sản vô tính chủ yếu bằng hìnhthức nảy chồi Chúng phân bố rộng rãi trong thiên nhiên như trong đất, nước, lươngthực thực phẩm, đặc biệt có nhiều trong các loại hoa quả chín, ngọt

Hình ảnh: Nấm men Saccharomyces cerevisiae

1.3.2 Gốc sinh học của nấm men Saccharomyces cerevisiae

Nấm men Saccharomyces cerevisiae thuộc giới nấm (Eumycophyta), lớp

Ascomycetes, bộ Endomycetes, họ Saccharomycetaceae, giống Saccharomyces và loài Cerevisiae.

1.3.3 Đặc điểm hình thái của nấm men Saccharomyces cerevisiae

 Nấm men là sinh vật đơn bào hiển vi, tế bào cơ bản giống như ở động, thựcvật So sánh cấu tạo tế bào nấm men với vi khuẩn ta thấy có sự tiến hóa nhảy vọt từnhân sơ đến nhân chuẩn Cùng với sự tiến hóa về nhân và cơ chế phân chia nhân (nhân

có màng, có các thể nhiễm sắc thể, phân bào có tơ, ) ở cơ thể nhân chuẩn xuất hiệnnhiều thể không thấy ở thể nhân sơ, như ti thể, lục lạp,

Định dạng
Số trang	34
Dung lượng	1,23 MB