tiểu luận xăng sinh học

tiểu luận xăng sinh học

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM

DANH SÁCH NHÓM

STT Họ và tên MSSV

1 Trần Đỗ Kim Huệ 11226501

2 Lê Trần Phú 11041621

3 Hoàng Thị Thúy Trâm 11249201

4 Khu Văn Đô 11070911

LỜI MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống của chúng ta ngày nay, công nghệ sinh học đã xuất hiện và đồnghành trong hầu hết mọi lĩnh vực của cuộc sống Từ những thứ đơn giản như lên men rượu -cái mà cha ông ta ngày xưa có thể là chỉ làm theo "cha truyền con nối", đến những thứ mà con người tưởng chừng như không thể như nhân bản vô tính, cấy truyền phôi, Công nghệ sinh học bắt đầu từ sự nghiên cứu các vật nuôi và cây trồng

- được coi là một thế mạnh rất lớn của nước Việt Nam, một đất nước nông nghiệp, có nhiều loại sinh khối, có điều kiên khí hậu để phát triển Công nghệ sinh học đã được các nước trên thế giới chú ý, đầu tư phát triển từ sau cuộc "cách mạng xanh" để rồi tạo

ra nhiều thành tựu to lớn trong các lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp, y học, di truyền Bên cạnh đó, không thể không đề cập đến những lợi ích của sản phẩm công nghệ sinh học trong việc giảm bớt sự ô nhiễm môi trường, làm môi trường sạch sẽ hơn bằng cách thay thế các nhiên liệu hóa thạch và đang dần cạn kiệt bằng nguồn nhiên liệu mới sạch và dễ kiếm hơn cả Do đó, nguồn nhiên liệu sinh học không chỉ đem lại lợi ích cho nền kinh tế mà còn đem lại lợi ích cho xã hội lẫn môi trường Kinh tế càng phát triển, đòi hỏi cơ sở vật chất càng tiện nghi và hiện đại hơn, nhưng nó cũng mang theo mình rất nhiều hệ lụy Đặc trưng nhất là ô nhiễm môi trường, trái đất nóng lên không ngừng do lượng CO2 thải ra quá lớn- hậu quả tất yếu

do giao thông vận tải phát triển quá mạnh mẽ Điều này đã tạo ra thách thức cho các nhà khoa học và không lâu sau đó, một nhiên liệu mới đã xuất hiện, làm giảm khí thải

ô nhiễm và rất an toàn, đó chính là xăng sinh học

Để thực hiện được bài tiểu luận này, chúng em xin cảm ơn thầy Trịnh Xuân giảng viên dạy môn nhập môn công nghệ sinh học đã cho chúng em những hướng dẫn

Ngọ-cụ thể nhất để hoàn thành bài tiểu luận này một cách dễ dàng Đồng thời, chúng emcũng xin cảm ơn Trường Đại Học Công Nghiệp thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điềukiện thuận cho chúng em học tập với một nguồn tài liệu phong phú cùng trang thiết bịhiện đại

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU.

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 1

3 Nhiệm vụ của đề tài 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

NỘI DUNG Chương I - Tổng quan về xăng sinh học 2

1 Khái niệm 2

2 Lịch sử hình thành xăng sinh học 2

3 Phân loại 3

3.1 Xăng- etanol 3

3.2 Butanol (C4H10O) 3

3.3 Methanol ( CH3OH) 3

3.4 Diesel- sinh học 4

4 Vai trò của xăng sinh học 5

4.1 Làm giảm ô nhiễm môi trường và CO2 - khí gây hiệu ứng nhà kính 5

4.2 Phất triển kinh tế nông nghiệp 6

5 Qúa trình sản xuất xăng sinh học 6

5.1 Nguồn nhiên liệu 6

5.2 Quy trình chế tạo etanol 7

5.3 Quy trình chế tạo xăng sinh học 12

6 Ưu và nhược điểm của xăng sinh học 14

6.1 Ưu điểm 14

6.2 Nhược điểm 15

Chương II - Thực trạng của xăng sinh học trong đời sống

1 Sử dụng xăng sinh học trên thế giới 17

2 Xăng sinh học ở Việt Nam - tình hình và triển vọng 20

2.1 Tiềm năng ở Việt Nam 20

2.2 Tình hình sử dụng 21

2.3 Sản xuất xăng sinh học tại Việt Nam 22

KẾT LUẬN.

PHẦN MỞ ĐẦU

3 Lý do chọn đề tài.

Cuộc sống của chúng ta đang chịu nhiều ảnh hưởng rất lớn từ sự biến đổi khí hậu như hiệu ứng nhà kính, trái đất nóng lên, băng tan Và một thách thức đã đặt ta cho toàn nhân loại đó là phải tìm ra biện pháp để cải thiện tình hình này Từ nguyên nhân là lượng khí thải vượt quá mức cho phép và nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạnkiệt Xăng sinh học được ra đời và được coi là một nguồn nhiên liệu rẻ, sạch và dồi dào có thể thay thế cho nguồn nhiên liệu cũ Nhưng trong cuộc sống hiện nay, xăng sinh học vẫn chưa đi vào thị hiếu của người dân Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung Để hiểu được những vai trò, lợi ích cùng với những yếu điểm của loại nhiên liệu này, nhóm chúng em đã chọn "xăng sinh học" làm đề tài để thảo luận

4 Mục tiêu của đề tài.

Tìm hiểu được sự ra đời, phương pháp sản xuất, lợi ích và những mặt của xăng sinh học

5 Nhiệm vụ của đề tài.

Trong bài tiểu luận này tập trung giải quyết các nhiệm vụ sau:

- Giải thích được xăng sinh học là gì? Phân tích các tài liệu khoa học liên quan đến đề tài

- Đề xuất được những biện pháp để phát triển nguồn nhiên liệu mới này

6 Phương pháp nghiên cứu.

- Phương pháp nghiên cứu tải liệu

- Phương pháp quan sát

NỘI DUNG

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ XĂNG SINH HỌC

kỹ nghệ ở thế kỷ XVIII và XIX, và gây nhiều ô nhiễm Ở Việt Nam, xe lửa chạy bằngđốt gỗ cho tới khoảng 1956, mới thay thế bằng động cơ diesel Ngày nay có khoảng 2

tỷ dân đốt nhiên liệu sinh học ở thể rắn như gỗ, củi, trấu, mạt cưa, rơm rạ, lá khô, Mặc dầu chứa carbon tái tạo, nhưng cho nhiều khói, tro bụi, bù hóng nên làm ô nhiễmmôi trường

Động cơ nổ đầu tiên trên thế giới do Nikolaus August Otto (người Đức) thiết kế

sử dụng nhiên liệu sinh học thể lỏng là rượu cồn – ethanol, Rudolf Diesel (người Đức)phát minh động cơ Diesel thiết kế chạy bằng dầu đậu phộng (groundnut oil), và HenryFord (Mỹ) thiết kế xe hơi chạy bằng dầu thực vật (từ 1903 đến 1926) chế biến từ dầu chứa trong hạt và thân cây cần sa

Từ khi khám phá ra nhiên liệu cổ sinh (than đá, dầu hoả, khí đốt) thì ngành kỹ nghệ sử dụng nhiên liệu cổ sinh, vì có hiệu quả kinh tế hơn Tuy nhiên mỗi khi có chiến tranh, bị địch phong toả khó chuyển vận dầu, hay thế giới có khủng hoảng chínhtrị, kinh tế, và để không tuỳ thuộc vào dầu hoả nhập cảng (từ Trung Đông), khuynh huớng sử dụng xăng sinh học lại bộc phát trong những thời kỳ này Chẳng hạn, Đức và Anh Quốc sản xuất xăng sinh học từ khoai tây và lúa mì trong thời kỳ Đệ nhị Thế Chiến Khủng hoảng xăng dầu năm 1972 do khối OPEC gây ra, làm một số quốc gia

có chủ trương tự túc nhiên liệu bằng cách sản xuất xăng sinh học từ tiềm năng nông nghiệp đồ sộ của mình Brazil tiêu biểu cho chính sách này.

Kể từ 2000, các quốc gia trên thế giới lần lượt thật sự tuân thủ Thoả hiệp Rio de Janeiro (1992), rồi Kyoto (1997), tìm kỹ thuật hạn chế sa thải khí nhà kiếng (CO2, methane,N2O, ) của nhiên liệu cổ sinh, thay thế bằng năng lượng xanh (như năng lượng mặt trời, gió, thuỷ điện, ),năng lượng sạch nên nhiên liệu sinh học đang trên đà phát triển

thường, máy xe hơi chạy hiệu nghiệm với E15 ( pha 15% etanol) Trên thị trường hiệnnay cũng có một số xe hơi chạy với E10 nhưng theo khuyến cáo thì tốt nhất là dùng xăng E5

3.2 Butanol (C4H10O)

Loại xăng này cho nhiều năng lượng hơn etanol và có thể đổ thẳng vào bình xăng

xe mà không cần chế biến gì thêm Chế biến từ dầu mỏ, hay từ lên men nguyên liệu

sinh khối do vi khuẩn Clostridium acetobutylicum.

3.3 Methanol ( CH3OH)

Được điều chế từ khí methane (CH4) của khí đốt mỏ dầu Methanol cũng được chế biến từ chất hữu cơ động thực vật qua phương pháp đun trong bình kín ( không cóoxy và hơi nước) ở nhiệt độ cao (pyrolysis)

3.4 Diesel- sinh học

Diesel- sinh học có thành phần chính là acid béo - fatty acid methyl ( hay ethyl) ester Diesel- sinh học chứa ít năng lượng hơn, nhiệt độ bắt cháy là 150°C, trong khi diesel là 70°C

Diesel- sinh học có những tính chất vật lý giống như diesel Nhưng Diesel- sinh học khi đốt thải 50% cacbon monoxide (CO) và 78% cacbon dioxide (CO2) ít hơn diesel Cũng không có sa thải SO2

Dầu thực vật khi làm nóng thì trở nên lỏng, nhờn hơn, nên có thể chạy máy diesel.Dầu thực vật trích từ các thực vật chứa nhiều dầu như hột cải dầu , dừa dầu, dừa, đậu nành, đậu phộng, bông vải, hạt cao su, hướng dương, cây và hột cần sa, vv Tảo và trái dầu lai là những nguồn dầu thực vật quan trọng mới ngày nay.

Thông thường, để cho động cơ an toàn, diesel-sinh học được pha với diesel Tuy nhiên, các loại dầu ăn tinh khiết bán trên thị trường, hay đã sử dụng, đều có thể thay thế diesel để chạy động cơ diesel loại cũ (chỉ cần thay thế bộ phận bơm injection) Hiện nay nhiều loại xe hơi hiện đại có động cơ chạy được với dầu ăn nguyên chất, hay diesel-sinh học 100% Chẳng hạn, động cơ xe hơi MAN B &W Diesel, Wartsila và Deutz AG có thể chạy từ dầu ăn nguyên chất Dầu đã sử dụng (từ trong các tiệm Fast Food) chỉ cần lọc cặn và loại phần nước (do thức chiên xâm nhập) thì chạy được

xe hơi Xe Đức Volkswagen cũng chạy được với diesel-sinh học 100% Tuy nhiên, các hãng làm xe hơi khuyến cáo là nên pha 15% diesel-sinh học với 85% diesel để xe

ít bị hao mòn Các nước Âu Châu hiện nay bán diesel pha 5% diesel-sinh học ở mọi trạm xăng

Ở Hoa Kỳ, hơn 80% xe vận tải và xe bus đều chạy bằng diesel-sinh học, và càng ngày sử dụng diesel-sinh học càng gia tăng, 25 triệu gallons năm 2004, 78 triệu gallons năm 2005, và khoảng 1 tỷ gallons vào 2007 Xe chở hàng và xe bus ở Âu châu đều chạy bằng diesel-sinh học

4 Vai trò của xăng sinh học.

4.1 Làm giảm ô nhiễm môi trường và CO2 - khí gây hiệu ứng nhà kính

Thực vật hấp thụ CO2 thông qua quá trình quang hợp, khi thực vật chết đi (bị phân giải hay đốt cháy) cũng sẽ giải phóng một lượng CO2 tương ứng Nghĩa là thực vật không tham gia vào quá trình phát thải CO2 Như vậy, xăng sinh học được tạo ra

từ nguồn nhiên liệu động thực vật coi như không làm gia tăng lượng khí CO2 trong

khí quyển Thêm vào đó, sự cân bằng trong phát thải CO2 đối với năng lượng sinh họccòn thể hiện qua chu trình khép kín: nhiên liệu sinh học sau khi sử dụng sẽ thải khí

CO2, cây trồng hấp thụ khí CO2 cùng với năng lượng mặt trời lại phát triển, tạo ra nguồn nguyên liệu cho sản xuất xăng sinh học Ngoài ra, nhiên liệu sinh học còn có khả năng phân hủy nhanh nên ít gây ô nhiễm môi trường

4.2 Phát triển kinh tế nông nghiệp

Xăng sinh học được sản xuất chủ yếu bằng các chế phẩm hay thành phẩm của nông nghiệp thông qua các nhà máy sản xuất, do đó nó có thể kích thích sản xuất nông nghiệp và mở rộng thị trường cho sản phẩm nông nghiệp trong nước Từ các nguồn nguyên liệu là một số cây trồng như mía, ngô và sắn (cho ethanol) và dừa, đậu phộng, jatropha (cho biodiesel) mở ra cơ hội thị trường sản phẩm mới cho nông dân với tiềm năng tăng thu nhập hoặc tăng năng lực sản xuất của đất canh tác hiện có, tận dụng các vùng đất hoang hóa và tạo thêm công ăn việc làm cho người dân Chính sách phát triển nguồn nguyên liệu cho sản xuất xăng sinh học phù hợp cũng sẽ tạo ra

sự đa dạng môi trường sinh học với các chủng loại thực vật mới Bên cạnh đó, việc tận dụng các nguồn phụ, phế phẩm nông nghiệp để sản xuất xăng sinh họcsẽ giúp bảođảm không ảnh hưởng đến an ninh lương thực khi phát triển xăng sinh học, đồng thời nâng cao giá trị của sản phẩm nông nghiệp Trong quá trình sản xuất xăng sinh học còn tận dụng nhiều chất phế thải từ các hoạt động sản xuất và sinh hoạt Về bản chất là cellulose sẽ là một nguồn nguyên liệu tiềm năng vô cùng to lớn để sản xuất xăng sinh học Hiện nay, khi cuộc bàn cãi về việc ảnh hưởng của xăng sinh học đến nền an ninh lương thực chưa ngã ngũ, nền sản xuất xăng sinh học trên thế giới đang tập trungvào phát triển các nguồn nguyên liệu không ảnh hưởng đến lương thực loài người nhưcác loại phụ, phế phẩm từ ngành nông nghiệp và các ngành khác (rơm rạ, vỏ trấu, chấtthải từ nhà máy giấy, rác sinh hoạt, )

5 Qúa trình sản xuất xăng sinh học.

5.1 Nguồn nguyên liệu

Xăng sinh học được sản xuất từ đường (mía, củ cải đường, sorgho đường) và tinh bột của nông phẩm (từ hạt của bắp, lúa mì, lúa, ) hay từ củ (như khoai tây, khoai mì,

…) để tạo ethanol; hay từ dầu (của hạt dừa dầu, đậu nành, đậu phộng,…) để biến chế diesel-sinh học

Ngoài ra, xăng sinh học còn sản xuất từ cellulose, chất xơ của dư thừa thực vật (rơm, rạ, thân bắp, gỗ, mạt cưa, bã mía,…), hay thực vật hoang (non crop) (như cỏ voi, vetiver, lục bình) Chẳng hạn, một ha mía cho khoảng 25 tấn bã mía (bagasse, xácmía sau khi ép), và mỗi tấn bã mía sản xuất 285 lít ethanol

Khi mà kĩ thuật đang phát triển thì xăng sinh học còn được tạo thành từ tảo

(algae)

5.2 Quy trình chế tạo etanol

Etanol là rượu no, đơn chức, chứa 2 nguyên tử cacbon, có công thức C2H5OH, có thể sản xuất theo phương pháp hóa học từ nguyên liệu etan hoặc etylen Trên thực tế etanol thường được sản xuất bằng con đường sinh học Công nghệ chiếm ưu thế hiện nay là chuyển hóa sinh khối thành etanol thông qua lên men rượu rồi chưng cất Quá trình lên men rượu này là quá trình chuyển hóa sinh hóa học Sinh khối sẽ bị men của

vi khuẩn hoặc nấm men phân hủy Phương pháp lên men có thể áp dụng đối với nhiềunguồn nguyên liệu sinh khối khác nhau

5.2.1 Biến chế từ rơm rạ

Quá trình chuyển hóa sinh khối của rơm rạ là hỗn hợp xenlulo thành etanol chỉ khác với quá trình lên men tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàngcho quá trình lên men Có sự khác nhau này là vì hỗn hợp xenlulo là tập hợp các phân

tử đường liên kết với nhau thành mạch dài (polyme cacbonhyđrat) gồm khoảng 40 - 60% xenlulo và 20 - 40% hemixenlulo, có cấu trúc tinh thể, bền Hemixenlulo chứa hỗn hợp các polyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc arabino kém bền hơn xenlulo Nói chung hỗn hợp xenlulo khó hòa tan trong nước Phức polyme thơm có trong gỗ là lignin (10 - 25%) không thể lên men vì khó phân hủy sinh học, nhưng có

thể tận dụng vào việc khác.

Quy trình trải qua hai bước chính là:

+ Bước 1: thủy phân bằng axit loãng nồng độ 0,5% để phá vỡ liên kết hyđro giữa các mạch xenlulo và phá vỡ cấu trúc tinh thể của chúng thực hiện ở nhiệt độ 200oC Kết quả thủy phân bước 1 sẽ chuyển hóa hemixenlulo thành đường C5 và C6 (chủ yếu xylo và mano) dễ lên men tạo thành etanol đồng thời bẻ gãy cấu trúc xenlulo

+ Bước 2: sử dụng axit nồng độ 2% được thực hiện ở nhiệt độ 240 oC để chuyển hóa hoàn toàn cấu trúc xenlulo đã gãy thành đường gluco C6 Quá trình thủy phân xenlulothành gluco bằng axit có thể thay thế bằng men phân hủy xenlulo

5.2.2 Biến chế từ tinh bột

Để biến chế ethanol từ tinh bột, tinh bột trước hết phải được điều chế thành

đường, rồi từ đó mới lên men rượu

+ Chế biến thành đường: Những nguyên liệu như hạt bắp chứa khoảng 70-72% tinh bột, hạt sorgho khoảng 68-70%, gạo 70-80% phải được xay nghiền thành bột, pha với nước, nấu ở 70°C rồi nấu chín ở 100-110°C (vừa diệt trùng vừa thêm đường), để nguội rồi trộn men, cho lên men 48 giờ ở nhiệt độ 36°C Men dùng thường là vi nấm Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus oryzae, Mucor, Rhizopus, vi khuẩn

Zymomonas mobilis

+ Lên men rượu: Sau khi đã chế biến thành đường rồi thì dùng máy ly tâm tách rời chất hèm để làm thức ăn gia súc Phần chất lỏng, có độ cồn (rượu) 5-15%, được chưng cất ở lò chưng nhiều tầng để tăng độ cồn Để đạt độ cồn 99.9%, trước đây dùngbenzene và cyclohexane (đắt tiền, không tái sử dụng được, và độc gây bịnh) để loại nước Kỹ thuật ngày nay dùng “chất sàng phân tử” (molecular sieve, như silica gel, zeolite, hút thấm nước nhưng không hút rượu, vì rượu có phân tử lớn hơn) thay thế, rẻtiền và hiệu quả hơn

Một kỹ thuật mới được áp dụng hiệu quả hơn, không cần phải nấu tinh bột (tiết kiệm năng lượng) là sử dụng một loại men (yeast) mới, giúp lên men biến tinh bột thành đường ở nhiệt độ 32°C.

Theo tính toán, trung bình, cứ 1 tấn bắp sản xuất được 409 lít ethanol

5.2.3 Biến chế từ đường

Đường có thể lấy từ nước mật (molasse), hay trực tiếp từ nước mía ép, hay nước

củ cải đường ép, như theo lối thủ công hay công nghiệp xưa nay Mía đường có chứa khoảng 12-17% lượng đường trong đó 90% là saccharose và 10% glucose và fructose.Khi xay nghiền sẽ thu được khoảng 95% lượng đường của mía và loại ra bã mía Sản lượng trung bình là khoảng 70- 80lít/tấn

Ethanol thu đươc từ nước mía sau quá trình lên men nhưng các quy trình thực tế liên quan lại phụ thuộc vào loại chưng cất

Trong loại đầu tiên, nuớc mía được làm nóng tới 110oC để diệt khuẩn, sau đó được gạn lọc(nhiều trường hợp nó được thực hiện sau khi trải qua quá trình làm bốc hơi) và sau đó được lên men Trong chưng cất, cái mà tạo ra cả đường và ethanol, các tinh thể được hình thành bởi quá trình cô đặc(centrifugal) được loại đi, chỉ còn lại lớp chất lỏng đặc sánh(syrup)được gọi là mật, mật có chứa tới 65% w/v đường và là phần được sử dụng để lên men Dưới những hệ thống như thế, sau quá trình lên men, chất lỏng được bơm vào khu vực chưng cất mà ở đó ethanol sẽ được tách ra(95.5% v/v ethanol, 4.5% v/v water, và aezotropic solution).Từ đây, ethanol cấp độ nhiên liệu có thể thu được hoặc sử dụng công nghệ khử nước sàng phân tử hoặc chưng cất theo kiểu đẳng phí (azeotropic) sử dụng benzene hoặc cyclohexane Qúa trình chưng cất sản sinh ra cả ethanol và nước thải gọi là stillage hoặc vinasse Chưng cất sẽ loại ra stillage gấp 10-15 lần lượng ethanol thu được Trong chưng cất từ mía đường, stillage được sử dụng để tưới tiêu và bổ sung chất màu cho cánh đồng mía

5.2.4 Biến chế từ chất xơ

Chất xơ ở đây nói chung là cellulose, hemicellulose, lignin trong thân lá, rơm rạ, trấu, gỗ, Cellulose là đường polysaccharide, có công thức (C6H10O5)n, mà số n biến thiên từ 7,000 đến trên 15,000 phân tử glucose Hemicellulose cũng là đường

polysaccharides chứa khoảng 200 đơn vị đường, là thành phần của màng tế bào thực vật Cây thực vật chứa khoảng 33% cellulose, gỗ khoảng 50%, riêng sợi bông vải (cotton) 90% Động vật ăn cỏ, mối (termite) tiêu hoá được cellulose nhờ vi sinh vật sống cọng sinh trong bao tử (như Cellulomonas), một số vi khuẩn có khả năng biến cellulose ra đường, nhờ chúng sản xuất enzyme cellulase biến cellulose ra đường

Để biến cellulose thành rượu, bắt chước theo bộ tiêu hoá của động vật ăn cỏ và mối, trước hết phải biến hoá cellulose ra đường đơn giản như hexose, pentose, bằng thuỷ phân (hydrolysis) nhờ một số acid (như trong dịch vị) và enzyme cellulase Hemicellulose tương đối dễ dàng biến thành đường chứa 5C như Xylose (C5H10O5)n, nhưng xylose không biến chế thành ethanol được Cũng vậy, với kỹ thuật hiện tại, chưa có cách biến lignin ra ethanol Vì vậy trước tiên phải loại lignin và

hemicellulose, chỉ còn lại thành phần cellulose Loại lignin bằng sulfuric acid đậm đặc, hay bằng đun sôi trong nước với sodium carbonate, hay butanol Cellulose sau đócho lên men với cellulase ở nhiệt độ khoảng 71°C trong vài ngày để biến thành

+ ß-glucosidase, cellobiase: thuỷ phân đường cellobiose thành glucose

Vi nấm Trichoderma sản xuất nhiều endo-ß-glucanase và exo-ß-glucanase, nhưng