VI SINH VẬT VÀ VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG (ETHANOL VA BIOGAS)

Kỹ thuật này hiện nay chưa hoàn hảo, hiệu năng còn kém, con men chưa hữu hiệu và đắt, chỉ một phần cellulose và lignin biến thành ethanol nên giá thành sản xuất còn cao + Công nghệ xăng

Nhóm 6

Lê Bảo Thương

Ethanol được gọi là rượu etylic, rượu nguyên chất,

rượu ngũ cốc, hay rượu uống, là một chất lỏng không màu,

dễ bay hơi, dễ cháy Là một rượu mạch thẳng, CTPT:

C2H5OH

Nó được biết đến nhiều nhất là loại đồ uống có cồn, ngoài ra còn được dùng làm dung môi, nhiên liệu từ cồn =>

Xăng sinh học

phẩm (từ hạt của bắp, lúa mì, lúa, v.v… hay từ củ như khoai tây, khoai mì, v.v…) để tạo ethanol; hay từ dầu (của hạt dừa – dầu, đậu nành, đậu phộng, v.v…để chế biến diesel- sinh học Kỹ thuật đơn giản và kinh tế nhất.

+ Công nghệ xăng sinh học thế hệ 2: từ cellulose, chất

xơ của dư thừa thực vật (rơm, rạ, thân bắp, mạt cưa, gỗ, bã mía v.v…); hay thực vật hoang (cỏ voi, vetiver, lục bình) Chẳng hạn 1ha mía cho khoảng 25 tấn bã mía (bagasse, xác mía sau khi ép), và mỗi tấn bã mía cho 285 lít ethanol Kỹ thuật này hiện nay chưa hoàn hảo, hiệu năng còn kém, con men chưa hữu hiệu và đắt, chỉ một phần cellulose và lignin biến thành ethanol nên giá thành sản xuất còn cao

+ Công nghệ xăng sinh học thế hệ 3: từ tảo (algae), kỹ thuật đang phát triển

2. Lên men trực tiếp từ đường

2.1. Lên men nhờ nấm men

Nấm men là tác nhân cơ bản gây ra quá trình lên men ethanol Thường sử dụng nấm men thuộc họ

Saccharomycetaceac, loài S.cerevisiae

Sơ lược về S.cerevisiae

Hình dạng: tế bào hình bầu dục nếu ở môi trường giàu

chất dinh dưỡng Trong điều kiện yếm khí, tế bào có hìnhtròn; ngược lại, trong điều kiện hiếu khí tế bào kéo dài hơn

- Kích thước thay đổi trong khoảng 2,5 - 10 µm × 4,5

-21µm

- Saccharomyces cerevisiae thuộc loại nấm men lên

men nổi Trong quá trình lên men, tế bào của chúng nổi

lơ lửng trong dung dịch lên men và tập trung trên bề mặt.Nhờ đó tăng diện tích tiếp xúc với cơ chất, quá trình lên men xảy ra nhanh chóng và mạnh mẽ

- Có khả năng lên men ở nhiệt độ cao ( 36 – 400C), chịu được độ acid

- Sinh sản theo kiểu nảy chồi, có khả năng sinh bào tử,

sống kị khí không bắt buộc

Cơ chế lên men

3.

Phương trình tổng quát của lên men rượu:

Điều kiện lên men:

- Cơ chất (nguồn C): tinh bột, rỉ đường

Quy trình sản xuất cồn từ tinh bột

2.2. Lên men etilic nhờ vi khuẩn

Trong số những vi sinh vật có khả năng sản xuất ra ethanol,

ngoài nấm men Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis là

sinh vật có triển vọng nhất Nó chuyển hoá phần lớn glucose thành

CO2 và ethanol, phát triển nhanh hơn nấm men và thể hiện khả năng sản sinh ethanol rất cao trong suốt quá trình lên men

Zymomonas mobilis là vi khuẩn thuộc giống Zymomonas nó

có khả năng sản xuất ethanol vượt trội hơn cả nấm men về một số mặt Nó được phân lập lần đầu tiên từ đồ uống có chứa cồn, như rượu cọ (palm wine) của châu Phi hay một loại rượu của Mehico : rượu thùa (pulque), ngoài ra còn từ chất lấy từ rượu táo hay bia củangười châu Âu

Đặc điểm:

Zymomonas là vi khuẩn Gram (-),kỵ khí, hình que.

Dài từ 2 -6 µm và rộng từ 1- 1.5µm, xuất hiện từng cái một nhưng hầu hết ở dạng cặp.

Kích thước chiều rộng lớn của Zymomonas được thể hiện

rõ qua kính hiển vi, hầu hết những vi khuẩn khác chiều rộng chỉ khoảng 0.5-0.75µm

Tế bào không có dạng bào tử, không có màng nhày vỏ bọc bên ngoài, không có lipid nội bào,không có glycogen

Con đường lên men:

Zymomonas mobilis chuyển hoá đường thành pyruvat

qua con đường ED (Entner-Doudorolff) Pyruvat sau đó lên men tạo ra ethanol và CO2 là sản phẩm duy nhất ( tương tự nấm men )

-Tuân theo sự vận động gen.

3. Lên men gián tiếp từ cellulose

Trải qua 3 giai đoạn:

- Thủy phân bằng acid

- Thủy phân bằng enzyme

- Lên men

3.1. Thủy phân bằng acid

Chia làm 2 bước:

Trong ngành công nghiệp sản xuất ethanol, người ta ưu

tiên sử dụng công nghệ thủy phân bằng acid vì giá thành

của enzyme cellulase quá cao Theo nguyên tắc bất cứ

acid nào cũng có thể sử dụng trong thủy phân, nhưng

trên thực tế, acid sunfuric vẫn được sử dụng phổ biến

nhất vì giá thành rẻ và hiệu quả tương đối cao Acid sunfuric có thể là acid đặc hoặc loãng

3.2. Thủy phân bằng enzyme

Nguồn enzyme được sử dụng phổ biến hiện nay là

Aspergillus niger và Trichoderma reesie

Trichoderma reesie Aspergillus niger

Hiện nay cơ chế thủy phân của hệ enzyme cellulase được chấp nhận diễn

ra theo các bước sau:

- Endoglucanase thủy phân liên kết β-1,4-glycosidic trong vùng vô định

hình tạo ra nhiều đầu không khử

- Sau đó exglucanase cắt các đơn vị cellobiose từ đầu không khử

- β-glucosidase tiếp tục thủy phân tạo ra cellobiose tạo ra glucose

3.3. Lên men

- Cơ chế lên men tương tự như lên men trực tiếp từ đường

- Các loại nấm men được sử dụng phổ biến như

S.cerevisiae, ngoài ra còn có S uvarum, S.oviformis, Pichia stipitis

- Vi khuẩn Zymomonas mobilis cũng thường được sử

dụng trong quá trình trong quá trình rượu hóa

S uvarum Pichia stipitis

4. Ứng dụng từ việc tạo ethanol

Xăng sinh học là hỗn hợp của xăng truyền thống và cồn

sinh học (bio-ethanol), trong đó 95% là xăng A92 không chì và 5% cồn sinh học, được sử dụng làm nhiên liệu chocác loại động cơ đốt trong như xe gắn máy, ôtô

5. Ưu, nhược điểm của công nghệ lên men ethanol

• Ưu điểm:

- Giảm lượng khí thải CO2 => giảm lượng khí thải gây

ra hiệu ứng nhà kính

- Hàm lượng các hợp chất khác trong khói thải như:

CO, SO2 , hidrocacbon chưa cháy giảm => không ảnhhưởng đến môi trường và sức khỏe con người

- Không chứa hidrocacbon thơm => không gây ung thư

- Giảm ô nhiễm môi trường đất và nước

- Có chỉ số octan cao

- Có tính bôi trơn tốt

- Thúc đẩy nền nông nghiệp phát triển

Đa dạng hóa nền nông nghiệp

6. Hiện trạng sử dụng ethanol ở nước ta

- Xây dựng nhà máy sản xuất Ethanol với Tập đoàn Itochu Nhật Bản đặt tại KCN Hiệp Phước - TP.HCM

Có công suất 100 triệu lít Ethanol/ năm với nguồn nguyên liệu từ sắn lát

- Tiếp tục đầu tư vốn chi dự án “Nhà máy sản xuất Ethanol nhiên liệu khu vực phía Bắc”

- Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4)

và một số khí khác phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ

1. Nguồn nguyên liệu

- Chất thải hữu cơ dễ phân hủy như: phân heo, phân trâu bò, các loại thực vật như bèo, rơm rạ, rau củ phế

2. Xử lý nguyên liệu

Nguyên liệu dùng để lên men tạo khí sinh học rất phong

phú, đa dạng Trước khi sử dụng cần phải chọn lọc kỹ và

xử lý sao cho phù hợp với yêu cầu và chất lượng sau :

- Giàu cellulose

- Ít Lignin

- NH4+ ban đầu khoảng 2000mg/l

- Tỷ lệ carbon / nitơ : 20/30

- Nguyên liệu phải được hoà tan trong nước

Ảnh hưởng của các loại phân đến sản lượng và thành

phần của khí thu được

Nguyên liệu Sản lượng khí

m 3 /kg phân khô

Hàm lượng CH4 (%)

Thời gian lên men (ngày)

57696068

109302021

Pha chế nguyên liệu và hỗn hợp khí sau khi lên men

ở 21 0 C

Nguyê

n liệu Sản lượng khí m

3 /kg ng.liệu Thành phần sau 21 ngày (%)

0,084

0,081

0,081

0,210,21

0,19

0,21

0,26

0,22

60,057,6

60,4

52,8

68,0

68,0

1,12,1

2,9 -

34,438,4

34,4

44,0

30,6 -

1. Cơ sở lý thuyết của công nghệ Biogas

Dựa vào các vi khuẩn lên men yếm khí phân huỷ kỵ khí các chất hữu cơ sinh ra một hỗn hợp khí có thể cháy được:

H2, H2S, NH3, CH4, C2H2,… trong đó CH4 là sản phẩm khí chủ yếu (nên còn gọi là quá trình lên men tạo Metan)

2. Quá trình lên men metan

Quá trình lên men metan chia làm 3 giai đoạn :

Giai đoạn I

Giai đoạn II : hình thành acid (pha acid)

Nhờ vào vi khuẩn Acetogenic bacteria (vi khuẩn tổng hợp

acetate), các hydrates carbon  acid có phân tử lượng

thấp (C2H5COOH, C3H7COOH, CH3COOH …) và pH môitrường ở dưới 5 nên gây thối.

Bacillus cereus

Bacillus megaterium

Giai đoạn III : hình thành khí Metan

Sản phẩm của pha acid là nguyên liệu để phân huỷ ở giai đoạn này, tạo ra hỗn hợp khí : CH4, CO2, H2S, N2, H2, và muối khoáng (pH của môi trường chuyển sang kiềm).

Methanobacterium omelianskii

- Điều kiện kị khí: Không có O2 trong dịch lên men

- Nhiệt độ: quy mô nhỏ, thực hiện ở 30- 35oC, quy mô lớn có cơ khí hóa và tự động hóa, thực hiện ở 50-

55oC

- Độ pH: 6,5- 7,5

- Các ion có nồng độ cao: Ca2+, K+, Zn2+ có ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn sinh methane

- Khuấy đều môi trường lên men: tăng cường sự tiếp xúc cơ chất

- Thời gian: 1-2 tháng

Có 2 loại hầm biogas chính :

• Loại hầm gây men chất hữu cơ theo mẻ

• Loại hầm gây men chất hữu cơ liên tục

Gây men chất hữu cơ theo mẻ :

Gây men chất hữu cơ liên tục

• Loại hấm sinh khí kiểu vòm cố định

• Loại hầm sinh khí có nắp đậy di động (như phao nối )

• Loại hầm sinh khí kiểu túi

Điện: Từ 1m3 biogas có thể tạo ra 2kw điện năng Nhiên liệu biogas có thể chạy các động cơ nhỏ như máy phát điện, bộ chuyển đổi năng lượng,…

Hơi nóng : Hơi nóng biogas được sản xuất sau quá trình làm

lạnh, dùng để cung cấp khí khi đun nóng

Phân bón sinh học : Phân sinh học trở thành phân bón sạch

gia tăng sản lượng lên đến 40 – 50%

Ưu điểm:

+Nguyên liệu phong phú, dồi dào+Khí không khói, có tác dụng đun nấu, thắp sáng

+Hệ thống biogas tương đối gọn nhẹ, dễ sử dụng, chi phí đầu tư ít, phù hợp với nhiều mô hình chăn nuôi hay các trạm dừng chân nghỉ dưỡng…

+Đặc biệt, những hộ gia đình sử dụng khí đốt từ Công nghệ biogas ống bê tông có thể tiết kiệm được khoản 40% chi phí so với sử dụng gas thông thường

+Thiết bị bị ăn mòn do H2S sinh ra

VIII. Hiện trạng sử dụng biogas ở nước ta

- Số lượng hầm biogas đã lắp đặt còn rất hạn chế do chưa có công nghệ nào hoàn chỉnh về mặt kĩ thuật, việc xây dựng, lắp đặt và sử dụng chưa thuận lợi, chi phí đầu tư xây dựng hầm còn cao so với thu nhập của nông dân, việc thay thế, sửa chữa khó khăn do thiếu

cơ sở dịch vụ kĩ thuật

- Bên cạnh đó, ở TP.HCM, nhiều nông dân ở các huyện

Củ Chi, Hóc Môn,… đã thực hiện có kết quả việc sử dụng biogas trong chăn nuôi gia đình