báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - phòng thí nghiệm năng lượng sinh học

báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - phòng thí nghiệm năng lượng sinh học

LỜI CẢM ƠN

Thực tập quá trình & thiết bị là cơ hội để nhóm sinh viên thực tập chúng em tiếp cận vàtìm hiểu thực tế thông qua những kiến thức lí thuyết đã học tại trường trong suốt những nămqua

Trải qua thời gian thực tập tại phòng thí nghiệm năng lượng sinh học – ĐH Bách Khoa

TP HCM, được tham gia vận hành một số thiết bị, chúng em đã học hỏi nhiều kiến thức thực

tế, những kinh nghiệm quý báu, được tiếp xúc môi trường và điều kiện làm việc nơi đây Cóđược những kiến thức đó, chúng em xin chân thành cảm ơn sự tận tình giúp đỡ từ thầy cô vàcác anh chị tại đây

Chúng em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Đình Quân Cảm ơn Thầy đã tạo điềukiện thuận lợi cho chúng em được thực tập tại Xưởng, đã truyền đạt cho chúng em nhữngkinh nghiệm quý báu, đã giúp đỡ và hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực tập.Xin chân thành cảm ơn chú Nguyễn Văn Khanh, Chị Trần Phước Nhật Uyên, Chị Vũ LêVân Khánh, anh Lê Nguyễn Phúc Thiên, và anh Phan Đình Đông đã tận tình hướng dẫnchúng em trong suốt quá trình thực tập, sẵn sàng giúp đỡ chúng em giải đáp những vướngmắc, trao đổi với chúng em những kinh nghiệm quý báu trong quá trình làm việc và trongcuộc sống

Chúng em xin cảm ơn khoa Kỹ thuật hóa học nói chung và bộ môn Quá trình &Thiết bịnói riêng đã tạo điều kiện để chúng em có cơ hội được thực tập tại đây, xin cảm ơn thầyNguyễn Sĩ Xuân Ân đã tạo điều kiện và hướng dẫn tận tình để chúng em hoàn thành đợt thựctập này

Nhận xét của Cán bộ hướng dẫn:

- -………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng…… năm 2012.

Cán bộ hướng dẫn: Xác nhận của phòng Thí nghiệm.

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:

- -

Tp Hồ Chí Minh, ngày……tháng…… năm 2012.

Xác nhận của bộ môn.

MỤC LỤC

I Nghiên cứu ethanol từ rơm rạ: 4

1.Tình hình nước ta hiện nay 5

2.Tình hình sản xuất ethanol từ biomass: 5

II Tổng quan về phòng thí nghiệm 6

1 Lịch sử hình thành và phát triển 6

2 Sơ đồ tổ chức mặt bằng 8

3 An toàn lao động 9

4 Xử lí phế thải 11

III Quy trình công nghệ 11

1 Dạng năng lượng sử dụng 11

2 Sơ đồ khối quy trình 12

2.1 Quy trình sản xuất ethanol từ rơm rạ 13

2.2.Khí hóa trấu để chạy hồi hơi 26

IV Thiết bị 28

1 Máy cắt thô 28

2 Máy cắt mịn 29

3 Máy ép 30

4 Thiết bị nổ hơi 32

5 Thiết bị thủy phân và lên men đồng thời 34

6 Bình chứa 36

7 Tháp chưng cất 36

7.1.Tháp chưng cất thô 36

7.2 Tháp chưng cất tinh 38

8.Thiết bị khí hóa 39

9.Buồng đốt khí syngas (burner) 39

10 Nồi hơi 40

V Một số sự cố và khắc phục trong quá trình vận hành 41

VI Nhận xét và đề nghị của sinh viên 42

I Nghiên cứu ethanol từ rơm rạ:

1.Tình hình nước ta hiện nay

Theo thống kê của các cơ quan chức năng, hàng năm, nước ta có sản lượng thóc khoảng 40 triệu tấn Cứ 1 tấn thóc thu hoạch thì có 2 tấn rơm rạ, trấu Đối với số phụ phẩm này, nông dân thường có tập quán đốt bỏ, hoặc xả thẳng ra kênh rạch, phơi bừa bãi ven đường lộ gây khói bụi, ônhiễm môi trường, Khói rơm rạ là nguồn tạo ra các khí CO, CO2, NO2, SO2, H2O, các chất nhựabay hơi và hàng trăm hợp chất khác có hại cho sức khỏe con người Rơm rạ thối mục là nguồn sinh khí metan, làm tăng lượng khí thải vào bầu khí quyển, là 1 nguồn ô nhiễm đáng kể gây nên hiệu ứng nhà kính, làm tăng nhiệt độ của trái đất, biến đổi khí hậu toàn cầu Khi đốt các chất hữu

cơ có trong rơm rạ và trong đất, do nhiệt độ cao sẽ biến thành chất vô cơ làm cho đồng ruộng bị khô, chai cứng Phần tro còn sót lại không giúp ích mấy cho cây trồng

Cách xử lý rơm rạ như hiện nay là một sự lãng phí nguồn nhiên liệu vô cùng lớn, gây ô nhiêmmôi trường Do vậy việc tận dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả rất được quan tâm bởi các nhà quản lý, nhà khoa học trong và ngoài nước Và phương pháp đang được quan tâm đặcbiệt là sản xuất ethanol từ các phế phẩm nông nghiệp trên

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 trường và có thể thay thế được cho xăngnhiên liệu Ethanol làm nhiên liệu này hoàn toàn có thể sản suất được từ nguồn cellulose như rơm

rạ, trấu, bã mía,… Theo đánh giá sơ bộ, lượng rơm rạ hằng năm, nếu được chuyển thành ethanol,hoàn toàn có khả năng thay thế toàn bộ nhu cầu xăng dầu cả nước hiện nay

2.Tình hình sản xuất ethanol từ biomass:

Cho đến nay, trên thế giới việc sản xuất ethanol từ biomass nói chung và từ rơm rạ nói riêngvẫn chưa được thực hiện với quy mô công nghiệp Lý do lớn nhất của vấn đề này là hiệu quả kinh

tế mang lại của việc sản suất nhiên liệu ethanol so với nhiên liệu truyền thống như xăng dầukhông cao Ở các nước có nguồn biomass phụ phẩm nông nghiệp dồi dào như Canada và Mỹ,Nhật những dự án sản xuất ethanol từ rơm rạ với quy mô bán công nghiệp (vài chục tấn mộtngày) đang dần được nghiên cứu và triển khai Các nước bắc Âu như Hà Lan, Thụy Điển cũngđang có các dự án xây dựng nhà máy sản suất và tinh chế ethanol dùng cho động cơ Trong khi

đó đối với những nước đang trên đà phát triển và có nguồn rơm rạ dồi dào như Việt Nam thì việcsản xuất này cũng đang dần được quan tâm Ở Việt Nam, ethanol cũng được sản suất với sảnlượng khoảng 25 triệu lít mỗi năm Trong đó chủ yếu là làm từ mật rỉ, ngô, gạo và khoai mì, chủyếu phục vụ cho các ngành công nghiệp thực phẩm và hóa chất Tuy nhiên, tình hình lương thựcđang ngày càng khan hiếm Với dân số tăng cao và quỹ đất dành cho sản xuất nông nghiệp ngàycàng bị thu hẹp thì việc sản xuất cồn từ các nguyên liệu truyền thống trên rất khó được mở rộng

để đáp ứng cho nhu cầu nhiên liệu ngày một 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 thế nên ngày càng nhiều những dự án nghiên cứu và triển khai sử dụng năng lượngđịa phương để thay thế dần dầu mỏ Trong tình hình đó ethanol là một giải pháp được đánh giá

cao cho khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai Tiềm năng lớn và thân thiện vớimôi trường là 2 ưu điểm lớn của loại nhiên liệu này.

II Tổng quan về phòng thí nghiệm.

1 Lịch sử hình thành và phát triển.

Hiện nay, công nghệ sản xuất xăng sinh học từ ethanol với nguyên liệu sắn, ngô,khoai… rất phổ biến, nhưng nhiều quốc gia cảnh báo rằng, điều này sẽ ảnh hưởng đến an ninhlương thực thế giới Để tìm nguồn thay thế, nhiều nghiên cứu đang hướng đến việc tận dụngphụ phẩm trong nông nghiệp như rơm, rạ, vỏ trấu, bã mía… để sản xuất ethanol

Ở nước ta, dự án “Kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương với công nghiệp chếbiến biomass” do JICA (Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản) tài trợ, có nhiệm vụ xây dựng vàphát triển công nghệ sản xuất bioethanol từ các nguồn biomass là phế thải nông nghiệp như:rơm, rạ, vỏ trấu, bã mía… bước đầu đã thành công ở quy mô phòng thí nghiệm Sản phẩm sẽđược ứng dụng vào mục đích làm nhiên liệu cho động cơ và các thiết bị đốt công nghiệp

Dự án JICA được thực hiện trong khuôn khổ hợp tác nghiên cứu giữa trường Đại họcBách Khoa Tp.HCM và Viện Khoa học Công nghiệp thuộc trường Đại học Tokyo Dự ánhướng đến xây dựng phương pháp luận nhằm kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phươngvới nền công nghiệp chế biến sinh khối, thiết lập quy trình tinh chế bằng phương pháp sinhhọc quy mô nhỏ tại khu vực Từ đó, xây dựng chu trình tự cung tự cấp các nhiên – vật liệusinh học Trong khuôn khổ dự án, hai mô hình thí điểm về “Tổ hợp thử nghiệm quá trình chếbiến sinh khối” và “Mô hình xưởng thực nghiệm kết hợp bền vững nền nông nghiệp địaphương và nền công nghiệp chế biến sinh khối” được thiết lập

Mục tiêu nghiên cứu của xưởng thực nghiệm là phản hồi lại mục tiêu chung của dự án,triển khai những kết quả thí nghiệm đạt được ở quy mô phòng thí nghiệm, hiểu được toàn bộquy trình và hệ thống, cải tiến và phát triển các trang thiết bị

năng lượng sinh học

Dự án bắt đầu năm 2009 và kết thúc vào năm 2014 Từ năm 2009 tới cuối năm 2010 làgian đoạn lắp đặt nhà xưởng và cung cấp thiết bị, máy móc Đầu năm 2010 phòng thí nghiệmbắt đầu đi vào hoạt động

Địa điểm xây dựng: Xưởng thực nghiệm với tên gọi là phòng thí nghiệm năng lượngsinh học, được xây dựng trong khuôn viên trường Đại học Bách Khoa Tp HCM Xưởng nằmsau lưng tòa nhà C4 và C5, từ cổng 3 trường ĐHBK (đường Tô Hiến Thành) đi thẳng vàokhoảng 100m sẽ thấy xưởng nằm bên phải

Hình 2: Địa điểm xây dựng phòng thí nghiệm.

2 Sơ đồ tổ chức mặt bằng.

Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học gồm có 2 lầu.Lầu 1 và lầu 2 là được sử dụng làmphòng thí nghiệm và phân tích.Tầng trệt là xưởng thực nghiệm và phòng làm việc, nghỉ ngơi củanhân viên

Hình 3: Xưởng thực nghiệm.

Các cụm thiết bị chính của xưởng:

1/ Máy nổ hơi rơm (công suất 350 kg/h)

2/ Bồn lên men (thể tích 800 L)

3/ Tháp chưng cất thô (tháp mâm xuyên lỗ, công suất 100 L/mẻ)

4/ Tháp chưng cất tinh chế (tháp đệm, công suất 100 L/mẻ)

- Không phận sự miễn vào

- Khi vận hành thiết bị phải nắm rõ các thao tác vận hành và giới hạn an toàn của thiết bị đểtránh xảy ra sự cố cho thiết bị và người vận hành Đặc biệt, với nồi hơi là thiết bị làm việc ở ápsuất và nhiệt độ cao nên rất nguy hiểm, vì vậy, người vận hành nên có ít nhất 2 năm kinhnghiệm.

- Sử dụng dụng cụ và thiết bị đúng chức năng để tránh hư hỏng và tăng tuổi thọ của dụng cụ vàthiết bị

- Tất cả các van trong hệ thống cần được cài đặt và kiểm tra kỹ càng bởi hội đồng trước khi vậnhành

- Giai đoạn cắt rơm: phải mặc áo bảo hộ, đeo mắt kính, khẩu trang chống bụi rơm, mang găngtay bảo vệ tay không bị ngứa khi bốc rơm bỏ vào máy cắt, chân mang giày không được mangdép phòng chống rủi ro có thể xảy ra như bị ngứa dị ứng với bụi rơm Đọc bảng hướng dẫn antoàn sử dụng thiết bị cắt trước khi tiến hành làm việc

Giai đoạn ngâm kiềm, trung hòa acid: phải đeo bao taychống thấm, mặc áo bảo hộ, mang tạp dề bằng nhựa dẻophía trước người, đeo khẩu trang, đi ủng cao su bảo vệchân, đội mũ có tấm kiếng bảo vệ mặt để tránh hóa chất rơi trúng mặt, vào mắt, v.v…

- Giai đoạn chưng cất: cho lượng nguyên liệu vào thiết bị chưng cất sao cho không vượtmức quy định an toàn của thiết bị

- Những thiết bị đang vận hành ở nhiệt độ cao được treo biển cảnh báo

4 Xử lí phế thải.

- Than trấu: là phế thải sinh ra trong quá trình đốt lò bằng trấu nhằm cung cấp nhiệt cho hơinước đun nóng thiết bị chưng cất Sau quá trình đốt lò, than trấu được đem ra sân chứa, công ty

môi trường và một số dịch vụ khác (chăm sóc cây kiểng, v.v…) sẽ thu nhận hoặc thu mua về đểlàm phân bón.v.v…

- Xử lý khí thải: cần nghiên cứu nồng độ CO2 thải ra môi trường đạt tiêu chuẩn hay không

- Rơm rạ: trong quá trình lên men, lượng rơm không được lên men hoàn toàn sẽ được đem rasân phơi nắng cùng với lượng rơm bị thừa thải trong quá trình cắt, quá trình nổ hơi nhẹ, v.v…vàđược công ty môi trường thu nhận dùng làm phân bón cho cây trồng

- Dung dịch kiềm dùng thủy phân rơm rạ: sau quá trình ép rơm rạ, nước thải sẽ được trung hòabằng dung dịch acid, lượng acid được cho vào từ từ đến khi pH của nước thải đạt khoảng

6-7 sẽ thải ra đường cống

- Dung dịch trung hòa: sau khi ép đợt 1 cho ra nước thải kiềm, rơm rạ sẽ được trung hòa bằngacid Sau một khoảng thời gian trung hòa nhất định, rơm rạ được ép đợt 2, nước thải này đãđược đo pH trong quá trình trung hòa rơm bằng acid, vì vậy không cần đo lại pH, thải trực tiếp

ra đường cống

- Phế phẩm sinh ra trong quá trình chưng cất: thải trực tiếp ra đường cống

III Quy trình công nghệ.

Syngas: là dạng năng lượng sinh học được sản xuất từ trấu, dùng trong quy trình tạo hơinước cung cấp cho thiết bị lên men và tháp chưng cất

Nước: Lấy từ hệ thống máy bơm, cung cấp cho hầu hết quá trình tại xưởng: làm mát, cungcấp cho nồi hơi, máy nổ hơi…

Khí nén: Dùng để điều khiển tự động một số chi tiết thiết bị

2 Sơ đồ khối quy trình.

2.1 Quy trình sản xuất ethanol từ rơm rạ.

2.1.1 Nguyên liệu.

Rơm lúa:(giống Trâu Năm Mới) được thu mua từ xã Thái Mỹ (huyện Củ Chi, Tp.HCM)

trong 2 tuần sau khi gặt và phơi dưới nắng Rơm được đựng trong các túi 25 kg và giữ ở nơikhô ráo

Thành phần hóa học của rơm: Thành phần hoá học chính của rơm bao gồm: Hydrat cacbon,

lignin- là những thành phần cấu tạo nên thành tế bào nguyên liệu

Trong hydrat cacbon gồm 2 thành phần chủ yếu là cellulose và hemicellulose, chúng khác nhau

về trọng lượng phân tử, cấu trúc, tính chất hoá học

- Cellulose

Là hợp chất cao phân tử, đơn vị mắt xích là D – glucopyrano liên kết với nhau bằng liên

kết β -1,4-glucoxit Các đơn vị mắt xích chứa ba nhóm hydroxyl, một nhóm rượu bậc

một, hai nhóm rượu bậc hai

Cấu trúc cellulose theo Haworth

Số monomer có thể đạt từ 2 000 đến 10 000, độ trùng hợp này tương ứng với chiều dài

mạch phân tử từ 5,2- 7,7mm Sau khi thực hiện quá trình nấu gỗ với tác chất, độ trùng

hợp còn khoảng 600-1500 Cellulose không tan trong nước, trong kiềm hay axit loãng,

nhưng có thể bị phân huỷ và bị oxy hoá bởi dung dịch kiềm đặc ở nhiệt độ >150o C Ở

nhiệt độ thường nó có thể hoà tan trong một số dung môi như dung dịch phức đồng –

amoniac Cu(NH3)4(OH)4, cuprietylendiamin(CED), cadimietylediamin…Một số axit cũng cóthể hoà tan cellulose như H2SO4 72%, H3PO4 85%

- Hemicellulose

Cũng là những hydrat cacbon nhưng là loại polysaccarit dị thể Các đơn vị cơ sở là đườnghexose hoặc đường pentose Độ bền hoá học và bền nhiệt của hemicellulose thấp hơn so

với cellulose, vì chúng có độ kết tinh và độ trùng hợp thấp hơn (độ trùng hợp <90) Đặc

trưng của nó là có thể tan trong dung dịch kiềm loãng So với cellulose nó dễ bị thuỷ

phân hơn trong môi trường kiềm hay axit

- Lignin

Lignin là nhựa nhiệt dẻo, mềm đi dưới tác dụng của nhiệt độ và bị hòa tan trong một số tác chấthóa học Trong gỗ, bản thân lignin có màu trắng Lignin có cấu trúc rất phức tạp, là mộtpolyphenol có mạng không gian mở, đơn vị cơ bản là phenyl propan và trong phân tử luôn chứanhóm metoxyl (OCH3) Các đơn vị mắt xích này được liên kết với nhau bằngmột số kiểu liên kếtnhư: β-O-4 (chiếm chủ yếu 40 – 60 %), α-O-4 (chiếm 5 – 10 %), CO-C, C-C…Lignin có liên kếtchặt chẽ với hydrat cacbon đặc biệt là có liên kết hoá học với hemicellulose Trong quá trình chếbiến bột giấy, người ta dùng tác động cơ học hoặc hoá học để hoà tan lignin hoặc biến tính lignin

để giải phóng các bó sợi cellulose

Vi sinh lên men đường thành rượu: chủng S Cerevisiae là một sản phẩm của hãng Ethanol

RedTM, Pháp

Saccharomyces có khoảng 40 loài (Van Der Walt, 1970) và các loài trong giống này đượcbiết nhiều do chúng được ứng dụng trong làm nổi bánh, bia, rượu Chúng hiện diện nhiều

trong sản phẩm có đường, đất, trái cây chín, phấn hoa Nấm men cấu tạo gồm vỏ tế bàothành phần là carbohydrat, lipid, protein dầy khoảng 0,5 µm, màng tế bào chất, tế bào chất và

nhân S cerevisiae thường có cấu tạo hình elip, đường kính lớn từ 5-10nm và đường kính nhỏ

từ 1-7nm, tế bào gia tăng kích thước theo độ tuổi Thể tích tế bào đơn bội là 29 mm3 và tế bàolưỡng bội là 55 mm3 Các tế bào của nấm men mang cấu trúc và chức năng của eukaryote bậccao, được sử dụng như là một mô hình hữu ích đại diện cho các tế bào eukarylote Các thànhphần cấu trúc và hóa học của tế bào được được minh họa theo bảng 1 và bảng 2

Bảng 1 : Thành phần các chất có trong cấu trúc của nấm men được lạnh đông khô

Thành phần trong cấu trúc Phần trăm khối lương khô

Độ ẩmProteinCarbohydrateAcid nucleicLipidChất khoáng

Bảng 2: Các thành phần hóa học trong nấm men đông khô

Thành phần Phần trăm khối lượng khô (%)Cacbon

HydroOxyNitơPhosphoMagiêKali

48.26.533.86.01.00.042.1

Hình 5 : Nấm men Sacchromyces cerevisiae dưới dạng bột khô.

Từ những thành phần trên Rosen đã cho rằng nấm men có sự hình thành cấu trúc của

C4.02H6.5O2.11N0.43P0.03 Các phân tử carbonhydrate là thành phần cấu trúc: thành tế bào và các hợpchất liên quan đến nguồn dinh dưỡng dự trữ, khả năng kháng stress, như là glycogen và trehalose.Vách ngăn bao phủ tế bào chất (plasmalemma) chiếm khoảng 15-25% trên tổng khối lượng

tế bào Thành tế bào nấm men có cấu trúc thay đổi tùy biến phù hợp với các điều kiện ngoại cảnh

và ở các giai đoạn khác nhau của chu kì sống Tùy theo cấu trúc và điều kiện tăng trưởng và quátrình trao đổi chất, thành tế bào chứa những enzyme có khả năng tạo điều kiện thuận lợi cho việcvận chuyển các phân tử vào trong tế bào chất Khoảng không gian giữa màng trong và màngngoài (periplasme) của thành tế bào từ 25-45A

Các tế bào S cerevisiae chứa 1 lượng chitin rất nhỏ ( khoảng 1% khối lượng khô) tập trung

nhiều nhất tại các điểm nảy chồi, nơi đóng vai trò quan trọng trong sự phân bào (khi chồi vừachớm nở) Trong nấm men mạng lưới các sợi 1,3-β-glucan chiếm tới 40% khối lượng khô củavách tế bào, có ảnh hưởng chính đến cơ chế cân bằng của vách tế bào 1,3-β-glucan được tổnghợp tại bề mặt của tế bào và chứa những chuỗi hẹp trung bình khoảng 1500 đơn vị glucose 1,3-β-glucan có cấu trúc sợi và vô định hình Sự hình thành này chỉ ra khả năng giữ vững hình dạng

và cấu trúc vững chắc của vách tế bào cũng như tính đàn hồi Các sợi glucan không tan trongnước, kiềm và acid acetic trong khi đó phần vô định hình hòa tan trong nước và acid nhữngkhông hòa tan trong kiềm Hai polysacharide khác nhau,1,6-β-glucan và chitin đã được liên kếtvới 1,3-β-glucan và có những chức năng khác vượt trội hơn là chỉ ổn định hình dạng và tính bềnvững cho vách tế bào

Một lượng nhỏ lipid và phophate vô cơ là thành phần trong mạng lưới vách tế bào Lượng

lipid chứa trong S cerevisiae chứa khoảng 2-15% Đối với tế bào khỏe mạnh bề mặt tế bào mang

lưới có điện tích âm, được cho rằng các chuỗi phosphate nằm trên lớp mannoprotein ngoài Bềmặt tế bào có cấu trúc kị nước, các liên kết trên lớp màng chủ yếu là lipid, nằm trên lớp váchngoài phức tạp

Những tác động của pH thấp, hàm lượng đường cao và khả năng chịu áp suất thẩm thấu của

tế bào là những yếu tố đánh giá cho màng tế bào Khi nấm men làm quen với môi trường chứa ápsuất thẩm thấu cao thì kết quả mang lại sau quá trình lên men là nồng độ ethanol từ 12-15% khi

đó lại trở thành tác nhân có hại cho nấm men Ngoài ra sự thiếu hụt các chất dinh dưỡng cũng gây

ra những biến động đáng kể cho sự sinh trưởng của nấm men Do đó phải cân nhắc trong cácphương pháp và kỹ thuật lên men

Quá trình sinh sản của nấm men thường thông qua sinh sản vô tính, phân chia tế bào bất đốixứng (nảy chồi) tế bào con được hình thành giống hệt tế bào mẹ Dưới điều kiện thích hợp tế bàocon sẽ phát triển khỏe mạnh như tế bào mẹ Quá trình này kéo dài đến khi các tế bào bị lão hóa

và chất dinh dưỡng bị cạn kiệt, sau đó tế bào chết Chu trình sinh trưởng của nấm men đượcnghiên cứu đóng một vai trò quan trọng trong công nghiệp cũng như là đại diện cho tế bàoeukaryote Trên thực tế nấm men có một hệ gen nhỏ tuân theo những kĩ thuật di truyền và chu kì

tế bào được xảy ra nhanh chóng cho thấy khả năng ứng dụng trong phòng thí nghiệm

Hình 6: Chu kỳ sinh sản của tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae

Enzyme: Enzyme đường hóa cellulose (cellulase) được đặt mua từ công ty Meiji Seika (Nhật).

Enzyme là những chất xúc tác sinh học có bản chất protein và rất không ổn định, hoạt động

ở vùng pH trung tính hoặc gần như trung tính (72), kim loại nặng và nhiệt độ cũng ảnh hưởnglớn đến enzyme

Enzyme là những chất xúc tác sinh học, có nhiều trong cơ thể sống Việc điều chế chúngbằng phương pháp hóa học với số lượng lớn là việc làm rất khó khăn và đầy tốn kém nếu khôngmuốn nói là điều không tưởng, nên người ta thường thu nhận chúng từ các nguồn sinh học Mặc

dù enzyme có trong tất cả các cơ quan, mô của động vật thực vật cũng như trong tế bào vi sinhvật, song việc tách enzyme đáp ứng yêu cầu về mặt kinh tế chỉ có thể tiến hành khi nguyên liệu

có chứa một lượng lớn enzyme cũng như cho phép thu được enzyme với hiệu suất cao và dễ dàngtinh chế chúng Việc phân bố của enzyme trong tế bào cũng không đồng đều, trong một loại tếbào cũng có thể có nhiều enzyme này song không có enzyme khác Lượng enzyme lại thay đổitùy theo giai đoạn sinh trưởng phát triển của sinh vật và tùy theo loài nên chúng ta phải chọnnguồn nguyên liệu thích hợp cho việc chiết rút và tinh chế enzyme Có ba nguồn nguyên liệu sinhhọc cơ bản: các mô và cơ quan động vật, mô và cơ quan thực vật, tế bào vi sinh vật

Hóa chất: NaOH (pellet, 99.9 %), acid HCl (37 wt %), H2SO4 đậm đặc (72 wt %), cồntuyệt đối (99+ %), L-lactic acid (99%), khí helium (99.999 %) là những sản phẩm được mua

từ Công ty Hóa chất Công nghiệp Việt Nam Nước cất khử ion được mua từ khu Công nghệcao (Thủ Đức)

2.1.2 Thuyết minh quy trình.

Tóm gọn thì quy trình sản xuất ethanol từ rơm rạ gồ 3 bước: tiền xử lí, thủy phân và lên men, cuối cùng là chưng cất.

Tiền xử lí bao gồm nhiều công việc : xử lí cơ học gồm cắt và nổ hơi, xử lí hóa học Tiền xử

lí bao gồm rất nhiều công đoạn khác nhau vậy vì sao lại phải tiền xử lí và liệu có thể bỏ quacông đoạn này hay không?

Để chuyển hóa các carbohydrate (cellulose và hemicellulose) trong lignocellulose thành ethanol,các polymer phải bị bẻ gãy thành những phân tử đường nhỏ hơn trước khi vi sinh vật có thể hoàn

tất quá trình chuyển hóa Tuy nhiên, bản chất của cellulose lại là rất bền vững trước sự tấn côngcủa enzyme, nên bước tiền xử lý là bắt buộc để quá trình đường hóa glucose có thể diễn ra tốt.Cellulose ban đầu có thể bị phá hủy bởi acid mà không cần được tiền xử lý Tuy nhiên, ngày nayngười ta thường dùng enzyme để thủy phân lignocelllulose.

Những yếu tố về cấu trúc và thành phần ảnh hưởng đến khả năng chống lại sự tấn công của enzyme của lignocellulose gồm có :

- Sự bao bọc của lignin quanh cellulose: lignin cùng với hemicellulose tạo thành cấutrúc mô vững chắc cực kì Những mô được bền hóa với lignin tương tự như nhựađược gia cố bằng sợi, trong đó lignin đóng vai trò kết dính những sợi cellulose Trongthiên nhiên, lignin bảo vệ cellulose khỏi những tác động của môi trường và khí hậu.Lignin là yếu tố ngăn cản sự tấn công của enzyme đến cellulose được công nhận nhiềunhất Tuy nhiên quá trình loại bỏ lignin thường kèm theo sự phân hủy hemicellulose.Ngay cả trong phương pháp tiền xử lý nguyên liệu bằng kiềm ở nhiệt độ thấp, loại bỏđược 70% lignin thì cũng có 5% hemicellulose bị hòa tan

- Bề mặt tiếp xúc tự do của cellulose: liên quan đến bề mặt tiếp xúc của cellulose vớienzyme, và thể tích xốp Tuy nhiên, bề mặt tiếp xúc tự do này có liên quan đến độ kếttinh và sự bảo vệ của lignin

- Sự hiện diện của hemicellulose: cũng như lignin, hemicellulose tạo thành lớp bảo vệxung quanh cellulose

- Mức độ acetyl hóa của hemicelluloses: Đây là yếu tố ít được quan tâm, xylan, loạihemicellulose chính trong gỗ cứng và cây thân cỏ bị acetyl hóa với tỉ lệ rất cao Ảnhhưởng này tồn tại đến khoảng 75% hemicellulose bị deacetyl hóa

Nói tóm lại, quá trình tiền xử lý nhằm :

- Tăng vùng vô định hình của cellulose

- Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass

- Phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose

2.1.2.1.Cắt rơm: Rơm ban đầu được cắt 2 lần qua máy cắt thô và máy cắt mịn để ra rơm sản

phẩm có chiều dài từ 2-3 cm làm tăng bề mặt tiếp xúc và thuận lợi cho quá trình nổ hơi

2.1.2.2 Nổ hơi.

Cơ chế

Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước là một quá trình tác động cơ học, hóa học và nhiệt độlên hỗn hợp nguyên liệu Nguyên liệu bị phá vỡ cấu trúc dưới tác dụng của nhiệt, hơi và áplực do sự giãn nở của hơi ẩm và các phản ứng thủy phân các liên kết glycosidic trong nguyênliệu Quá trình nổ hơi nước gồm các giai đoạn sau: Làm ẩm nguyên liệu, giảm áp đột ngột

Hình 7: Cơ chế của quá trình nổ hơi.

Các yếu tố ảnh hưởng

Quá trình nổ bằng áp lực hơi nước chịu ảnh hưởng lớn bởi 2 yếu tố: nhiệt độ và thời 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 được thủy phân càng nhiều.Nhưng nếu giữ nguyên liệu ở trong thiết bị quá lâu sẽ dẫn đến sự phân hủy các sản phẩm thủyphân tạo ra các sản phẩm không cần thiết Việc thủy phân hemicellulose giúp cho quá trình thủyphân cellulose diễn ra thuận lợi hơn

 Nhiệt độ: nhiệt độ có mối quan hệ chặt chẽ với áp suất trong thiết bị Nhiệt độ càng cao thì áp

suất càng cao và ngược lại Sự gia tăng áp suất làm tăng sự chênh lệch giữa áp suất trong thiết bị

và áp suất khí quyển Từ đó ảnh hưởng đến lực cắt của ẩm khí hóa hơi

Hình 8: Cấu trúc của rơm sau khi qua quá trình nổ hơi.

Hình 9: Rơm sau khi qua thiết bị nổ hơi nước.

Ưu nhược điểm của quá trình nổ hơi nước: