đề tài nghiên cứu tổng hợp ethanol từ cây lúa miến (sorghum hay sweet sorghum)

Đã từ rất lâu, dầu mỏ luôn giữ một vai trò quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế của mỗi quốc gia. Hơn 90% lượng dầu mỏ khai thác được phục vụ cho nhu cầu năng lượng như xăng nhiên liệu, nhiên liệu phản lực, diesel, nhiên liệu đốt lò. Có thể nói dầu mỏ là nền tảng của sự tăng trưởng và phát triển kinh tế của bất kì một quốc gia nào. Trong những năm gần đây, với sự leo thang của giá xăng dầu gây nhiều tác động tiêu cực đến nền kinh tế thế giới. Vì vậy việc tìm kiếm những nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo để thay thế một phần xăng dầu trở thành một vấn đề cấp thiết và được nhiều quốc gia quan tâm. Một trong những hướng đi hiệu quả là sử dụng ethanol để pha vào xăng vừa làm tăng chỉ số octane, vừa làm giảm ô nhiễm môi trường nên xăng pha cồn ngày càng trở nên phổ biến trên toàn thế giới. Hơn nữa, nước ta là một nước nông nghiệp có nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol là rất phong phú. Việt Nam sở hữu hai đồng bằng rộng lớn là đồng bằng Sông Hồng và đồng bằng Sông Cửu Long. Đây là vùng nguyên liệu lí tưởng, là tiền đề cho sự ra đời của nhà máy sản xuất ethanol từ rỉ đường ( sweet sorghum). Với những lí do như trên, đề tài nghiên cứu tổng hợp ethanol từ cây lúa miến (sorghum hay sweet sorghum) là một bước đi ban đầu cho việc sản xuất ethanol nhiên liệu phục vụ cho nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng ở nước ta.

MỞ ĐẦU

Đã từ rất lâu, dầu mỏ luôn giữ một vai trò quan trọng trong chiến lược phát triểnkinh tế của mỗi quốc gia Hơn 90% lượng dầu mỏ khai thác được phục vụ cho nhucầu năng lượng như xăng nhiên liệu, nhiên liệu phản lực, diesel, nhiên liệu đốt lò

Có thể nói dầu mỏ là nền tảng của sự tăng trưởng và phát triển kinh tế của bất kìmột quốc gia nào

Trong những năm gần đây, với sự leo thang của giá xăng dầu gây nhiều tácđộng tiêu cực đến nền kinh tế thế giới Vì vậy việc tìm kiếm những nguồn nănglượng sạch, có khả năng tái tạo để thay thế một phần xăng dầu trở thành một vấn đềcấp thiết và được nhiều quốc gia quan tâm Một trong những hướng đi hiệu quả là

sử dụng ethanol để pha vào xăng vừa làm tăng chỉ số octane, vừa làm giảm ô nhiễmmôi trường nên xăng pha cồn ngày càng trở nên phổ biến trên toàn thế giới

Hơn nữa, nước ta là một nước nông nghiệp có nguồn nguyên liệu để sản xuấtethanol là rất phong phú Việt Nam sở hữu hai đồng bằng rộng lớn là đồng bằngSông Hồng và đồng bằng Sông Cửu Long Đây là vùng nguyên liệu lí tưởng, là tiền

đề cho sự ra đời của nhà máy sản xuất ethanol từ rỉ đường ( sweet sorghum)

Với những lí do như trên, đề tài "nghiên cứu tổng hợp ethanol từ cây lúa miến (sorghum hay sweet sorghum)" là một bước đi ban đầu cho việc sản xuất ethanol

nhiên liệu phục vụ cho nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng ở nước ta

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ ETHANOL SINH HỌC

I.1 Vài nét về lịch sử sử dụng ethanol sinh học

Thời gian đầu ethanol được dùng trong y tế, trong mỹ phẩm, dùng làm dungmôi và sau này nó được biết đến như nguồn nhiên liệu cho động cơ đốt trong đượcứng dụng ở nhiều nước như Anh, Pháp, Mĩ, Canada, Brazil

Ethanol là cấu tử phối trộn làm tăng chỉ số octane của xăng:

Để tăng công suất của động cơ, ta phải tăng chỉ số nén Khi tăng chỉ số nén tacần phải tăng chỉ số octane của xăng để tránh hiện tượng cháy kích nổ của nhiênliệu Trước đây, để tăng chỉ số octane, người ta thường dùng Tetra etyl chì nhưnghiện nay nó đã bị cấm sử dụng vì chì rất độc, gây tổn thương cho hệ thần kinh trungương, gây ô nhiễm môi trường Nghiên cứu cho chúng ta thấy dùng nhóm phụ gia

là hợp chất hữu cơ chứa oxy như: metyl ter butyl ete (MTBE), etyl ter butyl ete(ETBE), methanol, ethanol, khi pha xăng sẽ làm tăng chỉ số octane của xăng, làmxăng cháy tốt hơn, giảm phát thải các khí gây ô nhiễm Mặt khác, công nghệ sảnxuất cũng không phức tạp, giá thành tương đối rẻ, thị trường dễ chấp nhận

Ngày nay có thể thấy ethanol hoàn toàn có khả năng dùng làm nhiên liệu chođộng cơ đốt trong, thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch Ethanol đựơc dùng 2dạng cụ thể sau:

 Ethanol được pha vào xăng với tỉ lệ nhỏ hơn 15% Với tỉ lệ này thì khôngcần thay đổi hay hiệu chỉnh gì động cơ xăng Tuổi thọ, độ bền của động cơkhông hề thay đổi

 Ethanol là nhiên liệu thay thế hoàn toàn cho xăng dùng cho những động cơđốt trong có cải tiến Dùng xe FFV (Flex-Fuel Vehicles- ô-tô nhiên liệu linhhoạt) Xe FFV có thể tự động nhận biết hàm lượng cồn trong bình nhiên liệu

để tự điều chỉnh góc đánh lửa sớm và thay đổi lượng phun nhiên liệu Dùng

xe FFV có tính kinh tế nhiên liệu cao hơn các xe không FFV, vì xe đã đượcthiết kế tối ưu về vật liệu, về kết cấu buồng cháy và hệ thống nhiên liệu

Nhiên liệu E85 (có 85% ethanol trong xăng) là loại nhiên liệu tốt nhất cho xeFFV Riêng trong năm 2000 Mỹ đã sản xuất 750.000 chiếc FFV Hiện nay

Mỹ có khoảng 5 triệu xe FFV cùng với 169.000 trạm bán lẻ E85 Hãng GMtrong năm 2005 đã cho ra đời hàng loạt mác xe chạy bằng nhiên liệu E85như xe Chevrolet Avalanche, Suburban và GMC Yukon XL, ChevroletSilverado và GMC, Chevrolet Tahoe cho cảnh sát Các nước khác cũng có xeFFV như BMW E85 Z4 3.0 của Đức Xe FFV hiệu Falcon và Taurus của Mỹ

tại châu Âu.[1]

I.2 Tình hình sử dụng và sản xuất ethanol sinh học

I.2.1 Sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới.[2]

Hiện nay có khoảng 50 nước trên thế giới khai thác và sử dụng NLSH ở cácmức độ khác nhau NLSH được dùng làm nhiêu liệu cho ngành giao thông baogồm: Dầu thực vật sạch, etanol, diesel sinh học, dimetyl ether (DME), ethyl tertiarybutyl ether (ETBE) và các sản phẩm từ chúng Năm 2006, toàn thế giới đã sản xuấtkhoảng 50 tỷ lít etanol (75% dùng làm nhiên liệu) so với năm 2003 là 38 tỷ lít, dựkiến năm 2012 là khoảng 80 tỷ lít; năm 2005 sản xuất 4 triệu tấn diesel sinh học(B100), năm 2010 sẽ tăng lên khoảng trên 20 triệu tấn Sản lượng etanol ở một sốnước đứng đầu trên thế giới được chỉ ra ở bảng I.1

(Ghi chú: 1 gallon Mỹ = 3,785 lít)

Bảng I.1: Tổng sản lượng ethanol hàng năm ở một số nước.[3]

Tổng sản lượng Etanol hàng năm của 15

nước đứng đầu (2004-2006)

(Triệu tấn gallon Mỹ)

Tổng sản lượng Etanol hàng năm 15 nước đứng đầu (2007) (Triệu tấn gallon Mỹ)

Năm 2005, Brazil sản xuất 16 tỷ lít etanol, chiếm 1/3 sản xuất toàn cầu Năm

2006, Brazil đã có trên 325 nhà máy etanol, và khoảng 60 nhà máy khác đang xâycất, để sản xuất xăng etanol từ mía (đường, nước mật, bả mía), và bắp; đã sản xuất17,8 tỷ lít etanol, dự trù sẽ sản xuất 38 tỷ lít vào năm 2013.

Hiện tại, diện tích trồng mía ở Brazil là 10,3 triệu ha, một nửa sản lượng míadùng sản xuất xăng-etanol, nửa kia dùng sản xuất đường Dự đoán là Brazil sẽtrồng 30 triệu ha mía vào năm 2020 Vì lợi nhuận khổng lồ, các công ty tiếp tục phárừng Amazon để canh tác mía, bắp, đậu nành cho mục tiêu sản xuất xăng sinh họcvừa tiêu thụ trong nước vừa xuất khẩu Giá xăng etanol được bán bằng nửa giáxăng thường tại Brazil

Hoa kỳ sản xuất Ethanol chủ yếu từ hạt bắp, hạt cao lương và thân cây caolương ngọt, và củ cải-đường Khoảng 17% sản lượng bắp sản xuất hàng năm ở Hoa

Kỳ dùng để sản xuất ethanol Hoa Kỳ đặt chỉ tiêu sản xuất E10 để cung cấp 46%nhiên liệu cho xe hơi năm 2010, và 100% vào 2012 Hãng General Motor đangthực hiện dự án sản xuất E85 từ cellulose (thân bắp), và hiện có khoảng hơn 4 triệu

xe hơi chạy bằng E85 Hảng Coskata đang có 2 nhà máy lớn sản xuất xăng ethanol.Hiện tại nông dân Hoa Kỳ chuyển hướng sản xuất lúa mì và bắp cho xăng sinh học,

vì vậy số lượng xuất khẩu hạt ngũ cốc giảm từ nhiều năm nay, làm giá nông sản thếgiới gia tăng vì giá cả xăng sinh học còn cao hơn xăng thường, chính phủ Mỹ phảitrợ cấp khoảng 1,9 USD cho mỗi gallon (=3,78 lít) xăng sinh học, trợ cấp tổng cộngkhoảng 7 tỷ USD/năm

Đức là nước tiêu thụ nhiều nhất xăng sinh học trong cộng đồng EU, trong đó cókhoảng 0,48 triệu tấn ethanol Nguyên liệu chính sản xuất etanol là củ cải đường.Pháp là nước thứ hai tiêu thụ nhiều ethanol sinh học trong cộng đồng Âu châuvới mức khoảng 1,07 triệu tấn etanol và diesel sinh học năm 2006 Công ty Diestersản xuất diesel sinh học và Téréos sản xuất etanol là 2 đại công ty của Pháp

Thụy Điển có chương trình chấm dứt hoàn toàn nhập khẩu xăng cho xe hơi vàonăm 2020, thay vào đó là tự túc bằng xăng sinh học Hiện nay, 20% xe ở ThụyĐiển chạy bằng xăng sinh học, nhất là xăng ethanol Thụy Điển đang chế tạo xe hơi

vừa có khả năng chạy bằng ethanol vừa có khả năng chạy bằng điện Để khuyếnkhích sử dụng xăng sinh học, chính phủ Thụy Điển không đánh thuế xăng sinh học,

và trợ cấp xăng sinh học rẻ hơn 20% so với xăng thông thường, không phải trả tiềnđậu xe ở thủ đô và một số thành phố lớn, bảo hiểm xe cũng rẻ hơn

Vương quốc Anh đặt chỉ tiêu 5% xe giao thông sử dụng xăng sinh học năm

2010 Hiện tại các xe bus đều chạy xăng sinh học Hảng hàng không Virgin (Anhquốc) bắt đầu sử dụng xăng sinh học cho máy bay liên lục địa

Ở Ân Độ, Chính phủ đã có chính sách sử dụng xăng etanol E5 hiện nay, và E10

và E20 trong những năm tới Ần Độ gia tăng diện tích trồng cây dầu lai để sản xuấtdiesel sinh học, và diện tích mía cho sản xuất xăng ethanol

Thái Lan bắt đầu nghiên cứu sản xuất xăng sinh học từ năm 1985 Năm 2001,Thái Lan thành lập Uỷ ban năng lượng sinh học (NLSH) để điều hành và phát triểnnghiên cứu NLSH Xăng E10 đã bắt đầu bán ở các trạm xăng từ 2003

Sử dụng ethanol sinh học: ethanol sinh học chủ yếu được nghiên cứu sử dụnglàm nhiên liệu:

Ethanol có thể làm phụ gia cấp oxy cho xăng (nồng độ 3%) giảm phát thải khí

CO đồng thời làm phụ gia thay thế chì tetraetyl, hoặc cũng có thể thành nguyên liệusản xuất etylterbutyleter (ETBE)- một phụ gia cho xăng Ethanol còn được dùnglàm yếu tố tăng chỉ số octan cho xăng và qua đó giảm nổ và cải thiện tiếng ồn độngcơ

Chỉ số octan ở ethanol cao nên rất thích hợp với hệ đánh lửa động cơ đốt trong của

ô tô, song chỉ số xetan thấp nên không thích hợp lắm với động cơ diezel Giải pháp

kỹ thuật đối với điều này là người ta sẽ đưa vào nhiên liệu một lượng nhỏ dầudiezel hoặc là sử dụng phụ gia

Bảng I.2: So sánh một số chỉ tiêu giữa ethanol, xăng và ETBE

TT Đặc tính nhiên liệu Ethanol ETBE Xăng (Quy ước)

1 Công thức hóa học C2H5OH C4H9-OC2H5 C8H15

4 Chỉ số octan (MON) 92 105 86

6

Áp lực bay hơi Reid là chỉ số đo

độ bay hơi của nhiên liệu (kPa) ở

150C

7 Khối lượng riêng (kg/l) ở 150C 0,80 0,74 75

8 Giá trị calo thấp hơn (MJ/kg) ở

Chỉ số octan của ethanol cao hơn xăng nên có tác dụng giảm tiếng ồn động cơtốt hơn, hơn nữa ethanol chứa oxy nên hiệu quả nhiên liệu ở động cơ được cải thiệnhơn Pha trộn với tỉ lệ hợp lý giữa etanol và xăng sẽ làm tăng hiệu quả động cơ xe.Các loại xe chạy nhiên liệu xăng pha ethanol được gọi là xe chạy nhiên liệugasohol Thông thường gasohol có tỉ lệ pha trộn 10% etanol 90% xăng không phachì (E10) Nếu xe được cải thiện bộ phận đánh lửa ở động cơ, có thể chạy với nhiênliệu gasohol E85 (85% etanol và 15% xăng) Đa số các loại xe thiết kế ở Mỹ hiệnnay có thể chạy nhiên liệu tùy ý cả E85 lẫn chạy hoàn toàn xăng (E0) Dùnggasohol có tỷ lệ pha trộn từ 10 - 30% etanol vào xăng thì không cần cải tiến động

cơ xe

Xu hướng sản xuất etanol từ nguyên liệu SK (sinh khối)

Theo nhận định của ông Donald Coxe, nhà chiến lược hàng đầu, của tập đoàn tàichính BMO Canada, một cuộc khủng hoảng lương thực mới đang xuất hiện và sẽtrở nên trầm trọng hơn bất kỳ cuộc khủng hoảng lương thực nào trước đây thếgiới từng chứng kiến Việc sử dụng đất để trồng cây nguyên liệu sản xuất nhiên liệusinh học có thể ảnh hưởng đến nguồn cung cấp lương thực, hoặc làm tăng giálương thực, đặc biệt đối với các nước đang phát triển Khi nông dân trồng câynguyên liệu có lợi hơn trồng cây lương thực sẽ làm giảm sản lượng lương thực Đểgiải quyết nguồn nguyên liệu SK sản xuất năng lượng sinh học, ngoài cây lươngthực, các quốc gia có nguy cơ thiếu nhiều năng lượng đang tìm kiếm các nguồn cây

trồng khác có thể canh tác trên đất hoang hóa, trên cạn, dưới nước, đồng thời tíchcực tìm kiếm công nghệ mới thu hiệu suất cao, tiết kiệm nguyên liệu, hạ giá thành.Tính toán sản lượng lý thuyết ethanol từ 1 tấn nguyên liệu khô như bảng I.3

Bảng I.3: Sản lượng lý thuyết Ethanol sinh ra từ 1 tấn nguyên liệu khô.[4]

Nguyên liệu

Sản lượng dự tính (theo lý thuyết) cho

mỗi tấn nguyên liệu khô

I.2.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu sinh học tại Việt Nam.[5]

Đứng trước cuộc khủng hoảng năng lượng trên, Việt Nam cũng đã tiến hànhnghiên cứu sử dụng các dạng năng lượng tái tạo Trong đó năng lượng sinh học rấtđược chú ý Các cuộc hội thảo diễn ra vào tháng 7/2006 tại Tp Hồ Chí Minh vàtháng 10/2007 tại Hà Nội đã thu hút sự chú ý của hàng trăm nhà khoa học và kinhdoanh chung quanh vấn đề xăng sinh học Qua các cuộc hội thảo này một sốchuyên gia và nhà kinh doanh đã đề cập tới vấn đề sử dụng lúa gạo, mía đường,

soughum, cây dầu lai (miền Bắc gọi là cây dầu mè - Jatropha curcas), mỡ cá ba sa

(khoảng 40.000 tấn/năm) Hội thảo cũng đề cập đến 3 lý do chính hạn chế pháttriển xăng sinh học là: (i) số lượng nguyên liệu sản xuất xăng sinh học là tinh bộtngủ cốc, mật rỉ đường và mỡ cá ba sa còn hạn chế; (ii) chưa có đầu tư thích đáng vìchưa có hỗ trợ của Chính phủ, (iii) Chính phủ chưa có chính sách, chiến lược pháttriển NLSH Các nhà khoa học và kinh doanh đang mong chờ Chính phủ ban hànhchính sách và luật lệ rõ ràng Nhiều công ty đã sẵn sàng đầu tư nghiên cứu pháttriển NLSH như mía đường Lam Sơn ở Thanh Hoá, Sài Gòn Petro, Công ty Rượu

Bình Tây, Công ty Chí Hùng, v.v Tuy nhiên chưa có một nhà kinh doanh nàodám mạnh dạn đầu tư nghiên cứu khi chính phủ chưa có chính sách quy định cụthể.

“Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025"

đã được Chính phủ phê duyệt vào ngày 20/11/2007 theo đó “Giai đoạn 2011-2015,

sẽ phát triển mạnh sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế nhiên liệutruyền thống, mở rộng quy mô sản xuất và mạng lưới phân phối phục vụ cho giaothông và các ngành sản xuất công nghiệp khác Đến năm 2020, công nghệ sản xuấtnhiên liệu sinh học ở Việt Nam sẽ đạt trình độ tiên tiến trên thế giới, với sản lượngđạt khoảng 5 tỷ lít xăng E10 và 500 triệu lít dầu biodiesel B10/năm”

Việt Nam với đất hẹp (diện tích canh tác khoảng 9,3 triệu ha), dân số đông (85triệu năm 2007), trung bình mỗi đầu người 0,11 ha), lại nghèo (GDP trung bình làUS$ 726/đầu người năm 2006), vùng sản xuất nông nghiệp chính là đồng bằng CửuLong và Sông Hồng đã quá tải Đất canh tác hiện nay phải tiếp tục sản xuất lươngthực thiết yếu cho đời sống người dân Vì vậy, Việt Nam phải tìm nguồn nguyênliệu thực vật nào để sản xuất xăng sinh học mà không ảnh hưởng đến sản xuất vàcung cấp lương thực Cụ thể là: (i) không ảnh hưởng đến diện tích đất trồng câylương thực, chăn nuôi gia súc, nuôi cá tôm hiện tại; (ii) không được phá thêm rừng;(iii) thích hợp trên diện tích đất bỏ hoang cằn cỗi, sa mạc hoá, tổng cộng khoảng 10triệu ha, gồm đất đồi trọc ở Miền Bắc (4,77 triệu ha), Bắc Trung Bộ (1,9 triệu ha),phía Nam Trung Bộ (1,63 triệu ha), và Tây nguyên (1,05 triệu ha, (iv) có hiệu quảkinh tế cao; (v) tăng lợi nhuận, giúp xoá đói giảm nghèo cho nông dân

Hiện nay, cây lúa miến ngọt (sweet sorghum) là một cây trồng được quan tâmtrrong nghiên cứu sản xuất ethanol sinh học: Trồng cây lúa miến ngọt trong mùahạn trên vùng ruộng sạ ở đồng bằng Cửu Long Trước 1960, sau khi gặt lúa sạ, tại

An Giang Châu Đốc đất bỏ hoang từ tháng 1 đến tháng 5 dương lịch là lúc mùakhô, thiếu nước canh tác Bắt đầu khoảng sau 1965, nông dân trồng cây lúa miếntrong các tháng mùa khô trên đất thiếu nước để làm thức ăn cho gia súc và cá, và

lúa thuần nông trên một số ruộng đất dọc sông rạch có khả năng bơm nước Hiệnnay, đa số đất còn bỏ hoang trong mùa khô vì thiếu nước, hay không có lợi khicanh tác lúa (vì giá xăng, phân, thuốc quá cao).

Lúa miến chịu hạn hán, chịu được đất phèn, đất mặn, đất kiềm, chịu được nướcngập, ít sâu bọ bệnh tật, ít đòi hỏi phân bón, ít tốn nước tưới (chỉ bằng 1/4 nhu cầunước của mía) Đây là loại cây trồng phù phợp với đất vùng Tứ Giác Long Xuyên

I.3 Ethanol sinh học

I.3.1 Khái niệm

Ethanol sinh học (Bio-ethanol) được sản xuất từ các loại nguyên liệu thực vậtchứa đường bằng phương pháp lên men vi sinh hoặc từ các loại nguyên liệu chứatinh bột và cellulose thông qua phản ứng trung gian thủy phân thành đường hiệnnay trên thế giới, nguyên liệu chứa đường và tinh bột được sử dụng phổ biến do chiphí sản xuất thấp

I.3.2 Tính chất lý hóa học của ethanol

Tính chất lý học: Ethanol hay Rượu etylic là một chất lỏng, không màu, mùithơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC), sôi ởnhiệt độ 78,39 oC, hóa rắn ở -114,15oC, tan trong nước vô hạn Độ nhớt của etanol

là 1,200 cP ở 20oC

Tính chất hóa học: Ethanol là rượu no, đơn chức, có công thức C2H5OH.Ethanol mang đầy đủ tính chất của một rượu đơn chức như phản ứng thể với kimloại kiềm, phản ứng este hóa, phản ứng loại nước hay phản ứng tách nước, phảnứng oxi hóa thành andehyt, axit hay CO2 tùy theo điều kiện phản ứng Ngoài raetanol còn có một số phản ứng riêng như sau:

Phản ứng tạo ra butadien -1,3: cho hơi rượu đi qua chất xúc tác hỗn hợp, ví dụ

Cu + Al2O3 ở 380-4000C, lúc đó xảy ra phản ứng tách loại nước

2C 2 H 5 OH  CH 2 =CH-CH 2 =CH + 2H 2 O + H 2

Phản ứng lên men giấm: oxi hóa rượu etylic 10 độ bằng oxi không khí có mặtmen giấm ở nhiệt độ khoảng 250C

CH 3 -CH 2 -OH + O 2  CH 3 -COOH + H 2 O I.3.3 Những lợi ích khi sử dụng ethanol sinh học

I.3.3.1 Sử dụng NLSH sẽ giảm thiểu ô nhiễm và khí nhà kính

Năng lượng sinh học (NLSH) được sản xuất từ sinh khối (SK), là loại vật liệuxuất phát từ sinh vật (chủ yếu là thực vật) và là một phần trong chu trình cacbonngắn CO2 mà cây hấp thụ từ không khí qua quá trình quang hợp sẽ quay trở lại bầukhí quyển khi chúng đã bị chuyển hóa thành năng lượng Để có thể coi đó là nguồnnăng lượng tái tạo thì ít nhất kho sinh khối đó phải được duy trì không thay đổi.Bởi vì trong chu trình không có lượng CO2 thừa và NLSH chạy xe phát tán ngượctrở lại nên NLSH có thể được coi là yếu tố "cân bằng về mặt môi trường" thuộc chutrình

I.3.3.2 Sử dụng NLSH góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp

Hiện nay, hàng năm toàn thế giới phát thải khoảng 25 tỷ tấn khí độc hại và khínhà kính Nồng độ khí CO2, loại khí nhà kính chủ yếu, tăng trên 30% so với thời kỳtiền công nghiệp (từ 280 ppm tăng lên 360 ppm), nhiệt độ trái đất tăng 0,2- 0,40C.Nếu không có giải pháp tích cực, nồng độ khí nhà kính có thể tăng đến 400 ppmvào năm 2050 và 500 ppm vào cuối thế kỷ XXI, nhiệt độ trái đất tăng thêm 2-40C,gây ra hậu quả khôn lường về môi trường sống Sử dụng NLSH so với xăng dầukhoáng giảm được 70% khí CO2 và 30% khí độc hại, do NLSH chứa một lượngcực nhỏ lưu huỳnh, chứa 11% oxy, nên cháy sạch hơn NLSH phân huỷ sinh họcnhanh, ít gây ô nhiễm nguồn nước và đất.[6]

I.4 Các phương pháp sản xuất ethanol

I.4.1 Công nghệ sản xuất ethanol tổng hợp

Tổng hợp ethanol có nghĩa là sản xuất ethanol bằng phương pháp hoá học, trênthế giới người ta sản xuất ethanol bằng nhiều phương pháp khác nhau Trong côngnghệ tổng hợp hoá dầu ethanol được sản xuất bằng dây chuyền công nghệ hydrathoá đối với khí etylen hoặc công nghệ cacbonyl hoá với methanol.

Sơ đồ I.1: Sản xuất ethanol từ etylen

Hydrat hoá: CH 2 =CH 2 + H 2 O  C 2 H 5 OH

Cacbonyl: CH 3 OH + CO + 2H 2  C 2 H 5 OH + H 2 O

I.4.2 Công nghệ sản xuất ethanol sinh học

Công nghệ này dựa trên quá trình lên men các nguồn hydratcacbon có trong tựnhiên như: nước ép củ cải đường, mía , ngô hạt, sắn, rơm dạ

(C 6 H 10 O 5 ) n + nH 2 O  nC 6 H 12 O 6  2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + Q

Sơ đồ tổng quát :

Hình I.2 Sơ đồ sản xuất ethanol sinh học

Trong quá trình sản xuất ethanol sinh học có thể phân thành 2 công đoạn là côngđoạn lên men nhằm sản xuất ethanol có nồng độ thấp và công đoạn làm khan để sảnxuất ethanol có nồng độ cao để phối trộn vào xăng

I.5 Các nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol sinh học

Nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol sinh học chủ yếu từ:

 Các loại nguyên liệu chứa đường: mía, củ cải đường, lúa miến…

 Các loại nguyên liệu chứa tinh bột: sắn, ngô, gạo, lúa mạch, lúa mì…

 Các loại nguyên liệu chứa cellulose

I.5.1 Sản xuất ethanol sinh học từ nguyên liệu chứa tinh bột

I.5.1.1 Khả năng sản xuất Bio-Ethanol từ nguyên liệu chứa tinh bột

 Sắn:

• Hiện nay, diện tích trồng sắn ở nước ta khoảng gần 500.000 ha và được phân bố chủ yếu ở Tây Nguyên và Đông Nam bộ Năng suất thu hoạch sắn tại nước ta trung bình là 15-20 tấn/ha và tăng đều qua các năm

• Hàm lượng tinh bột trong sắn tươi ở nước ta khoảng 25-35% Cứ 2,3 kg sắn tươithì có thể thu được 1kg sắn lát

• Vùng nguyên liệu sắn chủ yếu của Việt Nam tập trung tại 2 khu vực: Tây

Nguyên và Đông Nam Bộ Nhà máy sản xuất Bio-Ethanol Miền Trung sẽ sử

dụng nguồn sắn lát của khu vực Tây Nguyên và Đông Nam Bộ

 Ngô:

• Năng suất ngô của nước ta thấp, chỉ đạt ở mức 3.7 – 3.8 tấn/ha Để sản xuất 1 lít Bio-Ethanol, chúng ta cần 2,4 đến 2,6 kg ngô và giá ngô hiện nay là 4.100 đồng/kg, đồng thời hàng năm Việt Nam phải nhập khẩu khoảng 400 – 500 nghìn tấn ngô Chính vì vậy, việc sản xuất Bio-Ethanol từ ngô trong giai đoạn hiện nay

là không khả thi vì giá ngô quá cao so với sắn lát, mặc dù hàm lượng tinh bột thấphơn

I.5.1.2 Quy trình công nghệ sản xuất cồn điển hình từ nguyên liệu chứa tinh bột

Sơ đồ công nghệ:

Dịch ngọt

Sơ đồ I.3: Sản xuất ethanol từ nhiên liệu chứa tinh bột Thuyết minh sơ đồ công nghệ:

Nguyên liệu được đưa đi xử lý bởi các công đoạn như làm sạch sơ bộ để táchcác tạp chất, nghiền mịn thành bột, hòa trộn với nước tạo thành dung dịch bột Tiếptheo là quá trình nấu có thể sử dụng hơi trực tiếp hoặc gián tiếp, ở đây tinh bột sẽđược chuyển hóa bởi ezyme Alpha amylaza Dòng dịch sau khi nấu được đưa quacông đoạn đường hóa với sự có mặt của enzyme đường hóa (enzyme GlucoAmylaza) nhằm mục đích chuyển hóa tinh bột thành đường lên men Sau khiđường hóa, dịch này được đưa vào thùng lên men chuyển hóa thành rượu và CO2

Bio-Ethanol được tách ra khỏi giấm chín, nâng nồng độ lên khoảng 40-70%v/v, sảnphẩm đáy là dịch hèm được đưa qua tách bã và xử lý nước Bio-Ethanol sau cất thô

sẽ được đưa qua tháp cất tinh để tách tạp chất và nâng nồng độ cồn lên khoảng 95%v/v

Để sản xuất Bio-Ethanol nhiên liệu, sau khi chưng cất Bio-Ethanol được đưa quatách nước và tách axit để nâng nồng độ cồn lên khoảng 99,8% và được đưa đi lưutrữ

I.5.2 Sản xuất ethanol từ nguồn nguyên liệu chứa cellulose

I.5.2.1 Các nguồn nguyên liệu chứa cellulose

Về nguyên tắc ta có thể sản xuất Bio-Ethanol từ bất cứ nguồn nguyên liệunào có chứa cellulose Tuy nhiên để phù hợp tính kinh tế và điều kiện ở Việt Nam,

ta có thể sử dụng các nguồn nguyên liệu sau: rơm, trấu, bả mía, lõi ngô, vỏ ngô, cỏdại…

Bảng I.4: Sản lượng nguồn nguyên liệu chứa cellulose

Nguồn

nguyên

liệu

Sản lượng (triệu

tấn/năm)

Sử dụng cho các mục đích hiện tại

Sản lượng còn

tấn/năm)

Rơm rạ 15 Nguyên liệu, làm giấy, nấmrơm, thức ăn gia súc… 6,6-7,8

Trấu 6,7 Nhiên liệu rắn, đóng gói vàxây dựng, chất độn, đốt lò… 1,8-2,2

Bã mía 3,17 Đốt lò, điện, chế biến giấy,ván ép 0,087

Bã ngô 0,67 Thức ăn gia súc, đốt bỏ

Tuy nhiên các sản phẩm này tập trung chủ yếu ở hai đồng bằng lớn là đồng bằngSông Hồng và đồng bằng Sông Cửu Long Đây là vùng nguyên liệu lí tưởng để xâydựng nhà máy Nhưng việc thu mua và việc chuyển hóa còn gặp nhiều khó khăn,hiệu suất chưa cao

I.5.2.2 Quy trình công nghệ sản xuất ethanol từ nguyên liệu chứa cellulose

Về nguyên tắc, quá trình sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu chứa cellulose cũng giống như từ tinh bột hay rỉ đường Nó bao gồm ba bước cơ bản:

 Xử lý nguyên liệu

 Đường hóa và lên men

 Tinh chế sản phẩm (chưng cất, tách nước, bốc hơi, tách lỏng rắn)

H2O

Sơ đồ I.4: sản xuất ethanol từ nguyên liệu chứa cellulose

Nguyên liệu từ kho chứa được đưa đến nhà máy Sau đó, nguyên liệu đượcbăm nghiền nhằm phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật, tạo điều kiện thuận lợi đểquá trình thủy phân diễn ra tốt hơn, tăng hiệu suất quá trình Sau đó nguyên liệuđược đưa đến vùng tiền xử lí Đầu tiên nó được xử lí bằng dung dịch H2SO4 loãng ởnhiệt độ cao trong thời gian ngắn, giải phóng hemicellulose và các hỗn hợp khác,tạo điều kiện tốt cho quá trình đường hoá và lên men Lượng acide dư được trung

Tiền xử lý - nổ hơi

hoà bằng dung dịch Ca(OH)2 loại bỏ kết tủa CaSO4 Nguyên liệu tiếp tục được đưađến giai đoạn đường hoá bằng enzyme để biến cellulose thành glucose rồi đến côngđoạn lên men glucose và các đường khác thành ethanol bằng chủng menZymomonas mobils

Quá trình này được duy trì ở một điều kiện thích hợp (nhiệt độ, áp suất, pH,dinh dưỡng) để đảm bảo nấm men hoạt động tốt nhất Sau vài ngày, hầu hếtcellulose và xylose chuyển thành ethanol

Hỗn hợp sau khi lên men gọi là giấm chín được đưa đến giai đoạn tinh chếsản phẩm bao gồm chưng cất và tách nước Sản phẩm là ethanol 99,5%v/v đượcđưa đến bể chứa Nước thải từ giai đoạn này sau khi xử lí ở các bước tiếp theo

I.5.3 Sản xuất ethanol sinh học từ nguồn nguyên liệu chứa đường.

Sản xuất ethanol từ rỉ đường bao gồm các công đoạn sau:

 Chuẩn bị dịch đường lên men

 Gây men giống

 Lên men

 Chưng cất và tinh chế

Sơ đồ I.5: Sản xuất ethanol từ nguyên liệu chứa đường

Rỉ đường nguyên với hàm lượng chất khô hòa tan 55÷80% khối lượng (tươngđương 80 ÷ 90 Brix) Khi nồng Brix quá cao thì độ nhớt lớn, xử lý không tốt, quátrình lên men kém hiệu quả do đó cần tiến hành pha loãng Tuy nhiên nếu phaloãng quá nhiều, nồng độ Brix thấp sẽ tốn nhiều năng lượng Do đó trước tiên rỉđường sẽ được pha loãng đến độ Brix thích hợp (khoảng 45-50 Brix) và điều chỉnh

pH Sau đó tiến hành lên men, chuyển hóa đường thành cồn Dịch đi ra khỏi thùnglên men gọi là dấm chín có nồng độ cồn thấp được chuyển qua khu chưng cất baogồm chưng cất thô và chưng cất tinh để nâng độ cồn lên và thu cồn thành phẩm.Nếu sản xuất cồn nhiên liệu thì phải có thêm công đoạn tách nước làm khan cồn

I.5.3.1 Khả năng sản xuất ethanol sinh học từ cây lúa miến ngọt (sweet sorghum).

Sơ lược về cây lúa miến ngọt:

Nguyên liệu chứa đường

Dịch đường

Chuẩn bị dịch đường

Men giống

Lên menChưng cất

Tách nước

Cồn tinh

Lúa miến hay Cao lương (danh pháp khoa học: Sorghum) là một chi của khoảng 30loài thực vật trong họ Hòa thảo (Poaceae).

Hình I.1: Cây lúa miến

Lúa miến ngọt như mía, trông giống như bắp, cực kỳ dễ trồng, không những có thểlàm thức ăn chính cho hàng triệu người vùng nhiệt đới bán khô hạn của châu Phi vàchâu Á, thức ăn cho gia súc, mà còn có thể làm nguyên liệu điều chế nhiên liệu sinhhọc, trong khi phần xác bỏ đi có thể dùng trong quá trình sản xuất điện

Lúa miến ngọt hiện đang được trồng trên diện tích 42 triệu héc-ta ở 99 quốc gia vàvùng lãnh thổ, trong đó nhiều nhất ở Ấn Độ,Mỹ, Nigeria,Trung Quốc, Mexico,Sudan, Argentina

Bảng I.5: Diện tích, năng suất, sản lượng các châu lục canh tác cây lúa miến trên toàn thế giới năm 2009

Ưu điểm của cây lúa miến:

Lúa miến ngọt có thể trồng trong điều kiện khô hạn, khí hậu nóng, chịu được

mặn và ngập úng Do cây thân thiện với những vùng đất khô cằn, đất trống đồi trọc

ở các quốc gia nghèo nên nông dân không cần phải chặt phá rừng để lấy đất trồngnhư đối với cây dầu cọ hay mía

Trồng lúa miến ngọt không đòi hỏi nhiều nước nên hạn chế tối đa việc sửdụng hệ thống máy bơm tưới chạy bằng xăng dầu vốn giải phóng carbon dioxide(CO2), loại khí thải gây hiệu ứng nhà kính hàng đầu góp phần dẫn đến biến đổi khíhậu

So với bắp và mía đường (nguyên liệu sản xuất ethanol hiện nay), lúa miếnngọt chỉ “uống” 1/2 lượng nước và chỉ “ăn” 1/2 lượng phân bón.Nông dân có thểthu hoạch lúa miến ngọt làm thực phẩm hoặc trồng lấy thân để bán làm thức ăn chogia súc hoặc cung cấp cho các nhà máy sản xuất ethanol

Bảng I.6: Các quốc gia có diện tích canh tác lúa miến cao nhất thế giới (nghìn ha).

Sudan 5.045,00 4.195,00 9.864,96 6.619,33 6652,50

Đánh giá lựa chọn nguyên liệu:

Qua tổng hợp, phân tích và đánh giá sơ bộ các loại nguyên liệu đầu vào nóitrên, chúng ta thấy rằng việc sản xuất Bio-Ethanol từ nông sản có tiềm năng rất lớn

ở nước ta Đặc biệt lúa miến ngọt là một nguồn nguyên liệu có ưu thế: khả năngcanh tác dễ dàng, quy hoạch vùng nguyên liệu thuận lợi, hàm lượng đường cao và

hệ số chuyển đổi thấp, chi phí nguyên liệu đầu vào thấp nên giá Bio-ethanol có khảnăng cạnh tranh tốt hơn so với các dạng nguyên liệu khác

Do đó, dự án lựa chọn lúa miến ngọt (sweet sorghum) để nghiên cứu quátrình tổng hợp ethanol sinh học (Bio-Ethanol) vì những tính chất ưu việt của nó

II.1 Tổng quan về nguyên liệu

Lúa miến ngọt (Sorghum) là loại cây có tỷ lệ đường và protein cao, chất béo thấp,sinh khối cao so với các loại cây trồng khác như: ngô, lúa Phần lớn sinh khối câylúa miến dùng để sản xuất ethanol sinh học (thân), một số dùng làm thức ăn chongười (hạt), và chăn nuôi gia súc (thân, lá) Tuy nhiên, trong chăn nuôi cần lưu ý làsorghum có chứa một hợp chất được gọi là dhurrin mà nó khi bị phá vỡ sẽ phóngthích acid prussic (hydroxyanua, HCN) Sorghum thường có chứa dhurrin ở nồng

độ thấp, nhưng có thể gây chết cho động vật nuôi nếu ăn phải một lượng lớn

Về thành phần hóa học trong thân lá tươi của sorghgum có: 65-75% nước, 2,4%protein, 0,7% lipid, 12% glucid, và xenlulô 6,6%

Theo Nguyễn Văn Thưởng (2003) trong 1 kg thức ăn rơm sorghum có năng lượngtrao đổi là 1426 kcal, protein tiêu hóa là 17 gram; hàm lượng các chất dinh dưỡng(g/kg): chất khô 800g, protein thô 46g, lipit 18g, xơ 247g, dẫn xuất không đạm409g, Canxi 3,00g, Phôtpho 1,200g

Giá trị dinh dưỡng và thành phần hóa học chính trong hạt sorghum có 10 – 13%nước; 70 – 75% gluxid; 8 – 10% protid; 2,6 – 3,9% lipid.[7]

So sánh giá trị dinh dưỡng và thành phần hóa học của lúa miến với một số loại ngũ

cốc khác được trình bày trong bảng II.1.[8]

Bảng II.1: Thành phần hoá học của cây lúa miến, kê và ngũ cốc khác (100 g,độ ẩm 12 %.)

Loại Protei

n

1(g)

Chấtbéo(g)

Ash(g)

Chấtxơthô(g)

Carhohydra

te (g)

Nănglượng(kcal)

Ca(mg)

Fe(mg)

Thiamin(mg)

Riboflavin(mg)

Niacin(mg)

lương 10.4 3.1 1.6 2.0 70,7 329 25 5.4 0,38 0.15 4.3Ngọc

ard kê 11.0 3.9 4.5 13,6 55,0 300 22 18.6 0.33 0.10 4.2Kodo

kê 9.8 3.6 3.3 5.2 66,6 353 35 1.7 0.15 0.09 2.0

Bảng II.2: Thành phần hóa học so sánh với các loại nguyên liệu hay dùng sản xuất ethanol (100 gram, 12% ẩm độ).

Loại Protein

(g)

Fat(g)

Ash(g)

Xơ(g)

Carbohydrate(g)

Energy(kcal)

Ca(mg)

Fe(mg)

CHƯƠNG 2 SẢN XUẤT ETHANOL TỪ CÂY LÚA MIẾN NGỌT

II.2 Xu hướng sản xuất ethanol từ cây lúa miến hiện nay

Theo nghiên cứu Almodares và Hadi (2009), lúa miến ngọt có 2 bộ phận sử dụng

để sản xuất ethanol là dịch đường và bã thân cây Kết quả nghiên cứu dựa trênnhững tổng hợp và đánh giá của các công ty tại Ấn Độ như sau: [13]

II.1 Sơ đồ sinh khối và ethanol thành phẩm thu được trên 1 hecta (tấn/lít/ha)

Thân cây được ép bởi một chuỗi máy nghiền Kết quả thu được dịch đường và bã

Bã được xử lý để sản xuất enzym đồng thời hóa đường và lên men tiếp tục chưngcất, khử nước thu được ethanol lignin và chất rắn

Dịch đường thu được đưa qua sàng lọc, tiệt trùng bằng cách đốt nóng lên đến

1000C, sau đó được lọc sạch bằng cách đưa qua máy lọc chân không Sau đó dịchđược cho bay cô đặc từ 16-18 Brix đến mức tối thiểu ở 65 Brix đem đi lưu trữ.Hoặc dịch cũng có thể cho lên men ngay Quá trình lên men dựa vào hóa học, sinh

hóa và vi sinh học Dịch ép được chuyển thành ethanol nhờ men Saccharomyces cerevisiae Công đoạn tiếp theo là chưng cất và khử nước Trong quá trình chưng

cất, ethanol từ sự ủ men đã được cô đặc đến 95% và tiếp tục cô đặc ethanol đếnmức 99,6% (mức tối thiểu).

Quá trình sản xuất ethanol từ hạt lúa miến ngọt giống như từ hạt bắp Hạt sau khirửa sạch, xay nát Nguyên liệu tinh bột được nấu thành gelatin, hóa lỏng và hóađường sử dụng men α-amylase và glucoamylase để tạo ra glucose Lên men, cô đặc

và khử nước giống như thân lúa miến ngọt Tuy nhiên các phụ phẩm từ hạt khônggiống như từ thân vì các viên khô dễ tan có hàm lượng chất dinh dưỡng cao được

sử dụng cho chăn nuôi công nghiệp

Trong chương này, chúng tôi chỉ đề cập chi tiết tới hai thành phần chính của câylúa miến là dịch ngọt và bã là hai nguyên liệu; mà hiện nay đa số các công ty đangdùng để sản xuất ethanol

II.3 SẢN XUẤT ETHANOL TỪ NGUYÊN LIỆU CELLULOSE (BÃ THÂN CÂY)

Bã thu được sau quá trình nghiền, ép thân cây và loại bỏ dịch đường Cũng giốngnhư rơm dạ, thân bắp hay cỏ dại chúng có thành phần cấu tạo chất là khá giốngnhau Nhưng về cơ bản chúng được cấu tạo từ 3 hợp chất (cellulose, hemicellulose,lignin) và chỉ khác nhau về tỉ lệ giữa chúng

II.3.1 Thành phần bã lúa miến

Cellulose: Công thức phân tử: (C6H10O5)n

Có hàm lượng dao động trong một khoảng rất lớn (chiếm 40÷60%) khối lượng thựcvật) và tùy thuộc vào từng loại thực vật, lúa gạo là 34÷38%, rơm lúa mì là 36÷42%.[10]

Là thành phần cấu tạo chủ yếu của màng tế bào thực vật và là hợp chất chính củanguyên liệu chứa cellulose để sản xuất ethanol Nguyên liệu càng giàu cellulose thìsản xuất ethanol càng đạt hiệu quả cao