Ứng dụng công nghệ sinh thái trong quá trình sản xuất xăng sinh học từ bã xác mía của nhà máy đường Phổ Phong tỉnh Quảng Ngãi

+nước thải từ khu ép mía:nước được dung ngâm ép mía và làm mát các trục của máy ép.Loại nước thải này có BOD cao và có chưa dầu mỡ.Chiếm 25-30% trọng lượng mía đem ép,mật rỉ 3-5% +nước t

Ứng dụng công nghệ sinh thái trong quá trình sản xuất xăng sinh học từ bã xác mía của nhà máy đường Phổ Phong tỉnh Quảng Ngãi

NỘI DUNG :

-Không gian hệ sinh thái

-Quy mô,quy trình nhà máy

-Hiện trạng nhà máy

-Giải pháp công nghệ sinh thái cho nhà máy

I.Không gian sinh thái

a) Vị trí địa lí:

-Được xây dựng tại quốc lộ 24,xã Phổ Phong,huyện Đức Phổ,tỉnh Quảng Ngãi

- Phía Đông giáp: Suối Khoai và đồi núi hiện hữu

- Phía Tây giáp: Núi Tam Cọp.

- Phía Nam giáp: xã Phổ Nhơn

- Phía Bắc giáp: Sông Ba Liên.

b) Đặc điểm khí hậu:

-Nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa ,có 2 mùa mưa nắng rõ rệt, mùa mưa từ tháng 9-12,mùa khô từ tháng 1-8

-Có 2 mùa gió chính là gió mùa đông với hướng gió thịnh hành là tây đông bắc và gió mùa hạ với hướng gió chính là đông nam

-Tốc độ gió trung bình 2-4m/s,nhiệt độ trung bình trong năm là 25.8oC.

- Lượng mưa cả năm đạt 1.915mm

Hình 1: sơ đồ khu công nghiệp nhà máy đường Quảng Ngãi

II.Giới thiệu quy trình và quy mô:

1.Qui mô:

-diện tích: tổng diện tích 147.5ha ,là một trong 115 khu công nghiệp tập trung của cả nước

-nguyên liệu:2000 tấn/ngày

-chức năng và nhiệm vụ:

+sản xuất ,cung ứng sản phẩm đường trắng RS,mật rỉ

+chịu trách nhiệm về mọi hoạt động sản xuất kinh doanh trước ban Giám đốc công ty và pháp luật của nhà nước,các quy định về bảo vệ môi trường

-một số mặt hàng sản xuất tại nhà máy:

+sản phẩm chính:7459.000 tấn đường

+mật rỉ đường: 3714 tấn

+sản phẩm phụ: khối lượng bùn:3053 tấn

2.Giới thiệu quy trình:

a).Quy trình công nghệ sản xuất đường

Sơ đồ:

hình 2:nguyên liệu

hình 3:bã mía

Nguyên liệu

Dao băm 1

Máy hút sắt từ

Băng tải 1

Lò hơi bã

Máy ép dập

Hình 4:bã bùn

Thùng chưa nước

bơm

Gia nhiệt(t=65-700C)

Sunfit hóa lần

I(pH=3,4-3,8)

Tản hơi

Gia nhiệt

II(t=100-1040C)

bùn

Sàn lọc

Nấu đường

Sản phẩm

b).Diễn tả quy trình:

Mía được thu hoach từ các vùng nguyên liệu được vận chuyển về nhà máy Đầu tiên sẽ lấy mẫu mía sau đó cho vào giàn cầu và đưa đến dao băm để chặt từng khúc nhỏ rồi đưa qua máy hút từ để hút kim loại có trong mía(từ việc băm mía) Đưa nguyên liệu mía đến máy ép ,ở đây sử dụng 4 máy ép để lấy lượng nước có trong cây mía.Còn bã sau khi ép được bang tải cao su nối tiếp băng tải đưa đến lò hơi để làm nhiên liệu đốt

Rồi trải qua các công đoạn gia nhiệt,sunfit hóa.Sau đó được bơm lên hệ thống dẫn khí,tách khí,giảm áp lực của dung dịch làm cho nước mía đi vào thiết bị lắng dễ dàng.Tại thiết bị lắng người ta cho chất trợ lắng nhằm tách các tạp chất lơ lửng ra khỏi nước mía hỗn hợp.Ta thu được bã bùn và nước lọc.Nước đường còn lại đi nấu đường rồi cho ra sản phẩm đường

III.Hiện trạng nhà máy

 Bụi,khói tập trung từ khu ép míavà đốt bã gây ra

Xác bã mía phơi khô được tận dụng đem đốt để cung cấp nhiệt cho các động cơ nhà máy nên lượng khí thải CO2,CO,bụi… tập trung quanh nhà máy gây ô nhiễm nặng khu vực xung quanh nhà dân

Hình 5:khói bụi thải từ nhà máy

 Khối lượng bã xác mía rất lớn chưa có cách xử lí

Hình 6:bã xác mía sau khi ép

 Tiếng ồn từ các máy móc động cơ

 Ánh sáng chưa được thông thoáng

 Nhiệt tỏa ra từ các khu lò hơi,tuabin ,hóa chế và nấu đường

 Nguồn nước thải bã mía chưa được xử lí thải ra sông Ba Liên:

Nhà máy đường vận hành không đúng quy trình xử lí môi trường Lượng nước thải vượt quá tiêu chuẩn,quy chuẩn về chất thải

+nước thải từ khu ép mía:nước được dung ngâm ép mía và làm mát các trục của

máy ép.Loại nước thải này có BOD cao và có chưa dầu mỡ.Chiếm 25-30% trọng lượng mía đem ép,mật rỉ (3-5%)

+nước thải rửa lọc,làm mát,rửa thiết bị và rủa sàn: nước làm mát được dùng với

lượng lớn và thường được tuần hoàn hết hoặc một phân trong quy trình sản xuất.Nước làm mát thường nhiễm bẩn một số chất hữu cơ bay hơi từ nước đường đun sôi trong nồi nấu.Nước chảy tràn từ các tháp làm mát thường có giá trị BOD thấp

Nước rò rỉ và nước rửa sàn ,nước rảu thiết bị tuy có hàm lượng thấp và được xả định kỳ nhưng có hàm lượng BOD

+nước thải từ các khu lo hơi: gồm các chất lơ lửng cao và có giá trị BOD thấp ,nước

thải mang tính kiềm

Hiên nay, lưu lượng và hàm lượng các chất hữu cơ,các chất dinh dưỡng cao,nước thải nhà máy đường đang làm ô nhiễm nặng các nguồn tiếp nhận.Đường có trong nước thải chủ yếu là đường saccarozo và glucozo và fructozo

Các loại đường này có trong nước dễ phân hủy trong nước ,chúng có khả năng gây kiệt nguồn oxi trong nước,làm ảnh hưởng đến quá trình ví sinh vật trong nước

Trong quá trình công nghệ sản xuất đường,ở nhiệt độ cao hơn 550C các loại đường glucozo và fructozo bị phân hủy thành các hợp chất có màu bền.Ở nhiệt độ cao hơn

2000C,chúng chuyển hóa thành caramen(C12H18O9)n.Đây là dạng bột cháy tan trong nước,có màu nâu sẫm,vị đắng.Phần lớn các sản phẩm phân hủy của đường có phân tử lượng lớn nên khó thắm qua màng vi sinh.Để chuyển hóa chúng,vi sinh vật phải phân

rã chúng thành nhiều mãnh nhỏ để có thể thấm vào tế bào.Các chất lơ lửng có trong nước thải còn có khả năng lắng xuống đáy nguồn nước.Quá trình phân hủy kị khí các này sẽ làm cho nước có màu đen và có mùi hôi thối

Hình 7:nước thải đổ ra sông Ba Liên

 Nguồn năng lượng nhà máy đều lấy từ việc đốt bã mía làm quay động cơ….

Hình 8:lò đốt bã xác mía

IV.Đề xuất phương pháp công nghệ sinh thái:

Xăng sinh học (Biogasoline) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử

dụng ethanol hoặc buthanol như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, cellulozo, lignocellulose Buthanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống

Nhà máy đường Phổ Phong là nhà máy sản xuất đường lớn trong cả nước.Hàng năm,lượng bã mía thải ra nhà máy rất lớn.Đa số chúng được sử dụng làm nguyên liệu đốt trong các nhà máy.Các nguyên liệu phế phẩm hiện nay đang sử dụng không hiệu quả,đa

số chúng dung để đốt hoặc thải bỏ vì vậy sẽ gây ra ô nhiễm môi trường rất lớn

Trong các loại nguyên liệu phế phẩm thì bã mía có ưu điểm hơn so với các loại nguyên liệu khác như:rơm,rạ…là hàm lượng xenlulozo cao hơn Vì vậy,ứng dụng công nghệ để sản xuất buthanol để sản xuất nhiên liệu sinh học là nhiệm vụ cấp bách hàng đầu

Mô hình sinh thái trong sản xuất đường tại nhà máy Phổ Phong:

a).Giới thiệu ehanol:

Ethanol là một ancol có công thức phân tử C2H5OH

Llà 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 15 độ C), dễ bay hơi (sôi ở nhiệt độ 78,39 độ C), hóa rắn ở -114,15 độ C, 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.Ứng dụng ưu việt lớn của ethanol là sử dụng để pha trộn vào xăng là nhiên liệu cho các động cơ Ethanol được đề xuất như là một nguồn nhiên liệu thay thế diesel và xăng

b).Giới thiệu về bã mía

Mía là cây công nghiệp lấy đường quan trọng của ngành công nghiệp đường Trong thân mía chứa khoảng 80-90% nước dịch, trong dịch có chứa

khỏang 16-18% đường Vào thời kì mía già, người ta thu hoạch mía rồi đem ép láy nước dịch Nước dịch mía được chế lọc và cô đặc thành đường Phần nguyên liệu còn lại sau khi chiết xuất đường được gọi là bã mía Bã mía chiếm khoảng 25-30% khối lượng mía đem ép Bã mía có thể làm nguyên liệu đốt lò, Bã mía còn lại sau khi ép có thể đốt để sản xuất nhiệt lẫn điện năng

Ngoài ra, với mục đích thân thiện với môi trường do được làm từ phụ phẩm của nguyên liệu sản xuất đường, bã mía được sử dụng trong sản xuất nhiên liệu sinh học từ ethanol,buthanol

Tuy nhiên, bã mía sau khi được ép thường được nhà máy đem phơi khô rồi đốt cung cấp nhiệt cho lò đốt động cơ.Như vậy, nguồn nguyên liệu phế phẩm này hiện nay đang sử dụng không hiệu quả và gây ô nhiêm môi trường

Bã mía là phần xơ còn lại của thân cây mía sau quá trình ép mía Bã mía gồm có sợi xơ, nước và một lượng tương đối nhỏ các chất hòa tan chủ yếu là đường.Thành phần trung bình của bã mía bao gồm:

-cellulozo:nó là một polysaccarid đồng nhất bao gồm những đơn vị lặp lại

cellobiose.Phân tử cellulozo có dạng mạch thẳng,không xoắn.Độ trùng hợp lên khoảng 2000-14000

Các đơn vị glucozo trong cấu trúc cellulozo liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glucoside.Trong vách tế bào các chuỗi cellulozo xếp song song thành sợi,các sợi cellulozo hình thành nên các sợi cơ bản

Cấu trúc phân tử cellulozo

Giữa các chuỗi cellulozo có rất nhiều gốc OH tạo nên rất nhiều liên kết hydro giúp ổn định các sợi cellulozo ,làm cho sợi cellulozo rất bền vững thủy phân

Sợi cellulozo có thể kết hợp với nhau một cách chặt chẽ,có trật tự hình thành nên vùng có cấu trúc tinh thể.Bên cạnh đó cũng có một số sợi cellulozo kết hợp một cách ngẫu nhiên hình thành nên cấu trúc vô dịnh hình

hemicellulozo : đóng vai trò là chất kết dính các tế bào Hemicellulozo là một nhóm các

polysaccaide không đồng nhất gồm sự kết hợp của glucozo,mannozo,galacozo… Hemicellulozo có cấu trúc phân nhánh với những chuỗi ngăn hơn so với cenllulozo

Độ trùng hợp 150,thấp hơn cellulozo.Ngoài một số hợp phần đường,hemicellulozo có thể chứa các thành phần khác ở dạng acetyl hoặc uromic acid.Sự phân nhanhstrong cấu trúc của hemicellulozo tạo điều kiện thuận lợi cho dung môi và các chất hóa học tấn công.Trong quá trình xử lí nhiệt, hemicellulozo dễ bị phân hủy nhiệt ở 150-230oC

Cấu trúc hemicellulozo Lignin:được tạo thành từ 3 đơn vị phenylpropan cơ bản:p-coumaryl,sinapyl và conifer

Cấu trúc của đơn vị phenylpropan

c).Quy trình công nghệ tổng hợp ethanol:

hình 10:nấm men Saccharomyces

Nguyên liệu(bã xác mía)

Nghiền nhỏ

Tiền xử lí

Thủy phân

Chưng cất

ethanol

Diễn tả quy trình:

1.Nghiền nhỏ: nguyên liệu được nghiền nhỏ bằng máy nghiền.Vật liệu trong máy nghiền

nhỏ do sự va đập cảu búa vào thành vật liệu và sự chà sát giữa búa và thành máy.Các hạt vật liệu sau khi nghiền có kích thước nhỏ hơn lỗ lưới sẽ đi ra ngoài,các hạt có kích thước lớn hơn sẽ tiếp tục nghiền

Hinh 11:máy nghiền búa

2.Tiền xử lí:nhằm xử lí biomass để phá vỡ cấu trúc lignocellulozo nhằm giúp quá trình

thủy phân xenlulozo tạo ra các monosaccharide diễn ra mạnh mẽ và triệt để.Quá trình tiền

xử lí biomas chịu ảnh hưởng của các yếu tố như:kích thước lỗ xốp,tỉ lệ vùng kết tinh của xenllulozo.Quá trình tiền xử lí giúp tách loại lignin, tăng khả năng xúc tác trên cấu trúc phân tử cenllulozo.Bên cạnh đó, quá trình tiền xử lí còn thủy phân hemicellulozo

Phương pháp nổ hơi bằng áp lực nước: là một quá trình tác động cơ học,hóa học và nhiệt

độ lên hỗn hợp nguyên liệu.Nguyên liệu bị phá vỡ cấu trúc dưới tác dụng của nhiệt ,hơi

và áp lực do sự giãn nở của hơi ẩm và cấc phản ứng thủy phân các liên kết glycosidic trong nguyên liệu

Cơ chế

Quá trình nổ hơi nước:

Nước được gia nhiệt và giữ ở áp suất cao trong thiết bị phản ứng Hơi nước ngưng tụ ở áp suất cao khuếch tán vào cấu trúc lignocellulozo bị thủy phân.Sau đó một số sản phẩm của quá trình thủy phân hemicellulozo bị phân hủy thành các acid hữu cơ như acid acetic và acid uronic.Các acid này lần lượt tham gia vào quá trình phân cắt mạch hemicellulozo,giải phóng xylozo và một phần glucan.Các vùng vô định hình của cenlulozo cũng bị thủy phân một phần

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 ép đưa ra ngoài qua lỗ nhỏ.Ẩm trong biomass đang ở áp suất cao.Khi hỗn hợp đi ra khỏi thiết bị, áp suất giảm đột ngột.Tại đây diễn ra quá trình phân cắt nguyên liệu.Quá trình phân cắt nguyên liệu diễn ra dưới tác dụng cơ học và hóa học.Nước trong nguyên liệu đang ở nhiệt độ và áp suất ca.Áp suất giảm đột ngột làm giảm nhiệt độ bốc hơi của nước xuống thấp hơn nhiệt đô hiện có của nguyên liệu.Nước có mặt trong cấu trúc biomass bị bốc hơi.Sự giãn nở của hơi nước tạo

ra lực cắt tác động lên khối nguyên liệu

A:phản ứng thủy phân tạo hợp chất phenolic

B:phản ưng tạo quinie

C:phản ứng tạo ra hỗn hợp các sản phẩm phụ như phenol, acid carboxylic, oligilignol

Hình 7:quá trình phân hủy lignin điển hình

-các yếu tố ảnh hưởng:quá trình nổ hơi nước chịu ảnh hưởng lớn tới bởi 2 yếu tố:

Thơi gian lưu: thời gian lưu ảnh hưởng đến sự thủy phân của hemicellulozo.Thời gian lưu của nguyên liệu trong thiết bị phản ứng càng dài thì hemicellulozo được thủy phân cang nhiều.Nhưng nếu giữ nguyên liệu ở trong thiết bị quá lâu sẽ dẫn đến sự thủy phân các sản phẩm thủy phân tạo ra các sản phẩm không cần thiết.Việc thủy phân hemicellulozo giúp cho quá trình thủy phân hemicellulozo diễn ra thuận lợi hơn

Nhiệt độ:nhiệt độ môi quan hệ chặt chẽ với áp suất trong thiết bị.Nhiệt đô càng cao thì áp suất càng cao và ngược lại.Từ đó ảnh hưởng đến lực cắt của ẩm khí hóa hơi

Hình 12: máy tiền xử lí biomass

3.Thủy phân:mục đích của quá trình thủy phân nguyên liệu là để tạo ra đường làm cơ

chất cho quá trình lên mên tạo thành ethanol Quá trình thủy phân cần đạt được các yêu cầu sau:

+thủy phân hemicellulozo,cellulozo tạo ra hàm lượng đường lên men cực đại

+ hạn chế sự phân hủy cacsbohydrat den muc tối đa

+giảm sự hình thành furural và các hợp chất phenolic

+có hiệu quả kinh tế cao

-quá trình thủy phân acid ban đầu chỉ phá vỡ cấu trúc cellulozo ở một nhất định.

Cơ chế:

-acid xâm nhập vào mạng lưới các vi sợi của biomass.Chất xúc tác chính là các

ionhydrogen có kích thước 4A0.Trong khi kích thước lỗ trong vi sợi cho phép các phần tử

có kích thước 51A0 đi vào.Do đó các ion hydrogen dễ dàng len lỏi vào mạng lưới vi sợi của cấu trúc biomass

-xúc tác quá trình thủy phân: ion hydrogen kết hợp với nguyên tử oxy nằm trong cấu trức mạch vòng của gốc glucozo làm cho nguyên tử này tích điện dương.Sau đó liên kết

O-C1bị cắt,phần điện tích dương dich chuyển sang C1.Cuối cùng,phân tử cộng hợp nước tạo

ra glucozo

Cơ chế thủy phân bằng acid.

Sản phẩm của quá trình thủy phân là các đường tan chủ yếu là glucozo,xylozo.Quá trình thủy phân cũng tạo ra các acid yếu,các furan và phenolic.Đây là những chất bất lợi cho lên men

4.Lên men

Bản chất của quá trình lên men là oxy hóa khử.Quá trình này diễn ra trong cơ thể vi sinh vật dưới tác động của enzyme.Trong các quá trình đó,các nguyên tử cacbon của cơ chất

bị oxy hóa đến CO2 còn các nguyên tử hydro tách ra khỏi cơ chất,đầu tiên được chuyển đến NDA,sau đó NADH2 trong điều kiện yếm khí.Sự tạo thành ethanol từ glucozo phải

qua nhiêu giai đoạn sau đó pyruvate sẽ chuyển thành ethanol theo phương trình sau:

Sự tạo thành pyruvate.

-vi sinh vật được chọn là nấm men Saccharomyces cerevisiae.Đây là nấm men được dùng

nhiều trong sản xuất ethanol.Nó có nhiều ưu điểm như:hiệu suất coa,ít tạo sản phẩm phụ,chịu được nồng độ ethanol

Các yếu tố ảnh hưởng:

Nhiệt độ:mỗi vi sinh vật đều có một điều kiên tối ưu nhất cho sư phát triển của

chúng.Đối với nấm men Saccharomyces cerevisiae ,nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng

28-320C.Ở nhiệt độ cao,hoạt tính của nấm men giảm nhanh và dễ bị nhiễm vi sinh vật như vi

khuẩn lactic và nấm men dại.

Độ pH:nồng độ ion H+ ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nấm mưn.Chúng có khả năng làm thay đổi diện tích tế bào,làm tăng hoặc giảm nồng độ thẩm thấu cảu chất dinh dưỡng cũng như chiều hướng cảu quá trình lên men.Trong điêỳ kiện lên men ethanol,pH tối ưu

là 4,5-5.Nếu pH thấp khoảng 3-4 thì nấm mưn bị ức chế