Tìm hiểu quy trình công nghệ sản xuất bio ethanol từ nguyên liệu sắn lát khô và tính toán, kiểm tra và đánh giá tháp cất tinh trong công nghệ của nhà máy ethanol bình phước

Tìm hiểu quy trình công nghệ sản xuất bio ethanol từ nguyên liệu sắn lát khô và tính toán, kiểm tra và đánh giá tháp cất tinh trong công nghệ của nhà máy ethanol bình phước

LỜI MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề:

Như chúng ta đã biết dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm khoảng 60-80% nguồnnăng lượng của thế giới Với tốc độ tiêu thụ như hiện nay và trữ lượng dầu mỏ hiệncó,nguồn năng lượng này sẽ nhanh chống cạn kiệt trong vòng 40-50 năm nữa Bêncạnh đó giá xăng dầu hiện nay đang biến chuyển phức tạp do nhu cầu dầu thô ngàycàng lớn và những bất ổn tại những nước sản xuất dầu mỏ.Hơn nữa sản phẩm củanguyên liệu này đã và đang gây ôi nhiễm môi trường trên toàn thế giới như gây hiệuứng nhà kính, thủng tầng ozon làm trái đất nóng dần lên ,các khí thải như H2S,Sox…làm mưa axit.Để đối phó với tình hình đó con người đã tìm ra các nguồn năng lượngmới thay thế như;năng lượng mặt trời ,năng lượng gió ,năng lượng nước,nhiên liệusinh học… Trong số các nguồn năng lượng mới thay thế thì nhiên liệu sinh học đượcthế giới quan tâm nhất là các nước nông nghiệp và nhập khẩu nhiên liệu Do các lợi íchcủa nó như :Công nghệ sản xuất không quá phức tạp ,tận dụng nguồn nguyên liệu tạichỗ,tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp.Các loại nguyên liệu sinh học diesel sinhhọc ,ethanol sinh học ,biogas…

Bio-Ethanol là nhiên liệu sinh học phổ biến nhất ,chiếm trên 90% tổng cácnhiên liệu sinh học đang sử dụng ,với nồng độ cồn trên 99,5%,có trị số octan caokhông gây ô nhiễm môi trường được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu chủ yếu làtinh bột(sắn, ngô, khoai ) ,rỉ đường ,nguyên liệu chứa cellulose (rơm rạ,mùn, cưa cây

cỏ …) của nông nghiệp Ethanol cũng là một nhiên liệu tiềm năng có thể được sửdụng như năng lượng thay thế hay thay thế một phần (pha trộn với xăng thànhE5,E10…)để giảm sự phát thải khí nhà kính đang được nhiều quốc gia quan tâmnghiên cứu và khuyến khích sử dụ

Hơn nữa ,nước ta là một nước nông nghiệp có nguồn nguyên liệu để sản xuấtethanol là rất phong phú, Nguồn nguyên liệu rất phong phú, phương pháp tồn tại ởViệt Nam từ rất lâu và đã được tính toán, nghiên cứu rất chi tiết,hiệu suất quá trìnhcao, giảm giá thành sản phẩm Với điều kiện thực tế Việt Nam trong thời điểm hiện tại

đó thì phương pháp đi từ nguồn nguyên liệu chứa tinh bột (đặc biệt là sắn).Hiện naynước ta đã và đang xây dựng nhiều nhà máy sản xuất ethanol với nguồn nguyên liệuchủ yếu là tinh bột (đặc biệt là sắn)

Bình Phước là tỉnh có nghề trồng sắn lâu đời, sản lượng sắn đứng thứ 3 toàn

quốc sau Tây Ninh và Gia Lai Diện tích bán ngập thuộc lòng hồ Thác Mơ và vùngvành đai quanh hồ (8 xã thuộc 2 huyện Phước Long và Bù Đăng) là nguồn cung cấp

sắn trực tiếp, dự kiến chiếm khoảng 20% nhu cầu của nhà máy trong năm đầu tiênhoạt động và sẽ tăng lên khi được đầu tư Bình Phước có đường biên giới chung vớitỉnh Bou Doul Gri, Karache, và Kong Pong Cham qua các cửa khẩu Hoàng DiệuHuyện Bù Đốp , Hoa Lư (Huyện Lộc Ninh), và Tavat (Huyện Lộc Ninh) Hàng năm,hàng trăm ngàn tấn sắn lát khô được nhập khẩu vào Việt Nam qua các cửa khẩu biên

giới này.Bình Phước nằm trong vùng kinh tế động lực Đông Nam Bộ, có hệ thống

giao thông khá hoàn chỉnh và môi trường đầu tư năng động Các sản phẩm của Nhàmáy (ethanol, CO2, nguyên liệu cho sản xuất thức ăn chăn nuôi và phân vi sinh) có thịtrường kề cận là các tỉnh có nền công nghiệp phát triển mạnh nhất bao gồm BìnhDương, Đồng Nai và Thành phố Hồ Chí Minh Nghiên cứu và phát triển nguồnnguyên liệu cây sắn theo hướng sử dụng đất nghèo dinh dưỡng, đất khó khăn là việclàm có hiệu quả cao của tỉnh Bình Phước (Hoàng Kim và Trần Công Khanh, 2005),đây là hướng hỗ trợ chính cho việc thực hiện Đề án “Phát triển nhiên liệu sinh họcđến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tạiquyết định số 177/2007/ QĐ-TT ngày 20 tháng 11 năm 2007, Khởi công xây dựngnhà máy sản xuất Bio-Ethanol Bình Phước vào Tháng 3/2010

Với lý do trên em chọn đề tài :Tìm hiểu về quy trình công nghệ sản xuất Ethanol từ nguyên liệu sắn lát khô và tính toán ,kiểm tra và đánh giá tháp cất tinh trong công nghệ của nhà máy Ethanol Bình Phước

Bio-II Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu đề tài này cung cấp cho ta nhiều kiến thức về nhiên liệu Ethanolsinh học, quy trình công nghệ sản xuất Ethanol tiên tiến cho hiệu suất sản phẩm caonhất Dựa trên Dựa trên việc tính toán một thiết bị chính ta đưa ra được đánh giá sơ bộđiều kiện và chế độ hoạt động của một dây chuyền công nghệ phù hợp Ngoài ra tacòn đề xuất xu hướng phát triễn mở rộng diện tích trồng sắn làm nguồn nguyên liệuchính sản xuất Ethanol

III Nhiệm vụ:

Tìm hiểu tổng quan về nhiên liệu Bio-Ethanol ,nguồn nguyên liệu và công nghệsản xuất ethanol của nhà máy Tính toán ,kiểm tra đanh giá sơ bộ về điều kiện và côngsuất làm việc của tháp chưng cất trong sơ đồ công nghệ của nhà máy Ngoài ra còntìm hiểu thêm một số dây chuyền công nghệ và nguồn nguyên liệu sản xuất Ethanol

NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

I Vài nét về lịch sử ,sử dụng nhiên liệu ethanol

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 nhiên liệu.Trước đây để tăng chỉ số octane, người ta thường dùng Tetra etyl chì nhưng hiện nay

nó đã bị cấm sử dụng vì chì rất độc, gây tổn thương cho hệ thần kinh trung ương, gây

ô nhiễm môi trường Nghiên cứu cho chúng ta thấy dùng nhóm phụ gia là hợp chấthữu 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, làm xăng cháy tốthơn, giảm phát thải các khí gây ô nhiễm

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 2 dạng

cụ thể sau:

Ethanol được pha vào xăng với tỉ lệ nhỏ hơn 15% Với tỉ lệ này thì không cầnthay đổi hay hiệu chỉnh gì động cơ xăng Tuổi thọ, độ bền của động cơ không hề thayđổi [1]

Ethanol là nhiên liệu thay thế hoàn toàn cho xăng dùng cho những động cơ đốttrong có cải tiến Dùng xe FFV (Flex-Fuel Vehicles- ô-tô nhiên liệu linh hoạt) XeFFV có thể tự động nhận biết hàm lượng cồn trong bình nhiên liệu để tự điều chỉnhgóc đánh lửa sớm và thay đổi lượng phun nhiên liệu Dùng xe FFV có tính kinh tếnhiên liệu cao hơn các xe không FFV, vì xe đã được thiết kế tối ưu về vật liệu, về kếtcấu buồng cháy và hệ thống nhiên liệu Nhiên liệu E85 (có 85% ethanol trong xăng) làloại nhiên liệu tốt nhất cho xe FFV Riêng trong năm 2000 Mỹ đã sản xuất 750.000chiếc FFV Hiện nay Mỹ có khoảng 5 triệu xe FFV cùng với 169.000 trạm bán lẻE85 Hãng GM trong năm 2005 đã cho ra đời hàng loạt mác xe chạy bằng nhiên liệuE85 như xe Chevrolet Avalanche, Suburban và GMC Yukon XL, Chevrolet Silverado

và GMC, Chevrolet Tahoe cho cảnh sát, đến năm 2012 cho ra đời loại xe Hummer

Các nước khác cũng có xe FFV như BMW E85 Z4 3.0 của Đức Xe FFV hiệuFalcon và Taurus của Mỹ tại châu Âu [1]

II Ethanol sinh học

II.1 Tính chất lý hóa học của ethanol

II.1.1 Tính chất lý học

Ethanol hay Rượi etylic là một chất lỏng ,không màu ,mùi thơm dễ chịu ,vị cay ,nhẹhơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml,ở 15 oC.sôi ở nhiệt độ 78,39 oC ,hóa rắn ở -114,15 oC ,tan trong nước vô hạn.Độ nhớt của ethanol là 1,200 cP ở 20 oC

II.1.2 Tính chất hóa học

Ethanol là rượi no ,đơn chức ,có công thức C2H5OH.Ethanol mang đầy đủ tính chấtcủa một rượi đơn chức như phản ứng thế với kim loại kiềm ,phản ứng ết hóa ,phảnứng loại nước hay phản ứng tách nước ,phản ứng oxi hóa thành andehyt,axit hay CO2

tùy theo điều kiện phản ứng.Ngoài ra ethanol còn có một số phản ứng riêng như sau:Phản ứng tọa butadien -1,3:cho hơi rượi đi qua xúc tác hỗn hợp ,ví dụ Cu +AL2O3 ở380-400 oC ,lúc đó xảy ra phản ứng tách nước :

Sử dụng ethanol làm nhiên liệu không chỉ là một biện pháp tình thế nhằm làm tăng chỉ

số octane của xăng , thay thế cho những phụ gia gây ô nhiễm môi trường sinh thái ,

mà còn đảm bảo an toàn năng lượng cho mỗi quốc gia vì đây là nguồn năng lượng cókhả năng tái tạo được (Energie renouvelable)

III.1.1 Lợi ích về kinh tế.

Sản xuất ethanol làm nhiên liệu góp phần thúc đẩy nền nông nghiệp phát triển

vì ethanol được sản xuất theo dây chuyền công nghệ sinh học Nguyên liệu sản xuấtethanol là tinh bột của các loại củ hạt như: sắn, khoai, ngô, lúa, gạo, trái cây… Đây lànguồn nguyên liệu dồi dào trong tự nhiên.Tạo ra nhiều công ăn việc làm cho nhiều laođộng ở nông thôn, giải quyết được lượng lương thực bị tù đọng và đặc biệt khuyếnkhích được tinh thần lao động sản xuất của người dân

Ngoài ra việc sử dụng nhiên liệu sinh học nói chung cũng như gasohol nói

nào càng có nhiều xăng sinh học thì càng ít phụ thuộc vào nước khác và từ đó có thểphát triển nền kinh tế của mình một cách bền vững.

III.1.2 Lợi ích về môi trường.

Việc dùng ethanol làm nhiên liệu, có tác dụng ngăn chặn hiệu ứng nhà kính Vì

vậy nó được mệnh danh là “xăng xanh” Theo các tính toán cho thấy: nếu thay thế

việc đốt một lít xăng bằng một lít ethanol (từ ngũ cốc) sẽ giảm 40% và giảm tới 100%(từ cellulose và mía) lượng phát sinh khí CO2 vào khí quyển giúp môi trường đượcxanh, sạch hơn Khi đốt ethanol sự cháy xảy ra hoàn toàn hơn so với khi đốt xăng Tathường thấy trong các động cơ xăng thường xuất hiện các bụi bẩn chính là do cáchydrocacbon cháy không hết Điều đó phải tốn thời gian lau chùi, sửa chữa động cơ.Khi pha ethanol vào xăng làm cho xăng cháy hoàn toàn hơn, giảm phát thải các khígây ô nhiễm môi trường Hơn nữa, ethanol được điều chế từ sản phẩm nông nghiệp sẽlàm tăng diện tích đất trồng cây Điều này có nghĩa làm tăng diện tích lá phổi của tráiđất lên [2]

III.1.3 Hạn chế khi sử dụng nhiên liệu ethanol.

Hạn chế cơ bản của ethanol nhiên liệu là tính hút nước của nó Ethanol có khảnăng hút ẩm và hoà tan vô hạn trong nước Do đó gasohol phải được tồn trữ và bảoquản trong hệ thống bồn chứa đặt biệt

Về hiện tượng gây ô nhiễm: tuy giảm các hàm luợng các chất gây ô nhiễm như HC,CO nhưng lại gây ra một số hợp phần khác như các andehyt, NOx cũng là những chất gây ô nhiễm [1]

Do nhiệt trị của ethanol nói riêng (PCIethanol =26,8 MJ/kg) và các loại ancol khácnói chung đều thấp hơn so với xăng (PCIxăng =42,5 MJ/kg) nên khi dùng ethanol để pha trộn vào xăng sẽ làm giảm công suất động cơ so với khi dùng xăng Tuy nhiên sự giảm công suất này là không đáng kể nếu ta pha với số lượng ít [3]

Tóm lại, việc sử dụng gasohol có nhiều ưu điểm nhưng cũng có những mặt hạnchế Tuy nhiên khi phân tích tương quan giữa các mặt lợi và hại người ta vẫn thấy mặtlợi lớn hơn, mang ý nghĩa chiến lược hơn

IV Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu ethanol hiện nay trên thế giới

IV.1 Sản xuất và sử dụng etanol sinh học trên thế giới

Hiện nay có khoảng 50 nước trên thế giới khai thác và sử dụng NLSH ở các mức

độ khác nhau NLSH được dùng làm nhiêu liệu cho ngành giao thông bao gồm: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 Năm 2005, Brazil sản xuất

16 tỷ lít etanol, chiếm 1/3 sản xuất toàn cầu Năm 2006, Brazil đã có trên 325 nhàmáy etanol, và khoảng 60 nhà máy khác đang xây cất, để sản xuất xăng etanol từmía (đường, nước mật, bả mía), và bắp; đã sản xuất 17,8 tỷ lít etanol, dự trù sẽ sảnxuất 38 tỷ lít vào năm 2013

Hiện tại, diện tích trồng mía ở Brazil là 10,3 triệu ha, một nửa sản lượngmía dùng 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 tiếptục phá rừng Amazon để canh tác mía, bắp, đậu nành cho mục tiêu sản xuấtxăng sinh họcvừa tiêu thụ trong nước vừa xuất khẩu Giá xăng etanol được bánbằng nửa giá xăng thường tại Brazil

Hoa kỳ sản xuất Etanol 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 etanol 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 etanol.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 tổngcộng khoảng 7 tỷ USD/năm

Đức là nước tiêu thụ nhiều nhất xăng sinh học trong cộng đồng EU, trong đó

có khoảng 0,48 triệu tấn etanol Nguyên liệu chính sản xuất etanol là củ cải đường

Pháp là nước thứ hai tiêu thụ nhiều etanol sinh học trong cộng đồng Âu châu

Thuỵ Điển có chương trình chấm dứt hoàn toàn nhập khẩu xăng cho xe hơivào năm 2020, thay vào đó là tự túc bằng xăng sinh học Hiện nay, 20% xe ởThuỵ Điển chạy bằng xăng sinh học, nhất là xăng etanol Thuỵ Điển đang chế tạo

xe hơi vừa có khả năng chạy bằng etanol vừa có khả năng chạy bằng điện Đểkhuyến khích sử dụng xăng sinh học, chính phủ Thuỵ Điển không đánh thuế xăngsinh học, và trợ cấp xăng sinh học rẻ hơn 20% so với xăng thông thường, khôngphải trả tiền đậu 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 Hãng hàng không Virgin (Anhquốc) bắt đầu sử dụng xăng sinh học cho máy bay liên lục địa

Trung quốc đã sản xuất 920.000 tấn etanol Chỉ tiêu sản xuất 4 triệutấn etanol vào năm 2010, và 300 triệu tấn etanol vào 2020 Hiện nay Trung quốcchỉ cho phép trồng sắn, lúa miến ngọt và một số hoa màu không quan trọngkhác trên các loại đất nghèo dinh dưỡng, không thích ứng sản xuất nông nghiệpnhư ởShangdong và Xinjiang Uygur

Ở Ấn Độ, Chính phủ đã có chính sách sử dụng xăng etanol E5 hiện nay, vàE10 và E20 trong những năm tới Ần Độ gia tăng diện tích trồng cây dầu lai đểsản xuất diesel sinh học, và diện tích mía cho sản xuất xăng etanol

Thái Lan bắt đầu nghiên cứu sản xuất xăng sinh học từ năm 1985 Năm

2001, Thái Lan thành lập Uỷ ban NLSH để điều hành và phát triển nghiên cứuNLSH Xăng E10 đã bắt đầu bán ở các trạm xăng từ 2003

Sử dụng etanol sinh học: etanol sinh học chủ yếu được nghiên cứu sử dụnglàm nhiên liệu [28]:

Etanol có thể làm phụ gia cấp oxy cho xăng (nồng độ 3%) giảm phát thảikhí CO đồng thời làm phụ gia thay thế chì tetraetyl, hoặc cũng có thể thànhnguyên liệu sản xuất etylterbutyleter (ETBE)- một phụ gia cho xăng Etanol cònđược dùng làm yếu tố tăng chỉ số octan cho xăng và qua đó giảm nổ và cải thiệntiếng ồn động cơ

Chỉ số octan ở etanol cao nên rất thích hợp với hệ đánh lửa động cơ đốttrong 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 lượngnhỏ dầu diezel hoặc là sử dụng phụ gia

Bảng 1.1: So sánh một số chỉ tiêu giữa etanol, xăng và ETBE

6 Áp lực bay hơi Reid là chỉ số đo độ

bay hơi của nhiên liệu (kPa ) ở 150C

Chỉ số octan của etanol cao hơn xăng nên có tác dụng giảm tiếng ồn động

cơ tốt hơn, hơn nữa etanol chứa oxy nên hiệu quả nhiên liệu ở động cơ được cảithiện hơn 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 etanol được gọi là xe chạy nhiênliệu gasohol Thông thường gasohol có tỉ lệ pha trộn 10% etanol 90% xăng khôngpha chì (E10) Nếu xe được cải thiện bộ phận đánh lửa ở động cơ, có thể chạyvới nhiên liệu gasohol E85 (85% etanol và 15% xăng) Đa số các loại xe thiết kế ở

Mỹ hiện nay có thể chạy nhiên liệu tùy ý cả E85 lẫn chạy hoàn toàn xăng (E0).Dùng gasohol có tỷ lệ pha trộn từ 10 -30% etanol vào xăng thì không cần cải tiếnđộng cơ xe

IV.2 Xu hướng sản xuất etanol từ nguyên liệu SK

Theo nhận định của ông Donald Coxe, nhà chiến lược hàng đầu, của tậpđoàn tài chính BMO Canada, một cuộc khủng hoảng lương thực mới đang xuấthiện và sẽ trở nên trầm trọng hơn bất kỳ cuộc khủng hoảng lương thực nàotrước đây thế giới từng chứng kiến Việc sử dụng đất để trồng cây nguyên liệusản xuất nhiên liệu sinh học có thể ảnh hưởng đến nguồn cung cấp lương thực,hoặc làm tăng giá lương thực, đặc biệt đối với các nước đang phát triển Khi nôngdân trồng cây nguyên liệu có lợi hơn trồng cây lương thực sẽ làm giảm sảnlượng lương thực Để giải quyết nguồn nguyên liệu SK sản xuất năng lượng sinhhọc, ngoài cây lương thực, các quốc gia có nguy cơ thiếu nhiều năng lượng đangtìm kiếm các nguồn cây trồng khác có thể canh tác trên đất hoang hóa, trên cạn,

Tính toán sản lượng lý thuyết etanol từ 1 tấn nguyên liệu khô như Bảng 6.

Bảng 2.1: Sản lượng lý thuyết Etanol sinh ra từ 1 tấn nguyên liệu khô [20]

V Tình hình sản xuất và khả năng sử dụng ethanol nhiên liệu ở nước ta

Ở nước ta, công nghệ sản xuất ethanol còn rất nhỏ bé và lạc hậu Chỉ có ngànhsản xuất ethanol sinh học mà nguồn nguyên liệu chủ yếu từ tinh bột (sắn, ngô,khoai…) và từ rỉ đường Hoàn toàn chưa có nhà máy sản xuất ethanol từ các nguồnnguyên liệu chứa cellulose (rơm rạ, mùn cưa, cây cỏ…) Sản phẩm chủ yếu là ethanolthực phẩm (nồng độ 40% đến 45%) và cồn công nghiệp (nồng độ từ 95,57% đến96%), một lượng nhỏ được làm khan thành ethanol tuyệt đối (nồng độ 99,5%)

Ở nước ta, muốn phát triển việc dùng ethanol làm nhiên liệu cần phải cóchương trình sản xuất ethanol tầm cỡ quốc gia Việc đó đòi hỏi những bước đi thật cụthể theo một chiến lược đã hoạch định rõ ràng

Nước ta có nhà máy sản xuất ethanol đầu tiên là nhà máy ethanol Đại Tân Nhàmáy có công suất 100.000 tấn/năm (tương đương với 125 triệu lít /năm ) Có tổng vốnđầu tư khoảng 900 tỉ đồng ,được đặt tại xã Đại Tân ,huyện Đại Lộc ,Quảng Nam docông ty Cp Đồng Xanh đầu tư.Mỗi năm nhà máy cần 300.000 tấn sắn (mì) khô để sảnxuất ra 100 ngàn tấn ethanol

Tháng 9/2009 nhà máy Ethanol Đại Tân đã sản xuất thử mẻ sản phẩm đầu tiên

từ tháng 4-6/2010 sản xuất 50% công xuất và từ tháng 7/2010 nhà máy đã chạy từ 70% công suất

Hiện nay ngoài nhà máy ethanol Đại tân chúng ta còn có 5 nhà máy khác trên

khắp cả nước đang được xây dựng và hoàn thiện

Bảng 3.1 Tóm tắt các dự án đang được xây dưng hiện nay

Tên nhà máy Công suất Ngàyhoạt

Tháng3/2009

Công ty ĐôngXanh

Ngày2/4/11đã đưavào hoạt động

Công ty ĐạiViệt

Đang đã đi vào vận

Tháng 6/2011

Công ty PVBThuộc PV OIL

Đã hoàn thành 80%khối lượng tính đếntháng 01/2012Nhà máy

Dung Quất

100 triệulít /năm

Tháng7/2011

PetrosetcoNMLDBìnhSơn

Đã sản xuất mẻ đầutiên 03/02/12

Nhà máy

Bình Phước

100 triệulít /năm

Tháng7/2011

Lien DoanhITOCHU NhậtBản và PV OIL

Khởicông20/03/10.Đang kiểm tra trướckhi chạy thử tính đến

02/2012

Ở nước ta xăng E5 được bán thí điểm lần đầu tiên vào năm 2008 tại hai trạmbán lẻ xăng dàu ở Hà Nội thuộc hệ thống phân phối xăng dầu của PVOIL PVB nhậpkhẩu ethanol tuyệt đối 99,6 % thể tích từ Trung Quốc ,sau đó pha với xăng A95 vàA92 với tỷ lệ 5 % ethanol theo thể tích để thành xăng ethanol E5 Xăng E5 ban đầuđược bán thử nghiệm cho 50 xe tắc xi gồm hai loại :loại 4 chỗ và 7 chổ ngồi ,thuộchiệp hội taxi thành phố Hà Nội Thời gian bán thử nghiệm là 6 tháng Sau đó Bộ CôngThương đã yêu cầu dừng bán xăng E5 rộng rãi ra công chúng vì đến năm 2008 ,ViệtNam chưa có quy chuẩn quy định về xăng pha ethanol Trong khi đó xăng dầu là mặthàng phải tuân theo quy chuẩn của nhà nước nên khong thể bán ra thị trường

Tháng 7/2010 xăng sinh học E5 được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam , với 20điểm bán đầu tiên tại TPHCM,Hà Nội ,Vũng Tàu ,Hải Phòng ,Hải Dương và sẽ được

mở rộng kinh doanh tại 3 cửa hàng ở Đà Năng ,3 cửa hàng ở Huế và 5 cửa hàng CầnThơ Đến năm 2012 Việt Nam sẽ cung ứng khoảng 240 triệu lit xăng E5 cho thịtrường trong nước

VI Một số thông tin về giá cả ethanol nhiên liệu

Giá gasohol phụ thuộc nhiều vào giá ethanol nhiên liệu Khi sản xuất ethanol ởqui mô lớn, công nghệ tiên tiến từ mật đường, rơm rạ hay ngũ cốc giá rẻ thì giá thànhethanol sẽ hạ Trên thế giới, giá thành ethanol nhiên liệu trung bình khoảng 2.28 $/ga(vào thời điểm năm 2012) [4]

Ở Brazil, giá ethanol khoảng 2.81 $/ga, ethanol tuyệt đối 99,8% khoảng 0,25đến 0,28 USD/Lít

Thailan, giá ethanpl khoảng 25-26 baht/liter (năm 2012)

Trung Quốc, gasohol pha trộn 85% thể tích ethanol khoảng $2.95/ga.Ở nước ta,chưa có nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu mà chỉ có các nhà máy sản xuất cồn côngnghiệp Ethanol tuyệt đối phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá rất cao Hiện nay, nhànước đang chủ trương xây dựng nhiều nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu để giảmbớt gánh nặng từ việc nhập khẩu xăng dầu, ở nước ta gasohol pha trộn 5% thể tích giá 22,800 VND/lít

VI Yêu cầu kỹ thuật đối với ethanol nhiên liệu (Bảng 4.1)

1.Ethanol,% thể tích min 92,1 ASTM D 55012.Methanol, % thể tích , max 0,5

3.Hàm lượng nhựa đã rửa qua

6 Hàm lượng clorua vô cơ,

mg/L (ppm khối lượng), max 32 (40)

7 Hàm lượng đồng, mg/kg,

8 Độ axit (như axit axêtic

CH3COOH), % khối lượng,

13 Ngoại quan Không nhìn thấy tạp

chất lơ lửng hoặc kết tủa(trong và sáng)

ASTM D 5501

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU CỦA MỘT SỐ NHÀ CUNG CẤP HÀNG ĐẦU TRÊN THẾ GIỚI VÀ MỘT SỐ PHƯỜNG PHÁP SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU HIỆN NAY

BIO-A Một số phương pháp sản xuất ethanol hiện nay

Như trên đã trình bày, để sản xuất ethanol ta có thể đi từ nhiều phương pháp khácnhau Tuy nhiên, xuất phát từ điều kiện Việt Nam là một nước nông nghiệp có sảnphẩm nông nghiệp rất phong phú nên đề tài này chỉ đề cập đến việc sản suất ethanol từnguồn nguyên liệu chính:

 Sản xuất ethanol từ nguyên liệu chứa tinh bột (sắn, ngô)

 Sản xuất ethanol từ nguyên liệu là rỉ đường

 Sản xuất ethanol từ nguyên liệu chứa cellulose (rơm rạ, mùn cưa…)

I Sản xuất ethanol từ tinh bột (sắn , ngô, khoai….)

I.1 Tổng quan về nguyên liệu.

I.1.1 Thành phần quan trọng và chủ yếu đối với nguyên liệu chứa tinh bột để sản xuất ethanol.

Đối với sản xuất rượu thì thành phần quan trọng nhất là gluxit lên men được,gồm tinh bột và một số đường Trong đa số gluxit nói chung thì tỷ lệ giữa H và O đềutương tự như trong nước Cn(H2O)m Tuy nhiên cũng có những gluxit tỷ lệ giữa H và Okhông giống như trong nước chẳng hạn như ramnoza

Gluxit trong tự nhiên chia làm ba nhóm chính là mono, oligo, polysaccarit.Trong đó:

 Monosaccarit là những gluxit đơn giản không thể thủy phân được.Trong tự nhiên phổ biến nhất là hai loại hexoza và pentoza Hexoza là guluxit lên menđược, dưới tác dụng của nấm men đa số hexoza biến thành rượu và CO2 Pentozathuộc gluxit không lên men được, gồm arabinoza, riboza…không có khả năng chuyểnhóa thành rượu bằng nấm men

 Oligosaccarit là những gluxit chứa từ 2 đến 10 gốc monosaccarit Trongthiên nhiên phổ biến nhất là oligo chứa 2 hoặc 3 mono và còn gọi là disaccarit haytrisaccarit Đại diện cho disaccarit là mantoza và saccaroza còn đại diện cho trisaccarit

là rafinoza Mantoza và saccaroza dễ dàng chuyển hóa thành rượu và CO2 dưới tácdụng của nấm men, còn rafinoza chỉ lên men được 1/3

 Polysaccarit là những gluxit chứa từ 10 gốc mono trở lên cấu tạo từnhiều gốc mono mạch thẳng hay mạch nhánh Dưới tác dụng của acide, nhiệt độ hoặc

enzyme chúng sẽ bị thủy phân và tạo thành các phân tử thấp hơn là oligo hay cuốicùng là monosaccarit Những polysaccarit điển hình:

 Tinh bột: là gluxit dự trữ phổ biến nhất trong thực vật Tinh bột là chấtkeo háo nước điển hình, cấu tạo từ amyloza mạch thẳng và amylopectin Ngoài ratrong tinh bột còn chứa một lượng nhỏ các chất khác như muối khoáng, chất béo,protit… Hàm lượng chung của chúng khoảng 0,2 đến 0,7% Dưới tác dụng của củaacide hoặc amylaza tinh bột sẽ bị thủy phân Khi đun với acide, tinh bột sẽ biến thànhglucose, còn dưới tác dụng của amylaza thóc mầm thì dịch thủy phân gồm 70 đến80% mantoza và 30 đến 20% dextrin Nếu dùng amylaza của một số nấm mốc haynấm men thì dịch thủy phân chứa tới 80 đến 90% là glucose [1]

 Cellulose (chất sơ) là thành phần chủ yếu của màng tế bào thực vật.Dưới tác dụng của acide vô cơ loãng ở nhiệt độ và áp suất cao, cellulose sẽ biến thànhglucose

 Hemicellulose (chất bán sơ) cũng chứa nhiều trong thành tế bào thựcvật Trong hemicellulose có chứa hexozan và pentozan, dễ bị thủy phân hơn so vớicellulose

I.1.2 Nguyên liệu chứa tinh bột để sản xuất ethanol

I.1.2.1 Sắn.

Là một loại cây lương thực phổ biến của các nước ở vùng nhiệt đới châu Á,châu Phi, châu Mỹ Sắn là cây dễ trồng, có thể thích hợp với đất đồi, gò Sản lượngsắn tương đối ổn định và cao Củ sắn nhiều tinh bột, nên sản lượng tinh bột trên mộtđơn vị diện tích canh tác khá hơn so với nhiều loại cây trồng khác

Ở Việt Nam, sắn được trồng từ Bắc tới Nam, được trồng ở nhiều vùng trung du.Hàng năm với 1,2 triệu tấn sắn lát xuất khẩu, chúng ta có thể sản xuất được ít nhất 400triệu lít ethanol/năm và với tỷ lệ 10% ethanol pha vào xăng thì lượng ethanol nói trên đủ

để đáp ứng 50% nhu cầu ethanol sinh học hiện tại của thị trường xăng [2]

Thành phần hoá học của sắn [3]

Thành phần của sắn tươi dao động trong giới hạn khá lớn: tinh bột 20÷34%,protein 0,8÷1,2%, chất béo 0,3÷0,4%, cellulose 1÷3,1%, chất tro 0,54%, polyphenol0,1÷0,3% và nước 60,0÷74,2%

Thành phần sắn khô bao gồm: nước 13,12%, protit 0,2%, gluxit 74,7%,cellulose 11,1%, tro 1,69%

Ngoài các chất kể trên, trong sắn còn có một lượng vitamin và độc tố Vitamin

trình sản xuất rượu Hàm lượng HCN trong sắn tươi nhỏ hơn 50mg/kg thì chưa gâyđộc hại cho con người, từ 50 ÷ 100mg sẽ gây ngộ độc và lớn hơn 100mg/kg, người ăn

sẽ bị tử vong Do đó sắn trước khi luộc cần ngâm và bỏ vỏ cùi Sắn tươi đã thái lát vàphơi khô sẽ giảm đáng kể lượng độc tố nói trên Trong sản xuất rượu, khi nấu lâu ởnhiệt độ cao đã pha loãng nước nên hàm lượng độc tố trên là rất bé chưa ảnh hưởngtới nấm men Hơn nữa, các muối xyanat (CN-) khi chưng cất không bay hơi nên bị loạicùng bã rượu

Sắn dùng trong sản xuất rượu chủ yếu là sắn lát khô Ngoài sắn người ta còndùng ngô để sản xuất ra cồn có chất lượng cao

I.1.2.1 Ngô

Ngô được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Ở nước ta ngô làmột trong những nông sản chính, là loại cây lương thực quan trọng sau lúa

Thành phần hoá học của ngô [3]

Thành phần hoá học của ngô hạt khác nhau tuỳ theo giống ngô, phương pháp

và kỹ thuật trồng trọt, khí hậu Nước chiếm 14%, protit 10%, chất béo 4,6%, gluxit67,9%, cellulose 2,2%, tro 1,3% Phần dưới cùng của hạt là cuống có tác dụng dínhhạt với cùi Cuống rất giàu cellulose, lignin và hemicellulose, cuống chiếm tới 1,5%trọng lượng hạt

Ngoài ra còn phải kể đến vai trò quan trọng của tác nhân vi sinh

Trong sản xuất rượu người ta sử dụng hầu hết đại diện của 3 nhóm vi sinh vật:nấm men, nấm mốc và vi khuẩn

 Nấm mốc: nấu rượu từ tinh bột thì bắt buột phải qua giai đoạn đườnghoá, đây là giai đoạn chuyển hoá tinh bột thành đường Hiện nay, phổ biến là sử dụngnấm mốc từ nguồn giàu amylaza

 Vi khuẩn: Trong sản xuất rượu, một số nhà máy còn sử dụng vi khuẩnlactic để tạo pH thích hợp cho quá trình lên men Có nghĩa là sau khi đường hoáxong, người ta cho vi khuẩn lactic phát triển, vi khuẩn này tạo độ axit nhất định Độaxit này thích hợp cho nấm men tiến hành lên men Thường người ta sử dụng vikhuẩn Themobacterium cereale và Delbuxki

 Nấm men: là tác nhân cơ bản gây ra quá trình lên men rượu Thường sửdụng nấm men thuộc họ Saccharomyces cerevisial, loài S.cerevisiae



I.2 Các công đoạn chính trong quá trình sản xuất ethanol từ tinh bột

Hình 1.2: Sơ đồ khối các công đoạn chính trong sản xuất ethnol từ tinh bột

Sản xuất ethanol từ tinh bột Nó bao gồm các công đoạn chính sau:

 Chuẩn bị dịch đường lên men

 Gây men giống

 Lên men

 Chưng cất và tinh chế

Nguyên liệu tinh bột

tinh bộtLàm sạch

II Sản xuất Ethanol từ rỉ đường:

II.1 Tổng quan về nguyên liệu

II.1.1 Giới thiệu nguyên liệu.

Rỉ đường là nguyên liệu chứa các loại đường không tinh khiết thu được trongquá trình sản xuất đường, tỷ lệ rỉ đường chiếm 3÷3,5% trọng lượng nước mía

Rỉ đường còn dùng làm thức ăn gia súc, dùng trong các ngành công nghiệpkhác Nhưng để giải quyết lượng rỉ đường của nhà máy đường thì chủ yếu dùng để sảnxuất ethanol

Trong rỉ đường lượng P2O5 chiếm 0,02 - 0,05%, P2O5 rất cần cho sự phát triểncủa nấm men

Ngoài ra trong rỉ đường còn có các loại vi sinh vật gây ảnh hưởng rất lớn đếnchất lượng của rỉ đường

Tóm lại rỉ đường là nguồn nguyên liệu quan trọng để sản xuất rượu, nó phùhợp với 4 điều kiện để sản xuất rượu:

 Giá rẻ

 Sản lượng nhiều

 Sử dụng tiện lợi

 Nguồn cung cấp phổ biến

Vậy việc sử dụng rỉ đường để sản xuất rượu là tối ưu, một mặt sử dụng triệt đểphế liệu, mặt khác hạn chế việc sử dụng các loại lương thực chứa tinh bột như: sắn,ngô, khoai để sản xuất rượu

II.1.2 Bảo quản nguyên liệu.

Đối với nhà máy sản xuất rượu, rỉ đường được bảo quản trong các thùng sắthình trụ hoặc trong các bồn bằng bêtông cốt thép, thể tích các thùng chứa phải bảođảm cho nhà máy sản xuất trên 3 tháng

Trong các thùng chứa rỉ đường có các thiết bị kiểm tra, phao báo mức, nhiệt kếDưới đáy thùng có lắp đặt hệ thống dẫn ra bơm để vận chuyển rỉ đường đến nơi sảnxuất Về mùa đông khi rỉ đường bị sánh lại không thể bơm được nên phải thiết kế hệ

thống hơi gia nhiệt gần đường ống bơm Mặt khác quá trình bảo quản rỉ đường khôngđồng nhất và chất lượng trong suốt vụ mùa không đồng đều nên cần phải có hệ thốngbơm trộn rỉ đường trong thùng trước khi đưa ra sản xuất.

Theo A.M.Mankốp tổn thất rỉ đường hàng tháng khoảng 0,2% khối lượng và

sự tổn thất này chủ yếu là do sự bốc hơi nước Theo nghiên cứu của O.A.BaKuSintrong quá trình bảo quản rỉ đường có hiện tượng kết tinh những mầm tinh thể nhỏ, nếu

số lượng này không vượt quá 15000 tinh thể /1g thì hàng tháng tổn thất từ0,02÷0,04% khối lượng rỉ đường Khi trong 1g rỉ đường có tới 100000 tinh thể thì coinhư việc bảo quản rỉ đường không tốt [1]

Khi hàm lượng chất khô trong rỉ đường đạt 75-80% thì lượng nấm men dại, vikhuẩn tạo thành acide rất ít, bảo đảm chất lượng rỉ đường trong suốt trời gian bảoquản, sự thay đổi không đáng kể Khi số lượng vi khuẩn có 50.000 tế bào/1g rỉ đườngthì sự tổn thất đường Sacaroza lên tới 1,3% so với khối lượng rỉ đường Nếu trong rỉđường có sẵn nấm men thì lượng đường tổn thất càng nhiều, sự tổn thất đường tănglên khi hàm lượng chất khô trong rỉ đường là 40% Để tránh hiện tượng vi sinh vậtphát triển, trong quá trình bảo quản phải giữ pH > 6,8 và dùng các chất sát trùng như

Na2SiO6, fluosilicat natri Các thùng bảo quản phải đậy kín, hạn chế việc dùng nước

để rửa thùng vì như vậy sẽ làm loãng rỉ đường

Qua đó ta thấy việc bảo quản rỉ đường có nhiều ảnh hưởng đến quá trình sảnxuất sau này

II.2.Các công đoạn chính của việc sản xuất ethanol từ rỉ đường

Hình 2.2 :Quá trình sản xuất ethanol tử rỉ đường trải qua các công đoạn sau:

Mật rỉ Pha loãng sơ bộ Acide hóa

Dịch đường cơ bản Dịch lên men Lên men Giấm chín Gia nhiệt Tháp tách thô Cồn thô Tháp trung gian

Cồn đã tách cồn

đầu Tháp tách tinh Làm nguội

Cồn thành phẩm95,57%

959695,57%

Khí CO 2

Tách bọt Hèm

* Thuyết minh dây chuyền

Sản xuất ethanol từ mật rỉ hay từ các phế liệu chứa rỉ đường về cơ bản cũnggiống như sản xuất ethanol từ tinh bột Nó bao gồm các công đoạn sau:

 Chuẩn bị dịch đường lên men

 Gây men giống

và từ rỉ đường Việc nguyên cứu xây dựng nhà máy sản xuất ethanol từ nguồn nguyênliệu chứa cellulose là một việc làm rất cần thiết nhằm tận dụng được các phế phẩm từngành nông nghiệp, tăng thu nhập cho nông dân

Nước ta là một nước nông nghiệp nhiệt đới sở hữu hai đồng bằng lớn là đồngbằng Sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long Đây là vùng nguyên liệu lí tưởng chonhà máy

III.1.1 Tổng quan về nguyên liệu.

Về nguyên tắc ta có thể sản xuất ethanol từ bất cứ nguồn nguyên liệu nào cóchứa cellulose Tuy nhiên để đảm bảo tính kinh tế và phù hợp với điều kiện thực tế ởViệt Nam, ta có thể sử dụng những nguồn nguyên liệu như: rơm rạ, thân bắp, cỏ dại.Đây là nguồn nguyên liệu rẻ tiền, tập trung phù hợp với việc xây dựng nhà máy sảnxuất ethanol công suất lớn

Nguyên liệu khác nhau có thành phần cấu tạo chất không giống nhau nhưng về

cơ bản chúng được cấu tạo từ 3 hợp chất (cellulose, hemicellulose, lignin) và chỉ khácnhau về tỉ lệ giữa chúng mà thôi

 Cellulose

 Công thức phân tử: (C6H10O5)n

 Có hàm lượng dao động trong một khoảng rất lớn (chiếm 40÷60% khốilượng thực vật) và tùy thuộc vào từng loại thực vật Ở gỗ lá rộng, hàm lượng cellulosechiếm 40÷53%, ở rơm lúa gạo là 34÷38%, rơm lúa mì là 36÷42% [4]

 Là thành phần cấu tạo chủ yếu của màng tế bào thực vật và là hợp chấtchính của nguyên liệu chứa cellulose để sản xuất ethanol Nguyên liệu càng giàucellulose thì sản xuất ethanol càng đạt hiệu quả cao

 Là hợp chất cao phân tử, đơn vị mắt xích là Glucopyranose (gọi ngắn gọn là D-Glucose) Điều này được xác nhận nhờ sự thủyphân cellulose ta thu được D-Glucose với hàm lượng 96÷98% so với lý thuyết

anhydro-β-D- Khả năng tham gia phản ứng:

Cellulose có thể tham gia nhiều phản ứng như phản ứng phân hủy mạch (thủyphân, nhiệt phân, oxy hóa) phản ứng tạo nhánh trên phân tử cellulose Ở đây, ta chỉxem xét khả năng tham gia phản ứng thủy phân của cellulose tạo glucose Cellulose cóthể bị thủy phân với tốc độ chậm trong môi trường nước ở nhiệt độ cao Dưới tác dụngcủa xúc tác acide, quá trình thủy phân xảy ra với tốc độ lớn hơn

 Phản ứng thủy phân được biểu diễn theo phương trình tổng quát:

 Hemicellulose thuộc nhóm polysaccarit phi cellulose Trong gỗ cũngnhư trong nhiều loại thực vật khác, hàm lượng hemicellulose có thể đạt tới 20÷30% sovới gỗ khô tuyệt đối.

 Hemicellulose dễ bị thủy phân hơn so với cellulose Khi thủy phân đếncùng, hemicellulose tạo ra các monosaccarit chủ yếu là hexose (D-glucose, D-

 mannose, D-galactose), pentose (L-arabinose ) Trong đó hexose có khảnăng lên men tạo ethanol còn pentose không có khả năng này

 Lignin

 Là hợp chất thơm cao phân tử

 Hàm lượng dao động tùy từng loại thực vật cụ thể Ở rơm rạ: hàm lượnglignin chiếm 17÷19% khối lượng rơm lúa mì và 12% ở rơm lúa gạo [4]

 Trong quá trình sản xuất ethanol từ cellulose thì nó hoàn toàn không bịthủy phân để tạo các hợp chất có khả năng lên men tạo ethanol Vì vậy lignin là thànhphần không mong muốn trong quá trình sản xuất ethanol từ cellulose

III.2 Tổng quan về phương pháp sản xuất.

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

 Xử lí nguyên liệu

 Đường hoá và lên men

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

Ngoài ra còn có thêm hai bước phụ là:

 Xử lí nước thải

 Sản xuất hơi nước, sản xuất điện

III.2.1 Sơ đồ tổng quan quá trình sản xuất ethanol từ cellulose:

Hình 3.2: Sơ đồ tổng quan quá trình sản xuất ethanol từ cellulose

III.2.2.Thuyết minh sơ đồ:

Nguyên liệu từ kho chứa được đưa đến vùng phân phối nguyên liệu để phânphối nguyên liệu cho nhà máy Sau đó, nguyên liệu được băm nghiền nhằm phá vỡcấu trúc màng tế bào thực vật, tạo điều kiện thuận lợi để quá trình thủy phân diễn ratốt hơn, tăng hiệu suất quá trình Sau đó nguyên liệu được đưa đến vùng tiền xử lí.Đầu tiên nó được xử lí bằng dung dịch H2SO4 loãng ở nhiệt độ cao trong thời gianngắn, giải phóng đường hemicellulose và các hỗn hợp khác, tạo điều kiện tốt cho quá

trình đường hoá và lên men Lượng acide dư được trung hoà bằng dung dịch Ca(OH)2

loại bỏ kết tủa CaSO4 Nguyên liệu tiếp tục được đưa đến giai đoạn đường hoá bằngenzyme để biến cellulose thành glucose rồi lên men glucose và các đường khác thànhethanol Men giống là chủng men Zymomonas mobils được nuôi trong những bể lớnyếm khí liên tiếp nhau đến khi đạt đủ số lượng vi sinh vật cho quá trình lên men Quátrình 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 hết cellulose và xylosechuyển thành ethanol

Hỗn hợp sau khi lên men gọi là giấm chín được đưa đến giai đoạn tinh chế sảnphẩm bao gồm chưng cất, tách nước, bốc hơi, phân tách lỏng rắn Sản phẩm là ethanol99,5% được đưa đến bể chứa Nước thải từ giai đoạn này sau khi xử lí cho hồi lưu lạiquá trình Phần rắn từ đáy tháp chưng cất được phân tách cùng với CH4 sinh ra từ quátrình xử lí nước thải làm nguyên liệu cho lò hơi để sản xuất hơi nước hay sản xuấtđiện năng

B Công nghệ của các nhà cung cấp:

Trên thế giới hiện nay có rất nhiều nhà cung cấp công nghệ sản xuất Bio-Ethanolnhiên liệu.Trông phậm vi công nghệ nhà máy có thể lựa chọn một số nhà cung cấpcông nghệ sản xuất Bio-Ethanol nhiên liệu hàng đầu trên thế giới sau :

 Technip - Coflexip ,Paris , Pháp

 Deltat – T Corporation , Virgenia , Mỹ

 Katzen Interational INC , Cincinnati ,Ohio , Mỹ

 Tomsa Destil S.L, Madrid ,Tây Ban Nha

 Praj Inductries Limited ,Punne ,Ấn Độ

I.Công nghệ Technip -Coflexip

I.1 Phương án công nghệ:

I.1.1 Công đoạn nghiền nguyên liệu(đối với nguyên liệu sắn )

Sắn lát khô được làm sạch trước khi nghiền nhằm mục đích loại bỏ tạp chấtnhư đá, các mẩu kim loại, cát, v.v bằng hệ thống sàng rung 2 cấp và các thiết bị tách

đá, thiết bị phân tách kim loại bằng từ tính Hệ thống thiết bị nghiền sử dụng trong quátrình nghiền là máy nghiền búa Sản phẩm sau nghiền được đưa tới phễu chứa trunggian và qua sàng ly tâm để phân loại…v.v Bụi thoát ra từ máy nghiền sẽ đmợc thuhồi bằng hệ thống quạt hút và thiết bị l

I.1.2 Công đoạn hồ hóa và đường hóa

Sắn lát đã nghiền thành bột được nấu trong hệ thống thùng hồ hóa Nước sửdụng trong quá trình nấu là nước nóng công nghệ và một phần nước rửa từ quá trìnhchưng cất Trong quá trình nấu, tinh bột được nấu chín nhanh chóng dưới tác dụng củaenzyme; độ pH đmợc điều chỉnh trong khoảng 5,5 nhờ bổ sung dung dịch ammonia

Hồ loãng 30% được bơm vào nồi nấu nhanh để nấu ở nhiệt độ 110°C bằngcách phun hơi nước trực tiếp sau đó được đưa tới thùng nấu chính Nhiệt độ trong nồinấu đmợc duy trì ở110°C trong thời gian 5 đến 10 phút rồi đmợc làm mát xuống 85°Ctại thiết bị làm mát trước khi chuyển vào thùng nấu chính và sẽ được giữ ở đây trongvòng 90 phút Enzyme được bổ sung để nấu chín hoàn toàn tinh bột Sau khi toàn bộ

hồ đã đmợc nấu chín từ thùng nấu chính sẽ được đưa đến công đoạn đường hóa

Hồ lỏng được hòa loãng với nước ngưng, sau đó được làm lạnh xuống 65°Cthông qua thiết bị trao đổi nhiệt và được trộn với amyloglucosidase trước khi dẫn tớithùng đường hóa sơ bộ (thời gian lưu: khoảng 2 giờ) Độ pH tối ưu cho enzymeamyloglucosidase hoạt động là 4,5 được điều chỉnh bằng cách bổ sung axit sunfuric

Hồ đã đường hóa sơ bộ được chuyển bằng bơm tới thùng lên men sau khi đượclàm lạnh xuống 32°C và bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết cho men (axitphosphoric và dung dịch amonia) Nước công nghệ và nước rửa từ quá trình chưngCất được sử dụng để hòa loãng và điều chỉnh dịch hồ trước khi đưa vào quá trình lênmen rượu để tạo ra dung dịch lên men chứa 10% (thể tích) Bio-Ethanol

I.1.3 Công đoạn lên men

Bộ phận lên men gồm các thùng lên men được vận hành linh hoạt theo chế độgián đoạn (theo mẻ) ở giai đoạn đầu và liên tục khi quá trình lên men đã ổn định Ưuđiểm của việc lên men gián đoạn là thùng lên men được tháo và làm sạch định kỳ (khửtrùng) bằng hệ thống CIP, trước khi tiếp tục hoạt động Bằng cách này, nguy cơ nhiễm

vi khuẩn được hạn chế tối đa ở các thùng lên men đầu tiên Các thùng lên men phía

sau sẽ được vận hành liên tục do lượng Bio-Ethanol có trong dịch hồ ở đầu vào củaquá trình lên men liên tục sẽ bảo vệ dịch chống lại vi khuẩn Quá trình lên men đượctiến hành theo 3 bước:

Nhân giống men ở nhiệt độ lên men 32°C trong thùng nhân men Thùng nàychỉ dùng ở giai đoạn khởi động nhà máy và định kỳ khi cần thiết phải thay mới men,mỗi lần cách nhau từ 3 đến 4 tuần

Nhân men theo mẻ trong hai thùng nhân men chính để tạo ra đủ men cho quátrình lên men rượu Ôxy cấp cho quá trình lên men nhờ hệ thống quạt thổi khí Sau khichuyển toàn bộ men tới thùng lên men chính, hai thùng nhân men chính sẽ được trunghòa và đmợc làm sạch và tiếp tục quá trình nhân men

Lên men để tạo ra rượu trong các thùng lên men chính theo hai giai đoạn Giaiđoạn thứ nhất được tiến hành trong hai thùng lên men đầu vận hành theo chế độ giánđoạn (theo mẻ) Giai đoạn thứ hai được tiến hành tại ba thùng lên men cuối vận hànhtheo chế độ liên tục Tổng thời gian lưu trong bộ phân lên men là khoảng 48 giờ

I.1.4 Công đoạn chưng cất

Dịch hèm từ công đoạn lên men sẽ được đưa tới công đoạn chưng cất Côngđoạn chưng cất được thực hiện theo sơ đồ 3 tháp:

Tháp khử khí hoạt động ở điều kiện chân không cao (0,2 bar tuyệt đối ở đỉnhtháp); tự cấp nhiệt bằng hơi Bio-Ethanol từ tháp chưng cất thô qua thiết bị gia nhiệtđáy tháp

Tại tháp khử khí: hơi Bio-Ethanol đi ra từ đỉnh tháp sẽ được ngưng tụ tại cácthiết bị ngưng tụ thành dung dịch (nồng độ khoảng 50% Bio-Ethanol) rồi được bơmtới tháp cất tinh; dịch hèm từ đáy tháp được đưa tới tháp chưng cất thô Độ chânkhông cao được tạo ra trong tháp bằng bơm chân không để tách khí CO2 và khí khôngngưng ra khỏi tháp

Tháp chưng hoạt động ở điều kiện chân không cao (0,2 bar tuyệt đối ở đỉnhtháp); tự cấp nhiệt bằng hơi Bio-Ethanol từ tháp tinh chế qua thiết bị gia nhiệt đáytháp

Tại tháp chưng cất thô: quá trình chưng cất sẽ tách Bio-Ethanol ra khỏi dịchhèm đã khử khí Hơi Bio-Ethanol ở đỉnh tháp sẽ được ngưng tụ bằng thiết bị trao đổinhiệt thành dung dịch (nồng độ Bio-Ethanol khoảng 50%) được bơm tới tháp cất tinh

Bã rượu từ đáy tháp thô được bơm tới công đoạn xử lý dịch hèm thải

95% Tháp này đmợc cấp nhiệt bằng hơi nước qua thiết bị gia nhiệt đáy tháp Mộtphần của hơi rượu 95 % ở đỉnh tháp được ngưng tụ nhờ thiết bị ngưng tụ rồi được hồilưu về tháp bằng bơm hồi lưu Phần còn lại của hơi rượi 95% được đưa tới công đoạntách nước Dịch hèm thải từ đáy tháp tinh được bơm đi xử lý.

I.1.5 Công đoạn tách nước

Quá trình tách nước thực hiện lần lượt bằng các rây phân tử 3A dựa trên cơ chếHấp phụ và nhả hấp phụ nước Công đoạn tách nước được kết hợp với việc vận hànhquá trình chưng cất để tiết kiệm năng lượng: tháp chưng cũng được cấp nhiệt bằng hơiBio-Ethanol từ rây phân tử và qua thiết bị gia nhiệt đáy tháp

Hấp phụ: hơi Bio-Ethanol từ tháp chưng cất tinh được gia nhiệt trong thiết bịquá nhiệt để bảo vệ rây phân tử và tránh hiện tượng ngưng tụ trong khi tách nước

Nhả hấp phụ: hơi Bio-Ethanol quá nhiệt được cấp tới đỉnh rây phân tử để thựchiện tách nmớc Áp suất trong tháp hấp phụ được điều khiển bằng van điều khiển ởđầu ra (khoảng 1 bar) Hơi Bio-Ethanol đã tách nước sẽ được ngưng tụ trong các thiết

bị ngưng rồi bơm tới các thiết bị trao đổi nhiệt trước khi đưa đi tồn chứa

Tái sinh: rây phân tử đã bão hòa nước sẽ được tạo môi trừơng chân không bằngcách giảm áp trong thiết bị hấp phụ Dịch tái sinh được thu hồi và được tới tháp rửa.Khi đạt tới độ chân không dự kiến, hơi Bio-Ethanol khan từ thiết bị còn lại sẽ đượcdùng để tái sinh rây phân tử

I.1.6 Công đoạn xử lý nước thải

Technip chọn giải pháp xử lý nước thải từ công đoạn chưng cất bằng cách: tách

bã hèm đi sản xuất chất độn thức ăn gia súc; còn nước thải đi xử lý bằng công nghệsinh học để thu hồi Biogas dùng làm nhiên liệu cho Lò hơi

I.2 Tiêu hao sản xuất Bio-Ethanol nhiên liệu (Bảng 5.2 )

1 Tiêu hao tinh bột @100%/cồn Kg/KL 1590-1650

7 Enzyme Glucose Amylase

phase,4 wires ( không bao gồm

hệ thống nước giải nhiệt và các

II Công nghệ Toma Destil

II.1 Phương án công nghệ

II.1.1 Công đoạn nghiền nguyên liệu (đối với nguyên liệu sắn khô )

Đối với nguyên liệu sắn được làm sạch và phân loại bằng hệ thống thiết bị sàngrung và các thiết bị tách cát đá ,bụi bẩn ,thiết bị tách kim loại rồi sau đó được bẻ sơ bộtại thiết bị bẻ sắn sơ bộ

Sắn sau khi bẻ được định lượng và đưa sang hệ thống máy nghiền búa Qúatrình nghiền sắn lát được thực hiện trong hệ thống nghiền chu trình kín,bao gồm máynghiền với sàng phân loại ,khả năng vận hành đơn giản Bột mịn từ máy nghiền đượcđưa tới thùng hòa bột bằng hệ thóng vít tải.Tại đây bột được hòa với nước ngưng tụ,nước công nghệ hoặc với hèm thải lỏng và sau đó được bơm tới hệ thống cyclone táchcát Dịch bột sạch được bơm sang công đoạn hồ hóa

II.1.2 Công đoạn hồ hóa và đường hóa

Dịch tinh bột được làm sạch được gia nhiệt đến 60°C và bổ sung thêm mộtphần enzyme hồ hóa sau đó được đưa nồ nấu sơ bộ và được nấu tiếp bằng hơi để nângnhiệt độ dịch lên 85°C rồi đi vào thiết bị nấu phun và được nấu chín ở thiết bị nấu ống

ở khoảng 100-140 °C trong thời gian khoảng 3-10 phút

Dịch cháo sau khi nấu chín được làm nguội bàng hệ thống thiết bị tách hơibằng chân không rồi đưa vào nồi hồ hóa cuối và được bổ sung enzyme để hồ hóa tinhbột một cách triệt để

Dịch hồ hóa tư nồi hồ hóa cuối được đưa đến thùng đường hóa sơ bộ và được

bổ sung enzyme đường hóa ,điều chỉnh nhiệt độ ,pH thích hợp để chuyển hóa thànhđường rồi được bơm qua thiết bị làm nguội rồi đi vào thiết bị điều chỉnh độ Brix.Tạiđây dịch được pha với dịch hèm loãng và bổ sung chất dinh dưỡng rồi cùng với men

từ thùng nhân giống được bơm đến thùng lên men

II.1.3 Công đoạn lên men

Quy trình lên men có thể vận hành liên tục hoặc gián đọan Hệ thống lên mengồm 4 thùng được thiết kế để vừa có thể lên men bằng qui trình lên men liên tục vừa

có khả năng chuyển đổi sang lên men bán liên tục khi cần thiết Khi vận hành liên tục,dòng dịch sẽ lần lượt chảy qua các bồn lên men và dấm chín cho công đoạn chưng cấtđược lấy ra từ bồn cuối cùng Khi vận hành gián đoạn ,từng thùng sẽ được nạp liệu và

lấy dấm chín ra một cách độc lập Qúa trình lên men trong các thùng được điều tiếtmột cahs tuần tự dể đảm bảo liên tục cung cấp dấm chín cho hệ thống chưng cất

Khi sử dụng công nghệ lên men theo mẻ mỗi thùng lên men cần một hệ thốngthùng nhân giống tương ứng hoạt động liên tục để cung cấp đủ men cho quá trìnhđường hóa và rượi hóa

Công đoạn lên men được phụ trợ bởi hệ thống phân phối và chuẩn bị chống tạobọt trong thùng lên men Thùng lên men cùng trang bị thiết bị hòa tan dưỡng chất vàvòi phun chất dinh dưỡng

II.1.4 Công đoạn chưng cất

Dấm chín được hòa vào thiết bị gia nhiệt để nâng nhiệt đọ nhằm mục đích giảmLượng tiêu hao hơi ở tháp thô(hoạt động ở điều kiện áp suất chân không) Hơi Bio-Ethanol từ đỉnh của tháp thô được cho qua thiết bị khử khí nhằm loại bỏ các khí khôngngưng (CO2,SO2….) sau đó được đưa qua thiết bị cô đặc sơ bộ để nâng lên 80 %v/vrồi được ngưng tụ nhờ các thiết bị trao đổi nhiệt Bã hèm lấy ra từ đáy tháp được bơmtới thiết bị ly tâm để tách bã

Sau khi được ngưng tụ, Bio-Ethanol được chia làm hai dòng, một dòng hồi lưudòng còn lại sẽ được đưa đến tháp tinh luyện để cô đặc lên nồng độ 96 %v/v Bio-Ethanol sản phẩm được lấy ra ở các khay phía dưới đỉnh tháp Các Tạp chất như cồnđầu, dầu fusel được tách ra ở phía trên tháp tinh luyện

Hơi Bio-Ethanol đi ra từ đỉnh tháp tinh luyện được ngưng tụ rồi lại được chialàm hai phần, một phần hồi lưu về tháp, phần còn lại được chuyển sang hệ thống táchnước rồi được làm nguội để thu được cồn bán luyện, sau đó đi vào kho chứa

Hệ thống tháp chưng cất làm việc ở chức năng kép như sau: tháp tinh luyệnlàm Việc ở áp suất dư, hơi cồn của tháp này gia nhiệt cho tháp thô làm việc ở áp suấtchân không

II.1.5 Công đoạn tách nước

Quy trình này được thực hiện nhờ hệ thống 3 tháp: 2 tháp khử nước bằng râyphân tử và 1 tháp rửa chân không

Hơi Bio-Ethanol ở phần đỉnh tháp tinh luyện có nồng độ tối thiểu 96 % v/vhoặc (Bio-Ethanol bán luyện từ bồn chứa được gia nhiệt để chuyển hoàn toàn thànhthể hơi)được đưa vào tháp tách nước rây phân tử

Ethanol sau khi được tách nước đi ra từ đáy của tháp rây phân tử thứ nhất đượctách ra làm hai dòng, dòng thứ nhất đi qua các thiết bị làm mát để hạ nhiệt độ, phẩm.Dòng thứ hai được gia nhiệt bổ sung ngưng tụ rồi đi vào bồn chứa thành trong thiết bịtrao đổi nhiệt rồi quay về giải hấp phụ cho tháp rây phân tử thứ hai trong điều kiệnchân không Bio-Ethanol có lẫn nước được tách ra từ quy trình tái sinh tháp rây phân

tử đi qua thiết bị trao đổi nhiệt, ngưng tụ rồi được đưa trở về tháp tinh luyên của hệthống chưng cất để luyện lại

Hệ thống tách nước như trên có 02 tháp hoạt động luân phiên Khi tháp thứnhất đang thực hiện công đọan hấp phụ thì tháp thứ hai đang trong giai đọan giải hấp

và ngược lại

II.2 Tiêu hao sản xuất Bio-Ethanol nhiên liệu (Bảng 6.2 )

1 Tiêu hao tinh bột @100%/cồn Kg/KL 1610 - 1650

phase,4 wires ( không bao gồm

hệ thống nước giải nhiệt và các

tiện ích khác)

III Công nghệ Katzen

III.1 Phương án công nghệ

Công đoạn nghiền: sử dụng phương pháp nghiền khô

Công đoạn hồ hóa – đường hóa: sử dụng công nghệ hồ hóa – đường hóa liêntục dạng tháp, tiếp xúc hơi trực tiếp hoặc gián tiếp

Công đoạn lên men: sử dụng công nghệ lên men liên tục hoặc gián đoạn tùytheo nguyên liệu và yêu cầu công nghệ của khác hàng

Công đoạn chưng cất: sử dụng công nghệ chưng cất chân không, đa áp suất.Công đoạn tách nước: sử dụng công nghệ tách nước bằng phương pháp hấpphụbằng rây phân tử

III.2 Tiêu hao sản xuất Bio-Ethanol nhiên liệu (Bảng 7.2 )

7 Enzyme Glucose Amylase

phase,4 wires ( không bao gồm

hệ thống nước giải nhiệt và các

IV Công nghệ Delta-T

IV.1 Phương án công nghệ

Tương tự với công nghệ Katzen

IV.2 Tiêu hao sản xuất Bio-Ethanol nhiên liệu (Bảng 8.2 )

1 Tiêu hao tinh bột @100%/cồn Kg/KL 2200 - 2250

7 Enzyme Alpha Amylase

8 Enzyme Glucose Amylase

(NOVO Enzyme)

2 Hơi bảo hòa @ 10 kg/cm2 (cho

nấu, lên men, chưng cất , tách

nước)

3 Điện @ 380 VAC ,50 Hz,3

phase,4 wires ( không bao gồm

hệ thống nước giải nhiệt và các

tiện ích khác)

V Công nghệ Praj Inductries Limited Pune,Ân Độ

* Phương án công nghệ

Công đoạn hồ hóa : Sử dụng công nghệ hồ hóa liên tục Bột sắn và nước công nghệ được hòa lẫn tới nồng độ chất rắn 26% rồi đi qua hệ thống cyclone nhiều cấp để tách cát Dịch sạch sau đó được nấu sơ bộ ở nhiệt độ 100oC trong khoảng vàiphút rồi đi vào thiết bị nấu dạng tháp, sau đó tiếp tục được lưu ở 85oC để hoàn tất quá trình nấu Trong suốt quá trình hồ hóa, enzyme giảm độ nhớt, ezyme hồ hóa sẽ được sử dụng theo yêu cầu của từng công đoạn

Công đoạn đường hóa và lên men : Sử dụng cộng nghệ lên men theo mẻ cónhân giống men, quá trình đường hóa - lên men diễn ra đồng thời (Simultaneoussaccharification, yeast propagation and fermentation – SSYPF Công nghệ này chophép nâng cao hiệu suất và rút ngắn thời gian lên men

Công đoạn chưng cất : Sử dụng công nghệ Chưng cất chân không, đa áp suất Công đoạn tách nước: Sử dụng công nghệ tách nước bằng phương pháp hấpphụ bằng rây phân tử

C Lựa chọn phương án công nghệ của các nhà cung cấp công nghệ và phương pháp sản xuất ethanol cho nhà máy

Nhìn chung ,nếu nhà máy áp dụng công nghệ sản xuất của một trong các nhàcung cấp Công nghệ nêu trên điều có khả năng vận hành đạt hiệu suất cao , sản phẩmđạt tiêu chuẩn Qua các phương pháp sản xuất thì nguyên liệu tinh bột sắn phù hợpvới điều kiện sản xuất ở nước ta hiện nay Tóm lại qua phân tích trên nhà máy đề xuất

chọn phương án công nghệ sản xuất của hãng Praj Inductries Limited Pune, Ấn Độ

cho các công đoạn chính của dây chuyền sản xuất như sau:

 Công đoạn hồ hóa: Sử dụng công nghệ hồ hóa liên tục ,tiếp xúc hơi trực tiếp

 Công đoạn đường hóa –lên men: Sử dụng công nghệ lên men theo mẻ có nhângiống ,quá trình đường hóa –lên men diễn ra đồng thời

 Công đoạn chưng cất : Sử dụng công nghệ chưng cất chân không và khí quyển

 Công đoạn tách nước :Sử dụng công nghệ tách nước bằng phương pháp hấp

CHƯƠNG III: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIO-ETHANOL TỪ NGUYÊN LIỆU SẮN KHÔ CỦA NHÀ MÁY ETHANOL BÌNH PHƯỚC

I Tổng quan về nhiên liệu

Các thông số đặc trưng của sắn lát và sắn tươi được trình bày chi tiết trong Bảng 1 và 2 Bảng 1.3: Thông số đặc trưng của sắn lát

Bảng 2.3: Thông số đặc trưng của sắn tươi