Thiết kế nhà máy sản xuất cồn sinh học với năng suất 60.000 lít ngày ( full bản vẽ )

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật luôn cần phải sử dụng nhiều nhiên liệu hơn mà vừa phải đảm bảo không bị ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên nguồn nhiên liệu ngày càng cạn kiệt dần và không đảm bảo cung cấp nhiên liệu liên tục để phục vụ cho sản xuất, mà giá cả tăng cao. Vì vậy chúng ta luôn tìm ra những nguồn nhiên liệu thay thế như: năng lương hạt nhân, năng lượng mặt trời... Nhưng các nguồn năng lượng đó thì không đảm bảo cho sản xuất vì giá thành cao và không cung cấp thường xuyên cho sản xuất. Một trong những nguồn nhiên liệu thay thế là cồn sinh học vừa đảm bảo giá thành rẻ và thân thiệt với môi trường. Chính sự cần thiết đó nên ngành công nghệ sản xuất cồn sinh học đã đem lại thu nhập đáng kể, đóng góp to lớn trong nền kinh tế quốc dân. Có nhiều nguồn nguyên liệu để sản xuất cồn sinh học, sử dụng các nguồn nguyên liệu sắn lát, vừa đem lai lợi nhuận cho người nông dân và thiết bị đơn giản. Năng suất, giá thành và chất lượng sản phẩm cồn sinh học cao. Nắm được tầm quan trọng và tính thực tế do cồn sinh học đem lại do đó em được nhận đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất cồn sinh học với năng suất 60.000 lít ngày.

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật luôn cần phải sử dụng nhiều nhiên liệu hơn mà vừa phải đảm bảo không bị ô nhiễm môi trường Tuy nhiên nguồn nhiên liệu ngày càng cạn kiệt dần và không đảm bảo cung cấp nhiên liệu liên tục để phục vụ cho sản xuất, mà giá cả tăng cao

Vì vậy chúng ta luôn tìm ra những nguồn nhiên liệu thay thế như: năng lương hạt nhân, năng lượng mặt trời Nhưng các nguồn năng lượng đó thì không đảm bảo cho sản xuất vì giá thành cao và không cung cấp thường xuyên cho sản xuất Một trong những nguồn nhiên liệu thay thế là cồn sinh học vừa đảm bảo giá thành rẻ và thân thiệt với môi trường

Chính sự cần thiết đó nên ngành công nghệ sản xuất cồn sinh học đã đem lại thu nhập đáng kể, đóng góp to lớn trong nền kinh tế quốc dân Có nhiều nguồn nguyên liệu để sản xuất cồn sinh học, sử dụng các nguồn nguyên liệu sắn lát, vừa đem lai lợi nhuận cho người nông dân và thiết bị đơn giản Năng suất, giá thành

và chất lượng sản phẩm cồn sinh học cao Nắm được tầm quan trọng và tính thực

tế do cồn sinh học đem lại do đó em được nhận đề tài: "Thiết kế nhà máy sản xuất cồn sinh học với năng suất 60.000 lít/ ngày"

ta hiện nay Và để đảm bảo lượng cồn cung cấp cho thị trường tiêu thụ nên cần phải xây dựng nhà máy sản xuất cồn Bio - etanol

1.2 Đặc điểm thiên nhiên, vị trí xây dựng nhà máy

Nhà máy đặt tại xã Hương An, huyện Quế Sơn, tỉnh Quảng Nam gần với các huyện: Thăng Bình, Nông Sơn, Đại Lộc, Hiệp Đức Với tổng diện tích đất nông nghiệp lớn, địa hình đa dạng Nơi xây dựng nhà máy vấn đề cơ sở hạ tầng đã có với hệ thống đường bê tông thảm nhựa, cấp điện, nước

Đồng thời nơi đây gần với tuyến đường Quốc lộ 1A thuận lợi cho giao thông, thuận tiện vận chuyển nguyên liệu và sản phẩm.

Quảng Nam có 2 mùa: mùa mưa và mùa khô, chịu ảnh hưởng mùa đông lạnh của miền bắc Hướng gió chính là hướng Đông - Nam Nhiệt độ trung bình hàng năm: 25,4 0 C Độ ẩm tương đối trung bình năm: 84% Lượng mưa trung bình

2000-2500mm, rất thích hợp với việc trồng sắn Hệ thống sông ngòi trong vùng khá phát triển như sông Hương An, Câu Lâu

1.3 Vùng nguyên liệu và nhân lực

Cồn được sản xuất chủ yếu bằng nguyên liệu là tinh bột hay rỉ đường để đảm bảo về giá thành sản phẩm Tuy nhiên vùng duyên hải nam trung bộ nói chung hay Quảng Nam nói riêng lại là vùng nông nghiệp chủ đạo, trong đó cây sắn luôn

có sản lượng cao với nguồn nguyên liệu dồi dào Bên cạnh đó thì giá thành của sắn lại rẻ hơn nhiều so với các loại tinh bột khác có thể sản xuất cồn như ngô, gạo Bởi vậy khi dùng sắn làm nguyên liệu cho nhà máy sản xuất là hoàn toàn

việc liên tục thì ta nên dùng sắn lát khô, vì nếu dùng sắn lát khô ta có thể chủ động dự trữ nguyên liệu khi vào mùa sắn để cung cấp cho những vụ trái mùa Sắn không bị hư hỏng nếu chưa được đưa vào sản xuất ngay mà điều này sắn nguyên liệu tươi không thể đáp ứng được Vì vậy ta sử dụng sắn lát khô để làm nguyên liệu

Nguyên liệu cung cấp chính cho nhà máy là: các xã trong vùng, ngoài ra còn

có các huyện lân cận như Quế Sơn, Đại Lộc, Thăng Bình, Duy Xuyên, Nông Sơn, hầu hết là diện tích đất nông nghiệp Đồng thời cả nguồn nguyên liệu của các tỉnh ở khu vực Tây Nguyên khi cần thiết Quảng Nam có lực lượng lao động dồi dào, với trên 887.000 người (chiếm 62% dân số toàn tỉnh), trong đó lao động ngành nông nghiệp chiếm 61,57%, ngành công nghiệp và xây dựng là 16,48% và ngành dịch vụ là 21,95% Diện tích đất nông nghiệp lớn và phần lớn lao động làm trong lĩnh vực nông nghiệp, bên cạnh đó là các chính sách của ủy ban nhân dân tỉnh, tập trung vùng nguyên liệu chuyên canh, tăng cường thâm canh, canh tác (huy động đội ngũ cán bộ, kĩ thuật lớn) Ở đây chắc chắn sẽ trở thành nguồn nguyên liệu ổn định và vững mạnh.

1.4 Hợp tác hoá và liên hiệp hoá.

Khi xây dựng nhà máy cồn gần khu công nghiệp có các thuận lợi như: hợp tác, tăng cường sử dụng chung các công trình cung cấp điện, nước hơi, công trình giao thông vận tải, công trình phúc lợi tập thể và phục vụ công cộng Hợp tác trong vấn đề xử lý nước thải và rác thải

Từ đó giảm thời gian xây dựng, giảm vốn đầu tư, hạ giá thành sản phẩm, tiêu thụ sản phẩm và phế phẩm nhanh.

1.5 Nguồn cung cấp điện - nước:

Nguồn cung cấp điện chủ yếu lấy từ trạm điện tuabin hơi của nhà máy khi nhà

máy sản xuất với hiệu điện thế 220V/380V Ngoài ra còn sử dụng nguồn điện

từ

lưới điện quốc gia 500 KV được hạ thế xuống 220V/380V để sử dụng khi

khởi động máy và khi máy không hoạt động thì dùng cho chiếu sáng, sinh hoạt.

Trong quá trình sản xuất nhà máy cồn sử dụng rất nhiều nước cung cấp lò hơi, làm nguội máy móc, thiết bị, sinh hoạt…lượng nước nhà máy sử dụng lớn Nước chủ yếu lấy từ sông cần phải xử lý trước khi đưa vào sản xuất do nguồn nước còn chứa nhiều tạp chất.

 Nước dùng trong nhà máy có 2 dạng chính:

* Nước lắng trong: nước lấy từ sông bơm lên qua bể lắng để loại tạp chất cơ học Loại này dùng để làm nguội thiết bị máy móc, vệ sinh công nghiệp, cứu hỏa, nước lắng đem lọc.

* Nước lọc trong: nước sau khi lắng tiếp tục đem đi lọc để loại triệt để các tạp chất còn lại trong quá trình lắng

Nước sau khi lọc phải đạt các chỉ tiêu:

1.6 Giao thông vận tải:

Giao thông vận tải là vấn đề quan trọng, là phương tiện dùng để vận chuyển một khối lượng lớn nguyên vật liệu xây dựng nhà máy, cũng như vận chuyển nguyên liệu và sản phẩm của nhà máy đảm bảo cho nhà máy hoạt động thuận lợi, liên tục Quảng Nam là đầu mối giao thông quan trọng giữa các vùng Nhà máy sử dụng tuyến quốc lộ 1A và đường giao thông nông thôn

đã được phát triển và nâng cấp đường thủy Ngoài ra, nhà máy có các phương tiện vận chuyển (ôtô tải…) để đáp ứng kịp thời nhu cầu xuất sản phẩm và thu mua nguyên liệu cho nhà máy

1.7 Xử lý nước thải.

Trong nhà máy cồn có 1 lượng lớn nước thải vệ sinh công nghiệp, nước rửa

các thiết bị, nước thải sinh hoạt…có độ nhiễm bẩn lớn bao gồm rất nhiều chất tồn tại dưới các dạng khác nhau, là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển, nếu thải ra môi trường mà không qua xử lý sẽ ảnh hưởng đến sức khoẻ công nhân, môi trường khu dân cư xung quanh nhà máy Do đó nước thải của nhà máy phải tập trung lại sau xưởng sản xuất và xử lý trước khi đổ ra sông theo đường cống riêng của nhà máy.

1.8 Nguồn tiêu thụ sản phẩm

Quảng Nam cách thủ đô Hà Nội 860 km về phía Bắc, cách thành phố Hồ Chí Minh 865 km về phía Nam Phía Bắc giáp tỉnh Thừa Thiên Huế và thành phố Đà Nẵng; phía Nam giáp tỉnh Quảng Ngãi; phía Tây giáp tỉnh Kon Tum và nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào; phía Đông giáp biển Đông Với vị trí thuận lợi trên, lượng cồn sản xuất ra sẽ được phân bố trên khắp cả nước, làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp thực phẩm, cho hầu hết người tiêu dùng trên cả nước và cho xuất khẩu sang các nước khác.

Tóm lại: Qua những phân tích trên đây thì việc xây dựng nhà máy sản xuất

Bio etanol năng suất 60000 lít/ngày ở xã Hương An, huyện Quế Sơn, tỉnh Quảng Nam với nguyên liệu là sắn lát khô là hoàn toàn phù hợp

Chương 2

TỔNG QUAN2.1 Tổng quan về nguyên liệu.

2.1.1 Sắn [ 7, tr 36]

Thành phần hoá học của củ sắn

Thành phần hóa học của sắn tươi: tinh bột 20÷34%; protein 0,8÷1,2%; chất béo 0,3÷0,4%; xenlulose 1÷3,1%; chất tro 0,54%; polyphenol 0,1÷0,3% và nước 60÷74,2%

Sắn khô: nước 13,12%; protit 0,205%; gluxit 74,74%; chất béo 0,41%; xenlulose 1,11%; tro 1,69%.

Ngoài ra các chất kể trên trong sắn còn chứa một số vitamin, độc tố Trong các vitamin thì vitamin B 1 và B 2 mỗi loại chiếm 0,03 mg%, còn B 6 chiếm 0,06 mg% Các vitamin này sẽ mất một phần khi chế biến nhất là khi nấu Chất độc

có trong sắn ngày nay đã được nghiên cứu và xác định tương đối rõ đó chính

là HCN tồn tại dưới dạng phazeolunatin C 10 H 17 NO 16 gồm hai glucozit linamarin

và lotaustralin Bình thường phazeolunatin không độc nhưng khi thủy phân dưới tác dụng của enzyme hay axit thì các glucozit này sẽ giải phóng axit HCN gây độc

C 10 H 17 NO 6 + H 2 O C 6 H 12 O 6 + C 3 H 6 O + HCN

Thông thường thì các độc tố tập trung ở cùi vỏ và ở vỏ củ.

- Lõi sắn: Lõi sắn nằm ở trung tâm củ, dọc suốt chiều dài của củ Thành phần chủ yếu là xenluloza Lõi sắn có chức năng dẫn nước và các chất dinh dưỡng giữa cây và củ, đồng thời giúp thoát nước khi sấy hoặc phơi khô

Hình 2.4 Củ sắn và cấu tạo của củ sắn

2.1.2 Nấm men [ 7, tr 206-227]

Khi chọn chủng nấm men để đưa vào sản xuất cần đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Có tốc độ phát triển nhanh trên môi trường sản xuất.

+ Có đặc tính sinh lý, sinh hoá ổn định trong thời gian dài.

+ Có khả năng chịu đựng được những yếu tố không thuận lợi của môi trường Đặc biệt là các chất sát trùng, độ pH thấp và lên men được ở nhiệt độ tương đối cao.

+ Chịu được áp suất thẩm thấu lớn, tức là chịu được nồng độ của dịch lên men lớn, đồng thời nấm men ít bị ức chế bởi các sản phẩm của sự lên men.

+ Lên men nhiều loại đường như: glucose, fructose, saccharose, maltose… + Tạo ra sản phẩm chính nhiều và sản phẩm phụ ít.

Để được chủng nấm men thỏa mãn các yêu cầu trên phải trải qua thời gian tuyển chọn, thuần hoá, gây đột biến Đồng thời để duy trì được lâu dài các đặc tính tốt của chủng nấm men cần phải giữ giống, cấy chuyền cẩn thận Để sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột người ta sử dụng các loài sau:

- Chủng Sacchacomyces cerevisiae N 0 12 (tách từ nhà máy lên men bánh mì 1902) Tế bào hình tròn, hình trứng, sinh sản bằng cách nảy chồi ở 25 0 C trong một ngày có thể hình thành bào tử (từ 1÷4 bào tử) Nấm men chủng N 0 12 sinh sản mạnh ở 12 giờ đầu nuôi cấy sau đó chậm dần và lên men rất nhanh Chúng

có khả năng lên men glucoza, fructoza, galactoza, cazarona, mantoza và 1/3 rafinoza Khi lên men có thể tích lũy trong môi trường 13% rượu.

- Chủng Saccharomyces cerevisiae N 0 2 (tách ra năm 1889 từ Linder trong một nhà máy rượu) Đây là chủng được ứng dụng trong sản xuất rượu và các ngành sản xuất khác Tế bào của nó dài, hình trứng, kích thước lớn và sinh sản bằng cách nảy chồi Ở 25 0 C trong 30 giờ nuôi cấy có thể tạo thành bào tử (thường trong tế bào có 3 bào tử) lên men được các loại đường như chủng 12 nhưng khả năng sinh sản kém hơn.

2.1.3 Nước [5, tr 71]

Trong công nghiệp sản xuất cồn, nước được sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích như nước dùng để xử lí nguyên liệu, nấu nguyên liệu, làm nguội bán thành phẩm và thành phẩm, vệ sinh thiết bị, cấp nước cho lò hơi…

Chất lượng nước phải đảm bảo các yêu cầu :

* Trong suốt, không màu, không mùi.

* Độ cứng: không quá 7 mg-E/l

* Độ oxy hóa: ≤ 2ml KMnO 4 /l

* Chất cặn: ≤ 1 mg/l

*Không có kim loại nặng

*Hàm lượng các muối phải thỏa yêu cầu

2.2 Tổng quan về sản phẩm

2.2.1 Tổng quan về etanol

2.2.1.1 Các phương pháp sản xuất etanol [ 7, tr 35]

a Hydrat hóa etylen

Etanol thường được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hydat hóa etylen trên xúc tác axit, được trình bày theo phản ứng hóa học sau Cho etylen hợp nước ở 300 0 C áp suất 70÷80 atm với xúc tác là axit photphoric:

H 2 C = CH 2 +H 2 O → CH 3 CH 2 OH Hình 2.5 Saccharomyces cerevisiae

b Phương pháp lên men

Etanol sử dụng trong đồ uống chứa cồn, cũng như phần lớn etanol sử dụng trong công nghiệp, nhiên liệu… được sản xuất theo phương pháp lên men, đây là quá trình chuyển hóa đường thành etanol nhờ nấm men (người ta thường dùng loại Saccharomyses cerevisiae) trong điều kiện không có oxy hay điều kiện yếm khí, phản ứng hóa học tổng quát được viết như sau:

C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 CH 2 OH + 2CO 2 + Q Quá trình nuôi cấy men rượu được gọi là ủ men Sau khi chuyển hóa hết đường người ta lọc lấy dung dịch và đem chưng cất để nâng cao nồng độ etanol.

2.2.2 Cồn nhiên liệu

2.2.2.1 Lịch sử phát triển

Từ những năm 20 của thế kỉ XX cồn đã được nghiên cứu, sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho xăng dầu Tuy nhiên với việc phát hiện ra các mỏ dầu có trữ lượng lớn

cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp lọc hóa dầu đã sản xuất

ra sản phẩm xăng dầu chất lượng cao giá thành hạ làm cho cồn nhiên liệu đẩy lùi.

Năm 1973 cuộc khủng hoảng năng lượng thì vấn đề dùng cồn nhiên liệu lại được đề cập nhưng phải đến đầu thế kỉ XXI hướng phát triển cồn nhiên liệu mới được ưu tiên phát triển tuy vậy nó vẫn chỉ đóng vai trò thứ yếu so với các nhiên liệu hóa thạch, nhưng trong tương lai nó có thể là nguồn năng lượng chính khi dầu mỏ cạn kiệt Trên thế giới hiện nay có các nước Mỹ, Tây Âu, Brasil, Trung Quốc, Nhật Bản đang là các nước sản xuất cồn nhiên liệu nhiều nhất.

2.2.2.2 Yêu cầu về chất lượng [17]

Cồn khan 99,5% trở lên được sử dụng làm nhiên liệu giúp cho các động cơ

có thể hoạt động được, tuy nhiên nó có nhiều đặc tính như ăn mòn kim loại, làm

hư các chi tiết cao su hay nhựa trong động cơ nên nếu không cải tiến động cơ thì không thể thay thế hoàn toàn xăng bằng cồn khan để chạy động cơ

Đối với ôtô, xe gắn máy thông thường chỉ được sử dụng xăng pha cồn với nồng độ tối đa là 10% (xăng E10) Với xăng E10 không cần cải tiến hay thay đổi động cơ mà có thể chạy hoàn toàn bình thường so với việc dùng 100% xăng Cồn pha xăng ngày nay đã được tiêu chuẩn hóa về chất lượng, tùy quốc gia quy định 2.2.2.3 Các phương pháp pha cồn vào xăng [17]

Cồn có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho vào động cơ ở nhiều dạng khác nhau, cụ thể là pha lẫn với xăng với tỷ lệ nào đó hoặc sử dụng 100% cồn Qua việc thử nghiệm trên các loại động cơ với nhiên liệu có cồn người ta thấy rằng nếu tỉ lệ cồn không quá 10%tt thì không cần thay đổi kết cấu động cơ.

Hiện nay trên thị trường đang lưu hành các loại xăng pha cồn như E5, E7, E10, E15, E20, E85, E95, E100 Ký hiệu E có nghĩa là xăng pha cồn còn chỉ số có nghĩa là phần trăm thể tích của cồn trong xăng

2.3 Tổng quan quá trình sản xuất bio-etanol.

2.3.1 Quá trình nấu [ 4, tr 36]

2.3.1.1.Những biến đổi xảy ra trong quá trình nấu.

a Sự trương nở và hoà tan tinh bột.

Trong quá trình nấu, do tác động đồng thời của nước và nhiệt mà hạt tinh bột hút nước rất nhanh làm cho hạt tinh bột trương nở Tinh bột được giải phóng ra môi trường thành tinh bột tự do và thu được hồ tinh bột

b Sự biến đổi của xenluloza và hemixenluloza

Sự thuỷ phân này xảy ra khi nấu nguyên liệu dưới tác dụng của mixen xitaza và ion H + tạo ra dextrin, đường pentoza và rất ít hợp chất cao phân tử.

c Sự biến đổi của đường, tinh bột và một số chất khác.

Khi nấu, một phần tinh bột bị thuỷ phân dưới tác động của enzyme amylaza có sẵn trong bản thân nguyên liệu

Đường glucoza, fructoza, saccaroza là đường chủ yếu có sẵn trong nguyên liệu, còn đường maltoza được tạo thành trong quá trình nấu Dưới tác dụng nhiệt độ cao đường bị thuỷ phân tạo melanoidin và các sản phẩm

caramen hoá… gây sẫm màu và giảm chất lượng khối nấu, protein và chất béo hầu như không bị thay đổi trong khi nấu.

2.3.1.2 Phương pháp nấu [4, tr 47-61]

Nấu nguyên liệu có thể thực hiện theo một trong ba phương pháp:

Gián đoạn, bán liên tục và liên tục.

a Nấu gián đoạn

Đặc điểm: Toàn bộ quá trình nấu được thực hiện trong cùng một nồi

Ưu điểm: - Tốn ít vật liệu chế tạo thiết bị

- Thao tác vận hành đơn giản

- Dễ vệ sinh và sửa chữa (nếu cần)

Nhược điểm: - Tốn hơi do không tận dụng được hơi thứ

- Nấu ở nhiệt độ và áp suất cao gây tổn thất đường, tạo nhiều sản phẩm phụ (caramen, melanoidin, furfurol…) không tốt cho hoạt động của amylaza và nấm men

- Khi dùng axit thêm vào nấu ở nhiệt độ cao thời gian dài sẽ làm chóng ăn mòn thiết bị.

- Năng suất thiết bị thấp hơn các phương pháp nấu khác do làm việc gián đoạn (thời gian giữa các mẻ).

- Dùng được hơi thứ nên giảm được 15÷30 % hơi dùng cho nấu.

- Năng suất thiết bị tăng so với nấu gián đoạn.

Nhược điểm

- Tốn nhiều kim loại để chế tạo thiết bị.

- Thiết bị cồng kềnh chiếm nhiều diện tích.

- Nhiệt độ nấu chín vẫn cao gây tổn thất đường và tạo các sản phẩm không mong muốn.

- Khó vệ sinh do nhiều thiết bị và thiết bị nấu chín thêm có cấu tạo phức tạp.

c Nấu liên tục

Đặc điểm:

- Quá trình nấu chia ra làm 3 giai đoạn: Nấu sơ bộ nấu chín và nấu chín thêm

và cuối cùng là thiết bị tách hơi.

- Thiết bị nấu chín là trao đổi nhiệt ngược chiều đi từ dưới lên, cháo nhiệt đi từ trên xuống cho nên hiệu quả trao đổi nhiệt rất cao và thời gian dịch cháo ở nhiệt độ cao được rút ngắn.

- Thời gian nấu được rút ngắn

Ưu điểm

- Tận dụng được nhiều hơi thứ do đó giảm được chi phí hơi khi nấu

- Thời gian nấu ở nhiệt độ cao được rút ngắn nên giảm tổn thất đường nâng cao năng suất cồn lên 10÷12 lít cồn / tấn tinh bột so với nấu gián đoạn.

- Năng suất riêng trên 1 m 3 thiết bị tăng khoảng 7 lần

- Tiêu hao kim loại để chế tạo thiết bị giảm khoảng 1/2 so với bán liên tục.

- Yêu cầu vận hành, thao tác, sửa chữa cần kỹ thuật cao

- Yêu cầu về điện nước đầy đủ và ổn định

2.3.2 Phương pháp đường hoá [4, tr 62, 95-104]

Đường hoá có thể tiến hành theo phương pháp gián đoạn hoặc liên tục 2.3.2.1 Đường hóa gián đoạn.

Đặc điểm: Tất cả quá trình đường hóa chỉ diễn ra trong 1 nồi duy nhất.

Ưu điểm

- Thiết bị đơn giản dễ chế tạo.

- Dễ thao tác, vận hành, sửa chữa - Hoạt độ enzyme ít bị mất do ít tiếp xúc với nhiệt độ cao.

Nhược điểm.

- Không hạn chế được lão hóa tinh bột do enzyme cho vào khi dịch bột ở 70 0 C.

- Năng lượng tốn nhiều do cánh khuấy bị cản trở lớn (dịch đặc, độ nhớt cao)

và thời gian dài

- Khó cơ khí và tự động hóa

- Năng suất thấp

- Chất lượng dịch đường không ổn định.

- Dễ bị nhiễm trùng hơn so với phương pháp liên tục

2.3.2.2 Đường hóa liên tục.

Đặc điểm: Quá trình đường hóa được thực hiện trong các thiết bị khác nhau, dịch cháo và dịch amylaza liên tục đi vào hệ thống, dịch đường liên tục

đi sang bộ phận lên men.

Ưu điểm

- Thời gian đường hóa ngắn, tăng công suất thiết bị.

- Dịch cháo ít bị lão hóa vì dịch cháo được làm lạnh tức thời.

- Hoạt tính amylaza ít bị vô hoạt do thời gian tiếp xúc với nhiệt độ cao được rút ngắn.

- Dễ cơ khí và tự động hóa, cho phép tăng năng suất lao động.

- Năng lượng sử dụng giảm do thời gian đường hóa giảm

- Tiết kiệm được diện tích nhà xưởng

- Giảm được khả năng nhiễm trùng do dịch đường hóa đi trong hệ thống kín

- Yêu cầu về điện, nước đầy đủ và ổn định.

- Yêu cầu cao về kỹ thuật vận hành thiết bị

- Vệ sinh, sửa chữa cần có kế hoạch cụ thể

2.3.3 Cơ chế và động học của quá trình lên men rượu.

2.3.2.1 Cơ chế quá trình lên men rượu [4, tr 120]

Quá trình lên men rượu là quá trình yếm khí, chuyển hoá đường thành rượu, giải phóng CO 2 và toả nhiệt

C 6 H 12 O 6 azymaza 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + Q

Nấm men hấp thụ cơ chất vào tế bào nhờ hoạt động của men zymaza chuyển hóa đường thành rượu và CO 2 Rượu etylic được tạo thành khuyếch tán

ra môi trường bên ngoài qua màng tế bào Rượu hòa tan trong nước ở bất kỳ

tỉ lệ nào nên khuyếch tán rất nhanh CO 2 cũng khuyếch tán vào nước nhưng độ hoà tan không lớn Khi bão hoà, CO 2 bao quanh màng tế bào nấm men thành bọt khí Bọt khí CO 2 và tế bào nấm men thường dính liền nhau Bọt khí CO 2 lớn đến mức độ nhất định và khối lượng CO 2 rất bé so với khối lượng của tế bào nấm men thì bọt khí và tế bào nấm men cùng nổi lên trên bề mặt dung dịch Đến bề mặt của dung dịch do sức căng của bề mặt nên bọt khí bị vỡ, CO 2 thoát

ra ngoài, tế bào nấm men lúc này chìm xuống Quá trình này diễn ra liên tục nên đã làm tế bào nấm men từ trạng thái không chuyển động sang trạng thái chuyển động làm tăng quá trình tiếp xúc giữa nấm men và cơ chất nên quá trình lên men tăng nhanh.

2.3.2.2 Động học quá trình lên men rượu [ 4 , tr 145]

Qua đường cong ta có thể xác định được các thời kì lên men như sau:

+ Thời kì 1 kéo dài khoảng 60 giờ sự sinh trưởng của nấm men rất chậm, bởi

do sống trong môi trường mới nên đây có thể gọi là giai đoạn thích nghi Trong giai đoạn này cơ chất sử dụng ít nên sinh tổng hợp ít cồn và CO 2

+ Thời kì 2 là giai đoạn lên men chính kéo dài trong khoảng thời gian từ 60 ÷

120 giờ, nấm men sinh trưởng và phát triển ở mức độ cực đại, cơ chất sử dụng nhiều sinh nhiều cồn và CO 2 , sự lên men sau mỗi giờ tăng mạnh Cuối giai đoạn này tế bào nấm men già nên lên men chậm lại Thời kì này có sự biến đổi sâu sắc về thành phần trong môi trường, ảnh hưởng đến kết quả lên men.

+ Thời kì 3 là giai đoạn lên men phụ biểu hiện đường cong lên men là sự đi xuống tiệm cận trục hoành Tốc độ lên men rất chậm vì lượng đường trong dịch

ít

2.3.2.3 Phương pháp lên men [7 , tr 251-266]

Lên men có thể tiến hành gián đoạn, bán liên tục và liên tục

a Lên men gián đoạn

Đặc điểm: Quá trình lên men chỉ diễn ra trong một thiết bị duy nhất, thời gian lên men kéo dài.

1 Ruột gà cần làm lạnh 2 ống dẫn dịch đường và men giống 3 ống tháo giấm chín và nước vệ sinh 4 ống thoát CO 2 5 Cửa quan sát và vệ sinh 6 Đầu ống nối hệ thống vệ sinh 7 với phía trong thùng 8 Van lấy mẫu 9 Đầu ống nối hệ thống sục khí hoặc CO 2 và hơi thanh trùng.

Hình 2.6 Đường cong lên men

Hình 2.7 Thiết bị lên men gián đoạn

Ưu điểm.

- Thiết bị đơn giản dễ chế tạo.

- Dễ vệ sinh, sửa chữa.

- Khi bị nhiễm tạp thì dễ xử lý.

Nhược điểm

- Năng suất thấp tính cho 1m 3 thiết bị.

- Hiệu suất lên men thấp.

- Thời gian lên men dài so với các phương pháp khác.

b Lên men bán liên tục (còn gọi là lên men theo kiểu pha dần).

Đặc điểm: Lên men liên tục ở giai đoạn lên men chính và lên men gián đoạn ở giai đoạn cuối Đây là phương pháp cải tiến áp dụng với các nhà máy

có công suất thấp hoặc trung bình chưa đủ điều kiện và nhu cầu cải tạo chưa thực sự cần thiết.

- Tế bào nấm men liên tục sinh sản trong giai đoạn lên men chính do đó không cần sử dụng men giống thường xuyên.

c Lên men liên tục

Đặc điểm: Dịch đường và men giống liên tục đi vào và dịch giấm chín liên tục đi ra Dịch đường phải đi qua nhiều các thùng lên men: thùng lên men chính, các thùng lên men tiếp theo là lên men phụ Nhiệt độ lên men thấp hơn

so với lên men gián đoạn.

Ưu điểm

- Hiệu suất lên men tăng.

- Dễ cơ khí và tự động hóa.

- Thời gian lên men được rút ngắn.

- Hạn chế được nhiễm tạp khuẩn do lượng men gống ban đầu cao.

- Chất lượng giấm chín là ổn định.

Nhược điểm.

- Khi nhiễm tạp thì rất khó xử lý nên đỏi hỏi vô trùng cao.

- Vệ sinh, sửa chữa thiết bị cần có kế hoạch cụ thể.

- Yêu cầu về kỹ thuật cao, điện nước đầy đủ, ổn định

2.3.3 Nguyên lý chưng cất và tinh chế.

2.3.3.1 Nguyên lý chưng cất [ 4, tr 170]

Chưng cất là quá trình tách lỏng có nhiệt độ sôi khác nhau Hơi của chất lỏng có nhiệt độ nhác nhau, có áp suất riêng phần khác nhau Hơi của chất

lỏng nào có áp suất riêng phần lớn hơn thì chất lỏng đó sôi ở áp suất thấp hơn

và dễ bay hơi hơn.

Ở áp suất thường nhiệt độ sôi của rượu etylic là 78,3 0 C và của nước là

100 0 C nên rượu dễ bay hơi hơn nước Vì vậy khi chưng cất hỗn hợp rượu nước, ở thể hơi chứa nhiều rượu hơn ở thể lỏng Giấm chín thường bao gồm nhiều hợp chất dễ bay hơi như rượu etylic, ester, aldehyt và alcol cao phân tử (dầu fusel - dầu khét) Ngoài các chất kể trên, trong giấm chín còn chứa tinh bột xót, dextrin, protein, axit hữu cơ và chất khoáng Tuy là hỗn hợp nhiều cấu

-tử nhưng trong thành phần của giấm chín chứa chủ yếu là rượu etylic và

Điểm này ứng với nồng độ sau: 95,57% khối lượng; 97,2% thể tích; 89,41 mol (phân tử) tương ứng nhiệt độ sôi là 78,15 0 C Với phương pháp chưng cất thông thường khó có thể đạt được nồng độ rượu trên 95,57% theo khối lượng Tuy nhiên quá trình chưng cất còn phụ thuộc vào lượng chất không bay hơi, các tạp chất trong giấm chín.

ox: Thành phần pha rượu trong thể tích lỏng

%.

oy: Thành phần pha rượu trong thể tích hơi %.

Theo đường cong cân bằng của hỗn hợp rượu - nước ở áp suất thường, phần đường cong ở trên đường chéo Ob nồng độ rượu trong thể hơi nhỏ hơn thể lỏng.

2.3.3.2 Nguyên lý tinh chế [ 4, tr 173]

Mục đích của tinh chế là tách các tạp chất như este, aldehyt, rượu cao phân tử, axit hữu cơ dựa vào nhiệt độ sôi của các tạp chất đó có trong cồn thô Căn cứ vào nhiệt độ sôi của các tạp chất ta chia làm 3 loại: tạp chất đầu, tạp chất cuối, tạp chất trung gian.

+ Tạp chất đầu: là tạp chất dễ bay hơi hơn rượu etylic ở nồng độ bất kỳ, nhiệt

độ sôi nhỏ hơn nhiệt sôi của rượu etylic Tạp chất đầu gồm có: aldehyt axetic (CH 3 CHO), axetat metyl (CH 3 COOCH 3 ) Tạp chất này lấy ra ở sản phẩm đầu nên gọi là cồn đầu.

+Tạp chất trung gian có 2 tính chất, vừa có thể là tạp chất đầu vừa có thể là tạp chất cuối Ở nồng độ cao của rượu etylic nó là tạp chất cuối, ở nồng độ thấp nó là tạp chất đầu Vì vậy tạp chất trung gian khó tách khỏi rượu eytlic khi tinh chế, tạp chất trung gian bao gồm: etylizobutylrat, etylizovalianat

+ Tạp chất cuối là tạp chất khó bay hơi và khi chưng cất nó tồn tại ở phía dưới

tháp, nó có nhiệt độ sôi cao hơn rượu etylic Nồng độ của nó trong pha hơi nhỏ hơn trong pha lỏng ở cùng một nhiệt độ Tạp chất này dễ tách gồm: este cao phân tử, axit hữu cơ phân tử lượng lớn (propylic, izopropylic, izobutylic, amylic).

Tuy nhiên đặc tính và hàm lượng của tạp chất trong rượu còn phụ thuộc vào nguyên liệu và chất lượng nguyên liệu sử dụng, phương pháp sản xuất.

2.3.4 Quá trình hấp phụ

Nguyên tắc của phương pháp:

+ Dựa vào kích thước mao quản của Zeolite, chất hấp phụ này có thể hấp phụ những phân tử có kích thước nhỏ hơn kích thước mao quản và không hấp phụ những phân tử có kích thước lớn.

+ Khi sử dụng Zeolite để hấp phụ sản xuất cồn tuyệt đối, bản chất là chất hấp phụ chọn lọc nước trong hỗn hợp nước và etanol có nồng độ thấp hơn.

+ Kích thước động học của ethanol và nước:

• Kích thước động học của ethanol là: 2,57A 0

• Kích thước động học của nước là: 4,44A 0

Do đó vật liệu hấp phụ có kích thước mao quản nằm trong khoảng: 2,57A 0 ÷ 4,44A 0

Khi nhả hấp phụ thì sẽ dùng các tác nhân: hơi nước bão hòa hoặc hơi nước quá nhiệt, hơi của các chất hữu cơ, khí trơ…

Nhả hấp phụ có thể tiến hành ở nhiệt độ cao hoặc ở nhiệt độ thấp, có thể tiến hành ở áp suất thường, áp suất dư hoặc áp suất thấp (trong chân không) Dựa trên các cơ sở này em chọn dây chuyền công nghệ với các đặc điểm sau: Nấu tiến hành ở điều kiện nhiệt độ bình thường 100-105 o C có sử dụng chế phẩm enzyme amylaza của hãng Novo Đan Mạch, đường hóa liên tục làm nguội thông thường tác nhân đường hóa là chế phẩm enzyme amylaza của hãng Nouvo Đan Mạch, lên men liên tục, dùng chất hấp phụ chọn lọc zeolite để tạo ra bio- ethanol, dùng hơi nước quá nhiệt trong điều kiện chân không để tách nước ra khỏi Zeolit.

Chương 3

CHỌN VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ3.1 Chọn dây chuyền công nghệ.

Nguyên liệu sắn

Làm sạch

Nghiền nguyên liệu

Nấu sơ bộ (t o =80÷85 0 C) Enzyme Termamyl

Phun dịch hóa (t o =94÷96 0 C) Hơi Hơi thứ

Nấu chín (t o =100÷105 0 C) Hơi

Tách hơi

Làm nguội Enzyme Spirit

3.2 Thuyết minh dây chuyền công nghệ.

3.2.1 Làm sạch [4 , tr 47]

3.2.1.1 Mục đích Loại bỏ đất, cát, các tạp chất kim loại ra khỏi nguyên liệu, đảm bảo nguyên liệu sạch, thuận lợi cho quá trình nghiền, nhằm không gây hư hỏng thiết bị và không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

3.2.1.2 Thực hiện Trước khi đem nghiền, nguyên liệu được làm sạch bằng phương pháp sàng

và sức gió, dùng máy khử từ để tách những kim loại Sử dụng sàng rung để làm sạch nguyên liệu

Hình 2.1 Sàng rung Nguyên tắc hoạt động: Nguyên liệu được đưa vào phễu nạp liệu, khi nguyên liệu chịu lực tác dụng của sàn rung thì các tạp chất bé được lọt xuống lỗ của sàn rung, tạp chất lớn được giữ lại trên sàng và bụi được quạt hút ra ngoài theo một cửa khác Cuối sàng rung đặt một nam châm điện để tách bỏ kim loại lẫn trong nguyên liệu.

3.2.2 Nghiền nguyên liệu [4, tr 33]

3.2.2.1 Mục đích Hình 3.1 Sàng rung

Nghiền là quá trình phân chia lát sắn thành nhiều phần tử nhỏ nhằm phá

vỡ cấu trúc thực vật của sắn tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nấu Giúp giải phóng các hạt tinh bột khỏi các mô, làm tăng bề mặt tiếp xúc của tinh bột với nước, giúp cho quá trình trương nở, hòa tan tốt hơn Do đó sẽ rút ngắn thời gian nấu, đường hóa, tiết kiệm hơi, nâng cao hiệu suất thu hồi cồn.

3.2.2.2 Thực hiện

Nguyên liệu trước khi đưa vào máy nghiền được đi qua sàn rung có gắn nam châm điện để loại bỏ kim loại trong nguyên liệu Nguyên liệu di chuyển được dưới tác động của khí động học nhờ quạt hút sinh ra.

Sử dụng máy nghiền búa để thực hiện quá trình nghiền

Hình 2.2 Máy nghiền búa

Nguyên tắc hoạt động : Nguyên liệu cần nghiền cho vào bên trong máy qua phễu nạp liệu, do sự va đập của vật liệu với cánh búa đang quay và với thành trong của máy, vật liệu sẽ biến dạng rồi vỡ ra thành các thành phần có kích thước nhỏ hơn Do bị va đập nhiều lần giữa cánh búa và vỏ máy, nguyên liệu giảm kích thước đến khi nhỏ hơn lỗ lưới, hạt sẽ theo lỗ lưới ra ngoài dưới tác động của khí động học nhờ quạt hút sinh ra Còn những hạt vật liệu to chưa lọt qua lưới thì được các búa tiếp tục nghiền nhỏ Sau khi nghiền kích thước của bột sắn khoảng 1,5 mm.

3.2.3 Nấu nguyên liệu [1, tr 36]

3.2.3.1 Mục đích

Phá vỡ màng của hạt tinh bột, tạo điều kiện cho hạt tinh bột trương nở để phân tán các mạch tinh bột tự do trong nước tác dụng với hệ enzyme amylaza, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình đường hoá và hiệu suất thu hồi cao hơn 3.2.3.2 Tiến hành [ 15, tr 52-54]

Hình 3.3 Hệ thống Misurin.

1 Gàu tải hạt, 2.Gàu tải củ, 3.Thiết bị tách tạp chất kim loại, 4.Phểu chứa hạt, 5.Vít tải định lượng hạt, 6.Van điều chỉnh nước, 7.Máy nghiền hạt, 8.Cân định lượng củ, 9 Máy thái củ, 10.Thiết bị trộn và nấu sơ bộ, 11 Bơm chuyển hỗn hợp nấu, 12 Ống góp hơi chính, 13 Bộ tiếp xúc nhiệt, 14 Nồi nấu chín 15 Nồi Nấu chín thêm, 16 Phao điều chỉnh mức, 17.Thiết bị tách hơi thứ.

Nguyên liệu sau khi nghiền được hòa trộn với nước theo một tỉ lệ nhất định tại thùng hòa bột rồi đưa vào nồi nấu sơ bộ Trong quá trình nấu có bổ sung enzyme Termamyl với tỉ lệ 0,03% so với tổng lượng tinh bột Tại nồi nấu sơ bộ khối nấu được nâng lên 80÷85 0 C trong 10÷15 phút đây là nhiệt độ thích hợp cho hoạt động của enzyme α-amylaza để phân cắt mạch tinh bột Tiếp đó khối nấu nhờ bơm pittông bơm sang thiết bị phun dịch hóa tại đây khối nấu tiếp xúc với hơi nhiệt ở áp suất cao và nhiệt độ cao làm cho cấu trúc tinh bột bị phá vỡ, làm cho khối cháo mịn hơn, qua thiết bị này nhiệt độ khối nấu đạt 94÷96 0 C Sau đó khối nấu tiếp tục được bơm sang nồi nấu chín , theo đó dịch cháo chảy từ trên xuống còn hơi chính được cấp từ dưới lên do đi ngược chiều nên sẽ làm cho dịch cháo được khuấy mạnh và đun nóng tới mức độ cần thiết Ở mỗi nồi nấu chín thì khối nấu sẽ được giữ ở nhiệt độ 100÷105 0 C trong khoảng thời gian từ 25÷30

phút Hệ thống chín gồm 6 nồi nấu chín Việc điều chỉnh mức khối nấu nhờ phao điều chỉnh Hơi thứ tách ra ở nồi nấu chín được tách ở thiết bị tách hơi được thu hồi và cung cấp cho nồi nấu sơ bộ

Ở nồi nấu chín, dịch được cho vào theo cửa (b) Ở giữa nồi nấu có một vách ngăn chia nồi nấu thành 2 phần nhưng ở đáy lại thông nhau Dịch đi vào phía trên theo cửa (b) của nồi rồi chảy xuống đáy sau đó tràn qua ngăn kia cho đến khi đầy thì chảy chuyền sang nồi khác qua cửa (d) Phía dưới đáy nồi có van xả đáy (e) để xả dịch nấu khi có trường hợp bị sự cố

Ta có : + Thời gian nấu sơ bộ: 15 phút.

+ Thời gian đem đi phun dịch hóa: 15 phút.

+ Thời gian nấu chín: 180 phút.

+ Thời gian tách hơi: 30 phút.

3.2.4 Phun dịch hoá

3.2.4.1.Mục đích

Làm nhỏ cấu trúc của tinh bột để nâng nhiệt độ nồi nấu chín lên 100÷105 0 C

3.2.5 Đường hoá [4 , tr 62]

3.2.5.1 Mục đích:

Đường hoá là quá trình chuyển hoá tinh bột thành đường lên men dưới tác dụng của enzym amylaza Quá trình này quyết định phần lớn hiệu suất lên men

3.2.5.2 Thực hiện

Dịch cháo sau khi tách hơi được làm nguội đến nhiệt độ đường hoá 60÷62 0 C nhờ thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống Tại nồi đường hoá được bổ sung chế phẩm enzyme amylaza, chất sát trùng Na 2 SiF 6 và dung dịch H 2 SO 4 98% vào dịch đường nhờ bộ phận phân phối Thời gian đường hoá là 30 phút, sau đó dịch đường được làm lạnh đến nhiệt độ lên men t 0 =30÷32 0 C Quá trình làm lạnh dịch đường đến nhiệt độ lên men cũng được thực hiện trong thiết bị làm nguội ống

lồng ống Sau khi đường hoá và làm nguội xong thì 10% dịch đường được đưa sang nhân giống nấm men, 90% còn lại được đưa vào thùng lên men.

Sử dụng phương pháp lên men liên tục

1.Thùng nhân giống cấp 1 2.Thùng nhân giống cấp 2

3.Thùng lên men đầu dây 4.Thùng lên men tiếp theo

Hình 2.6 : Sơ đồ lên men liên tục Đặc điểm: Thùng lên men đầu tiên được tiếp một lượng lớn men giống và luôn có nồng độ men trong dịch cao Dịch đường và men giống chảy đầy vào thùng đầu tiên này sẽ chảy tràn qua các thùng tiếp theo và cứ như vậy đến thùng cuối thì dịch lên men được kết thúc thu được giấm chín.

Sơ đồ gồm hai thùng nhân giống nấm men cấp 1 và một thùng nhân giống nấm men cấp 2, hai thùng lên men chính và có các thùng lên men tiếp theo Thùng nhân giống cấp 1 được đặt trên thùng nhân giống cấp 2 để dễ dàng tự chảy Thùng nhân giống cấp 2 cũng được đặt cao hơn so với thùng lên men chính Khi bắt đầu sản xuất ta chuẩn bị nấm men giống ở 2 thùng cấp 1 lệch nhau khoảng 3÷4 giờ Khi nấm men giống ở thùng nhân giống nấm men cấp 1 đạt yêu cầu thì tháo xuống thùng cấp 2 Thùng vừa giải phóng cần vệ sinh, thanh trùng

và đổ đầy dịch đường mới Tiếp đó thanh trùng ở 75 0 C rồi axit hoá tới độ chua 1,8÷2,4g H 2 SO 4 /l Sau đó làm lạnh đến nhiệt độ nhân giống rồi cho 25÷30% lượng nấm men giống ở thùng cấp 1 còn lại vào và để cho lên men đến độ biểu kiến 5÷6% Lượng nấm men giống còn lại ở thùng cấp 1 tháo hết xuống thùng cấp 2 Sau khi vệ sinh và thanh trùng lại tiếp tục chu kỳ nhân giống khác.

Ở thùng nhân giống nấm men cấp 2 tiếp tục cho dịch đường tới đầy và axit hoá tới độ chua 1÷1,25g H 2 SO 4 /l rồi để cho lên men tiếp tới độ lên men biểu kiến còn 5÷6% Cho toàn bộ dịch ở thùng cấp 2 vào thùng lên men chính rồi liên tục cho dịch đường vào Dịch lên men sẽ tiếp tục chảy từ thùng lên men chính sang các thùng bên cạnh và đến thùng cuối cùng ta thu được giấm chín Tổng thời gian lên men là 60-62 giờ, nhiệt độ lên men ở thùng lên men chính ( 25÷27 0 C), hai thùng tiếp theo (27÷30 0 C), các thùng còn lại ( 27÷28 0 C).

7- Bình làm lạnh 8- Tháp tinh 9- Bình ngưng tụ hồi lưu 10- Bình làm lạnh cồn sản phẩm 11- Bình ngưng và làm lạnh dầu

Giấm chín được bơm lên thùng cao vị (1) sau đó đi vào bình hâm giấm (2), thiết bị này được gia nhiệt bằng hơi cồn thô đến nhiệt độ 70÷80 0 C rồi đưa qua bình tách CO 2 và khí không ngưng (3) rồi vào đĩa tiếp liệu của tháp thô (4) Tháp thô được đun bằng hơi trực tiếp, hơi đi từ dưới lên, giấm chín chảy từ trên xuống nhờ

đó quá trình chuyển khối được thực hiện, sau đó hơi rượu ra khỏi tháp ngưng tụ làm lạnh và được đưa sang tháp tinh (8) ở đĩa tiếp liệu, còn giấm khi chảy xuống tới đáy nồng độ rượu trong giấm còn khoảng 0,015 ÷0,03%V được thải ra ngoài gọi là

bã rượu

Tại tháp tinh cũng được cấp nhiệt bằng hơi nước trực tiếp, hơi rượu bay lên được nâng dần nồng độ sau đó ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ (9) và được hồi lưu trở lại tháp tinh Một phần nhỏ chưa ngưng kịp còn chứa nhiều tạp chất đầu được đưa sang ngưng tụ tiếp ở thiết bị ngưng tụ làm lạnh (7) và lấy ra ở dạng cồn đầu Cồn tinh chế được lấy ra cách đĩa hồi lưu 3÷6 đĩa qua thiết bị làm lạnh (10) được cồn tinh chế Dầu fusel được lấy ra ở dạng hơi từ đĩa 6÷11 tính từ dưới lên được làm lạnh, phân ly được dầu fusel thành phẩm Nhiệt độ đáy của hai tháp luôn bảo đảm 103÷105 0 C; nhiệt độ đỉnh tháp thô phụ thuộc vào nồng độ cồn trong giấm và thường vào khoảng 93÷97 0 C; nhiệt độ đỉnh tháp tinh vào khoảng Hình 2.7 Sơ đồ chưng cất liên tục 2 tháp

78,3÷78,5 0 C; nhiệt độ thân tháp tinh ở vị trí cách đĩa tiếp liệu về phía trên 3÷4 đĩa khống chế ở 82÷83 0 C.

3.2.8 Tách nước

3.2.8.1 Mục đích:

Dùng để sản xuất cồn tuyệt đối Khi sử dụng chất hấp thụ zeolit để hấp thụ chọn lọc nước trong hỗn hợp nước – etanol có nồng độ thấp 96%v lên nồng độ cao 99,97%V.

3.2.8.2 Thực hiện

Cồn nguyên liệu 96 o sẽ được bơm vào thiết bị bốc hơi – quá nhiệt, tác nhân gia nhiệt là hơi nước có nhiệt độ 151,1 o C Cồn nguyên liệu sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt được nâng lên 107 o C Sau khi hơi cồn đi ra thiết bị quá nhiệt thì nó được

đi vào thiết bị hấp thụ, ta thu được cồn khan Cồn khan tiếp tục ngưng tụ và đưa vào kho chứa.

Thiết bị hấp thụ và giải hấp sử dụng chất hấp thụ là zeolit.

* Mô tả quá trình làm việc:

Nguyên liệu (hỗn hợp ethanol – nước có nồng độ thấp) được đưa qua cột hấp phụ chứa zeolite 3A ở pha lỏng hoặc pha hơi Nước sẽ bị hấp phụ và giữ lại trên cột, ethanol không bị hấp phụ đi ra khỏi cột Để quá trình làm việc liên tục, thông thường phải có ít nhất 2 tháp chứa chất hấp phụ Khi tháp A tiến hành hấp phụ thì tháp B phải tiến hành tái sinh xúc tác và ngược lại

Hình 2.8 Sơ đồ hấp phụ và giải hấp

3.2.9 Sản phẩm.

Sau khi tách nước ta được sản phẩm cồn tuyệt đối với độ cồn lên đến 99,97%V etanol.Sau khi hấp phụ và giải hấp ta thu được cồn nhạt ( là hỗn hợp của nước và cồn còn sót lại) Lượng cồn nhạt này 1 phần được đưa vào giải hấp trở lại và 1 phần cho vào tháp tinh.

Chương 4

TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT4.1 Biểu đồ nhập liệu.

Thường vào tháng 8 nguồn nguyên liệu nhập ít do chưa vào mùa thu hoạch nên không cung cấp đủ nguyên liệu cho nhà máy nên nhà máy có kế hoạch ngừng hoạt động vào tháng này để vệ sinh, sữa chữa thiết bị hư hỏng và bảo dưỡng các thiết bị khác.

4.2 Biểu đồ sản xuất của nhà máy.

Do đặc điểm của quá trình sản xuất nên nhà máy làm việc một ngày 3 ca, số ngày sản xuất 1 năm được tính bằng số ngày trong năm trừ đi các các ngày lễ, tết.

Số ngày sản xuất 2

6

2 6

4.3 Tính cân bằng vật chất.

4.3.1 Các thông số ban đầu.

- Năng suất: 60.000 lít cồn/ ngày.

- Thành phần nguyên liệu: 100% sắn lát khô.

- Nồng độ chất khô của dịch sau khi nấu: 18%, nồng độ dịch lên men: 16%.

- Hiệu suất đường hoá: 98%.

- Hiệu suất lên men: 98%.

- Hiệu suất chưng cất tinh chế: 97%.

- Hiệu suất tách nước: 98%.

- Hiệu suất thu hồi:

η =ηdh×ηlm×ηcc×ηtn =0,98×0,98×0,97×0,98=0,913=91,3%

- Hao hụt và tổn thất nguyên liệu qua từng công đoạn:

Bảng 4.1 Bảng hao hụt và tổn thất qua các công đoạn

ST T

Công đoạn Hao hụt và tổn

1%

Bảng 4.2 Bảng độ ẩm và hàm lượng tinh bột trong nguyên liệu

Nguyên liệu Độ ẩm Chất khô Tinh bột

4.3.2.Tính toán cân bằng vật chất

4.3.2.1 Công đoạn làm sạch:

Gọi khối lượng của sắn ban đầu để sản xuất ra đủ lượng cồn thành phẩm như yêu cầu là M ( kg ).

Với tỉ lệ hao hụt trong quá trình sản xuất như trong bảng 4.1 ta có:

Lượng nguyên liệu thu được sau khi làm sạch :

1

(kg) Khối lượng tinh bột có trong nguyên liệu sau làm sạch ( với lượng tinh bột

có trong nguyên liệu là 73%) :

M M

m

m TB = × = × × = 0 , 715 ×

100

73 98

, 0 100

73

1

1

(kg) Khối lượng chất khô có trong nguyên liệu sau làm sạch ( với lượng chất khô trong nguyên liệu là 87%):

M M

m

m CK = × = × × = 0 , 853 ×

100

87 98

, 0 100

87 1 1

(kg) Khối lượng nước có trong nguyên liệu sau làm sạch ( với độ ẩm trong nguyên liệu là 13%):

M M

m

m H O = × = × × = 0 , 127 ×

100

13 98

, 0 100

13 1 ) 1 (

2

(kg)

4.3.2.2 Công đoạn nghiền

Với tỉ lệ hao hụt như trong bản 4.1:

Khối lượng nguyên liệu thu được sau khi nghiền:

M M

m

m = × − = × × = 0 , 975 ×

100

5 , 99 98

, 0 100

) 5 , 0 100 ( 1 2

(kg) Khối lượng tinh bột có trong nguyên liệu sau khi nghiền ( tinh bột chiếm 73% nguyên liệu):

M M

m

m TB = × = × × = 0 , 712 ×

100

73 975

, 0 100

73 2 2

(kg) Khối lượng chất khô có trong nguyên liệu sau khi nghiền ( chất khô chiếm 87% nguyên liệu):

M

M m

m CK = × = × × = 0 , 848 ×

100

87 975

, 0 100

87 2 2

(kg) Khối lượng nước có trong nguyên liệu sau khi nghiền ( nước chiếm 13% trong nguyên liệu):

M M

m

m H O = × = × × = 0 , 126 ×

100

13 975

, 0 100

13 2 ) 2 (

2

(kg) 4.3.2.3 Công đoạn nấu sơ bộ

Gọi X là lượng nước mà ta cần bổ sung tại công đoạn nấu sơ bộ để sau nấu chín nồng độ chất khô đạt 18%.

Lượng enzyme bổ sung quá trình nấu và đường hóa bằng 1‰ so với lượng tinh bột có trong nguyên liệu:

M m

E = 2 = × = 7 , 12 × 10 − 4 ×

1000

712 , 0

Trong quá trình nấu sơ bộ người ta chỉ bổ sung một lượng enzyme bằng 30% so với tổng lượng enzyme bổ sung quá trình nấu và đường hóa:

4 4

) 3

100

30100

Vậy khối lượng của dịch cháo sau khi nấu sơ bộ là:

99)975

,0(100

)1100()( 2

, 0 100

) 1 100 ( 2 3

(kg) Khối lượng chất khô có trong dịch cháo sau khi nấu sơ bộ:

M M

, 0 100

) 1 100 ( 2 3

(kg) Khối lượng nước trong dịch cháo còn lại sau khi nấu sơ bộ:

99)126

,0(100

)1100()( (2)

) 3

m H O H O

=0,125×M +0,99×X (kg)

4.3.2.4 Công đoạn phun dịch hóa

Với tỉ lệ hao hụt như trong bảng 4.1 ta có:

Khối lượng của dịch cháo thu được sau khi phun dịch hóa:

5,99)99,0965

,0(100

)5,0100(

m CK

CK = × − = × × =0,836×

100

5,99840

,0100

)5,0100(

3 4

(kg) Khối lượng tinh bột có trong dịch cháo sau khi phun dịch hóa:

M M

,0100

)5,0100(

3

4

(kg) Khối lượng nước có trong dịch cháo sau khi phun dịch hóa:

5,99)99,0125

,0(100

)5,0100(

) 3 ( )

4.3.2.5 Công đoạn nấu chín

Cứ 1 kg nguyên liệu chưa hòa nước đưa vào nấu chín cần cung cấp 2 kg hơi

và lượng nước ngưng tụ sau khi nấu chín bằng 50% lượng hơi cấp vào

Vậy khối lượng nước ngưng sau khi nấu :

,096

,0(100

)1100()

, 0 100

) 1 100 ( 4 5

(kg) Khối lượng chất khô có trong dịch cháo sau khi nấu chín:

M M

,0100

)1100(

4 5

(kg)

Khối lượng nước có trong dịch cháo sau khi nấu chín:

)1100()

) 5

2

−

×+

,0124

X M

M

M m

m

m m

m

C

O H CK

CK dd

ct

× +

× +

×

×

=

⇔ +

=

=

975 , 0 088

, 1 828

, 0

828 , 0 100

18 )

5 ( 5

5 0

4.3.2.6 Công đoạn tách hơi

Lượng hơi cấp cho quá trình nấu chín bằng hai lần so với lượng nguyên liệu

đã nghiền chưa hòa nước

Lượng hơi tách ra trong công đoạn tách hơi lại chiếm 30% so với lượng hơi cung cấp cho quá trình nấu chín:

,4100

)5,0100(

5 6

(kg) Khối lượng tinh bột có trong dịch cháo sau khi tách hơi:

M M

,0100

)5,0100(

5 6

(kg) Lượng chất khô có trong dịch cháo sau tách hơi:

M M

,0100

)5,0100(

5 6

(kg) Khối lượng của nước có trong dịch cháo sau khi tách hơi:

M M

m

m H O = H O × − = × × =3,753×

100

5,99772

,3100

)5,0100(

) 5 ( )

6

2

(kg) 4.32.7 Công đoạn làm nguội:

Với tỉ lệ hao hụt theo bảng 4.1 ta có:

Khối lượng dịch cháo sau khi làm nguội:

M M

m

m = × − = × × =4,552×

100

5,99575

,4100

)5,0100(

6 7

(kg) Khối lượng tinh bột có trong dịch cháo sau khi làm nguội:

M M

, 0 100

) 5 , 0 100 ( 6 7

(kg) Khối lượng chất khô có trong dịch cháo sau làm nguội:

M M

, 0 100

) 5 , 0 100 ( 6 7

(kg) Khối lượng của nước có trong dịch cháo sau khi làm nguội:

M M

m

m H O = H O × − = × × =3,734×

100

5,99753

,3100

)5,0100(

) 6 ( )

7

2

(kg) 4.3.2.8 Công đoạn đường hóa:

Trong quá trình đường hóa ta bổ sung một lượng enzyme bằng 70% so với tổng lượng enzyme bổ sung quá trình nấu và đường hóa

4 4

) 8

100

70100

m E E

(kg) Theo lý thuyết thì cứ 100 kg tinh bột ta thu được được 72 lít cồn 100%V Lượng axit H 2 SO 4 30 0 Be cần bổ sung trong quá trình đường hóa ( sử dụng cho

100 lít cồn 100%V) là 1,5÷2 kg

Nên cứ 100kg tinh bột cần bổ sung 1,08kg H 2 SO 4 30 0 Be

Vậy lượng axit H 2 SO 4 30 0 Be bổ sung cho quá trình nấu chín là:

3

100

08,1689

,0100

08,1

4 2

H

(kg) Gọi Y là lượng nước trong quá trình đường hóa ta cần bổ sung.

Khối lượng của dịch đường sau đường hóa là:

Y M

Y M Y

m

m = + × − = × + × =4,460× +0,98×

100

98)552

,4(100

)2100()( 7

8