Quy trình tổng hợp butanol nhiên liệu từ bã mĩa

Chương 2 Quy trình công nghệ tổng hợp butanol 2.1 Nổ hơi 2.1.1 Cấu tạo chung Bộ phận tạo hơi nước áp suất cao: gồm có các thiết bị như bồn chứa hơi nước, bơm nước bình gia nhiệt bằng dầu, van cấp hơi nước và van xả hơi nước. Nước từ bồn chứa nước được bơm nước hút và đẩy qua bình gia nhiệt bằng dầu để tạo hơi nước bão hòa có áp suất và nhiệt độ cao. Hơi nước được tạo thành cho ra ngoài bằng cách mở van xả hơi nước và đóng van cấp nước. hơi nước được cấp vào bình phản ứng bằng cách mở van cấp hơi nước. Bộ phận nạp liệu: gồm có các thiết bị như moto nạp liệu, phễu nạp liệu và van nạp liệu. nguyên liệu đực nạp vào phễu nạp liệu. Mô tơ nạp liệu quay làm quay dao cắt và cắt nhỏ nguyên liệu trước khi nạp vào bình phản ứng khi van nạp liệu mở ra. Thiết bị phản ứng: gồm các thiết bị như bình phản ứng và van nổ hơi. Khi nguyên liệu được nạp vào bình phảm ứng , hai van cấp hơi và van nổ hơi đóng còn van nạp liệu mở. Đóng van nạp liệu lại và mở van cấp hơi nước để cấp hơi nước vào bình phản ứng. khi cấp đủ hơi nước, đóng van cấp hơi nước lại, và tiến hành lưu hơi trong bình phản ứng. Sau khi đủ thời gian, mở van nổ hơi để xảy ra quá trình nổ hơi. Bồn chứa bã: gồm các thiết bị như bồn nổ, cửa vệ sinh và van xả bã. Khi mở van nổ hơi thì van xả bã đóng kín, khi xảy ra quá trình nổ hơi thì bã từ bình phản ứng được đẩy xuống bồn nổ. Bã được chứa trong bồn nổ và được chuyển xuống bộ phận ép bã bằng cách mở van xả bã. Cửa vệ sinh luôn được đóng kín và chỉ mở khi tiến hành vệ sinh thiết bị. Bộ phận ép bã mía: gồm các thiết bị như vít tải, mô tơ vít và máng hứng dịch. Khi mở van xả bã thì bã rơi xuống hệ thống ép bã. Mô tơ vít quay làm quay vít tải và bã được ép, được đưa ra ngoài nhờ hệ thống này. Phần nước từ quá trình ép được hứng bởi máng hứng dịch. Sau mỗi mẻ hoạt động, bã mía được thu hồi lưu trữ để làm nguyên liệu cho quá trình thủy phân tiếp theo. Dịch ép được làm nguyên liệu cho quá trình lên men.

Chương 1 Tổng quan lý thuyết 1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, vơú sự ô nhiễm ngày càng lớn của việc sử dụng nguyên liệu hoá thạch được sản xuất từ dầu mỏ và sự cạn kiệt của nguyên kiệu hoá thạch nói chung thì việc nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các công nghệ để sản xuất nguyên liệu sinh học được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới Nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học như ethanol, methanol, buthanol, từ nguồn nguyên liệu phế thải và phụ phẩm trong quá trình sản xuất nông nghiệp là một trong những mục tiêu lớn của các quốc gia có nền nông nghệp phát triển như Việ Nam Trong các loại nguyên liệu phế phụ phẩm thì bã mía có ưu điểm hơn so với các loại nguyên liệu như trấu, rơm rạ, là hàm lượng cellulose cao hơn và đây là một trong những ưu điểm quan trong trong việc nghiên cứu nhiên liệu sinh học từ các loại nguyên liệu này Trong các loại nhiên liệu sinh học thì buthanol là loại nhiên liệu có nhiều ưu điểm nổi trội hơn so với các loại nhiên liện sinh học khác, bên cạnh đó butanol còn là một alcohol có giá trị trong lĩnh vực y học và công nghệ vật liệu mới với nhu cầu phát triển nhiê liệu sinh học như hiện nay, nghiên cứu sản xuất butanol từ nguyên liệu bã mía hiên nay vẫn là một trong những hướng nghiên cứu tập trung với mục tiêu cải thiện hiệu suất chuyển hoá, nâng caonồng độ butanol và giảmchi phí thu hôig butanol

1.2 Giới thiệu về bã mía

Mía là cây công nghiệp lấy đường quan trọng của ngành công nghiệp đường Trong thân mía chứa khoảng 80-90% nước dịch, trong dịch có chứa khỏng 16-18% đường Vào thời kì mía già, người ta thu hoạch mía rồi đem ép láy nước dịch Nước dịch mía được chế lọc và cô đặc thành đường Phần nguyên liệu còn lại sau khi chiết xuất đường được gọi là bã mía Bã mía chiếm khoảng 25-30% khối lượng mía đem ép Bã mía có thể làm nguyên liệu đốt lò, làm bột giấy, ép

thành ván dùng trong kiến trúc, hoặc cao hơn là làm ra Furfural là nguyên liệu cho ngành sơi tổng hợp Bã mía còn lại sau khi ép có thể đốt để sản xuất nhiệt lẫn điện năng Ngoài ra, với mục đích thân thiện với môi trường do được làm từ phụ phẩm của nguyên liệu sản xuất đường,bã mía được sử dụng trong sản xuất nhiên liệu sinh học: ethanol, butanol, nhiều quốc gia trên thế giới đã thử nghiêm thành công và đưa vào sản xuất ethanol từ bã mía Tại Hoa Kỳ, năm

2008, Verenium Corporation đã xây dựng một nhà máy sản xuất 1.400.000 lít ethanol mỗi năm từ bã mía ở Jennings, Louisiana

Tuy nghiên ở Việt Nam, phần lớn bã mía sau khi được ép đường thường được dùng làm thức ăn cho trâu bò hoặc phơi khô làm chất đốt đun nấu hàng ngày, hoặc đem vứt bỏ, vừa bẩn vừa mất vệ sinh Như vậy, nguồn nguyên liệu phế phẩm này hiện nay đang sử dụng không hiệu quả và gây ra ô nhiễm môi trường

Cũng như thành phần của nhiều vật liệu thân gỗ, bã mía có thành phần chủ yếu là cellulose Với thành phần cellulose rất cao, bã mía có thể coi là một nguyên liệu biomass tốt nhất để sản xuất nhiên liệu sinh học như ethanol, butanol Bên cạnh thành phần hóa, tính chất cách thành phần trong bã mía, cấu trúc tế bào thực vật cũng quan trọng không kém trong việc nghiên cứu tiền xử lý

bã mía

Bã mía là phần xơ còn lại của thân cây mía sau quá trình ép mía Bã mía gồm

có sợi xơ,nước và một lượng tương đối nhỏcác chất hòa tan-chủ yếu là đường Thành phần trung bình của bãmía bao gồm:

- Xơ 48%

- Độ ẩm 50%

- Chất hòa tan 2%

Thành phần xơ bao gồm:

- Hemicellulose 20-25%

- Tro 1-4%

- Sáp < 1%

1.3 Giới thiệu về butanol

Butanol là một alcohol có công thức phân tử C4H9OH Khối lượng phân tử M

= 74 Butanol là một chất lỏng rễ cháy, trong suốt không màu và có mùi đặc biệt, hơi hòa tan trong nước và các dung môi hữu cơ khác

Butanol được sử dụng làm dung môi trong công nghiệp sơn, làm chất pha loãng trong sản xuất formaldehyde-ure và melamine-formaldehyde, hòa tan trong các loại dầu và chất béo,… Ngoài ra butanol còn được sử dụng trong sản xuất nhựa và chất dẻo, tổng hợp các chất hữu cơ, trong sản xuất thuốc khánh sinh, hóc môn và các vitamin Giống như nhiều rượu, butanol được coi là độc hại Nó đã thể hiện để độc tính thấp trong các thí nghiệm liều duy nhất với động vật trong phòng thí nghiệm, và được coi là đủ an toàn để sử dụng trong mỹ phẩm Tóm lại, lặp đi lặp lại tiếp xúc quá nhiều với da có thể dẫn đến trầm cảm của hệ thống thần kinh trung ương , cũng như khác rượu chuỗi ngắn Tiếp xúc cũng có thể gây kích ứng mắt nghiêm trọng và kích ứng da vừa phải Những mối nguy hiểm chính là từ việc tiếp xúc kéo dài với khói Trong trường hợp cực đoan này bao gồm ức chế của hệ thần kinh trung ương và thậm chí tử vong Theo hầu hết các trường hợp, butanol là nhanh chóng chuyển hóa thành carbon dioxide Nó đã không được chứng minh là gây tổn hại DNA hoặc nguyên nhân ung thư

Butanol được đề xuất như một như là một nguồn nhiên liệu thay thế nhiên liệu diesel và xăng Khi so sánh ethanol, butanol có nhiệt trị gấp 1,5 lần do tỉ lệ

H trong phân tử cao hơn và bằng 90% so với gasoline Tuy nhiên độ nhới lại cao hơn ethanol và gasoline rất nhiều Bên cạnh đó chỉ số RON và MON cao và tiêu

thụ oxy khi cháy thấp, butanol còn dùng như một loại phụ gia pha xăng để tăng chỉ số cotan, cải thiện khả năng đốt cháy và sử dụng nhiên liệu

Butanol có thể sản xuất bằng hai phương pháp Phương pháp thứ nhất bằng con đường tổng hợp hóa học, nguyên liệu đi từ propylene thu được từ nguồn dầu

mỏ, thực hiên trên xúc tác Rhodium Phương pháp thứ hai, sản xuất butanol bằng phương pháp lên men yếm khí từ các nguyên liệu biomass như tinh bột,

gỗ, rơm rạ, lá cây hay thậm chí những phụ phẩm nông nghiệp Trong những năm

1950, khi ngành công nghiệp khai thác dầu mỏ phất triển mạnh mẽ, giá dầu mỏ trở lên thấp hơn, phương pháp tổng hợp butanol từ đầu mỏ trở lên hiệu quả hơn phương pháp lên men truyền thống Nhưng trong quá trình hiên nay, eetreuwowcs sự cạn kiệt của nguồn nguyên liệu hóa thạch và sự ô nhiễm môi trường, việc nghiên cứu sản xuất butanol từ nguồn nguyên liệu biomass trở thành mục tiêu nghiên cứu hàng đầu tại các nước trên thế giới

Chương 2 Quy trình công nghệ tổng hợp butanol

2.1 Nổ hơi

2.1.1 Cấu tạo chung

Bộ phận tạo hơi nước áp suất cao: gồm có các thiết bị như bồn chứa hơi nước, bơm nước bình gia nhiệt bằng dầu, van cấp hơi nước và van xả hơi nước Nước từ bồn chứa nước được bơm nước hút và đẩy qua bình gia nhiệt bằng dầu

để tạo hơi nước bão hòa có áp suất và nhiệt độ cao Hơi nước được tạo thành cho ra ngoài bằng cách mở van xả hơi nước và đóng van cấp nước hơi nước được cấp vào bình phản ứng bằng cách mở van cấp hơi nước

Bộ phận nạp liệu: gồm có các thiết bị như moto nạp liệu, phễu nạp liệu và van nạp liệu nguyên liệu đực nạp vào phễu nạp liệu Mô tơ nạp liệu quay làm quay dao cắt và cắt nhỏ nguyên liệu trước khi nạp vào bình phản ứng khi van nạp liệu mở ra

Thiết bị phản ứng: gồm các thiết bị như bình phản ứng và van nổ hơi Khi nguyên liệu được nạp vào bình phảm ứng , hai van cấp hơi và van nổ hơi đóng còn van nạp liệu mở Đóng van nạp liệu lại và mở van cấp hơi nước để cấp hơi nước vào bình phản ứng khi cấp đủ hơi nước, đóng van cấp hơi nước lại, và tiến hành lưu hơi trong bình phản ứng Sau khi đủ thời gian, mở van nổ hơi để xảy ra quá trình nổ hơi

Bồn chứa bã: gồm các thiết bị như bồn nổ, cửa vệ sinh và van xả bã Khi

mở van nổ hơi thì van xả bã đóng kín, khi xảy ra quá trình nổ hơi thì bã từ bình phản ứng được đẩy xuống bồn nổ Bã được chứa trong bồn nổ và được chuyển xuống bộ phận ép bã bằng cách mở van xả bã Cửa vệ sinh luôn được đóng kín

và chỉ mở khi tiến hành vệ sinh thiết bị

Bộ phận ép bã mía: gồm các thiết bị như vít tải, mô tơ vít và máng hứng dịch Khi mở van xả bã thì bã rơi xuống hệ thống ép bã Mô tơ vít quay làm

quay vít tải và bã được ép, được đưa ra ngoài nhờ hệ thống này Phần nước từ quá trình ép được hứng bởi máng hứng dịch

Sau mỗi mẻ hoạt động, bã mía được thu hồi lưu trữ để làm nguyên liệu cho quá trình thủy phân tiếp theo Dịch ép được làm nguyên liệu cho quá trình lên men

2.1.2 Quy trình công nghệ

Chuẩn bị nguyên liệu

Bã mía sử dụng được lấy từ nhà máy đường Biên Hòa và được trữ trong điều kiện ở phòng thí nghiệm của Trung tân công nghệ lọc hóa dầu Đại học bách khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Nguyên liệu bã mía chứa 50 – 55% cellulose, 20 – 25% hemicellulose và hàm lượng lignin thấp 10 – 15% Độ ẩm của bã mía khoảng 13 – 15%

Trước khi hoạt động hệ thống nổ hơi nước, nguyên liệu bã mía được nạp vào gần đầy phễu nạp liệu ( khoảng 2 kg) Sau khi cho nguyên liệu vào phễu nạp, tiến hahf quá trình tạo hơi nước bão hòa có áp suất và nhiệt độ cao từ nước

và làm nóng bình phản ứng đến nhiệt độ cần thiết Thiết bị phản ứng làm việc chịu được áp suất tối đa là 150 bar, nhiệt độ tối đa là 300oC Khoảng nhiệt độ khảo sát cho quá trình nổ hơi là từ 220oC đến 230oC, thời gian lưu khảo sát là 2,

3, 4 và 5 phút Nhiệt độ của quá trình nổ hơi được điều chỉnh bởi các lò nung, do

đó sự khó khăn chủ yếu là việc duy trì và ổn định nhiệt độ Mỗi một mẻ phản ứng, quá trình nổ hơi được thực hiện chỉ ở một nhiệt độ Khi các thông số đã hoạt động ổn định, tiến hành quá trình nhập liệu vào bình phản ứng nhờ bộ phận nạp liệu

Tiến hành cấp hơi nước vào bình phản ứng nhờ bộ phận cấp hơi nước Khi cấp đủ hơi nước thì ngưng quá trình cấp hơi nước bằng cách đóng van cấp hơi nước, tiến hành đưa nguyên liệu và hơi nước vào trong bình phản ứng

Khi thời gian lưu đã đủ thì mở van nổ hơi để tiến hành nổ hơi Sau khi nổ xong thì đóng van nổ hơi lại, tiếp tục nạp liệu vào bình phản ứng và tiếp tục quá trình nổ hơi cho đến khi hết nguyên liệu trong phễu nạp liệu (lập lại khoảng 10 lần) Bã sau khi được nổ hơi được chứa trong bồn nổ và được chuyển đến bộ

phận ép bã bằng cách mở van xả bã Từ bộ phận ép bã, bã được ép ra ngoài và thu hồi lại

Tóm lại, quá trình vận chuyển của nguyên liệu bã mía trong chu trình như sau:

Nguyên liệu bã mía từ phễu nạp liệu qua van nạp liệu vào bình phản ứng Hỗn hợp hơi nước áp suất cao và bã mía được lưu lại trong bình phản ứng một thời gian

Sau khi tiến hành nổ hơi, bã mía được đẩy từ bình phản ứng xuống bồn nổ qua van nổ hơi

Từ bồn nổ bã mía được đẩy xuống bộ ép bã qua van xả bã và được đưa ra bên ngoài

Các yếu tố ảnh hưởng

Quá trình nổ hơi chịu ảnh hưởng của ba yếu tố: nhiệt độ nổ hơi, độ ẩm, và thời gian lưu của hỗn hợp hơi cùng bã mía trong bình phản ứng Sau đây là điều kiện vận hành của hệ thống nổ hơi:

Nhiệt độ nổ hơi: 220 – 228oC

Độ ẩm: 75 – 85%

Thời gian lưu: 2 – 4 phút

Nhiệt độ của quá trình nổ hơi được điều khuyển và kiểm soát nhờ bình gia nhiệt Độ ẩm được điều khuyển và kiểm soát bằng cách chỉnh lưu lượng bơm nước hoặc thay đổi khối lượng bã mía nạp liệu

2.2 Thủy phân

2.2.1 Cấu tạo chung

Bộ phận chứa: gồm các thiết bị chính van xả và ống dẫn đầu dò nhiệt thiết bị chính có dạng hình trụ và bằng thủy tinh trong suốt, là nơi chứa hỗn hợp nguyên liệu gồm bã nổ hơi và dung dịch đệm cùng với enzyme Bộ phận chính

có hai van

dùng để tháo sản phẩm và để thông khí cùng với một khe hẹp để gắn đầu dò nhiệt độ của bbooj phận gia nhiệt

Bộ phận khuấy trộn: gồm có các thiết bị như cánh khuấy và mô tơ khuấy Hỗn hợp nguyên liệu được nạp vào thiết bị chính, sau đó hỗn hợp được khuấy trộn nhờ mô tơ khuấy quay làm quay cánh khuấy được lắp với mô tơ khuấy Hỗn hợp được khuấy trộn đều trong bình phản ứng trong suốt quá trình thủy phân

Bộ phận gia nhiệt: gồm có thiết bị gia nhiệt dầu, bơm dầu tải nhiệt và ống xoán gia nhiệt Dầu từ thiết bị gia nhiệt dầu được đun nóng, sau đó được bơm dầu tải nhiệt bơm qua hệ thống ống xoán gia nhiệt nằm trong thiết bị chính để gia nhiệt cho hỗn hợp bên trong thiết bị chính rồi quay trở về thiết bị gia nhiệt dầu để tiếp tục vòng tuần hoàn mới

Sau mỗi mẻ hoạt động, dịch thủy phân được thu hồi, lưu trữ để làm nguyên liệu cho quá trình lên men tiếp theo

2.2.2 Quy trình công nghệ

Bã mía sau khi nổ hơi có độ ẩm là 80%, và hàm lượng cellulose khoảng 68%

Enzyme sử dụng trong quá trình thủy phân là enzyme cellulase

Dung dịch đệm pH được dùng là đệm acetat

Để chuẩn bị dung dịch thủy phân, khoảng 455g bã mía đã tiền xử lý được cho vào chai thủy tinh 2000ml đã chứa sẵn 1300ml dung dịch đệm acetate (pH khoảng 4,8), sau đó đem hấp ở 121oC trong 15 phút rồi để nguội đến 36oC, mỗi

mẻ thủy phân tiến hành với thể tích khoảng 20 lít Các chai thủy tinh được đậy với giấy nhôm kèm theo nút bông Sau khi hấp, các chai thủy tinh được để nguội

và đổ vào thiết bị thủy phân đã được làm sạch Sau quá trình này, 70g enzyme

hỗn hợp được khuấy nhờ cánh khuấy ở 50oC trong 72 giờ với tốc độ khuấy khoảng 80 vòng/phút Trong quá trình thủy phân, 1,5ml mẫu được lấy ra sau mỗi

24 giờ để xác định hàm lượng đường Mẫu được ly tâm ở tốc độ 12000 vòng/phút trong 15 phút để tách các chất cặn và phần chất lỏng sạch sẽ được trữ

ở 4oC chờ phân tích hàm lượng đường Sau khi khuấy, hỗn hợp được lọc để loại các chất mùn Sau đó, dung dịch được hấp ở 121oC trong vòng 15 phút trước khi được lưu trữ ở 4oC cho nghiên cứu quá trình lên men sẽ được thực hiện sau đó

2.3 Lên men

2.3.1 Cấu tạo chung

Bộ phận chứa: gồm có đèn UV, thiết bị chính các van nạp liệu và xả sản phẩm Thiết bị chính có dạng hình trụ, là nơi chứa hỗn hợp nguyên liệu gồm dịch thủy phân, môi trường T6, vi sinh và các hóa chất tạo môi trường kị khí

Bộ khuấy trộn: gồm có các thiết bị như mô tơ khuấy và cách khuấy Hỗn hợp nguyên liệu được nạp vào thiết bị chính sau đó hỗn hợp được khuấy trộn nhờ mô tơ khuấy quay làm quay cánh khuấy được lắp với mô tơ khuấy

Bộ phận gia nhiệt: gồm các thiết bị như ống gia nhiệt, thiết bị gia nhiệt và bơm Dầu từ thiết bị gia nhiệt được đun nóng, sau đó được bơm qua hệ thống gia nhiệt nằm trong thiết bị chính để gia nhiệt cho hỗn hợp bên trong thiết bị rồi quay trở về thiết bị gia nhiệt để hoàn tất vòng tuần hoàn

2.3.2 Quy trình công nghệ

Để tiến hành lên men, khoảng 25 lít dung dịch thủy phân, đã được bổ sung môi trường T6 và điều chỉnh pH 6,8, đuổi khí oxi (sục khí nitơ) và

được chia nhỏ ra trong các chai thủy tinh 2000ml và đem đi hấp tiệt trùng ở

121oC trong 15 phút rồi để nguội đến 36oC Mỗi mẻ lên men tiến hành với thể tích khoảng 25 lít Các chai được đậy với giấy nhôm kèm theo nút bông Sau khi hấp, các chai thủy tinh được để nguội và đổ vào thiết bị chính đã được làm sạch

và diệt khuẩn bằng đèn UV Sau quá trình này, cho khoảng 250ml dung dich muối natri thioglycolate 0,2% (đã được hấp tiệt trùng sẵn) vào thiết bị chính rồi

khuấy, sau đó cho thêm 1,75 lít giống vi sinh Clostridium acetobutylicum (đã

được tăng sinh 2 cấp) dạng lỏng vào và khuấy trộn đều Tiếp theo, cho khoảng 250ml parafin lỏng đã được hấp tiệt trùng sẵn vào thiết bị chính Sau khi cho hết nguyên liệu vào thiết bị chính, bật môtơ khuấy để khuấy hỗn hợp cho đồng nhất khoảng 15 phút rồi dừng khuấy Bật thiết bị gia nhiệt để tiến hành nâng nhiệt độ của hỗn hợp trong thiết bị chính lên đến nhiệt độ thích hợp Khi đã đạt nhiệt độ thích hợp và các thông số hoạt động đã ổn định, bắt đầu tính thời gian cho quá trình lên men Sau khi dừng quá trình lên men, hỗn hợp sản phẩm được tháo ra ngoài qua van xả ở phía đáy thiết bị chính Hỗn hợp sản phẩm này được lọc lấy dịch và sau đó dịch này được trữ lại (4oC) chuẩn bị làm nguyên liệu cho quá trình tách chiết tiếp theo cũng như làm nguyên liệu phân tích xác định các sản phẩm của quá trình ABE

Bảng Thành phần môi trường T6