Nhiên liệu sinh học Sản xuất và Ứng dụng

Giới thiệu Sản xuất biodiesel từ dầu thực vật và mỡ Sản xuất ethanol và ETBE Sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulose Sản xuất nhiên liệu sinh học bằng con đường nhiệt hóa học Nhà máy chưng luyện sinh học (Biorefinery) Tính bền vững của nhiên liệu sinh học Kết luận Giới thiệu Sản xuất biodiesel từ dầu thực vật và mỡ Sản xuất ethanol và ETBE Sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulose Sản xuất nhiên liệu sinh học bằng con đường nhiệt hóa học Nhà máy chưng luyện sinh học (Biorefinery) Tính bền vững của nhiên liệu sinh học Kết luận Giới thiệu Sản xuất biodiesel từ dầu thực vật và mỡ Sản xuất ethanol và ETBE Sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulose Sản xuất nhiên liệu sinh học bằng con đường nhiệt hóa học Nhà máy chưng luyện sinh học (Biorefinery) Tính bền vững của nhiên liệu sinh học Kết luận

Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

Đại học Bách Khoa Khoa Kỹ thuật Hóa học

BÁO CÁO SEMINAR

Nhiên liệu sinh học

Sản xuất và Ứng dụng.

GVHD: Cô Huỳnh Ngọc Oanh

Danh sách thành viên của nhóm:

1 Võ Phi Long 1511828

2 Nguyễn Thị Lẹ 1511712

3 Nguyễn Thị Hương Huệ 1511202

4 Huỳnh Hải Danh 1510396

5 Trần Thị Loan Anh 1510110

6 Nguyễn Võ Minh Trung 1513740

Nội dung báo cáo

1 Giới thiệu

2 Sản xuất biodiesel từ dầu thực vật và mỡ

3 Sản xuất ethanol và ETBE

4 Sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulose

5 Sản xuất nhiên liệu sinh học bằng con đường nhiệt hóa

học

6 Nhà máy chưng luyện sinh học (Biorefinery)

7 Tính bền vững của nhiên liệu sinh học

8 Kết luận

1.1 Nhiên liệu sinh học.

Nhiên liệu sinh học hiện đang là

sự quan tâm mới trên toàn thế

giới.

• Lựa chọn đầy hứa hẹn để giảm

sự phụ thuộc của các nước sử

dụng năng lượng: Dầu mỏ, tha

n,

• Hạn chế khí thải CO2

Một câu trả lời cho thách

thức của biến đổi khí hậu toàn

cầu.

1 Giới thiệu

Tuy nhiên xung quanh vấn đề nhiên liệu sinh học, vẫn còn những câu hỏi cần phải giải quyết:

- Liệu có đủ nguồn nguyên liệu sinh khối có sẵn?

- Liệu công nghệ đã sẵn sàng để phát triển vượt bậc?

- Và liệu có thể đảm bảo sự phát triển đó là bền vững?

Tất cả những câu hỏi trên sẽ được trả lời trong những phần sau của bài báo cáo.

1 Giới thiệu

1.2 Những con đường chuyển hóa hiện có

Hiện nay, hai loại nhiên liệu sinh học chính được sử dụng:

• Ethanol: trong động cơ đốt cháy tia lửa (động cơ xăng).

• Methyl este của dầu thực vật (VOME): trong động cơ diesel

- Ethanol hiện đang được sản xuất từ hai nguồn sinh khối chính:

• Các loại cây sản xuất đường (mía đường, củ cải đường)

• Các loại cây sản xuất tinh bột (lúa mì, ngô) Glucose thu được từ tinh bột thông qua sự thủy phân với sự có mặt của các enzyme (amylase và amylo -glucosidase).

1 Giới thiệu

- Ethanol được sản xuất từ đường bằng cách lên men Nó có thể được sử dụng dưới dạng tinh khiết, hoặc dạng ether là ETBE, bằng cách cho phản ứng với isobutene Mặc dù ethanol có thể pha trộn với xăng ở nồng độ thấp, từ 5 đến 10%, một số khó khăn có thể phát sinh do áp suất hơi tương đối cao và xu hướng tách pha khi có nước Do đó mà dạng ETBE thường được sử dụng nhiều hơn ở Châu Âu

- Ethanol cũng có thể được sử dụng ở các nồng độ cao (điển hình là 85%, ở E85) trong các động cơ thích nghi đặc biệt

1 Giới thiệu

• Ở Châu Âu, biodiesel, được sản xuất bằng quá trình chuyển đổi ester dầu thực vật, được ưa chuộng hơn Đến 90% lượng biodiesel là được sản xuất tại đây

• Mặc dù mức sản xuất đã khá lớn nhưng nhiên liệu sinh học vẫn chiếm tỷ trọng nh

ỏ, chỉ khoảng 1% trong tổng năng lượng tiêu thụ cho vận tải đường bộ

• Về mặt kinh tế, vì giá dầu tăng cao, nhiên liệu sinh học bắt đầu trở nên cạnh tranh hơn, nhưng vẫn cần sự hỗ trợ của cộng đồng Ethanol sản xuất từ mía ở Brazil là nhiên liệu sinh học cạnh tranh nhất, với chi phí khá gần với xăng Nếu, trong tương lai, giá dầu tăng thêm như dự kiến, nhiên liệu sinh học có thể trở thành cạnh tranh trực tiếp trên cơ sở kinh tế thuần túy

1 Giới thiệu

2 Sản xuất biodiesel từ dầu

thực vật và mỡ

2.1 Quá trình ester hóa

Biodiesel hiện tại được sản xuất từ cây lấy dầu và được chuyển hóa thành dạng meth

 Dầu thực vật, methanol dư, và dung dịch xúc tác được đưa vào các lò phản ứng theo chu kỳ ở áp suất thấp (<3 bar) và ở nhiệt độ vừa phải (45-90 ° C) Độ tinh khiết của glycerol tạo ra trong phạm vi 80-90% Điều này có nghĩa là nó đòi hỏi phải tinh sạch thêm cho hầu hết các ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất.

2 Sản xuất biodiesel từ dầu

thực vật và mỡ

Đặc điểm Gasoil

 Cetane number : là chỉ thị cho tốc độ đốt cháy và độ nén mồi lửa của nhiên liệu diesel

 Cetane là chất hóa học có công thức n-C16H32 tên IUPAC là hexadecane Cetane dễ mồi lửa khi nén và được định mức là CN=100, trong khi đó, alpha-methyl napthalene được cho điểm CN=0 Các nhiên liệu còn lại được chấm chỉ số cetan dựa trên độ bắt lửa của chúng khi nén Vì thế CN cũng đo độ tự bốc cháy của nhiên liệu trong điều kiện động cơ diesel

 Động cơ diesel vận hành tốc độ cao thì thích hợp với nhiên liệu có chỉ số cetane cao

2 Sản xuất biodiesel từ dầu

thực vật và mỡ

 Sản xuất ethylesters (axit béo ester etyl hoặc FAEE) bằng cách sử dụng quá trình transester hóa của triglyceride với methanol có mặt của ethanol thay vì methanol Lợi thế là FAEE chỉ có thể sản xuất từ sinh khối, trong khi trong quá trình FAME, methanol thường được sản xuất từ khí tự nhiên

 Sự chuyển đổi dầu thực vật thành FAEE khó thực hiện hơn là chuyển đổi thành FAME Đặc biệt khó khăn trong trường hợp một quá trình sử dụng một chất xúc tác đồng pha vì trong sự hiện diện của glycerol và chất xúc tác, phản ứng ngược có khuynh hướng xảy ra trong quá trình chưng cất Điều này làm cho việc sử dụng chất xúc tác dị pha trở nên đầy hứa hẹn Một công nghệ như vậy đang được phát triển nhưng chưa được thương mại

2 Sản xuất biodiesel từ dầu

thực vật và mỡ

2.2 Nguồn nguyên liệu

 Dầu cọ và các nguồn nghuyên liệu phi lương thực có năng suất cao và khả năng tái tạo như cây jatropha, các loại tảo khác nhau, cũng như các nước thải công nghiệp có chứa chất béo sẽ được dự đoán sẽ là nguồn dầu tái sinh hoàn hảo

2 Sản xuất biodiesel từ dầu

thực vật và mỡ

Chlorella vulgaris Nanochloropsis sp

2 Sản xuất biodiesel từ dầu

thực vật và mỡ

2.3 So sánh pha xúc tác

2 Sản xuất biodiesel từ dầu thực vật và mỡ

2 Sản xuất biodiesel từ dầu thực v

ật và mỡ

Các chất xúc tác khác nhau được sử dụng: chất cơ bản (ví dụ hydroxit, amine) hoặc axit (ví dụ khoáng vật, sulfonic, zeolit, nhựa), titanium alcoholate, hoặc các oxit kim loại, và các quá trình có thể liên tục hoặc liên tục Các quy trình liên tục phù hợp nhất cho các nhà máy có công suất lớn, trên 100 000 tấn / năm

2 Sản xuất biodiesel từ dầu thực vật và mỡ

2.4 Quy trình tạo FAME bằng xúc tác dị p ha

P: pump

R reactor

V: valve

F: fanS: separatorC: column of distillation

2.5 Hydro hóa

2 Sản xuất biodiesel từ dầu thực vật và mỡ

 Có hydro tham gia, tăng giá thành công nghệ

 Con đường này không chỉ sản sinh ra dầu diesel với chất lượng rất cao mà còn cho phép sự linh hoạt trong lựa chọn nguyên liệu

 Một số nhà máy sản xuất khoảng 200.000 tấn nhiên liệu sinh học mỗi năm đang được xây dựng ở châu Âu

2 Sản xuất biodiesel từ dầu

thực vật và mỡ

2 Sản xuất biodiesel từ dầu thực vật và mỡ

Clip minh họa

3 SẢN XUẤT ETHANOL VÀ ETBE

3.1 Sản xuất ethanol từ đường và tinh bột

 Bước đầu tiên: chiết xuất đường từ ngũ cốc, thực vật có

đường

• Đường mía: thực hiện bằng cách nghiền và ép để tách mộtdung dịch đường từ bã mía (lignocellulose) Bã mía có thể

được sử dụng làm nhiên liệu

• Củ cải đường: đường được chiết xuất bằng nước nóng

thông qua quá trình khuếch tán Bột được sử dụng để làm thức

ăn động vật

3 SẢN XUẤT ETHANOL VÀ ETBE

3.1 Sản xuất ethanol từ đường và tinh bột

 Bước đầu tiên: chiết xuất đường từ ngũ cốc, thực vật có

đường

 Tinh bột:

- Tách khỏi hạt ngũ cốc phải được thủy phân để có được đường Thực hiện: trước đây là axit clohydric và ngày nay được thực hiện nhờ enzym

 làm tăng sản lượng glucose và cải thiện tính kinh tế (đặc biệt

trong quá trình xay xát khô)

- Đầu tiên, huyền phù tinh bột bị hóa lỏng ở105 ° C với sự hiện diện

của α-amylaseamylase Trong bước thứ hai ở 60 ° C và ở pH khoảng 5,

glucose được tạo ra bằng cách sử dụng enzyme thứ hai

glucoamylase.

3 SẢN XUẤT ETHANOL VÀ ETBE

3.1 Sản xuất ethanol từ đường và tinh bột

 Bước 2: Cô đặc dung dịch đường

 Bước 3 : Lên men

- Bước lên men hiện nay thường được thực hiện liên tục, trong các lò phản ứng khuấy

- Sử dụng: nấm men hoặc vi khuẩn

Men của chủng Saccharomyces (đặc biệt là Saccharomyces cerevisiae) và vi khuẩn Zymomonas mobilis

- Nấm men có thể được phục hồi, mặc dù vậy sử dụng các dịch treo đậm đặc của nấm men là một sự thay thế ngày càng được quan tâm

- Nồng độ Ethanol ở lối ra của thác cao hơn 10% v / v Năng suất chuyển đổi có thể chiếm khoảng 92% sản lượng lý

thuyết

3 SẢN XUẤT ETHANOL VÀ ETBE

3.1 Sản xuất ethanol từ đường và tinh bột

1 tấn mía đường:

67kg ethanol và 140kg bã

Bã

Cô đặc, hàm lượng đường 200m/g

Cô đặc, hàm lượng đường 200m/g

1 tấn củ cải đường: 70kg en-

thanol,54.5kg bột

3 SẢN XUẤT ETHANOL VÀ ETBE

3.2 Sản xuất ETBE

Tại châu Âu, ethanol được sử dụng rộng rãi dưới dạng dẫn xuất, ethyl tert-butyl ete (ETBE) ETBE khắc phục được các nhược điểm của ethanol trong bể xăng

Tại châu Âu, ethanol được sử dụng rộng rãi dưới dạng dẫn xuất, ethyl tert-butyl ete (ETBE) ETBE khắc phục được các nhược điểm của ethanol trong bể xăng

Phản ứng có thể đảo chiều và tỏa nhiệt Phản ứng ở nhiệt độ tương đối thấp (dưới 100 ° C), với sự hiện diện của nhựa trao đổi ion(nhựa polystyrene sulfonic acid với một lượng dư ethanol), để cải thiện năng suất chuyển đổi

3 SẢN XUẤT ETHANOL VÀ ETBE

3.3 Tính chất của Ethanol và ETBE

Ethanol ETBE

Gasoline (standard)Density (g/mol) 46.07 102 102.5

 Ethanol có chỉ số octan tương đối cao và tỉ trọng gần với tỉ trọng xăng Những

nhược điểm chính: khả năng trộn lẫn cao với nước có thể dẫn đến sự phân tách pha,

ẩn nhiệt hóa hơi cao  động cơ khởi động trở nên khó khăn hơn vào mùa đông

 Các tính chất của ETBE gần hơn với xăng tiêu chuẩn và nó có thể dễ dàng kết hợp trong bể xăng

4 Sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulos e

4.1 Nguồn sinh khối lignocellulose

4 Sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulose

4 Sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulose

4.2 Cấu tạo lignocellulose

Lignocellulose cấu tạo gồm 3 loại polymer: cellulose, hemicellulose v

Hemicelluloses (%)

Softwood 27–30 35–42 20–30

Hardwood 20–25 40–50 20–25

Wheat straw 15–20 30–43 20–27

- Cellulose là một homopolymer tuyến tính của các đơn vị

D-glucopyra-nose.Sự kết hợp của các liên kết hydro giữa các chuỗi song song, các

phân tử cellulose tạo thành một cấu trúc cứng cáp trong các sợi, rất khó phá vỡ

Đây là giới hạn chính của quá trình chuyển đổi

- Hemicellulose đôi khi có chứa pentose lớn, không thể sử dụng trực tiếp bằng các chủng Saccharomyces thông thường để sản xuất ethanol.

- Lignin không thể chuyển thành ethanol.

4 Sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulos e

4.3 Tiền xử lý sinh khối

- Mục đích: Giúp cellulose tiếp cận với enzyme, trong một số trường hợp cụ thể giúp phân tách phần cellulose ra khỏi hemicellulose

- Hai quá trình tiền xử lý chính:

Sinh khối được xử lý với dung dịch acid loãng (chứa 0.3-2%

acid sulfuric hoặc chlorhydric), ở nhiệt độ thích hợp trong 15-20 phút.

Hemicellulose hầu như được thủy phân hoàn toàn Một phần nhỏ lignin cũng được biến đổi.

Thủy phân bằng acid Đưa vật liệu lên một

áp suất cao (15-23 bar) và nhiệt độ cao (180-240 ° C) với sự

có mặt của hơi nước trong một thời gian ngắn và sau đó đột ngột giãn hơi, để phá

vỡ cấu trúc của cấu trúc lignocellulose.

Nổ hơi

4 Sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulose

4 Sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulose

4.4 Thủy phân bằng enzyme

- Ba loại enzyme cần thiết để thủy phân hoàn toàn cellulose thành glucose:

Phá vỡ chuỗi cellu-lose theo cách ngẫu nhiên

Endo-amylaseglu-amylase canases

Giải phóng các glucose dimer ở cả hai đầu của một chuỗi cellulose

Cellobio-amylasehy-amylase drolases

Thủy phân các chuỗi oligomer ngắn tạo glucose

β-amylaseglucosi-amylase dases

- Enzyme cellulase được sản xuât bởi các loại nấm Trichoderma

4 Sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulos e

4.5 Lên men glucose và pentose

- Glucose thu được từ thủy phân lignocellulose có thể được chuyển đổi thành ethanol bằng cùng một quy trình sử dụng trong trường hợp glucose thu được

từ tinh bột Sự khác biệt chính nằm ở nồng độ glucose ban đầu thấp hơn và sự hiện diện của một số chất gây ô nhiễm (như furfural, hydroxy-metyl furfural và axit axetic) xuất phát từ bước tiền xử lý, có thể có tác dụng ức chế

- Việc lên men glucose thành ethanol đồng nghĩa chỉ mới sử dụng được phần cellulose trong lignocellulose, chiếm ít hơn 50% Do đó, các nghiên cứu đang tập trung vào phát triển của các quá trình có thể chuyển đổi pentose thu được

từ hemicellulose thành ethanol Có thể kể đến là nấm men được biến đổi gen

để có thể thực hiện việc này, tuy nhiên hiệu suất quá thấp nên chưa thể ứng dụng trong công nghiệp Những nỗ lực khác trong biến đổi gen ở vi khuẩn cũng chưa thể áp dụng quy mô lớn

5 Sản xuất nhiên liệu sinh học bằng con

đường nhiệt hóa học.

5 Sản xuất nhiên liệu sinh học bằn

g con đường nhiệt hóa học.

5 Sản xuất nhiên liệu sinh học bằn

g con đường nhiệt hóa học.

5.2 Quy trình BtL

Sinh khốiThan hóa Nhiệt phân

Dầu sinh học thô

Khí hóa

Quy trình tổng

hợp Fischer-Tropsch

HydrocrackingNhiên liệu sinh

học

5 Sản xuất nhiên liệu sinh học bằn

g con đường nhiệt hóa học.

5 Sản xuất nhiên liệu sinh học bằn

g con đường nhiệt hóa học.

5.3 Than hóa và nhiệt phân

- Than hóa xảy ra là bước cuối cùng của quá trình sấy, ở nhiệt độ

từ 240 đến 300° C

- Torrefaction làm giảm độ bền cơ học của sinh khối lignocellulose

- Kết quả là dễ xay hơn và đạt độ mịn tốt hơn, phù hợp với một số công nghệ khí hóa nhất định

5 Sản xuất nhiên liệu sinh học bằn

g con đường nhiệt hóa học.

5 Sản xuất nhiên liệu sinh học bằn

g con đường nhiệt hóa học.

5.3 Than hóa và nhiệt phân

- Nhiệt phân là sử dụng nhiệt để chuyển sinh khối thành 3 trạng thái: rắn (than), lỏng (dầu sinh học) và khí (như CO2, CO, H2 và CH4) Tỷ lệ của ba trạng thái phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian thực hiện

Heating velocity Temperature

Main product yield (weight %)

Energy yield

5 Sản xuất nhiên liệu sinh học bằn

g con đường nhiệt hóa học.

5 Sản xuất nhiên liệu sinh học bằn

g con đường nhiệt hóa học.

5.4 Chu trình tổng hợp Fischer – Tropsch và

Hydrocracking

- Là quá trình tổ hợp các phản ứng phức tạp để chuyển hóa khí syngas thành các ankan mạch dài bằng các xúc tác kim loại ở nhiệt

độ cao

5 Sản xuất nhiên liệu sinh học bằng con đường nhiệt hóa học.

5.4 Sản xuất xăng sinh học từ sinh khối

Clip minh họa 1 Clip minh họa 2

6 Nhà máy chưng luyện

Công ty Blue Marble

6 Nhà máy chưng luyện sinh học (Biorefinery)

1 nhà máy chưng luyện Blue Marble

6 Nhà máy chưng luyện sinh học (Biorefinery)

7 Tính bền vững của nhiên liệu sinh học

TINH BỘT

LƯƠNG THỰC NHIÊN LIỆU

lignocellulose

const

7 Tính bền vững của nhiên liệu sinh học

Sả n xuất sinh khối phải bền vững:

c (đốt rừng)

u

 chuẩn hóa hệ thống, quy định với

các tiêu chuẩn trên

7 Tính bền vững của nhiên

liệu sinh học

8 KẾT LUẬN

 Nhiên liệu sinh học giúp giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu dầu

mỏ cũng như giúp cân bằng CO2

 Sự phát triển của nhiên liệu sinh học đòi hỏi sự cải tiến các quy trìn

h chuyển hóa, nhất là với cơ chất lignocellulose Các quá trình đó s

ẽ giúp tăng tính thân thiện môi trường của nhiên liệu sinh học nhưn

g

cần có sự hỗ trợ của cộng đồng do những thách thức về kinh tế và

kĩ thuật còn tồn tại

 Để kiểm soát ảnh hưởng đến môi trường, cần phát triển các

phương pháp đánh giá kĩ càng với những tiêu chí bền vững và tạo

ra hành lang pháp lý phù hợp để triển khai chúng