Tìm hiểu về công nghệ màng trong quá trình sản xuất năng lượng sinh học

Trong các nền kinh tế sinh học, đặc biệt là lĩnh vực lọc và sản xuất năng lượngsinh học, trong những năm gần đây đã nhận được sự chú ý đáng kể như một sự thayđổi để tái tạo tài nguyên si

LỜI CẢM ƠN

Đồ án tốt nghiệp là tác phẩm của một sinh viên trước khi rời khỏi trường đại học Để hoàn thành đồ án, sinh viên cần phải áp dụng tất cả các kiến thức và hiểu biết của mình đã tích lũy được trong suốt những năm học ở trường Chính vì vậy những kiến thức mà em đã tiếp thu được trong 5 năm học tại trường Đại Học Mỏ Địa Chất là nền tảng vững chắc giúp em hoàn thành đồ án này

Trước tiên cho em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Phạm Xuân Núi –

bộ môn Lọc-Hóa Dầu, khoa Dầu Khí, trường Đại Học Mỏ - Địa Chất, người đã trực tiếp hướng dẫn em thực hiện đồ án, đồng thời cũng là người tận tình chỉ bảo, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành

đồ án này.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Dầu Khí nói chung và các thầy cô trong bộ môn Lọc-Hóa Dầu nói riêng, vì đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ em trong suốt những năm vừa qua.

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn bạn bè và người thân trong gia đình những người luôn là chỗ dựa vững chắc và luôn ủng hộ em trong mọi việc.

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 – GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ MÀNG 9

1.1 Màng polyme 9

1.2 Màng vô cơ 9

1.3 Màng hỗn hợp vô cơ – hữu cơ 10

CHƯƠNG 2 – SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG TRONG MỘT SỐ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG SINH HỌC 12

2.1 Sản xuất ethanol sinh học 12

2.1.1 Tổng quan về nhiên liệu ethanol sinh học 12

2.1.2 Lợi ích và hạn chế khi sử dụng nhiên liệu ethanol 13

2.1.2.1 Lợi ích 13

2.1.3 Các phương pháp sản xuất ethanol 14

2.1.4 Nguồn nguyên liệu sản xuất ethanol sinh học 15

2.1.4.1 Sản xuất Bio-ethanol từ nguồn nguyên liệu chứa đường 15

2.1.4.2 Sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu chứa tinh bột 16

2.1.4.3 Sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu chứa cellulose 16

2.1.5 Quy trình sản xuất ethanol sinh học từ lignocellulose 18

2.1.5.1 Loại bỏ các chất ức chế quá trình lên men 18

2.1.5.2 Sự phục hồi enzime từ quá trình thủy phân 20

2.1.5.3 Lò phản ứng sinh học để sản xuất ethanol sinh học 22

2.2 Sản xuất khí sinh học 28

2.2.1 Sản xuất khí methan 28

2.2.2 Sản xuất khí hydro 30

2.3 Sản xuất bio – dầu và diesel sinh học 31

2.3.1 Sản xuất bio – dầu 31

2.3.2 Sản xuất diesel sinh học 32

2.3.2.1 Thiết bị phản ứng màng sản xuất dầu diesel sinh học 33

2.3.2.2 Tách và tinh chế sản phẩm 34

2.4 Sản xuất tảo 35

2.5 Các quá trình sản xuất khác 36

CHƯƠNG 3 – ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG TRONG SẢN XUẤT HYDRO SINH HỌC 40

3.1 Tổng quan về nhiên liệu hydro sinh học 40

3.1.1 Khí Hydrogen 40

3.1.2 Thuộc tính của hydro 41

3.1.3 Khả năng kết hợp của hydro 42

3.1.4 Điều chế khí hydro 42

3.1.5 Khả năng ứng dụng của khí hydro 43

3.2 Các công nghệ màng sản xuất hydro sinh học 50

3.2.1 Công nghệ màng kỵ khí sản xuất hydro sinh học (AnHPMBR) 51

3.2.1.1 Đặc điểm chung của các hệ thống AnMBR 51

3.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất hydro sinh học trong lò phản ứng màng kỵ khí 55

3.2.2 Công nghệ màng kỵ khí sản xuất hydro sinh học ( CSTR ) 59

3.2.2.1 Nguyên liệu 60

3.2.2.2 Cấu tạo lò phản ứng liên tục sản xuất hydro 60

3.2.2.3 Công nghệ lên men theo mẻ sử dụng CSTR 63

3.2.2.4 Ảnh hưởng của tiền xử lý axit đến năng suất H2 64

3.2.3 Cân nhắc thiết kế lò phản ứng để sản xuất hydro sinh học: CSTR với AnMBR 64

KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH VẼ

xã hội hiện đại phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

Trong khi nhiên liệu hóa thạch đóng một vai trò quan trọng trong việc đưa xãhội đến mức phát triền như ngày nay thì nó cũng tồn tại những vấn đề nan giải lớncủa thế kỷ: ô nhiễm không khí, các vấn đề môi trường như tràn dầu, nguy hiểm vànóng bỏng hơn cả là vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu cùng với sự nóng lên của tráiđất ngoài ra, nhiên liệu hóa thạch chỉ là nguồn tài nguyên hữu hạn không thể đượctái tạo, và nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch còn làm cho một số nước không

có nhiều nguồn tài nguyên sẽ bị phụ thuộc vào những nước vốn có nguồn dầu dồidào ở vùng Trung Đông, từ đó dẫn đến nhiều quá trình chính trị và kinh tế khác,thậm chí cả những cuộc chiến tranh giành dầu mỏ

Giữa bối cảnh đó, khái niệm về một nền kinh tế sinh học dựa trên nguồnnăng lượng sạch, dồi dào phục vụ mục tiêu phát triển bền vứng của nhân loại xuấthiện như một giải pháp đầy tiềm năng

Trong các nền kinh tế sinh học, đặc biệt là lĩnh vực lọc và sản xuất năng lượngsinh học, trong những năm gần đây đã nhận được sự chú ý đáng kể như một sự thayđổi để tái tạo tài nguyên sinh học để sản xuất những nguồn năng lượng và các hóachất có nguồn năng lượng hóa thạch, đại diện cho một năng lượng bền vững hơn.Công nghệ màng đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển và tinh lọc sảnphẩm và tinh chế trong quá trình sản xuất và tái chế năng lượng sinh học trong sốcác công nghệ tách khác nhau được sử dụng, công nghệ màng cung cấp khả năngtách và phân đoạn tốt nhất, năng lượng tiêu thụ hóa học thấp, và nhu cầu nănglượng giảm,… Các quá trình khác nhau của sản xuất và tái chế năng lượng sinh học,bao gồm: phân tách và tinh chế các phân tử riêng lẻ từ sinh khối, loại bỏ các chất ức

chế quá trình lên men, thu hồi enzyme từ các quá trình thủy phân, phản ứng màngsinh học cho sản xuất năng lượng sinh học và hóa học, chẳng hạn như ethanol sinhhọc, khí sinh học và axit axetic, tách nước ethanol sinh học, sản xuất dầu sinh học

và diesel sinh học, thu hoạch tảo Những lợi thế và hạn chế của công nghệ màngcho các ứng dụng này sẽ được thảo luận và quy trình tích hợp màng sẽ được đềxuất Cuối cùng, những thách thức và cơ hội của công nghệ màng cho lọc và sảnxuất năng lượng sinh học trong những năm tới được đề cập

Việt Nam có nhiều tiềm năng về năng lượng sinh học xăng dầu có nguồn gốcdầu mỏ Nhiều loại cây như sắn, ngô, mía,… có thể sản xuất cồn sinh học mà ở ViệtNam lại có nhiều vùng đất rất thích hợp với các loại cây trồng này Sản lượng sắn

cả nước năm 2007 là hơn 7 triệu tấn, mía đường hơn 14 triệu tấn và ngô gần 4 triệutấn Với sản lượng này có thể đáp ứng được cho nhu cầu sản xuất cồn sinh học ởquy mô vừa và nhỏ Ước tính Việt Nam có thể sản xuất 5 triệu lít cồn sinh học mỗinăm nếu như có sự điều chỉnh về sản lượng và diện tích cây trồng Về sản xuấtđiêzen sinh học có thể đi từ các loại dầu thực vật và mỡ động vật Ở Việt Nam, cácloại cây trồng tiềm năng cung cấp nguyên liệu cho sản xuất điêzen sinh học như câycọc rào, dầu cọ, hạt bông…

Điều kiện đất đai và khí hậu Việt Nam cho phép hình thành những vùngnguyên liệu tập trung Mỡ cá, dầu thực phẩm thải được sử dụng cho sản xuất điêzensinh học có thể giúp giải quyết được các vấn đề về môi trường trong chế biến thủysản Ước tính Việt Nam có thể sản xuất khoảng 500 triệu lít điêzen sinh học mỗinăm nếu như tổ chức quy hoạch và thực hiện vùng nguyên liệu theo hướng sử dụngđất triệt để, tạo ra nhiều loại giống có sản lượng cao và sở hữu các công nghệ táchdầu từ nguyên liệu

Mặt khác, NLSH là một loại nhiên liệu tái tạo được coi là một trong nhữngnhiên liệu thân thiện với môi trường Do đó việc nghiên cứu phát triển nguồn nănglượng sinh học có ý nghĩa hết sức to lớn đối với vấn đềan ninh năng lượng thếgiớinói chung và Việt Nam nói riêng

Vì những lý do trên em quyết định chọn đề tài “ Tìm hiểu về công nghệ màng trong quá trình sản xuất năng lượng sinh học”.

CHƯƠNG 1 – GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ MÀNG

1.1 Màng polyme

Hầu hết các màng được sử dụng để thoát hơi nước trong công nghiệp là màngpolyme Màng polyme có cấu hình màng bao gồm màng sợi rỗng và tấm phẳng /tấm-và khung Các vật liệu được sử dụng để chế tạo màng polyme rất đa dạng Một

số polyme, như cuprammonium cellulose tái sinh (CRC), poly(amidesulfonamide)(PASA), sodium alginate (SA), poly(phenylene oxit) (PPO), và chitosan (CS).Màng polyme thường không có các thuộc tính tối ưu cho một mục đích tách nhấtđịnh, vì thế một số nghiên cứu để cải thiện hiệu suất tách bằng cách thay đổi các đặctính của màng polyme Cụ thể là chế tạo một màng composite với một lớp da mỏng,trộn một polymer với một thông lượng cao và có tính chọn lọc, kết hợp với cácnhóm chức năng của polyme đồng trùng hợp hoặc biến tính và ion hóa polymer Ví

dụ, Chanachai et al (2000) quan sát thấy rằng một chitosan/hydroxyetylxenlulo (CS/ HEC) pha trộn màng đã có một thông lượng thấm qua tương tự như một màng CStinh khiết, nhưng yếu tố tách được tăng từ 2200 đến 10491 trong quá trình táchnước của ethanol 90% ở 60°C Shih et al (2007) giới thiệu nhóm sulfonic vào mộtpoly(phenylene oxit) (PPO) thông qua một phương pháp chính sulfonation trực tiếp.Các màng PPO sunfonat thể hiện một tỷ lệ thấm nước tuyệt vời của khoảng 300g/

m2/h với sự chọn lọc đến gần 700, trong khi PPO màng tinh khiết có tốc độ thấmnước của 210g/m2/h và độ chọn lọc là 145 ở 25°C với hiệu suất 90% tách nướctrong ethanol.[3]

1.2 Màng vô cơ

Màng được làm từ vật liệu vô cơ đã thu hút được sự chú ý rộng rãi của các nhàkhoa học vì màng được làm từ vật vô cơ có những đặc tính vượt trội hơn so vớimàng được làm từ các vật liệu cao phân tử khác về sự ổn định và tính chất cơ họccủa chúng trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt Năm 2000, nhà máy tách hơi nướcqua màng quy mô lớn đầu tiên được trang bị mô đun màng zeolit NAA được pháttriển bởi Mitsui Engineering và Shipbuilding Ví dụ, các nhà khoa học tổng hợp ởquy mô công nghiệp màng zeolit NaY và tiến hành thí nghiệm thành phần ethanolthẩm thấu duy nhất lên đến 130°C và 570 kPa Zeolite màng với một số cấu trúczeolit, như zeolite NAA, zeolit NaX, zeolite NaY, mordenite, zeolite T, và zeolite

ZSM5, đã được nghiên cứu rộng rãi do tính chất đặc biệt của chúng, tức là, phân bốkích thước lỗ chân lông thu hẹp, ảnh hưởng kết hợp của sự hấp phụ và lọc phân tử,kháng dung môi cao hơn và ổn định ở nhiệt độ cao.[3]

Một số nhà nghiên cứu đã cố gắng để giải thích cơ chế vận chuyển trong quátrình tách nước của hỗn hợp ethanol / nước Shah et al (2000) sử dụng màng zeolitNAA thương mại đã tổng hợp để nghiên cứu các cơ chế vận chuyển của hỗn hợpethanol/nước bằng các vật liệu zeolitic Tính chọn lọc cao gây ra bởi sự tương tácmạnh mẽ giữa các phân tử nước và các ion trong mạng tinh thể zeolit và lọc mộtphần đạt được bởi các zeolite Pera-Titus et al (2006a) đã phát triển một mô hìnhhấp phụ-khuếch tán bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận Maxwell-Stefan cùngvới các công thức Langmuir mở rộng để mô tả trạng thái cân bằng hấp phụ trongcác bề mặt nguyên liệu / màng và hơi nước / bề mặt màng

Trong khi màng vô cơ có nhiều lợi thế hơn so với màng polyme nhưng chúngsản xuất khó khăn và giảm tính khả thi kinh tế là hai trở ngại chính nên màng vô cơkhông được ứng dụng cao trong công nghiệp Do đó, phương pháp tổng hợp dễdàng và hiệu quả là cần thiết để ổn định các quá trình và phù hợp với quy mô sảnxuất lớn với khả năng tái tạo cao Việc xây dựng màng vô cơ với các thông lượng

và tính chọn lọc cao không có khiếm khuyết là một hướng quan trọng cho cácnghiên cứu trong tương lai sẽ góp phần vào việc giảm chi phí của màng và các môđun.[3]

1.3 Màng hỗn hợp vô cơ – hữu cơ

Màng hỗn hợp hữu cơ – vô cơ được dự kiến sẽ là một thế hệ mới của côngnghệ màng với hiệu suất cao, sở hữu tính đặc trưng của cả hai màng hữu cơ (tínhnhẹ và tính uốn) và màng vô cơ ( khả năng chịu nhiệt và ổn định) Đến nay, mànghỗn hợp hữu cơ – vô cơ thường được tổng hợp bằng cách kết hợp các hạt vô cơ vớimột cơ sở màng hữu cơ Có hai phương pháp chế tạo hiện đang được sử dụng đó làphương pháp sol – gel và phương pháp trộn các hạt vô cơ với màng hữu cơ

Hầu hết các màng hỗn hợp hữu cơ – vô cơ được sử dụng bằng cách kết hợpcác hạt vô cơ kết hợp thành một cơ sở màng polymer , trừ một số trường hợp trong

đó các polymer được phủ trực tiếp trên sự hỗ trợ của chất vô cơ Một số nghiên cứu

sử dụng chitosan như polyme cơ sở hình thành nên một chất kháng hóa Do tínhchất sàng phân tử duy nhất và khả năng hấp phụ chọn lọc nên zeolit đã được lựa

chọn bởi một số nhà nghiên cứu làm chất độn vô cơ để điều chỉnh các thuộc tínhcủa vật liệu polymer.

Màng hỗn hợp hữu cơ – vô cơ thể thể hiện hiệu suất tách nước tốt hơn so vớimàng polymer Ví dụ, Sun et al (2008a) đã kết hợp H-ZSM-5 vào chitosan (CS) đểchuẩn bị màng H-ZSM-5 chitosan Việc kiểm soát màng chitosan có một thônglượng thẩm thấu của 54.18 g/m2/h và hệ số tách 158,02 90% trọng lượng Giải pháploại nước khỏi dung dịch ethanol ở 80°C, trong khi H-ZSM-5(50) -CS-08 màng (tỷ

lệ khối lượng của H-ZSM-5 (50) để chitosan là 8%) có thông lượng thẩm thấu là230,96 g/m2/h và hệ số tách 152,82 điều kiện thử nghiệm giống hệt nhau, nhưnghiệu suất tách nước cải thiện đáng kể Huang et al (2006a) đã sử dụng zeolite 4A ưanước để tổng hợp màng đa lớp PVA để loại bỏ nước từ một dung dịch nồng độ cồncao Kết quả cho thấy rằng việc bổ sung của zeolit tăng yếu tố tách đồng thời tăngcường đáng kể thông lượng tổng thể, việc đó chỉ ra rằng zeolite 4A kết hợp có thểthúc đẩy quá trình tách nước trong khi đó sẽ hạn chế qáu trình thẩm thấu ethanol.Màng hỗn hợp hữu cơ-chất vô cơ có nhiều ưu điểm so với các màng polymertruyền thống Tuy nhiên, nghiên cứu sâu hơn vẫn còn cần thiết để làm cho côngnghệ này thích hợp cho các ứng dụng công nghiệp Phương pháp chế tạo mới cầnđược phát triển để khắc phục những thiếu sót của phương pháp sản xuất hiện nay.Vấn đề hiệu suất dài hạn và quy mô này cũng cần phải được kiểm tra, các khía cạnhkinh tế cho hoạt động quy mô lớn cũng cần phải được ước tính.[3]

CHƯƠNG 2 – SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG TRONG MỘT SỐ QUÁ

TRÌNH SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG SINH HỌC

2.1 Sản xuất ethanol sinh học

2.1.1 Tổng quan về nhiên liệu ethanol sinh học

Theo chúng ta được biết thì etanol được sử dụng trong y tế, trong mỹ phẩm,dùng làm dung môi và sau này nó được biết đến như nguồn nhiên liệu cho động cơđốt trong được ứng dụng ở nhiều nước như Anh, Pháp, Mỹ, Canada, Brazil… Etanol là cấu tử phối trộn làm tăng chỉ số octane của xăng:

Ngày nay có thể thấy etanol hoàn toàn có khả năng dùng làm nguyên liệu chođộng cơ đốt trong, thay thế một phần nguyên liệu hóa thạch Etanol được dùng 2dạng cụ thể sau:

- Etanol được pha với xăng với tỷ lệ nhỏ hơn 15% Với tỷ lệ này thì khôngcần thay đổi hay điều chỉnh gì cho động cơ xăng Tuổi thọ, độ bền của động cơkhông hề thay đổi

- Etanol là nhiên liệu thay thế hoàn toàn cho động cơ xăng dùng cho động cơđốt trong có cải tiến Theo hiệp hội tái tạo (RFA) [2], dùng xe FFV (flex-fuelVehicles) Xe FFV có thể tự động nhận biết hàm lượng cồn trong bình nhiên liệu để

tự điều chỉnh góc đánh lữa sớm và thay đổi lượng phun nhiên liệu Dùng xe FFV cótính kinh tế cao vì xe đả được thiết kế tối ưu về vật liệu, về kết cấu buồng cháy và

hệ thống nhiên liệu Nhiên liệu E85 (có 85% etanol trong xăng) là loại nhiên liệu tốtnhất cho xe FFV Riêng trong năm 2000 Mỹ đả sản xuất 750.000 chiếc xe FFV.Hiện nay Mỹ có khoảng 5 triệu xe FFV cùng với 169.000 trạm bán lẽ E85 và trongnhững năm gần đây thì có rất nhiều các nhà sản xuất xe lớn trên thế giới củng sảnxuất xe chạy bằng nhiên liệu xăng E85 như General Motors, Ford, Daimler,Mazda….Đến năm 2009 có 36 mẫu được sản xuất, các hãng dẫn đầu là GM, Ford.Lượng xe bán ra củng tăng dần hàng năm

Công nghệ sản xuất ethanol là việc thực hiện quá trình chuyển hóa các nguyênliệu chứa tinh bột, đường, xenluloza thành Ethanol (C2H5OH).[1]

2.1.2 Lợi ích và hạn chế khi sử dụng nhiên liệu ethanol

2.1.2.1 Lợi ích

Sử dụng ethanol làm nhiên liệu không chỉ là một biện pháp tình thế nhằm làmtăng chỉ số octane của xăng, thay thế cho những phụ gia gây ô nhiễm môi trườngsinh thái mà còn đảm bảo an toàn năng lượng cho mỗi quốc gia vì đây là nguồnnăng lượng có khả năng tái tạo được.[1]

a 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 là nguồn nguyên liệu dồi dào trong tự nhiên Tạo ra nhiều công ăn việc làm chonhiều lao động ở nông thôn, giải quyết được lượng lương thực bị tồn đọng và đặcbiệt khuyến khích được tinh thần lao động sản xuất của người dân

Ngoài ra việc sử dụng nhiên liệu sinh học nói chung cũng như gasohol nóiriêng giúp cho các quốc gia chủ động trong chính sách năng lượng của mình Nướcnào càng có nhiều xăng sinh học thì càng ít phụ thuộc vào nước khác và từ đó có thểphát triển kinh tế của mình một cách bền vững.[1]

b Lợi ích về môi trường

Dùng ethanol làm nhiên liệu sẽ giảm được một lượng lớn các chất gây ônhiễm môi trường Vì vậy nó được mệnh danh là “xăng xanh” Theo các tính toáncho thấy nếu thay thế việc đốt một lít xăng bằng một lít ethanol thì giảm 40% lượngphát sinh khí CO2 vào khí quyển Khi đốt ethanol sự cháy xảy ra hoàn toàn hơn sovới khi đốt xăng Ta thấy trong các động cơ xăng thường xuất hiện các bụi bẩnchính là do các hydrocacbon cháy không hết Điều đó phải tốn thời gian lau chùi,sửa chữa động cơ Khi pha ethanol vào xăng là cho xăng cháy hoàn toàn hơn, giảmphát thải các khí gây ô nhiễm môi trường Hơn nữa ethanol được điều chế từ các sảnphẩm nông nghiệp vì thế sẽ làm tăng diện tích đất trồng Điều này có nghĩa là làmtăng diện tích lá phổi của trái đất lên.[1]

2.1.2.2 Hạn chế khi sử sụng nhiên liệu ethanol

- Nhược điểm cơ bản của etanol nhiên liệu là tính hút nước của nó Etanol cókhả năng hút ẩm và hòa tan vô hạn trong nước Do đó etanol phải được tồntrữ và bảo quản trong bồn chứa đặc biệt

- Do nhiệt trị của etanol nói riêng (PCI = 26,8 MJ/Kg) và các loại ancol khácnói chung đều thấp hơn so với xăng (PCIxăng = 42,5 MJ/Kg) nên khi dùngetanol để pha trộn vào xăng sẽ làm giảm công suất động cơ so với khi dùngvới xăng Tuy nhiên sự giảm công suất này là không đáng kể nếu ta pha với

số lượng ít

- Tăng phát thải khí CO2 và NOx: Qúa trình cháy khi sử dụng xăng sinh họcđược cải thiện, dẫn tới một hậu quả không mong muồn là sự tăng hàm lượngCO2 do tăng lượng nhiên liệu được đốt cháy hoàn toàn Một hậu quả khác là

sự tăng phát thải NOx

- Ngoài ra áp suất bay hơi của etanol cao hơn nhiều so với xăng Tính chất này

sẻ gây ra khó khăn cho động cơ khi sử dụng etanol nguyên chất hoặc nhiênliệu hỗn hợp có thành phần etanol cao trong việc khởi động xe ở nhiệt độthấp và trong việc hòa trộn giữa nhiên liệu với không khí

- Đối với kim loại etanol có tính ăn mòn cao Ngoài ra etanol có thể gây hưhỏng đối với một số chi tiết động cơ được làm từ cao su hoặc chất dẻo tổnghợp Một vấn đề cần lưu tâm nữa là etanol có tính hút nước mạnh, nước cótrong nguyên liệu có thể ảnh hưởng xấu đến tính năng hoạt động của độngcơ

- Giá thành cao: việc sản xuất và kinh doanh nhiên liệu sinh học tại Việt Namđang ở giai đoạn khởi đầu nên giá thành sản xuất còn cao phụ thuộc rất nhiềuvào giá nguyên liệu đầu vào của nông dân Các doanh nghiệp tiên phong sảnxuất, phân phối xăng sinh học chưa có mạng lưới phân phối ổn định, quy môkinh doanh nhỏ nên các chi phí liên quan đến sản xuất và kinh doanh đềulớn

2.1.3 Các phương pháp sản xuất ethanol

Ethanol có thể sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau

• Công nghệ sản xuất ethanol tổng hợp: Công nghệ sản xuất ethanol tổng hợp sảnxuất ethanol bằng nhiều phương pháp hoá học khác nhau

Trong công nghệ tổng hợp hoá dầu, ethanol được sản xuất bằng dây chuyềncông nghệ hydrat hoá đối với khí etylen hoặc công nghệ cacbonyl hoá với methanol

- Hydrat hoá:

CH2=CH2 + H2O → C2H5OH

2.1.4 Nguồn nguyên liệu sản xuất ethanol sinh học

- Các loại nguyên liệu chứa đường: mía, củ cải đường, thốt nốt

- Các loại nguyên liệu chứa tinh bột: sắn, ngô, gạo, lúa mạch, lúa mì

- Các loại nguyên liệu chứa cellulose

Tuy nhiên, tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người tachọn loại nguyên liệu có lợi thế nhất để sản xuất Bio-Ethanol nhiên liệu Ở ViệtNam, các nguồn nguyên liệu thích hợp có thể sản xuất Bio-Ethanol là mía, sắn,gạo, ngô và rỉ đường

2.1.4.1 Sản xuất Bio-ethanol từ nguồn nguyên liệu chứa đường

Khả năng sản xuất Bio-Ethanol từ mía đường:

- Mía cây: Theo số liệu năm 2006, năng suất mía là 55 tấn/ha và diện tích trồngmía là 300.000 ha, trong đó tập trung nhiều ở Đồng bằng Nam Bộ, khu vựcven biển Trung Bộ và Đông Nam Bộ

- Để sản xuất Bio-Ethanol nhiên liệu từ nước đường ép của cây mía, chúng tacần tới 15 kg mía cây/1 lít cồn và dự kiến chi phí nguyên liệu là 8.250 đồng/

1 lít cồn

- Rỉ đường: Rỉ đường là nguyên liệu chứa các loại đường không tinh khiết thuđược trong quá trình sản xuất đường, tỷ lệ rỉ đường chiếm 3÷3,5% trọnglượng nước mía

Năm 2006, Công nghệ đường từ cây mía ở Việt Nam sản sinh ra 783.930 tấn

rỉ đường Từ lượng rỉ đườngnày, chúng ta có thể sản xuất được 187 triệu lít

Bio-Ethanol Tuy nhiên, do các nhà máy đường phân tán, nên khả năng thu gom rỉđường với số lượng lớn rất khó khăn

Giá rỉ đường hiện nay khoảng 1.500 đồng/kg và cứ 4,1 kg rỉ đường ta có thểsản xuất được 1 lít Bio-Ethanol Do đó chi phí nguyên liệu dự kiến là 7.585 đồng/1lít Bio-Ethanol.[1; 3]

2.1.4.2 Sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu chứa tinh bột

- Sắn: Hiện nay, diện tích trồng sắn ở nước ta khoảng gần 500.000 ha và đượcphân bố chủ yếu ở Tây Nguyên và Đông Nam bộ Năng suất thu hoạch sắntại nước ta trung bình là 15-20 tấn/ha và tăng đều qua các năm

Hàm lượng tinh bột trong sắn tươi ở nước ta khoảng 25-35% Cứ 2,3 kg sắntươi thì có thể thu được 1kg sắn lát

Vùng nguyên liệu sắn chủ yếu của Việt Nam tập trung tại 2 khu vực: TâyNguyên và Đông Nam Bộ Nhà máy sản xuất Bio-Ethanol Miền Trung sẽ sử dụngnguồn sắn lát của khu vực Tây Nguyên và Đông Nam Bộ

- Ngô: Năng suất ngô của nước ta thấp, chỉ đạt ở mức 3.7 – 3.8 tấn/ha Để sảnxuất 1 lít Bio-Ethanol, chúng ta cần 2,4 đến 2,6 kg ngô và giá ngô hiện nay là4.100 đồng/kg, đồng thời hàng năm Việt Nam phải nhập khẩu khoảng 400 –

500 nghìn tấn ngô Chính vì vậy, việc sản xuất Bio-Ethanol từ ngô trong giaiđoạn hiện nay là không khả thi vì giá ngô quá cao so với sắn lát, mặc dù hàmlượng tinh bột thấp hơn (65%).[1]

2.1.4.3 Sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu chứa cellulose

Về nguyên tắc ta có thể sản xuất Bio-Ethanol từ bất cứ nguồn nguyên liệu nào

có chứa cellulose Tuy nhiên để phù hợp tính kinh tế và điều kiện ở Việt Nam, ta

có thể sử dụng các nguồn nguyên liệu sau: rơm, trấu, bả mía, lõi ngô, vỏ ngô, cỏdại…

Bảng 2.1 Các nguồn nguyên liệu sản xuất cồn chưa cellulose[1]

Nguồn

nguyên liệu

Sản lượng (triệu tấn/năm)

Sử dụng cho các mục đích

hiện tại

Sản lượng còn lại (triệu tấn/năm)Rơm rạ 15 Nguyên liệu làm giấy, nấm

rơm, thức ăn gia súc

Vỏ ngô 0,67 Thức ăn gia súc, đốt bỏ

Tuy nhiên các sản phẩm này tập trung chủ yếu ở hai đồng bằng lớn là đồngbằng Sông Hồng và đồng bằng Sông Cửu Long Đây là vùng nguyên liệu lí tưởng

để xây dựng nhà máy Nhưng việc thu mua và việc chuyển hóa còn gặp nhiều khókhăn, hiệu suất chưa cao

Nguyên liệu chứa xenlulo khác nhau có thành phần cấu tạo chất không giốngnhau nhưng về cơ bản chúng được cấu tạo từ 3 hợp chất Cellulose, Hemicellulose,Lignin

- Cellulose: Công thức phân tử (C6H10O5)n Là thành phần cấu tạo chủ yếu củamàng tế bào thực vật và là hợp chất chính của nguyên liệu chứa cellulose đểsản xuất ethanol Nguyên liệu càng giàu cellulose thì sản xuất ethanol càngđạt hiệu quả cao

- Hemicellulose: dễ bị thủy phân hơn so với cellulose Khi thủy phân đến cùng,hemicellulose tạo ra các monosaccarit chủ yếu là hexose, pentose Trong đóhexose có khả năng lên men tạo ethanol còn pentose không có khả năng này

- Lignin: 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 thành phần không mong muốn trong quá trình sản xuất ethanol từcellulose.[2]

2.1.5 Quy trình sản xuất ethanol sinh học từ lignocellulose

Nguồn phế liệu nông nghiệp và lâm nghiệp có bản chất là lignocellulose đangđược nghiên cứu sản xuất cồn sinh học Đó là một nguồn nguyên liệu dồi dào,

không những giúp hạn chế được sự cạnh tranh nguồn đất dùng cho sản xuất thựcphẩm mà còn giúp cho việc tái sử dụng các nguồn phế liệu một cách hiệu quả nhất.Việc sản xuất ethanol từ nguồn này đem lại nhiều nguồn lợi nhuận nhưng sự pháttriển của nó đang bị hạn chế bởi những khó khăn về mặt lợi nhuận kinh tế và kỹthuật chưa tối ưu.

{hóa học Cơ sinh học

Tổ hợp enzyme thủy phân

Chủng nấm men lên men dịch đườnghiệu quả

Hình 2.1 Quá trình sản xuất ethanol sinh học từ nguồn lignocellulose[1]

2.1.5.1 Loại bỏ các chất ức chế quá trình lên men

Chuyển hóa của sinh khối lignocellulose thành ethanol đòi hỏi phải trải quaquá trình xử lý sơ bộ Quá trình này sử dụng một trong hai điều kiện cơ bản là chất

ức chế có tính axit hoặc thực hiện ở nhiệt độ cao Thật không may, một loạt các chất

ức chế quá trình lên men được hình thành hoặc phát hành theo các điều kiện khắcnghiệt [3]

Các chất ức chế có thể được phân loại thành ba nhóm chính:

- Axit yếu: axit axetic, formic, levulinic,…

- Dẫn xuất furral: furfural và 5-hydroxymethylfurfural (HMF);

- Các hợp chất phenolic: vanillin, phenol và axit p-hydroxybenzoic

Sử dụng loại chất ức chế nào và nồng độ bao nhiêu phụ thuộc vào hai vấn đề

đó là quá trình tiền xử lý và vật liệu sử dụng Các chất ức chế có thể làm giảm năngsuất và sản lượng ethanol, trong khi cũng ức chế sự tăng trưởng tế bào bằng cáchtác động khả năng phát triển của các vi sinh vật lên men Trong một số trường hợp,

Tiền xử lý nguyên liệu

Thủy phân nguyên liệu

Lên men dịch đường

Thu nhận – tinh sạch cồn

nồng độ chất ức chế thấp nhất là 0,1 mM có thể tác động tiêu cực đến quá trình lênmen Hầu hết các chất ức chế đề cập ở trên cũng là nguyên liệu hóa học quan trọng

và có nhiều ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hóa chất và dược phẩm

Ví dụ, axit axetic có thể được sử dụng làm chất nền cho việc tổng hợp hữu cơ và làmột dung môi cho mục đích thanh lọc, furfural chủ yếu được áp dụng như một dungmôi chọn lọc và chất trung gian phản ứng và vanillin được sử dụng chủ yếu cho sảnxuất thuốc diệt cỏ, thuốc chống tạo bọt, sản phẩm gia dụng và thuốc

Để làm giảm sự ức chế của quá trình lên men và tăng cường hiệu quả của quátrình lên men thủy phân, các chất ức chế phải được loại bỏ khỏi quá trình thủy phânlignocellulose trước khi lên men Hiện nay, ba loại phương pháp (vật lý, hóa học vàsinh học) đã được sử dụng để khử độc thủy phân Huang et al (2008) đã xemphương pháp phổ biến nhất được sử dụng để giải độc thủy phân bao gồm bốc hơi,chiết dung môi, sự tôi vôi với calcium hydroxide, than hoạt tính, keo trao đổi ion, vàgiải độc enzym Tuy nhiên, họ đã không kiểm tra quy trình màng

Các quá trình màng khác nhau được sử dụng là hút bám màng, tách màng, vàkhai thác màng, đã được áp dụng trong việc loại bỏ chất ức chế quá trình lên men.tất cả các quá trình màng thế hiện hiệu quả quá trình loại bỏ tốt Han et al (2006)thấy rằng màng hút bám thể hiện hiệu quả loại bỏ tốt với khả năng và sự thất thoátcủa các loại đường mong muốn hơn keo trao đổi ion Weng et al (2009) báo cáorằng cả hai pH và áp suất của dung dịch đều ảnh hưởng đến hiệu suất tách và loại

bỏ axit axetic được điều chỉnh bằng cách loại trừ kích thước cùng với các hiệu ứngDonnan của màng lọc nano Grzenia et al (2008, 2010) quan sát thấy quá trình chiếtxuất màng có thể không chỉ loại bỏ các chất ức chế mà còn điều chỉnh độ pH củathủy phân để giá trị đó là phù hợp hơn cho quá trình lên men

Việc sử dụng màng hút bám NF và khai thác màng hết sức khả thi trong việcloại bỏ các chất ức chế Việc tách lọc axit acetic và sản xuất axit acetic sử dụngmàng bám hút lọc màng tách rửa tập trung hơn hơn việc sử dụng keo, nhưng mànghút bám đòi hỏi quá trình tái sinh hóa học Đối với quá trình lọc màng NF, không cóhóa chất vô cơ hoặc dung môi hữu cơ được sử dụng và các chất ức chế (ví dụ nhưaxit axetic) có thể được phục hồi bằng cách sau khi sử dụng hơn nữa, nhưng việctiêu thụ năng lượng ở mức cao do sự điều khiển áp lực Vì vậy, các ứng dụng toàndiện và đánh giá kinh tế của màng hút bám và quy trình NF cần phải được tìm hiểuthêm Hai khía cạnh của quá trình khai thác màng cần chú ý bổ sung cho các quy

mô ứng dụng đầy đủ để thành công đó là: Giảm thiểu các ảnh hưởng độc hại tiềmtàng của các dung môi hữu cơ, trong đó có thể được giải quyết thông qua lựa chọndung môi hữu cơ và nâng cao khả năng kinh tế, có thể bằng cách tái sinh dung môihữu cơ và hợp chất phục hồi độc như axit acetic và HMF.

So với các phương pháp khác được sử dụng cho sự giải độc của các chất thủyphân, công nghệ màng có lợi thế về hiệu quả giải độc cao, phục hồi chất ức chế cóthể, hoạt động đơn giản và dễ dàng mở rộng Những hạn chế của màng công nghệbao gồm sự tái tạo màng hút bám, tăng tiêu thụ năng lượng và sự suy giảm thônglượng của NF, và độc tính của dung môi hữu cơ chiết xuất khi sử dụng màng

Ngoài sự ức chế của sản phẩm trước khi xử lý, quá trình lên men ethanol và ứcchế sản xuất ethanol làm giảm sự phát triển vi sinh vật, do đó giảm tỷ lệ sản xuấtethanol Tùy thuộc vào loại vi sinh vật lên men được sử dụng, nồng độ ethanol chịuđược tối đa khoảng 6-10% Sự ức chế sản phẩm này có thể được loại bỏ bằng cáchgiải độc tại chỗ Phản ứng sinh học thoát hơi nước qua màng (PVMBR) và phảnứng sinh học chưng cất màng (MDBR) là công nghệ tích hợp tiềm năng cho mụcđích này.[3]

2.1.5.2 Sự phục hồi enzime từ quá trình thủy phân

Việc chuyển hóa của sinh khối lignocellulose cho sản xuất ethanol nhiên liệu

là một cơ hội hấp dẫn cho phát triển nhiên liệu sinh học tái tạo và thân thiện với môitrường Quá trình lọc sinh học bao gồm ba bước chính bao gồm tiền xử lý, thủyphân và lên men Các enzym (cellulase) được sử dụng để thủy phân cellulose thànhđường lên men coi là một trong những khâu sản xuất quan trọng nhất, chiếmkhoảng 50% chi phí của quá trình thủy phân và 20% tổng chi phí sản xuất ethanol

Có hai chiến lược chính để giảm lượng enzyme tiêu tốn: thứ nhất gia tăng hoạt động

cụ thể cellulase thông qua xử lý phân tử, cũng như năng suất và sản lượng của cácloại nấm và vi khuẩn khác nhau cellulolytic, thứ hai phục hồi và tái chế cácxenlulaza sau thủy phân Quy trình màng có thể giúp giải quyết giải pháp thứ hai.Cellulase thường xuất hiện hai hình thức khác nhau trong quá trình thủy phân.Một số cellulase lơ lửng trong dung dịch (enzyme tự do), trong khi những cellulasekhác đang bị gắn vào các chất còn lại (ví dụ:cellulose và lignin) Enzyme gắn dễdàng phục hồi nhưng các hoạt động xúc tác của họ là thấp hơn rất nhiều trong quátrình thủy phân sau đó Do đó, phần này tập trung vào việc thu hồi và tái chế cácenzym tự do

Sự tách màng là một trong những cách hiệu quả để phục hồi và tái chếcellulase từ dung dịch thủy phân Tất cả các nghiên cứu đã được tiến hành ở quy môphòng thí nghiệm ngoại trừ một trong số đó đã tiến hành ở quy mô thí điểm, và bacấu hình màng (tấm phẳng /tấm và khung, xoắn ốc và sợi rỗng) đã được thừa nhận.Trong một số ngoại lệ, các màng được sử dụng chủ yếu là polyme do điều kiện hoạtđộng nhẹ của việc phục hồi enzyme Các màng polyme được làm chủ yếu từpolysulfone (PS), polyethersulfone (PES), cellulose acetate (CA), và nylon (NY).

Cả hai MF và UF được áp dụng trong các nghiên cứu MF được sử dụng đểcellulase riêng từ hạt lignocellulose trong khi UF đã được sử dụng để phục hồienzym khi mà khối lượng phân tử của cellulase là vài chục kDa Thông lượng của

MF là cao hơn nhiều so với UF do kích thước lỗ lớn hơn Ví dụ, Morea et al (2001)phát hiện ra rằng các thông lượng của MF (400 L.m -2.h-1) đã nhiều hơn sáu lần sovới UF (64 L.m -2.h-1) Trong nhiều trường hợp, các màng UF cho thấy lên đến100% loại bỏ của cellulase khi không có enzyme được phát hiện trong thấm qua Các màng UF cũng thể hiện hiệu suất tốt cho việc phục hồi hoạt động của enzyme

Ví dụ, Steele et al (2005) báo cáo thấy tỷ lệ phục hồi của sự hoạt động cellulasedao động 60-66,6% và hoạt động cellobiase từ 76,4 đến 88%, và rằng sự phục hồienzyme đã được thống nhất trên ba sự kiện tái chế

Mores et al (2001) đã thực hiện một phân tích kinh tế sơ bộ và thấy rằng cácchi phí lợi ích của việc tái chế enzyme là khoảng 18 cent/gallon ethanol được sảnxuất nếu 75% của các enzyme trong dạng hoạt động đã được tái chế Steele et al.(2005) báo cáo rằng sự phục hồi enzyme là 60, 70 và 90% với việc dùng 15 đơn vịlọc giấy của cellulase/g của glucan đã được dự kiến sẽ tiết kiệm chi phí là tươngứng 15%, 25% và 50% chi phí enzyme không tái chế

Các kết quả nghiên cứu trong quy mô phòng thí nghiệm chỉ ra rằng việc ápdụng công nghệ màng để thu hồi và tái sử dụng của enzym trong quá trình lọc sinhhọc mang lại nhiều hứa hẹn Những thất thoát của enzyme khi hoạt động thông qua

sự suy thoái hoặc biến tính giới hạn phục hồi và tái sử dụng, enzyme làm giảm hiệuquả và có khả năng đóng góp thêm chi phí có ảnh hưởng đến khả năng kinh tế củacông nghệ màng Ngoài các nghiên cứu quy mô thí điểm và quy mô đầy đủ, cácphương pháp để ngăn chặn các enzyme biến tính nên được tìm hiểu thêm.[3]

2.1.5.3 Lò phản ứng sinh học để sản xuất ethanol sinh học

Công nghệ lò phản ứng sinh học màng (MBR), mà đã được phát triển để xử lýnước thải trong hơn 30 năm gần đây đã được sử dụng cho lọc sinh học và sản xuấtnăng lượng sinh học Trong một MBR, lọc màng được kết hợp vào các phản ứngsinh học để tách sinh khối từ xử lý nước thải Một loại MBR được gọi là một lòphản ứng sinh học màng, trong đó một màng vi rỗng kỵ nước thường đóng vai trònhư một sự hỗ trợ cho các vi sinh vật và là một đơn vị tách Ưu điểm chính củaMBR là nồng độ tế bào có thể đạt đượccao hơn bởi vì các tế bào gần như hoàn toànđược giữ lại bởi các màng tế bào và tái chế lại cho lên men Kết quả này cho năngsuất thu được ethanol cao hơn so với quy trình thông thường, trong khi đó nó cũnggóp phần cung cấp một chất lượng thấm nhập cao.[3]

a Lò phản ứng sinh học thoát hơi nước qua màng để sản xuất ethanol sinh học.

Việc sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulose đã được nghiên cứu rộng rãi

để thay thế nhiên liệu hóa thạch không tái tạo Sản lượng ethanol trong quá trình lênmen thông thường là thấp (2-2,5 g ethanol /L/h) là do nồng độ của các vi sinh vật,

sự ức chế sản phẩm cuối cùng, và tiêu thụ chất nền thấp Một phương pháp mới đểnâng cao sản lượng ethanol quá trình lên men là tiến hành lên men liên tục tại mộtnồng độ tế bào cao Nhưng trong quá trình lên men liên tục những tác động của sự

ức chế sản phẩm cuối cùng là nghiêm trọng hơn trong quá trình thực hiện bởi vì các

vi sinh vật lên men liên tục tiếp xúc với nồng độ ethanol cao Sự lên men liên tiếpcùng với loại bỏ ethanol đồng thời là một lựa chọn hấp dẫn để giảm nhẹ sự ức chếethanol.[3]

Hình 2.2 Lò phản ứng sinh học thoát hơi nước qua màng để sản xuất ethanol sinh

học[3]

a.Lò phản ứng chân không bên ngoài b.Cấu hình chân không bên trong c.Cấu hình bên trong với không khí

Nguyên liệu sau khi được xử lý sơ bộ đưa vào bình lên men, tại đây quá trìnhlên men diễn ra theo phản ứng:

(C 6 H 10 O 5 ) + nH 2 O nC 6 H 12 O 6 → 2nC 2 H 5 OH +2nCO 2 + Q

Sau khi lên men ethanol được bơm qua thiết bị màng lọc Tại đây xảy ra quátrình thoát hơi nước qua màng, dung dịch là được giữ lại tiếp liệu (thượng lưu) bênphía màng không xốp cho phép sự chuyển đổi giai đoạn bay hơi để sản xuất mộtloại khí phía thấm (hạ lưu) của màng Ethanol tinh khiết sẽ được đưa vào thiết bịngưng tụ còn dung dịch là được giữ lại tiếp liệu của màng được tuần hoàn lại thiết

bị phản ứng Sản phẩm ethanol tinh khiết sẽ thu được ở đáy thiết bị ngưng tụ

Năm 1857, Louis Pasteur [6] tiếp tục nghiên cứu về quá trình lên men và thunhận kết quả sau: cứ 100 phần đường saccharose khi lên men sẽ tạo ra 51,1 phầnethanol 48,4 phần CO2, 32 phần glycerin, 0,7 phần acid succinic và hai phần cácsản phẩm khác Từ đó suy ra cứ 45 phần khối lượng glucose khi lên men sẽ tạo ra21,8 phần ethanol chứ không phải 23 phần như Gay-Lussac đã tính [2] Tuy nhiênphương trình lên men do Gay-Lussac đưa ra vẫn đúng và dùng làm cơ sở lý thuyết

để tính hiệu suất thu hồi rượu theo lý thuyết Gay-Lussac còn kết luận sự lên men làquá trình sinh học có liên hệ mật thiết đến sự hoạt động của tế bào nấm men

Vào khoảng 1871-1872 Manaxemi đem nghiền tế bào nấm men với cát thạchanh rồi mới cho vào lên men dịch đường thì hiện tượng lên men vẫn xảy ra.Năm

1879, Buchuer tiến hành nghiền nát tế bào nấm men rồi chiết lấy dịch trong khôngchứa xác nấm men rồi cho vào dịch đường thì thấy dịch chiết vẫn có khả năng lênmen Từ đó người ta gọi các chất trong dịch tế bào nấm men là zymase Đây chính

là hợp chất của nhiều enzyme cùng tham gia chuyển hóa đường thành ethanol vàkhí carbonic [2]

Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử Quá trình oxy hóanày lại xảy ra trong cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme, cho nênngười ta gọi quá trình lên men là quá trình oxy hóa sinh học

Sự thoát hơi nước qua màng là một quá trình màng trong đó dung dịch là đượcgiữ lại tiếp liệu (thượng lưu) bên phía màng không xốp cho phép sự chuyển đổi giaiđoạn bay hơi để sản xuất một loại khí phía thấm (hạ lưu) của màng Ít gặp hơn, mộtquá trình quét khí chân không hoặc cung cấp động lực cho sự bay hơi Do tính chấtcân bằng chất lỏng của hơi ethanol-nước, ethanol thường xuyên qua màng ở nồng

độ ethanol thấp Sự thoát hơi nước qua màng là một công nghệ đầy hứa hẹn trongviệc loại bỏ ethanol chỗ từ hệ thống lên men do đó làm giảm sự ức chế ethanol Sovới kỹ thuật truyền thống như tước khí và hấp phụ, phương pháp thoát hơi nước quamàng là đơn giản, tính chọn lọc cao, và không độc hại để lên men vi sinh vật Nócũng có khả năng rẻ hơn so với quá trình chưng cất

Tất cả các nghiên cứu được tiến hành tại quy mô phòng thí nghiệm Một cấu

hình bên ngoài với chân không được áp dụng trong hầu hết các trường hợp (Hình 2.2a) Mặc dù cấu hình nội bộ với một trong hai chân không (Hình 2.2b) hoặc quét không khí (Hình 2.2c) đã được xem xét Trong hầu hết các nghiên cứu, các nồng độ

tế bào và ethanol trong nước dùng và sản lượng ethanol đã được cải thiện Ví dụ,

nồng độ tế bào, nồng độ ethanol và năng suất ethanol đạt 30g/L, 72,6 g/L (Wu et al.,2005) và 30g/L/h; và nồng độ tế bào cao nhất đạt được khoảng 150 g / L khi quátrình MF được đưa vào quá trình PVMBR Shabtai et al (1991) quan sát rằng hoạtđộng của một PVMBR ổn định và hiệu quả Hệ thống mang lại lượng ethanol tinhkhiết khoảng 15% (w/v) tại một mức năng suất ổn định trong khoảng 25 gethanol/L/h trong thời gian 40 ngày kể từ ngày hoạt động liên tục Điều này chothấy sự gia tăng gấp hai lần so với lò phản ứng liên tục hoạt động không được ghépđôi từ màng, và tăng gấp năm lần so với quá trình lên men.

Một số nghiên cứu đã tập trung vào việc đánh giá kinh tế của việc sử dụngPVMBRs cho sản xuất ethanol sinh học Groot báo cáo tổng chi phí sản xuấtethanol của một PVMBR (0,674$/L với công suất 28,4×106 L mỗi năm) cao hơnmột chút so với lên men liên tục thông thường (0,665$/L có công suất 46,0×106 Lmỗi năm) dựa trên mô hình động học Trong khi đó, O'Brien et al (2000) đã so sánhchi phí của một quá trình lên men thông thường với một PVMBR cho 50 triệugallon /năm của nhà máy sản xuất nhiên liệu ethanol và thấy rằng chi phí củaPVMBR (0,211$/Gal) cao hơn so với quá trình lên men thông thường (0,182$/Gal).Luccio et al (2002) đã nghiên cứu ảnh hưởng của chi phí màng đến quá trình sảnxuất ethanol và sản xuất fructose bằng cách lên men chọn lọc cùng với sự thoát hơinước qua màng Đối với một nhà máy lắp đặt hoàn chỉnh, chi phí màng cho phépcao nhất để duy trì tính khả thi về kinh tế vào khoảng 500$/ m2, trong khi sự thíchnghi của một nhà máy hiện tại cho phép cho một chi phí lên đến 800$/m2, nhận thấy

tỷ lệ lợi nhuận tối thiểu của lợi nhuận trên vốn đầu tư là 17%

PVMBR không chỉ cải thiện năng suất ethanol mà cũng có thể làm giảm chiphí sản xuất với việc giảm chi phí màng Các nghiên cứu sau này nên tập trung vàoviệc giảm chi phí màng và hoạt động của PVMBRs Việc tiếp tục nghiên cứu cũngnên tập trung vào việc giảm thiểu các tác dụng mở rộng PVMBR và sự tích hợp củacác quy trình màng khác (ví dụ, MF) để nâng cao hơn nữa sản lượng ethanol.[3]

b Lò phản ứng sinh học màng chưng cất để sản xuất ethanol sinh học

Các quá trình phản ứng sinh học màng chưng cất (MDBR) để sản xuất ethanolsinh học đã được nghiên cứu trong những năm gần đây Cả hai quá trình chưng cấtmàng và sự thoát hơi nước qua màng liên quan đến nguồn lỏng liên hệ trực tiếp vớimàng và bay hơi các thành phần thấm Tuy nhiên, hai quá trình này có một số khácbiệt quan trọng, chẳng hạn như cấu trúc màng (xốp/không xốp), lực điều khiển và

cơ chế tách Động lực vận chuyển trong MDBR là nhờ sự khác biệt áp suất hơi, gây

ra bởi nhiệt độ và thành phần của dung dịch trong các lớp tiếp giáp với màng Cácnguyên tắc tách chưng cất màng dựa trên cân bằng hơi lỏng quyết định quá trìnhnày.[3]

Hình 2.3 Lò phản ứng sinh học màng chưng cất để sản xuất ethanol sinh học[3]

a.Thiết bị DCMD (chưng cất màng trực tiếp tiếp xúc) b.Thiết bị SGMD (chưng cất màng khí quét)

Quy trình chưng cất màng thường được phân loại như là một trong bốn loại:chưng cất màng trực tiếp tiếp xúc (DCMD), chưng cất màng khí quét (SGMD),

chưng cất màng khoảng cách không khí (AGMD) và chưng cất màng chân không(VMD).

Hình 2.3a nguyên liệu phản ứng sau khi trải qua quá trình tiền xử lý sơ bộ sẽ

được đưa vào thiết bị phản ứng sinh học, tại đây quá trình lên men diễn ra theo phảnứng:

(C 6 H 10 O 5 ) + nH 2 O nC 6 H 12 O 6 → 2nC 2 H 5 OH +2nCO 2 + Q

Sản phầm sau khi qua thiết bị phản ứng sinh học được bơm vào thiết bị màngmục đích tách ethanol tinh khiết Một phần ethanol thu được ở đáy thiết bị màngđược đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt và được đưa vào bình thẩm thấu sau đó sảnphẩm sẽ được đưa trở lại thiết bị màng Phần còn lại của dung dịch ethanol từ thiết

bị màng sẽ được tuần hoàn trở lại thiết bị phản ứng sinh học

Hình 2.3b Nguyên liệu sau khi được xử lý sơ bộ được đưa vào thiết bị lên men, tại đây quá trình lên men được diễn ra tương tự như Hình 2.3a, sản phẩm ethanol

thu được được đưa vào thiết bị CELL SETTLER Sản phẩm thu được cùng với

không khí nén sẽ được đưa vào thiết bị màng Một phần sản phẩm sẽ được tuầnhoàn bơm trở lại bình chứa nguyên liệu Ethanol tinh khiết thu được ở đáy thiết bịmàng sẽ được làm lạnh và đưa vào bình thẩm thấu Tại đây không khí sẽ được thoát

ra ngoài Một phần dung dịch ethanol ở thiết bị màng sẽ được tuần hoàn trở lại thiết

bị lên men

Tổng hợp hiệu suất lò phản ứng sinh học chưng cất màng (MDBR) cho sản

xuất ethanol Hai mô hình MDBR, DCMD cùng với lò phản ứng sinh học (Hình 2.3a) và AGMD cùng với một lò phản ứng sinh học (Hình 2.3b), đã được sử dụng

để sản xuất ethanol Tất cả các thí nghiệm được tiến hành tại quy mô phòng thínghiệm cho hai loại kỵ màng, tức là sử dụng polytetrafluoroethylene (PTFE) vàpolypropylene (PP) Do việc lưu giữ màng, nồng độ tế bào có thể cao tới 37 g/l, vớinồng độ ethanol tối đa trong nước dùng đạt 80 g/l Màng chưng cất được kích hoạtnồng độ cao hơn của ethanol trong thấm hơn trong nước dùng Udriot et al (1989)báo cáo rằng việc khai thác liên tục của ethanol sử dụng chưng cất màng nâng caonăng suất ethanol lên 87%, tăng 0,99-1,85 g/L/h Calibo et al (1989) cho thấy rằnghoạt động lâu năm sử dụng một mô-đun PTFE là có thể (430h sử dụng glucose

trung gian và 695h sử dụng mật đường trung gian) thay đổi không đáng kể tronghiệu suất tách ethanol của module được quan sát.[3]

2.2 Sản xuất khí sinh học

Phản ứng sinh học màng kỵ khí (AnMBR) được chứng minh là rất hấp dẫn đốivới công nghệ xử lý nước thải vì chúng ngăn chặn sự mất mát của sinh khối từ cácphản ứng sinh học và sản xuất ra một lượng nước thải cuối cùng với hiệu quả cao.Hơn nữa, giống như với các quá trình yếm khí thông thường, AnMBRs đòi hỏi ítnăng lượng và sản xuất khí biogas có chứa metan và hydro Các khí sinh học đượcsản xuất từ AnMBRs có thể được đốt cháy để tạo ra năng lượng điện để sản xuấtmột phần đáng kể năng lượng cần thiết phục vụ các nhà máy xử lý nước thải, trongmột số trường hợp, tính bền vững năng lượng có thể đạt được

Các thử nghiệm đầu tiên của công nghệ AnMBR cho xử lý nước thải đã đượctiến hành bởi Grethlein vào năm 1978, và các hoạt động nghiên cứu AnMBR cóxuất hiện kể từ đó Về sau công nghệ AnMBRs sản xuất khí sinh học và sản xuấthydro sẽ được nghiên cứu sâu hơn.[3]

2.2.1 Sản xuất khí methan

Methan được sản xuất trên cơ sở thủy phân kỵ khí có thể thay thế và tái tạonguồn năng lượng nhiên liệu hóa thạch Trong quy mô phòng thí nghiệm nghiêncứu gần đây, tiến hành trên các AnMBR chính: mô hình với dòng chảy bên ngoài

(Hình 2.4a), màng ngập nước ( Hình 2.4b) và màng ngập nước với bể màng bên

ngoài (Hình 2.4c) Nhiều nguồn sinh khối, trong cluding nước thải (trong nước, lò

mổ, bãi rác, kraft bay hơi ngưng tụ, TMP nước sủi bọt), và chất thải rắn (phân heo,rác, bã, chất thải hữu cơ), đã được sử dụng làm nguyên liệu cho các hệ thốngAnMBR Hệ thống có khả năng thích ứng AnMBR với nhiệt độ tốt phù hợp vớiđiều kiện ưa nhiệt và ưa lạnh COD đạt được cao (thường là >90%) với tải trọnghữu cơ (OLR) trong khoảng 0,23-24 kg COD/m3/d Tại một nhà máy quy mô thíđiểm, mức sản xuất khí sinh học khác nhau 0-220 L/d trong khi tại các nhà máy quy

mô đầy đủ có thể được tăng cao năng xuất sản xuất 800 Nm3/d Các khí sinh họcđược sản xuất thường chứa hơn 60% khí mê tan có thể đạt 90% Để tăng cường sảnxuất CH4, Jeong et al (2010) đã sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) để tối

ưu hóa hệ thống hai giai đoạn kỵ khí tiêu hóa (TPAD) bao gồm một giai đoạn

acidogenesis và một lò phản ứng sinh học kỵ khí màng ngập nước (SAnMBR).

Dưới sự hoạt động tối ưu của giai đoạn acidogenesis, SAMBR có thể tái tạo các

axit béo bay hơi (VFA) trong nước thải acidogenic thành CH4 với mức sản xuấtbình quân 0,28 m3/m3/d với HRT là 14 ngày.

Hình 2.4 Thiết bị phản ứng sinh học màng kỵ khí a.Cấu hình qua dòng chảy bên ngoài

b.Cấu hình với màng ngập nước c.Cấu hình kết hợp màng ngập nước với màng bên ngoài Hình 2.4a Nguyên liệu sau khi xử lý sơ bộ được đưa vào thiết bị phản ứng

sinh học kỵ khí Tại đây xảy ra quá trình thủy phân, sản phẩm khí metan thu được ởđỉnh thiết bị, chất thải sinh khối được thải ra ngoài, và một phần sản phẩm sẽ đượcbơm qua thiết bị màng lọc, màng lọc có tác dụng làm tinh khiết sản phẩm khí đượcđưa ra ngoài, phần còn lại sẽ được tuần hoàn lại thiết bị phản ứng sinh học kỵ khí

Hình 2.4b nguyên lý hoạt động tương tự như Hình 2.4a nhưng thiết bị lọc màng

được đặt trong thiết bị phản ứng sinh học kỵ khí Khí sinh học được nén trước rồi

mới đưa qua thiết bị màng lọc Hình 2.4c cũng tương tự, thiết bị màng lọc được đặt

ở khoang ngoài của thiết bị phản ứng

Quá trình AnMBR là một công nghệ đầy hứa hẹn đáp ứng cả hai vấn đề là bảo

vệ môi trường và sản xuất năng lượng Thách thức chính của AnMBRs là vấn đề tắcnghẽn màng Luồng màng bền vững trong AnMBRs thường nhỏ hơn so với cácMBRs hiếu khí, do màng bám bẩn trong AnMBRs ngày một tăng Vì vậy chiếnlược kiểm soát ô nhiễm màng cần phải được nghiên cứu để giảm thiểu tắc nghẽnmàng và tăng luồng màng Ngoài ra, tối ưu hóa các điều kiện hoạt động cũng cầnđược kiểm tra để nâng cao năng suất metan và đạt được hiệu suất phục hồi nănglượng tốt hơn

2.2.2 Sản xuất khí hydro

Hydro là một nguồn năng lượng lý tưởng Nó đốt cháy để tạo thành chỉ cónước và có hàm lượng năng lượng cao Gần đây, quá trình sản xuất H2 sinh học củaquá trình lên men đã nhận được nhiều sự chú ý Sản xuất H2 bằng quá trình lên menthường được thực hiện trong một lò phản ứng khuấy bình liên tục (CSTR) sử dụngvật liệu tái tạo như đường hoặc tinh bột Việc kiểm soát tốc độ sản xuất hydro và sửdụng chất nền được giới hạn trong một CSTR thông thường, tuy nhiên, vì thời gianlưu giữ chất rắn (SRT) là bằng với thời gian lưu trữ nước (HRT) MBRs có thể cảithiện sản xuất hydro sinh học bởi vì nó có thể duy trì mật độ tế bào cao hơn trongcác phản ứng sinh học và tách các SRT từ HRT

Tất cả các nghiên cứu được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm và chất trợmàng từ 5-60 L/m2/h đã đạt được Đường đã được sử dụng như nguồn carbon, vàcác hệ thống AnMBR vận hành ở nhiệt độ trung bình, ngoại trừ một số nghiên cứuđược áp dụng xử lý nước thải và vận hành ở nhiệt độ cao Các cấu hình qua dòng

chảy bên ngoài (Hình 2.4a), cấu hình màng ngập nước (Hình 2.4b) và màng ngập nước với màng bên ngoài (Hình 2.4c ) đều được sử dụng Màng lọc sử dụng là

màng vi lọc hoặc màng siêu lọc Hiệu quả sử dụng nguồn carbon cao hơn 45% vàđạt 100% trong hai nghiên cứu Mức sản xuất hydro dao động từ 0-42 L/d hoặc 0,1-2,75 L/L/h và lượng hydro chiếm 40-60% lượng khí sinh học Lee et al (2009b) đãnghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ FeSO4 như là một nguồn hợp chất sắt ảnhhưởng đến hiệu quả của sản xuất H2 liên tục trong một hệ thống MBR ngập nước.Nhận thấy rằng tỷ lệ sản xuất H2 tăng lên cùng với sự gia tăng nồng độ FeSO4 mặc

dù tỷ lệ F/M (nguyên liệu) đã được giảm Do đó, họ đề xuất rằng hàm lượng FeSO4

là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cách lên men để sản xuất H2 trong MBRs.Quy trình AnMBR là một công nghệ đầy hứa hẹn cho sản xuất hydro Tuynhiên, việc xác minh những lợi thế của AnMBRs thu được từ các nghiên cứu trongphòng thí nghiệm rất ít thực hiện Một lĩnh vực thú vị là việc sử dụng công nghệmàng tách khí để tách hydro sinh học từ các khí sinh học được sản xuất, cung cấpsản phẩm H2 độ tinh khiết cao Ngoài ra, vấn đề tắc nghẽn màng nên được giảiquyết, khi hydro sản xuất các vi sinh vật có thể có những đặc điểm khác biệt so vớicác hệ thống MBR khác Hơn nữa, các khía cạnh kinh tế của AnMBRs cần phảixem xét Cuối cùng, chiến lược để cải thiện năng suất hydro cần phải được pháttriển từ các nguồn carbon khác (ví dụ như xử lý nước thải và chất thải rắn) sản xuấthydro cần phải được kiểm tra

2.3 Sản xuất bio – dầu và diesel sinh học

2.3.1 Sản xuất bio – dầu

Dầu sinh học là các sản phẩm chất lỏng từ quá trình nhiệt phân sinh khối táisinh, hiện nay nó đã được xem như là một trong những biện pháp thay thế chonguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh Tuy nhiên, trong một hệ thống nhiệtphân thông thường, các hạt than tạo ra trong quá trình nhiệt phân có thể không hoàntoàn được loại bỏ bằng các phương pháp truyền thống, làm ô nhiễm dầu sinh họcsản xuất được Trong khi lọc khí nóng và tách cyclone hiệu quả có thể loại bỏ cáchạt lớn hơn than ( >10 mm), hạt than mịn( >10 micromet) vẫn còn trong dầu sinhhọc khi cô đặc, gây ra vấn đề với lưu trữ, quá trình sử dụng cuối cùng, và đòi hỏicần phải xử lý thêm Cho đến gần đây, đã có một sự tiến bộ hiệu quả trong côngnghệ để loại bỏ các hạt mịn than

Gần đây, Javaid et al (2010) đã kiểm tra tính khả thi của việc loại bỏ các hạtmịn than với một quá trình vi lọc Hai màng gốm hình ống có kích thước lỗ chânlông khác nhau (0,5 và 0,8 mm) được sử dụng trong chế độ qua dòng chảy dướinhiệt độ và áp suất khác nhau xuyên màng Các kết quả cho thấy hàm lượng trotổng thể trong dầu sinh học giảm đáng kể sau khi lọc, nhận thấy rằng màng vi lọc cóthể loại bỏ các hạt mịn than từ nhiệt phân nhanh dầu sinh học Hơn nữa, nồng độcủa các cấu tử quan trọng liên quan đến hàm lượng năng lượng dầu sinh học rấthiếm khi bị ảnh hưởng bởi quá trình vi lọc Để đẩy nhanh tiến độ ứng dụng công

nghiệp của họ, hiệu suất và các khía cạnh kinh tế của các quy mô hệ thống màngcần phải xem xét.

2.3.2 Sản xuất diesel sinh học

Diesel sinh học được sản xuất từ các nguồn sinh học mới như thực vật hoặcchất thải và chất béo động vật Nó có giá trị lớn so với nhiên liệu diesel có nguồngốc từ các nguồn tài nguyên hóa thạch là diesel sinh học như khả năng tái sinh, ưuđiểm không có độc tính, và lượng khí thải thấp Dầu diesel sinh học đang ngày càngđược sử dụng phổ biến, ví dụ, dầu diesel sinh học chiếm 20% tổng mức tiêu thụnhiên liệu động cơ trong Liên minh châu Âu (EU) vào năm 2008 Trong khi đó,Hoa Kỳ dự kiến là tiêu thụ khoảng 19% sản lượng dầu diesel sinh học trên thế giới

và do đó đã trở thành thị trường dầu diesel sinh học lớn nhất trên thế giới vào năm2012

Cách phổ biến nhất để sản xuất dầu diesel sinh học là từ ester của dầu hoặcchất béo với rượu (ví dụ như methanol hoặc ethanol) Điều này liên quan đến việcchuyển đổi xúc tác của triglycerides và rượu thành acid béo alkyl este (FAAE), tức

là dầu diesel sinh học, với glycerol như một sản phẩm phụ Bên cạnh các sản phẩmchínhFAAE và sản phẩm phụ glycerol, một số tạp chất cũng có mặt trong các sảnphẩm cuối cùng, như các chất trung gian trong phản ứng và các hợp chất còn lại.Những chất gây ô nhiễm nhỏ sẽ ảnh hưởng xấu đến cả hai động cơ và môi trường,

do đó yêu cầu chất lượng đối với sản phẩm dầu diesel sinh học rất nghiêm ngặt.Hiện nay, có hai tiêu chuẩn chính được sử dụng để kiểm soát chất lượng dầu dieselsinh học: tiêu chuẩn ASTM D6751 cho 100% diesel sinh học tinh khiết (B100) vàDIN EN 14214 (tiêu chuẩn chất lượng diesel sinh học châu Âu) Trước đây đòi hỏicác hàm lượng glycerol tự do là <0,02 và tổng trọng lượng glicerol là 0,24% và saunày đòi hỏi monoglyceride (MG), diglyceride (DG) và triglycerid (TG) là dưới hàmlượng 0,8; tổng trọng lượng là 0,2% Vì thế cần bổ sung các bước tinh chế sau khitổng hợp là cần thiết để phù hợp với những thông số kỹ thuật nghiêm ngặt nêu trên.Hiện nay, các nghiên cứu gần đây cho thấy công nghệ tách màng mới để sảnxuất diesel sinh học mang đến triển vọng với hiệu suất đạt được tương đối cao.Công nghệ màng có thể được sử dụng trong các lò phản ứng hoặc màng cho

transester hoặc như một phương pháp tách và tinh chế cuối cùng cho dầu diesel

sinh học tinh luyện

2.3.2.1 Thiết bị phản ứng màng sản xuất dầu diesel sinh học

Lò phản ứng màng tích hợp các phản ứng và quá trình tách màng vào một quátrình duy nhất Có thể tăng cường chuyển đổi các phản ứng cân bằng giới hạn bằngcách loại bỏ các sản phẩm phản ứng từ các lò phản ứng thông qua màng tế bào.Hình 4 cho thấy một sơ đồ điển hình của một lò phản ứng màng để sản xuất dầudiesel sinh học

Hình 2.5 Lò phản ứng màng sản xuất dầu diesel sinh học.

Nguyên liệu sau khi xử lý sơ bộ cùng với chất xúc tác được đưa vào bình hệthống nguyên liệu, sau đó sẽ được bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt với mục đích

truyền nhiệt tới nguyên liệu, sau đó được đưa vào thiết bị coriolis meter Sản phẩm

qua thiết bị này được đưa vào thiết bị màng lọc mô đun, sau khi lọc sản phẩm quavan áp lực ngược được đưa qua thiết bị làm lạnh vào thiết bị phân thành hai pha: từpha FAME (acid béo methyl ester) ta sẽ thu được diesel sinh học, còn pha phân cựcthu được sản phẩm lọc và một phần sản phẩm khác sẽ được tuần hoàn lại bìnhnguyên liệu rượu/xúc tác

Các nghiên cứu lò phản ứng màng để sản xuất dầu diesel sinh học được tiếnhành quy mô phòng thí nghiệm Chất xúc tác được sử dụng có thể là axit hoặc bazơ,xúc tác hoạt động trên các màng tế bào, hòa tan trong nguyên liệu, hoặc cố định trên

vật liệu khác Nghiên cứu đã được thực hiện bằng cách sử dụng một lò phản ứngmàng xúc tác hữu cơ, và lò phản ứng màng vô cơ trơ Trong hầu hết các trường hợp,một loại dầu cao acid béo methyl ester (FAME) chuyển đổi đã đạt được Lò phảnứng màng tế bào cũng có thể được vận hành bằng cách sử dụng một loạt các nguyênliệu ở điều kiện hoạt động tương tự để sản xuất FAME Trong một nghiên cứu đượctiến hành bởi Baroutian et al (2010), các tính chất vật lý và hóa học của dầu dieselsinh học được sản xuất bởi các lò phản ứng màng được đặc trưng và so sánh với cácthông số kỹ thuật tiêu chuẩn Các sản phẩm dầu diesel sinh học có chất lượng cao

và đáp ứng tiêu chuẩn ASTM giới hạn

Cao et al (2009) đã nghiên cứu động học lò phản ứng màng của cây cải dầu

transester hóa biết rằng lò phản ứng màng được tăng cường tốc độ phản ứng thông

qua cách trộn nguyên liệu lò phản ứng màng và loại bỏ liên tục của các sản phẩm

từ các luồng phản ứng Hơn nữa, Cao et al (2008b) đã thấy rằng methanol: tỷ lệmol dầu trong hệ thống lò phản ứng màng có thể được giảm đến 10: 1 khi pha phâncực đã được tái chế, phương pháp này rất có tiềm năng để đạt được methanolthương mại với tỷ lệ mol dầu là 6: 1 Sự tái sử dụng của các màng carbon trong các

lò phản ứng màng tế bào cũng đã được kiểm tra bởi hoạt động lâu dài của chất xúctác có tính axit hoặc bazơ cao Sau 10 tháng hoạt động và tiếp xúc với methanol/axithoặc dung dịch methanol/bazơ Quan sát màng phản ứng không thấy sự suy thoái,

từ đó chỉ ra rằng màng carbon có sức đề kháng rất tốt với điều kiện chất xúc tác cótính axit hoặc bazơ cao và nồng độ dung môi mạnh của FAME

Cả hai hiệu suất và tỷ lệ transester sẽ tăng khi các phản ứng transester hóa

được tiến hành trong một lò phản ứng màng Tất cả các nghiên cứu trên được tiếnhành trong phòng thí nghiệm nên hiệu quả của lò phản ứng màng tế bào vẫn cầnphải được khảo sát để đưa vào quy mô công nghiệp Ngoài ra, khảo sát giá thànhcủa quá trình sản xuất dầu diesel sinh học của các lò phản ứng màng vẫn còn chưacó

2.3.2.2 Tách và tinh chế sản phẩm

Quy trình màng có thể được áp dụng để tách và tinh chế trong sản xuất dầudiesel sinh học Tất cả các cuộc khảo sát đã được tiến hành ở quy mô phòng thínghiệm, sử dụng cả màng vô cơ và màng hữu cơ Trong các nghiên cứu đã được sửdụng ba loại màng lọc (tức là vi lọc, siêu lọc và lọc nano) và ba loại cấu hình (tức làphẳng tờ / tấm và khung hình, hình ống và sợi rỗng) Quá trình chiết màng được sử