Bao cao thuc tap 35(full) (2)

Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học

LỜI CẢM ƠN

Thực tập quá trình & thiết bị là cơ hội để nhóm sinh viên thực tập chúng em tiếp cận và

tìm hiểu thực tế thông qua những kiến thức lí thuyết đã học tại trường trong suốt những năm

qua.

Trải qua thời gian thực tập tại phòng thí nghiệm năng lượng sinh học – ĐH Bách Khoa

TP HCM, được tham gia vận hành một số thiết bị, chúng em đã học hỏi nhiều kiến thức thực

tế, những kinh nghiệm quý báu, được tiếp xúc môi trường và điều kiện làm việc nơi đây. Có

được những kiến thức đó, chúng em xin chân thành cảm ơn sự tận tình giúp đỡ từ thầy cô và

các anh chị tại đây.

Chúng em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Đình Quân. Cảm ơn Thầy đã tạo điều

kiện thuận lợi cho chúng em được thực tập tại Xưởng, đã truyền đạt cho chúng em những

kinh nghiệm quý báu, đã giúp đỡ và hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực tập.

Xin chân thành cảm ơn chú Nguyễn Văn Khanh, Chị Trần Phước Nhật Uyên, Chị Vũ Lê

Vân Khánh, anh Lê Nguyễn Phúc Thiên, và anh Phan Đình Đông đã tận tình hướng dẫn

chúng em trong suốt quá trình thực tập, sẵn sàng giúp đỡ chúng em giải đáp những vướng

mắc, trao đổi với chúng em những kinh nghiệm quý báu trong quá trình làm việc và trong

cuộc sống.

Chúng em xin cảm ơn khoa Kỹ thuật hóa học nói chung và bộ môn Quá trình &Thiết bị

nói riêng đã tạo điều kiện để chúng em có cơ hội được thực tập tại đây, xin cảm ơn thầy

Nguyễn Sĩ Xuân Ân đã tạo điều kiện và hướng dẫn tận tình để chúng em hoàn thành đợt thực

tập này.

1


Nhận xét của Cán bộ hướng dẫn:

----------------

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………

Tp. Hồ Chí Minh, ngày........tháng……..năm 2012.

Cán bộ hướng dẫn: Xác nhận của phòng Thí nghiệm.

2


Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:

----------------

......................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................

Tp. Hồ Chí Minh, ngày……tháng…… năm 2012.

Xác nhận của bộ môn.

3


MỤC LỤC

I. Nghiên cứu ethanol từ rơm rạ:.........................................................................................................4

1.Tình hình nước ta hiện nay.......................................................................................................5

2.Tình hình sản xuất ethanol từ biomass:....................................................................................5

II. Tổng quan về phòng thí nghiệm.....................................................................................................6

1. Lịch sử hình thành và phát triển..............................................................................................6

2. Sơ đồ tổ chức mặt bằng............................................................................................................8

3. An toàn lao động.......................................................................................................................9

4. Xử lí phế thải..........................................................................................................................11

III. Quy trình công nghệ....................................................................................................................11

1. Dạng năng lượng sử dụng.......................................................................................................11

2. Sơ đồ khối quy trình...............................................................................................................12

2.1. Quy trình sản xuất ethanol từ rơm rạ..................................................................................13

2.2.Khí hóa trấu để chạy hồi hơi.................................................................................................26

IV. Thiết bị........................................................................................................................................28

1. Máy cắt thô.............................................................................................................................28

2. Máy cắt mịn............................................................................................................................29

3. Máy ép....................................................................................................................................30

4. Thiết bị nổ hơi.........................................................................................................................32

5. Thiết bị thủy phân và lên men đồng thời................................................................................34

6. Bình chứa................................................................................................................................36

7. Tháp chưng cất.......................................................................................................................36

7.1.Tháp chưng cất thô...............................................................................................................36

7.2. Tháp chưng cất tinh.............................................................................................................38

8.Thiết bị khí hóa........................................................................................................................39

9.Buồng đốt khí syngas (burner)................................................................................................39

10. Nồi hơi...................................................................................................................................40

V. Một số sự cố và khắc phục trong quá trình vận hành...................................................................41

VI. Nhận xét và đề nghị của sinh viên................................................................................................42

4


I. Nghiên cứu ethanol từ rơm rạ:

1.Tình hình nước ta hiện nay

Theo thống kê của các cơ quan chức năng, hàng năm, nước ta có sản lượng thóc khoảng 40 triệu tấn. Cứ 1 tấn thóc thu hoạch thì có 2 tấn rơm rạ, trấu. Đối với số phụ phẩm này, nông dân thường có tập quán đốt bỏ, hoặc xả thẳng ra kênh rạch, phơi bừa bãi ven đường lộ gây khói bụi, ô nhiễm môi trường,... Khói rơm rạ là nguồn tạo ra các khí CO, CO2, NO2, SO2, H2O, các chất nhựa bay hơi và hàng trăm hợp chất khác có hại cho sức khỏe con người. Rơm rạ thối mục là nguồn sinh khí metan, làm tăng lượng khí thải vào bầu khí quyển, là 1 nguồn ô nhiễm đáng kể gây nên hiệu ứng nhà kính, làm tăng nhiệt độ của trái đất, biến đổi khí hậu toàn cầu. Khi đốt các chất hữu cơ có trong rơm rạ và trong đất, do nhiệt độ cao sẽ biến thành chất vô cơ làm cho đồng ruộng bị khô, chai cứng. Phần tro còn sót lại không giúp ích mấy cho cây trồng.

Cách xử lý rơm rạ như hiện nay là một sự lãng phí nguồn nhiên liệu vô cùng lớn, gây ô nhiêm môi trường. Do vậy việc tận dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả rất được quan tâm bởi các nhà quản lý, nhà khoa học trong và ngoài nước. Và phương pháp đang được quan tâm đặc biệt là sản xuất ethanol từ các phế phẩm nông nghiệp trên.

Ethanol được đánh giá là nguồn cung cấp nhiên liệu tốt cho tương lai vì con người có khả năng sản xuất với sản lượng lớn, không gây ô nhiễm môi trường và có thể thay thế được cho xăng nhiên liệu. Ethanol làm nhiên liệu này hoàn toàn có thể sản suất được từ nguồn cellulose như rơm rạ, trấu, bã mía,…. Theo đánh giá sơ bộ, lượng rơm rạ hằng năm, nếu được chuyển thành ethanol, hoàn toàn có khả năng thay thế toàn bộ nhu cầu xăng dầu cả nước hiện nay.

2.Tình hình sản xuất ethanol từ biomass:

Cho đến nay, trên thế giới việc sản xuất ethanol từ biomass nói chung và từ rơm rạ nói riêng vẫn chưa được thực hiện với quy mô công nghiệp. Lý do lớn nhất của vấn đề này là hiệu quả kinh tế mang lại của việc sản suất nhiên liệu ethanol so với nhiên liệu truyền thống như xăng dầu không cao. Ở các nước có nguồn biomass phụ phẩm nông nghiệp dồi dào như Canada và Mỹ, Nhật những dự án sản xuất ethanol từ rơm rạ với quy mô bán công nghiệp (vài chục tấn một ngày) đang dần được nghiên cứu và triển khai. Các nước bắc Âu như Hà Lan, Thụy Điển cũng đang có các dự án xây dựng nhà máy sản suất và tinh chế ethanol dùng cho động cơ. Trong khi đó đối với những nước đang trên đà phát triển và có nguồn rơm rạ dồi dào như Việt Nam thì việc sản xuất này cũng đang dần được quan tâm. Ở Việt Nam, ethanol cũng được sản suất với sản lượng khoảng 25 triệu lít mỗi năm. Trong đó chủ yếu là làm từ mật rỉ, ngô, gạo và khoai mì, chủ yếu phục vụ cho các ngành công nghiệp thực phẩm và hóa chất. Tuy nhiên, tình hình lương thực đang ngày càng khan hiếm. Với dân số tăng cao và quỹ đất dành cho sản xuất nông nghiệp ngày càng bị thu hẹp thì việc sản xuất cồn từ các nguyên liệu truyền thống trên rất khó được mở rộng để đáp ứng cho nhu cầu nhiên liệu ngày một tăng cao như hiện nay. Ngày nay sự lệ thuộc vào dầu mỏ của con người ngày càng cao dẫn đến tình trạng suy thoái kinh tế khi xảy ra khủng hoảng dầu mỏ. Chính vì thế nên ngày càng nhiều những dự án nghiên cứu và triển khai sử dụng năng lượng địa phương để thay thế dần dầu mỏ. Trong tình hình đó ethanol là một giải pháp được đánh giá

5


cao cho khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai. Tiềm năng lớn và thân thiện với môi trường là 2 ưu điểm lớn của loại nhiên liệu này.

II. Tổng quan về phòng thí nghiệm.

1. Lịch sử hình thành và phát triển.

Hiện nay, công nghệ sản xuất xăng sinh học từ ethanol với nguyên liệu sắn, ngô,

khoai… rất phổ biến, nhưng nhiều quốc gia cảnh báo rằng, điều này sẽ ảnh hưởng đến an ninh

lương thực thế giới. Để tìm nguồn thay thế, nhiều nghiên cứu đang hướng đến việc tận dụng

phụ phẩm trong nông nghiệp như rơm, rạ, vỏ trấu, bã mía… để sản xuất ethanol.

Ở nước ta, dự án “Kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương với công nghiệp chế

biến biomass” do JICA (Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản) tài trợ, có nhiệm vụ xây dựng và

phát triển công nghệ sản xuất bioethanol từ các nguồn biomass là phế thải nông nghiệp như:

rơm, rạ, vỏ trấu, bã mía… bước đầu đã thành công ở quy mô phòng thí nghiệm. Sản phẩm sẽ

được ứng dụng vào mục đích làm nhiên liệu cho động cơ và các thiết bị đốt công nghiệp.

Dự án JICA được thực hiện trong khuôn khổ hợp tác nghiên cứu giữa trường Đại học

Bách Khoa Tp.HCM và Viện Khoa học Công nghiệp thuộc trường Đại học Tokyo. Dự án

hướng đến xây dựng phương pháp luận nhằm kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương

với nền công nghiệp chế biến sinh khối, thiết lập quy trình tinh chế bằng phương pháp sinh

học quy mô nhỏ tại khu vực. Từ đó, xây dựng chu trình tự cung tự cấp các nhiên – vật liệu

sinh học. Trong khuôn khổ dự án, hai mô hình thí điểm về “Tổ hợp thử nghiệm quá trình chế

biến sinh khối” và “Mô hình xưởng thực nghiệm kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa

phương và nền công nghiệp chế biến sinh khối” được thiết lập.

Mục tiêu nghiên cứu của xưởng thực nghiệm là phản hồi lại mục tiêu chung của dự án,

triển khai những kết quả thí nghiệm đạt được ở quy mô phòng thí nghiệm, hiểu được toàn bộ

quy trình và hệ thống, cải tiến và phát triển các trang thiết bị.

6


Hình 1: Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học

Dự án bắt đầu năm 2009 và kết thúc vào năm 2014. Từ năm 2009 tới cuối năm 2010 là

gian đoạn lắp đặt nhà xưởng và cung cấp thiết bị, máy móc. Đầu năm 2010 phòng thí nghiệm

bắt đầu đi vào hoạt động.

Địa điểm xây dựng: Xưởng thực nghiệm với tên gọi là phòng thí nghiệm năng lượng

sinh học, được xây dựng trong khuôn viên trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM. Xưởng nằm

sau lưng tòa nhà C4 và C5, từ cổng 3 trường ĐHBK (đường Tô Hiến Thành) đi thẳng vào

khoảng 100m sẽ thấy xưởng nằm bên phải.

7


Hình 2: Địa điểm xây dựng phòng thí nghiệm.

2. Sơ đồ tổ chức mặt bằng.

Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học gồm có 2 lầu.Lầu 1 và lầu 2 là được sử dụng làm

phòng thí nghiệm và phân tích.Tầng trệt là xưởng thực nghiệm và phòng làm việc, nghỉ ngơi của

nhân viên.

8


Hình 3: Xưởng thực nghiệm.

Các cụm thiết bị chính của xưởng:

1/ Máy nổ hơi rơm (công suất 350 kg/h)

2/ Bồn lên men (thể tích 800 L)

3/ Tháp chưng cất thô (tháp mâm xuyên lỗ, công suất 100 L/mẻ)

4/ Tháp chưng cất tinh chế (tháp đệm, công suất 100 L/mẻ)

5/ Máy lọc ép

6/ Lò hơi (thu nhiệt từ quá trình than hóa trấu)

3. An toàn lao động.

An toàn lao động được xem là yếu tố quan trọng hàng đầu khi làm việc trong bất kỳ môi

trường sản xuất nào, nắm được các nguyên tắc về an toàn lao động sẽ tránh được những tai nạn

đáng tiếc cho bản thân và hạn chế được những hư hỏng gây ra cho thiết bị. Khi làm việc trong

xưởng thực nghiệm cần nắm vững các yêu cầu an toàn:

- Không phận sự miễn vào.

9


- Khi vận hành thiết bị phải nắm rõ các thao tác vận hành và giới hạn an toàn của thiết bị để

tránh xảy ra sự cố cho thiết bị và người vận hành. Đặc biệt, với nồi hơi là thiết bị làm việc ở áp

suất và nhiệt độ cao nên rất nguy hiểm, vì vậy, người vận hành nên có ít nhất 2 năm kinh

nghiệm.

- Sử dụng dụng cụ và thiết bị đúng chức năng để tránh hư hỏng và tăng tuổi thọ của dụng cụ và

thiết bị.

- Tất cả các van trong hệ thống cần được cài đặt và kiểm tra kỹ càng bởi hội đồng trước khi vận

hành.

- Giai đoạn cắt rơm: phải mặc áo bảo hộ, đeo mắt kính, khẩu trang chống bụi rơm, mang găng

tay bảo vệ tay không bị ngứa khi bốc rơm bỏ vào máy cắt, chân mang giày không được mang

dép phòng chống rủi ro có thể xảy ra như bị ngứa dị ứng với bụi rơm. Đọc bảng hướng dẫn an

toàn sử dụng thiết bị cắt trước khi tiến hành làm việc.

Hình 4: Một số hú ý khi sử dụng máy cắt rơm.

Giai đoạn ngâm kiềm, trung hòa acid: phải đeo bao tay

chống thấm, mặc áo bảo hộ, mang tạp dề bằng nhựa dẻo

phía trước người, đeo khẩu trang, đi ủng cao su bảo vệ

chân, đội mũ có tấm kiếng bảo vệ mặt để tránh hóa chất rơi trúng mặt, vào mắt, v.v…

- Giai đoạn chưng cất: cho lượng nguyên liệu vào thiết bị chưng cất sao cho không vượt

mức quy định an toàn của thiết bị.

- Những thiết bị đang vận hành ở nhiệt độ cao được treo biển cảnh báo.

4. Xử lí phế thải.

- Than trấu: là phế thải sinh ra trong quá trình đốt lò bằng trấu nhằm cung cấp nhiệt cho hơi

nước đun nóng thiết bị chưng cất. Sau quá trình đốt lò, than trấu được đem ra sân chứa, công ty

10


môi trường và một số dịch vụ khác (chăm sóc cây kiểng, v.v…) sẽ thu nhận hoặc thu mua về để

làm phân bón.v.v…

- Xử lý khí thải: cần nghiên cứu nồng độ CO2 thải ra môi trường đạt tiêu chuẩn hay không.

- Rơm rạ: trong quá trình lên men, lượng rơm không được lên men hoàn toàn sẽ được đem ra

sân phơi nắng cùng với lượng rơm bị thừa thải trong quá trình cắt, quá trình nổ hơi nhẹ, v.v…và

được công ty môi trường thu nhận dùng làm phân bón cho cây trồng.

- Dung dịch kiềm dùng thủy phân rơm rạ: sau quá trình ép rơm rạ, nước thải sẽ được trung hòa

bằng dung dịch acid, lượng acid được cho vào từ từ đến khi pH của nước thải đạt khoảng

6-7 sẽ thải ra đường cống.

- Dung dịch trung hòa: sau khi ép đợt 1 cho ra nước thải kiềm, rơm rạ sẽ được trung hòa bằng

acid. Sau một khoảng thời gian trung hòa nhất định, rơm rạ được ép đợt 2, nước thải này đã

được đo pH trong quá trình trung hòa rơm bằng acid, vì vậy không cần đo lại pH, thải trực tiếp

ra đường cống.

- Phế phẩm sinh ra trong quá trình chưng cất: thải trực tiếp ra đường cống.

III. Quy trình công nghệ.

1. Dạng năng lượng sử dụng.

Điện: Được dùng để thắp sáng, chạy các động cơ máy cắt, bơm, quạt và các hệ thống điều

khiển tự động.

Gas: dùng để tạo hơi nước cấp nhiệt cho bình phản ứng và tháp chưng cất khi không vận

hành hệ thống khí hóa trấu. Ngoài ra còn dùng để đốt mồi trong quá trình đốt cháy syngas tại

buồng đốt khí syngas (burner).

Syngas: là dạng năng lượng sinh học được sản xuất từ trấu, dùng trong quy trình tạo hơi

nước cung cấp cho thiết bị lên men và tháp chưng cất.

Nước: Lấy từ hệ thống máy bơm, cung cấp cho hầu hết quá trình tại xưởng: làm mát, cung

cấp cho nồi hơi, máy nổ hơi…

Khí nén: Dùng để điều khiển tự động một số chi tiết thiết bị.

2. Sơ đồ khối quy trình.

11

Rơm rạ

Cắt rơm

Nổ hơi

Xử lý bằng NaOH

Trung hòa

Lọc ép

Thủy phân và lên men đồng thời

Chưng cất

Ethanol

Nước

Nước + NaOH

Lọc ép

Nước thải

Bã rắn

Nước + HCl

Bã rắn

Trung hòa và thải bỏ

Enz cellulase

Nấm men

Nhân giống

Than hóa và khí hóa

Trấu

Syngas

Oxy hóa

Nồi hơi

Than trấu


Quy trình chính của phòng thí nghiệm là sản xuất ethanol từ rơm rạ. Để đáp ứng tối đa

mục đích của dự án là tận dụng phế thải nông nghiệp nên hệ thống pilot có ứng dụng đồng

thời quy trình khí hóa trấu tạo syngas để cung cấp năng lượng cho việc sản xuất ethanol.

2.1. Quy trình sản xuất ethanol từ rơm rạ.

12


2.1.1. Nguyên liệu.

Rơm lúa:(giống Trâu Năm Mới) được thu mua từ xã Thái Mỹ (huyện Củ Chi, Tp.HCM)

trong 2 tuần sau khi gặt và phơi dưới nắng. Rơm được đựng trong các túi 25 kg và giữ ở nơi

khô ráo.

Thành phần hóa học của rơm: Thành phần hoá học chính của rơm bao gồm: Hydrat cacbon,

lignin- là những thành phần cấu tạo nên thành tế bào nguyên liệu.

Trong hydrat cacbon gồm 2 thành phần chủ yếu là cellulose và hemicellulose, chúng khác nhau

về trọng lượng phân tử, cấu trúc, tính chất hoá học.

- Cellulose

Là hợp chất cao phân tử, đơn vị mắt xích là D – glucopyrano liên kết với nhau bằng liên

kết β -1,4-glucoxit. Các đơn vị mắt xích chứa ba nhóm hydroxyl, một nhóm rượu bậc

một, hai nhóm rượu bậc hai.

Cấu trúc cellulose theo Haworth

Số monomer có thể đạt từ 2 000 đến 10 000, độ trùng hợp này tương ứng với chiều dài

mạch phân tử từ 5,2- 7,7mm. Sau khi thực hiện quá trình nấu gỗ với tác chất, độ trùng

hợp còn khoảng 600-1500. Cellulose không tan trong nước, trong kiềm hay axit loãng,

nhưng có thể bị phân huỷ và bị oxy hoá bởi dung dịch kiềm đặc ở nhiệt độ >150o C. Ở

nhiệt độ thường nó có thể hoà tan trong một số dung môi như dung dịch phức đồng –

amoniac Cu(NH3)4(OH)4, cuprietylendiamin(CED), cadimietylediamin…Một số axit cũng có

thể hoà tan cellulose như H2SO4 72%, H3PO4 85%...

- Hemicellulose

Cũng là những hydrat cacbon nhưng là loại polysaccarit dị thể. Các đơn vị cơ sở là đường

hexose hoặc đường pentose. Độ bền hoá học và bền nhiệt của hemicellulose thấp hơn so

13


với cellulose, vì chúng có độ kết tinh và độ trùng hợp thấp hơn (độ trùng hợp <90). Đặc

trưng của nó là có thể tan trong dung dịch kiềm loãng. So với cellulose nó dễ bị thuỷ

phân hơn trong môi trường kiềm hay axit.

- Lignin

Lignin là nhựa nhiệt dẻo, mềm đi dưới tác dụng của nhiệt độ và bị hòa tan trong một số tác chất

hóa học. Trong gỗ, bản thân lignin có màu trắng. Lignin có cấu trúc rất phức tạp, là một

polyphenol có mạng không gian mở, đơn vị cơ bản là phenyl propan và trong phân tử luôn chứa

nhóm metoxyl (OCH3). Các đơn vị mắt xích này được liên kết với nhau bằngmột số kiểu liên kết

như: β-O-4 (chiếm chủ yếu 40 – 60 %), α-O-4 (chiếm 5 – 10 %), CO-C, C-C…Lignin có liên kết

chặt chẽ với hydrat cacbon đặc biệt là có liên kết hoá học với hemicellulose. Trong quá trình chế

biến bột giấy, người ta dùng tác động cơ học hoặc hoá học để hoà tan lignin hoặc biến tính lignin

để giải phóng các bó sợi cellulose.

Vi sinh lên men đường thành rượu: chủng S. Cerevisiae là một sản phẩm của hãng Ethanol

RedTM, Pháp.

Saccharomyces có khoảng 40 loài (Van Der Walt, 1970) và các loài trong giống này được

biết nhiều do chúng được ứng dụng trong làm nổi bánh, bia, rượu....Chúng hiện diện nhiều

14


trong sản phẩm có đường, đất, trái cây chín, phấn hoa.... Nấm men cấu tạo gồm vỏ tế bào

thành phần là carbohydrat, lipid, protein dầy khoảng 0,5 µm, màng tế bào chất, tế bào chất và

nhân. S. cerevisiae thường có cấu tạo hình elip, đường kính lớn từ 5-10nm và đường kính nhỏ

từ 1-7nm, tế bào gia tăng kích thước theo độ tuổi. Thể tích tế bào đơn bội là 29 mm 3 và tế bào

lưỡng bội là 55 mm3. Các tế bào của nấm men mang cấu trúc và chức năng của eukaryote bậc

cao, được sử dụng như là một mô hình hữu ích đại diện cho các tế bào eukarylote. Các thành

phần cấu trúc và hóa học của tế bào được được minh họa theo bảng 1 và bảng 2

Bảng 1 : Thành phần các chất có trong cấu trúc của nấm men được lạnh đông khô

Thành phần trong cấu trúc Phần trăm khối lương khô

Độ ẩm

Protein

Carbohydrate

Acid nucleic

Lipid

Chất khoáng

2-5%

42-46%

30-37%

6-8%

4-5%

7-8%

Bảng 2: Các thành phần hóa học trong nấm men đông khô

Thành phần Phần trăm khối lượng khô (%)

Cacbon

Hydro

Oxy

Nitơ

Phospho

Magiê

Kali

48.2

6.5

33.8

6.0

1.0

0.04

2.1

15


Hình 5 : Nấm men Sacchromyces cerevisiae dưới dạng bột khô.

Từ những thành phần trên Rosen đã cho rằng nấm men có sự hình thành cấu trúc của

C4.02H6.5O2.11N0.43P0.03. Các phân tử carbonhydrate là thành phần cấu trúc: thành tế bào và các hợp

chất liên quan đến nguồn dinh dưỡng dự trữ, khả năng kháng stress, như là glycogen và trehalose.

Vách ngăn bao phủ tế bào chất (plasmalemma) chiếm khoảng 15-25% trên tổng khối lượng

tế bào. Thành tế bào nấm men có cấu trúc thay đổi tùy biến phù hợp với các điều kiện ngoại cảnh

và ở các giai đoạn khác nhau của chu kì sống. Tùy theo cấu trúc và điều kiện tăng trưởng và quá

trình trao đổi chất, thành tế bào chứa những enzyme có khả năng tạo điều kiện thuận lợi cho việc

vận chuyển các phân tử vào trong tế bào chất. Khoảng không gian giữa màng trong và màng

ngoài (periplasme) của thành tế bào từ 25-45A.

Các tế bào S. cerevisiae chứa 1 lượng chitin rất nhỏ ( khoảng 1% khối lượng khô) tập trung

nhiều nhất tại các điểm nảy chồi, nơi đóng vai trò quan trọng trong sự phân bào (khi chồi vừa

chớm nở). Trong nấm men. mạng lưới các sợi 1,3-β-glucan chiếm tới 40% khối lượng khô của

vách tế bào, có ảnh hưởng chính đến cơ chế cân bằng của vách tế bào. 1,3-β-glucan được tổng

hợp tại bề mặt của tế bào và chứa những chuỗi hẹp trung bình khoảng 1500 đơn vị glucose. 1,3-

β-glucan có cấu trúc sợi và vô định hình. Sự hình thành này chỉ ra khả năng giữ vững hình dạng

và cấu trúc vững chắc của vách tế bào cũng như tính đàn hồi. Các sợi glucan không tan trong

nước, kiềm và acid acetic trong khi đó phần vô định hình hòa tan trong nước và acid những

không hòa tan trong kiềm. Hai polysacharide khác nhau,1,6-β-glucan và chitin đã được liên kết

với 1,3-β-glucan và có những chức năng khác vượt trội hơn là chỉ ổn định hình dạng và tính bền

vững cho vách tế bào.

Một lượng nhỏ lipid và phophate vô cơ là thành phần trong mạng lưới vách tế bào. Lượng

lipid chứa trong S. cerevisiae chứa khoảng 2-15%. Đối với tế bào khỏe mạnh bề mặt tế bào mang

lưới có điện tích âm, được cho rằng các chuỗi phosphate nằm trên lớp mannoprotein ngoài. Bề

mặt tế bào có cấu trúc kị nước, các liên kết trên lớp màng chủ yếu là lipid, nằm trên lớp vách

ngoài phức tạp.

16


Những tác động của pH thấp, hàm lượng đường cao và khả năng chịu áp suất thẩm thấu của

tế bào là những yếu tố đánh giá cho màng tế bào. Khi nấm men làm quen với môi trường chứa áp

suất thẩm thấu cao thì kết quả mang lại sau quá trình lên men là nồng độ ethanol từ 12-15% khi

đó lại trở thành tác nhân có hại cho nấm men. Ngoài ra sự thiếu hụt các chất dinh dưỡng cũng gây

ra những biến động đáng kể cho sự sinh trưởng của nấm men. Do đó phải cân nhắc trong các

phương pháp và kỹ thuật lên men.

Quá trình sinh sản của nấm men thường thông qua sinh sản vô tính, phân chia tế bào bất đối

xứng (nảy chồi) tế bào con được hình thành giống hệt tế bào mẹ. Dưới điều kiện thích hợp tế bào

con sẽ phát triển khỏe mạnh như tế bào mẹ. Quá trình này kéo dài đến khi các tế bào bị lão hóa

và chất dinh dưỡng bị cạn kiệt, sau đó tế bào chết. Chu trình sinh trưởng của nấm men được

nghiên cứu đóng một vai trò quan trọng trong công nghiệp cũng như là đại diện cho tế bào

eukaryote. Trên thực tế nấm men có một hệ gen nhỏ tuân theo những kĩ thuật di truyền và chu kì

tế bào được xảy ra nhanh chóng cho thấy khả năng ứng dụng trong phòng thí nghiệm.

Hình 6: Chu kỳ sinh sản của tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae

Enzyme: Enzyme đường hóa cellulose (cellulase) được đặt mua từ công ty Meiji Seika (Nhật).

17


Enzyme là những chất xúc tác sinh học có bản chất protein và rất không ổn định, hoạt động

ở vùng pH trung tính hoặc gần như trung tính (72), kim loại nặng và nhiệt độ cũng ảnh hưởng

lớn đến enzyme.

Enzyme là những chất xúc tác sinh học, có nhiều trong cơ thể sống. Việc điều chế chúng

bằng phương pháp hóa học với số lượng lớn là việc làm rất khó khăn và đầy tốn kém nếu không

muốn nói là điều không tưởng, nên người ta thường thu nhận chúng từ các nguồn sinh học. Mặc

dù enzyme có trong tất cả các cơ quan, mô của động vật thực vật cũng như trong tế bào vi sinh

vật, song việc tách enzyme đáp ứng yêu cầu về mặt kinh tế chỉ có thể tiến hành khi nguyên liệu

có chứa một lượng lớn enzyme cũng như cho phép thu được enzyme với hiệu suất cao và dễ dàng

tinh chế chúng. Việc phân bố của enzyme trong tế bào cũng không đồng đều, trong một loại tế

bào cũng có thể có nhiều enzyme này song không có enzyme khác. Lượng enzyme lại thay đổi

tùy theo giai đoạn sinh trưởng phát triển của sinh vật và tùy theo loài nên chúng ta phải chọn

nguồn nguyên liệu thích hợp cho việc chiết rút và tinh chế enzyme. Có ba nguồn nguyên liệu sinh

học cơ bản: các mô và cơ quan động vật, mô và cơ quan thực vật, tế bào vi sinh vật.

Hóa chất: NaOH (pellet, 99.9 %), acid HCl (37 wt. %), H2SO4 đậm đặc (72 wt. %), cồn

tuyệt đối (99+ %), L-lactic acid (99%), khí helium (99.999 %) là những sản phẩm được mua

từ Công ty Hóa chất Công nghiệp Việt Nam. Nước cất khử ion được mua từ khu Công nghệ

cao (Thủ Đức).

2.1.2. Thuyết minh quy trình.

Tóm gọn thì quy trình sản xuất ethanol từ rơm rạ gồ 3 bước: tiền xử lí, thủy phân và lên

men, cuối cùng là chưng cất.

Tiền xử lí bao gồm nhiều công việc : xử lí cơ học gồm cắt và nổ hơi, xử lí hóa học. Tiền xử

lí bao gồm rất nhiều công đoạn khác nhau vậy vì sao lại phải tiền xử lí và liệu có thể bỏ qua

công đoạn này hay không?

Để chuyển hóa các carbohydrate (cellulose và hemicellulose) trong lignocellulose thành ethanol,

các polymer phải bị bẻ gãy thành những phân tử đường nhỏ hơn trước khi vi sinh vật có thể hoàn

tất quá trình chuyển hóa. Tuy nhiên, bản chất của cellulose lại là rất bền vững trước sự tấn công

của enzyme, nên bước tiền xử lý là bắt buộc để quá trình đường hóa glucose có thể diễn ra tốt.

18


Cellulose ban đầu có thể bị phá hủy bởi acid mà không cần được tiền xử lý. Tuy nhiên, ngày nay

người ta thường dùng enzyme để thủy phân lignocelllulose.

Những yếu tố về cấu trúc và thành phần ảnh hưởng đến khả năng chống lại sự tấn công

của enzyme của lignocellulose gồm có :

- Sự bao bọc của lignin quanh cellulose: lignin cùng với hemicellulose tạo thành cấu

trúc mô vững chắc cực kì. Những mô được bền hóa với lignin tương tự như nhựa

được gia cố bằng sợi, trong đó lignin đóng vai trò kết dính những sợi cellulose. Trong

thiên nhiên, lignin bảo vệ cellulose khỏi những tác động của môi trường và khí hậu.

Lignin là yếu tố ngăn cản sự tấn công của enzyme đến cellulose được công nhận nhiều

nhất. Tuy nhiên quá trình loại bỏ lignin thường kèm theo sự phân hủy hemicellulose.

Ngay cả trong phương pháp tiền xử lý nguyên liệu bằng kiềm ở nhiệt độ thấp, loại bỏ

được 70% lignin thì cũng có 5% hemicellulose bị hòa tan.

- Bề mặt tiếp xúc tự do của cellulose: liên quan đến bề mặt tiếp xúc của cellulose với

enzyme, và thể tích xốp. Tuy nhiên, bề mặt tiếp xúc tự do này có liên quan đến độ kết

tinh và sự bảo vệ của lignin.

- Sự hiện diện của hemicellulose: cũng như lignin, hemicellulose tạo thành lớp bảo vệ

xung quanh cellulose.

- Mức độ acetyl hóa của hemicelluloses: Đây là yếu tố ít được quan tâm, xylan, loại

hemicellulose chính trong gỗ cứng và cây thân cỏ bị acetyl hóa với tỉ lệ rất cao. Ảnh

hưởng này tồn tại đến khoảng 75% hemicellulose bị deacetyl hóa.

Nói tóm lại, quá trình tiền xử lý nhằm :

- Tăng vùng vô định hình của cellulose

- Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass

- Phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose.

2.1.2.1.Cắt rơm: Rơm ban đầu được cắt 2 lần qua máy cắt thô và máy cắt mịn để ra rơm sản

phẩm có chiều dài từ 2-3 cm làm tăng bề mặt tiếp xúc và thuận lợi cho quá trình nổ hơi.

2.1.2.2. Nổ hơi.

19


Cơ chế

Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước là một quá trình tác động cơ học, hóa học và nhiệt độ

lên hỗn hợp nguyên liệu. Nguyên liệu bị phá vỡ cấu trúc dưới tác dụng của nhiệt, hơi và áp

lực do sự giãn nở của hơi ẩm và các phản ứng thủy phân các liên kết glycosidic trong nguyên

liệu. Quá trình nổ hơi nước gồm các giai đoạn sau: Làm ẩm nguyên liệu, giảm áp đột ngột

Hình 7: Cơ chế của quá trình nổ hơi.

Các yếu tố ảnh hưởng

Quá trình nổ bằng áp lực hơi nước chịu ảnh hưởng lớn bởi 2 yếu tố: nhiệt độ và thời gian.

Thời gian lưu: thời gian lưu ảnh hưởng đến sự thủy phân của hemicellulose. Thời gian lưu

của nguyên liệu trong thiết bị phản ứng càng dài thì hemicellulose được thủy phân càng nhiều.

Nhưng nếu giữ nguyên liệu ở trong thiết bị quá lâu sẽ dẫn đến sự phân hủy các sản phẩm thủy

phân tạo ra các sản phẩm không cần thiết. Việc thủy phân hemicellulose giúp cho quá trình thủy

phân cellulose diễn ra thuận lợi hơn.

Nhiệt độ: nhiệt độ có mối quan hệ chặt chẽ với áp suất trong thiết bị. Nhiệt độ càng cao thì áp

suất càng cao và ngược lại. Sự gia tăng áp suất làm tăng sự chênh lệch giữa áp suất trong thiết bị

và áp suất khí quyển. Từ đó ảnh hưởng đến lực cắt của ẩm khí hóa hơi.

20


Hình 8: Cấu trúc của rơm sau khi qua quá trình nổ hơi.

Hình 9: Rơm sau khi qua thiết bị nổ hơi nước.

Ưu nhược điểm của quá trình nổ hơi nước:

Tóm tắt lại, theo quá trình nổ hơi nước có mấy tác động sau lên cấu trúc nguyên liệu

lignocellulose:

(1) Tăng sự kết tinh của cellulose bằng cách thúc đẩy sự kết tinh của vùng vô định hình.

(2) Hemicellulose bị thủy phân trong quá trình nổ hơi.

(3) Sự nổ hơi thúc đẩy việc khử lignin.

Cùng với việc gia tăng kích thước lỗ xốp, tác động (2) và (3) là 3 ưu điểm của quá trình nổ hơi.

Tuy nhiên, tác động (1) lại gây ra khó khăn cho quá trình thủy phân. Ngoài ra những nhược

điểm chính của quá trình nổ hơi là:

21


-Tốn chi phí, năng lượng vận hành.

-Đòi hỏi thiết bị chịu được nhiệt độ, áp suất rất cao.

-Có thể làm phân hủy cellulose.

-Mất đi đường từ hemicellulose.

-Làm sinh ra fufural và 5-hydroxymethyl fufural gây ức chế quá trình lên men.

2.1.2.3. Xử lý bằng NaOH: rơm sau khi được cắt và nổ hơi sẽ được ngâm trong dung dịch

NaOH 0.1N trong vòng 24 giờ. Mục đích quá trình này để NaOH thủy phân lignin bao bọc

cenluloso, giúp cho việc tiếp cận cenluloso của em zim thuận lợi hơn.

Hình 10: Rơm ngâm trong dung dịch NaOH

2.1.2.4. Lọc ép: Rơm sau khi ngâm qua đêm bằng dung dịch kiềm sẽ được mang đi lọc ép

bằng máy ép pittong, nhằm loại bỏ dịch chứa lignin.

2.1.2.5. Trung hòa: Rơm sau khi lọc ép sẽ được chỉnh pH tới 5-6 bằng acid HCl.

22


2.1.2.6. Lọc ép: Cuối cùng rơm được lọc ép lần cuối loại bỏ dung dịch acid, bã rắn sẽ được

bảo quản trong tủ lanh (khi chưa dùng tới) để tránh sự phát triển của nấm mốc.

Hình 11: Rơm sau khi lọc ép (kết thúc tiền xử lí).

2.1.2.7. Thủy phân và lên men đồng thời: Rơm qua giai đoạn tiền xử lí sẽ được cho vào thiết bị

phản ứng SSF (bình phản ứng khuấy liên tục, có bọc vỏ áo). Thời gian thủy phân và lên men

khoảng 5 ngày, cấp nhiệt bằng hơi nước để duy trì nhiệt độ bình phản ứng ở 350C đến 400C. Lưu

ý khi nhập liệu không nên nhập một lần mà nên chia ra.

Trong bình phản ứng xảy ra đồng thời 2 quá trình thủy phân và lên men.

a/ Thủy phân.

Quá trình này sử dụng enzyme cellulose thủy phân cellulose thành đường:

-Enzyme endo_cellulose tấn công ngẫu nhiên vào mạch cellulose nhờ tạo liên kết tương tác

giữa CBD với cellulose tạo thành oligosaccharide

-Enzyme exo-cellulose tấn công vào cellulose và cả oligomer từ đầu đường khử và không

khử thông qua tương tác của CBD với cellulose thành của cellobiose và glucose.

-Β-glucosidase tấn công cellobiose và oligosaccharide tan tạo glucose.

23


b/ Lên men.

Sự tạo thành rượu từ glucose phải trải qua nhiều giai đoạn, sơ đồ hình thành rượu từ glucose

được biễu diễn như sau :

24


Sau đó, pyruvate sẽ chuyển thành ethanol theo các phương trình sau :

Ưu điểm của lên men thủy phân đồng thời: Glucose tạo thành trong quá trình thủy phân được

tiêu thụ ngay lập tức bởi nấm men vì vậy, lượng cellobiose và glucose tích tụ trong hệ thống là

rất ít. Điều này sẽ giải quyết vấn đề ức chế enzyme nhờ đó tốc độ tạo glucose sẽ được tăng đáng

kể, lượng enzyme cần dùng cũng nhỏ đi. Số thiết bị cần cho quá trình thủy phân và lên men

đồng thời cũng ít hơn số cần cho phương pháp truyền thống vì cả quá trình thủy phân và lên men

được tiến hành trong cùng một thiết bị. Điều này giúp giảm vốn đầu tư. Việc ethanol tạo thành

trong suốt quá trình sẽ làm giảm khả năng phát triển của vi sinh vật cũng như tạp chất, rất có lợi

cho các quy trình liên tục.

2.1.2.8. Chưng cất.

Sản phẩm sau khi lên men được đưa qua lưu trữ ở bồn chứa và được đem đi chưng cất để thu

được ethanol tinh khiết. Việc chưng cất được thông qua 2 tháp chưng cất: chưng cất thô (50 –

60%v/v) và chưng cất tinh (97% v/v).

Tháp chưng thô gồm có 8 bậc chưng cất, mỗi bậc chưng cất sẽ có một mâm chóp nằm dưới và

mâm xuyên lỗ nằm trên, nhờ đó hiệu quả chưng cất tốt hơn. Tháp chưng thô có nhiệm vụ chính là

tách hệ lỏng – rắn, thu hồi triệt để lượng ethanol bị hấp thu vào pha rắn. Nồng độ ethanol thu

được sau quá trình chưng thô khoảng 50 – 65 % (v/v).

Tháp chưng cất tinh là tháp đệm. Nhiệm vụ chính của tháp này là làm tăng nồng độ ethanol

thu hồi. Nồng độ ethanol thu được sau quá trình chưng cất tinh là 97%. Nếu khối lượng rơm khô

nạp liệu vào bồn lên men 100kg thì sau quá trình chưng thô sẽ thu được trung bình khoảng 30kg

ethanol 65%, và qua quá trình chưng cất tinh sẽ thu được khoảng gần 20kg ethanol 97%.

25


2.2.Khí hóa trấu để chạy hồi hơi.

2.2.1. Nguyên liệu: Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay

xát. Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và

khoảng 25% còn lại chuyển thành tro. Chất hữu cơ chủ yếu cellulose, lignin và Hemi-cellulose

(90%), ngoài ra có thêm thành phần khác như hợp chất Nito và vô cơ. Lignin chiếm khoảng 25 –

30% và cellulose chiếm khoảng 35 – 40%.

Các chất hữu cơ của trấu là các mạch polycarbohydrat rất dài nên hầu hết các loài sinh vật

không thể sử dụng trực tiếp được, nhưng các thành phần này lại rất dễ cháy nên có thể dùng làm

chất đốt. Sau khi đốt, tro trấu có chứa trên 80% là silic oxyt.

Khi đốt vỏ trấu tạo ra nhiệt lượng khoảng 15 MJ/kg

2.2.2. Khái niệm: Khí hóa là một quá trình chuyển đổi nhiên liệu có nguồn gốc cacbon hữu cơ

hoặc nhiên liệu hóa thạch thành hỗn hợp khí CO, H2, CO2 và CH4 từ phản ứng của vật liệu ở

nhiệt độ cao (>7000C) mà không đốt với lượng oxy hoặc hơi nước được kiểm soát. Hỗn hợp khí

được gọi là khí tổng hợp (syngas), là một loại nhiên liệu. Năng lượng từ quá trình khí hóa sinh

khối và đốt khí tổng hợp được coi là môt nguồn năng lượng tái tạo. Các quá trình khí hóa của

vật liệu nhiên liệu hóa thạch không được coi là năng lượng tái tạo.

2.2.3. Quy trình:

2.2.3.1. Than hóa và khí hóa: trấu được nhập vào buồng khí hóa, tại đây xảy ra các giai

đoạn:

- Giai đoạn sấy: xảy ra ở nhiệt độ 1000C, hơi nước thoát ra, vật liệu bị khô dần. Thông thường,

hơi nước được trộn vào dòng chảy khí và có thể tham gia phản ứng hóa học tiếp theo, đặc biệt

là các phản ứng nước – khí nếu nhiệt độ đủ cao.

- Giai đoạn nhiệt phân: xảy ra ở nhiệt độ khoảng 200 – 3000C, vật liệu bị phân hủy theo những

quá trình tỏa nhiệt. Các sản phẩm hữu cơ thoát ra, than được tạo thành, làm cho khối lượng vật

liệu giảm còn khoảng 70% so với ban đầu. Giai đoạn này phụ thuộc vào thành phần và tính chất

26


của nguyên liệu ban đầu, thành phần của than được tạo thành mà sau đó sẽ xảy ra các phản ứng

khí hóa.

- Giai đoạn cháy: ở giai đoạn này các sản phẩm dễ bay hơi và phần lớn than phản ứng với oxy

để tạo thành CO2 và một lượng nhỏ CO, cung cấp nhiệt cho phản ứng khí hóa tiếp theo. Phản

ứng chủ yếu trong giai đoạn này:

C + O2 = CO2

Hydro trong nhiên liệu phản ứng với oxy trong không khí, tao ra hơi nước:

H2 + ½ O2 = H2O

- Giai đoạn khí hóa: xảy ra các phản ứng giữa cacbon với hơi nước để sản xuất khí CO và H2,

thông qua phản ứng:

C + H2O = CO + H2

C + ½ O2 = CO

- Đồng thời, xảy ra các phản ứng khác:

CO2 + C = 2CO

CO2 + H2 = CO + H2O

C + 2H2 = CH4

Hỗn hợp khí lúc này gọi là syngas có thành phần

Khí quá trình Thành phần (%) Khí quá trình Thành phần (%)

H2 25 – 30 H2S 0,2 – 1

CO 30 – 60 COS 0 – 0,1

CO2 5 – 15 N2 0,5 – 4

H2O 2 – 30 Ar 0,2 – 1

CH4 0 – 5 NH3 + HCN 0– 0,3

2.2.3.2. Đốt khí syngas: khí từ buồng khí hóa được dẫn vào buồng đốt. Khí syngas được oxy

hóa hoàn toàn tạo ra khói lò.

27


2.2.3.3. Nồi hơi: sử dụng nhiệt của khói lò để đun sôi tạo hơi nước nhằm cấp nhiệt cho thiết

bị phản ứng và các tháp chưng cất.

Ưu điểm của khí hóa so với đốt trấu trực tiếp: ít tạo tro, hiệu quả hơn vì khí syngas có thể cháy

ở nhiệt độ cao hơn, loại bỏ các yếu tố ăn mòn…

IV. Thiết bị.

Là dự án liên kết giữa Nhật Bản và Việt Nam nên hầu hết trang thiết bị máy móc do Nhật Bản

cung cấp.

1. Máy cắt thô.

Hình 12: Máy

cắt rơm thô.

Công dụng: cắt rơm thành những đoạn ngắn hơn khoảng 7-8 cm.

Nguyên lí làm viêc: Rơm được nhập liệu bằng tay, nhờ 2 chuyển động của 2 trục ép sẽ được

vận chuyển tới lưỡi cắt được cắt và đẩy ra ngoài.

28


Hình 13: Vị trí nhập liệu (rơm).

Ưu điểm: làm viêc tương đối nhanh

Nhược điểm: quá trình làm việc bụi nhiều.

2. Máy cắt mịn.

Hình 14: Máy cắt mịn (gồm thiết bị cắt và bộ phận nâng đỡ).

29


Công dụng: cắt ngắn rơm đã qua máy cắt thô thành những đoạn dài khoảng 2-3 cm.

Có cấu tạo khá đơn giản: gồm cửa nhập liệu, bên dưới cửa là hệ thống bánh răng cắt. Hệ thồng

bánh răng được gắn với trục nối với mô tơ quay.

Nguyên lí làm việc: Rơm sau cắt thô được đưa và cửa nhập liệu, đưa từ từ, từng ít một để tránh

bị kẹt. Hai lưỡi cắt bánh răng quay, vừa tạo lực cắt ngắn rơm vừa vận chuyển rơm về cửa tháo

liệu. Rơm qua máy cắt mịn khoảng 2 lần sẽ đạt được chiều dài mong muốn.

Ưu điểm: Làm việc gọn nhẹ, dễ dàng, ít tốn nhân công. Ngoài ra máy cắt mịn còn có cơ chế

quay bánh răng cắt theo chiều ngược lại khi bị kẹt nguyên liệu.

Nhược điểm: bụi nhiều.

3. Máy ép.

Là thiết bị lọc ép khung bản.

Công dụng: Dùng để tách ép dung dịch ra khỏi phần bã rơm, có thể là dung dịch NaOH hòa tan

hemi cenlulose hay dung dịch HCl sau khi trung hòa.

Nguyên lí làm việc: Máy ép khung bản là một máy công cụ sử dụng nguồn lực là động cơ 3 pha.

Khi moto trong động cơ hoạt động quay sẽ truyền lực cho hệ thống xi-lanh đẩy khung ép xuống.

Sau đó máy sẽ ép tách NaOH ra khỏi rơm qua một bản có lỗ lọc, chất lỏng được thải ra ngoài qua

một đường ống có van đóng – mở.

Ưu điểm:

- Máy ép làm việc êm, ko ồn. Cho áp lực cực đại theo lực danh nghĩa và có thể duy trì áp lực đó

trong suốt quá trình công nghệ.

- Có kết cấu đơn giản, sử dụng các bộ phận được tiêu chuẩn hóa cao, vì vậy giá thành sản phẩm

hạ.

- Không bị lực ép hạn chế, có thể điều chỉnh cho phù hợp yêu cầu.

- Máy ép có cơ cấu an toàn, chính vì vậy lực ép không bao giờ vượt quá giới hạn cho phép.

- Máy ép được lắp nhiều dạng điều khiển khác nhau, đảm bảo tính chính xác.

- Kết cấu máy có thể theo kiểu đứng, kiểu nằm, đông thời kết cấu gọn nhẹ hơn so với kết cấu

các máy cơ khí.

30


Nhược điểm:

- Dễ bị ăn mòn hóa học và do các tác động của môi trường

- Dễ gây ô nhiễm môi trường

- Khi đường kính lỗ lọc lớn, chất lượng sản phẩm lọc bị giảm.

Hình 15: Máy ép lọc khung bản

31


4. Thiết bị nổ hơi.

Quá trình nổ hơi nước là một quá trình cơ – hóa – nhiệt. Đó là phá vỡ cấu trúc các hợp phần với

sự giúp đỡ của nhiệt ở dạng hơi (nhiệt), lực cắt do sự giãn nở của ẩm (cơ), và thủy phân các liên

kết glycosidic (hóa).

Sự mô tả quá trình làm nổi bật tầm quan trọng của việc tối ưu hai yếu tố: thời gian lưu và nhiệt

độ. Nhiệt độ có liên quan đến áp suất hơi trong thiết bị phản ứng. Nhiệt độ càng cao thì áp suất

càng cao, do đó càng làm gia tăng sự khác nhau giữa áp suất trong thiết bị phản ứng so với áp

suất khí quyển. Sự chênh lệch về áp suất tỷ lệ với lực cắt của ẩm hóa hơi.Thời gian càng dài

càng thúc đẩy sự phân hủy cellulose và tạo thành các chất gây ức chế cho việc lên men

Hình 16:Hệ thống thiết bị nổ hơi

Cấu tạo:

Input container: thùng nhập liệu rơm

Detector of material : đầu dò mức nhập liệu

Weight feeder : trục vit nhập liệu

Detector of blocking: đầu dò phân phối nguyên liệu, kiểm tra mức độ đồng đều

32


Main screw: trục vit chính, cấp rơm rạ cho quá trình nổ hơi

Detector of water pressure: đầu dò áp suất hơi nước

Water service control valve: thiết bị điều khiển áp suất hơi nước

Water supply: cung cấp nước

Inclination CV: trục vit tháo liệu

Sequencer: bảng điều khiển

Vật liệu chế tạo: thép CT3

Cơ chế hoạt động :

Rơm rạ sau khi cắt nhỏ được đưa đến thiết bị puffing. Rơm được cho vào thùng nạp liệu, được

vận chuyển bằng vít tải đến bộ phận puffing. Bộ phận puffing có cấu tạo là một trục vít với

đường kính cánh vít giảm dần, nhờ vậy rơm sẽ được nén và chà xát với nhau và với thiết bị, khi

đó những sợi rơm sẽ bị xé bung ra và có cấu trúc xốp hơn. Trong bộ phận này, nước được cho

vào phối trộn với rơm rạ nhằm mục đích tránh cho rơm rạ bị cháy trong quá trình nén ép và chà

xát. Mặc khác, do lực nén của trục vít làm áp suất tăng nhẹ và sự chà xát với thiết bị làm nhiệt

độ rơm trong bộ phận này lên đến khoảng 150oC, nước lúc này ở trạng thái hơi. Khi rơm được

đẩy ra ngoài, áp suất giảm đột ngột, hơi nước có năng lượng cao nhanh chóng thoát ra khỏi khối

rơm gây phá vỡ cấu trúc, phân hủy một phần hemicellulose và lignin, do đó cũng tạo ra những lỗ

xốp bên trong cấu trúc rơm rạ. Qúa trình này thực hiện bởi thiết bị thay đổi áp suất tạo hơi

nước.Áp suất thay đổi tạo ra quá trình nổ hơi,biến thiên trong khoảng 40-50 atm .Rơm sau khi

qua bộ phận puffing sẽ được vận chuyển lên trên bằng một vít tải và rơi vào thùng chứa đặt bên

dưới.

Nhìn chung, qua thiết bị puffing, cấu trúc rơm trở nên xốp hơn nhờ 2 tác động: sự chà xát

và nổ hơi nhẹ. Cuối quá trình puffing, rơm trở nên mềm và tăng khả năng thấm nước. Tốc độ

puffing là 200 – 450 kg rơm/h, 15 – 17% nước.Độ ẩm rơm sau khi puffing là 37 % (w/w).

Mục đích của quá trình nổ hơi là tạo ra những lỗ xốp bên trong cấu trúc rơm rạ để quá trình

thủy phân sau này diễn ra thuận lợi hơn.

33


Năng suất, hiệu suất phụ thuộc vào quá trình tiến hành thí nghiệm

Nhập liệu: Detector of material

Tháo liệu: Inclination CV

Công dụng của máy: phá vỡ cấu trúc, phân hủy một phần hemicellulose và lignin, do đó cũng

tạo ra những lỗ xốp bên trong cấu trúc rơm rạ, tăng độ xốp của rơm,phá vỡ cấu trúc lignin trong

bó mạch cellulose.

Nơi sản xuất: Nhật Bản

Ưu điểm của thiết bị: Hệ thống trục vit nhập liệu giúp vận chuyển rơm dễ dàng đồng bộ vào bộ

phận nổ hơi. Áp suất hơi nước được điều khiển tự động tạo áp suất thích hợp kích thích quá trình

nổ hơi tạo sản phẩm tơi xốp

Nhược điểm: Thiết bị to, cồng kềnh, tạo nhiều bụi, tiêu tốn nhiều năng lượng do sử dụng nhiều

mô tơ cho quá trình tải nhập liệu và tháo liệu, đòi hỏi nhiều kinh nghiệm vận hành trong quá

trình điều khiển.

5. Thiết bị thủy phân và lên men đồng thời.Cấu tạo: là thiết bị hình trụ, vỏ áo được làm từ inox SUS304. Thân đặt trên 3 chân đỡ cao

khoảng 1.2m, bên trong thiết bị có 1 tấm chắn và 1 cánh khuấy mái chèo 2 tầng gắn với động cơ

quay cánh khuấy đặt trên nắp thiết bị. Thân hình trụ đứng đường kính d=900mm, chiều cao

h=1388.8mm, dung tích 800L. Nắp thiết bị có 1 cửa nhập liệu và 1 kính quan sát, thân có gắn 1

kính quan sát và cửa tháo sản phẩm ở đáy thết bị. Vỏ áo có đường kính d=1010mm. cánh khuấy

có đường kính d=450mm. Động cơ điện quay cánh khuấy có công suất 2.2KW, tốc độ quay 150

vòng/phút

34


Hình

17: Bình thủy phân và lên men đồng thời.

Nguyên lý hoạt động: thiết bị hoạt động gián đoạn, nhập liệu nhiều lần. Nguyên liệu sau khi được

xử lý sơ bộ được nhập và thiết bị bằng thủ công. Cấp nhiệt bằng hơi nước vào vỏ áo 2 giai đoạn:

35


giai đoạn đầu để tiệt trùng, giai đoạn sau duy trì nhiệt độ bình thích hợp cho phản ứng. Sau

khoảng thời gian thủy phân và lên men cần thiết, sản phẩm được bơm trực tiếp vào bể chứa.

6. Bình chứa.

Công dụng: tồn trữ sản phẩm sau khi lên men (dung dịch hỗn hợp enthanol khoảng 5% và rã

rơm còn lại) trong điều kiện hiếm khí. Vì dung tích làm việc của tháp chưng cất thô nhỏ hơn

nhiều so với bình lên men vì vậy phải có thiết bị chứa tạm thời để đảm bảo chất lượng của sàm

phẩm sau lên men.

Cấu tạo: Bình chứa cấu tạo gồm một hình trụ rỗng, được đặt trên các chân đỡ, và đường ống

nối với bình phản ứng. Thể tích bình chứa 480l. Đường kính 900mm, chiều cao bình (không tính

phần đế) là 950mm, cả đế 1960mm. Bình chứa được làm bằng thép SUS304, với với 3 chân đỡ,

cách mặt đất tầm 1.2m, gồm 1 vị trí nhập và tháo liệu. Nhập liệu hoàn toàn tự động: khi sản

phẩm lên men đạt yêu cầu , toàn bộ sản phẩm sẽ được bơm chuyển qua bình chứa và dự trữ.

7. Tháp chưng cất.

7.1.Tháp chưng cất thô.là loại tháp chưng cất gián đoạn, dùng để cất sản phẩm lên men (hỗn hơp ethanol 5% và cặn

rơm) thành ethanol với nồng độ dao động từ 30 – 60 độ.

Chủng loại, nơi sản xuất: là loại tháp mâm xuyên lỗ. Sản xuất tại Tokyo, Nhật Bản.

- Cấu tạo: thiết bị hoạt động gián đoạn gồm phần đế và tháp chưng cất.

+Phần đế: dùng để nâng đỡ toàn bộ thiết bị, thuận tiện trong việc vận hành, vệ sinh, bảo dưỡng.

+Phần tháp chưng: gồm nồi đun đáy tháp, các mâm xuyên lỗ, và thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp.

Toàn bộ thân thiết bị được bọc lớp cách nhiệt.

Phần nồi đun đáy tháp:Cấp nhiệt bằng hơi nước qua ống ruột gà. Có 1 lỗ nhập liệu ở phía trên

nồi đun (có đường kính 72.3mm), bên hông nồi đun là 2 cửa đối diện nhau (cửa lớn có đường

kính 267.4mm, cửa nhỏ có đường kính 150mm) để ta quan sát mực chất lỏng trong nồi và vệ

sinh nồi. Phía dưới đáy nồi có ống tháo sản phẩm đáy (đường kính 72.3mm). Ngoài ra còn có

đồng hồ áp đo áp suất trong nồi, và đầu đo nhiệt độ của dung dịch.

36


Phần các mâm xuyên lỗ: tháp gồm 8 mâm. Mỗi mâm đều có lỗ gắn kính để ta quan sát bên

trong. Mâm có 17 lổ, đường kính mỗi lỗ 25.4mm được bố trí theo kiểu tam giác đều. Ống chảy

tràn có đường kính là 38.1mm.Chiều cao mỗi mâm là 250mm.

Thiết bị ngưng tự đỉnh tháp: hình ống trụ, có chiều dài 0.67m, truyền nhiệt ống lồng ống ngược

chiều, nước lạnh chảy bên ngoài ống từ dưới lên, hơi từ tháp chưng đi từ trên xuống. Ngoài ra

còn bố trí thêm thiết bị ngưng tụ phụ.

Hình 18: Tháp chưng cất tinh và

thô.

37


- Nguyên lý hoạt động: Nhập liệu gián đoạn vào nồi đun đáy tháp. Được cấp nhiệt bằng hơi

nước dung dịch sẽ sôi. Các chất rắn và nước có nhiệt độ sôi cao sẽ thu ở đáy. Ethanol có nhiệt

độ sôi thấp hơn sẽ dần bay hơi lên đỉnh tháp qua thiết bị ngưng tụ. Một phần sẽ được hoàn lưu

về tháp ngưng tụ, phần còn lại là sản phẩm ta thu được. Khi nhiệt độ dung dịch đạt 98 0C thì ta

dừng quá trình.

- Các thông số kỹ thuật:

+Vật liệu chế tạo: SUS304

+Năng suất mỗi mẻ: 80kg

+Thời gian mỗi mẽ: tùy thuộc vào lượng hơi nước cấp cho nồi đun.

+Chiều cao từ đỉnh tháp đến đáy là 3800mm.

+Nồi đun: chiều cao 673.8mm, đường kính 550mm

+Tháp có đường kính 267.4mm

+Áp suất làm việc và áp suất hơi nước: áp suất khí quyển.

- Ưu điểm: dễ vận hành, thiết bị đơn giản hơn liên tục, quy mô phù hợp với phòng thí nghiệm.

- Nhược điểm: năng suất không cao, chất lượng sản phẩm không ổn định.

7.2. Tháp chưng cất tinh.Làm tăng nồng độ ethanol thu hồi (nồng độ ethanol thu được sau quá trình khoảng 97 độ).

Cấu tạo: hoạt động gián đoạn. Các bộ phận chính như tháp chưng cất thô: phần đế và tháp chưng

cất. Tháp được bọc lớp cách nhiệt.

- Nồi đun đáy tháp: có cấu tạo và kích thước như nồi đun đáy tháp của thiết bị chưng cất

thô.

- Tháp chưng cất: tháp đệm gồm 4 bậc.

- Thiết bị ngưng tụ: kiểu chùm ống ngược chiều, hơi từ đỉnh tháp ngưng tụ bên trong ống từ

trên xuống, nước lạnh chảy bên ngoài ống từ dưới lên. Chiều dài ống truyền nhiệt là 1.3m.

Các thông số:

- Năng suất mỗi mẻ: 80kg.

- Chiều cao tháp từ đế tới đỉnh 5.8m

- Nồi đun: chiều cao 873.8mm, đường kính 550mm

38


- Tháp đệm có đường kính 165.2mm, chiều cao mỗi bậc là 1040mm.

- Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, cấp nhiệt bằng hơi nước có áp suất khoảng 5at

8.Thiết bị khí hóa.

Thiết bị khí hoá được sử dụng để khảo sát quá trình khí hoá là thiết bị khí hoá tầng cố định

ngược chiều, hình trụ. Vật liệu cách nhiệt là gạch samot. Buồng đốt đuợc làm bằng thép 304.

Không khí đi vào buồng đốt từ đáy thông qua các ống có quạt thổi.Việc đánh lửa được thực

hiện thủ công bằng dầu và giấy.Vỏ trấu được tẩm dầu và dùng giấy đốt thông qua cửa buồng

đốt ở phía trên.Than trấu sẽ được vận chuyển ra ngoài bằng trục vít.

Nhiệt độ khí syngas đi ra khỏi thiết bị khí hóa lúc này khoảng 79 – 840C, nhiệt than trấu là 550

– 6500C.

Năng suất nhập trấu: 55 – 65 kg/h

Lượng than sinh ra: 15 – 25kg/h

9.Buồng đốt khí syngas (burner).

Buồng đốt khí syngas được sử dụng để đốt khí sygnas từ quá trình khí hoá sinh nhiệt để cấp cho

nồi hơi. Buồng đốt được làm bằng thép 304, hình trụ đứng. Khí syngas từ lò than hóa được đưa

vào lò đốt. Áp suất trong lò đốt là áp suất chân không do quạt hút tạo ra. Quá trình đốt khí

syngas được mồi bằng khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas - LPG), khi nhiệt độ đạt

khoảng 570oC thì LPG tắt và lò tự động cháy do Oxy được cấp tự nhiên thông qua các lỗ thông

với không khi bên ngoài (có 9 lỗ thông, nhưng chỉ mở 6 lỗ) để bắt đầu quá trình oxy hóa. Nếu

nhiệt độ thấp hơn 470 oC thì ta đốt thêm LPG. Nhiệt độ trong lò phải được giữ ở mức trên

470oC, nhiệt độ thường khoảng 700 – 8200C. Dòng khí sau khi đốt cháy được đưa dẫn qua nồi

hơi để cấp nhiệt cho nồi hơi. Nhiệt độ dòng khí vào lò hơi khoảng 490 – 5400C. Một phần khí

dư sẽ được thải ra ngoài, nhiệt độ khí thải ra ngoài khoảng 290 - 3200C.

Hỗn hợp khí syngas bao gồm nhiều thành phần khí như N2, O2, H2, CO, CO2, CH4…Mục đích

của quá trình than hóa là tạo ra hỗn hợp khí syngas với thành phần CO và H2 càng nhiều càng tốt

(hạn chế sự tạo thành CO2), do khi phản ứng với oxy nó sinh ra lượng nhiệt lớn.

39


10. Nồi hơi.

Chức năng: sử dụng nhiệt khói lò đun sôi, tạo hơi nước nhằm cấp nhiệt cho các thiết bị: bình thủy

phân và lên men đồng thời, 2 tháp chưng cất.

Loại thiết bị: thiết bị truyền nhiệt chùm ống nằm ngang có sự chuyển pha, nước đi bên trong

chùm ống ngược chiều với khói lò bên ngoài.

Cấu tạo: Bao gồm 2 chùm ống. Nước trước khi bơm vào nồi đun sẽ được xử lý bằng phương

pháp trao đổi ion để khử tính cứng.

Nhiệt độ của khói lò trước khi vào thiết bị đun: 430 – 5400C. Nhiệt độ khói lò ra khỏi thiết bị là:

165 – 2500C. Nhiệt độ khói thải ra môi trường phải dưới 2000C. Lượng hơi nước tối đa mà thiết

bị có thể cung cấp là 100 kg/h.

Nguyên lý làm việc:

Khi vận hành, lượng hơi cấp cho các thiết bị sẽ làm giảm áp suất hơi. Khi áp suất hơi 0.55MPa,

thì cửa sập Exhausted (7) đóng và cửa sập Cooling (6) mở, khói từ lò burner (3) được thải 1 phần

ra ngoài vì vậy hiệu quả năng lượng lúc này sẽ thấp nhằm giảm áp suất của hơi. Khi áp suất hơi

0.45 MPa, cửa sập Exhausted mở và cửa sập Cooling đóng, khói từ lò burner sẽ được dẫn toàn bộ

vào thiết bị đun hơi, lúc này hiểu quả năng lượng sẽ là tối đa. Lượng hơi nước đạt tối đa khi áp

suất hơi khoảng 0.4MPa, vì vậy thường đặt chế độ áp suất trong khoảng từ 0.4 đến 0.55 MPa,

40


Hình 19: Nguyên lí làm việc hệ thống nồi hơi.

V. Một số sự cố và khắc phục trong quá trình vận hành.- Bộ phận sensor của máy báo lỗi vì trong khi đốt nóng lò ở nhiệt độ từ 700 – 900 oC thì lượng

trấu bị biến dạng thành polymer kết dính lại trên sensor làm hệ thống luôn báo “full”. Trấu không

được tiếp tục đưa vào, xuất hiên lỗi ở hệ thống tự động. Cách khắc phục: mở nắp loại bỏ các tro

trấu còn trong buồng đốt bằng cách dùng máy hút bụi và vệ sinh lại sensor.

- Các trục khi vận hành có thể bị khô dầu hoặc bị kẹt do trấu dính vào hệ thống. Cách khắc phục :

dùng máy nén hơi thổi bay các vật cản và thường xuyên tra dầu mỡ cho thiết bị để vận hành tốt

hơn.

- Máy bơm thể tích của dòng hoàn lưu của thiết bị chưng cất bị hỏng do làm việc trong thời gian

dài. Cách khắc phục: thay bơm mới.

- Hệ thống tự động dùng cho cả quá trình vận hành khi làm việc lâu ngày bị hư màn hình cảm

ứng. Cách khắc phục: chờ các chuyên gia người Nhật thay thế linh kiện.

41


Hình 19: sensor trong buồng đốt syngas bị bẩn.

VI. Nhận xét và đề nghị của sinh viên.Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học đang vận hành ở quy mô pilot một quy trình công nghệ thiết thực đối với đời sống. Nếu quy trình này thuận lợi đưa vào công nghiệp sẽ giúp giải quyết được nhiều vấn đề: giảm sức ép đối với nhiên liệu hóa thạch: có được nhiên liệu sinh học mà không ảnh hưởng tới vấn đề an ninh lương thực, syngas thay thế cho gas, phế phẩm nông nghiệp được tận dụng mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn cho ngành nông nghiệp đồng thời giảm thiểu được vấn đề ô nhiễm môi trường do phế phẩm nông nghiệp.

Quy trình sản xuất ethanol từ rơm và trấu có ý nghĩa lớn đối với một nước có nền nông nghiệp lúa nước như Việt Nam.

42

Bao cao thuc tap 35(full) (2)

Documents

Transcript of Bao cao thuc tap 35(full) (2)