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. Nhận xét của Cán bộ hướng dẫn: --------ba-------- Tp. Hồ Chí Minh, ngày........tháng..năm 2012. Cán bộ hướng dẫn: Xác nhận của phòng Thí nghiệm. Nhận xét của giáo viên hướng dẫn: --------ba-------- .............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. Tp. Hồ Chí Minh, ngàytháng năm 2012. Xác nhận của bộ môn. MỤC LỤC 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 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. 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. 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. 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. - 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 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.vvà 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. 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. 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 2.1. Quy trình sản xuất ethanol từ rơm rạ. 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), cadimietylediaminMột 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 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-CLignin 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 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 mm3 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 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 điệ