Đồ án Nghiên cứu tách chiết dầu vỏ hạt điều và ứng dụng làm nhiên liệu sinh học

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG -----o0o----- NGUYỄN THỊ THANH HIẾU NGHIÊN CỨU TÁCH CHIẾT DẦU VỎ HẠT ĐIỀU VÀ ỨNG DỤNG LÀM NHIÊN LIỆU SINH HỌC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Nha Trang, tháng 06 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG -----o0o----- NGUYỄN THỊ THANH HIẾU NGHIÊN CỨU TÁCH CHIẾT DẦU VỎ HẠT ĐIỀU VÀ ỨNG DỤNG LÀM NHIÊN LIỆU SINH HỌC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG GVHD: PGS.TS NGÔ ĐĂNG NGHĨA Nha Trang, tháng 06 năm 2014 i LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian thực tập ở phòng thí nghiệm, được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy cô, gia đình và bạn bè, cùng với những kiến thức tích lũy được trong 4 năm học đến nay em đã hoàn thành đề tái tốt nghiệp của mình. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn: Thầy PGS.TS Ngô Đăng Nghĩa, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất cho em trong quá trình hoàn thành đề tài này. Quý thầy cô Viện Công nghệ sinh học và Môi trường, trường Đại học Nha Trang đã dạy bảo em trong suốt thời gian học tại trường, và nhiệt tình chỉ bảo em trong thời gian làm đề tài. Cán bộ phụ trách phòng thí nghiệm công nghệ môi trường, phòng công nghệ sinh học, phòng hóa – vi sinh, phòng sắc ký đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em trong thí nghiệm nghiên cứu. Cảm ơn anh Huy, giám đốc công ty Casanco đã nhiệt tình giúp đỡ. Cảm ơn gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện, giúp đỡ và động viên em hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn! Nha trang, tháng 06 năm 2014 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Thanh Hiếu ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... i MỤC LỤC .............................................................................................................. ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................................. iv DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... v DANH MỤC HÌNH ............................................................................................... vi MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................... 3 1.1. Đặc điểm sinh học cây điều. ........................................................................... 3 1.1.1. Phân loại và nguồn gốc . ................................................................... 3 1.1.2. Đặc điểm thực vật ............................................................................. 4 1.1.3. Tình hình sản xuất và tiêu thụ điều ở Việt Nam ................................ 7 1.2. Nhân hạt điều................................................................................................ 10 1.2.1. Quy trình sản xuất nhân điều ........................................................ 11 1.2.2. Các phương pháp xử lý tách nhân điều ........................................... 14 1.2.2.1. Phương pháp dùng nhiệt .............................................................. 14 1.2.2.2. Các phương pháp chế biến khác .................................................. 15 1.2.3. Vấn đề môi trường trong sản xuất hạt điều ..................................... 15 1.3. Tổng quan về vỏ và dầu vỏ hạt điều............................................................. 17 1.3.1. Vỏ hạt điều và hướng sử dụng vỏ hạt điều ...................................... 17 1.3.2. Thành phần, tính chất dầu vỏ hạt điều ............................................. 18 1.3.3. Ứng dụng dầu vỏ hạt điều ............................................................... 22 1.3.4. Tình hình sản xuất, tiềm năng và triển vọng của dầu vỏ hạt điều ở nước ta. ....................................................................................................... 23 1.4. Tổng quan về quá trình tách dầu điều .......................................................... 25 1.4.1. Giới thiệu về phương pháp ép ......................................................... 25 1.5. Tổng quan về nhiên liệu sinh học ................................................................. 27 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......................... 30 2.1. Đối tượng nghiên cứu: .................................................................................. 30 2.2. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm ................................................................... 30 iii 2.3. Quy trình thí nghiệm .................................................................................... 31 2.4. Phương pháp tiến hành ................................................................................. 34 2.4.1. Chuẩn bị nguyên liệu ...................................................................... 34 2.4.2. Chiết tách dầu vỏ hạt điều bằng phương pháp ép cơ học ................. 34 2.4.3. Trích ly dầu vỏ hạt điều bằng phương pháp chiết Soxhlet ............... 36 2.4.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết. ........................ 38 2.4.5. Xác định các chỉ số hóa - lý của dầu vỏ hạt điều. ............................ 40 2.4.6. Phương pháp xử lý số liệu .............................................................. 41 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 42 3.1. Kết quả khảo sát độ ẩm nguyên liệu ............................................................ 42 3.2. Kết quả tách chiết dầu vỏ hạt điều ............................................................... 42 3.2.1. Kết quả hàm lượng CNSL thu được từ phương pháp ép. ................. 42 3.2.2. Chiết dầu vỏ hạt điều bằng dung môi .............................................. 44 3.3. Thí nghiệm khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết CNSL với dung môi n-hexan. .............................................................................................................. 47 3.3.1. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu/dung môi đến hiệu suất trích ly. ........................................................................................... 47 3.3.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian chiết. ......................... 49 3.4. Kết quả phân tích một số chỉ tiêu của dầu vỏ hạt điều. ................................ 50 3.4.1. Hàm lượng nước ............................................................................. 51 3.4.2. Hàm lượng tro ................................................................................ 51 3.4.3. Tỷ trọng .......................................................................................... 52 3.4.4. Xác định độ nhớt ............................................................................ 52 3.4.5. Xác định chỉ số Acid: ..................................................................... 53 3.4.6. Nhiệt độ chớp cháy cốc hở ............................................................. 54 3.4.7. Nhiệt trị .......................................................................................... 54 3.5. So sánh với các dầu thực vật được ứng dụng làm nhiên liệu sinh học khác..55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 56 Kết luận...................................................................................................................... 56 Kiến nghị ................................................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 58 PHỤ LỤC iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CNSL: Cashew nut shell liquid DVHĐ : Dầu vỏ hạt điều NL/DM: Nguyên liệu/dung môi NN & PTNT: Nông nghiệp và phát triển nông thôn VHĐ: Vỏ hạt điều g: gam h: giờ v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Thị trường xuất khẩu hạt điều của Việt Nam 11 tháng đầu năm 2012 (ĐVT: USD). ........................................................................................................... 8 Bảng 1. 2 Đặc tính một số loại dầu vỏ hạt điều thương phẩm ................................ 19 Bảng 1. 3 Thành phần các chất có trong DVHĐ .................................................... 21 Bảng 1. 4 Các nghiên cứu và các ứng dụng chính của DVHĐ ............................... 23 Bảng 1. 5 Sử dụng dầu thực vật các loại trên thế giới, năm 2011 ........................... 29 Bảng 3. 1 Độ ẩm nguyên liệu vỏ hạt điều .............................................................. 42 Bảng 3. 2 Kết quả hàm lượng dầu trong vỏ hạt điều bằng phương pháp ép ............ 42 Bảng 3. 3 Kết quả hàm lượng dầu trong vỏ hạt điều thu được bằng phương pháp chiết dung môi ....................................................................................................... 44 Bảng 3. 4 Hàm lượng dầu vỏ hạt điều thu được khi chiết bằng n-hexan theo tỷ lệ nguyên liệu/dung môi (g/ml) ................................................................................. 47 Bảng 3. 5. Hàm lượng CNSL khi chiết trong n-hexan theo thời gian ..................... 49 Bảng 3. 6. Một số chỉ tiêu hóa lý của CNSL .......................................................... 50 Bảng 3. 7. Kết quả đo độ nhớt ở các tốc độ quay ................................................... 53 Bảng 3. 8 Bảng so sánh các chỉ tiêu của một số loại dầu thực vật được ứng dụng làm nhiên liệu sinh học. ......................................................................................... 55 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1 Cây điều và quả điều ................................................................................ 4 Hình 1. 2 Cấu tạo quả điều ...................................................................................... 6 Hình 1. 3 Sự thay đổi diện tích trồng điều ở nước ta giai đoạn 2000-2013. .............. 7 Hình 1. 4 Nhân hạt điều ......................................................................................... 10 Hình 1. 5 Quy trình sản xuất nhân hạt điều. ........................................................... 12 Hình 1. 6. Cấu tạo vỏ hạt điều ............................................................................... 17 Hình 1. 7 Thành phần vỏ hạt điều .......................................................................... 17 Hình 1. 8 Cấu tử chính trong dầu vỏ hạt điều ......................................................... 20 Hình 1. 9 Ép dầu vỏ hạt điều tại công ty Donafoods. ............................................. 24 Hình 1. 10. Tỷ lệ sử dụng dầu thực vật để sản xuất nhiên liệu sinh học ở một số nước .. 28 Hình 2. 1 Vỏ hạt điều sau chao dầu và tách nhân. .................................................. 30 Hình 2. 2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm ........................................................................... 32 Hình 2. 3 Máy ép thủy lực ..................................................................................... 34 Hình 2. 4 Cối ép .................................................................................................... 35 Hình 2. 5 Bộ chiết Soxhlet ..................................................................................... 36 Hình 2. 6. Quy trình chiết dung môi ...................................................................... 37 Hình 2. 7 Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát tỷ lệ NL/DM ........................................ 38 Hình 2. 8 Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát điều kiện thời gian chiết ...................... 39 Hình 2. 9 Máy đo độ nhớt ...................................................................................... 40 Hình 3. 1 Vỏ hạt điều trước và sau khi ép lấy dầu .................................................. 43 Hình 3. 2 Hiệu suất thu hồi dầu của phương pháp ép. ............................................ 43 Hình 3. 3 Dầu vỏ hạt điều thu được bằng phương pháp chiết dung môi hexan. ...... 45 Hình 3. 4 Vỏ hạt điều trước và sau khi chiết bằng dung môi hexan. ....................... 45 Hình 3. 5 Ảnh hưởng của loại dung môi đến hiệu suất trích ly. ............................. 46 Hình 3. 6 Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu/dung môi đến hàm lượng dầu ............. 48 Hình 3. 7. Ảnh hưởng của thời gian chiết đến hàm lượng dầu ................................ 49 1 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, nhóm cây công nghiệp đang ngày càng nổi bật trong cơ cấu kinh tế Việt Nam. Một trong số đó, nhân hạt điều với kim ngạch xuất khẩu đứng đầu thế giới và không ngừng tăng lên hằng năm. Năm 2013, Việt Nam xuất khẩu hạt điều đạt 261,0 nghìn tấn với kim ngạch gần 1,7 tỷ USD, tăng 17,9 % về lượng và tăng 12,0 % về kim ngạch so với năm 2012. Giá xuất khẩu bình quân năm 2013 của hạt điều đạt 6.305 USD/tấn, tăng 31,9 % so với năm 2012. Nếu tính cả mặt hàng dầu vỏ hạt điều và các sản phẩm hạt điều chế biến sâu thì cả năm 2013, kim ngạch xuất khẩu của ngành điều vào khoảng 1,8 - 1,9 tỷ USD.Riêng trong tháng 2/2014, xuất khẩu hạt điều cả nước ước đạt 9.000 tấn, với kim ngạch là 57 triệu USD. Tính chung 2 tháng đầu năm nay, khối lượng xuất khẩu đạt 28.000 tấn với giá trị 169 triệu USD, giảm 0,1 % về khối lượng, nhưng tăng hơn 2 % về giá trị so với cùng kỳ năm 2013. Khối lượng hạt điều xuất khẩu tháng 5/2014 ước đạt 23 nghìn tấn với giá trị đạt 151 triệu USD, đưa khối lượng xuất khẩu năm tháng đầu năm 2014 đạt 98 nghìn tấn với 618 triệu USD. Nhờ đó, Việt Nam tiếp tục là nước xuất khẩu nhân điều số một thế giới và đóng góp không nhỏ vào GDP quốc gia, cây điều trở thành một trong nhưng cây công nghiệp trọng điểm [3]. Với một lượng lớn nhân điều được xuất khẩu hằng năm, một vấn đề tồn tại song song là lượng vỏ hạt điều phế thải rất lớn, gây ô nhiễm môi trường nếu không xử lý đúng cách. Hiện nay, việc khai thác tiềm năng của vỏ hạt điều là chưa triệt để, bởi cho đến thời điểm này vỏ hạt điều chỉ được dùng để đốt, ép lấy dầu hay thu lấy dịch hạt điều (CNSL) sử dụng làm nguyên liệu trong sản xuất sơn cao cấp, sơn phủ bề mặt, vecni Một số cơ sở đốt bỏ vỏ hạt điều gây nên một số vấn đề môi trường nghiêm trọng. Thực tế hàm lượng vỏ hạt chiếm khoảng 60% toàn bộ hạt thu hoạch, tương ứng lượng vỏ thải ra hàng năm rất lớn vào khoảng 330.000 tấn/năm. Trong khi đó, vấn đề năng lượng đang là vấn đề cấp bách của toàn cầu. Việc tìm ra những nguồn nguyên nhiên liệu xanh, sạch, thay thế cho nguồn nhiên 2 liệu hóa thạch gây ô nhiễm môi trường, đang dần cạn kiệt không chỉ là mục tiêu, còn là trách nhiệm của toàn cầu. Một trong những giải pháp xử lý là nghiên cứu tái sử dụng, tận dùng vỏ hạt điều trong trong công nghiệp sẽ đem lại lợi nhuận lớn. Vì vậy, đề tài: “Nghiên cứu tách chiết dầu vỏ hạt điều và ứng dụng làm nhiên liệu sinh học” là vấn đề rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn. Đề tài bao gồm các nội dung nghiên cứu sau: - Nghiên cứu chiết tách dầu từ vỏ hạt điều. - Phân tích các chỉ tiêu hóa lý của dầu vỏ hạt điều. - Xác định đặc tính nhiên liệu của dầu vỏ hạt điều. Mục đích nghiên cứu: - Nghiên cứu các phương pháp tách chiết DVHĐ và xác định các đặc tính hóa lý, nhiệt trị để đánh giá khả năng ứng dụng làm nhiên liệu sinh học của DVHĐ. Ý nghĩa đề tài: - Kết quả nghiên cứu có thể xem là cơ sở bước đầu của việc xây dựng quy trình sản xuất DVHĐ trên quy mô công nghiệp cũng như cung cấp những dẫn liệu về tính chất, đặc tính của DVHĐ. Do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế cũng như khó khăn về điều kiện thực nghiệm nên mặc dù rất cố gắng song không tránh khỏi mắc những sai sót trong đề tài. Rất mong được sự chỉ bảo của quý thầy cô để đề tài hoàn thiện hơn. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Đặc điểm sinh học cây điều. 1.1.1. Phân loại và nguồn gốc . Cây điều có tên khoa học là Anacardium occidentale L, thuộc Bộ Rutales, họ thực vật Anacardiaceae (họ Xoài), chi Anacardium, loài Occidentale, tên Tiếng anh là Cashew nut tree. Ở các nước, tên gọi của cây điều và các sản phẩm của cây điều cũng khác nhau, như: Anacardio (Ý), Caju (Bồ Đào Nha), Cajou (Pháp), Acajuban (Đức), Kasoy (Philippines), Kaju (Ấn Độ), Jambumente (Indonesia). Ở Việt Nam có tên là cây điều hay đào lộn hột. Căn cứ vào màu sắc của quả thịt khi chín người ta phân biệt thành hai giống là điều đỏ và điều vàng. Cây điều có nguồn gốc từ vùng đảo Ăngti, miền Đông Bắc Brazil và lưu vực sông Amazon ở Nam Mỹ, dần dần cây điều được phân tán đến Châu Phi, Châu Á, Châu Úc. Người đầu tiên đã mô tả cây điều trong một chuyên khảo có tựa đề “The oddities of Antarctic France otherwise known as America and of many lands and islands discovered in outtimes” (1958) là tu sĩ kiêm nhà tự nhiên học người Pháp tên Thevet. Người Bồ Đào Nha là những người đầu tiên đưa cây điều từ Brazil đến châu Á và châu Phi. Ở châu Á, điều được đưa tới Goa (Ấn Độ) vào năm 1550 và tới Cochin 1578. Cây điều chịu được điều kiện khí hậu đa dạng và khắc nghiệt, là cây ưa nhiệt độ cao nhạy cảm với giá lạnh, khí hậu nhiệt đới một mùa khô rõ rệt là điều kiện thích hợp để cây phát triển tốt. Theo FAO, có 32 nước xuất khẩu điều thương mại, nhưng chỉ có 10 nước trồng điều nhiều nhất thế giới hiện nay là: Ấn Độ, Việt Nam, Brazil, Nigenia, Tanzania, Indonesia, Guinea Bissau, Cotolvore, Monzambique và Benin. Ở các tỉnh miền bắc và miền Trung nước ta, cây điều còn có tên là đào lộn hột. Điều du nhập vào nước ta từ thế kỷ 18, nhưng mãi đến năm 1975 mới chính thức là loại cây trồng có trong danh mục, khắc phục những rừng đồi bị phá hoại do chiến tranh gây nên. Diện tích điều từ đó tăng lên đến đầu năm 1990, cây điều trở thành loại cây 4 công ngiệp cho kinh tế cao, vừa phủ xanh đất trống đồi trọc vừa là cây xóa đói giảm nghèo. Hiện nay, Việt Nam được coi là nước xuất khẩu hạt điều lớn trên thế giới. [4]. 1.1.2. Đặc điểm thực vật Hình 1. 1 Cây điều và quả điều Cây điều sinh trưởng và phát triển từ vĩ độ 250 Bắc đến 250 Nam nhưng vùng sản xuất chủ yếu từ vĩ độ 150 Bắc đến 150 Nam. Cây điều được trồng ở 4 vùng sinh thái nông nghiệp: Đông Nam Bộ, Tây Nguyên, Duyên hải Trung Bộ, Đông bằng sông Cửu Long; trong đó, vùng Đông Nam Bộ chiếm khoảng 70% diện tích điều toàn quốc. Độ cao so với mặt nước biển của vùng đất trồng phụ thuộc vĩ độ, địa hình và tiểu vùng khí hậu. Độ cao thích hợp là dưới 600m so với mặt nước biển. Độ dài ngày và thời gian chiếu sáng không ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển cây điều. Cây điều có thể sống từ 50C - 450C nhưng nhiệt độ thích hợp nhất khoảng 270C. Điều thích nghi với lượng mưa dao động từ 400 mm – 5000 mm, thích hợp nhất là từ 1000 mm – 200 mm. Đối với cây điều , sự phân bố lượng mưa (mùa) quan trọng hơn lượng mưa vì cây điều cần ít nhất 2 tháng khô hạn hoàn toàn để phân hóa mầm hoa. Ẩm độ ít ảnh hưởng đến sinh trưởng phát triển cây điều, tuy nhiên trong thời kỳ ra hoa ẩm độ cao có thể làm bệnh thán thư và bọ xit gia tăng gây 5 khô bông và rụng quả non. Đất trồng thích hợp giàu chất hữu cơ, pH từ 6,3 – 7,3 và thoát nước tốt [5]. Cây điều có tuổi thọ lên tới 30-40 năm, thuộc lớp cây hai lá mầm, thân mộc, gỗ tương đối mềm và nhẹ. Rễ cọc, bộ rễ phát triển có thể đâm sâu tới 5m, rễ ngang ăn rộng đến 6m, nhờ vậy cây điều vẫn ra hoa kết quả trong suốt mùa khô kéo dài 5 – 6 tháng. Thân cao từ 8-12 m, trồng nơi đất tốt có thể đạt chiều cao tới 20m còn đất khô hạn, đất cát không chăm sóc cây cao không quá 6m. Thân phân cành sớm, cành mọc ngang ngay từ gốc với cả cành sơ cấp và thứ cấp, cành phát triển đầy đặn và tạo thành một tán hình ô xòe rộng tới 12 -15 m. Vỏ thân và vỏ nhánh có nhiều nhựa. Lá đơn nguyên, mọc so le, thường tập trung ở đầu cành, l