Đề tài Bioethanol

Bioethanol   Mở Đầu Thế giới này là hiện nay phải đương đầu với hai cuộc khủng hoảng lớn - sự ấm lên toàn cầu và giá cả gia tăng của các loại nhiên liệu không tái tạo. Tuy nhiên, cả hai người trong những vấn đề này có một giải pháp thông thường - một nhiên liệu thay thế nguồn năng lượng tái tạo. Nóng lên toàn cầu là một trong những tướng quan tâm đó là thúc đẩy các nhà nghiên cứu và các nhà khoa học trên thế giới để tỡm một nguồn nhiờn liệu tốt hơn và thân thiện môi trường. Ethanol là một trong những nguồn nhiờn liệu thay thế đó được nhận được sự công nhận tuyệt vời vỡ nhiều lợi ớch của nú. Ethanol cũng đó được gọi như là một nguồn nhiên liệu tiềm năng với nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới. Mặc dù có nhiều thuận và khó khăn với nó, hiện nay ethanol thường được sử dụng như là một nhiên liệu phụ ở một số nước. Thực ra Bio ethanol không phải bây giờ mới được nhắc đến mà đó cú từ 30 năm trước tại Brazil, hiện nay Mỹ đó vượt mặt Brazil về sản lượng Bio-Ethanol. Các nước châu Âu vài năm gần đây cũng để ý đến nguồn nhiờn liệu thay thế này, nhưng việc chưng cầu dân ý để xây dựng nhà máy sản xuất là một rào cản tương đối lớn.   Ở VN mỡnh rục rịch làm 2 nhà mỏy, 1 ở Vĩnh Phỳc và 1 ở tp HCM. Theo đúng quy trỡnh xõy dựng thỡ làm 1 nhà mỏy như thế này mất khoảng 1năm.   Theo lý thuyết tất cả các nguyên liệu thô có chứa cellulo đều có thể sử dụng trong sản xuất ethanol (cellulo->gluco->etanol). Việt nam là một lước nông nhiêp, với các sản phẩm và phụ phẩm từ nông nghiệp thỡ nguồn nhiờn liờu này gần như là vô tân. Vỡ vậy cụng nghệ sản xuất và các biến đổi hóa sinh trong quỏ trỡnh tạo ra bioethanol là một đề tài khá nóng bỏng. Rất đáng được nghiên cứu và tỡm hiểu. Nội dung I.Ethanol sinh học là gỡ?   Có thành phần tương tự như Ethanol (C2H5OH) là cồn thông thường. Chúng chủ yếu khác nhau nhau ở nồng độ. Để Bioethanol có thể là nhiên liệu thỡ độ tinh khiết của chúng phải rất cao.hơn 99,95% đơn giản vỡ chỉ cú như vậy chúng mới có đủ năng lượng cấp cho sự hoạt động của động cơ.   Glucose (một loại đường đơn giản) được tạo ra trong quá trỡnh quang hợp   6 CO 2+ 6 H 2O + ỏnh sỏng → C 6H 12O 6+ 6 O2   Trong quỏ trỡnh lờn men ethanol , glucose bị phõn hủy thành ethanol và khớ carbon dioxide.   C 6H 12O6→ 2 C2H 5OH + 2 CO 2+ nhiệt   Trong quỏ trỡnh đốt cháy ethanol phản ứng với oxy để tạo ra lượng khí carbon dioxide, nước , và nhiệt:   C 2H 5OH + 3 O 2→ 2 CO 2+ 3 H2O + nhiệt   Sau khi tăng gấp đôi số phản ứng đốt cháy bởi vỡ hai phõn tử ethanol được sản xuất cho mỗi phõn tử glucose,   tiờu dựng ethanol chỉ: ỏnh sỏng → nhiệt   Cỏc nhiệt của quỏ trỡnh chỏy của ethanol được sử dụng vào ổ đĩa piston trong động cơ bằng cách mở rộng các loại khí nóng. Có thể nói rằng ánh sáng mặt trời được sử dụng để chạy các động cơ.   Glucose chính nó không phải là chất duy nhất trong nhà máy đó được lên men. Các đường đơn giản fructose cũng trải qua quỏ trỡnh lờn men. Ba hợp chất khỏc trong cõy cú thể lờn men sau khi phỏ vỡ chỳng, do thủy phõn là fructose, tinh bột và cellulose là cỏc phõn tử cú chuỗi phõn tử glucose . Năng lượng để tạo ra fructose trong nhà máy cuối cùng xuất phát từ sự chuyển hóa của glucose được tạo ra bởi quang hợp, và ánh sáng mặt trời nên cũng cung cấp năng lượng được tạo ra bởi sự lên men của các phân tử khỏc.   Ethanol cũng có thể được sản xuất công nghiệp từ ethene (ethylene). Bổ sung nước cho các liên kết đôi để chuyển đổi ethene ethanol:   C 2H 4+ H 2O → CH 3CH 2OH   Điều này được thực hiện trong sự hiện diện của một axit mà xỳc tỏc phản ứng, nhưng không tiêu thụ. ethene được sản xuất từ dầu khí của bể hơi nước.   Khi ethanol được đốt cháy trong bầu khớ quyển hơn tốt hơn là săng vỡ chỳng đó mang trong minh Oxi,khụng cú phản ứng húa học khỏc xảy ra với cỏc thành phần khỏc nhau của khớ quyển như N 2. Điều này dẫn đến việc ngăn tạo ra oxit nitơ NO x , là chất gõy ụ nhiễm khụng khớ lớn. Nhiên liệu thay thế xăng cho xe vận tải đường bộ là ethanol sinh học. Bioethanol nhiên liệu chủ yếu là sản xuất bởi quá trỡnh lờn men đường, mặc dù nó cũng có thể được sản xuất bởi quá trỡnh húa học của phản ứng ethylene với hơi nước. Các nguồn chính của đường cần thiết để sản xuất ethanol từ cây trồng nhiên liệu hoặc năng lượng. Những cây được trồng đặc biệt cho sử dụng năng lượng và bao gồm bắp, ngô và lúa mỡ cõy, rơm rác, liễu và cây phổ biến, mùn cưa, cỏ sậy Canary, cỏ dây, atisô Jerusalem, và cây lúa miến myscanthus. Ngoài ra cũn cú nhiều nghiên cứu và phát triển thành việc sử dụng chất thải rắn đô thị để sản xuất nhiên liệu ethanol. Ethanol hoặc rượu ethyl (C2H5OH) là một chất lỏng khụng màu, Nú tự phân hủy, ít độc tính và ít gây ô nhiễm môi trường. Ethanol đốt cháy để sản xuất lượng khí carbon dioxide và nước. Ethanol là nhiên liệu có chỉ số octan cao và đó thay thế dẫn như là một Enhancer octan trong xăng dầu. Bởi ethanol trộn với xăng, chúng cũng có thể hóa hợp với hỗn hợp nhiên liệu do đó làm giảm lượng khí thải gây ô nhiễm. Ethanol là nhiên liệu pha trộn được bán rộng rói tại Hoa Kỳ. Phổ biến nhất là pha trộn 10% ethanol và 90% xăng (E10). Xe động cơ không cần sửa đổi để chạy trên E10 và bảo hành xe cũng không bị ảnh hưởng. Chỉ có các loại xe nhiên liệu linh hoạt, có thể chạy trên lên đến 85% ethanol và 15 pha trộn xăng% (E85). II.Ethanol được sản xuất như thế nào?   Thực ra cụng nghệ sản suất bioethanol không hề phức tạp gồm 3 bước chính   Tỡnh bột, cellulose glucozo ethanol   Trong mỗi giai đoạn lại có một số cách khác nhau,   Ta tạm phân loại như sau:   a) Ethanol được sản xuất từ đường.   Đây là cách nhanh tróng và dễ dàng sử lý vỡ nguyên liệu đơn giản, đường được cho ăn để nấm men trong một buồng kín kỵ khí,. nấm men tiết ra các enzyme tiêu hóa mà đường (C6H12O6), năng suất một số sản phẩm, bao gồm acid lactic, hydrogen , carbon dioxide (CO 2), và ethanol (C2H5OH)   b) Ethanol sản xuất từ tinh bột.   Sản xuất ethanol từ nguyên liệu tinh bột (như bắp , lỳa mỡ , và sắn ) yêu cầu một bước bổ sung. Tinh bột đầu tiên phải được xúc tác thành các loại đường đơn giản. Quá trỡnh này, được gọi là saccharification , đũi hỏi nhiều năng lượng hơn và làm tăng chi phí sản xuất. Nhưng nguyên liêu rổi rào lên hiện đang là quy trỡnh sản suất cụng nghiệp.   c) Ethanol từ Cellulose   Nguyên liệu vô tận, nhưng emzim để thuy phân chúng con đắt đỏ, quỏ trỡnh thủy phõn cũn khú khăn vỡ vậy làm tăng giá thành, nhưng đây là hướng nghiên cứu của nhiều nhà khoa hoc, vỡ nếu thành cụng nó sẽ cho hiệu quả kinh tế cao, lại không đe dọa đên an ninh lương thực của thế giới.   Về mặt cụng nhiờp thỡ cú hai kiểu nhà mỏy chớnh hiện nay.   1. nhà mỏy lờn men khụ   "Cỏc" khụ xay "quỏ trỡnh liờn quan đến việc chỉ đơn giản là không đồng nhất xay, hạt chưa qua chế biến thành các hạt nhỏ 1."   Nguyờn liệu cho nhà mỏy lờn men khụ   Đường, Tinh bột và các nhiờn liệu sinh học   Vớ dụ: Ngũ cốc ( ngụ , lỳa miến , lỳa mạch ), đường ( mớa và củ cải đường ), bia, và đường khác và tinh bột.   Tiền xử lý: khụ, nhà mỏy lờn men   Trỡnh độ: chế biến hạt   Sản phẩm của nhà mỏy lờn men khụ   Sản phẩm của nhà mỏy lờn men khụ bao gồm:   Cỏc sản phẩm trung gian: Mash, đường   Sản phẩm chớnh: Ethanol   Cỏc sản phẩm phụ: dầu ngụ gluten bắp, thức ăn gluten bắp, carbon dioxide, chất lỏng biofertilizers   Ưu điểm của máy nghiền-khô lên men   Quỏ trỡnh lờn men khụ nghiền không phải là đắt tiền như máy nghiền ướt.   Wet-nhà mỏy lờn men   "Các" ướt-phay "quá trỡnh soaks hạt trong nước, thường là với một axit lưu huỳnh, để tách tinh bột giàu nội nhũ từ cao protein vi trựng và chất xơ trấu . Các nhà máy ướt có xu hướng lớn hơn và sản xuất một số đồng sản phẩm, thêm vào ethanol 1. "   Nguyờn liệu cho nhà mỏy lờn men-Wet   Chủ yếu là: Bắp   Tiền xử lý: Wet-nhà mỏy lờn men   Cụng nghệ: chế biến hạt   Sản phẩm của nhà mỏy lờn men-Wet   Sản phẩm của nhà máy lên men ướt bao gồm:   Trung cấp cỏc sản phẩm : Mash, đường   Sản phẩm chớnh: Ethanol   Cỏc sản phẩm phụ : Distillers ' hạt cộng với solubles , Carbon Dioxide   Ưu điểm của nhà máy lên men-Wet   Quỏ trỡnh lờn men ướt nhà máy là linh hoạt hơn so với nhà máy lên men khô, vỡ những sản phẩm đó sản lượng.   Ethanol là một loại nhiên liệu sinh học, có nghĩa là nó được làm bằng vật liệu tự nhiên có sẵn. Ethanol thường được thực hiện bởi một quá trỡnh được gọi là "The Dry Mill Process" tạm gọi là "quỏ trỡnh nghiền khụ". Cỏc nguồn chính của ethanol. Là cây chứa tinh bột như lúa mạch, ngô, và lúa miến, cây ngọt như cam quýt, củ cải đường và mía đường, và, ngay cả các nhà máy và cây chẳng hạn như chuyển đổi cỏ và bột giấy gỗ.   Đối với sản xuất ethanol, bất kỳ đề cập đến nguồn nguyờn liệu nào thỡ đầu tiên phải nghiền thành hạt nhỏ bằng cách sử dụng máy móc thiết bị đặc biệt. Quá trỡnh này được gọi là xay. Các hạt tinh bột như vậy có được tiếp tục được chuyển đổi thành dạng bột. Một khi điều này được thực hiện, nước được thêm vào hỗn hợp để thực hiện một mash. Một kiểu đặc biệt của enzyme (alpha-amylase) là sau đó thêm vào hỗn hợp đó tiếp tục chuyển nó thành các hạt nhỏ bé. Toàn bộ quá trỡnh này diễn ra trong một hộp kớn và được gọi là giai đoạn mashing. Nước làm cho tinh bột hoá lỏng và giảm vi khuẩn. Hỗn hợp này sau đó được nung nóng mà chuyển đổi tinh bột thành đường lên men hoàn toàn.   Hỗn hợp này sau đó được chuyển đến một bộ máy mà trong đó nó được làm nguội và chưa enzyme khác được thêm vào nó. Các enzyme được hoàn toàn chuyển đổi tinh bột đường và chất lỏng để chuẩn bị hỗn hợp cho lên men. Nấm men được thêm vào hỗn hợp và trong 48 giờ hỗn hợp là churned. Đây là quá trỡnh mà những thay đổi đường để sản xuất ethanol và carbon dioxide tự nhiên là việc phát hành từ hỗn hợp. Các mash vào sau 48 giờ chứa ethanol 10%.   Để trích xuất ethanol từ mash này, hỗn hợp được một lần nữa nóng lên ở nhiệt độ cao. Các ethanol từ hỗn hợp bốc hơi và tăng lên đến trên cùng của bộ máy từ nơi nó được thu thập. Các ethanol bốc hơi thu thập được làm lạnh và sau đó cô đặc để tạo thành chất lỏng. Tuy nhiên, hỗn hợp này có được không phải là hỡnh thức tinh khiết nhất và do đó cần phải được tinh khiết. Nội dung chính của bước này là lấy thêm được H2O ra và cỏc chất lỏng cũn lại được tinh lọc. Việc sản xuất ethanol do đó có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho xe ô tô.   Đây không phải là tất cả. Việc cũn lại từ quỏ trỡnh như chất thải, ngũ cốc, và carbon dioxide cũng có thể được sử dụng cho mục đích khác nhau khác. Các dư lượng ngô hoặc các loại ngũ cốc là một thức ăn chăn nuôi dinh dưỡng và khí các-bon phát hành được sử dụng trong đồ uống có ga làm.   Vỡ thế, ethanol phục vụ như một nguồn nhiên liệu tái tạo lý tưởng, không chỉ phù hợp với tỡnh hỡnh thế giới hiện tại mà cũn cú một tương lai tuyệt vời. Tuy nhiên, công nghệ hiện nay vẫn cũn cần phải được đẩy khó khăn hơn để một điểm mà ethanol có thể được sử dụng như một nhiên liệu thay thế và không phải là một nhiên liệu phụ.   III.Quỏ trỡnh biến đổi hóa sinh   Quỏ trỡnh lờn men rượu cũng gần giống quá trỡnh chuyển húa đường trong cơ thể cung cấp năng lượng (đều qua quá trỡnh hỡnh thành pyruvate). Cú thể dựng yeast hoặc vi khuẩn để lên men. Chi tiết   Pt tổng quỏt: C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2ATP Sơ đồ sản xuất ethanol: Ngày nay, ethanol được dùng như nhiên liệu rất quan trọng trong động cơ (bioethanol). Bioethanol có thể là 100% ethanol hoặc trộn với xăng theo những tỷ lệ khác nhau. Ethanol điều chế bằng phương pháp lên men cực kỳ dễ dàng, nhưng cần phải tách loại nước, mới dùng được như nhiên liệu. Quá trỡnh loại nước đũi hỏi tốn nhiều năng lượng, làm tăng giá thành. Gần đây một nhóm nghiên cứu ở PTN Quốc gia Argonne (USA), đó từng bước phát triển quá trỡnh tổng hợp ethanol khụ, khụng cần loại nước. Quỏ trỡnh gồm 3 giai đoạn: 1, Steam reforming biomass tạo CO+H2 (syngas) 2, Tổng hợp methanol từ CO+H2 dựng xỳc tỏc Cu/ZnO 3, Sử dụng hệ xúc tác đồng thể chọn lọc chuyển methanol thành ethanol. HFe(CO)4- là tác nhân nucleophile, methyl alkylammonium là chất chuyển gốc methyl, nhiệt độ 180-220 oC, áp suất 300 atm.   Hệ thống xỳc tỏc khỏc dựng Mn(CO)5- làm tỏc nhõn nucleophile, CH3O2CH làm chất chuyển gốc methyl, HCOO- làm baz.   Khi kết hợp thành hệ HFe(CO)4-/Mn(CO)5- thỡ hiệu quả xỳc tỏc tốt hơn. Điều này được giải thích là do hỡnh thành hợp chất trung gian:   Ethanol có thể được tổng hợp từ cellulose (từ gỗ hay cỏc biomass khỏc). Cấu trỳc cellulose:   Có 3 hướng chính để tổng hợp: 1, Thủy phân cellulose bằng acid ở nhiệt độ và áp suất cao tạo glucose, sao đó lên men glucose thành ethanol. 2, Dựng enzyme cellulase bẻ góy mạch cellulose thành glucose, sau đó lên men glucose thành ethanol.   3, Quỏ trỡnh khớ húa: cellulose, biomass được đốt cháy không hoàn toàn, chuyển thành syngas (CO2, CO, H2). Sau đó dùng vi sinh vật Clostridium ljungdahlii, ăn syngas và thải ra ethanol. Trong biomass, ngoài cellulose cũn cú lignin và hemicellulose (hỡnh thành từ đường 5).   Sau quỏ trỡnh thủy phõn acid, mem thụng thường không chuyển đường 5 (xylose) thành ethanol được, nên dùng vi khuẩn E. coli để chuyển hóa. Lignin là sản phẩm phụ, được đem đốt lũ hơi.   Chỳ ý:   Việc sản xuất bioethanol thỡ việc thu được ethanol tinh khiết là gặp nhiều khó khăn về mặt công nghệ nhất.   Hiện nay, được biết trên thế giới các công ty sản xuất thường áp dụng các phương pháp sau:   1. Chưng cất đẳng phí (Azeotropic Distillation):   Trong phương pháp này lại có hai cách thực hiện: dùng một tác nhân để tách hỗn hợp đẳng phí (a material separation agent) thường dùng cho ethanol-water là Benzene (cũng được gọi là Entrainer). Cách thứ hai là dùng nhiều tháp chưng cất với áp suất khác nhau (Pressure Swing Distillation) de di chuyển điểm đẳng phí, đối với hỗn hợp này thường co hai tháp: tháp đầu áp suất nhỏ (0.3 atm) hơn tháp sau (1 atm).   2. Rõy phõn tử (Molecular Sieve Technology):   Nguyờn lý của phương pháp này là phân tách dựa trên áp suất hấp phụ chênh lệch(Pressure Swing Adsorption), khi đó hỗn hợp Ethanol-Water sẽ được hóa hơi và nhập liệu vào thiết bị rây phân tử và quá trỡnh phõn tỏch sẽ xảy ra trờn bề mặt của Zeolites (loại 3A). Loại này cú kớch thước lỗ khoảng 0.4 nm sẽ "nhốt" phân tử hơi nước có kích thước 0.4 nm như thế sẽ được tách ra. Về cấu tạo của thiết bị hoàn toàn giống thiết bị hấp phụ, gồm: tháp bên trong người ta đổ Zeolite vào và cho hỗn hợp đẵ hóa hơi đi qua. Và dĩ nhiên tính ưu việt ở đây của Zeolite là có thể sử dụng được nhiều lần bằng cách giải hấp (deabsortion).   3. Lọc membrane (Membrane Technology):   Phương pháp này hiện nay đang trên đà nghiên cứu vỡ nú co nhiều ưu điểm. Thông dụng hiện nay là công nghệ lọc Zeolite Membrane. Về nguyờn tắc thỡ cũng giống như phương pháp Rây phân tử, chỉ có khác là cấu tạo của vật liệu lọc không chỉ có Zeolite ma Zeolite được phủ trên bề mặt của một loại vật liệu nền (Ceramic support), ngoài ra cấu tạo của thiết bị lọc cũng khác, Zeolite membrane giống như thiết bị truyền nhiết ống chùm, ở đó các Zeolite membrane là các ống được gắn thành chùm và lồng vào trong vỏ, dũng hỗn hợp nhập liệu sẽ di bờn ngoài ống, cỏc phõn tử nước sẽ đi qua lừi loc Zeolite membrane nhờ động lực của quá trỡnh là chờnh lệch giữa ỏp suất nhập liệu bờn ngoài lừi lọc (ỏp suất dư) và bên trong lừi là ỏp suất chõn khụng. Phõn tử Ethanol sẽ được tách ra phía ngoài ống lọc (phía vỏ của thiết bị).Trên đây, chỉ sơ lược cho ban biết qua về các phương pháp tinh chế Ethanol để đạt tiêu chuẩn quốc tế pha trộn với xăng la >99.95% (v/v) Ethanol.   Lời Kết.   Để bảo đảm an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường cũng như thúc đẩy phát triển kinh tế nông thôn tại các vùng sâu, vùng xa, ngày 20-11-2009, Thủ tướng Chính phủ đó phờ duyệt "Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhỡn 2025".   Đề án bao gồm hoạt động của các cơ quan chính phủ và doanh nghiệp nhằm xây dựng lộ trỡnh sử dụng nhiờn liệu sinh học (NLSH) của Việt Nam, khung phỏp lý, cỏc chớnh sỏch khuyến khớch sản xuất, xõy dựng mụ hỡnh thử nghiệm sản xuất và phõn phối NLSH cũng như các dự án đầu tư của Chính phủ để phát triển NLSH đến năm 2025.   Việc nghiờn cứ và phỏt triển nguồn nguyờn liờu sinh học bioethanol là một quỏ trỡnh tất yếu. Thế giới nú chung và Việt Nam núi riờng chắc chắn sẽ cần đầu tư nhiều cho lĩnh vực này. Qua hơn một tuân tỡm tũi thiếu thụn về thời gian về chỡnh độ ngoại ngữ. Vẫn đề mới chỉ hé mở với chúng em, nhưng cho em được cái nhỡn cụ thể hơn về ngành của mỡnh. Về bộ mụn húa sinh, và về vấn đề nóng bỏng hiện nay. Nguyờn liệu sinh học Bioethanol. Tài liệu tham khảo:   1)   2)   3)   4) Húa sinh cụng nghiệp tg: Lờ Ngọc Tỳ   Mục lục:   Trang   Mở đầu 1   Nội Dung 2   I. Bioethanol là gỡ? 2   II. Bioethanol được sản xuất như thế nào? 3   III. Quỏ trỡnh biến đổi hóa sinh 7   Chỳ ý 15   Lời Kết 16