intTypePromotion=3

Báo cáo thực tập: Quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học

Chia sẻ: Huỳnh Thị Thùy Dương | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:47

0
114
lượt xem
17
download

Báo cáo thực tập: Quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Báo cáo thực tập "Quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học" được thực hiện nhằm nghiên cứu ethanol từ rơm rạ, tổng quan về phòng thí nghiệm, quy trình công nghệ, một số sự cố và khắc phục trong quá trình vận hành. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung bài báo cáo để có thêm tài liệu học tập và nghiên cứu.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Báo cáo thực tập: Quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học

  1. 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
  2. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học 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
  3. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Nhận xét của giáo viên hướng dẫn: ­­­­­­­­ ­­­­­­­­ ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................... Tp. Hồ Chí Minh, ngày……tháng…… năm 2012.                                                                       Xác nhận của bộ môn. 3
  4. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học 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: 4
  5. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học 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. 5
  6. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học 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
  7. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học 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  7
  8. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học 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. 8
  9. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học 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: 9
  10. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học ­ 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… 10
  11. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học ­ 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.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  6­7 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.  11
  12. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học 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. 12
  13. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học 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 ­1,4­glucoxit. 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 13
  14. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học hợp còn khoảng 600­1500. 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 với cellulose, vì chúng có độ kết tinh và độ trùng hợp thấp hơn (độ trùng hợp 
  15. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học 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 5­10nm và  đường kính nhỏ từ 1­7nm, 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 15
  16. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học 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 2-5% Protein 42-46% Carbohydrate 30-37% Acid nucleic 6-8% Lipid 4-5% Chất khoáng 7-8% Bảng 2: Các thành phần hóa học trong nấm men đông khô Thành phần Phần trăm khối lượng khô (%) Cacbon 48.2 Hydro 6.5 Oxy 33.8 Nitơ 6.0 Phospho 1.0 Magiê 0.04 Kali 2.1 16
  17. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học 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 15­25% 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 25­45A. 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 1,3­β­glucan chiếm tới 40% khối   lượng khô của vách tế bào, có ảnh hưởng chính đến cơ chế cân bằng của vách tế bào. 1,3­β­ glucan được tổng hợp tại bề mặt của tế bào và chứa những chuỗi hẹp trung bình khoảng 1500  đơn vị glucose. 1,3­β­glucan 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,1,6­β­glucan và  chitin đã được liên kết với 1,3­β­glucan 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 2­15%. 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  17
  18. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học 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. 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  12­15% 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 18
  19. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Enzyme: Enzyme đường hóa cellulose (cellulase) được đặt mua từ công ty Meiji Seika (Nhật). 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 (7 2), 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. %), H 2SO4 đậm đặc (72 wt. %), cồn  tuyệt đối (99+ %), L­lactic 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. 19
  20. Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị ­ Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học 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. 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.  20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản