Tài liệu ôn tập: Nhiên liệu sinh học từ chất thải

Chia sẻ: My Tunbk | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:39

Thêm vào BST

Báo xấu

77
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhằm giúp các bạn có thêm tài liệu phục vụ nhu cầu học tập và nghiên cứu, mời các bạn cùng tham khảo nội dung tài liệu ôn tập "Nhiên liệu sinh học từ chất thải" dưới đây. Nội dung tài liệu gồm những câu hỏi bài tập có hướng dẫn lời giải, giúp các bạn củng cố lại kiến thức đã học.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu ôn tập: Nhiên liệu sinh học từ chất thải

Câu hỏi: 1. Trình bày các thế hệ NLSH đã được phát triện từ trước đến nay 2. Trình bày nguyên liệu và công nghệ sản xuất 2 loại NLSH dạng lỏng 3. Tại sao NLSH thế hệ 3 lại đc xem là bền vững hơn các thế hệ trước 4.Trình bày các kỹ thuật liên quan đến nuôi trồng vi tảo làm nguyên liệu và chuyển hóa sinh khối tảo thành biodiesel 5.Liệt kê các loại NL tái tạo. Theo em ở VN, loại NLTT nào được khai thác nhiều và được sử dung hiệu quả nhất. Why 6. NL hóa thạch bao gồm các loại nào.Phân tích tại sao NLHT lại được dần thay thế bằng các nguồn NL khác một cách mạnh mẽ 7. Phân tích nguyên nhân xảy ra hoạt động kém hiệu quả của các dự án thủy điện nhỏ 8.Trình bày các thế hệ NLSH. Các khó khăn và thách thức ngăn cản thương mại hóa sp NLSH từ tảo 9. Phân tích why tảo đc xem là nguồn nglieu bền vững cho NLSH 10. Các ưu điểm của tảo làm nguyên liệu cho NLSH 11.Trình bày về chtrinh ngiên cứu phát triển vi tảo biến thành nguyên liệu cho biodiesel ( mục tiêu, kq nghiên cứu, kết quả đạt đc) 12. Rong tảo biển có thể làm nglieu cho bioethanol ko. Ưu điểm của nglieu này.kqua của chtrinh sx rong tảo để làm nglieu cho NLSH ntn 13. Trình bày chtrinh ngcuu sx bioethanol từ rơm rạ trong dự án JICA ( mtieu, ndung nghiên cứu, kq 14.Trình bày các thế hệ NLSH đã đc phát triển từ trc đến nay. CNghe sx bioethanol và biodiesel 15. Trình bày NLSH thế hệ 3,các hình thức nuôi trồng tảo (kín, hở) và kết hợp xlnt thu sinh khối tảo cho nlsh 16. trình bày công nghệ sx bioethanol và biodiesel từ nglieu truyền thống. 17. Vẽ sơ đồ thể hiện tảo là nguồn nguyên liệu bền vững cho sn NLSH 18. trình bày 1so đặc điểm chính trong cng sx biodiesel từ tận dụng dầu mỡ đã qua sử dụng ( xử lý nglieu, phtrinh phản ứng tạo biodiesel, xúc tác, làm sạch sản phẩm..) 19. Khó khăn trong sản xuất và sử dụng xăng sinh học ( hoặc NLSH nói chung) ở VN 20. Trình bày sơ đồ dây chuyền sản xuất ethanol từ tinh bột. Viết ptrinh phản ứng kèm các điều kiện cần thiết để phản ứng xảy ra Câu 1: Trình bày các thế hệ nhiên liệu sinh học đã được phát hiện từ trước đến nay Thế hệ thứ 1: Nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên được làm từ các loại cây trồng có hàm lượng đường và tinh bột cao (sản xuất gasohol), dầu thực vật hoặc mỡ động vật (sản xuất Biodiesel). Tinh bột từ các loại ngũ cốc được chuyển hóa thành đường rồi lên men thành Bioethanol. Trong khi đó, dầu thực vật (được ép từ các loại cây có dầu ) hoặc mỡ động vật được trộn với ethanol (hoặc methanol) có sự hiện diện của chất xúc tác sẽ sinh ra Biodiesel và glycerine bằng phản ứng chuyển hóa este. Thế hệ thứ 2: Nhiên liệu sinh học thế hệ 1 bị hạn chế bởi khả năng mở rộng diện tích đất trồng trọt hiện nay để trồng các loại cây thích hợp là có hạn và các công nghệ truyền thống sử dụng để chuyển đổi các nguồn nguyên liệu này thành NLSH còn bị hạn chế bởi hiệu quả và phương pháp xử lý. Vì vậy người ta đã hướng tới nhiên liệu sinh học thế hệ 2. Loại NLSH này được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh khối, qua nghiền sấy rồi lên men thành nhiên liệu sinh học. Các nguyên liệu này được gọi là “sinh khối xenluloza” có nguồn gốc từ chất thải nông nghiệp, chất thải rừng, chất thải rắn đô thị, các sản phẩm phụ từ quá trình chế biến thực phẩm hoặc loại cỏ sinh trưởng nhanh như rơm, rạ, bã mía, vỏ trấu, cỏ… Thế hệ thứ 3:
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba được chế tạo từ các loài vi tảo trong nước, trên đất ẩm, sinh ra nhiều năng lượng (730 lần) hơn nhiên liệu sinh học thế hệ trước trên cùng diện tích trồng. Sản lượng dầu trên một diện tích 0,4 ha tảo là từ 20.000 lít/năm đến 80.000 lít/năm. Ngoài ra, loài tảo bị thoái hóa sinh học không làm hư hại môi trường xung quanh. Theo ước tính của Bộ Năng Lượng Mỹ, nước này cần một diện tích đất đai lớn độ 38.849 km2 để trồng loại tảo thay thế tất cả nhu cầu dầu hỏa hiện nay trong nước. Thế hệ 4: Áp dụng công nghệ y sinh trên tảo để thu năng suất sinh khối cao Câu 2: Trình bày nguyên liệu và công nghệ sản xuất 2 loại nhiên liệu sinh học dạng lỏng 1. Bioethanol (pha vào xăng để tạo thành xăng sinh học). Nguyên liệu: + Thế hệ 1: nguyên liệu từ ngô, mía. + Thế hệ 2: celluloxic ethanol (gỗ, rơm rạ, vỏ trấu), từ cỏ ngọt. + Thế hệ 3: Từ tảo già cacbonhydrat hoặc kết hợp với chiết dầu để sản xuất biodiesel => sinh khối lên men. Công nghệ sản xuất Sơ chế => Thủy phân => lên men => chưng cất => chế cồn tinh khiết. + Sơ chế: nghiền vật liệu khô bằng máy nghiền hoặc ép để tang bề mặt tiếp xúc đối với quá trình lên men. + Thủy phân: dưới tác dụng của các vsv + Lên men: lên men với chủng S.cerevisiae trong điều kiện không có O2: C6H12O6 2C2H5OH + 2 CO2 + Chưng cất: tách cồn ra khỏi hỗn hợp sau lên men, sản phẩm có thể đạt tới độ cồn là 95%. Chưng cất trong môi trường chân không. Chưng cất với cấu tử thứ 3. Phương pháp dung màng siêu lọc hoặc vật liệu hấp phụ. + Tinh chế: có thể chưng cất nhiều lần để đạt hiệu quả cao nhất: 2. Biodiezel Nguyên liệu: + Thế hệ 1: Cây có dầu như: đậu nành, dầu hạt cải, dầu hướng dương, dầu cọ. + Thế hệ 2: Cây không dung cho thực phẩm như: tartropha, dầu thải, mỡ cá, mỡ bò… + Thế hệ 3: Từ rong tảo và vi tảo. Công nghệ sản xuất: + Sản xuất biodiesel: dựa vào phản ứng este hóa, pp nhiệt phân, khí hóa và FischerTropsch Phương trình phản ứng (slide 43), sử dụng xúc tác đồng thể và dị thể. + Sản xuất biodiesel từ chất thải: Tiền xử lý => Loại nước => Loại phospholipid => Loại FFA => Loại các chất bẩn => phản ứng este hóa (xúc tác kiềm, axit, dị thể, sinh học). Nhiệt phân sinh khối (nhiệt phân chậm hoặc nhiệt phân nhanh). + Sản xuất biodizel từ tảo: Quá trình sản xuất biodiesel từ tảo bao gồm một số bước: Sau giai đoạn nuôi trồng, các tế bào tảo phải được làm khô trước khi thực hiện phản ứng chuyển hóa. Các công bố cho thấy có hai phương pháp chuyển hóa: phương pháp hai giai đoạn và một giai đoạn. Đối với phương pháp hai giai đoạn, dầu tảo sau khi tách chiết được cho phản ứng với methanol có mặt chất xúc tác, khi đó quá trình sản xuất biodiesel tương tự như đối với dầu thực vật. Đối với phương pháp một giai đoạn (methyl hóa trực tiếp) thì dung môi có tác dụng chiết lipid (chloroform, hexan, ether…), methanol để methyl
hóa acid béo và chất xúc tác được bổ sung cùng một lúc và hiệu suất của quá trình ester hóa cũng cao hơn so với phương pháp hai giai đoạn (Liu and Zhao, 2007). Câu 3: Tại sao NLSH thế hệ 3 lại đc xem là bền vững hơn các thế hệ trước? + NLSH thế hệ 1: có nguồn gốc từ các loài cây lương thực như ngô, sắn,... Thông thường, các nguồn nguyên liệu có hàm lượng dầu không cao (VD: ngô là 172 l/ha, đậu nành là 446 l/ha) => Sản xuất sẽ tốn nhiều diện tích đất canh tác; lượng nguyên liệu cần sử dụng lớn, tiềm năng đe dọa an ninh lương thực. + NLSH thế hệ 2: Từ 1 số loại cây chứa dầu như Jatropha: quá trình sản xuất yêu cầu đất canh tác, sau khi thu hoạch thì chất lượng đất suy giảm rõ rệt. Từ mỡ động vật, dầu mỡ thải: cần quá trình tiền xử lý phức tạp, công nghệ cao làm tăng chi phí sản xuất, phát sinh ra chất thải thứ cấp khi xử lý dầu mỡ thải. +NLSH thế hệ 3 Rất nhiều loài tảo và vi tảo có hàm lượng dầu cao (khoảng 60000140000 l/ha) => diện tích canh tác/tấn sản phẩm thấp hơn nhiều so với thế hệ 1 Không yêu cầu các biện pháp tiền xử lý phức tạp như thế hệ 2. Công nghệ nuôi trồng khá đơn giản. Ít/không phát sinh chất thải. Bã tảo sau khi ép lọc lấy dầu có thể đem đi xử lý để làm nguyên liệu cho nhiệt phân, khí hóa thu thêm NLSH. Có thể kết hợp nuôi trồng tảo với một số mô hình xử lý chất thải. Câu 4: Trình bày các kỹ thuật liên quan đến nuôi trồng vi tảo làm nguyên liệu và chuyển hóa sinh khối tảo thành biodiesel Trên thế giới hiện có hai hệ thống nuôi tảo chính là nuôi theo hệ thống hở (Opened EcosystemO.E.S) và nuôi theo hệ thống kín (Closed EcosystemC.E.S). hệ thống hở: thường được áp dụng ở các trang trại nuôi có qui mô lớn (công nghiệp) hoặc nuôi ở qui mô gia đình (thủ công). Vi tảo được nuôi trong môi trường dinh dưỡng đựng trong bình, chậu, bể, hệ thống ao nhiều kênh. Trong mô hình này tảo sử dụng trực tiếp ánh sáng từ mặt trời. Các trang trại qui mô lớn thường được lắp đặt hệ thống cánh quạt khuấy đảm bảo cho tảo hấp thụ tốt ánh sáng và tránh các sợi tảo bị chìm xuống đáy. Các mô hình nuôi có qui mô nhỏ thường khuấy bằng thủ công và diện tích nhỏ. hệ thống nuôi hở phụ thuộc rất lớn vào điều kiện thời tiết nên cần có giải pháp quản lý tốt. hệ thống kín: tảo được nuôi trong các bể được đặt trong các nhà kính, Tảo sử dụng ánh sáng nhân tạo hay tự nhiên từ mặt trời mô hình nuôi cần đầu tư lớn và có khả năng kiểm soát được các yếu tố lý hoá học. => điều khiển được các yếu tố môi trường, giảm tạp nhiễm. Sinh khối tảo được sản xuất ở hệ thống kín hay hở đều không ảnh hưởng đến quá trình thu nhận dầu và chuyển chúng thành diesel sinh học. Sức sản xuất sinh khối cao nhất ở bể h ở đạt đến khoảng 24 gam sinh khối khô/m2/ngày (Weisz, 2004) và cá biệt 100 gam sinh khối khô/m2/ngày đã thu được trong các hệ thống nuôi kín 300 lít đơn giản trong điều kiện bão hòa ánh sáng. Quá trình sản xuất biodiesel từ tảo: Sau giai đoạn nuôi trồng, các tế bào tảo phải được làm khô trước khi thực hiện phản ứng chuyển hóa. Hai phương pháp chuyển hóa: phương pháp hai giai đoạn và một giai đoạn Đối với phương pháp hai giai đoạn, dầu tảo sau khi tách chiết được cho phản ứng với methanol có mặt chất xúc tác, khi đó quá trình sản xuất biodiesel tương tự như đối với dầu thực vật.
Đối với phương pháp một giai đoạn (methyl hóa trực tiếp) thì dung môi có tác dụng chiết lipid (chloroform, hexan, ether…), methanol để methyl hóa acid béo và chất Câu 5. Liệt kê các loại NL tái tạo. Theo em ở VN, loại NLTT nào được khai thác nhiều và được sử dung hiệu quả nhất. Why? Các nguồn NLTT: Năng lượng địa nhiệt Năng lượng mặt trời Năng lượng gió Thủy điện Năng lượng thủy triều và sóng Theo em ở VN, thủy điện nhỏ được đánh giá là dạng Năng lượng tái tạo khả thi nhất về mặt kinh tế tài chính. Căn cứ vào các báo cáo đánh giá gần đây nhất thì hiện nay có trên 1.000 địa điểm đã được xác định có tiềm năng phát triển thủy điện nhỏ, qui mô từ 100kW tới 30MW với tổng công suất đặt trên 7.000MW, các vị trí này tập trung chủ yếu ở vùng núi phía Bắc, Nam Trung Bộ và Tây Nguyên. Thủy điện có chi phí đầu tư thấp hơn các loại năng lượng tái tạo khác, chi phí nhân công thấp bởi các nhà máy này được tự động hoá cao và có ít người làm việc tại chỗ khi vận hành thông thường Đặc điểm của địa hình các tỉnh miền núi và trung du ở nước ta là nhiều sông suối nên rất phù hợp cho phát triển thuỷ điện nhỏ Câu 6. NL hóa thạch bao gồm các loại nào. Phân tích tại sao NLHT lại được dần thay thế bằng các nguồn NL khác một cách mạnh mẽ NL hóa thạch bao gồm các loại: dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên, bitumens, oil shales (đá phiến dầu) và tar sands (cát hắc ín) NLHT lại được dần thay thế bằng các nguồn NL khác một cách mạnh mẽ • Trữ lượng nlht có hạn, phân bố ko đều => nlht dần cạn kiệt, giá cả leo thang >Yêu cầu đảm bảo an ninh năng lượng của các quốc gia • gây ô nhiễm mt => Nlht dần được thay thế bởi các nguồn nl khác (năng lượng sinh học, năng lg tái tao, năng lượng mới) Câu 7. Phân tích nguyên nhân xảy ra hoạt động kém hiệu quả của các dự án thủy điện nhỏ Chi phí đầu tư của các nhà máy thủy điện tăng rất lớn từ năm 2014 và chưa được đưa vào cân đối trong giá điện hiện hành, như tăng thuế sử dụng tài nguyên nước, chi phí môi trường rừng, từ năm 2015 các hồ thủy điện phải đóng tiền thuế sử dụng đất. Các nhà máy thủy điện nhỏ thường có hồ chứa nhỏ hoặc không có hồ chứa, chạy bằng lưu lượng cơ bản của sông suối thông thường, vì thế sự biến động của dòng nước cung cấp cho sản xuất sẽ ảnh hưởng tới việc sản xuất, đặc biệt vào mùa khô thiếu nước. Các thủy điện được xây dựng ở các tỉnh vùng sâu nhằm cung cấp điện tận nơi cho dân cư. Tuy nhiên các dự án này thường thiếu sự quản lý, chưa chú ý đến các yếu tố về xã hội, môi trường, phụ tải, hệ thống đầu nối điện, năng lực và kinh nghiệm của các nhà đầu tư, không có sự quy hoạch cụ thể nên việc hoạt động mang tính tự phát, hoạt động kém hiệu quả. Việc đầu tư dự án không phù hợp với tiến độ phát triển phụ tải và lưới điện truyền tải. Nhiều dự án thủy điện nhỏ được xây dựng không theo quy hoạch dẫn đến khi xây dựng xong không có đường đầu nối vào lưới điện quốc gia, lại phải kiến nghị chờ tập đoàn điện lực VN
giải quyết tuy nhiên cũng rất khó vì đầu tư cho lưới điện đầu nối tốn kém mà lại không hiệu quả. Câu 8: Nêu các khó khăn và thách thức ngăn cản thương mại hóa sản phẩm nhiên liệu sinh học từ tảo. + Khó khăn trong việc chọn giống vi tảo phù hợp, vi tảo được chọn phải có hàm lượng dầu cao, có khả năng sản xuất nhiên liệu + Nuôi trồng vi tảo cần điều kiện thích hợp, diện tích lớn, kỹ thuật nuôi và thu hoạch vi tảo khá phức tạp và đòi hỏi chi phí lớn + Sản xuất nhiên liệu sinh học từ tảo đòi hỏi công nghệ cao + Khó khăn trong việc sản suất thử nghiệm do đòi hỏi chi phí lớn và tính rủi ro cao + Chi phí cao trong việc chọn giống, nuôi trồng, thu hoạch vi tảo dẫn đến giá thành sản phẩm nhiên liệu sinh học sản xuất từ vi tảo sẽ cao hơn nhiên liệu hóa thạch. Câu 9: Phân tích tại sao tảo được xem là nguồn nguyên liệu bền vững cho nguyên liệu sinh học. Tảo rất dễ nuôi cấy, có thể phát triển được trong điều kiện môi trường không thuận lợi, có thể nuôi được trong nước thải, nước mặn Trong tảo có chứa lượng dầu lớn, nếu nuôi dưỡng tốt với quy mô lớn có thể tăng lượng dầu lên một cách dễ dàng Tính chất dầu từ tảo và dầu mỏ không khác nhau nhiều, hoàn toàn có thể sử dụng được cho động cơ Diện tích nuôi cấy tảo nhỏ hơn rất nhiều so với diện tích trồng các nguyên liệu sinh học khác Trong tảo còn chứa nhiều loại chất dinh dưỡng khác rất có hiệu quả kinh tế Câu 10: Các ưu điểm của tảo làm nguyên liệu cho NLSH Hàm lượng dầu cao, có thể chiếm tới 80% hàm lượng khô của sinh khối tảo. Tốc độ sinh trưởng nhanh chóng, tiết kiệm diện tích nuôi trồng và dễ thích nghi hơn với điều kiện sống. Tận dụng được cacbondioxit thải từ các nhà máy với chi phí thấp hoặc không tốn chi phí nào cả, góp phần giảm thiểu khí nhà kính làm sạch môi trường Có thể sống trong nước biển, thậm chí nước thải, đem lại lợi ích về kinh tế và môi trường. Loại bỏ các thành phần N, P và kim loại nặng như As, Cd, Cr…trong nước thải. Không cạnh tranh với đất trồng cây lương thực, đất nông nghiệp Nuôi trồng rong tảo hầu như không phát thải các chất thải thứ cấp, không tác động xấu đến môi trường, mà còn góp phần cải thiện nguồn nước tại khu vực nuôi trồng. Câu 11. Trình bày về chtrinh ngiên cứu phát triển vi tảo biến thành nguyên liệu cho biodiesel ( mục tiêu, kq nghiên cứu, kết quả đạt đc) Câu 12: Rong tảo biển có thể làm nguyên liệu cho sản xuất bioethanol không. Ưu điểm của nguyên liệu này? Kết quả của chương trình sản xuất rong tảo để làm nguyên liệu cho NLSH như thế nào? Rong tảo biển là một nguồn nguyên liệu rất dồi dào cho sản xuất Bioethanol: Thành phần chính bao gồm Carbonhydrate chiếm tỉ lệ cao Lượng ethanol sản xuất từ rong tảo vượt trội hơn hẳn các nguồn nguyên liệu khác trên cùng 1 diện tích canh tác. Ưu điểm:
Hiệu suất quang hợp trung bình lớn, từ 68% gấp 34 so với các cây trên cạn. Có thể canh tác trong các điều kiện khắc nghiệt: nước biển, nước thải các đầm phá bỏ hoang mà không yêu cầu về diện tích đất canh tác và nước ngọt như các loại cây khác. Hàm lượng Cacbonhydrat cao, chiếm khoảng 60% việc nuôi trồng rong tảo hầu như không phát thải các chất thải thứ cấp, không tác động xấu đến môi trường, mà còn góp phần cải thiện nguồn nước tại khu vực nuôi trồng. Không tạo khí nhà kính trong quá trình nuôi trồng Quá trình chuyển hóa tạo Bioethanol đơn giản, dễ dàng do không chưa ligin. 3. Kết quả chương trình sản xuất: Chưa triển khai bất cứ mô hình nào ngoài PTN. Quy mô PTN cho kết quả cứ 7 kg rong tảo khô cho ra 1 kg Bioethanol tức khoảng 1,2 lít. Giá nguyên liệu thấp nhất là 2.000 vnđ/ 1kg khô, từ đó tính được gía nguyên liệu cho 1 lít Bioethanol sản xuất từ rong tảo là khoảng 12.000 vnđ/ lít. Khi tính đến các chi phí khác thì giá thành sản phẩm sẽ cao hơn nhiên liệu hóa thạch khá nhiều. Đánh giá: Khó đưa ra được sản phẩm thương mại hóa. Câu 13: Trình bày chương trình nghiên cứu sx bioethanol từ rơm rạ trong dự án JICA (mục tiêu, nội dung nghiên cứu, kết quả) 1. Mục tiêu: Dự án JICA được thực hiện trong 5 năm (2009 2014) từ nguồn vốn (5 triệu USD) viện trợ không hoàn lại (ODA) của Nhật Bản. Mục tiêu của dự án là xây dựng và phát triển mô hình “Kết hợp bền vững nền Nông nghiệp địa phương và ngành Công nghiệp chế biến Biomass” ở khu vực miền Nam Việt Nam. Với trọng tâm là chuyển hóa các nguồn nguyên liệu Biomass để sản xuất các nhiên liệu sinh học như: bioethanol, biogas và các vật liệu có nguồn gốc sinh học. 2. Nội dung nghiên cứu: Xenlulo trong rơm rạ có cấu trúc bền chặt. Để phân hủy chúng, cần có phương pháp tiền xử lý đặc biệt để làm phá vỡ cấu trúc này, sau đó cần các chất phản ứng thân thiện với môi trường như enzym để chuyển phân tử xenlulo thành các phân tử đường. a) Tiền xử lý: Nếu phân hủy xenlulo bằng hóa chất (thường là H2SO4) , giá thành sẽ thấp hơn, nhưng trong dung dịch đường tạo ra cũng sẽ chứa một lượng hóa chất, không thuận lợi cho việc lên men cồn. Do đó, dự án này hướng đến mục tiêu không dùng hóa chất để phân hủy xenlulo. Sau nhiều thời gian nghiên cứu, cộng với sự hợp tác đồng nghiên cứu giữa các nhà khoa học Việt Nam Nhật Bản, vấn đề nan giải cũng đã được giải quyết: Phá hủy bằng công nghệ nổ hơi (dùng áp suất và nhiệt độ cao để xử lý, kèm theo việc giảm áp đột biến). Phương pháp mới này cho phép phá hủy cấu trúc xenlulo nhanh chóng, ethanol được tạo ra có hiệu suất cao hơn, đặc biệt không phát sinh chất thải độc hại. b) Thủy phân và lên men: Theo nguyên lý Le Chartelier, quá trình thủy phân sẽ chậm lại và kém hiệu quả khi nồng độ glucose tạo thành tăng lên. Tương tự, quá trình lên men sẽ khó khăn khi nồng độ glucose giảm xuống, kèm theo nồng ethanol tăng lên ở cuối quá trình. Một trong những giải pháp để cải thiện là sử dụng quá trình thủy phân và lên men đồng thời. Khi đó quá trình lên men và chuyển hóa glucose thành ethanol sẽ tạo điều kiện cho quá trình thủy phân xảy ra triệt để hơn. Ngược lại, quá trình thủy phân cung cấp glucose cho nấm men giúp quá trình lên men được tiến hành thuận lợi hơn. Khi đó, một trong
các vấn đề kỹ thuật cần giải quyết là nhiệt độ thực hiện quá trình khác nhau cho 2 khâu thủy phân (50oC) và lên men (35oC) đòi hỏi hai quá trình được thực hiện tại hai vùng riêng biệt của thiết bị. c) Tinh chế Chi phí nhiệt năng cho quá trình chưng cất là rất lớn và do đó chưng cất là một trong các khâu quyết định giá thành sản phẩm cuối cùng. Việc hạ giá thành khâu tinh chế cũng được coi là một bước đột phá trong sản xuất nhiên liệu sinh học. Về mặt nguyên lí, quá trình tách kết hợp quá trình hấp phụ nhả hấp phụ (PSA) ở nhiệt độ thường có thể giải quyết vấn đề này. 3. Kết quả: Bước đầu, tại xưởng thực nghiệm năng lượng sinh học (thuộc Dự án JICA), nhóm nghiên cứu đã cho ra lò mẻ cồn đầu tiên từ rơm rạ với hiệu suất đạt 5% (150180 kg rơm rạ tươi sẽ cho 20 lít cồn 97%). Cồn này sẽ tiếp tục chưng cất thêm để có thể pha xăng thành phẩm. Sau gần 5 năm thực hiện, các nhà khoa học đã nghiên cứu, sản xuất thành công xăng sinh học từ rơm rạ và các chất thải có nguồn gốc xenlulo. Tuy nhiên, một trong những khó khăn của dự án là giá thành xăng sinh học sản xuất từ rơm rạ khá cao, do chi phí phân hủy xenlulo trong rơm rạ lớn. Câu 14. Công nghệ sx bioethanol và biodiesel Câu 15. Trình bày NLSH thế hệ 3, các hình thức nuôi trồng tảo (kín, hở) và kết hợp xlnt thu sinh khối tảo cho nlsh Nhiên liệu sinh học thứ 3 là loại nhiên liệu được chế tạo từ các loài vi tảo trong nước, trên đất ẩm. Các hình thức nuôi trồng tảo hệ Kín và hệ Hở Hệ Kín: Hình thức nuôi trồng tảo ở bên trong các bể lên men vi sinh khối ( bioreactor) vận động bằng mấy khuấy trộn 3 chiều, tảo hấp thụ ánh sáng nhân tạo hay tự nhiên. Ưu điểm: Kiểm soát tốt các thông số kỹ thuật nhờ các thiết bị kỹ thuật hiện đại như các yếu tố vật lý (nhiệt độ, ánh sáng,..) yếu tố hóa học( pH, dinh dưỡng…) Cho năng suất thu hoạch cao Tốn ít diện tích Tránh bị tạp nhiễm Vận hành ổn định Hệ thống không bị chịu ảnh hưởng bởi Xây dựng ở bất kỳ nơi nào thời tiết Nhược điểm: Chi phí lắp đặt hệ thống thiết bị lớn Tiêu tốn năng lượng vận hành Hệ hở: thường được áp dụng ở các trang trại nuôi có qui mô lớn (công nghiệp) hoặc nuôi ở qui mô gia đình (thủ công). Vi tảo được nuôi trong môi trường dinh dưỡng đựng trong bình, chậu, bể, hệ thống ao nhiều kênh. Trong mô hình này tảo sử dụng trực tiếp ánh sáng từ mặt trời. Các trang trại qui mô lớn thường được lắp đặt hệ thống cánh quạt khuấy đảm bảo cho tảo hấp thụ tốt ánh sáng và tránh các sợi tảo bị chìm xuống đáy. Các mô hình nuôi có qui mô nhỏ thường khuấy bằng thủ công và diện tích nhỏ. Ưu điểm:
Cấu tạo đơn giản dễ thi công, xây lắp. Chi phí đầu tư thấp Tận dụng ánh sáng mặt trời giảm chi phí năng lượng. Nhược điểm. Dễ bị tạp nhiễm Dễ bị ảnh hưởng bởi thời tiết, khó nuôi khi gặp thời tiết lạnh Khó kiểm soát quy trình nuôi trồng. Tốn diện tích lớn, khó lựa chọn địa điểm phù hợp (đối với tảo nước ngọt thì chọn những khu vực cách xa khu dân cư công nghiệp, nguồn nước suối hoạc nước ngầm sạch, đối với tảo nước mặt thì chọn nuôi ở các bãi biển sạch) Kết hợp xử lý nước thải thu sinh khối tảo cho nhiên liệu sinh học: Đặc điểm dinh dưỡng tảo là dị dưỡng cacbon sử dụng cacbon hữu cơ hay cacbon dạng CO3 trong các muối. Khả năng xử lý N,P cũng rất tốt. Vì thế kết hợp nuôi trồng và xử lý nước thải hệ thống kín và hở áp dụng tốt. Cơ chế hoạt động các bể nuôi như thường, chỉ khác là nguồn nước là nước thải. Thường vi tảo kết hợp với hệ thống mương oxy hóa để xử lý nước thải thủy sản, sinh hoạt, chăn nuôi, chế biến thực phẩm… Ngoài ra còn có nuôi và thu hoạch tảo trong nước thải kết hợp với màng bán dính. Quá trình này kết hợp 3 quá trình nuôi trồng, xử lý nước thải và thu hoạch Câu 16: trình bày công nghệ sx bioethanol và biodiesel từ nglieu truyền thống. Nguyên liệu truyền thông bao gồm: Thế hệ thứ nhất: ngô, sắn, đậu nành, hạt cọ ..v..v Thế hệ thứ hai: phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ, trấu, bã mía; dầu thải, mỡ cá, phân gia súc và các chất thải khác..v..v.. 1. Nguyên liệu > xử lý sơ bộ (nghiền, cắt, phơi, sấy) > thủy phân > lên men  chưng cất > tinh chế > bioetanol 2. nguyên liệu > xl sơ bộ > nhiệt phân nhanh  bio oil  tinh chế  biofuel, biodiesel 3. nguyên liệu  xl sơ bộ  khí hóa  khí tổng hợp  biodiesel (fischertropsh) hoặc biethanol (chuyển hóa bằng vk) 4. NL  xlsb  ép tách dầu  este hóa  tách Glyxerin  loại nước  biodiesel Câu 17. Vẽ sơ đồ thể hiện tảo là nguồn nguyên liệu bền vững cho sn NLSH
Câu 18. Trình bày 1 số đặc điểm chính trong cn sx biodiesel từ tận dụng dầu mỡ đã qua sử dụng (xử lý nglieu, phtrinh phản ứng tạo biodiesel, xúc tác, làm sạch sản phẩm..) 1) Xử lý nguyên liệu( tiền xử lý) Do chứa nhiều tạp chất khác nhau nên nguyên liệu dầu ăn thải sau khi được thu gom cần trải qua các công đoạn xử lý khác nhau như lọc tách cặn rắn; tách nước, trung hòa axit béo tự do a) Lắng: Quá trình lắng dựa trên sự rơi tự do của các hạt phân tán có trong dầu dưới ảnh hưởng của trọng lực. Do chỉ dựa vào quá trình rơi trọng lực nên quá trình lắng kéo dài. Để tạo điều kiện cho quá trình lắng được nhanh thì ta nâng nhiệt độ để độ nhớt của dầu giảm và ở nhiệt độ này các hạt có kích thước nhỏ sẽ kết tụ tạo ra các hạt có kích thước lớn hơn nên dễ lắng hơn. b) Lọc: Quá trình lọc dựa trên khả năng của các vật liệu xốp chỉ cho đi qua những phần tử có kích thước nhất định. c) Tách axít béo tự do: Axít béo tự do có trong dầu là một trong những nguyên nhân làm cho dầu kém phẩm chất, các axít béo tự do thường đóng vai trò là xúc tác cho các phản ứng oxy hóa và phân ly dầu. Vì vậy, trong quá trình tổng hợp biodiesel thì yêu cầu của dầu nguyên liệu là phải có chỉ số axít nhỏ hơn 2 d) Rửa và sấy dầu: Sau khi trung hòa, ta tiến hành rửa lại bằng nước nóng 70C nhằm loại bỏ hoàn toàn xà phòng và kiềm dư còn lại. Thử nước rửa bằng giấy quỳ, rửa cho đến khi nước rửa trong và trung tính. Sau khi rửa, lắng và tách nước xong, trong dầu vẫn còn một ít nước dưới dạng hạt phân tán nhỏ, do đó cần phải sấy để tách nước. Có thể sấy ở chân không hoặc áp suất thường. Sấy dầu trong chân không sẽ cho chất lượng dầu cao hơn vì tránh dầu bị phân hủy và oxy hóa. Sau đó xác định lại chỉ số axít, chỉ số này nhỏ hơn 2 là đạt yêu cầu. 2) Phản ứng chuyển hóa dầu thải thành biodiesel: este hóa
Thực chất quá trình chuyển hóa này này gồm một loạt các phản ứng thuận nghịch nối tiếp nhau. Tức là triglyxerit chuyển hóa từng bước thành diglyxerit, rồi từ diglyxerit chuyển hóa tiếp thành monoglixerit và cuối cùng là glyxerin. 3) Xúc tác: Xúc tác sử dụng cho quá trình tổng hợp biodiesel có thể là bazơ, axit, hoặc enzym, sử dụng ở dạng đồng thể hay dị thể. 4) Làm sạch sản phẩm a) Tinh chế biodiesel thu được Sau khi tách, biodiesel còn lẫn tạp chất như metanol, glyxerin,... nên ta tiến hành rửa metyl este để tách hết các tạp chất này. Hầu hết các tạp chất này đều phân cực và tan hoàn toàn trong nước, do vậy có thể rửa sản phẩm bằng nước nóng. b) Tinh chế glyxerin Sau khi tách pha giàu glyxerin ở lớp dưới, tiến hành rửa bằng nước cất nóng để lắng tách xà phòng, xúc tác, axit béo và một lượng rất nhỏ metanol. Sau khi rửa, cho hỗn hợp glyxerin có lẫn nước vào bình chưng và chưng để tách hoàn toàn nước, ta thu được sản phẩm glyxerin tương đối tinh khiết. c) Thu hồi xúc tác: Xúc tác sau khi phản ứng được tách ra để tiến hành phản ứng tái sử dụng. Sau khi tái sử dụng nhiều lần, xúc tác mất hoạt tính thì đem xử lý để tái sinh xúc tác. Câu19: Khó khăn trong sản xuất & sử dụng xăng sinh học ( NLSH nói chung) ở Việt Nam Hiện nay nhiên liệu sinh học đang dần có những bước phát triển tại Việt Nam tuy nhiên trước mắt cả khâu sản xuất & tiêu thụ đều gặp những khó khăn: 1. Khó khăn trong sản xuất: Nguyên liệu sản xuất hiện nay chủ yếu vẫn là các cây lương thực như ngô, sắn... Hay mía. Do nhu cầu lương thực & chăn nuôi ngày một tăng, cung không đủ cầu dẫn đến giá sắn cao, đầu vào bị ảnh hưởng thì sản phẩm cũng có giá thành cao hơn. Do tính thời vụ, thu mua nhỏ lẻ, phân tán Nguồn nguyên liệu sắn không đồng đều, chưa đạt được hiệu suất chuyển hóa cao, đồng nhất Việc phát triển quá nhanh các vùng nglieu có thể gây ra những hậu quả về mt, ảnh hưởng đến phát triển bền vững, cân bằng sinh thái. Cơ sở hạ tầng cho sản xuất chưa dc xây dựng đầy đủ, nguồn nhân lực có tay nghề trong ngành còn hạn chế. Việc ứng dụng công nghệ nc ngoài vào Việt Nam cần đc thực hiện 1 cách cẩn trọng do còn phụ thuộc vao đk sinh thái VN. Chi phí công nghệ cao & cần được hỗ trợ từ chính phủ để có thể cạnh tranh vs NL hóa thạch dg dc chính phủ trợ giá. Tuy nhiên Nhà nước lại chưa ban hành đầy đủ cơ chế ưu đãi đối với việc đầu tư các dự án phát triển NLSH. Việt Nam có 7 nhà máy đang sản xuất Ethanol SH nhưng hiện có 4 nhà máy đã tạm dừng họat động do khó khăn nguồn vốn đó là nhà máy ở Phú Thọ, Quảng Nam, Đắc Nông, Bình Phước. 2. Khó khăn trong việc sử dụng Giá thành của xăng sinh học ở Việt Nam cao thương mại kém, thiếu các chính sách nhà nước
Về khâu phân phối: Chi phí đầu tư cửa hàng để chuyển đổi sang bán xăng SH khá tốn kém nên chưa mở rộng được. Hiện chỉ có 169/13.000 cửa hàng xăng có bán XSH. Do thói quen tiêu dùng NL truyền thống của người dân & thiếu hiểu biết dẫn đến có suy nghĩ xăng SH gây hại động cơ. Việc lựa chọn NLSH để sử dụng còn rất hạn chế. Câu 20: Trình bày sơ đồ dây chuyền sản xuất ethanol từ tinh bột. Viết ptrinh phản ứng kèm các điều kiện cần thiết để phản ứng xảy ra. 1.Các công đoạn chính trong quá trình sản xuất ethanol từ tinh bột (ngô, sắn) Làm sạch: Ngô, sắn được làm sạch đất, cát, bảo quản nơi khô ráo chống mối, mọt, sâu bọ. Trước khi đem nghiền, nguyên liệu được làm sạch bằng phương pháp sàng và sức gió, dung máy khử từ để tách kim loại. Nghiền nguyên liệu: để phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật, tạo điều kiện giải phóng các hạt tinh bột ra khỏi các mô. (quá trình phân chia vật rắn thành các phần tử nhỏ). Hiện nay thường sử dụng máy nghiền búa để nghiền nguyên liệu thành bột và cho vào nồi nấu sơ bộ nhờ băng tải hoặc gầu tải.
Nấu nguyên liệu: Là phá vỡ màng tế bào tinh bột và biến tinh bột thành trạng thái hoà tan trong nước. Hiện nay, trên thế giới có hai xu hướng về nhiệt độ nấu là 145155 0C trong thời gian dài hoặc 1701800C trong thời gian ngắn. Trong quá trình nấu tinh bột sẽ được trương nở và hồ hoá. Nguyên liệu tinh bột sau khi được hồ hoá được làm nguội về nhiệt độ 60 0C ( 20C) để thực hiện quá trình đường hoá. Tác nhân VSV: Nấm men, Nấm mốc, Vi khuẩn Zymomonas mobilis… Hệ Vi Sinh Vật trong lên men cồn thường sử dụng một số chủng như: Saccharomyces cerevisiae, Sac.uvarum, Schizosaccharomyces pombe, và Kluverromyces sp. Đường hóa nguyên liệu: là quá trình dùng enzyme amylaza để chuyển hóa tinh bột thành đường dễ lên men. Quá trình này quyết định phần lớn hiệu suất thu hồi bioethanol Ptpu: Tinh bột + H2O (C6H10O5)n C12H22O11 C6H12O6 (glucozo) Lên men: phương trình tổng quát sau: C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + Q Glucose chuyển hóa thành pyruvat, sau đó pyruvate sẽ chuyển thành ethanol theo các pt sau: Lên men có thể được thực hiện bằng phương pháp lên men gián đoạn, hoặc liên tục: Phương pháp lên men gián đoạn: Là cả quá trình lên men từ đầu đến cuối được thực hiện trong cùng một thiết bị; thời gian lên men khoảng 6880 giờ ở nhịêt độ 36370C. Đặc điểm của phương pháp lên men bán liên tục là giai đoạn lên men chính thực hiện liên tục và xảy ra trong nhiều thùng lên men (thường là 6 thùng) và thời gian này kéo dài 6062giờ, giai đoạn cuối gián đoạn. Phương pháp lên men liên tục: Là rải đều các giai đoạn lên men mà mỗi giai đoạn đó được thực hiện trong một hoặc nhiều thiết bị lên men có liên hệ với nhau. Hệ thống lên men liên tục thường có 1112 thùng được nối với nhau bằng các ống chảy chuyền và van điều chỉnh. Kết thúc quá trình lên men ta thu được dấm chín với nồng độ rượu khoảng 79%. Quá trình chưng cất và tinh chế: Mục đích: tách ethanol thành phẩm ra khỏi hỗn hợp sau lên men. Sản phẩm sau quá trình chưng cất có thể đạt tới độ cồn là 95,6%. Để thu được cồn tinh khiết, người ta thực hiện hai quá trình là chưng cất và tinh chế. Hai quá trình này được thực hiện trên các tháp chưng cất và tháp tinh chế. Các phương pháp chưng có thể sử dụng là: chưng cất trong môi trường chân không, chưng cất phân đoạn với cấu tử thứ 3 là benzen, hấp phụ rây phân tử, dung màng siêu lọc, bốc hơi thẩm thấu qua màng lọc, dung Na2SO4, CaSO4 khan để hấp thụ nước. Quá trình chưng cất tách cồn cùng với các tạp chất dễ bay hơi ra khỏi dấm chín; Quá trình tinh chế tách tạp chất ra khỏi cồn thô và cuối cùng ta nhận được cồn tinh chế.
TIỂU LUẬN 1. Biodiesel từ mỡ thải Dầu ăn thải có đặc điểm là đã được gia nhiệt nhiều lần nên có màu sẫm và bị biến chất. Thành phần của dầu phức tạp, ngoài thành phần dầu mỡ ra còn lẫn nhiều tạp chất khác nhau như: muối, tạp chất cơ học, cặn cacbon, nước và các chất hữu cơ khác... Hàm lượng cặn rắn: Khi dùng dầu chiên thức ăn bị cháy đen sẽ tạo cặn carbon trong dầu, cặn này sẽ bám lên bề mặt xúc tác làm giảm hoạt mất hoạt tính xúc tác. Hàm lượng muối ăn trong dầu thải: Trong quá trình chiên thực phẩm, người ta thường ướp muối ăn, nên trong dầu ăn thải có chứa một lượng muối nhất định. Lượng muối này ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp biodiesel nên cần được xác định. Chỉ số axít béo tự do: Chỉ số axít (AV) được định nghĩa là số miligam KOH cần thiết để trung hòa hết tất cả các axít béo tự do chứa trong 1 gam mẫu. Chỉ số AV của dầu ăn thải không cố định, dầu càng biến chất thì AV càng cao. Đây là chỉ số rất quan trọng đối với dầu sử dụng làm nguyên liệu sản xuất biodiesel. Chỉ số AV càng cao tức là lượng axít béo trong dầu càng nhiều, nếu dùng trực tiếp tổng hợp biodiesel sẽ gây phản ứng xà phòng hóa, làm giảm hiệu suất phản ứng. Tỷ trọng của dầu thải: Tỷ trọng là một đại lượng đặc trưng cho độ nặng nhẹ của dầu, được đo bằng khối lượng trên một đơn vị thể tích nguyên liệu. Độ nhớt: Độ nhớt là một đại lượng vật lý đặc trưng cho trở lực do ma sát nội tại sinh ra giữa các phân tử khi chúng có sự chuyển động trượt lên nhau. Vì vậy, độ nhớt có liên quan đến khả năng thực hiện các quá trình bơm, vận chuyển chất lỏng trong các hệ đường ống. Độ nhớt động học được xác định theo phương pháp ASTM D445 (TCVN 31711995). Bảng 1: Một số tính chất của dầu đậu nành (đã hydro hóa một phần) trước và sau khi gia nhiệt ở nhiệt độ cao (đun nóng ở 1950 C trong 80 giờ) Tính chất Dầu mới Dầu đã gia nhiệt Chỉ số iod 108,9 103,1 Chỉ số xà phòng hóa 191,4 195,6 Axit béo tự do 0,03 0,59 Chỉ số hydroxy 2,25 9,34 DG 1,18 2,73 Bảng 2: Hàm lượng các axit béo trong dầu ăn thải Bảng 3. Các chỉ tiêu chất lượng của dầu ăn thải
Công nghệ sản xuất Tiền xử lý: Lắng, lọc (C18) Việc tách axit béo tự do trong dầu cần đảm bảo các điều kiện: • Tác nhân trung hòa phải nhanh chóng phản ứng với axit béo tự do, không tác dụng với dầu trung tính; • Hỗn hợp phân lớp nhanh và triệt để, dầu trung tính nhanh chóng tách ra khỏi tạp chất; • Không tạo thành hệ nhũ tương bền. Tác nhân trung hòa thường dùng các loại kiềm như NaOH, KOH,… hoặc các loại muối kiềm như Na2CO3… Mỗi tác nhân đều có ưu, nhược điểm riêng, nên cần phải lựa chọn tác nhân phù hợp. Hiệu quả của quá trình trung hòa được đánh giá bằng chỉ số axít của dầu sau khi trung hòa. Mặt khác MeOH còn tác dụng với triglyxerit: Phản ứng này làm tổn hao dầu mỡ, nên trong quá trình trung hòa dầu, mỡ bằng kiềm thì nhiệt độ, nồng độ của dung dịch kiềm phải thích hợp để hạn chế phản ứng này xảy ra. Để tiến hành trung hòa trước hết phải xác định chỉ số axít của dầu, từ đó chọn nồng độ dung dịch kiềm thích hợp và tính được lượng kiềm vừa đủ để tác dụng với lượng axít béo tự do có trong dầu thải. Phương pháp chuyển hóa este tạo biodiesel là sự lựa chọn tốt nhất vì các đặc tính của các alkyl este rất gần với nhiên liệu diesel thông dụng và các quá trình này cũng tương đối đơn giản, chi phí không cao. Hơn nữa, các alkyl este có thể cháy trong động cơ mà không cần thay đổi chi tiết của động cơ với sự tạo cặn thấp.
Sản phẩm của quá trình là hỗn hợp các alkyl este, glyxerin, ancol, tri, di, monoglyxerin chưa phản ứng hết. Các monoglyrexit là nguyên nhân làm cho hỗn hợp sản phẩm bị mờ đục. Glyxerin dễ dàng được tách ra khỏi este và sử dụng trong các ngành công nghiệp khác. Este sau khi tách khỏi glyxerin được đưa đến khâu trung hòa và qua tháp tách methanol. Ở khâu trung hòa, người ta dùng axít như H2SO4 hay H3PO4 để trung hòa lượng xúc tác kiềm dư và lượng xà phòng tạo thành. Tất cả lượng dư xúc tác, xà phòng, muối, methanol và glyxerin tự do được tách khỏi biodiesel bằng quá trình rửa nước. Trung hòa bằng axít trước khi rửa nước nhằm giảm tối đa lượng xà phòng và lượng nước rửa cần dùng, do đó hạn chế được quá trình tạo nhũ tương gây khó khăn cho việc tách nước khỏi biodiesel. Biodiesel được làm sạch nước trong tháp bay hơi. Nếu sản xuất ở qui mô nhỏ người ta thường dùng các muối khô để hút nước. Một số nguồn nguyên liệu chứa một lượng lớn axit béo tự do. Axít béo tự do phản ứng với xúc tác kiềm sinh ra xà phòng và nước. Khi hàm lượng axít béo tự do lớn hơn 5%, cần dùng thêm xúc tác để trung hòa axit béo tự do. Vì lượng axít béo tự do lớn thì lượng xà phòng tạo ra nhiều làm chậm quá trình tách pha este và glyxerin, đồng thời tăng mạnh sự tạo nhũ tương trong quá trình rửa nước. Để giảm hàm lượng axít béo tự do, trước phản ứng transester hóa, người ta dùng xúc tác axít như H2SO4 hay bazơ chuyển hóa axit béo tự do. Vì vậy, hàm lượng axít béo tự do là yếu tố chính trong việc lựa chọn công nghệ cho quá trình sản xuất biodiesel. Xúc tác đồng thể axit: Xúc tác axít chủ yếu là xúc tác Bronsted như H 2SO4, HCl,... Các xúc tác này thườ ng là xúc tác đồng thể trong pha lỏng. Các xúc tác axít cho độ chuyển hóa thành este cao, nhưng phản ứng chỉ đạt độ chuyển hóa cao khi nhiệt độ cao trên 100 oC và thời gian phản ứng lâu hơn, ít nhất trên 6 giờ mới đạt độ chuyển hóa hoàn toàn. Ví dụ: khi sử dụng xúc tác H2SO4 nồng độ 1 5 % với tỷ lệ methanol :dầu đậu nành là 30:1 tại 60oC mất 50 giờ mới đạt độ chuyển hóa 99 % . Xúc tác này có ưu điểm là quá trình tinh chế sản phẩm đơn giản, este hóa axít béo xảy ra nhanh hơn. Còn phản ứng chuyển hóa este của triglyxerit trên xúc tác axít xảy ra chậm hơn, thời gian phản ứng lâu hơn muốn đẩy nhanh tốc độ chuyển hóa phải tăng nhiệt độ, quá trình rửa sản phẩm khó khăn. Bazơ: Xúc tác bazơ đồng thể thường được sử dụng nhất vẫn là các bazơ mạnh như NaOH, KOH, Na2CO3,…vì xúc tác này cho độ chuyển hóa rất cao, thời gian phản ứng ngắn (từ 1 – 1,5 giờ), nhưng yêu cầu không được có mặt của nước trong phản ứng vì dễ tạo xà phòng gây đặc quánh khối phản ứng, giảm hiệu suất tạo biodiesel, gây khó khăn cho quá trình sản xuất công nghiệp. Quá trình tinh chế sản phẩm khó khăn. Xúc tác dị thể: Xúc tác MgO, CaO: đây cũng là xúc tác bazơ nhưng sử dụng ở dạng rắn. Hiệu suất thu biodiesel trên xúc tác này thấp hơn so với NaOH hay KOH. Để nâng cao hoạt tính của xúc tác dị thể như MgO, CaO, có thể hoạt hóa MgO, CaO bằng NaOH hoặc trên Al2O3. Việc dị thể hóa xúc tác sẽ dẫn đến dễ lọc, rửa sản phẩm, mặt khác xúc tác này có thể tái sử dụng và tái sinh đượ c, sẽ nâng cao hiệu quả kinh tế và giảm số lần cần phải xử lý môi trườ ng Xúc tác nhựa trao đổi cation Amberlyts 15, titanium silicat TIS: xúc tác dạng này mới được nghiên cứu, hoạt tính xúc tác còn thấp. Xúc tác Na/NaOH/gAl2O3: để thay thế xúc tác NaOH đồng thể, một số tác giả đã nghiên cứu điều chế được xúc tác dị thể dạng Na/NaOH/gAl2O3
Xúc tác HZSM5: hiện nay đã tổng hợp được diesel sinh học trên hệ xúc tác HZSM5. Xúc tác dạng này thường được sử dụng trong phản ứng điều chế diesel sinh học theo phương pháp hydrocraking. Xúc tác RhAl2O3: thường sử dụng trong phản ứng hydrocracking dầu nành. Sản phẩm thu được ngoài diesel sinh học còn có xăng và các sản phẩm khác. Xúc tác enzym Các xúc tác sinh học có đặc tính pha nền, đặc tính nhóm chức và đặc tính lập thể trong môi trường nước. Cả hai dạng lipaza ngoại bào và nội bào đều xúc tác một cách có hiệu quả cho quá trình trao đổi este của triglyxerit trong môi trường nước hoặc không nước, những sản phẩm phụ như: methanol và glyxerin có thể được tách ra khỏi sản phẩm một cách dễ dàng mà không cần bất kỳ một quá trình nào phức tạp, đồng thời các axit béo tự do có chứa trong dầu mỡ sẽ được chuyển hóa hoàn toàn thành metyl este. Sử dụng xúc tác enzym có ưu điểm là độ chuyển hóa cao nhất, thời gian phản ứng ngắn nhất, quá trình tinh chế sản phẩm đơn giản. Nhưng xúc tác này chưa được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vì xúc tác enzym có giá thành rất cao. Xúc tác đồng Xúc tác dị thể Xúc tác enzym thể Ư Độ chuyển Giá thành rẻ do Độ chuyển hóa cao u hóa cao. tái sử dụng và tái Thời gian phản ứng nhanh. đi Thời gian sinh được xúc tác. Xúc tác có thể tái sử dụng nhiều lần. ể phản ứng Tách lọc sản m Tỷ lệ alcol/ dầu thấp hơn. nhanh. phẩm dễ hơn. Điều kiện phản ứng nhẹ nhàng (3540oC). Hạn chế phản Thu hồi glyxerin dễ dàng. ứng xà phòng hóa. N Tách rửa sản Độ chuyển hóa Giá thành đắt. h phẩm phức thấp hơn. Chưa được sử dụng rộng rãi trong ư tạp. Thời gian phản công nghiệp. ợ Dễ tạo sản ứng dài hơn. c phẩm phụ là xà đi phòng, gây khó ể khăn cho phản m ứng tiếp theo. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng este hóa, chất lượng sản phẩm Lượng nước và các axít béo tự do trong nguyên liệu + Nguyên liệu cần phải có trị số axít thấp, phải được làm khan hoàn toàn. + Hàm lượng nước phải rất nhỏ (nước có tác hại vì gây ra phản ứng xà phòng hóa, làm tiêu tốn và giảm hiệu suất phản ứng). Mặt khác, glyxerin sinh ra làm tăng độ nhớt, tạo gel làm quá trình tách pha glyxerin gặp khó khăn. Nếu lượng glyxerin nhiều có thể làm cho khối phản ứng đông đặc lại. Như vậy hàm lượng nước và axit béo tự do trong nguyên liệu có ảnh hưởng rất mạnh đến hiệu suất chuyển hóa của quá trình trao đổi este. Do vậy công nghệ sản xuất diesel sinh học phụ thuộc rất nhiều vào nguồn nguyên liệu. Nếu nguyên liệu có hàm lượng nước và axít béo tự do cao thì nhất thiết phải qua công đoạn xử lý sơ bộ trước khi đưa vào phản ứng. Nhiệt độ phản ứng
Phản ứng trao đổi este có thể tiến hành ở các nhiệt độ khác nhau phụ thuộc vào loại dầu sử dụng. Nhiệt độ càng cao thì tốc độ tạo thành metyl este càng cao. Đối với các loại dầu thông dụng, nhiệt độ thường nằm trong khoảng 55oC đến 70oC. Thông thường phản ứng xảy ra tốt nhất ở gần nhiệt độ sôi của rượu. Vì khi nhiệt độ quá cao tốc độ tạo thành gyxerin sẽ tăng lên, vì nhiệt độ sôi của methanol là 64,7oC nên nhiệt độ quá cao sẽ làm bay hơi methanol dẫn đến độ chuyển hòa của phản ứng sẽ giảm xuống . Tốc độ khuấy Do các chất phản ứng tồn tại trong hai pha tách biệt nên tốc độ khuấy trộn đóng vai trò rất quan trọng. Để tăng khả năng tiếp xúc pha, người ta thường sử dụng cách khuấy trộn cơ học. Có nhiều nghiên cứu chứng minh rằng: với cùng một điều kiện phản ứng, phản ứng trao đổi este mỡ cá chỉ đạt hiệu suất chuyển hóa 40 % sau 8 giờ, phản ứng với tốc độ khuấy 300 vòng/phút, trong khi ở tốc độ khuấy 600 vòng/phút, độ chuyển hóa đạt 97 % chỉ sau gần 2 giờ Thời gian phản ứng Thời gian phản ứng từ khi bắt đầu đến khi đạt cân bằng rất khác nhau đối với từng loại xúc tác. Vì đây là phản ứng thuận nghịch nên nếu thời gian quá ngắn phản ứng chưa đạt đến trạng thái cân bằng, độ chuyển hóa thấp, còn nếu quá dài sẽ xảy ra phản ứng xà phòng hóa đối với xúc tác kiềm.
Tỷ lệ mol alcol: dầu Một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng tới khả năng chuyển hóa phản ứng là tỷ lệ mol alcol và triglyxerit. Tỷ lệ phụ thuộc vào loại xúc tác sử dụng. Theo lý thuyết tỷ lệ này là 3 mol alcol và 1mol triglyxerit để tạo thành 3 mol este của axit béo và 1mol glyxerin. Trên thực tế phản ứng xảy ra với hiệu suất cao hơn nếu s ử dụng một lượng thừa rượu để phản ứng chuyển dịch cân bằng theo chiều thuận. Chất xúc tác
Các loại xúc tác với hoạt tính khác nhau nên lượng cần dùng khác nhau. Ngoài ra lượng xúc tác còn phụ thuộc vào nguyên liệu, nguyên liệu càng sạch hiệu suất càng cao. Công nghệ sản xuất biodiesel Các kỹ thuật thực hiện phản ứng chuyển hóa este tạo biodiesel thường được tiến hành theo những phương pháp sau: + Phương pháp khuấy gia nhiệt Đây là phương pháp cổ điển, rất thường được sử dụng, do đầu tư thấp. Phương pháp này cơ bản sử dụng thiết bị khuấy (khuấy cơ học hoặc khuấy từ) kết hợp với gia nhiệt trực tiếp bằng bếp, hơi nước hay điện trở…phương pháp này dễ thực hiện, nếu xúc tốt có thể đạt độ chuyển hóa rất cao, tuy nhiên đòi hỏi thời gian phản ứng dài. + Phương pháp siêu âm Phương pháp này hiện nay đang được nghiên cứu và áp dụng rất nhiều, do gia nhiệt nhanh và hệ thống tự động khuấy trộn dưới tác dụng của sóng siêu âm. Dùng sóng siêu âm ta sẽ tiết kiệm được rất nhiều thời gian phản ứng và đạt được hiệu suất phản ứng cao nhất. Tuy nhiên, phương pháp này tương đối phức tạp và khó ứng dụng trong công nghiệp, do chi phí đầu tư cho một thiết bị siêu âm có năng suất cao là rất lớn nên phạm vi của phương pháp này vẫn bị giới hạn trong phòng thí nghiệm. + Phương pháp vi sóng Phương pháp này cơ bản giống phương pháp khuấy gia nhiệt, chỉ khác ở chỗ dùng lò vi sóng để gia nhiệt cho hệ thống. Phương pháp này cho hiệu suất tương đối cao, và rút ngắn được thời gian phản ứng. Cũng giống như phương pháp siêu âm, phương pháp này khó áp dụng, do rất khó đầu tư một thiết bị vi sóng có công suất lớn. + Phương pháp sử dụng môi trường alcol siêu tới hạn Đây là phương pháp mới cũng dựa trên cơ sở của phản ứng chuyển đổi este, cũng thực hiện giữa triglyxerit và alcol. Điểm đặc biệt của phương pháp này là methanol ở điều kiện siêu tới hạn, tức là ở áp suất và nhiệt độ tới hạn (áp suất và nhiệt độ cao). Phản ứng trong môi trường methanol siêu tới hạn có thể dùng xúc tác, có thể không cần.
Công nghệ sản xuất có thể thực hiện gián đoạn hay liên tục hay kết hợp cả liên tục và gián đoạn. Đặc tính của biodiesel từ dầu ăn thải 2. Biodiesel từ chất thải Hằng ngày một lượng lớn nước thải được thải ra, đây là nguồn kết hợp của nước thải sinh họat , nước thải công nghiệp và các nguồn nước mặt chảy tràn khác. Trong nguồn nước thải đô thị này chưa một lượng lớn lipid trong váng dầu mỡ hay bùn thải được lấy ra từ các nhà máy xử lý nước thải. Nếu trong lipid tự nhiên là hỗn hợp có chứa triglicerides, diglicerides, monoglicerides, FFA, photpholipid thì tring bùn thải có chứa một lượng đáng kể các hốn hợp của lipid như mỡ, chất béo, và các axit béo tự do mạch dài; các nguồn lipid này có thể chiết xuất và chuyển đổi thành biodiesel. Theo nghiên cứu của Khoa Vi sinh và Công nghệ sinh học trường đại học Bangalore, chiết xuất lipid từ bùn thải từ 2 điạ điểm là Hebbala, Nayadahalli ở Bangalore cả mùa hè và mùa mưa là rất lớn. Lương lipid lớn nhất trong bùn thải vào mùa hè là 785mg/g ở Hebbala, 486mg/g ở Nayadahalli. Bảng1. Bảng so sánh tính chất của lipid chiết xuất từ bùn thải tại Hebbala và Nayadahalli Thông Hebbal Nayadahalli số a Mù Mùa Mùa Mùa a mưa hè mưa hè Lipid (mg/g) 785 650. 486 556 .0 0 Độ nhớt (mm2/S) 40. 42.2 38.6 39.8 5 9 5 Tỷ trọng( kg/m3) 1.10 1.05 1.21 1.14 Độ axit (mg 2.3 2.22 3.24 2.12 KOH/g) 4 I2 ((g I2/100g) 62. 64.5 83.2 74.5 4 0 FFA (%) 0.8 0.95 1.10 0.87 9 Axit Capric ( %) 3.5 3.30 3.02 3.00 2 Axit Lauric (%) 3.3 3.00 2.98 2.81