Tài liệu Pptttt

Đồ án công nghệ 2 -1- GVHD: Bùi Viết Cường MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU....................................................................................................................4 Chương 1............................................................................................................................5 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM....................................................5 1.1. Tình hình sản xuất và sử dụng bio-etanol trên thế giới ........................................5 1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng bio-etanol ở Việt Nam...........................................6 1.3. Tổng quan về nguyên liệu.......................................................................................7 1.3.1. Nguyên liệu sắn.................................................................................................7 1.3.2. Nước ...............................................................................................................12 1.3.3. Nấm mốc.........................................................................................................13 1.3.4. Nấm men ........................................................................................................14 1.3.5. Các chất hỗ trợ kỹ thuật.................................................................................15 1.4. Tổng quan về bio-etanol......................................................................................17 1.4.1. Vài nét về lịch sử, sử dụng nhiên liệu bio-etanol...........................................17 1.4.2. Lợi ích khi sử dụng etanol..............................................................................17 1.4.3. Hạn chế khi sử dụng nhiên liệu etanol...........................................................18 1.4.4. Tính chất cơ bản của etanol...........................................................................19 1.4.5. Phương pháp sản xuất etanol ........................................................................21 1.5. Các cơ chế và biến đổi xảy ra trong quá trình sản xuất bio-etanol.....................23 1.5.1. Những biến đổi trong quá trình nấu .............................................................23 1.5.2. Cơ chế và động học của quá trình lên men rượu...........................................24 1.5.2.1. Cơ chế quá trình lên men rượu ......................................................................24 1.5.2.2. Động học quá trình lên men rượu .................................................................25 1.5.3. Nguyên lý chưng cất và tinh chế....................................................................25 1.6. Phương pháp sản xuất...........................................................................................28 1.6.1. Phương pháp nấu............................................................................................28 1.6.2. Phương pháp đường hoá................................................................................31 1.6.3. Phương pháp lên men ....................................................................................33 1.6.3. Phương pháp tách nước tạo cồn khan...........................................................35 Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 -2- GVHD: Bùi Viết Cường Chương 2..........................................................................................................................39 CHỌN VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ......................................39 2.1. Sơ đồ dây chuyền công nghệ................................................................................39 2.2. Thuyết minh dây chuyền công nghệ.....................................................................40 2.2.1. Làm sạch ........................................................................................................40 2.2.2. Nghiền nguyên liệu.........................................................................................41 2.2.3. Nấu nguyên liệu..............................................................................................42 2.2.4. Phun dịch hoá ................................................................................................44 2.2.5. Đường hoá .....................................................................................................44 2.2.6. Lên men ..........................................................................................................45 2.2.7. Chưng cất .......................................................................................................47 2.2.8. Tách nước......................................................................................................49 Chương 3..........................................................................................................................52 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT.....................................................................................52 3.1. Kế hoạch sản xuất.................................................................................................52 3.2. Tính cân bằng sản phẩm........................................................................................52 3.2.1. Các thông số ban đầu.....................................................................................52 3.2.2.Tính toán cân bằng vật chất............................................................................53 Chương 4..........................................................................................................................64 TÍNH VÀ CHỌN THIẾT BỊ...........................................................................................64 4.1. Phểu chứa..............................................................................................................64 4.2. Sàng làm sạch........................................................................................................65 4.3. Máy nghiền............................................................................................................66 4.4. Gàu tải...................................................................................................................66 4.5. Bunke chứa sắn sau khi nghiền.............................................................................67 4.6. Cân định lượng......................................................................................................68 4.7. Nồi nấu sơ bộ........................................................................................................68 4.8. Bơm dịch cháo đi phun dịch hóa..........................................................................70 4.9. Thiết bị phun dịch hóa...........................................................................................71 4.10. Nồi nấu chín........................................................................................................71 Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 -3- GVHD: Bùi Viết Cường 4.11. Phao điều chỉnh mức...........................................................................................72 4.12. Thiết bị tách hơi..................................................................................................73 4.13. Thùng đường hóa................................................................................................74 4.14. Thiết bị làm nguội ống lồng ống.........................................................................76 4.15. Thùng lên men.....................................................................................................78 4.16. Thùng nhân giống cấp 2......................................................................................79 4.17. Thùng nhân giống cấp 1......................................................................................80 4.18. Thùng chứa giấm chín.........................................................................................81 4.19. Thiết bị hấp thụ cồn trong CO2 ...........................................................................82 Chương 5..........................................................................................................................85 TÍNH NHIỆT – HƠI – NƯỚC........................................................................................85 5.1. Tính hơi.................................................................................................................85 5.1.1. Tính nhiệt cho nồi nấu sơ bộ..........................................................................85 5.1.2. Tính nhiệt cho thiết bị phun dịch hóa.............................................................88 5.1.3. Tính nhiệt cho nồi nấu chín............................................................................88 5.1.4. Tính và chọn lò hơi.........................................................................................91 5.1.5. Tính nhiên liệu................................................................................................92 5.2. Tính nước..............................................................................................................92 5.2.1. Nước dùng cho phân xưởng nấu....................................................................92 5.2.2. Nước dùng cho đường hóa.............................................................................92 5.2.3. Nước dùng cho thiết bị làm nguội ống lồng ống............................................93 5.2.4. Nước dùng cho phân xưởng lên men..............................................................93 5.2.5. Nước cho lò hơi..............................................................................................97 TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................98 LỜI MỞ ĐẦU Năng lượng là vấn đề sống còn của toàn nhân loại. Con người đang khai thác đến mức cao nhất các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí thiên nhiên, than đá…), lượng tiêu thụ từ ba nguồn cung cấp này đã và đang tăng lên hàng năm, thậm chí là tăng rất nhanh. Với tốc độ tiêu thụ như hiện nay, các nguồn cung này sẽ cạn kiệt Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 -4- GVHD: Bùi Viết Cường trong vài chục năm nữa. Để đối phó với tình hình đó, con người đã tìm ra các nguồn năng lượng mới thay thế như : Quang năng, phong năng, thủy năng, địa năng, năng lượng hạt nhân và năng lượng sinh học. Năng lượng sinh học sẽ góp phần đa dạng hóa nguồn năng lượng, thúc đẩy tăng trưởng kinh tế, giảm thiểu ô nhiễm nhà kính. Với công nghệ sản xuất không quá phức tạp, tận dụng được nguyên liệu tại chỗ, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, tạo việc làm và tăng thu nhập cho người lao động nên công nghệ sản xuất bio-etanol đang được nhiều nước trên thế giới quan tâm và đầu tư mạnh vào lĩnh vực này. Nguồn nguyên liệu để sản xuất bio-etanol chủ yếu từ các nguyên liệu chứa đường, tinh bột, xenlulose… tuỳ theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia mà chọn nguồn nguyên liệu phù hợp nhất để sản xuất. Ở Việt nam, các nguồn nguyên liệu thích hợp thích hợp có thể sản xuất bio-etanol là mía, sắn, gạo, ngô, rơm rạ và rỉ đường. Trong đó sắn là một nguồn nguyên liệu có ưu thế: Khả năng canh tác dễ dàng, quy hoạch vùng nguyên liệu thuận lợi, hàm lượng tinh bột cao và hệ số chuyển đổi thấp, chi phí nguyên liệu đầu vào thấp nên giá bio-etanol có khả năng cạnh tranh tốt hơn so với các loại nguyên liệu khác. Vì vậy trong đồ án công nghệ II này tôi chọn đề tài “Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ ngày từ nguyên liệu sắn lát khô ” Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM 1.1. Tình hình sản xuất và sử dụng bio-etanol trên thế giới [13] Braxin đang là nước đi đầu về sản xuất nhiên liệu sinh học (biofuel), với sản lượng tiêu thụ etanol đạt tới 14÷15 triệu tấn/ năm Ngoài Braxin, rất nhiều nước khác trên thế giới cũng lựa chọn con đường sản xuất biofuel để giảm ngân sách dành cho nhập khẩu dầu mỏ. Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 -5- GVHD: Bùi Viết Cường Với sản lượng etanol sản xuất một năm hơn 20 tỷ lít, Mỹ trở thành nước sản xuất etanol lớn thứ hai thế giới sau Braxin. Là nước sản xuất etanol lớn thứ ba thế giới, Trung Quốc đang xây dựng các nhà máy sản xuất etanol sinh học lớn nhất thế giới từ ngô và đang sản xuất thí điểm biofuel từ sắn, mía và khoai tây. Ở châu Á, Thái Lan đang xây dựng hơn một chục nhà máy sản xuất etanol từ mía và trấu. Liên hiệp châu Âu (EU) đặt mục tiêu tăng tỷ lệ nhiên liệu xanh lên 6% vào năm 2015. Nhằm mục tiêu nói trên, EU trợ cấp 45 euro cho nông dân đối với mỗi ha trồng các loại cây nhiên liệu. Tại gần 30 nước khác, từ Ấn Độ, Indonesia, Malaysia đến Ghana Malawi… diện tích trồng các loại cây nhiên liệu như cọ dầu, đậu tương, dừa để sản xuất biofuel ngày càng tăng. Ngày càng nhiều chính phủ trên khắp thế giới yêu cầu sử dụng biofuel pha trộn với các loại nhiên liệu khác để giảm phát thải lượng khí gây hiệu ứng nhà kính. Các hãng dầu mỏ lớn như Shell và British Petroleum cũng đầu tư mạnh vào việc sản xuất biofuel. Shell trở thành nhà phân phối lớn nhất thế giới cung cấp etanol sinh học thông qua mạng lưới các trạm bán xăng của hãng trên toàn cầu. Các công ty nhu Du Pont và Volkswagen cũng vào cuộc, chiếm một phần trong thị trường trị giá hơn 20 tỷ USD này. Các nhà phân tích cho rằng tuy biofuel mới chiếm tỷ lệ nhỏ so với nhiên liệu hoá thạch được sử dụng hiện nay, nhưng do giá dầu mỏ không ngừng tăng cao, mối quan tâm bảo vệ môi trường sống cũng như vấn đề an ninh năng lượng trong tương lai khiến cho sản xuất etanol nói riêng và biofuel nói chung rất có triển vọng. Ngay cả khi nhiều nước trên thế giới quan tâm sử dụng nhiên liệu hydro, biofuel vẫn sẽ là nguồn nhiên liệu thay thế dầu mỏ trong một tương lai không xa. Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 -6- GVHD: Bùi Viết Cường 1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng bio-etanol ở Việt Nam Tại Việt Nam vấn đề nghiên cứu sản xuất và sử dụng biofuel cũng là một trong những định hướng lớn của Nhà nước. Song do nhiều nguyên nhân mà trong nhiều năm qua vấn đề này vẫn dậm chân tại chỗ và kết quả thu được vẫn còn rất nghèo nàn. Đến nay vấn đề này lại được xới lên và đã có một số dự án đang được thực hiện có kết quả bước đầu. Chỉ trong vòng hơn 1 tháng, tại Việt Nam đã chứng kiến 2 sự kiện quan trọng trong việc phát triển etanol nhiên liệu. Đó là:  Ngày 09/03/2007 Petrosetco (thuộc PetroVietnam) ký kết thỏa thuận hợp tác thành lập liên doanh xây dựng nhà máy sản xuất etanol sinh học đầu tiên tại Việt Nam với tập đoàn Itochu của Nhật Bản. Toàn bộ sản phẩm của nhà máy là cồn 99,8% sẽ cung ứng cho thị trường trong nước để pha vào xăng, phục vụ cho các hoạt động công nghiệp và giao thông vận tải. Với công suất 100 triệu lít etanol/năm, liên doanh giữa Petrosetco & Itochu mới đáp ứng được 1/7 nhu cầu hiện tại. Trong tương lai Petrovietnam sẽ xây dựng ít nhất 6 nhà máy với nguồn nguyên liệu đầu vào không chỉ là sắn lát mà còn từ mật rỉ, ngô và gạo. Có thể nói việc ra đời liên doanh giữa Petrosetco & Itochu trong dự án này là bước ngoặc quan trọng mở đường cho sự phát triển của xăng pha cồn nói riêng và nhiên liệu sinh học nói chung ở Việt Nam  Không lâu sau lễ ký liên doanh giữa Petrosetco & Itochu, Việt Nam đã có thêm một nhà máy sản xuất etanol khan nữa. Ngày 12/04/2007, công ty Đồng Xanh hợp tác với UBNN tỉnh Quảng Nam tiến hành khởi công xây dựng nhà máy sản xuất etanol 99,5% tại Đại Tân, Đại Lộc, Quảng Nam. Mặc dù sản phẩm của nhà máy không trực tiếp phục vụ cho nhu cầu trong nước mà được đưa đi xuất khẩu nhưng sự ra đời của nhà máy đã khuấy động phong trào sản xuất etanol khan ở nước nhà mà đáng lẽ ra nó phải được phát triển từ lâu 1.3. Tổng quan về nguyên liệu 1.3.1. Nguyên liệu sắn 1.3.1.1. Giới thiệu về sắn Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 -7- GVHD: Bùi Viết Cường Sắn có tên khoa học: Manihot Esculenta Crantz, là cây lương thực ưa ẩm có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới của châu Mỹ La Tinh (Crantz, 1976). Ở châu Á, sắn được du nhập vào Ấn Độ khoảng thế kỷ XVII và Srilanka đầu thế kỷ XVIII, du nhập Việt Nam khoảng giữa thế kỷ XVIII. Sắn là một loại cây lương thực phổ biến của các nước ở vùng nhiệt đới châu Á, châu Phi, châu Mỹ. Sắn là cây dễ trồng, có thể thích hợp với đất đồi, gò. Sản lượng sắn tương đối ổn định và cao. Củ sắn nhiều tinh bột, nên sản lượng tinh bột trên một đơn vị diện tích canh tác khá hơn so với nhiều loại cây trồng khác. Ở Việt Nam, sắn được trồng từ Bắc tới Nam, chủ yếu được trồng ở nhiều vùng Trung và Đông Nam đặc biệt là ở Gia Lai, Kon Tum, Đắk Nông, Đắk Lắk ở các tỉnh Tây Nguyên, Tây Ninh, Đồng Nai, Bình Phước, Bình Thuận ở phía Đông Nam, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định và Phú Yên trong vùng Nam Trung Bộ... Hàng năm với 1,2 triệu tấn sắn lát xuất khẩu, chúng ta có thể sản xuất được ít nhất 400 triệu lít etanol/năm và với tỷ lệ 10% etanol pha vào xăng thì lượng etanol nói trên đủ để đáp ứng 50% nhu cầu etanol sinh học hiện tại của thị trường xăng Thời vụ thu hoạch sắn ở Việt Nam:  Duyên Hải Miền Trung: Vùng đồng bằng, vùng thấp trũng thu hoạch vào mùa hè thu (khoảng tháng 9 đến tháng 10) nhằm tránh mùa mưa lụt, miền núi và những vùng cao thu hoạch tháng 12 đến tháng 3.  Tây Nguyên : Thời vụ thu hoạch nguyên liệu sắn tháng 12 đến tháng 3. 1.3.1.2. Phân loại sắn Có nhiều loại khác nhau về màu sắc, thân cây, lá, vỏ, thịt củ… Tuy nhiên trong công nghệ sản xuất tinh bột người ta phân thành hai loại: sắn đắng và sắn ngọt. Hai loại Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 -8- GVHD: Bùi Viết Cường này khác nhau về hàm lượng tinh bột và lượng độc tố. Nhiều tinh bột thì hiệu quả kinh tế trong sản xuất cao và nhiều độc tố thì quy trình công nghệ phức tạp. Sắn đắng còn gọi là sắn dù. Cây thấp (không cao quá 1,2 m), ít bị đổ khi gió to. Năng suất cao, củ mập, nhiều tinh bột, nhiều mủ và hàm lượng axit xyanuahydric cao. Ăn tươi dễ bị ngộ độc, chủ yếu để sản xuất tinh bột và sắn lát. Đặc điểm của cây sắn dù là đốt ngắn, thân cây khi còn màu xanh nhạt. Cuống lá chỗ nối tiếp thân và cây màu đỏ thẫm, kế đó màu trắng nhạt rồi lại hồng dần. Màu vỏ gỗ củ nâu sẫm, vỏ cùi và thịt sắn đều trắng. Sắn ngọt bao gồm tất cả các loại mà hàm lượng axit xyanuahydric thấp như: sắn vàng, sắn đỏ, sắn trắng… - Sắn vàng hay còn gọi là sắn nghệ. Khi non thân cây màu xanh thẫm, cuống lá màu đỏ, có sọc nhạt, vỏ gỗ của củ màu nâu, vỏ cùi màu trắng, thịt củ màu vàng nhạt, khi luộc màu vàng rõ rệt hơn. - Sắn đỏ thân cây cao, khi non màu xanh thẫm, cuống và gân lá màu đỏ thẫm. Củ dài to, vỏ gỗ màu nâu đậm, vỏ cùi dày, màu hơi đỏ, thịt sắn trắng. - Sắn trắng thân cây cao, khi non màu xanh nhạt, cuống lá đỏ. Củ ngắn mà mập, vỏ gỗ màu sám nhạt, thịt và vỏ cùi màu trắng. Sắn ngọt có hàm lượng tinh bột thấp, ít độc tố, ăn tươi không ngộ độc, dễ chế biến. Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 -9- GVHD: Bùi Viết Cường Hình 1.1. Cây và củ sắn 1.3.1.3. Cấu tạo củ sắn Tuỳ theo giống, điều kiện canh tác và độ màu mỡ của đất mà củ sắn có kích thước dài 10÷20 cm, đường kính 2÷12 cm. Đường kính thường không đều theo chiều dài của củ, phần gần cuống to nhưng càng gần chuôi càng nhỏ. Hình dạng củ không đồng nhất có củ thẳng to, có củ biến dạng cục bộ. Càng gần chuôi củ càng mềm vì ít xơ do phát triển sau. Do đó, khi thu hoạch khó có thể giữ củ nguyên vẹn, đây là một khó khăn khi bảo quản tươi Hình 1.2. Củ sắn và cấu tạo của củ sắn Về cơ bản củ sắn gồm 3 phần chính : Vỏ, thịt củ và lõi (ngoài ra còn có cuống và rễ củ). Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2  -10- GVHD: Bùi Viết Cường Vỏ sắn gồm có 2 phần là vỏ gỗ và vỏ cùi: [1, tr 21] - Vỏ gỗ: Bao bọc ngoài cùng củ sắn, chiếm 0.5-3% khối lượng củ, có màu trắng, vàng hoặc nâu. Vỏ gỗ cấu tạo từ cellulose và hemicellulose, hầu như không có tinh bột nhưng có tác dụng bảo vệ củ khỏi bị ảnh hưởng cơ học, hóa học của ngoại cảnh và chống mất nước của củ, tuy nhiên vỏ gỗ dễ bị mất khi thu hoạch và vâ ân chuyển. - Vỏ cùi: Dày hơn vỏ gỗ nhiều, chiếm khoảng 8÷20% trọng lượng củ. Cấu tạo gồm lớp tế bào thành dày, thành tế bào cấu tạo từ xenluloza, bên trong tế bào là các hạt tinh bột, hợp chất chứa nitơ và dịch bào (mủ) – trong dịch bào có tannin, sắc tố, độc tố, các enzyme… Vì vỏ cùi có nhiều tinh bột (5 ÷ 8%) nên trong chế biến nếu tách đi thì tổn thất, không tách thì khó khăn trong chế biến vì nhiều chất trong thành phẩn mủ ảnh hưởng đến màu sắc tinh bột  Phần thịt củ: Chứa nhiều tinh bô tâ , protein, các chất dầu và chứa các chất dinh dưỡng chủ yếu của củ. Ngoài ra còn có mô ât ít polyphenol, đô âc tố và enzym tuy không nhiều chỉ 10÷15% so với thành phần của chúng có trong củ nhưng vẫn gây trở ngại khi chế biến như làm biến màu.  Lõi sắn: Nằm ở trung tâm dọc theo thân củ, nối từ cuống tới chuôi củ, chiếm từ 0,3÷1% khối lượng củ. Thành phần chủ yếu là xenluloza và hemixenluloza. Lõi có chức năng dẫn nước và các chất dinh dưỡng giữa cây và củ đồng thời giúp thoát nước khi phơi hoă âc sấy sắn. 1.3.1.4. Thành phần hoá học [1, tr 22] Cũng như các loại hạt và củ, thành phần chính của sắn là tinh bột. Thành phần hoá học sắn tươi dao động khá lớn : Bảng 1.1 Thành phần hoá học của sắn tươi Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 Thành phần Hàm lượng (%) -11- GVHD: Bùi Viết Cường Tinh bột Protein Chất béo Xenluloza Chất tro Polyphenol Nước 20÷34 0,8÷1,2 0,3÷0,4 1÷3,1 0,54 0,1÷0,3 60÷74,2 Ngoài ra, còn có các chất đạm, muối khoáng, lipit, xơ, một số vitamin B 1, B2… và độc tố. Các vitamin sẽ bị mất mô ât phần khi chế biến và nhất là khi nấu trong sản xuất rượu. Đô âc tố trong sắn có tên chung là phazeolunatin gồm 2 glucozit linamarin và lotaustralin. Các đô âc tố này thường tâ âp trung ở vỏ cùi. Bình thường phazeolunatin không đô âc nhưng khi bị thuỷ phân thì các glucozit này sẽ giải phóng axit HCN. C10H17NO6 + H2O C6H12O6 + C3H6O + HCN Sắn tươi đã thái lát và phơi khô sẽ giảm đáng kể hàm lượng glucozit gây đô âc kể trên. Đă âc biê ât trong sản xuất rượu, khi nấu ở nhiê ât đô â cao đã pha loãng nước nên với hàm lượng ít chưa ảnh hưởng đến nấm men. Hơn nữa các muối xyanat khi chưng cất không bay hơi nên bị loại cùng bã rượu. 1.3.1.5. Tiêu chuẩn sắn lát sử dụng cho nhà máy  Hình dạng lát sắn: đường kính 30÷70 mm, bề dày : 20÷30 mm  Sắn trắng, thơm không có mùi mốc  Thành phần hoá học Hình 1.3. Sắn lát khô Bảng 1.2 Thành phần hoá học của sắn lát khô Thành phần Hàm lượng (%) Độ ẩm 12÷14 Hàm lượng tinh bột 70÷75 Protein Tro Chất béo Độ xơ 1,5÷1.8 1,8÷3 0,5÷0.9 2,1÷5 Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô Các tạp chất khác ≤3 SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 -12- GVHD: Bùi Viết Cường 1.3.2. Nước [2, tr 41] Trong công nghệ sản xuất cồn, nước được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau. Nước dùng để xử lí nguyên liệu, pha loãng môi trường, làm nguội, vệ sinh thiết bị, nhà xưởng, dùng cho nhu cầu sinh hoạt, cung cấp lò hơi… Ngoài ra, nước còn dùng để chữa cháy trong khu vực sản xuất. 1.3.2.1 Thành phần, tính chất của nước Thành phần, tính chất của nước phụ thuộc vào nguồn cung cấp nước. Nguồn cung cấp nước cho nhà máy sản xuất cồn thường là nước mặt (hồ, sông) hoặc nước ngầm (giếng). Nước mặt thường chứa nhiều hợp chất hữu cơ, vi sinh vật, ít muối khoáng. Nước ngầm chứa nhiều muối khoáng, ít hợp chất hữu cơ và vi sinh vật. - Hàm lượng chất khoáng trong nước: + Cặn khô + CaO : 200÷500 mg/l : 80÷100 mg/l + MgO : 20÷40 mg/l +SO3 : 5÷80 mg/l +Cl (dạng liên kết) : 10÷40 mg/l +SiO2 : 5÷16 mg/l +N2O5 ≤ 10 mg/l - Độ pH là chỉ số đặc trưng cho nồng độ H + trong nước, nó thể hiện tính axit, kiềm hay trung hòa của nước. Nước có tính kiềm (pH > 7) nấu nguyên liệu sẽ không tốt, vi sinh vật có hại dễ phát triển, tốn nhiều axit để trung hòa và hạ pH = 4,5 – 5,0 thì mới thích hợp cho quá trình đường hóa. - Độ kiềm: đặc trưng cho khả năng của nước kết hợp với axit mạnh. Độ kiềm là một chỉ số quan trọng về chất lượng nước. Nếu độ kiềm quá lớn sẽ ảnh hưởng xấu đến quá trình sinh học khi đường hóa, lên men. Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 -13- GVHD: Bùi Viết Cường - Độ oxy hóa: Đặc trưng cho hàm lượng tạp chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ dễ oxy hóa trong nước. 1.3.2.2 Yêu cầu chất lượng nước Trong công nghệ sản xuất cồn, yêu cầu chất lượng nước giống như tiêu chuẩn nước sinh hoạt. - Chỉ tiêu cảm quan: trong suốt, không màu, không mùi vị lạ - Chỉ tiêu hóa lý: + Độ cặn toàn phần : < 100 mg/l + Độ cứng : < 7 mgE/l + pH : 6,5÷8,5 + Độ oxi hóa : ≤ 2 mg 02/l + Hàm lượng Cl- : ≤ 0,5 mg/l + [SO4] : ≤ 0,5 mg/l + [Fe] : ≤ 0,3 mg/l + [Mg] : ≤ 0,2 mg/l + [As] : ≤ 0,05 mg/l + [Pb] : ≤ 0,1 mg/l + [F] : ≤ 3 mg/l + [Zn] : ≤ 5 mg/l + [Cu] : ≤ 3 mg/l Không cho phép có NH3, NO2- và muối của các kim loại nặng như Hg, Ba… 1.3.3. Nấm mốc Trong sản xuất cồn, ở giai đoạn chế biến tinh bột thành đường lên men người ta sử dụng hệ enzym thủy phân tinh bột, gọi chung là amylaza. Trong sản xuất chủ yếu là sản xuất chế phẩm enzym này từ nấm mốc. Đa số nấm mốc sử dụng thuộc chi Aspergilus như: Asp.niger, Asp. oryzae, Asp.flavus, Asp,awamori, Asp. usami. Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 -14- GVHD: Bùi Viết Cường Hệ enzym amylaza của các chủng nói trên tương đối đầy đủ sau khoảng 40 giờ nuôi cấy khả năng tích lũy enzym đạt cao nhất. 1.3.4. Nấm men [2, tr 209] Khi chọn chủng nấm men để đưa vào sản xuất cần đảm bảo các yêu cầu sau: + Có tốc độ phát triển nhanh trên môi trường sản xuất. + Có đặc tính sinh lý, sinh hoá ổn định trong thời gian dài. + Có khả năng chịu đựng được những yếu tố không thuận lợi của môi trường. Đặc biệt là các chất sát trùng, độ pH thấp và lên men được ở nhiệt độ tương đối cao. + Chịu được áp suất thẩm thấu lớn, tức là chịu được nồng độ của dịch lên men lớn, đồng thời nấm men ít bị ức chế bởi các sản phẩm của sự lên men. + Lên men nhiều loại đường như: glucose, fructose, saccharose, maltose… + Tạo ra sản phẩm chính nhiều và sản phẩm phụ ít. Để được chủng nấm men thỏa mãn các yêu cầu trên phải trải qua thời gian tuyển chọn, thuần hoá, gây đột biến. Đồng thời để duy trì được lâu dài các đặc tính tốt của chủng nấm men cần phải giữ giống, cấy chuyền cẩn thận. Để sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột người ta sử dụng các loài sau: - Nấm men chủng II (Saccharomyces cerevisiae Rase II): Sinh sản trong môi trường nước đường, thường tụ lại thành đám, sau một thời gian ngắn lắng xuống. Đặc điểm của loại này: Trong tế bào có nhiều hạt glycogen, không bào lớn, hình thành bào tử nội sinh ít và chậm, sinh bọt nhiều và thích nghi ở độ axit thấp, có sức kháng cồn cao. Không lên men được đường lactoza. Kích thước tế bào 5,6÷7µm - Nấm men chủng XII (Saccharomyces cerevisiae Rase XII): Phân lập được ở Đức năm 1902, tốc độ phát triển nhanh, sau 24 giờ 1 tế bào có thể phát triển thêm 55 tế bào mới. Không bào nhỏ, ít sinh bọt, tế bào hình trứng hoặc hình tròn, có kích thước vào khoảng 5÷8µm. Lên men ở nhiệt độ cao và lên men được các đường glucoza, fructoza, galactoza, saccaroza, maltoza và 1/3 đường raffinoza, không lên men đường galactoza. Có thể lên men đạt 13% rượu trong môi trường. Nấm men Rasse XII thuộc Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 -15- GVHD: Bùi Viết Cường loại lên men nổi, được phân bố rất đều trong toàn bộ dịch lên men (dạng bụi mù), không tạo thành đám trắng. - Nấm men MTB Việt Nam (Men thuốc bắc): Được phân lập tại nhà máy rượu Hà Nội từ men thuốc bắc nên có tên gọi MTB. Tế bào hình bầu dục, kích thước 3÷5×5÷8µm. Là những nấm men đa bội nên có thể hình thành 2÷4 bào tử trong tế bào. Có khả năng lên men được đường glucoza, fructoza, galactoza, sacaroza, maltoza, raffinoza. Lên men được ở nhiệt độ cao (39÷40 0C), chiụ độ axit tương đối cao (1÷1,50), nồng độ rượu có thể đạt (12÷14%). Đặc biệt qua nhiều năm thuần hoá, nấm men này đã phát triển và lên men tốt ở môi trường có 0,02÷0,025% chất sát trùng Na2SiF6 Hình 1.4. Saccharomyces cerevisiae Tôi chọn nấm men chủng XII cho vào dịch đường hoá để lên men rượu. 1.3.5. Các chất hỗ trợ kỹ thuật 1.3.5.1. α-Amylaza (Termamyl) α-Amylaza Novo được gọi là Termamyl, dạng lỏng, chịu được nhiệt độ cao, được sản xuất từ vi sinh vật Bacillus lichenfomic. Tên thương mại thường gặp trên thị trường là Termamyl 120L Mục đích sử dụng: Tăng cường khả năng thuỷ phân tinh bột, rút ngắn thời gian đường hoá Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 -16- GVHD: Bùi Viết Cường Đặc tính của Termamyl 120L: Có khả năng thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ rất cao 95÷1000C, còn ở nhiệt độ 105÷1080C thì chúng bị giảm hoạt tính nhưng không vô hoạt hoàn toàn. Giá trị pH hoạt động của chúng nằm trong vùng axit yếu 5.8÷6.2 1.3.5.2. Chất sát trùng [6, tr 18] - HCLO: Focmatin (focmaldehit 40%) hiệu quả sát trùng cao nhưng khó khống chế hàm lượng, ngưỡng tiêu diệt vi sinh vật nhạy, liều dùng 0/000  gây sốc nên dùng để sát trùng thiết bị định kỳ - NaF: Rẻ, dùng dễ, liều lượng 0/00 rất độc, hầu như không dùng - Na2SiF6: Liều dùng 0/00, dễ sử dụng, không độc với người dùng phổ biến. Tỷ lệ dùng 2÷2,50/000 (dùng 10000kg cần 2÷2,5 kg). Không ảnh hưởng đến hoạt tính enzym mà còn làm tăng hoạt tính enzym 1.4. Tổng quan về bio-etanol 1.4.1. Vài nét về lịch sử, sử dụng nhiên liệu bio-etanol. Thời gian đầu bio-etanol (hay gọi tắc là etanol) được dùng trong y tế, trong mỹ phẩm, dùng làm dung môi và sau này được biết đến như nguồn nhiên liệu cho động cơ đốt trong được ứng dụng ở nhiều nước như Anh, Pháp, Mĩ, Canada, Brazil… Etanol là cấu tử phối trộn làm tăng chỉ số octane của xăng Để tăng công suất của động cơ, ta phải tăng chỉ số nén. Khi tăng chỉ số nén ta cần phải tăng chỉ số octane của xăng để tránh hiện tượng cháy kích nổ của nhiên liệu. Trước đây để tăng chỉ số octane người ta thường dùng tetra etyl chì nhưng hiện nay nó đã bị cấm sử dụng vì chì rất độc, gây tổn thương cho hệ thần kinh trung ương, gây ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu cho chúng ta thấy dùng nhóm phụ gia là hợp chất hữu cơ chứa oxy như: Metyl ter butyl ete (MTBE), etyl ter butyl ete (ETBE), metanol, etanol khi pha xăng sẽ làm tăng chỉ số octane của xăng, làm xăng cháy tốt hơn, giảm phát thải các khí gây ô nhiễm. Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 -17- GVHD: Bùi Viết Cường Ngày nay có thể thấy etanol hoàn toàn có khả năng dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch. Etanol đựơc dùng ở 2 dạng cụ thể sau:  Etanol được pha vào xăng với tỉ lệ nhỏ hơn 15%. Với tỉ lệ này thì không cần thay đổi hay hiệu chỉnh gì động cơ xăng. Tuổi thọ, độ bền của động cơ không hề thay đổi.  Etanol là nhiên liệu thay thế hoàn toàn cho xăng dùng cho những động cơ đốt trong cải tiến. 1.4.2. Lợi ích khi sử dụng etanol Sử dụng etanol làm nhiên liệu không chỉ là một biện pháp nhằm làm tăng chỉ số octane của xăng, thay thế cho những phụ gia gây ô nhiễm môi trường sinh thái, mà còn đảm bảo an toàn năng lượng cho mỗi quốc gia, vì đây là nguồn năng lượng có khả năng tái tạo được. 1.4.2.1. Lợi ích về kinh tế. Sản xuất etanol làm nhiên liệu góp phần thúc đẩy nền nông nghiệp phát triển vì etanol được sản xuất theo dây chuyền công nghệ sinh học, nguyên liệu sản xuất etanol là tinh bột của các loại củ hạt như: Sắn, khoai, ngô, lúa, gạo, trái cây… Đây là nguồn nguyên liệu từ nông nghiệp, vì vậy tạo ra nhiều công ăn việc làm và tăng thu nhập cho nhiều lao động ở nông thôn Ngoài ra việc sử dụng nhiên liệu sinh học nói chung cũng như gasohol nói riêng giúp cho các quốc gia chủ động trong chính sách năng lượng của mình. Nước nào càng có nhiều xăng sinh học thì càng ít phụ thuộc vào nước khác và từ đó có thể phát triển nền kinh tế một cách bền vững. 1.4.2.2. Lợi ích về môi trường. Việc dùng etanol làm nhiên liệu, có tác dụng ngăn chặn hiệu ứng nhà kính. Theo các tính toán cho thấy: Nếu thay thế việc đốt một lít xăng bằng một lít etanol thì sẽ giảm 40% lượng phát sinh khí CO 2 vào khí quyển giúp môi trường được xanh, sạch Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 -18- GVHD: Bùi Viết Cường hơn. Khi đốt etanol thì quá trình cháy xảy ra hoàn toàn hơn so với khi đốt xăng. Vậy khi pha etanol vào xăng sẽ làm cho xăng cháy hoàn toàn hơn, giảm lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, etanol được điều chế từ sản phẩm nông nghiệp sẽ làm tăng diện tích đất trồng cây. Điều này có nghĩa làm tăng diện tích lá phổi của trái đất lên 1.4.3. Hạn chế khi sử dụng nhiên liệu etanol. Hạn chế cơ bản của etanol nhiên liệu là tính hút nước của nó. Etanol có khả năng hút ẩm và hoà tan vô hạn trong nước. Do đó gasohol phải được tồn trữ và bảo quản trong hệ thống bồn chứa đặt biệt. Về hiện tượng gây ô nhiễm: Tuy giảm các hàm lượng các chất gây ô nhiễm như CO2, CO nhưng lại gây ra một số hợp phần khác như các andehyt, NO x cũng là những chất gây ô nhiễm. Do nhiệt trị của etanol nói riêng (PCI ethanol =26,8 MJ/kg) và các loại ancol khác nói chung đều thấp hơn so với xăng (PCIxăng =42,5 MJ/kg) nên khi dùng etanol để pha trộn vào xăng sẽ làm giảm công suất động cơ so với khi dùng xăng. Tuy nhiên sự giảm công suất này là không đáng kể nếu ta pha với số lượng ít Tóm lại, việc sử dụng gasohol có nhiều ưu điểm nhưng cũng có những mặt hạn chế. Tuy nhiên khi phân tích tương quan giữa các mặt lợi và hại người ta vẫn thấy mặt lợi lớn hơn, mang ý nghĩa chiến lược hơn. 1.4.4. Tính chất cơ bản của etanol [2, tr 12] 1.4.4.1. Tính chất vật lý Etanol là chất lỏng không màu, nhẹ hơn nước, mùi thơm đặc trưng, có vị cay, dễ cháy, dễ hút ẩm, có độ phân cực mạnh, dễ bay hơi. Etanol có thể hòa tan nhiều chất vô cơ cũng như hữu cơ nên được sử dụng làm dung môi rất tốt. Etanol dễ cháy và có thể tạo hỗn hợp nổ với không khí. Etanol tạo hỗn hợp đẳng phí với nước ở 89,4% mol, nhiệt độ sôi của hỗn hợp này ở 1 atm là 78.40C Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 -19- GVHD: Bùi Viết Cường Các thông số vật lý của etanol nguyên chất : Tỷ trọng 15 d 4 0,7425 ; 20 d 4 0,7894 ; 0 d 4 0,8060 ; phân tử lượng = 46,03; nhiệt độ sôi =78,32 0C ở áp suất 760mmHg; nhiệt độ bắt lửa = 120C; nhiệt dung = 0,548 (ở 00C); 0,615 (ở 200C) và 0,769 (ở 600C). Năng suất toả nhiệt = 6,642÷7,100 kcal/kg. Nhiệt độ đóng băng = -1170C Khi chưng cất hỗn hợp dung dịch có nồng độ rượu etylic 95,57% và 4,43% nước thì điểm sôi chung là 78,150C và gọi là điểm đẳng phí. Điều đó cũng có nghĩa là bằng biện pháp chưng cất ta không thể thu được rượu có nồng độ cao hơn 95,57%V 1.4.4.2. Tính chất hoá học Công thức hóa học là C2H5OH, hay CH3-CH2-OH Do cấu trúc phân tử etanol gồm hai thành phần: Gốc etyl và nhóm hydroxyl nên có tính chất hóa học sau a. Tác dụng với oxy. Tùy theo cường độ oxy tác dụng với rượu mà cho ra những sản phẩm khác nhau 2C2H5 OH + O2 2C2H5OH + O2 C2H5OH + 3O2 Nhẹ 2CH3CHO + 2H2O Vừa đủ CH3COOH + 2H2O Mãnh liệt 2CO2 + 3H2O b. Tác dụng với kim loại kiềm và kiềm thổ. Trong trường hợp này etanol được coi như một axit yếu và có những phản ứng với kim loại kiềm và kiềm thổ tạo thành muối alcolat. 2C2H5OH +2M = 2C2H5OM + H2  (Alcolat kiềm) 2C2H5OH + 2Na = 2C2H5ONa + H2  (Natri Alcolat) Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B Đồ án công nghệ 2 -20- GVHD: Bùi Viết Cường c. Tác dụng với NH3: Ở nhiệt độ 2500C và có xúc tác etanol tác dụng với NH3 tạo thành amin. C2H5OH + NH3 = CH3CH2NH3 + H2O (Etyl amin) d. Tác dụng với axit Etanol tác dụng với axit tạo thành este. Tùy theo từng loại axit khác nhau tạo thành este khác nhau, trong trường hợp này rượu đóng vai trò kiềm yếu. - Đối với axit hữu cơ tạo thành este thơm. C2H5OH + CH3COOH = C2H5COOCH3 + H2O (Etyl axetal) - Đối với axit vô cơ tạo thành este (muối) phức tạp. C2H5OH + HNO3 = C2H5NO3 + H2O (Etyl nitrat). e. Etanol và oxit sắt tạo thành aldehyt axetic. Phản ứng xảy ra như sau: 2FeO + O2 + C2H5OH = Fe2O3 + CH3CHO + H2O Fe2O3 + C2H5OH = FeO + CH3CHO + H2O Do vậy lượng rượu bị giảm đi rõ rệt nếu chưng cất, tinh chế hoặc bảo quản rượu bằng thiết bị chế tạo bằng sắt. 1.4.4.3. Tính chất sinh lý - Etanol có tính sát trùng mạnh, vì etanol hút nước sinh lý của các tế bào, làm khô chất albumin. Đề tài: Thiết kế phân xưởng xử lý, đường hoá và lên men sản xuất bio-etanol năng suất 12 tấn/ngày từ nguyên liệu sắn lát khô SVTH: Phan Thị Tình Lớp: 08H2B