Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nguồn năng lượng hóa thạch toàn cầu đang đứng trước nguy cơ cạn kiệt nghiêm trọng. Theo các số liệu tính toán từ Đại học California với trữ lượng dầu mỏ thế giới ước tính năm 2008 là 1.332 tỷ thùng và mức tiêu thụ 85,22 triệu thùng/ngày (tăng trưởng trung bình 1,3%/năm), nguồn dầu mỏ dự báo sẽ cạn kiệt trong giai đoạn từ năm 2041 đến năm 2054, trong khi các nguồn năng lượng mới chỉ có thể thay thế sớm nhất vào khoảng năm 2140. Xu hướng chuyển dịch sang nhiên liệu sinh học (Bioethanol) đang trở thành giải pháp tất yếu nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có, giảm thiểu phát thải và nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp.

Việc sản xuất ethanol truyền thống thế hệ thứ nhất từ các nguồn nông sản như ngô, mía, sắn, gạo tạo ra xung đột lớn với an ninh lương thực. Do đó, việc nghiên cứu chuyển hướng sang sinh khối lignocellulose—cụ thể là rơm rạ—được xem là giải pháp tiềm năng. Trên thế giới, lúa gạo là cây lương thực có sản lượng lớn thứ ba sau ngô và lúa mì (sản lượng toàn cầu năm 2007 đạt khoảng 650 triệu tấn theo FAO). Tại Việt Nam, trung bình 1 tấn lúa thu hoạch sẽ thải ra khoảng 1,2 tấn rơm rạ, tương đương khoảng 48 triệu tấn phụ phẩm nông nghiệp mỗi năm, phần lớn hiện bị đốt bỏ ngoài đồng ruộng gây ô nhiễm môi trường hoặc để hoai mục.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về cấu trúc lignocellulose của rơm rạ, cơ chế thủy phân và các đặc tính sinh học của chủng vi khuẩn lên men Zymomonas mobilis.
  2. Lựa chọn quy trình công nghệ sản xuất ethanol từ phụ phẩm rơm rạ bằng phương pháp lên men chìm gián đoạn (batch).
  3. Thiết lập cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho hệ thống lên men quy mô mẻ làm việc $20\text{ m}^3$.
  4. Tính toán thiết kế cơ khí chi tiết cho thiết bị lên men chính (thân, nắp, đáy, bích ghép, chân đỡ, áo điều nhiệt), hệ thống khuấy trộn cơ học và hệ thống bơm nhập liệu.

Đối tượng nghiên cứu là thiết bị lên men ethanol dạng thùng đứng bằng thép không gỉ tích hợp cánh khuấy và áo điều nhiệt, sử dụng cơ chất dịch đường thủy phân từ rơm rạ và tác nhân vi sinh Zymomonas mobilis. Phạm vi tính toán công nghệ và thiết kế cơ khí được thực hiện trong khuôn khổ Đồ án môn học Công nghệ Hóa học tại Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh, áp dụng các điều kiện khí hậu và nguồn số liệu tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý chuyển hóa sinh hóa và các quy chuẩn tính toán quá trình - thiết bị công nghệ hóa chất:

  • Cơ sở hóa sinh và vi sinh vật học: Cơ chế thủy phân lignocellulose dưới tác dụng của phức hệ enzyme cellulase (endo-cellulase, exo-cellulase, $\beta$-glucosidase); lý thuyết lên men rượu tổng quát của Gay-Lussac và Pasteur; cơ chế chuyển hóa glucose và fructose qua con đường trao đổi chất Entner – Doudoroff (con đường KDPG) của vi khuẩn Zymomonas mobilis.
  • Phương pháp tính toán công nghệ và thiết kế cơ khí:
    • Tính toán cân bằng vật chất dựa trên định luật bảo toàn khối lượng và các hiệu suất chuyển hóa cơ chất thành sản phẩm.
    • Tính toán cân bằng nhiệt lượng dựa trên định luật bảo toàn năng lượng, hệ số truyền nhiệt qua vách và lượng nhiệt sinh học phát sinh.
    • Tính toán độ bền cơ học cho thiết bị áp lực chịu áp suất trong (áp suất thủy tĩnh và áp suất khí sinh học $\text{CO}_2$), tính toán ứng suất cho phép, bề dày thân trụ, nắp và đáy elip có lỗ công nghệ, độ bền bích và chân đỡ theo các công thức quy chuẩn trong Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2).
    • Tính toán thủy lực và cơ học hệ thống khuấy trộn: xác định chuẩn số Reynolds ($Re_M$), chuẩn số công suất, công suất trục khuấy, mômen xoắn và đường kính trục khuấy, công suất động cơ dẫn động.
    • Tính toán thủy lực mạng đường ống và chọn bơm nạp liệu: xác định chuẩn số Reynolds dòng chảy ($Re$), tổn thất ma sát và tổn thất cục bộ trên đường ống.

Nguồn dữ liệu tính toán được trích xuất từ các công bố khoa học chuyên ngành, số liệu thống kê sản lượng lúa của Tổng cục Thống kê và Bộ Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn Việt Nam, cùng hệ thống tra cứu bảng biểu từ các sổ tay kỹ thuật chuyên ngành hóa chất và công nghệ sinh học.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày bối cảnh khủng hoảng năng lượng hóa thạch toàn cầu và xu hướng phát triển nhiên liệu sinh học. Tác giả tổng hợp bức tranh sản xuất Bioethanol trên thế giới và điểm lại các công trình nghiên cứu trong nước về sản xuất cồn sinh học từ phế phẩm nông nghiệp (các nghiên cứu của Trần Diệu Lý năm 2008, Nguyễn Thị Hằng Nga năm 2009, Nguyễn Thị Ngọc Liễu năm 2010).

Quốc gia / Khu vực Sản lượng sản xuất Bioethanol hàng năm
Hoa Kỳ 22,3 tỷ lít
Brazil 20,5 tỷ lít
Trung Quốc 3,8 tỷ lít
Ấn Độ 1,7 tỷ lít
Liên minh Châu Âu (EU) 341.000 lít

Chương 2: Tổng quan về nguyên liệu

Chương 2 phân tích chi tiết đặc tính của nguồn sinh khối rơm rạ và tác nhân lên men Zymomonas mobilis.

Về nguồn nguyên liệu, sản lượng lúa cả nước giai đoạn 2000–2010 tăng đều đặn từ 32,53 triệu tấn lên 39,99 triệu tấn/năm, tạo ra nguồn rơm rạ dồi dào. Sinh khối lignocellulose của rơm rạ cấu tạo gồm ba thành phần chính: cellulose ($32 - 47%$), hemicellulose ($19 - 27%$), và lignin ($5 - 24%$).

Thành phần hóa học Hàm lượng trong rơm rạ (%)
Glucose (từ cellulose/glucan) 41,0
Xylose (từ xylan) 14,8
Lignin 9,9
Tro (chất vô cơ) 12,4
Arabinose 4,5
Mannose 1,8
Galactose 0,4

Thành phần vô cơ (tro) trong rơm rạ chiếm $18,67%$ chất khô, trong đó các oxit chính bao gồm: $\text{SiO}_2$ chiếm $74,67%$, $\text{K}_2\text{O}$ chiếm $12,30%$, $\text{CaO}$ chiếm $3,01%$, $\text{MgO}$ chiếm $1,75%$ và $\text{Na}_2\text{O}$ chiếm $0,96%$.

Về chủng vi sinh vật, đồ án lựa chọn vi khuẩn Zymomonas mobilis, một loại vi khuẩn Gram âm, vi hiếu khí (kỵ khí không bắt buộc), không tạo bào tử, chứa $47,5 - 49,5%\text{ G+C}$. Vi khuẩn này sử dụng con đường Entner – Doudoroff để chuyển hóa glucose và fructose thành ethanol và $\text{CO}_2$ với tỷ lệ mol 1:1, sinh trưởng tối ưu ở $\text{pH } 7,0$ và nhiệt độ $30^\circ\text{C}$.

Thông số động học lên men Cơ chất Glucose Cơ chất Fructose
Tốc độ hấp thụ đường riêng cực đại ($g\text{ đường}/g\text{ tế bào}\cdot\text{giờ}$) 8,5 2,1
Tốc độ sản xuất ethanol riêng cực đại ($g\text{ ethanol}/g\text{ tế bào}\cdot\text{giờ}$) 4,1 1,0
Hiệu suất sinh trưởng trung bình ($g\text{ sinh khối}/g\text{ đường}$) 0,055 0,034
Hiệu suất ATP ($g\text{ sinh khối tế bào}/\text{mol ATP}$) 9,9 5,1

Chương 3: Quy trình lên men

Tác giả lựa chọn phương pháp lên men chìm từng mẻ (batch submerged fermentation) trong môi trường lỏng do ưu điểm tiết kiệm diện tích mặt bằng, dễ cơ khí hóa và tự động hóa điều khiển nhiệt độ, pH và khuấy trộn. Dây chuyền sản xuất gồm các công đoạn:

  1. Chuẩn bị nguyên liệu: Rơm rạ được băm nghiền cơ học nhằm phá vỡ cấu trúc mô tế bào thực vật, tăng diện tích tiếp xúc.
  2. Tiền xử lý: Xử lý bằng dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ loãng ở nhiệt độ cao để hòa tan hemicellulose và phá vỡ liên kết lignin; trung hòa axit dư bằng $\text{Ca(OH)}_2$, loại bỏ kết tủa thạch cao $\text{CaSO}_4$. Tiếp tục đường hóa bằng hệ enzyme cellulase để thủy phân cellulose thành glucose.
  3. Nhân giống: Nhân giống vi khuẩn Z. mobilis qua các cấp (ống giống $\rightarrow$ bình tam giác $\rightarrow$ nồi nhân giống $6 - 8%$ thể tích bồn chính) đạt mật độ tế bào $100 - 120 \times 10^6\text{ tế bào/ml}$.
  4. Chuẩn bị dịch lên men: Dịch thủy phân đạt nồng độ đường $12,6%$, làm nguội về $28 - 30^\circ\text{C}$, điều chỉnh $\text{pH } 4,5 - 5,2$, bổ sung dinh dưỡng $0,33\text{ g/L}$ Diammonium Phosphate (DAP) và $0,25%$ dịch ngâm bắp (Corn steep liquor - CSL).
  5. Lên men: Tiến hành trong thiết bị lên men chính trong thời gian 36 giờ ở nhiệt độ ổn định $30^\circ\text{C}$, tỷ lệ men giống chiếm $10%$ thể tích.
  6. Chưng cất: Dịch sau lên men được đưa qua tháp chưng cất để thu hồi ethanol tinh khiết.

Chương 4: Thiết kế, tính toán thiết bị lên men

Nội dung trọng tâm của đồ án là tính toán kỹ thuật cho mẻ lên men $20\text{ m}^3$ dung dịch:

  • Cân bằng vật chất: Nhập liệu gồm $18\text{ m}^3$ dịch đường thủy phân ($m = 19.228,86\text{ kg}$, chứa $7%$ glucose, $4%$ xylose, khối lượng riêng $\rho = 1068,27\text{ kg/m}^3$), $2\text{ m}^3$ dịch men giống, bổ sung $6\text{ kg}$ DAP. Hiệu suất chuyển hóa glucose đạt $96%$, xylose đạt $40%$, hiệu suất tổng hợp ethanol đạt $97%$. Sản phẩm thu được gồm $791,4\text{ kg}$ ethanol (nồng độ $44\text{ g/L}$, tương ứng $4,12%$ khối lượng) và $758,68\text{ kg }\text{CO}_2$ ($17,24\text{ kmol}$).
  • Cân bằng nhiệt lượng và áo điều nhiệt: Nhiệt độ phản ứng duy trì tại $30^\circ\text{C}$, nhiệt độ môi trường thiết kế $27^\circ\text{C}$, hệ số cấp nhiệt $\alpha = 3000\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$. Nhiệt lượng thất thoát qua vách thiết bị tính toán được là $Q_8 = 1,017 \times 10^8\text{ J}$. Lượng nước làm mát/giữ nhiệt tuần hoàn trong áo vách là $G_B = 8.074,29\text{ kg/h}$ (khoảng $8,1\text{ m}^3/\text{h}$). Chiều cao áo nước chọn $4\text{ m}$, bề dày khoang áo nước là $10\text{ cm}$.
  • Tính toán kích thước hình học thiết bị: Hệ số điền đầy chọn $k = 0,65$, thể tích toàn phần của thiết bị là $V = 31\text{ m}^3$. Chọn tỷ lệ $H/D = 3$, chiều cao đáy và nắp elip $h_c = 0,25D$. Kích thước tính ra: đường kính trong $D = 2,41\text{ m}$, chiều cao tổng $H = 7,23\text{ m}$, chiều cao phần thân trụ $h_x = 4,6\text{ m}$, chiều cao nắp/đáy elip $h_c = 0,6\text{ m}$.
  • Tính toán bền cơ khí:
    • Thân thiết bị làm bằng thép không gỉ CT3, ứng suất cho phép giới hạn bền $[\sigma_k] = 146\text{ MPa}$, áp suất tính toán $p = 1,45\text{ MPa}$ (gồm áp suất thủy tĩnh $0,05\text{ MPa}$ và áp suất khí $\text{CO}_2$ sinh ra $1,4\text{ MPa}$). Bề dày thân thiết bị tính toán $S = 14,3\text{ mm}$ (bao gồm hệ số bổ sung ăn mòn $C = 1,8\text{ mm}$).
    • Chiều dày đáy và nắp elip tiêu chuẩn: $S_{\text{đáy}} = 16\text{ mm}$, chiều cao phần gờ gấp nếp $32\text{ mm}$.
    • Bích ghép thân - nắp - đáy bằng thép X18H10T kiểu bích liền số 2: đường kính ngoài $D = 2680\text{ mm}$, đường kính vòng bu lông $D_b = 2580\text{ mm}$, sử dụng 56 bu lông M48; đệm làm kín có kích thước $D_2 = 2454\text{ mm}, D_4 = 2430\text{ mm}$.
    • Chân đỡ: Khối lượng toàn bộ thiết bị (thân, nắp, đáy, bích) là $32.460,22\text{ kg}$ (trọng lượng $318.434,76\text{ N}$). Thiết bị đặt trên 4 chân đỡ bằng thép, tải trọng chịu lực cho mỗi chân là $79.608\text{ N}$.
  • Tính toán hệ thống khuấy trộn: Cánh khuấy tuabin 3 cánh thẳng, đường kính cánh $d_k = 0,8\text{ m}$, độ nhớt động lực của dịch lên men $\mu = 1,252 \times 10^{-3}\text{ Pa}\cdot\text{s}$, vận tốc vòng $\omega = 2,0\text{ m/s}$, tốc độ quay $n = 0,8\text{ vòng/s}$ (48 vòng/phút). Chuẩn số Reynolds đạt $Re_M = 4,37 \times 10^5$ (chế độ chảy xoáy mạnh). Công suất khuấy hữu ích $N_p = 3.682,24\text{ W}$. Trục khuấy làm bằng thép CT45 với đường kính tính toán $d_B = 2,53\text{ cm}$, đường kính thực tế chọn an toàn $d'_B = 3,16\text{ cm}$ (đoạn trên đệm $d''_B = 3,38\text{ cm}$). Công suất ma sát vòng chắn dầu $N_c = 1,056\text{ MW}$, tổng công suất động cơ dẫn động tính toán là $1,74\text{ MW}$ (với hiệu suất truyền động $\eta = 70%$).
  • Tính toán thủy lực đường ống và bơm nạp liệu: Lưu lượng thể tích nhập liệu $Q_F = 36\text{ m}^3/\text{h}$ (thời gian nạp $18\text{ m}^3$ trong 30 phút). Đường kính ống dẫn $d = 150\text{ mm}$, độ nhám tương đối $\varepsilon = 0,1\text{ mm}$, chiều dài ống $15\text{ m}$. Chế độ chảy trong ống thuộc vùng quá độ ($Re_{\text{gh}} < Re < Re_n$), hệ số ma sát $\lambda = 0,022$. Tổng hệ số trở lực cục bộ các phụ tùng trên đường ống $\sum \xi = 40,7$ (bao gồm 3 van cầu, 7 đoạn uốn cong, 2 đột thu và 2 đột mở).

Chương 5: Kết luận

Tổng kết toàn bộ kết quả tính toán thiết kế của hệ thống lên men sinh học ethanol từ rơm rạ, khẳng định tính khả thi về mặt công nghệ và thông số kết cấu cơ khí của thiết bị chính.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống thiết bị phản ứng lên men ethanol từ rơm rạ được thiết kế đồng bộ với các đặc tính kỹ thuật cơ khí, nhiệt học và thủy lực cụ thể:

Hạng mục kết cấu / Thông số Giá trị thiết kế xác định Đơn vị / Ghi chú
Thể tích làm việc ($V_1$) 20 $\text{m}^3$
Thể tích toàn phần thiết bị ($V$) 31 $\text{m}^3$ (Hệ số điền đầy $k = 0,65$)
Đường kính trong thân thiết bị ($D$) 2,41 $\text{m}$
Chiều cao phần thân trụ ($h_x$) 4,6 $\text{m}$
Chiều cao toàn bộ thiết bị ($H$) 7,23 $\text{m}$ (Tỷ lệ $H/D = 3$)
Chiều cao nắp và đáy elip ($h_c$) 0,6 $\text{m}$
Vật liệu chế tạo thân, nắp, đáy Thép không gỉ CT3 $[\sigma_k] = 146\text{ MPa}$
Bề dày thân thiết bị ($S$) 14,3 $\text{mm}$ (Hệ số ăn mòn $C = 1,8\text{ mm}$)
Bề dày nắp và đáy elip ($S_{\text{đáy}}$) 16 $\text{mm}$
Quy cách bích ghép thân - đáy - nắp Thép X18H10T 56 bu lông M48, $D_{\text{ngoài}} = 2680\text{ mm}$
Kết cấu chân đỡ 4 chân Tải trọng thiết kế $79.608\text{ N/chân}$
Bề dày khoang áo nước điều nhiệt 10 $\text{cm}$ (Chiều cao áo nước $4\text{ m}$)
Lưu lượng nước điều nhiệt tuần hoàn 8,1 $\text{m}^3/\text{h}$
Loại cánh khuấy Tuabin 3 cánh thẳng Đường kính cánh $d_k = 0,8\text{ m}$
Tốc độ quay cánh khuấy 48 (ứng với $0,8$) vòng/phút ($\text{vòng/s}$)
Đường kính trục khuấy ($d'_B$) 3,16 $\text{cm}$ (Vật liệu thép CT45)
Đường kính ống nhập liệu 150 $\text{mm}$
Năng suất bơm nhập liệu chọn 36 $\text{m}^3/\text{h}$

Hệ thống đo lường và kiểm soát tích hợp trên thiết bị gồm: cảm biến đo vận tốc quay cánh khuấy ($N$), cảm biến đo mức dịch và thể tích bồn ($V$), cảm biến đo nồng độ sinh khối khô ($X$), đầu đo nhiệt độ môi trường lên men ($T$), đầu đo pH dung dịch và cảm biến oxy hòa tan ($\text{DO}$).

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật hóa học cho một thiết bị lên men sinh khối lignocellulose:

  • Xác lập bảng cân bằng vật chất chi tiết: từ $18\text{ m}^3$ dịch thủy phân rơm rạ ($13%$ nồng độ chất khô hòa tan) kết hợp $2\text{ m}^3$ dịch vi khuẩn Zymomonas mobilis, quá trình lên men trong 36 giờ thu được $791,4\text{ kg}$ ethanol nguyên chất (nồng độ đạt $4,12%$ khối lượng, tương đương $44\text{ g/L}$) và giải phóng $758,68\text{ kg }\text{CO}_2$.
  • Hoàn thiện bộ hồ sơ tính toán cơ khí cho bồn lên men áp lực thể tích $31\text{ m}^3$, đảm bảo độ bền vách trụ ($14,3\text{ mm}$) và nắp đáy elip ($16\text{ mm}$) dưới áp suất vận hành $1,45\text{ MPa}$.
  • Xác định chính xác các thông số động lực học khuấy trộn và thủy lực nạp liệu, cung cấp cơ sở chọn động cơ và máy bơm công nghiệp phù hợp.
  • Đóng góp giải pháp công nghệ cụ thể nhằm tận dụng nguồn phế phẩm rơm rạ dồi dào tại Việt Nam (48 triệu tấn/năm), giải quyết bài toán môi trường do đốt rơm rạ và mở ra hướng đi sản xuất nhiên liệu sinh học không gây áp lực lên an ninh lương thực.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các tính toán nhiệt và động học lên men chủ yếu dựa trên các thông số lý thuyết và thực nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm; chưa đánh giá toàn diện ảnh hưởng của các hợp chất ức chế sinh ra từ quá trình nổ hơi/tiền xử lý axit (như furfural, HMF, axit axetic) đối với sức sống của tế bào Z. mobilis trong chu kỳ dài.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Thử nghiệm mô hình pilot thực tế để kiểm chứng hệ số truyền nhiệt thực tế qua lớp áo nước khi có cáu cặn sinh học bám trên thành bồn.
    • Nghiên cứu tối ưu hóa quy trình tiền xử lý sinh khối và ứng dụng các chủng biến đổi gen có khả năng đồng hóa triệt để đường pentose (xylose, arabinose) với hiệu suất cao hơn.
    • Tính toán thiết kế chi tiết cho tháp chưng cất và hệ thống tách nước thu cồn tuyệt đối phía sau bồn lên men.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Sinh học, Kỹ thuật Thực phẩm và Kỹ thuật Môi trường. Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng gồm:

  • Quy trình từng bước tính toán cân bằng vật chất và năng lượng cho phản ứng sinh học có pha khí ($\text{CO}_2$).
  • Phương pháp tra cứu và tính toán kiểm tra độ bền cơ khí thân thiết bị chịu áp lực, bích ghép bu lông tiêu chuẩn, nắp đáy elip và chân đỡ theo Sổ tay Quá trình & Thiết bị CNHH.
  • Phương pháp tính toán cơ học thủy khí cho hệ cánh khuấy tuabin trong môi trường dịch thể có độ nhớt phi tuyến.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lại lựa chọn chủng vi khuẩn Zymomonas mobilis thay vì nấm men truyền thống Saccharomyces cerevisiae?
Vi khuẩn Zymomonas mobilis lên men glucose qua con đường Entner – Doudoroff (KDPG), cho tốc độ hấp thụ đường glucose và tốc độ sản xuất ethanol riêng cực đại cao hơn đáng kể ($4,1\text{ g ethanol/g tế bào}\cdot\text{giờ}$ so với nấm men), sinh khối tế bào tạo ra ít hơn, có khả năng chịu được nồng độ cồn cao và không đòi hỏi cung cấp oxy trong suốt pha lên men chính.

2. Tỷ lệ thành phần các nguyên liệu nạp vào bồn lên men trong một mẻ làm việc là bao nhiêu?
Trong một mẻ làm việc $20\text{ m}^3$, lượng nhập liệu bao gồm $18\text{ m}^3$ dung dịch đường sau thủy phân ($13%$ đường), $2\text{ m}^3$ dịch men giống (chiếm $10%$ tổng thể tích), bổ sung $6\text{ kg}$ Diammonium Phosphate (DAP với tỷ lệ $0,33\text{ g/L}$) và $0,25%$ Corn steep liquor (CSL) làm nguồn dinh dưỡng N và P.

3. Tại sao áp suất tính toán thiết kế của thân bồn lên men lên tới $1,45\text{ MPa}$?
Áp suất tính toán $p = 1,45 \times 10^6\text{ N/m}^2$ ($1,45\text{ MPa}$) được cấu thành từ hai đại lượng: áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng cao $4,6\text{ m}$ ($p_1 = 48.046\text{ N/m}^2$) và áp suất sinh ra do lượng khí $\text{CO}_2$ thoát ra trong quá trình lên men tích tụ trong không gian đỉnh bồn ($p_2 = 1,4 \times 10^6\text{ N/m}^2$ từ $17,24\text{ kmol }\text{CO}_2$).

4. Thiết bị giải quyết vấn đề điều hòa nhiệt độ phản ứng sinh học bằng cơ chế nào?
Quá trình lên men tỏa nhiệt và cần duy trì ổn định ở $30^\circ\text{C}$. Thiết bị sử dụng một lớp áo nước ngoài vỏ trụ có chiều cao $4\text{ m}$, bề dày khoang áo nước $10\text{ cm}$, tuần hoàn lượng nước điều nhiệt $8.074,29\text{ kg/h}$ (khoảng $8,1\text{ m}^3/\text{h}$) nhằm bù đắp và cân bằng lượng nhiệt thất thoát $1,017 \times 10^8\text{ J/h}$.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế thiết bị lên men ethanol từ rơm rạ" đã hoàn thành việc xây dựng dây chuyền công nghệ và thiết kế chi tiết thiết bị phản ứng sinh học dạng mẻ $31\text{ m}^3$ sử dụng chủng vi sinh Zymomonas mobilis. Các kết quả tính toán cơ khí, nhiệt học và thủy lực đã cung cấp đầy đủ thông số kết cấu (vật liệu thép CT3, bề dày thân $14,3\text{ mm}$, đáy nắp $16\text{ mm}$, cánh khuấy tuabin $d_k = 0,8\text{ m}$) đảm bảo thiết bị vận hành an toàn, ổn định. Công trình mang tính ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp cơ sở dữ liệu kỹ thuật giá trị cho định hướng khai thác bền vững nguồn phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam.