Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng năng lượng hóa thạch ngày càng gia tăng đặt ra thách thức lớn đối với an ninh năng lượng toàn cầu. Theo số liệu nghiên cứu từ Đại học California, với trữ lượng dầu mỏ toàn cầu ước tính khoảng 1.332 tỷ thùng (năm 2008) và mức tiêu thụ 85,22 triệu thùng/ngày (tăng trưởng trung bình 1,3%/năm), nguồn tài nguyên dầu mỏ dự báo sẽ cạn kiệt trong giai đoạn 2041–2054, trong khi các nguồn năng lượng mới thay thế hoàn toàn dự kiến phải đến năm 2140 mới có thể đáp ứng trọn vẹn. Trong bối cảnh đó, nhiên liệu sinh học (Bioethanol) nổi lên như một giải pháp thay thế khả thi nhờ khả năng tận dụng nguyên liệu tại chỗ, quy trình công nghệ phù hợp và tương thích với hệ thống động cơ hiện có.

Tuy nhiên, việc sản xuất ethanol sinh học thế hệ thứ nhất từ lương thực (ngô, sắn, mía đường) làm nảy sinh tranh cãi gay gắt về an ninh lương thực. Do đó, xu hướng công nghệ chuyển dịch sang việc khai thác nguồn sinh khối lignocellulose từ phụ phẩm nông nghiệp, đặc biệt là rơm rạ. Lúa là cây trồng có sản lượng lớn thứ ba thế giới (đạt khoảng 650 triệu tấn gạo vào năm 2007 theo thống kê của FAO). Tại Việt Nam, sản lượng lúa cả nước liên tục tăng từ 32.529,5 nghìn tấn (năm 2000) lên 39.988,9 nghìn tấn (năm 2010). Trung bình 1 tấn thóc tạo ra 1,2 tấn rơm rạ, tương đương khoảng 48 triệu tấn rơm rạ thải ra mỗi năm. Phần lớn lượng sinh khối này bị đốt bỏ ngoài đồng ruộng gây ô nhiễm môi trường hoặc để hoai mục lãng phí.

Đề tài "Thiết kế thiết bị lên men ethanol từ rơm rạ" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Mai Ngọc Tuyền và Nguyễn Lê Khánh Linh dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Bảo Việt tại Bộ môn Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh (khóa 2012 – 2016, hoàn thành tháng 9/2015). Đồ án tập trung vào các nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu sau:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về nguồn nguyên liệu lignocellulose từ rơm rạ, cơ chế thủy phân và động học quá trình lên men bởi chủng vi khuẩn Zymomonas mobilis.
  2. Lựa chọn quy trình công nghệ tiền xử lý, thủy phân và phương pháp lên men chìm gián đoạn (batch).
  3. Thiết lập cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng cho mẻ lên men quy mô nạp liệu $20\text{ m}^3$ dịch đường thủy phân và men giống.
  4. Tính toán thiết kế cơ khí chi tiết thiết bị lên men chính (thể tích $31\text{ m}^3$), bao gồm thân vỏ, nắp, đáy elip, áo điều nhiệt, mối ghép bích, chân đỡ cơ khí, hệ thống cánh khuấy tuabin và lựa chọn bơm công nghệ trong điều kiện vận hành tại khu vực TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng khoa học chuyển hóa sinh khối lignocellulose và kỹ thuật tính toán quá trình – thiết bị công nghệ hóa chất:

  • Cấu trúc nguyên liệu lignocellulose: Rơm rạ là phức hợp polyme gồm 3 hợp phần chính: cellulose (32–47%), hemicellulose (19–27%) và lignin (5–24%).
    • Cellulose: Công thức $(\text{C}6\text{H}{10}\text{O}_5)_n$, cấu tạo từ các đơn vị cellobiose liên kết với nhau qua liên kết $\beta$-1,4-glycoside tạo thành vi sợi (microfibril), tồn tại ở hai vùng cấu trúc kết tinh (crystalline) bền vững và vô định hình (amorphous) dễ bị thủy phân.
    • Hemicellulose: Polyme phân nhánh chứa đường pentose (chủ yếu là D-xylose chiếm 14,8–20,2%, L-arabinose) và hexose (D-glucose, D-galactose, D-mannose).
    • Lignin: Polyme thơm không gian ba chiều vô định hình cấu tạo từ các liên kết phenylpropane, bao bọc mạng lưới cellulose và hemicellulose, đóng vai trò bảo vệ cơ học và kháng phân hủy sinh học.
  • Cơ chế thủy phân: Kết hợp tiền xử lý hóa nhiệt bằng $\text{H}_2\text{SO}_4$ loãng để phá vỡ cấu trúc lignin, hòa tan hemicellulose; trung hòa bằng $\text{Ca(OH)}_2$ kết tủa $\text{CaSO}_4$; sau đó thủy phân bằng hệ enzyme cellulase (gồm endo-glucanase, exo-glucanase và $\beta$-glucosidase) để giải phóng glucose và xylose.
  • Vi sinh vật và con đường trao đổi chất: Sử dụng vi khuẩn gram âm Zymomonas mobilis (vi hiếu khí/kỵ khí không bắt buộc). Vi khuẩn này chuyển hóa đường glucose và fructose thành ethanol và $\text{CO}_2$ theo con đường Entner – Doudoroff (KDPG). Con đường này tiêu tốn ít năng lượng duy trì sinh khối hơn so với nấm men, cho tốc độ hấp thụ đường và năng suất tạo ethanol riêng phần cao (hiệu suất lý thuyết đạt 95–98%).
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật:
    • Áp dụng các định luật bảo toàn khối lượng và định luật bảo toàn năng lượng trong kỹ thuật phản ứng sinh học.
    • Phương pháp tính toán độ bền cơ khí thiết bị hóa chất chịu áp lực theo tiêu chuẩn Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (tập 2) để xác định bề dày vách, đáy, nắp, kiểm tra ứng suất kéo, giới hạn chảy của thép CT3 và thép hợp kim $\text{X18H10T}$.
    • Tính toán thủy lực dòng chảy và động lực học hệ thống khuấy trộn cơ học.
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thống kê sản lượng lúa từ Tổng cục Thống kê và Bộ Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn; các số liệu thực nghiệm hóa sinh từ các công trình nghiên cứu của Maiorella (1983, 1985), Roberto và cộng sự (2003), Garrote (2002), Saha (2003), Moreau (1997).

Thiết kế và tính toán kỹ thuật

Hệ thống thiết bị lên men được tính toán và thiết kế hoàn chỉnh trên cơ sở cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt và tiêu chuẩn cơ khí thiết bị hóa chất:

1. Cân bằng vật chất mẻ lên men

  • Quy mô nạp liệu một mẻ: $V_{\text{nl}} = 20\text{ m}^3$, gồm $18\text{ m}^3$ dung dịch đường sau thủy phân ($\rho = 1068,27\text{ kg/m}^3$, khối lượng $m = 19228,86\text{ kg}$) và $2\text{ m}^3$ dịch men giống (tỷ lệ 10% thể tích).
  • Thành phần dịch đường ban đầu: 13% tổng đường (7% glucose với hiệu suất chuyển hóa 96%; 4% xylose với hiệu suất chuyển hóa 40%).
  • Bổ sung dinh dưỡng nguồn N và P: Diammonium Phosphate (DAP) bổ sung theo tỷ lệ $0,33\text{ g/l}$ dịch đường, tương đương $5,94\text{ kg} \approx 6\text{ kg DAP}$ cho một mẻ lên men.
  • Hiệu suất tổng hợp ethanol: 97%.
  • Sản phẩm tạo thành sau 36 giờ lên men:
    • Khối lượng ethanol: $791,4\text{ kg}$ (tương ứng nồng độ ethanol $44\text{ g/l}$, nồng độ phần trăm đạt $4,12%$).
    • Khối lượng khí carbonic ($\text{CO}_2$) thoát ra: $758,68\text{ kg}$.

2. Cân bằng năng lượng và thiết kế áo nhiệt

  • Quá trình lên men duy trì ở nhiệt độ đẳng nhiệt $30^\circ\text{C}$, nhiệt độ môi trường thiết kế tại TP. Hồ Chí Minh chọn $27^\circ\text{C}$ ($\Delta t = 3^\circ\text{C}$).
  • Nhiệt lượng thất thoát ra môi trường xung quanh: $Q_8 = 3600 \times \alpha \times \Delta t \times F_a = 1,017 \times 10^8\text{ J}$ (với hệ số thải nhiệt $\alpha = 3000\text{ W/m}^2\text{K}$, diện tích bề mặt $F_a = 3,14\text{ m}^2$).
  • Hệ thống điều hòa nhiệt sử dụng lớp áo nước ngoài thành thiết bị, nhiệt dung riêng nước $C_B = 4200\text{ J/kg}\cdot\text{K}$.
  • Lưu lượng nước làm mát cần luân chuyển để giữ ổn định nhiệt độ: $G_B = 8074,286\text{ kg/h} \approx 8,1\text{ m}^3/\text{h}$.
  • Kết cấu áo nước: chiều cao lớp áo nước là $4\text{ m}$ (đảm bảo không thấp hơn chiều cao cột chất lỏng $h_x = 4,6\text{ m}$), thể tích nước trong áo $V_{\text{nước}} = 8\text{ m}^3$.

3. Kích thước hình học và kết cấu cơ khí thiết bị

  • Hệ số chứa đầy: $k = 0,65$. Thể tích toàn phần thiết bị: $V = \frac{V_1}{k} = \frac{20}{0,65} \approx 31\text{ m}^3$.
  • Tỷ lệ kích thước chuẩn: Chiều cao thân hình trụ $H = 3D$, đường kính cánh khuấy $d_k = \frac{D}{3}$, chiều cao nắp và đáy elip $h_c = 0,25D$.
  • Vật liệu chế tạo thân, nắp và đáy: Thép không gỉ CT3, ứng suất cho phép theo giới hạn bền $[\sigma_k] = 146 \times 10^6\text{ N/m}^2$, giới hạn chảy $[\sigma_c] = 160 \times 10^6\text{ N/m}^2$, hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 50\text{ W/m}\cdot\text{độ}$. Mối hàn tay bằng hồ quang điện giáp mối hai bên theo chiều dọc ($\varphi = 0,95$), áp suất tính toán $p_0 = 1,3 \times 10^6\text{ N/m}^2$ (áp suất làm việc thiết kế $1,6 \times 10^6\text{ N/m}^2$).
  • Lỗ nhập và tháo liệu: Đường kính $d = 15\text{ cm}$.
  • Mặt bích ghép thân, nắp và đáy: Chọn loại bích liền bằng thép hợp kim $\text{X18H10T}$ theo tiêu chuẩn Bảng XIII.27 (Sổ tay Quá trình & Thiết bị tập 2), quy cách đường kính trong $2400\text{ mm}$, $D = 2680\text{ mm}$, $D_b = 2580\text{ mm}$, $D_1 = 2520\text{ mm}$, sử dụng $Z = 56$ bu lông M48, vòng đệm kín có đường kính $D_2 = 2454\text{ mm}, D_4 = 2430\text{ mm}$.
  • Tổng khối lượng thiết bị: $M = 32460,22\text{ kg}$, tương ứng trọng lượng toàn tải $P = 318434,76\text{ N}$.
  • Hệ thống đỡ: 4 chân đỡ cơ khí, tải trọng phân bố trên mỗi chân $G_C = \frac{P}{4} = 79608\text{ N}$. Kích thước chân đỡ: $L = 320\text{ mm}, B = 265\text{ mm}, B_1 = 270\text{ mm}, B_2 = 400\text{ mm}, H = 500\text{ mm}, h = 275\text{ mm}, s = 22\text{ mm}, l = 120\text{ mm}, d = 34\text{ mm}$.

4. Động lực học hệ thống khuấy trộn và thiết bị phụ

  • Kiểu cánh khuấy: Cánh khuấy dạng tuabin, vận tốc vòng $\omega = 2,0\text{ m/s}$, tốc độ quay của trục $n = 48\text{ vòng/phút}$ ($0,8\text{ vòng/giây}$).
  • Động lực học khuấy: Momen xoắn trên trục $M_x = 230,85\text{ N}\cdot\text{m}$, công suất khuấy phụ tải $N_p = 3682,24\text{ W}$, đường kính đoạn trục khuấy $d_B'' = 3,38\text{ cm}$, bề dày miếng đệm vòng chắn dầu $S_c = 8,1\text{ mm}$, chiều cao đệm $h_c = 48,54\text{ mm}$.
  • Thiết bị vận chuyển dòng nạp: Chọn bơm nạp liệu có năng suất danh định $Q_b = 36\text{ m}^3/\text{h}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 phân tích bức tranh tổng thể về cuộc khủng hoảng năng lượng hóa thạch và sự cần thiết phải phát triển nhiên liệu sinh học. Báo cáo của F.Licht chỉ ra lịch sử ứng dụng bioethanol làm nhiên liệu đốt trong từ năm 1860 (Nicolas Otto) và sự bùng nổ của ngành công nghiệp này sau khủng hoảng dầu mỏ thập niên 1970. Năm 2006, sản lượng bioethanol toàn cầu đạt 50 tỷ lít (trong đó ethanol nhiên liệu chiếm 77% tương đương 38,5 tỷ lít).

Quốc gia Sản lượng Bioethanol hàng năm
Mỹ 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

Tại Việt Nam, các nghiên cứu bước đầu về sản xuất ethanol từ rơm rạ và phụ phẩm nông nghiệp đã được triển khai bởi Trần Diệu Lý (2008), Nguyễn Thị Hằng Nga (2009), và Nguyễn Thị Ngọc Liễu (2010).

Chương 2: Tổng quan về nguyên liệu

Chương này đi sâu vào đặc tính hóa sinh của rơm rạ và vi sinh vật lên men:

  • Thành phần hóa sinh rơm rạ: Phân tích gần đúng xác định rơm rạ khô chứa 15,86% carbon cố định, 65,47% chất dễ bay hơi và 18,67% tro (với thành phần vô cơ chủ yếu là $\text{SiO}_2$ chiếm 74,67%, $\text{K}_2\text{O}$ chiếm 12,30%, $\text{CaO}$ chiếm 3,01%). Thành phần hydrate carbon gồm 41,0% glucose, 14,8% xylose, 4,5% arabinose, 1,8% mannose, 0,4% galactose cùng với 9,9% lignin.
  • Đặc điểm sinh học của Zymomonas mobilis: Vi khuẩn hình que gram âm, không tạo bào tử, kích thước roi 1–1,4 $\mu\text{m}$, hàm lượng $\text{G}+\text{C}$ trong ADN từ 47,5–49,5%. Thành phần tế bào khô chứa 54% protein ở pha ổn định, 17–22% ADN, 2,7% ARN.
  • Các yếu tố ảnh hưởng lên men bởi Z. mobilis: Nồng độ đường ban đầu tối ưu ở mức 15% (w/v); pH tối ưu là 7 (hoạt động tốt trong dải 3,5–7,5); nhiệt độ tối ưu $30^\circ\text{C}$ (khi nhiệt độ vượt quá $36^\circ\text{C}$ hiệu suất chuyển hóa giảm xuống còn 65%); nồng độ ethanol ban đầu gây ức chế sinh trưởng (khi nồng độ ethanol đạt 20% wt/vol quá trình lên men bị kiềm hãm hoàn toàn).
Thông số động học lên men Đường Glucose Đường Fructose
Tốc độ hấp thụ đường riêng cực đại ($q_s^{\max}$) $8,5\text{ g đường/g tế bào}\cdot\text{h}$ $2,1\text{ g đường/g tế bào}\cdot\text{h}$
Tốc độ sản xuất ethanol riêng cực đại ($q_p^{\max}$) $4,1\text{ g ethanol/g tế bào}\cdot\text{h}$ $1,0\text{ g ethanol/g tế bào}\cdot\text{h}$
Hiệu suất sinh trưởng trung bình ($Y_{x/s}$) $0,055\text{ g sinh khối/g đường}$ $0,034\text{ g sinh khối/g đường}$
Hiệu suất ATP sinh khối ($Y_{\text{ATP}}$) $9,9\text{ g sinh khối/mol ATP}$ $5,1\text{ g sinh khối/mol ATP}$

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 giới hóa, tự động hóa và kiểm soát vô trùng. Quy trình công nghệ gồm 6 công đoạn:

  1. Chuẩn bị nguyên liệu: Băm nghiền cơ học giảm kích thước.
  2. Tiền xử lý và đường hóa: Thủy phân bằng $\text{H}_2\text{SO}_4$ loãng, trung hòa vôi $\text{Ca(OH)}_2$, bổ sung enzyme cellulase biến đổi cellulose thành glucose.
  3. Nhân giống vi khuẩn: Tiến hành gián đoạn trong nồi nhân giống (thể tích bằng 6–8% thùng lên men chính, có cánh khuấy và ống xoắn ruột gà gia nhiệt/làm mát) đến khi mật độ tế bào đạt $100\text{--}120 \times 10^6\text{ tế bào/ml}$.
  4. Chuẩn bị dịch lên men: Làm nguội dịch đường xuống $28\text{--}30^\circ\text{C}$, nồng độ đường vào 12,6%, $\text{pH} = 4,5\text{--}5,2$, bổ sung $0,33\text{ g DAP/l}$ và $0,25%$ dịch ngâm bắp (Corn Steep Liquor - CSL).
  5. Lên men chính: Nạp 10% thể tích men giống vào thùng phản ứng, lên men kỵ khí trong 36 giờ ở $30^\circ\text{C}$.
  6. Chưng cất: Tách cồn thô từ giấm chín qua tháp chưng cất để thu ethanol tinh sạch.

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

Chương trọng tâm trình bày chi tiết toàn bộ các bước tính toán công nghệ và cơ khí:

  • Cân bằng vật chất mẻ $20\text{ m}^3$ nạp liệu, tính toán lượng sản phẩm ethanol ($791,4\text{ kg}$) và khí $\text{CO}_2$ ($758,68\text{ kg}$).
  • Cân bằng nhiệt lượng, xác định tổn thất nhiệt $1,017 \times 10^8\text{ J}$ và tính lưu lượng nước làm mát qua áo nhiệt ($8,1\text{ m}^3/\text{h}$).
  • Tính toán thể tích thiết bị toàn phần $31\text{ m}^3$, chiều cao cột lỏng $4,6\text{ m}$, đường kính trong $2,4\text{ m}$, chiều dày vách và nắp đáy elip chịu áp lực $1,6 \times 10^6\text{ N/m}^2$.
  • Thiết kế chi tiết cụm ghép bích thân-đáy-nắp (56 bu lông M48), 4 chân đỡ cơ khí ($79.608\text{ N/chân}$).
  • Tính toán hệ thống khuấy tuabin ($n = 48\text{ vòng/phút}$, công suất khuấy phụ tải $3682,24\text{ W}$, đệm kín trục) và chọn bơm nạp liệu $36\text{ m}^3/\text{h}$.

Chương 5: Kết luận

Tổng hợp các kết quả tính toán thiết kế của đồ án, khẳng định tính khả thi về mặt kỹ thuật của hệ thống thiết bị lên men sinh học từ rơm rạ quy mô bán công nghiệp.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán thiết kế kỹ thuật cho một thiết bị phản ứng sinh học công nghiệp:

Về mặt giải pháp kỹ thuật, đồ án đã đề xuất:

  • Tích hợp hệ thống đo lường và điều khiển tự động gồm 6 kênh giám sát: vận tốc khuấy ($N$), mức dịch ($V$), nồng độ sinh khối ($X$), nhiệt độ ($T$), $\text{pH}$ và hàm lượng oxy hòa tan.
  • Ứng dụng cơ cấu áo nước ngoài kết hợp cánh khuấy tuabin và hệ thống xục khí đáy đa lỗ để giải quyết bài toán phân bố nhiệt và chống lắng cặn sinh khối.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các tính toán truyền nhiệt và động học lên men trong đồ án chủ yếu dựa trên các giả thiết lý thuyết, nồng độ cơ chất cố định và thông số nhiệt động tra cứu trong điều kiện chuẩn của TP. Hồ Chí Minh; chưa có dữ liệu kiểm chứng thực nghiệm trực tiếp trên mô hình pilot thực tế của đồ án.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu tối ưu hóa chế độ thủy phân rơm rạ để nâng cao tỷ lệ thu hồi đường lên men từ cấu trúc lignocellulose.
    • Mở rộng nghiên cứu động học chuyển hóa đồng thời cả đường hexose và pentose (đặc biệt là xylose) nhằm gia tăng hiệu suất chuyển hóa tổng thể.
    • Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống điều khiển tự động vòng lặp kín đối với $\text{pH}$ và nhiệt độ cho thiết bị lên men quy mô công nghiệp lớn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Hóa học, Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sinh học: Nắm vững phương pháp luận và trình tự các bước thực hiện một đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về thiết kế thiết bị phản ứng sinh học.
  • Kỹ sư quá trình và thiết kế thiết bị: Tham khảo quy trình cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, các công thức tra cứu độ bền cơ khí (tính toán thân trụ, nắp đáy elip, mối ghép bích, chân đỡ) và động lực học khuấy trộn cơ học theo các tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị hóa chất.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn vi khuẩn Zymomonas mobilis thay vì nấm men truyền thống Saccharomyces cerevisiae?
Vi khuẩn Zymomonas mobilis lên men đường theo con đường Entner – Doudoroff (KDPG), tạo ra ít sinh khối tế bào hơn, không yêu cầu cung cấp oxy trong pha lên men, có tốc độ hấp thụ glucose và tốc độ sản sinh ethanol riêng phần cực đại cao hơn ($q_s^{\max} = 8,5\text{ g/g}\cdot\text{h}$, $q_p^{\max} = 4,1\text{ g/g}\cdot\text{h}$), đồng thời có khả năng chịu nồng độ cồn và đường cao.

2. Tỷ lệ phối trộn nguyên liệu nạp vào thùng lên men trong một mẻ gồm những gì?
Một mẻ nạp $20\text{ m}^3$ dung dịch bao gồm $18\text{ m}^3$ dịch đường thủy phân từ rơm rạ (nồng độ đường 13%) và $2\text{ m}^3$ dịch men giống Z. mobilis (tỷ lệ 10% thể tích), đồng thời bổ sung thêm $6\text{ kg}$ Diammonium Phosphate (DAP) với tỷ lệ $0,33\text{ g/l}$ dịch đường để cung cấp dưỡng chất nitơ và phospho.

3. Khối lượng và nồng độ ethanol thu được sau một chu kỳ lên men là bao nhiêu?
Sau 36 giờ lên men ở $30^\circ\text{C}$, với hiệu suất tổng hợp ethanol đạt 97%, mẻ phản ứng tạo ra $791,4\text{ kg}$ ethanol (tương đương nồng độ $44\text{ g/l}$ hay $4,12%$ khối lượng trong dịch sản phẩm) và giải phóng $758,68\text{ kg}$ khí $\text{CO}_2$.

4. Thiết bị lên men được thiết kế với kích thước và vật liệu như thế nào?
Thiết bị có thể tích toàn phần $31\text{ m}^3$ (thể tích chứa đầy $20\text{ m}^3$, hệ số $k = 0,65$), tỷ lệ chiều cao/đường kính trong $H/D = 3$ ($D = 2,4\text{ m}$, chiều cao mức lỏng $4,6\text{ m}$). Thân, nắp và đáy elip được chế tạo bằng thép không gỉ CT3 chịu áp lực làm việc $1,6 \times 10^6\text{ N/m}^2$, liên kết bằng 56 bộ bích liền bu lông M48 làm từ thép hợp kim $\text{X18H10T}$.

5. Hệ thống giải nhiệt và ổn định nhiệt độ cho thiết bị hoạt động ra sao?
Để duy trì nhiệt độ phản ứng tối ưu ở $30^\circ\text{C}$ tại điều kiện môi trường TP. Hồ Chí Minh ($27^\circ\text{C}$), thiết bị trang bị một lớp áo nước giải nhiệt cao $4\text{ m}$ bọc ngoài thân với thể tích chứa $8\text{ m}^3$. Lưu lượng nước làm mát tuần hoàn qua áo nhiệt được tính toán là $8,1\text{ m}^3/\text{h}$ ($8074,286\text{ kg/h}$) để bù trừ lượng nhiệt thất thoát $1,017 \times 10^8\text{ J}$.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế thiết bị lên men ethanol từ rơm rạ" của sinh viên Nguyễn Mai Ngọc Tuyền và Nguyễn Lê Khánh Linh đã giải quyết trọn vẹn bài toán công nghệ tận dụng phụ phẩm nông nghiệp lignocellulose để sản xuất năng lượng sạch. Công trình hoàn thành đầy đủ các nội dung từ tổng quan cơ sở lý thuyết, lựa chọn chủng vi sinh vật Zymomonas mobilis, thiết lập quy trình công nghệ đến tính toán chi tiết cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt và thiết kế cơ khí thiết bị phản ứng $31\text{ m}^3$. Toàn bộ thông số tính toán được trình bày logic, khoa học và tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành Công nghệ Hóa học.