MỞ ĐẦU 1.1 T nh cấp thi t của ề t i Hiện nay, trên thế giới cũng như ở Việt Nam, nghiên cứu tìm kiếm nguyên liệu cũng như công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học để thay thế một phần hay hoàn toàn nhiên liệu sản xuất từ nguồn năng lượng hóa thạch là một trong những vấn đề ưu tiên hàng đầu và nằm trong các chương trình chiến lược của các quốc gia. Riêng đặc biệt đối với Việt Nam đang đứng trước những thách thức lớn cụ thể: - Nguy cơ cạn kiệt của các nguồn nhiên liệu hóa thạch trong tương lai, sự biến động của nó gây ra sự bất ổn cho nền kinh tế như những năm gần đây và bên cạnh đó, sự ô nhiễm môi trường ngày càng tăng do việc sử dụng nhiên liệu cổ điển từ quá trình chế biến dầu mỏ. - Cùng với các nước đang phát triển khác, khi hội nhập quốc tế, Việt Nam phải thực hiện các cam kết quốc tế về việc cắt giảm khí nhà kính vốn đang làm trái đất nóng lên, và chú ý đến sự phát triển kinh tế song song với việc bảo vệ môi trường nước và môi trường không khí. - Giảm bớt sự cách biệt giữa nông thôn và thành thị trong quá trình phát triển kinh tế như hiện nay và phải xây dựng một nền nông nghiệp toàn diện theo hướng hiện đại hóa.
Và sự hiện đại hóa lĩnh vực nông nghiệp phải đi đôi với việc bảo vệ môi trường sinh thái, đảm bảo một sự phát triển bền vững. - Việt Nam cần phải phát huy thế mạnh của mình trong lĩnh vực nông nghiệp và xây dựng một chiến lược về vấn đề an ninh năng lượng quốc gia trước sự biến động của nguồn năng lượng trên thế giới mà đặc biệt trong vấn đề sử dụng năng lượng sinh học, năng lượng tái tạo…. Việt Nam là một trong những nước sản xuất đường lớn trên thế giới, hằng năm công nghiệp sản xuất đường thải ra một lượng lớn bã mía (Bảng 1). Đa số, bã mía được sử dụng làm nguyên liệu đốt cho nhà máy và trong quá trình đốt đã gây ô nhiễm môi Luận Văn Thạc Sĩ -2- Chƣơng 1 trường.
Do đó, đây là nguồn nguyên liệu tiềm năng và sẵn có cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học từ biomass.1: Sản lƣợng các nh máy ƣờng của Việt Nam [1] Công suất Công suất Công suất Nhà máy đường Nhà máy đường Nhà máy đường (tấn/ngày) (tấn/ngày) (tấn/ngày) Cao Bang 700 Quang Ngai 4500 La Nga 2000 Tuyen Quang 700 Nam Quang Ngai 1000 Tri An 1000 Son Duong 1000 Kon Tum 1000 Binh Duong 2000 Thai Nguyen – Dai Loan 2000 Binh Dinh 1000 Nuoc Trong 900 Son La 1000 Gia Lai – Phap 2800 Tay Ninh – Phap 8000 Viet Tri 500 Tuy Hoa 1250 Tho Tay Ninh 2500 Hoa Binh 700 Son Hoa 3000 Hiep Hoa 2000 Thanh Hoa – Dai Loan 6000 Eakno 500 Long An – An Do 3500 Lam Son 6000 Daklak 1000 Ben Tre 1000 Nong Cong 1500 Ninh Hoa 1250 Tra Vinh – An Do 3500 Nghe An – Anh 6000 Dien Khanh 400 Soc Trang 1000 Song Con 1250 Cam Ranh 3000 Phung Hiep 1250 Song Lam 350 Duc Trong 2500 Vi Thanh 1000 Linh Cam 1000 Ninh Thuan – An Do 2500 Thoi Binh 1000 Quang Binh 1500 Phan Rang 350 Van Diem 200 Thua Thien Hue – An Do 2500 Ninh Thuan 1000 Bien Hoa 300 Quang Nam 1000 Binh Phuoc 2000 Trên thế giới nhu cầu nhiên liệu ethanol, butanol đang phát triển nhanh chóng ở các nước lớn như Hoa Kỳ, Trung Quốc, Ấn Độ, Braxin và Châu Âu nhằm mục tiêu giảm sự tiêu thụ dầu mỏ và tăng sử dụng nhiên liệu sinh học. Ở Việt Nam vấn đề sản xuất nhiên liệu sinh học ngày càng được chú trọng. Thêm vào đó, các nghiên cứu về quy trình tổng hợp butanol từ nguồn nguyên liệu biomass ở Việt Nam chưa có nhiều, và butanol là hóa chất có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp lẫn đời sống. Thị trường tiêu thụ butanol rộng lớn, sản lượng tiêu thụ hàng năm rất lớn và mỗi năm càng tăng.
Chính vì những lý do trên, “Hoàn thiện công nghệ tổng hợp - tinh chế butanol từ bã mía” là một đề tài có tính cấp thiết cao trong tình hình hiện nay của Việt Nam. Luận Văn Thạc Sĩ -3- Chƣơng 1 1.2 Mục tiêu của ề tài Nghiên cứu sản xuất nhiên liêu sinh học như ethanol, methanol, butanol. từ các nguồn phế thải và phụ phẩm trong quá trình sản xuất nông nghiệp là một trong những mục tiêu lớn của các quốc gia có nền nông nghiệp phát triển như Việt Nam. Hàng năm, ngành sản xuất nông nghiệp đã thải ra một số lượng rất lớn các phế phụ phẩm và các phế phụ phẩm này chưa được tận dụng hiệu quả.
Nếu như nguồn nguyên liệu này được ứng dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học, thì chúng ta sẽ giải quyết được một phần lớn trong việc xây dựng một chương trình an ninh năng lượng quốc gia và nâng cao giá trị của ngành nông nghiệp. Trong các loại nguyên liệu phế phụ phẩm thì bã mía có ưu điểm hơn (hàm lượng cellulose cao hơn) so với các loại nguyên liệu như trấu, rơm rạ…và đây là một trong những ưu điểm quan trọng trong việc nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học từ các loại nguyên liệu này. Trong các loại nhiên liệu sinh học thì butanol là loại nhiên liệu có nhiều ưu điểm nổi trội hơn so với các loại nhiên liệu sinh học khác, bên cạnh đó, butanol còn là một alcohol có giá trị trong các lĩnh vực y học và công nghệ vật liệu mới. Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu bước đầu trong nước về việc sản xuất butanol sinh học từ nguyên liệu biomass như bã mía và rơm rạ tại Trường Đại Học Bách Khoa và Viện Sinh Học Nhiệt Đới [2],[3],[4],[5],[6],[7],[8].
Các nghiên cứu chỉ cho các kết quả khảo sát bước đầu và chỉ dừng lại ở giai đoạn lên men, mà chưa đưa ra được một quy trình tổng hợp hoàn chỉnh từ nguyên liệu bã mía ban đầu thành sản phẩm butanol với độ tinh khiết cao. Với những yêu cầu cấp bách đó, mục tiêu của đề tài là “Hoàn thiện công nghệ tổng hợp - tinh chế butanol từ bã mía”.3 Đối tƣợng nghiên cứu Như đã đề cặp ở trên, đối tượng nghiên cứu trong đề tài này bao gồm: Luận Văn Thạc Sĩ -4- Chƣơng 1 Vật liệu nghiên cứu: Nguyên liệu bã mía tại nhà máy đường Biên Hòa tỉnh Tây Ninh. Enzyme được sử dụng là enzyme Acremonium Cellulase một enzyme thương mại được cung cấp bởi Meiji Seika Co. Vi khuẩn được sử dụng là Clostridium Saccharobutylicum được cung cấp bởi Viện Sinh Học Nhiệt Đới (ITB).
Thiết bị: hệ thống thiết bị nổ hơi nước, thủy phân, lên men và chiết tách butanol bằng công nghệ Pervaporation được thiết kế và lắp đặt tại Trung Tâm Nghiên Cứu Công Nghệ Lọc Hoá Dầu Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh (RPTC). Sản phẩm: dung dịch butanol có độ tinh khiết khá cao.4 Nội dung nghiên cứu Để thực hiện được mục tiêu đặt ra là “Hoàn thiện công nghệ tổng hợp - tinh chế butanol từ bã mía”, nội dung nghiên cứu tập trung vào những vấn đề sau: Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan lý thuy t, xây dựng cơ sở cho quá trình nghiên cứu thực nghiệm.1 Nghiên cứu tổng quan về bã mía và butanol.2 Nghiên cứu tổng quan về quá trình tiền xử lý bã mía.3 Nghiên cứu tổng quan về quá trình thủy phân bã mía.4 Nghiên cứu tổng quan về quá trình lên men.5 Nghiên cứu tổng quan về quá trình tinh chế butanol. Nội dung 2: Nghiên cứu thực nghiệm 2.1 Nghiên cứu thực nghiệm về quá trình xử lí cơ học nguyên liệu bã mía.2 Nghiên cứu thực nghiệm về quá trình thủy phân nguyên liệu bã mía. Luận Văn Thạc Sĩ -5- Chƣơng 1 2.3 Nghiên cứu thực nghiệm về quá trình lên men.4 Nghiên cứu thực nghiệm về quá trình tinh chế butanol.
Nội dung 3: Phân tích tổng hợp số liệu thực nghiệm 3.1 Phân tích tổng hợp số liệu cho quá trình tiền xử lí nguyên liệu bã mía.2 Phân tích tổng hợp số liệu cho quá trình thủy phân bã mía.3 Phân tích tổng hợp số liệu cho quá trình lên men.4 Phân tích tổng hợp số liệu cho quá trình tinh chế butanol.5 Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu này được thực hiện trên cơ sở phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống pilot được xây dựng. Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng bao gồm: Phân tích, thu thập và tổng hợp các kết quả đã thực hiện nổi bậc nhất trên thế giới về công nghệ chế biến nguyên liệu biomass để làm nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học. Xây dựng cơ sở cho việc sản xuất butanol từ bã mía trong điều kiện Việt Nam. Phân tích thành phần nguyên liệu bã mía của Việt Nam dựa trên phương pháp hóa học, sử dụng các hóa chất để loại bỏ lần lượt các thành phần trong nguyên liệu.
Phương pháp phân tích nồng độ glucose, acetone, butanol, ethanol … trên máy sắc ký lỏng cao áp (HPLC), máy sắc ký khí (GC). Phương pháp đếm vi sinh bằng bộ đếm hồng cầu. Nuôi và nhân giống vi sinh phục vụ cho các quá trình lên men. Nghiên cứu thực nghiệm trên các hệ thống pilot cho các giai đoạn sản xuất butanol từ bã mía (xử lí cơ học, thủy phân, lên men, chiết tách) tại Trung tâm Nghiên Cứu Công Nghệ Lọc Hóa Dầu - Đại học Bách khoa TP.HCM Luận Văn Thạc Sĩ -6- Chƣơng 1 Tổng hợp - phân tích số liệu thực nghiệm, xây dựng quy trình tổng hợp-tinh chế butanol từ bã mía hoàn thiện.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu nhằm thiết kế hệ thống thí nghiệm tổng hợp-tinh chế butanol từ nguyên liệu bã mía, xem xét những điều kiện ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp-tinh chế nhằm tìm ra các điều kiện thích hợp.
Với những kết quả có thể thu được, nghiên cứu này hy vọng sẽ là một đóng góp quan trọng trong cơ sở dữ liệu liên quan đến việc sản xuất nhiên liệu sinh học từ bã mía, qua đây vạch ra nhiều hướng nghiên cứu mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong tương lai. Đề tài còn tạo cơ sở khoa học cho việc ứng dụng công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học từ các nguồn biomass khác bã mía như trấu, mùn cưa, l i ngô. Đề tài thúc đẩy các nghiên cứu tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới có tác dụng góp phần giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường.