CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Giới thiệu về bioethanol 1. Khái niệm Bioethanol là rượu ethanol sinh học thu được từ quá trình lên men vi sinh các loại nguyên liệu chứa đường hoặc từ tinh bột, cellulose nhờ vào phản ứng trung gian thủy phân thành đường của vi sinh. Bioethanol được tổng hợp thông qua quá trình sinh học, vi sinh sử dụng nguồn nguyên liệu đường làm thức ăn để thực hiện hô hấp kỵ khí và thải ra ethanol và khí CO2.
Trong khi đó, ethanol có nguồn gốc dầu mỏ thì được tổng hợp thông qua quá trình hoá học, không có mặt tham gia của cơ thể sống trong quá trình tạo ethanol. Bioethanol được tạo ra từ rất nhiều nguyên liệu nông nghiệp khác nhau được thể hiện qua hình 1.1: Nguồn nguyên liệu sản xuất bioethanol. Quá trình lên men đường tạo thành ethanol và carbon dioxide thể hiện qua PT1: C6H12O6 2C2H6O + 2CO2 (PT1) Ethanol dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong sẽ bị đốt cháy hòa trộn với oxygen trong động cơ tạo ra carbon dioxide, nước và nhiệt lượng dựa vào PT2: 11 Đồ án tốt nghiệp C2H6O + 3O2 2CO2 + 3H2O + nhiệt lượng (PT2) Tổng hợp 2 phương trình PT1 và PT2 trên ta có: C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + nhiệt (PT3) Nhiệt lượng sinh ra trong quá trình dùng để chạy máy. CO2 được sinh ra trong quá trình này là carbon trung tính khác với loại khí carbon được tạo thành sau khi đốt các nhiên liệu hóa thạch.
Carbon được tạo ra sau khi đốt các nhiên liệu hóa thạch không nằm trong chu trình carbon nên việc đốt chúng sẽ làm tăng hàm lượng carbon trong không khí gây hiệu ứng nhà kính. Bioethanol có thể được sử dụng như một nhiên liệu lỏng trong động cơ đốt trong do nó có chỉ số octane cao (129), chỉ số octane càng cao thì chỉ số chống gõ tránh được những tiếng gõ làm tổn thương lòng máy. Có thể sử dụng bioethanol nguyên chất hoặc pha chung với xăng dầu. Thông số của bioethanol so với xăng được thể hiện qua bảng 1.
Thông số của bioethanol so với xăng. Nhiên Tỷ Điểm Năng Năng Độ nhớt Chỉ số liệu trọng chớp lượng lượng (mm2/s) octane tương (kg/L) cháy (20OC) (MJ/L) đương Xăng 0,76 0,6 <21 42,7 32,45 92 1 Bioethanol 0,79 1,5 <21 26,8 21,17 129 0,65 ( Nguồn: Paul & Kemnitz 2) Bảng 1. Ước tính chi phí sản xuất bioethanol so với xăng Nguồn sinh khối Chi phí sản xuất (€/L) Xăng 0,25 Bắp Mỹ 0,42 Rơm từ bắp 0,45 – 0,58 12 Đồ án tốt nghiệp Lúa mì Châu Âu 0,27 – 0,43 Củ cải đường Châu Âu 0,32 – 0,54 Mía Brazil 0,16 – 0,28 Mật rỉ đường (Trung Quốc) 0,24 Lúa miến ngọt (Trung Quốc) 0,22 Rơm từ lúa mì (Mỹ) 0,44 Gỗ Vân Sam (gỗ mềm) 0,44 – 0,63 Cây liễu (gỗ cứng) 0,48 – 0,71 Lignocellulose (rác thải sinh 0,11 – 0,32 học) (Nguồn: www.org; Sassner et al, 2008; Abbas, personal communicatio) Để Bioethanol có thể cạnh tranh về kinh tế với nhiên liệu hóa thạch thì chi phí sản xuất phải không lớn hơn 0,2 €/L so với xăng.2 cho thấy nguồn sinh khối lignocellulose có tiềm năng rất lớn trong sản xuất nguồn năng lượng thay thế. (Nguồn: http://oil-price.php?lang=en) Hình 1.
Giá dầu năm năm gần đây. Các thế hệ của bioethanol Bioethanol được chia thành 3 thế hệ chính: 1. Bioethanol thế hệ thứ nhất Bioethanol ban đầu được sản xuất từ ngũ cốc hay mía đường – các sản phẩm giàu tinh bột và các loại đường đơn giản và dễ được lên men thành ethanol. Nhiên liệu sinh học được sản xuất nhờ những nguồn nguyên liệu như trên được gọi là nhiên liệu sinh học thế hệ một.
Việc sản xuất từ những nguồn nguyên liệu này dễ thực hiện do các phân tử tinh bột dễ được phân cắt và lên men. Tuy nhiên những nguồn nguyên liệu kể trên cũng đồng thời là thức ăn cho người và vật nuôi. Do những lo ngại xung quanh vấn đề về an ninh lương thực, đặc biệt sự thiếu hụt lương thực còn dai dẳng ở nhiều nước trên thế giới, nhất là các quốc gia Châu Phi, việc sản xuất ethanol từ các nguyên liệu này vấp phải sự phản đối gay gắt của dư luận ở nhiều nơi. Hạn chế tiếp theo của việc sản xuất bioethanol thế hệ thứ nhất là tạo gánh nặng cho sản xuất nông nghiệp.
Đất nông nghiệp ngày một giảm, không thể cung cấp đủ cho việc sản xuất bioethanol mà không ảnh hưởng đến nguồn cung cấp thực phẩm trong nước và việc cạnh tranh chi phí với các nguồn năng lượng hóa thạch. Thế hệ thứ hai Để khắc phục nhược điểm của bioethanol thế hệ thứ nhất, người ta đã sử dụng nguồn nguyên liệu phế thải hay các loại nguồn nguyên liệu không phải là thực phẩm với khả năng cung cấp bền vững, chi phí thấp và có lợi ích cho môi trường. Bioethanol thế hệ thứ hai được sản xuất từ sinh khối lignocellulose (bộ khung tạo nên tính chất “gỗ” của thực vật) đang trở thành xu hướng hiện nay. Nguồn cung cấp chủ yếu là than cây, rơm rạ cũng như các loại cây trồng không phải cây lương thực như cỏ, jatropha… hay các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp như vỏ chuối, vỏ cacao… với hàm lượng lignocellulose cao.
14 Đồ án tốt nghiệp Tuy nhiên, loại nhiên liệu này cung cấp nguồn năng lượng hiệu suất thấp so với dầu mỏ. Tiết kiệm được chi phí nguyên liệu ban đầu nhưng lại tiêu tốn chi phí cho quá trình tiền xử lý. Bioethanol thế hệ thứ ba Từ rong biển hay còn gọi là tảo người ta có thể sản xuất ra 19000 lít cồn, tức là gấp 5 lần sản xuất cồn từ ngô, và gấp 2 lần năng suất sản xuất cồn từ mía đường. Trong khi ngô hay mía đều đòi hỏi những diện tích canh tác và nguồn nước ngọt lớn, cạnh tranh với các nguồn lực trong nông nghiệp.
Tảo mặt khác có thể sinh trưởng trong nước mặn, có hàm lượng đường cao. Chỉ cần sử dụng chưa tới 3 % diện tích mặt nước ở vùng ven biển là có thể sản xuất đủ lượng tảo để sản xuất cồn. Đặc điểm nổi bật của nhiên liệu từ tảo là không ảnh hưởng đến nguồn nước ngọt, có thể sản xuất bằng cách sử dụng nước biển và nước thải, tương đối vô hại cho môi trường. Nhưng chi phí cho các dự án sản xuất rất cao nên chỉ dừng ở mức thử nghiệm.
Nguồn nguyên liệu lignocellulose để sản xuất bioethanol Xuất phát từ điều kiện Việt Nam là một nước nông nghiệp có sản phẩm nông nghiệp rất phong phú nên có thể sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu khác nhau trong đó lignocellulose là nguồn nguyên liệu phong phú nhất. Các loại cây trồng quay vòng ngắ ạch dương, bạch đàn), các chất thải nông nghiệp (rơm, bã mía, fruit watse.), các phế thả ệp gỗ, gỗ thả ợp để làm nguyên liệu sản xuất bioethanol. Cứ khoảng 2 - 4 tấn vật liệu gỗ khô hoặ ể cho 1 tấn bioethanol [1]. Nguyên nhân khiến người ta chuyển sang sản xuất bioethanol từ sinh khối lignocellulose là vì các loại này sẵn có và rẻ ới các loại tinh bột ngũ cốc hoặc cây trồng khác, đặc biệt là vớ ồn chất thải hầ ế thì vấ ển hóa các vật liệu này sẽ khó khăn hơn.
Nguyên liệu chứa lignocellulose khác nhau có thành phần cấu tạo chất không giống nhau nhưng về cơ bản chúng được cấu tạo từ 3 hợp chất cellulose, 15 Đồ án tốt nghiệp hemicellulose, lignin. Các thành phần cấu tạo nên lignocellulose (cellulose, hemicellulose, lignin) là các đối tượng khó bị phân hủy. Tính khó phân hủy gia tăng lên nhiều lần khi liên kết với nhau và với các thành phần khác nữa tạo thành một thể cấu trúc chặt chẽ và phức tạp. Các vi sợi cellulose, lignin, hemicellulose được sắp xếp theo những nguyên tắc nhất định để hình thành nên cấu trúc vi sợi.
Với cấu trúc nhiều lớp, gồm nhiều thành phần có bản chất hóa học khác nhau như vậy, lignocellulose có độ bền vật lý cao, rất khó xâm nhập đối với các vi sinh vật và enzyme. Hơn nữa để phân hủy bất cứ thành phần nào của phức hợp một cách hiệu quả và triệt để cần phải tác động đến nhiều thành phần khác. Ví dụ, để phân giải lignocellulose thì cần đồng thời tác động của lignin, cellulose và hemicellulose. Cellulose chiếm 40-60% trọng lượng khô.
Công thức phân tử (C6H10O5)n. Là thành phần cấu tạo chủ yếu của màng tế bào thực vật và là hợp chất chính của nguyên liệu chứa cellulose để sản xuất ethanol. Nguyên liệu càng giàu cellulose thì sản xuất ethanol càng đạt hiệu quả cao. Hemicellulose chiếm 20-40% trọng lượng khô, dễ bị thủy phân hơn so với cellulose.
Khi thủy phân đến cùng, hemicellulose tạo ra các monosaccaride chủ yếu là hexose, pentose. Trong đó hexose có khả năng lên men tạo ethanol còn pentose không có khả năng này. Lignin chiếm 10-25% trọng lượng khô, lignin là một polyphenol có cấ ự ếu đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose. Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn trong quá trình sản xuất ethanol từ cellulose thì nó hoàn toàn không bị thủy phân để tạo các hợp chất có khả năng lên men tạo ethanol.
Vì vậy lignin là thành phần không mong muốn trong quá trình sản xuất ethanol từ cellulose. Ứng dụng lợi ích và hạn chế của Bioethanol 1. Ứng dụng và lợi ích của bioethanol Bioethanol được sử dụng làm nhiên liệu do khi đốt cháy bioethanol cho nhiệt lượng tương đối cao mà không sản sinh ra các chất độc hại. Ngày nay, vấn đề môi trường đang là vấn đề cấp bách, do đó cần có nguồn nhiên liệu sạch để hạn chế vấn đề ô nhiễm.Trong đó xăng sinh học là nguồn nhiên liệu đầy triển vọng trong tương lai.
ếu được nghiên cứu sử ệu, có thể được sử ới dạng nguyên chất (E100), hoặc có thể pha trộn với xăng để tạo ra xăng sinh học. Nế ệ pha trộn dưới 10% ethanol thì không cần thay đổi các động cơ xe thông thường. Xăng sinh học đượ ự “E” kèm theo một con số ố phầ ọc được pha trộn trong xăng đó, các loại xăng sinh học như E5, E20, E95… tức là xăng sinh học chứa 5%, 20%, 95% ethanol. Trộ ệu, tức là thêm oxy vào hỗn hợp nhiên liệu, làm nó cháy hoàn thiện hơn, cải thiện được quá trình cháy và giảm đượ o môi trường.
Khi đốt cháy xăng có pha ethanol, dướ ệ ế 2 và H2O, nhưng thực tế thì CO cũng được sinh ra, tuy nhiên lượng CO thường thấp hơn đối với xăng. Nguyên nhân ethanol có chứa 6% oxygen theo thể tích cho phép động cơ tự đốt cháy nhiên liệu hoàn toàn, kết quả là làm giảm sự Bioethanol là nguồn nhiên liệu có khả năng tái sinh vì được sản xuất từ cây nông nghiệp thu hoạch hàng năm, sử ợng mặt trời là chính.