CHƯƠNG 1.1 XU THẾ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHIỆP CỒN NHIÊN LIỆU TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM Cồn là một dung môi rất quan trọng, nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như thực phẩm, dược phẩm, y tế và một số ngành công nghiệp (làm dung môi trong công nghệ sơn, vecni…. Hiện nay trước tình hình nguồn nhiên liệu hoá thạch (than đá và dầu mỏ) đang dần cạn kiệt con người đã và đang rất quan tâm tới việc sản xuất cũng như sử dụng các nguồn nhiên liệu sinh học (Bio-Fuel) để thay thế cho nguồn nhiên liệu hoá thạch. Theo BP, một trong những tập đoàn dầu mỏ hàng đầu thế giới, trữ lượng dầu mỏ toàn cầu đã thăm dò tới năm 2003 là khoảng 150 tỷ tấn. Mức tiêu thụ dầu mỏ toàn cầu vào cùng thời điểm là 3,6 tỷ tấn/năm.
Với mức độ gia tăng của nhu cầu năng lượng tương đương với việc phát hiện các mỏ mới thì trữ lượng dầu mỏ toàn cầu chỉ còn đủ cho nhân loại trong vòng 4 thập kỉ tới. Hơn nữa việc sử dụng xăng dầu làm nhiên liệu đã thải vào không khí một lượng rất lớn khí nhà kính (thành phần chính là CO2) cũng như các khói bụi hữu cơ. Hậu quả là làm nhiệt độ không khí trên trái đất đã tăng lên 0.8°C, mực nước biển dâng cao 15-20cm, và ô nhiễm môi trường. Nếu không quyết tâm hành động thì trái đất sẽ có nguy cơ bị nóng lên thêm 2-3°C cũng như thiên tai, bão lũ, hạn hán và bệnh tật hiểm nghèo xuất hiện.
Chính vì những lý do cấp bách này mà nhiều quốc gia trên thế giới kể cả các nước có nguồn dầu khí lớn như Mỹ, Brazin, Ấn Độ, Trung Quốc…. và các tập đoàn năng lượng đã và đang chú trọng nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các loại nhiên liệu sạch như nhiên liệu sinh học để thay thế xăng dầu. Một trong những loại nhiên liệu sinh học đang được đầu tư phát triển đó là nhiên liệu cồn. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thu Hà 4 Toàn thế giới năm 2002 đã sản xuất gần 33 triệu tấn cồn, trong đó 70% dùng làm nhiên liệu được phân bổ ở Châu Mỹ 65%, Châu Á 19%, Châu Âu 3%, các lục địa khác 13%.
Brazil là nước tiên phong sử dụng cồn thay xăng cách đây gần 40 năm. Ở Mỹ đến nay đã có 20 nhà máy sản xuất cồn với công suất khoảng 13 triệu tấn. Ấn Độ là nước dẫn đầu Châu Á sử dụng cồn làm nhiên liệu, chính phủ Ấn Độ dự kiến đầu tư khoảng 4 tỷ USD để xây dựng các nhà máy sản xuất cồn nhiên liệu. Trung Quốc đã sử dụng cồn thay xăng ở 5 thành phố lớn (Trịnh Châu, Lạc Dương, Cáp Nhĩ Tân, Hắc Long Giang, Triều Đông) với các nhà máy có công suất từ 200.
Ở Đông Nam Á như Thái Lan, Inđônêxia, Malayxia đã phát triển công nghệ sản xuất cồn dùng thay xăng. Thái Lan đã thành lập ủy ban Cồn Quốc gia để nghiên cứu phát triển dạng nhiên liệu sinh học này, thay cho dầu diesel. Năm 1981, đã có Pilot đầu tiên để sản xuất thực nghiệm cồn (99,5%), đến năm 1985 đã thiết lập một số trạm phân phối 2 dạng nhiên liệu sinh học Gasohol (thay xăng) và Diesohol (thay diesel) ở ngoại ô Băngcốc. Năm 2004, nước này đã sản xuất trên 280.000 m3 cồn, đầu tư thêm 20 nhà máy để năm 2015 có trên 2,5 triệu m3 cồn dùng làm nhiên liệu.
Ở Việt Nam cho đến nay cồn sản xuất ra hầu hết chỉ sử dụng cho ngành công nghiệp đồ uống và hoá chất. Một số nhà máy sản xuất cồn với công suất lớn là: Công ty Rượu Hà Nội có công suất thiết kế 10 triệu lít cồn/năm và Công ty Rượu Bình Tây (thành phố Hồ Chí Minh) với công suất thiết kế 20 triệu lít cồn/năm. Ngoài ra cả nước có 26 doanh nghiệp Nhà nước và tư nhân sản xuất rượu cồn tại các địa phương như: Công ty Cổ phần Rượu Đồng Xuân (Phú Thọ) với công suất thiết kế 0,6 triệu lít cồn/năm, nhà máy cồn Tam Hiệp (Hà Tây), nhà máy Đường - Giấy - Rượu Hưng Nhân (Thái Bình) v. Sản -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thu Hà 5 lượng cồn vào những năm 80 của thế kỉ trước mới đạt được 30 triệu lít/ năm.
Đến năm 2005 đạt khoảng 50 triệu lít/ năm. Nhận thấy tầm quan trọng của nguồn nhiên liệu sinh học này đối với an ninh năng lượng Quốc gia, ngày 09/3/2007 ngành dầu khí Việt nam đã ký kết hợp đồng hợp tác đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất cồn từ sắn lát với Tập đoàn Itochu (Nhật Bản), trên khu đất 30 ha tại Khu Công Nghiệp Hiệp Phước. Nhà máy có công suất là 100.000 tấn sản phẩm/năm với tổng mức đầu tư ban đầu khoảng 80-100 triệu USD. Sản phẩm Cồn của nhà máy sẽ được pha chế với xăng thương phẩm theo tỷ lệ 10% cồn và 90% xăng để tạo ra 1 hỗn hợp nhiên liệu mới với tên gọi “Xăng E10”.2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU Hai phương pháp chính để sản xuất cồn nhiên liệu đó là phương pháp hydrat hoá etylen dầu mỏ bằng xúc tác axit và bằng phương pháp sinh học thông qua quá trình lên men.
Trong đó, phương pháp sinh học là phổ biến hơn cả. Nguyên tắc của phương pháp sinh học đó là các hydrat cacbon trong nguyên liệu tinh bột và cellulose phải được thủy phân thành đường đơn, tiếp đến là quá trình lên men đường thành rượu và cuối cùng là quá trình chưng cất rượu thành cồn. Tùy thuộc nguồn nguyên liệu sử dụng mà công đoạn thuỷ phân hydrat cacbon ban đầu có khác nhau. Có ba nguồn nguyên liệu chính để sản xuất cồn là nguyên liệu chứa đường (nước mía ép, rỉ đường mía, rỉ đường củ cải…), nguyên liệu chứa tinh bột (ngô, khoai, sắn…) và nguyên liệu chứa cellulose (rơm, rạ, thân ngô, bã mía …).
[19] -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thu Hà 6 1.1 Công nghệ sản xuất cồn từ đường Đường mía là nguyên liệu giàu saccaroza. Brazil là nước dẫn đầu về sản xuất cồn nhiên liệu từ đường mía. Hiện nay, ở Brazil có trên 60.000 đồn điền trồng mía với 6,5 triệu ha và trên 4 nhà máy sản xuất đường, cồn. [18, 19] Công nghệ sản xuất cồn từ mía là đơn giản nhất, mía sau khi ép dịch được tiếp men giống và lên men.
Tuy nhiên, mía là cây công nghiệp quan trọng là nguyên liệu chính của công nghiệp sản xuất đường và sản lượng hạn chế. Ngoài nước ép mía, rỉ đường - phụ phẩm của công nghệ sản xuất đường, cũng là một nguồn nguyên liệu được sử dụng phổ biến để sản xuất cồn. Rỉ đường thường chiếm từ 3-5% so với lượng mía đưa vào sản xuất và tỷ lệ này phụ thuộc vào chất lượng mía và công nghệ sản xuất. Trước khi đưa vào lên men, mật rỉ phải được xử lý axit để loại bỏ các tạp chất, cặn can xi, các chất phi đường giúp cho quá trình lên men cũng như chưng cất sau này được thuận lợi.
Theo số liệu của Tổng công ty mía đường Việt Nam, đến năm 2000 đã có 40 nhà máy đường đi vào hoạt động với tổng công suất khoảng 12 triệu tấn mía. Nếu tỷ lệ mật rỉ chiếm 3% thì các nhà máy này sẽ thải ra 420. Từ 1 tấn mật rỉ chúng ta có thể thu được 300 lít cồn 100% (v/v).2 Công nghệ sản xuất cồn từ tinh bột - Thủy phân tinh bột: Nguyên liệu chứa tinh bột như: Ngô, khoai, sắn, gạo hoặc tấm, đầu tiên phải được chuyển hoá thành đường lên men (glucose) nhờ hoạt động của enzym λ amylaza và β amylaza có sẵn trong hạt nảy mầm, hoặc được tổng hợp từ vi sinh vật dưới dạng enzym thương phẩm. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thu Hà 7 - Lên men: Tiếp đến là quá trình lên men nhờ nấm men Saccharomyces cerevisiae với phản ứng hóa học tổng quát như sau: C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2CO2 + Q Thông thường nấm men tích lũy khoảng 4-8% rượu trong dịch lên men, nhưng nồng độ của rượu trong sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ quá trình chưng cất.
- Chưng cất: Hiện nay, ở Việt nam công nghệ chưng cất cồn đã khá hoàn thiện với độ cồn lên tới 99%. Việc tinh chế cồn 96% thành cồn tuyệt đối sử dụng rây phân tử cũng đã được nhiều nơi quan tâm nghiên cứu và chuẩn bị đưa ra ứng dụng. Có thể nói công nghệ sản xuất cồn từ rỉ đường mía và từ tinh bột cho đến nay là khá hoàn thiện, hơn nữa nguồn nguyên liệu tinh bột và đường mía là những sản phẩm nông nghiệp quan trọng với số lượng hạn chế, trong khi đó nguồn nguyên liệu cellulose từ phế phụ phẩm nông nghiệp khá dồi dào vẫn chưa được sử dụng. Vì vậy, việc nghiên cứu, hoàn thiện công nghệ sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu cellulose sẽ rất có ý nghĩa cả trong thời điểm hiện tại và trong tương lai.3 Công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa cellulose Trong số những nguồn nguyên liệu sinh học có thể sử dụng cho sản xuất ethanol, nguyên liệu cellulose thực sự dồi dào và ít được khai thác.
Sản lượng sinh khối thực vật toàn cầu hàng năm vào khoảng 200 tỷ tấn, và 90% trong số đó là lignocellulose. Có khoảng 8-20 tỷ tấn trên thực tế có thể sử dụng để sản xuất ethanol. Sinh khối thực vật giàu lignocellulose là nguyên liệu phức tạp hơn nhiều so với tinh bột. Thành phần chủ chốt của chúng bao gồm cellulose, hemicellulose và lignin gắn kết chặt chẽ với nhau bởi những -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thu Hà 8 liên kết hydro và liên kết đồng hóa trị.
Để có thể sản xuất ethanol, các polymer sinh học này cần được phân huỷ thành đường đơn và sau đó hỗn hợp đường hexose (chủ yếu là glucose) và pentose (chủ yếu là xylose) sẽ được lên men thành ethanol. Việc thủy phân lignocellulose theo con đường hóa học và enzyme đều không đơn giản. Ngoài ra, trong quá trình thủy phân sử dụng axit (một công đoạn không thể thiếu trong các công nghệ hiện có) còn phân hủy một lượng đáng kể các đường tạo thành (tới 60% tùy theo chế độ thủy phân) và sản sinh những chất độc hại như furfuran đối với vi sinh vật trong công đoạn lên men tiếp theo. Bản thân việc lên men đường xylose (chiếm 20-30% lượng đường tạo ra) thành ethanol cũng gặp nhiều khó khăn bởi có rất ít các chủng vi sinh vật có khả năng thực hiện công đoạn này một cách hiệu quả.
Công đoạn chủ chốt trong sản xuất cồn nhiên liệu từ biomass là thủy phân nguyên liệu thành đường. Hiện nay có hai hướng thủy phân chính đó là thủy phân bằng axit và thủy phân bằng enzym.