Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
LỜI CẢM ƠN
Thực tập quá trình & thiết bị là cơ hội để nhóm sinh viên thực tập chúng em tiếp cận và
tìm hiểu thực tế thông qua những kiến thức lí thuyết đã học tại trường trong suốt những năm
qua.
Trải qua thời gian thực tập tại phòng thí nghiệm năng lượng sinh học – ĐH Bách Khoa
TP HCM, được tham gia vận hành một số thiết bị, chúng em đã học hỏi nhiều kiến thức thực
tế, những kinh nghiệm quý báu, được tiếp xúc môi trường và điều kiện làm việc nơi đây. Có
được những kiến thức đó, chúng em xin chân thành cảm ơn sự tận tình giúp đỡ từ thầy cô và
các anh chị tại đây.
Chúng em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Đình Quân. Cảm ơn Thầy đã tạo điều
kiện thuận lợi cho chúng em được thực tập tại Xưởng, đã truyền đạt cho chúng em những
kinh nghiệm quý báu, đã giúp đỡ và hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực tập.
Xin chân thành cảm ơn chú Nguyễn Văn Khanh, Chị Trần Phước Nhật Uyên, Chị Vũ Lê
Vân Khánh, anh Lê Nguyễn Phúc Thiên, và anh Phan Đình Đông đã tận tình hướng dẫn
chúng em trong suốt quá trình thực tập, sẵn sàng giúp đỡ chúng em giải đáp những vướng
mắc, trao đổi với chúng em những kinh nghiệm quý báu trong quá trình làm việc và trong
cuộc sống.
Chúng em xin cảm ơn khoa Kỹ thuật hóa học nói chung và bộ môn Quá trình &Thiết bị
nói riêng đã tạo điều kiện để chúng em có cơ hội được thực tập tại đây, xin cảm ơn thầy
Nguyễn Sĩ Xuân Ân đã tạo điều kiện và hướng dẫn tận tình để chúng em hoàn thành đợt thực
tập này.
1
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Nhận xét của Cán bộ hướng dẫn:



…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………

Tp. Hồ Chí Minh, ngày……tháng…… năm 2012.
Xác nhận của bộ môn.
3
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
MỤC LỤC
I. Nghiên cứu ethanol từ rơm rạ:
1.Tình hình nước ta hiện nay
Theo thống kê của các cơ quan chức năng, hàng năm, nước ta có sản lượng thóc khoảng 40
triệu tấn. Cứ 1 tấn thóc thu hoạch thì có 2 tấn rơm rạ, trấu. Đối với số phụ phẩm này, nông dân
thường có tập quán đốt bỏ, hoặc xả thẳng ra kênh rạch, phơi bừa bãi ven đường lộ gây khói bụi, ô
nhiễm môi trường, Khói rơm rạ là nguồn tạo ra các khí CO, CO
2
, NO
2
, SO
2
, H
2
O, các chất nhựa
bay hơi và hàng trăm hợp chất khác có hại cho sức khỏe con người. Rơm rạ thối mục là nguồn
sinh khí metan, làm tăng lượng khí thải vào bầu khí quyển, là 1 nguồn ô nhiễm đáng kể gây nên
hiệu ứng nhà kính, làm tăng nhiệt độ của trái đất, biến đổi khí hậu toàn cầu. Khi đốt các chất hữu
cơ có trong rơm rạ và trong đất, do nhiệt độ cao sẽ biến thành chất vô cơ làm cho đồng ruộng bị
khô, chai cứng. Phần tro còn sót lại không giúp ích mấy cho cây trồng.

môi trường là 2 ưu điểm lớn của loại nhiên liệu này.
II. Tổng quan về phòng thí nghiệm.
1. Lịch sử hình thành và phát triển.
Hiện nay, công nghệ sản xuất xăng sinh học từ ethanol với nguyên liệu sắn, ngô,
khoai… rất phổ biến, nhưng nhiều quốc gia cảnh báo rằng, điều này sẽ ảnh hưởng đến an ninh
lương thực thế giới. Để tìm nguồn thay thế, nhiều nghiên cứu đang hướng đến việc tận dụng
phụ phẩm trong nông nghiệp như rơm, rạ, vỏ trấu, bã mía… để sản xuất ethanol.
Ở nước ta, dự án “Kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương với công nghiệp chế
biến biomass” do JICA (Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản) tài trợ, có nhiệm vụ xây dựng và
phát triển công nghệ sản xuất bioethanol từ các nguồn biomass là phế thải nông nghiệp như:
rơm, rạ, vỏ trấu, bã mía… bước đầu đã thành công ở quy mô phòng thí nghiệm. Sản phẩm sẽ
được ứng dụng vào mục đích làm nhiên liệu cho động cơ và các thiết bị đốt công nghiệp.
Dự án JICA được thực hiện trong khuôn khổ hợp tác nghiên cứu giữa trường Đại học
Bách Khoa Tp.HCM và Viện Khoa học Công nghiệp thuộc trường Đại học Tokyo. Dự án
hướng đến xây dựng phương pháp luận nhằm kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương
với nền công nghiệp chế biến sinh khối, thiết lập quy trình tinh chế bằng phương pháp sinh
học quy mô nhỏ tại khu vực. Từ đó, xây dựng chu trình tự cung tự cấp các nhiên – vật liệu
sinh học. Trong khuôn khổ dự án, hai mô hình thí điểm về “Tổ hợp thử nghiệm quá trình chế
biến sinh khối” và “Mô hình xưởng thực nghiệm kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa
phương và nền công nghiệp chế biến sinh khối” được thiết lập.
Mục tiêu nghiên cứu của xưởng thực nghiệm là phản hồi lại mục tiêu chung của dự án,
triển khai những kết quả thí nghiệm đạt được ở quy mô phòng thí nghiệm, hiểu được toàn bộ
quy trình và hệ thống, cải tiến và phát triển các trang thiết bị.
5
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học

Hình 1: Phòng thí
nghiệm năng lượng sinh
học
Dự án bắt đầu

8
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
- Khi vận hành thiết bị phải nắm rõ các thao tác vận hành và giới hạn an toàn của thiết bị để
tránh xảy ra sự cố cho thiết bị và người vận hành. Đặc biệt, với nồi hơi là thiết bị làm việc ở áp
suất và nhiệt độ cao nên rất nguy hiểm, vì vậy, người vận hành nên có ít nhất 2 năm kinh
nghiệm.
- Sử dụng dụng cụ và thiết bị đúng chức năng để tránh hư hỏng và tăng tuổi thọ của dụng cụ và
thiết bị.
- Tất cả các van trong hệ thống cần được cài đặt và kiểm tra kỹ càng bởi hội đồng trước khi vận
hành.
- Giai đoạn cắt rơm: phải mặc áo bảo hộ, đeo mắt kính, khẩu trang chống bụi rơm, mang găng
tay bảo vệ tay không bị ngứa khi bốc rơm bỏ vào máy cắt, chân mang giày không được mang
dép phòng chống rủi ro có thể xảy ra như bị ngứa dị ứng với bụi rơm. Đọc bảng hướng dẫn an
toàn sử dụng thiết bị cắt trước khi tiến hành làm việc.
Hình 4: Một số hú ý khi sử dụng máy cắt rơm.
Giai đoạn ngâm kiềm, trung hòa acid: phải đeo bao tay
chống thấm, mặc áo bảo hộ, mang tạp dề bằng nhựa dẻo
phía trước người, đeo khẩu trang, đi ủng cao su bảo vệ
chân, đội mũ có tấm kiếng bảo vệ mặt để tránh hóa chất rơi
trúng mặt, vào mắt, v.v…
- Giai đoạn chưng cất: cho lượng nguyên liệu vào thiết bị chưng cất sao cho không vượt
mức quy định an toàn của thiết bị.
- Những thiết bị đang vận hành ở nhiệt độ cao được treo biển cảnh báo.
4. Xử lí phế thải.
- Than trấu: là phế thải sinh ra trong quá trình đốt lò bằng trấu nhằm cung cấp nhiệt cho hơi
nước đun nóng thiết bị chưng cất. Sau quá trình đốt lò, than trấu được đem ra sân chứa, công ty
9
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
môi trường và một số dịch vụ khác (chăm sóc cây kiểng, v.v…) sẽ thu nhận hoặc thu mua về để
làm phân bón.v.v…

10
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Rơm rạ
Cắt rơm
Nổ hơi
Xử lý bằng NaOH
Trung hòa
Lọc ép
Thủy phân và lên men đồng thời
Chưng cất
Ethanol
Nước
Nước + NaOH
Lọc ép
Nước thải
Bã rắn
Nước + HCl
Bã rắn
Trung hòa và thải bỏ
Enz cellulase
Nấm men
Nhân giống
Than hóa và khí hóa
Trấu
Syngas
Oxy hóa
11
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Nồi hơi
Than trấu

thể hoà tan cellulose như H
2
SO
4
72%, H
3
PO
4
85%
- Hemicellulose
Cũng là những hydrat cacbon nhưng là loại polysaccarit dị thể. Các đơn vị cơ sở là đường
hexose hoặc đường pentose. Độ bền hoá học và bền nhiệt của hemicellulose thấp hơn so
với cellulose, vì chúng có độ kết tinh và độ trùng hợp thấp hơn (độ trùng hợp <90). Đặc
trưng của nó là có thể tan trong dung dịch kiềm loãng. So với cellulose nó dễ bị thuỷ
phân hơn trong môi trường kiềm hay axit.
- Lignin
Lignin là nhựa nhiệt dẻo, mềm đi dưới tác dụng của nhiệt độ và bị hòa tan trong một số tác chất
hóa học. Trong gỗ, bản thân lignin có màu trắng. Lignin có cấu trúc rất phức tạp, là một
polyphenol có mạng không gian mở, đơn vị cơ bản là phenyl propan và trong phân tử luôn chứa
nhóm metoxyl (OCH
3
). Các đơn vị mắt xích này được liên kết với nhau bằngmột số kiểu liên kết
như: β-O-4 (chiếm chủ yếu 40 – 60 %), α-O-4 (chiếm 5 – 10 %), CO-C, C-C…Lignin có liên kết
chặt chẽ với hydrat cacbon đặc biệt là có liên kết hoá học với hemicellulose. Trong quá trình chế
biến bột giấy, người ta dùng tác động cơ học hoặc hoá học để hoà tan lignin hoặc biến tính lignin
để giải phóng các bó sợi cellulose.
13
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Vi sinh lên men đường thành rượu: chủng S. Cerevisiae là một sản phẩm của hãng Ethanol
Red

7-8%
Bảng 2: Các thành phần hóa học trong nấm men đông khô
Thành phần Phần trăm khối lượng khô (%)
Cacbon
Hydro
Oxy
Nitơ
Phospho
Magiê
Kali
48.2
6.5
33.8
6.0
1.0
0.04
2.1
Hình 5 : Nấm men Sacchromyces cerevisiae dưới dạng bột khô.
Từ những thành phần trên Rosen đã cho rằng nấm men có sự hình thành cấu trúc của
C
4.02
H
6.5
O
2.11
N
0.43
P
0.03
. Các phân tử carbonhydrate là thành phần cấu trúc: thành tế bào và các hợp

phương pháp và kỹ thuật lên men.
Quá trình sinh sản của nấm men thường thông qua sinh sản vô tính, phân chia tế bào bất đối
xứng (nảy chồi) tế bào con được hình thành giống hệt tế bào mẹ. Dưới điều kiện thích hợp tế bào
con sẽ phát triển khỏe mạnh như tế bào mẹ. Quá trình này kéo dài đến khi các tế bào bị lão hóa
và chất dinh dưỡng bị cạn kiệt, sau đó tế bào chết. Chu trình sinh trưởng của nấm men được
nghiên cứu đóng một vai trò quan trọng trong công nghiệp cũng như là đại diện cho tế bào
16
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
eukaryote. Trên thực tế nấm men có một hệ gen nhỏ tuân theo những kĩ thuật di truyền và chu kì
tế bào được xảy ra nhanh chóng cho thấy khả năng ứng dụng trong phòng thí nghiệm.
Hình 6: Chu kỳ sinh sản của tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae
Enzyme: Enzyme đường hóa cellulose (cellulase) được đặt mua từ công ty Meiji Seika (Nhật).
Enzyme là những chất xúc tác sinh học có bản chất protein và rất không ổn định, hoạt động
ở vùng pH trung tính hoặc gần như trung tính (7±2), kim loại nặng và nhiệt độ cũng ảnh hưởng
lớn đến enzyme.
Enzyme là những chất xúc tác sinh học, có nhiều trong cơ thể sống. Việc điều chế chúng
bằng phương pháp hóa học với số lượng lớn là việc làm rất khó khăn và đầy tốn kém nếu không
muốn nói là điều không tưởng, nên người ta thường thu nhận chúng từ các nguồn sinh học. Mặc
dù enzyme có trong tất cả các cơ quan, mô của động vật thực vật cũng như trong tế bào vi sinh
vật, song việc tách enzyme đáp ứng yêu cầu về mặt kinh tế chỉ có thể tiến hành khi nguyên liệu
có chứa một lượng lớn enzyme cũng như cho phép thu được enzyme với hiệu suất cao và dễ dàng
tinh chế chúng. Việc phân bố của enzyme trong tế bào cũng không đồng đều, trong một loại tế
bào cũng có thể có nhiều enzyme này song không có enzyme khác. Lượng enzyme lại thay đổi
17
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
tùy theo giai đoạn sinh trưởng phát triển của sinh vật và tùy theo loài nên chúng ta phải chọn
nguồn nguyên liệu thích hợp cho việc chiết rút và tinh chế enzyme. Có ba nguồn nguyên liệu sinh
học cơ bản: các mô và cơ quan động vật, mô và cơ quan thực vật, tế bào vi sinh vật.
Hóa chất: NaOH (pellet, 99.9 %), acid HCl (37 wt. %), H
2

- Bề mặt tiếp xúc tự do của cellulose: liên quan đến bề mặt tiếp xúc của cellulose với
enzyme, và thể tích xốp. Tuy nhiên, bề mặt tiếp xúc tự do này có liên quan đến độ kết
tinh và sự bảo vệ của lignin.
- Sự hiện diện của hemicellulose: cũng như lignin, hemicellulose tạo thành lớp bảo vệ
xung quanh cellulose.
- Mức độ acetyl hóa của hemicelluloses: Đây là yếu tố ít được quan tâm, xylan, loại
hemicellulose chính trong gỗ cứng và cây thân cỏ bị acetyl hóa với tỉ lệ rất cao. Ảnh
hưởng này tồn tại đến khoảng 75% hemicellulose bị deacetyl hóa.
Nói tóm lại, quá trình tiền xử lý nhằm :
- Tăng vùng vô định hình của cellulose
- Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass
- Phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose.
2.1.2.1.Cắt rơm: Rơm ban đầu được cắt 2 lần qua máy cắt thô và máy cắt mịn để ra rơm sản
phẩm có chiều dài từ 2-3 cm làm tăng bề mặt tiếp xúc và thuận lợi cho quá trình nổ hơi.
2.1.2.2. Nổ hơi.
Cơ chế
Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước là một quá trình tác động cơ học, hóa học và nhiệt độ
lên hỗn hợp nguyên liệu. Nguyên liệu bị phá vỡ cấu trúc dưới tác dụng của nhiệt, hơi và áp
lực do sự giãn nở của hơi ẩm và các phản ứng thủy phân các liên kết glycosidic trong nguyên
liệu. Quá trình nổ hơi nước gồm các giai đoạn sau: Làm ẩm nguyên liệu, giảm áp đột ngột
Hình 7: Cơ chế của quá trình nổ hơi.
Các yếu tố
ảnh hưởng
Quá
trình nổ bằng
áp lực hơi nước chịu ảnh hưởng lớn bởi 2 yếu tố: nhiệt độ và thời gian.
19
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
• Thời gian lưu: thời gian lưu ảnh hưởng đến sự thủy phân của hemicellulose. Thời gian lưu của
nguyên liệu trong thiết bị phản ứng càng dài thì hemicellulose được thủy phân càng nhiều.

2.1.2.4. Lọc ép: Rơm sau khi ngâm qua đêm bằng dung dịch kiềm sẽ được mang đi lọc ép
bằng máy ép pittong, nhằm loại bỏ dịch chứa lignin.
2.1.2.5. Trung hòa: Rơm sau khi lọc ép sẽ được chỉnh pH tới 5-6 bằng acid HCl.
2.1.2.6. Lọc ép: Cuối cùng rơm được lọc ép lần cuối loại bỏ dung dịch acid, bã rắn sẽ được
bảo quản trong tủ lanh (khi chưa dùng tới) để tránh sự phát triển của nấm mốc.
Hình 11: Rơm sau khi lọc ép (kết thúc tiền
xử lí).

2.1.2.7. Thủy phân và lên men đồng thời: Rơm qua giai đoạn tiền xử lí sẽ được cho vào thiết bị
phản ứng SSF (bình phản ứng khuấy liên tục, có bọc vỏ áo). Thời gian thủy phân và lên men
khoảng 5 ngày, cấp nhiệt bằng hơi nước để duy trì nhiệt độ bình phản ứng ở 35
0
C đến 40
0
C. Lưu
ý khi nhập liệu không nên nhập một lần mà nên chia ra.
Trong bình phản ứng xảy ra đồng thời 2 quá trình thủy phân và lên men.
a/ Thủy phân.
22
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học
Quá trình này sử dụng enzyme cellulose thủy phân cellulose thành đường:
-Enzyme endo_cellulose tấn công ngẫu nhiên vào mạch cellulose nhờ tạo liên kết tương tác
giữa CBD với cellulose tạo thành oligosaccharide
-Enzyme exo-cellulose tấn công vào cellulose và cả oligomer từ đầu đường khử và không
khử thông qua tương tác của CBD với cellulose thành của cellobiose và glucose.
-Β-glucosidase tấn công cellobiose và oligosaccharide tan tạo glucose.
b/ Lên men.
Sự tạo thành rượu từ glucose phải trải qua nhiều giai đoạn, sơ đồ hình thành rượu từ glucose
được biễu diễn như sau :
23

Các chất hữu cơ của trấu là các mạch polycarbohydrat rất dài nên hầu hết các loài sinh vật
không thể sử dụng trực tiếp được, nhưng các thành phần này lại rất dễ cháy nên có thể dùng làm
chất đốt. Sau khi đốt, tro trấu có chứa trên 80% là silic oxyt.
Khi đốt vỏ trấu tạo ra nhiệt lượng khoảng 15 MJ/kg
2.2.2. Khái niệm: Khí hóa là một quá trình chuyển đổi nhiên liệu có nguồn gốc cacbon hữu cơ
hoặc nhiên liệu hóa thạch thành hỗn hợp khí CO, H
2
, CO
2
và CH
4
từ phản ứng của vật liệu ở
nhiệt độ cao (>700
0
C) mà không đốt với lượng oxy hoặc hơi nước được kiểm soát. Hỗn hợp khí
được gọi là khí tổng hợp (syngas), là một loại nhiên liệu. Năng lượng từ quá trình khí hóa sinh
khối và đốt khí tổng hợp được coi là môt nguồn năng lượng tái tạo. Các quá trình khí hóa của
vật liệu nhiên liệu hóa thạch không được coi là năng lượng tái tạo.
2.2.3. Quy trình:
2.2.3.1. Than hóa và khí hóa: trấu được nhập vào buồng khí hóa, tại đây xảy ra các giai
đoạn:
- Giai đoạn sấy: xảy ra ở nhiệt độ 100
0
C, hơi nước thoát ra, vật liệu bị khô dần. Thông thường,
hơi nước được trộn vào dòng chảy khí và có thể tham gia phản ứng hóa học tiếp theo, đặc biệt
là các phản ứng nước – khí nếu nhiệt độ đủ cao.
25