BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐỀ CƯƠNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Mã số: 60.52.75
TÊN ĐỀ TÀI
“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM
NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH
SẢN XUẤT BIOETHANOL TỪ BÃ MÍA”
Tên HV: Lê Thị Vân Kiều
CBHD: TS. Lê Thị Như Ý
Lớp: CNHH – K26
Đà Nẵng, 06/2014
MỤC LỤC
PHẦN I. MỞ ĐẦU 3
I.1. ĐẶT VẤN ĐỀ

3
I.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

5
I.3. CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY

5
I.4. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

6
I.5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN


thuộc vào nhiên liệu hóa thạch cho cuộc sống hàng ngày. Tuy nhiên, nhiên liệu hóa
thạch không phải vô hạn và sẽ cạn kiệt vào khoảng 40 – 50 năm nữa. Trong điều kiện
cạn kiệt nhiên liệu hoá thạch và các vấn đề khí thải liên quan gây ô nhiễm môi
trường từ việc sử dụng nguồn nhiên liệu này, việc tìm kiếm và phát triển các nguồn
năng lượng sạch, thay thế là cần thiết và cấp bách. Trong số các nguồn năng lượng
tái tạo này, sinh khối là nguồn năng lượng quan trọng nhất.
Bảng I.1.1: Các nguồn năng lượng tái tạo và dự báo [5]
Loại năng lượng tái tạo
Năm / Lượng (triệu tấn dầu qui đổi)
% vào năm
2040
2001 2010 2020 2040
Tổng năng lượng sơ cấp 10 038.00 11 258.0 15 347.0 17 690.0 100.00
Sinh khối 1 080.00 1 291.0 2 221.0 2 843.0 16.07
Thuỷ điện 223.00 255.0 296.0 308.0 1.75
Thuỷ điện nhỏ 9.50 16.0 62.0 91.0 0.51
Gió 4.70 35.0 395.0 580.0 3.28
Pin mặt trời 0.20 1.0 110.0 445.0 2.51
Nhiệt mặt trời 4.10 11.0 127.0 274.0 1.55
Nhiệt điện mặt trời 0.10 0.4 9.0 29.0 0.16
Địa nhiệt 43.00 73.0 194.0 261.0 1.47
Thuỷ triều 0.05 0.1 2.0 9.0 0.05
Tổng năng lượng tái tạo 1 364.50 1 682.5 3 416.0 4 844.0
% năng lượng tái tạo 13.60 14.3 22.0 27.4 27.40
Nguồn: OECD (trích trong Carioca 2010).
Nhiên liệu sinh học (ethanol sinh học và diesel sinh học) là các nguồn năng lượng
được tạo ra từ sinh khối. Nhìn chung, nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm: giảm khí
thải nhà kính, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, tăng sự an toàn về năng
lượng quốc gia, góp phần phát triển nông thôn và là một nguồn năng lượng bền vững
trong tương lai. Ngược lại, loại nhiên liệu này cũng có một số hạn chế: nguồn nguyên

Tiền xử lý bằng kiềm có thể được tiến hành ở nhiệt độ phòng, ít gây ra sự thoái
biến đường hơn so với tiền xử lý bằng axit và cho hiệu quả cao hơn ở các sản phẩm
nông nghiệp. Thường sử dụng natri hydroxit, canxi hydroxit, kali hydroxit và amoni
hydroxit. Tiền xử lý bằng Ca(OH)
2
có chi phí thấp và yêu cầu về an toàn ít hơn so
với tiền xử lý bằng NaOH nhưng khả năng hòa tan Ca(OH)
2
trong nước kém, khó
tách ra khỏi bã rắn sau quá trình tiền xử lý.
Việc ứng dụng kỹ thuật siêu âm sẽ cải thiện một loạt các quá trình sinh học và có
tiềm năng được sử dụng trong sản xuất ethanol từ nguyên liệu lignocellulose. Kỹ
thuật siêu âm được áp dụng như một quá trình hỗ trợ việc phá hủy liên kết lignin tạo
điều kiện cho quá trình thủy phân, gia tăng vận chuyển cơ chất, kích thích tế bào
sống và enzyme giúp gia tăng sản lượng các chất trao đổi, đẩy nhanh quá trình lên
men.
Sóng siêu âm, giống như các sóng âm khác, bao gồm các chu kỳ nén và giãn. Các
chu kỳ nén tác động một áp suất dương lên chất lỏng, đẩy các phân tử chất lỏng lại
gần nhau, các chu kỳ giãn tác động một áp suất âm, kéo các phân tử chất lỏng ra xa
nhau. Trong suốt chu kỳ giãn, sóng siêu âm có cường độ đủ lớn có thể tạo ra các
4
bong bóng. Khi bong bóng được hình thành nó sẽ tiếp tục hấp thụ năng lượng từ các
chu kỳ nén và giãn dưới tác động của sóng siêu âm. Điều này làm cho các bong bóng
tiếp tục lớn lên. Khi các bong bóng phát triển đạt đến một kích thước tới hạn, nó
không có khả năng hấp thụ năng lượng từ sóng siêu âm nữa. Do đó khi không có
năng lượng vào, các bong bóng không chịu được áp suất bên trong và cuối cùng
bong bóng nổ tung tạo ra sự cân bằng động giữa áp suất bên trong và bên ngoài chất
lỏng. Hiện tượng này gọi là hiện tượng sủi bong bóng (hay còn gọi là hiện tượng xâm
thực khí – cavitation). Đây cũng là tác động quan trọng nhất của sóng siêu âm năng
lượng cao. Thông qua hiện tượng này, năng lượng cơ học của sóng siêu âm được biến

gấp 3,5 lần.
Ở Việt Nam, gần đây đã có một số nghiên cứu về sản xuất bioethanol từ các nguồn
cellulose như rơm rạ, bã giấy, bã mía, … tuy nhiên việc ứng dụng kỹ thuật siêu âm
nhằm tăng cường hiệu quả các giai đoạn trong quá trình sản xuất bioethanol hầu như
chưa được công bố.
I.4. Tính cấp thiết của đề tài
Mặc dù sản lượng ethanol và diesel sinh học gia tăng đáng kể trong thời gian qua,
tỷ lệ các nhiên liệu này chỉ ở mức rất nhỏ so với nhiên liệu hóa thạch trong cơ cấu
năng lượng sử dụng.
Năm 2006, sản lượng bioethanol được sử dụng trên thế giới là 50 tỷ lít, trong đó
bioethanol nhiên liệu là 38.5 tỷ lít (chiếm 77%).
Nhu cầu sử dụng ethanol để tăng chỉ số octan ngày càng lớn ở nhiều quốc gia, đặc
biệt là Mỹ sau khi MTBE bị cấm sử dụng vì lý do ô nhiễm môi trường nước. Hiện
nay, các loại phương tiện giao thông với động cơ được cải tiến để có thể sử dụng
được cả ethanol tinh khiết đang được nghiên cứu và phát triển.
Tại thời điểm này có khoảng 40 quốc gia sử dụng các loại xăng sinh học làm
nhiên liệu cho động cơ. Từ năm 2007, xăng E85 đã được chính thức sử dụng tại Áo,
Pháp và Đức từ năm 2008. Mỹ có khoảng 250 triệu phương tiện sử dụng xăng và
trong số chừng 170 ngàn trạm bán xăng thì có hơn 2.000 trạm bán xăng E85. Mỹ
cũng là nước tiêu thụ ethanol lớn nhất với khoảng 60% tổng sản lượng của thế giới.
6
Tại Nam Mỹ, 4 quốc gia sản xuất ethanol nhiên liệu là Brazil, Colombia,
Paraguay và Argentina, trong đó chỉ có Brazil là xuất khẩu, 3 nước còn lại đều chỉ
sản xuất để tiêu thụ trong nước. Tại Châu Âu, những nước có sản lượng ethanol lớn
nhất là Pháp, Đức và Tây Ban Nha. Tổng mức tiêu thụ nhiên liệu ethanol trong EU
ước đạt 3.500 ngàn tấn và nhịp độ tăng trưởng hàng năm là 23%. Ngoài số tự sản
xuất được, nguồn nhập khẩu chính ethanol châu Âu là từ Brazil.
Tại Việt Nam, tính đến cuối năm 2012, năng lực sản xuất ethanol nhiên liệu của
cả nước đạt 535 triệu lít/năm, đủ để phối trộn 8,35 triệu tấn xăng E5 (5% ethanol)
hoặc 4,17 triệu tấn xăng E10 (10% ethanol), đảm bảo đủ cung cấp cho thị trường cả

- Ứng dụng kỹ thuật siêu âm vào quá trình sản xuất bioethanol từ bã mía và xác
định các thông số: tần số, nhiệt độ, thời gian sao cho hiệu suất thu hồi bioethanol là
cao nhất.
7
I.5.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Tận dụng được nguồn cellulose từ bã mía phế thải, đồng thời giảm sức ép cho việc
sản xuất bioethanol từ nguồn nguyên liệu có nguồn gốc tinh bột, đường như mía, ngô,
khoai mì,…
- Góp phần vào lĩnh vực nghiên cứu sản xuất bioethanol từ nguồn nguyên liệu có
nguồn gốc cellulose. Và với việc kết hợp ứng dụng kỹ thuật siêu âm vào quá trình
sản xuất bioethanol, tôi hy vọng sẽ rút ngắn được thời gian sản xuất, tiết kiệm chi
phí, tăng hiệu suất thu hồi bioethanol so với quá trình sản xuất bình thường.
8
PHẦN II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
II.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
II.1.1. Đối tượng nghiên cứu
- Bã mía của nhà máy đường.
- Qui trình công nghệ sản xuất bioethanol từ bã mía của nhà máy đường.
- Kỹ thuật siêu âm.
II.1.2. Phạm vi nghiên cứu
- Các điều kiện tiền xử lý, thủy phân và lên men.
- Xử lý số liệu thống kê, quy hoạch thực nghiệm với hàm mục tiêu là hiệu suất loại
bỏ lignin, hiệu suất thu hồi đường và ethanol là tối đa.
II.2. Hóa chất và thiết bị
- Hóa chất:
+ NaOH: dạng tinh thể, bột màu trắng mịn.
+ Dung dịch đệm NaNO
3
.
+ Enzyme cellulsoft L.

dụng siêu âm với tần số 15 – 35 kHz, nhiệt độ từ 40 – 60
0
C trong 10 – 30 phút. Sau
đó, bã được lọc và rửa bằng nước cho đến khi pH của dịch lọc đạt tình trạng trung
hòa. Bã thu được được sấy khô ở 50
0
C đến trọng lượng không đổi. [9][14]
II.2.2. Quá trình thủy phân
Quá trình thủy phân bằng enzyme kết hợp siêu âm được thực hiện trong một bình
Erlenmeyer (100 ml) ở 50 ± 10
0
C. Ảnh hưởng của tần số (15 – 35 kHz), nhiệt độ (30
– 50
0
C) và thời gian thủy phân (2 – 4 h) được nghiên cứu đối với thủy phân bằng
enzyme kết hợp siêu âm. Các mẫu thu được tại những khoảng thời gian nhất định
được ly tâm ở 8000 rpm trong 10 phút và đưa đi phân tích hàm lượng đường. [9][14]
II.2.3. Quá trình lên men
Sản xuất ethanol đã được thực hiện bằng cách lên men dịch thu được từ quá trình
thủy phân. Để thực hiện quá trình lên men, 100 ml dịch thu được từ quá trình thủy
phân được đặt trong 250 ml bình Erlenmeyer và nó đã được bổ sung thêm các dưỡng
chất cần thiết. pH ban đầu của hỗn hợp được điều chỉnh đến 5.0. Hỗn hợp được tiệt
trùng sau đó thêm nấm men S. cerevisiae. Sóng siêu âm sử dụng tần số từ 10 – 30
kHz, nhiệt độ 20 – 40
0
C, thời gian 50 – 70 phút. Các mẫu được thu hồi tại những
khoảng thời gian nhất định và được phân tích ethanol. [9][14]
II.3. Phương pháp nghiên cứu
10
- Áp dụng các phương pháp phân tích hoá học trong việc xác định hàm lượng

5 Từ 11/2014 đến 12/2014 Bổ sung và hoàn chỉnh luận văn
11
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Nguyễn Văn Chín, Nghiên cứu tổng quan khả năng sản xuất và sử dụng
ethanol làm nhiên liệu cho động cơ, Đồ án tốt nghiệp, Bộ môn Công nghệ
Hóa học Dầu và Khí, Khoa Hóa, Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng, 2007.
[2] Trần Diệu Lý, Nghiên cứu sản xuất Ethanol nhiên liệu từ rơm rạ, Đồ án tốt
nghiệp, Bộ môn Kỹ thuật Hữu cơ, Trường Đại Học Bách khoa TP HCM,
2007.
[3] Cao Đình Khánh Thảo, Nghiên cứu thử nghiệm khả năng xử lý rơm rạ để lên
men ethanol, Luận văn Đại học, Bộ môn Công nghệ Sinh học – Khoa Công
nghệ Hóa học, 01/2007.
[4] Lê Thị Như Ý, Research on Bio-ethanol production from rice straw by lime
pretreatment combinated with simultaneous saccharification and
fermentation process, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số:
8(57), trang: 201 – 206, năm 2012.
[5] Phạm Văn Hội - ĐH Nông nghiệp Hà Nội, Peter Oosteveer and Jan Japenga -
Đại học Wageningen, Hà Lan, Tổng quan phát triển nhiên liệu sinh học trên
Thế giới.
Tiếng Anh
[6] Kathrin Hielscher, Ultrasonically-Assisted Fermentation for Bioethanol
Production, Hielscher Ultrasonics, Germany.
[7] Stefano Macrelli, Johan Mogensen and Guido Zacchi, Techno-economic
evaluation of 2
nd
generation bioethanol production from sugar cane bagasse
and leaves integrated with the sugar-based ethanol process, Biotechnology
for Biofuels, 2012.
[8] Svetlana Nikolic, Ljiljana Mojovic, Marica Rakin, Dušanka Pejin, Jelena

[18] Ziyu Wang, Alkaline Pretreatment of Coastal bermudagrass for Bioethanol
Production, 2009.
[19] Jiele Xu, Alkaline Pretreatment of Switchgrass for Ethanol Production,
2009.
[20] Rocio Sierra, Cesar Benigno Granda, and Mark T. Holtzapple, Lime
Pretreatment, Biofuels: Methods and Protocols, Methods in Molecular
Biology, vol. 581, Chapter 9, p.115-124, 2009.
[21] Tarheradeh and Karimi, Enzyme-based Ethanol, BioResources, 2(4), p.707-
738, 2007.
[22] García A, Alriols MG, Llano-Ponte R, Labidi J, Ultrasound-assisted
fractionation of the lignocellulosic material, Bioresour Technol, 102,
p.6326−6330, 2011.
13
Ý KIẾN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN