Thực hành nhiên liệu sinh học về chiết dầu bằng soxhlet, sản xuất biodiesel, lên men rượu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC 

GVHD: PGS.TS Trương SVTH Đặng Ngọc Bùi Phương Trần Thị Kim Nguyễn Thái Nguyễn Thị Yến Nguyễn Hải Trần Nguyễn

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 22/01/2018

MỤC LỤC BÀI 1: CHIẾT DẦU MÈ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOXHLET 1.1. Tổng quan về dầu mè ........................................................................................................... 3 1.2. Cơ sở lý thuyế t trích ly dầ u ................................................................................................. 3 1.3. Nội dung thí nghiệm ............................................................................................................. 3 1.3.1 Nguyên liệu, dụng cụ, hóa chất ................................................................................. 3 Dụng cụ và thiết bị .................................................................................................... 3 Vật liệu ....................................................................................................................... 4 1.3.2. Quy trình thực hiện .................................................................................................. 4 KẾT QUẢ THỰC HÀNH........................................................................................................... 6 MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH LÀM THỰC HÀNH...................................... 7 BÀI 2: PHẢN ỨNG SẢN XUẤT BIODIESEL ......................................................................................... 9 2.1.

Dụng cụ và thiết bị .......................................................................................................... 9

2.2.

Hóa chất ........................................................................................................................... 9

2.3.

Vật liệu ............................................................................................................................. 9

2.4.

Lượng MeOH cần dùng ............................................................................................... 10

2.5.

Quy trình ....................................................................................................................... 10

2.6.

Phương trình phản ứng ................................................................................................. 10 KẾT QUẢ THỰC HÀNH............................................................................................. 12 MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH LÀM THỰC HÀNH ........................ 13

Bài 3: LÊN MEN RƯỢU ........................................................................................................................... 16 3.1. Dụng cụ và thiết bị ............................................................................................................. 16 3.2. Vật liệu ................................................................................................................................ 16 3.3. Quy trình ............................................................................................................................. 16 KẾT QUẢ THỰC HÀNH.................................................................................................. 16 MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH LÀM THỰC HÀNH ............................. 17 2

BÀI 1: CHIẾT DẦU MÈ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOXHLET

−

−

−

−

-

-

-

1.1. Tổng quan về dầu mè Dầu mè hay dầu vừng là một loại dầu thực vật ăn được chiết xuất từ hạt mè (vừng). Ngoài công dụng làm dầu để nấu ăn ở Nam Ấn Độ, nó thường được dùng làm gia vị trong ẩm thực Trung Hoa, Nhật Bản, Trung Đông, Triều Tiên, và Đông Nam Á.

Dầu chiết xuất từ hạt mè giàu chất dinh dưỡng còn được dùng phổ biến trong y học thay thế – như mát xa cổ truyền. Phương pháp chữa bệnh cổ truyền Ayurveda của Ấn Độ sử dụng dầu mè.

Dầu mè phổ biến ở châu Á và cũng là một trong những loại dầu từ cây tự trồng sớm nhất từng được biết đến, nhưng sản lượng dầu mè không bao giờ dồi dào ngay cả ngày nay do quá trình thu hoạch thủ công kém hiệu quả để chiết xuất dầu.

1.2. Cơ sở lý thuyế t trić h ly dầ u Quá triǹ h trić h ly đươ ̣c dựa trên tính toán hòa tan của dầ u trong dung môi hữu cơ không phân cực (xăng, n-hexan…). Đô ̣ hòa tan vào nhau của hai chấ t lỏng phu ̣ thuô ̣c vào hằ ng số điê ̣n môi ,hai chấ t lỏng có hằ ng số điê ̣n môi càng gầ n nhau thì khả năng hòa tan vào nhau càng lớn . Dầ u có hằ ng số điê ̣n môi khoảng 2-3 ,các dung môi hữu cơ có hằ ng số điê ̣n môi khoảng 2-10 ,do đó có thể dùng các dung môi hữu có trích ly dầ u chứa trong nguyên liê ̣u (như cám …). Điều chế n-Hexane chủ yếu được lấy từ dầu mỏ, thành phần chính xác của phân đoạn phụ thuộc chủ yếu vào nguồn dầu và việc tinh chế. Sản phẩm công nghiệp (thường chứa khoảng 50% dạng mạnh thẳng, còn lại là các đồng phân như 2-MP, 3-MP, MCP, 2,2-dimethylbutane, neohexane) được chưng cất ở nhiệt độ sôi 65-70oC Ứng dụng Li trích dầu thực vật: Hexane làm dung môi ly trích dầu thực vật. Chúng giúp thu hẹp phạm vi chưng cất từ dầu trích, với hàm lượng aromatic thấp giúp loại bỏ hàm lượng màu aromatic không cần thiết. Do vậy chúng được dùng làm dung môi ly trích của nhiều loại dầu thực vật như : dầu đậu nành, dầu dừa, dầu đậu phụng, dầu cọ và dầu lanh.

Keo dán và băng dính: Hàm lượng lớn hexane sử dụng làm tác nhân kết dính nhanh khô.

Hexane được sử dụng làm dung môi cơ bản trong công thức keo xi măng,kiểm soát độ nhớt trong sản xuất keo dán và xi măng.

1.3. Nội dung thí nghiệm

1.3.1 Nguyên liệu, dụng cụ, hóa chất Dụng cụ và thiết bị − Bình cầu A 500 ml. − Bếp đun điều chỉnh nhiệt độ. − Cân 4 số − Thiết bị cô quay.

3

− Tủ sấy. − Máy xay. − Ray, ống đong 250 ml.

Hóa chất − Dung môi Hexane.

Vật liệu − Hạt mè.

1.3.2. Quy trình thực hiện -

-

Tóm tắt: Chuẩn bị mẫu: Dầu mè được sấy bằng máy sấy khây ở nhiệt độ khoảng 75oC đến khi khô hoàn toàn, sau đó được nghiền nhỏ bằng máy nghiền và lọc qua rây 0.5mm để thu được bột mè khô.

Chiế t Soxhlet: Cân 2 gram mè qua rây 0.5mm, cho vào túi lọc. Sau đó tiến hành soxhlet với 250ml dung môi n-hexane, thời gian soxhlet 6h, ở nhiệt độ 70oC. Cô quay: Sau khi chiế t xong ,ta lấ y dich ̣ sau chiế t đi cô quay ở nhiê ̣t đô ̣ 70 oC,xác đinh tỉ lê ̣ thu hồ i dung môi ,dầ u sau khi cô quay cho vào lo ̣ bi đem đi sấ y chân không trong 48h để thu khối lượng dầu thô.

Thuyết minh quy trình: − Xác định ẩm độ ban đầu của mẫu: Giã nhỏ hạt mè sau đó cân 2g mẫu hạt mè cho vào chén nhôm. Đem mẫu đi sấy 0 ở 75 C trong 2 ngày (Cân mẫu sao cho khối lượng mẫu không thay đổi là đựợc). Ta xác định được ẩm độ của mẫu hạt mè.

− Đem mẫu hạt mè đã sấy đi nghiền nhỏ sau đó ray qua ray 0.5mm. − Cách thức thực hiện: hạt mè đã được sấy khô, và ở dạng mịn. Hỗn hợp này được cho vào túi vải để thuận tiện cho việc lấy khối hạt mè ra khỏi ống. Lượng hạt mè 4

trong ống D không được cao vượt quá mức cong của ống thông nhau E. Rót dung môi đã lựa chọn vào bình cầu, kiểm tra hệ thống kín, mở nước chảy hoàn lưu trong bộ phận ngưng tụ hơi dung môi. Cắm bếp điện và điều chỉnh nhiệt độ sao cho trong bình cầu sôi nhẹ. Dung môi tinh khiết khi đun nóng tới nhiệt độ đạt được điểm sôi sẽ bốc hơi lên cao, hơi dung môi theo ống B lên cao đến bộ phận ngưng tụ, hơi dung môi được làm lạnh, ngưng tụ thành thể lỏng, rớt xuống túi vải chứa bột nguyên liệu. Dung môi ngấm vào bột mè và chiết những chất hữu cơ nào có thể hòa tan vào dung môi. Theo quá trình đun nóng, lượng dung môi rơi vào túi vải càng nhiều, mức dung môi dâng lên cao trong ống D, và đồng thời cũng dâng cao trong ống E (ống thông nhau). Đến mức cao nhất trong ống E, dung môi sẽ hút về bình cầu A, lúc hút này sẽ rút hết lượng dung môi đang chứa trong ống D. − Bếp vẫn tiếp tục đun và một quy trình mới vận chuyển dung môi như ban đầu.

Các hợp chất được hút xuống bình cầu và nằm tại đó, chỉ có dung môi tinh khiết là bốc hơi bay lên để tiếp tục quá trình chiết. Tiếp tục cho đến khi chiết kiệt các chất trong bột nguyên liệu. Tiến hành chiết trong khoảng 2 - 3 giờ. Phải điều chỉnh nhiệt độ để tốc độ tuần hoàn của dung môi từ 6 - 8 lần trong một giờ. Quá trình chiết dầu kết thúc khi giọt dung môi (n-hexan hoặc eter dầu hỏa) từ ống hồi lưu chảy xuống không làm loang giấy lọc sau khi đã bay hết dung môi. Cất thu hồi dung môi có trong bình cầu thu được cao chiết. − Cân 2 gam hạt đã qua ray rồi đem gói trong tờ giấy lọc (Chú ý: cân khối lựợng giấy lọc) sau đó bỏ vào ống chiết (không để vượt quá độ cao của ống thông E). Lắp dụng cụ như hình 1, dùng vaselin làm kín các chỗ nối. Lắp hệ thống làm mát ở bộ phận sinh hàn, cho vào bình cầu A 250ml hexane. Bậc bếp đung để chiết khoảng nhiệt độ 700C. Thời gian chiết khoảng 6h-8h. Để kiểm tra đã chiết hết dầu hay chưa, ta lấy 1 giọt dung môi trả về bình cầu A từ ống thông E và nhỏ lên giấy lọc. Sau khi hexane bay hơi, quan sát nếu thấy có vết loang trên giấy lọc thì vẫn còn dầu trong mẫu. − Sau khi hết thời gian chiết, để thiết bị nguội. Tháo thiết bị lấy dịch chiết cho vào bình cầu 1000ml để cô quay để tách dầu và dung môi ra. Nhiệt độ cô quay 700C, 500 vòng. Cô quay cho đến khi không còn dung môi ngưng tụ rơi xuống bình thu hồi là dừng. Hexane thu hồi có thể dùng lại để chiết. Cho một ít hexane vào bình cầu cô quay để tráng bình đổ vào cốc thủy tinh 100ml đế sấy, nhiệt độ sấy 750C (lưu ý: cân khối lượng cốc thủy tinh trước khi tráng bình cô quay đổ vào. Sau đó cân khối lượng sau sấy để tính lượng dầu trong mẫu. Mẫu nguyên liệu sau khi chiết cũng đem đi sấy ở 750C.

5

HÏnh 1:Hᝇ thᝑng soxhlet

KáşžT QUẢ THáť°C HĂ€NH â?– Ẩm Ä‘áť™ − Kháť‘i lưᝣng chĂŠn nhĂ´m: mÄ‘1=3.8515g − Kháť‘i lưᝣng trĆ°áť›c khi sẼy (chĂŠn nhĂ´m+mẍu: 20g(hất mè) ) mtrĆ°áť›c=23.8515g − Kháť‘i lưᝣng sau khi sẼy msau =23.7911g Ä?áť™ Ẋm cᝧa hất mè =

đ?’Žđ?’•đ?’“Ć°áť›đ?’„−đ?’Žđ?’”đ?’‚đ?’– đ?&#x;‘

. 100% = 6,04%

XĂĄc Ä‘áť‹nh hĂ m lưᝣng dầu − Kháť‘i lưᝣng táť? giẼy láť?c dĂšng Ä‘áťƒ chᝊa mẍu mgiẼy láť?c=1.356 g − Kháť‘i l᝹ᝣng mẍu khĂ´ ban đầu giẼy láť?c mban đầu=1.356+2=3.356g 6

− Khối lượng mẫu nguyên liệu đã chiết sau khi sấy (bao gồm cả tờ giấy lọc) msau=2.3836 g Vậy hàm lượng dầu trong mẫu là: %dau =

3.356 - 2.3836

.100 = 48.62%

2 Vậy ta kết luận chiết dầu từ đậu nành bằng phương pháp soxhlet đạt yêu cầu.

Thảo luâ ̣n nhóm: Hàm lượng dầu thu thô thu được tương đối cao, tuy nhiên kết quả này có thể sai lệch so với thực tế vì một số nguyên nhân sau: • Mè khô đã được bảo quản khá lâu trước khi soxhlet nên chất lượng có thể bị thay đổi.

• Tủ sấy chân không bị hỏng nên dầu thu được có thể còn dung môi.

Hiệu suất thu hồi dung môi chưa cao. Cần có những phương pháp tránh hiện tượng thất thoát dung môi trong soxhlet cũng như trong cô quay.

Tìm ra dung môi mới thay thế hexan ( hoặc hệ dung môi) phù hợp với đặc tính của dầu mè nhằm thu hồi dầu thô cao nhất và giảm độ độc hại cho sản phẩm thu được.

MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH LÀM THỰC HÀNH

Sản phẩm dầu thu được

Cân mẫu

7

Hệ thống cô quay

8

BÀI 2: PHẢN ỨNG SẢN XUẤT BIODIESEL 2.1.

Dụng cụ và thiết bị − Cân 4 số − Bình tam giác 250 − Bình chiết − Máy khuấy từ có gia nhiệt có thể điều chỉnh được tốc độ khuấy cũng như nhiệt độ. − Thiết bị cô quay − Một con khuấy từ

2.2. Hóa chất − Methanol − NaOH − CH3COOH − KCl − Na2SO4 2.3.

Vật liệu − Dầu đậu nành (Dầu Simply) Lưu ý: Trước khi phản ứng, tất cả các thiết bị đều phải được rửa sạch, sấy khô để không ảnh hưởng xấu đến phản ứng, làm sai lệch kết quả .

Bảng thành phần acid béo của dầu đậu nành: Myristic

Palmitic

Stearic

Oleic

Linoleic

Linolenic

(14:0)

(16:0)

(18:0)

(18:01)

(18:02)

(18:03)

C14H28 O2 (228) 0.1%

C16H32 O2 (256) 10.6%

C18H36 O2 (284) 4.8%

C18H34 O2 (282) 22.5%

C18H32 O2 (280) 52.3%

C18H30 O2 (278) 8.2%

9

2.4.

Lượng MeOH cần dùng − Khối lượng trung bình của các acid béo là: Khối lượng trung bình Triglyceride : _ MTG = 3x(273.862 -1+12) +5 = 859.046(g / mol ) − Tỉ lệ mol dầu :MeOH=1:3 nên 859,046g/mol dầu 100 g dầu

----> 3x32 g/mol MeOH ----> X g MeOH

Vậy cần dùng lượng MeOH:

mMeOH=

100×3×32 859,046

=11,175 g

2.5.

Quy trình

2.6.

Phương trình phản ứng

10

1 g NaOH+11.175gMeOH (Khuấy hòa tan)

100 g Dầu

Khuấy từ 200rpm, 700C, 4h Transester hóa

Cô quay thu hồi MeOH

600C, 500 vòng/phút

Lắng, tách pha bằng cách cho vào bình chiết để trong 24h Ly trích

Lớp dưới (Glycerin)

Lớp trên (Biodiesel) Trung hòa bằng CH3COOH Rửa muối KCl Rửa nước cất Làm khan bằng Na2SO4 Lọc

Biodiesel tinh khiết

Thuyết minh quy trình: ➢ Dùng cân phân tích cân một lượng chính xác MeOH,NaOH cho vào bình. Sau đó đổ một lượng chính xác dầu đậu nành đã xử lý vào ngay trong bình. ➢ Bật máy khuấy từ và gia nhiệt cho thiết bị phản ứng Điều chỉnh tốc độ khuấy phù hợp sau đó gia nhiệt hỗn hợp tới nhiệt độ phản ứng mong muốn. Cố định nhiệt độ và tốc độ khuấy trong suốt thời gian phản ứng.

Quá trình tách và tinh chế sản phẩm: ➢ Sau khi khuấy ta thu đc hỗn hợp.Ta đem hỗn hợp này đi cô quay để thu hồi MeOH.(Cô quay ở nhiệt độ 60 0C và 500 vòng/phút) ➢ Chất lỏng thu đc sau khi cô quay được đổ vào bình chiết, để lắng 1h để phân tách pha rõ ràng rồi chiết phần glyxerin ở dưới (2) ra khỏi phần Biodiezel ở trên (1).(Hình 1) 11

Hình 1:Hỗn hợp sau khi cô quay

➢ Ta trung hòa Biodiezel bằng CH3COOH. ➢ Biodiezel sau khi chiết tách khỏi glyxerin bên cạnh metyl este và dầu đậu nành chưa phản ứng còn lẫn nhiều tạp chất như rượu metanol dư, glyxerin dạng vết…nên phải tinh chế để thu được biodiezel đạt yêu cầu. Ta tiến hành rửa este để tách metanol, glyxerin và các tạp chất tan trong nước khác. Do metanol và glyxerin đều là các chất phân cực nên chúng tan tốt trong nước. Biodiezel được rửa bằng nước cất nóng (khoảng 80°C) để tránh tạo nhũ và làm tăng khả năng hòa tan các tạp chất rượu và glyxerin. Lượng nước rửa cho vào bình chiết bằng khoảng 2 lần thể tích biodiezel, đậy kín và lắc mạnh trong khoảng 1 phút, sau đó để lắng cho phân tách pha rõ ràng (khoảng 20 phút) và chiết đổ đi phần nước rửa bên dưới.

KẾT QUẢ THỰC HÀNH Khối lượng Biodiesel thô là: mBiodiesel thô= 30.04 (g) Khối lượng Glyxerol thô là: MGlyxerol thô= 41.561(g) Khối luông Biodiesel tinh khiết: mBiodiesel = 24,606 (g)

12

MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH LÀM THỰC HÀNH

Hình ảnh: Cho NaOH vào MeOH khuấy hòa tan

Hình ảnh: Cho dầu vào dung dịch (MeOH+NaOH). Khuấy và gia nhiệt.

Hình ảnh: Mẫu được đem đi cô quay để loại methanol

13

Hình ảnh: Mẫu sau khi cô quay bỏ vào bình chiết để lắng

Hình ảnh: Biodiesel sau khi li trích

Hình ảnh: Glycerin sau khi li trích

14

Hình ảnh: Trung hòa Biodiesel bằng CH3COOH

Hình ảnh: Sản phẩm thu được

15

BÀI 3: LÊN MEN RƯỢU 3.1. Dụng cụ và thiết bị − Bình ủ men: bình thủy tinh 2000ml − Cân − Ống đong 1000 ml − Thiết bị cô quay 3.2. Vật liệu − Gạo − Men thị trường: men rượu 3.3. Quy trình − Cân 0.5 kg gạo đem đi nấu cơm (cơm chín không được khô hay nhão). − Men đem đi dã nhỏ cân 1%-2% lượng gạo đem đi nấu cơm (tức 5g-10g men) − Cơm sau khi nấu chín xới lên để nguội ( còn ấm ấm là được) đem trộn đều với men đã được dã nhỏ ở trên. Sau đó cho vào bình thủy tinh 2000 ml để ủ trong vòng 2 ngày ở điều kiện hiếu khí. Sau khi ủ được 2 ngày thì thêm 1000 ml nước vào ủ tiếp trong vòng 6-8 ngày trong điều kiện kỵ khí. − Hết thời gian ủ, thì ta lấy dịch rượu đem đi cô quay 700C, tốc độ 500 vòng cho đến khi nào ta thấy lượng dung môi thu hồi nhỏ vào bình thu hồi ít hơn bình thường thì ngừng lại. Dung môi thu hồi đó chính là ethanol.

KẾT QUẢ THỰC HÀNH Sau khi cô quay ta thu được 270 ml ethanol.

Vậy từ 0.5 kg gạo và 7 g men sau 9 ngày thì ta thu được 270 ml ethanol.

16

MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH LÀM THỰC HÀNH

Men đã dã nhỏ và đem đi cân

Trộn men và gạo vào bình thủy tinh chuẩn bị quá trình ủ 17

Sau 1 ngày ủ ở điều kiện kị khí

Sau 2 ngày ủ ở điều kiện kỵ khí 18

Sau 5 ngày ủ

Cân bong bóng

19

Cô quay thu hồi ethanol

Sản phẩm rượu thu được

20

Bả rượu

21