Công nghệ nano và ứng dụng năng lượng từ tảo biển

Công nghệ nano và ứng dụng năng lượng từ tảo biển Công nghệ nano và ứng dụng năng lượng từ tảo biển Công nghệ nano và ứng dụng năng lượng từ tảo biển

ĐẠI HỌ C QU C GIA HÀ NỘI Ố

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HỌC PHẦN: SEMINAR VÀ TH O LU Ả ẬN NHÓM V CÔNG Ề

NGHỆ NANO VÀ NG D Ứ ỤNG

TS Vũ Thị Thao

Hà nội, ngày 2 tháng 6 năm 2021

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: các d ng t o biạ ả ển 4

Hình 2: sơ đồ hệ thống ao m ở để nuôi t ảo 11

Hình 3: sơ đồ cơ chể phản ứng quang hình ống 12

Hình 4: các quá trình biến đổi sinh kh i c a vi tố ủ ảo 13

DANH M C BỤ ẢNG Bảng 1: thành phần c a các loài t o khác nhau (trích: A Singh, S.I Olsen, Appl Energy 88 (3548) ủ ả (2011)) 5

Bảng 2: hàm lượng dầu của vi t o ả 8

Bảng 3: s ản lượ ng d ầu ở m i lo i cây tr ỗ ạ ồng 8

MỤC LỤC DANH MỤ C HÌNH NH 2 Ả

MỤC LỤC 1

LỜI MỞ ĐẦU 3

I T NG QUAN V T O BI N Ổ Ề Ả Ể 4

1 T o bi n ả ể 4

Hình 1: các d ng t o biạ ả ển 4

2 Thành ph n c u tầ ấ ạo tảo 5

Bảng 1: thành phần c a các loài t o khác nhau (trích: A Singh, S.I ủ ả Olsen, Appl Energy 88 (3548) (2011)) 5

3 Phân lo i t o ạ ả 6

II NGUỒN NĂNG LƯỢNG TỪ TẢO BIỂN 7

1 Tiềm năng năng lượng từ tảo bi n ể 7

Bảng 2: hàm lượng dầu của vi tảo[2] 8

Bảng 3: sản lượng d ầu ở ỗ m i lo i cây tr ng[8] ạ ồ 8

2 M t s ộ ố tiềm năng khác của tảo biển 9

III KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TẢO BIỂN 10

1 Nuôi tr ng t o ồ ả 10

Hình 2: sơ đồ hệ thố ng ao m ở nuôi t o 11 để ả Hình 3: sơ đồ cơ chểph ản ứ ng quang hình ống 12

2 Màng sinh h c t ọ ảo 12

3 Thu ho ch và chi t su t d u ạ ế ấ ầ 13

Hình 4: các quá trình biến đổi sinh kh i c a vi tố ủ ảo [5] 13

4 Phản ứng Transesterification 14

IV T M NHÌN VÀ H N CH Ầ Ạ Ế 15

1 T m nhìn ầ 15

2 H n ch ạ ế 15

KẾT LUẬN 16

Tài li u Tham Kh o ệ ả 17

2

LỜI MỞ ĐẦU

Năng lượng là yêu c u tầ ối đa để thúc đẩy tổ chức và duy trì toàn b h sinh thái Viộ ệ ệc chúng ta ti p t c ph thu c vào nhiên li u hóa thế ụ ụ ộ ệ ạch như than đá, dầu mỏ và khí đố ựt t nhiên là nguồn năng lượng chính đã dẫn đến nh ng lo ng i nghiêm tr ng v an ninh và ữ ạ ọ ề cung cấp năng lượng trong tương lai Hơn nữa, vi c tiêu th quá m c các nguệ ụ ứ ồn năng lượng hóa th ch d a trên carbon làm n y sinh các vạ ự ả ấn đề môi trường nghiêm tr ng dọ ẫn đến s ự nóng lên toàn c u và biầ ến đổi khí hậu Để vượt qua nhu cầu năng lượng toàn c u và cho ầ phép phát tri n kinh tể ế cũng như sinh thái một cách b n v ng, ti n b công nghề ữ ế ộ ệ để ử s dụng năng lượng tự nhiên tái tạo là điều cần thiết để bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng trong thế gi i ngày càng cạnh tranh hiện nay ớ

Vì v y, nhiên li u sinh h c tậ ệ ọ ảo đang được tuyên b là m t nguố ộ ồn năng lượng thay th ế phù h p và trong quá kh gợ ứ ần đây, mộ ốt s nhóm phân lo i c a tạ ủ ảo đã được nghiên c u và ứ báo cáo như một sự thay thế cho nhiên li u hóa thạch Người ta dự kiến rằng sinh khối tảo ệ

có th dể ễ dàng được ch bi n thành nguyên liế ế ệu thô để ạ t o ra nhiên li u sinh h c hi u qu ệ ọ ệ ả

về chi phí và đang được khám phá như một loại cây năng lượng xanh mới nổi và có th tái ể tạo để sản xu t nhiên li u sinh hấ ệ ọc, đặc bi t là diesel sinh h c S phát tri n c a nhệ ọ ự ể ủ ững đổi mới công nghệ đáng kinh ngạc trong lĩnh vực công ngh gen tệ ảo đã tạo ra sản lượng đáng

kể trong ngành năng lượng toàn cầu cho nhiên liệu sinh học tốt hơn Một số kỹ thuật mới đang được áp dụng để nuôi quy mô l n vi t o nh m s n xu t nhiên li u sinh h c Tuy nhiên, ớ ả ằ ả ấ ệ ọ

có nh ng h n ch nhữ ạ ế ất định đố ớ ải v i s n xuất năng lượng quy mô thương mạ ừ ải t t o Bài tổng quan này th o lu n v s phát tri n công ngh và thông tin hi n t i v vi c nuôi tr ng ả ậ ề ự ể ệ ệ ạ ề ệ ồ

và quy trình s n xu t t o d ng diesel sinh h c Ngoài ra, th o lu n là s phát tri n công ả ấ ả ạ ọ ả ậ ự ể nghệ và hi u bi t b gen v sinh khể ế ộ ề ối tảo và tích tụ triacylglycerol để tăng cường s n xuả ất diesel sinh học

4

I TỔNG QUAN VỀ TẢO BIỂN

1 T ảo bi n ể

Thuật ngữ "tảo" bao g m nhi u sinh v t khác nhau có khồ ề ậ ả năng sản xu t oxy thông ấ qua quang hợp (quá trình thu năng lượng ánh sáng t m t trừ ặ ời để ạ t o ra carbohydrate) Những sinh v t này không nh t thi t ph i có quan h m t thi t v i nhau Tuy nhiên, mậ ấ ế ả ệ ậ ế ớ ột

số đặc điểm ất định đã liên kếnh t chúng lại, đồng thời phân biệt chúng với một nhóm sinh vật quang hợp chính khác thực vật trên cạn

Hình 1: các dạng t o bi n ả ể Theo các tác gi c a " Algae: Anatomy, Biochemistry, and Biotechnology, 2nd Ed " ả ủ (CRC Press, 2014) Nghĩa là chúng thi u r , thân, lá và h ế ễ ệ thống mạch máu để luân chuyển nước và chất dinh dưỡng đi khắp cơ thể Thứ hai, nhiều loài tảo là đơn bào, theo một bài báo năm 2014 được công b trên tố ạp chí Current Biology Chúng cũng tồn t i ạ ở nhi u d ng ề ạ

và kích c khác nhau Chúng có th t n tỡ ể ồ ại dướ ại d ng các t ế bào đơn lẻ ự, c c nh ; chúng có ỏ thể là vĩ mô và đa bào; sống trong các thuộc địa; ho c có v ặ ẻ ngoài như lá như trong trường hợp rong bi n ể chẳng hạn như tảo bẹ khổng lồ Picoplankton có đường kính từ 0,2 đến 2 micromet, trong khi các lá c a t o b ủ ả ẹ khổng l có chi u dài t i 60 mét Cu i cùng, tồ ề ớ ố ảo được tìm thấy trong nh ng ữ môi trường sống dưới nước, cả nước ngọt và nước m n ặ

Nhờ những đặc điểm này, thuật ngữ chung "tảo" bao gồm các sinh vật nhân sơ - vi khuẩn lam , còn được g i là t o xanh lam - ọ ả cũng như các sinh vật nhân thực (t t c các loài ấ ả tảo khác) Linda Graham cho bi t: "Vì" t o "không t o thành m t nhóm t nhiên có nguế ả ạ ộ ự ồn gốc t t tiên chung, bao g m vi khu n lam vào nhóm không chính th c" t o ", m t giáo ừ ổ ồ ẩ ứ ả ộ

sư thực vật học tại Đại học Wisconsin-Madison "Thuật ngữ 'tảo nhân chuẩn' không bao

gồm vi khuẩn lam." Cũng rất thú vị khi lưu ý rằng lục lạp, là nơi quang hợp của th c vự ật trên cạn, là d ng thích nghi c a vi khu n lam ạ ủ ẩ

Sinh vật nhân sơ bao gồm vi khu n và vi khu n c Chúng là nh ng sinh vẩ ẩ ổ ữ ật đơn giản hơn không có cấu trúc tế bào có t ổ chức và DNA c a chúng trôi n i t ủ ổ ự do như một kh i rố ối trong t bào ch t M t khác, sinh v t nhân chu n là t t c các sinh v t s ng khác: sinh vế ấ ặ ậ ẩ ấ ả ậ ố ật nguyên sinh , thực vật, n m Nguyêấ n sinh là gì? và động vật Tế bào của chúng có tổ chức hơn Chúng có cấu trúc gọi là bào quan để thực hiện một loạt các chức năng của tế bào và DNA của chúng được đặt trong một ngăn trung tâm gọi là nhân

2 Thành phần c u tấ ạo t o ả

Trong thành ph n c u t o c a t o bi n có r t nhi u các h p chầ ấ ạ ủ ả ể ấ ề ợ ất khác nhau trong đó

đặc biệt phải kể đến những h p chất có l i cho quy trình s n xu t khí hóa và d u diesel ợ ợ ả ấ ầ sinh học như: Lipid, Carbonhydrate, Metan, Amoniac, Dầu,

Hiện nay trên th gi i các nhà khoa hế ớ ọc đã nghiên cứu và phát hiện có hơn 100 triệu các loài t o khác nhau và thành ph n c u t o c a mả ầ ấ ạ ủ ỗi loài là khác nhau Do đó, trong báo cáo này ta ch tìm hiỉ ểu và đưa ra các loài tảo cấu tạo tế bào có nhiều thành phần sinh kh ối Chứa hàm lượng dầu và các hợp chất khí sinh khối cao, chủ yếu là các loài vi tảo có kích thước hiển vi

Bảng 1: thành ph n c a các loài t o khác nhau (trích: A Singh, S.I Olsen, Appl ầ ủ ả

Energy 88 (3548) (2011))

(%)

Lipid (%)

Carbonhydrate (%)

Metan (L/g)

NH3 (mg/g)

Chamydomanas

rehardtii

Chlorella

pyrenoidosa

6

Chlorella

vulgaris

Dunaliella

salina

Tảo xo n cắ ực

đại

Spirulina

platensis

Scenedesmus

Obquus

Sắc t , tố ốc độ tăng trưởng, kích thước, trọng lượng và thành ph n hóa h c c a t o b ầ ọ ủ ả ị ảnh hưởng đáng kể ởi các điề b u kiện môi trường sống của chúng như ánh sáng, nhiệt độ,

pH, độ mặn, chất dinh dưỡng, ô nhiễm và thậm chí là cả chuyển động của nước, đặc biệt

là tùy thu c vào phân lo i và loài c a chúng[1] Trong s ộ ạ ủ ố các điều ki n, ánh sáng là y u t ệ ế ố đóng góp chính nhất[1] Do đó, các lớ ảo vĩ mô đượp t c phân bố theo chiều dọc từ vùng trên (vùng g n v i mầ ớ ặt biển) đến vùng dưới biển dưới vì t o có các s c t ả ắ ố tương ứng, chúng hấp th có ch n lụ ọ ọc ánh sáng có bước sóng c ụ thể M t s loài t o có th ộ ố ả ể chịu đựng và thích nghi v i nhiớ ều điều kiện môi trường s ng khác nhau và chúng có thố ể sinh sản quanh năm

3 Phân loại t o ả

Macroalgae là những loài tảo tương đố ớn, đa bào và quang dưỡi l ng, chúng thuộc thực v t b c th p g m m t phiậ ậ ấ ồ ộ ến lá đảm nhận cả chức năng thay cho rễ thân và lá Chúng

có th phát tri n chiể ể ều dài lên đến 60m Macroalgae được phân lo i ch y u thành ba nhóm ạ ủ ế chính theo màu s c thallus có ngu n g c t các bi n th s c t quang hắ ồ ố ừ ế ể ắ ố ợp đó là màu xanh

lá cây (Chlorophyta), màu đỏ (Rhodophyta) và màu nâu (Phaeophyta)

Vi t o là m t trong nh ng d ng th c v t nguyên th y nh t Chúng là vi sinh v t quang ả ộ ữ ạ ự ậ ủ ấ ậ hợp đơn bào hoặc đa bào có kích thước nhỏ hơn 400 micromet và bình thường là từ 1-20 micromet đường kính Các nhà khoa học đã phân loại vi tảo thành nhiều loại khác nhau, chủ yếu được phân biệt bằng sắc tố, vòng đời và c u trúc t ấ ế bào cơ bản của chúng Các l p ớ

hoặc lo i vi t o quan tr ng nh t v mạ ả ọ ấ ề ức độ phong phú của chúng là: t o cát, ả (Bacillariophyceae), lục (Chlorophyceae), vi khu n xanh lam và lam-lẩ ục (Cyanophyceae), vàng (Chrysophyceae) và tảo đỏ (Rhodophyceae) T o cát là d ng s ng th ng tr trong thả ạ ố ố ị ực vật phù du và có lẽ đại di n cho nhóm s n xu t sinh khệ ả ấ ối l n nhớ ất trên Trái đất Vi khuẩn lam được gọi là vi tảo xanh lam mặc dù chúng kết hợp các đặc điểm của vi khuẩn và tảo

Vi t o có thả ể được phân nhóm b sung thành quang h p, không quang h p, tổ ợ ợ ự dưỡng, d ị dưỡng, hỗn hợp, nhân sơ và nhân thực Các nhóm tảo cũng bao gồm các sinh vật đơn bào khác nhau, là t p h p các t ậ ợ ế bào đơn giản, không có các mô bi t hóa Bên cệ ạnh môi trường

tự nhiên, vi t o có thả ể được nuôi trồng trong nước ngọt, nước biển và nước th i trong các ả

ao mở (mương) và các lò phả ứn ng sinh h c quang kín[6] ọ

1 Tiềm năng năng lượng từ tảo biển

Sinh khối tảo ch a ba thành ph n chính: carbohydrate, protein và lipid / d u t nhiên ứ ầ ầ ự Bởi vì ph n l n d u t nhiên do vi t o t o ra ầ ớ ầ ự ả ạ ở dạng tricylglycerol, là lo i d u thích hạ ầ ợp để sản xuất diesel sinh học, vi tảo là trọng tâm độc quyền trong lĩnh vực tảo thành diesel sinh học Ngoài diesel sinh học, vi tảo cũng có thể được sử dụng để ạo ra năng lượ t ng theo một

số cách khác M t s loài t o có th tộ ố ả ể ạo ra khí hydro trong các điều ki n sinh tệ rưởng chuyên biệt Sinh kh i t tố ừ ảo cũng có thể được đốt cháy tương tự như gỗ hoặc được tiêu hóa yếm khí để tạo ra khí sinh học mêtan để ạ t o ra nhiệt và điện Sinh kh i tố ảo cũng có thể được xử

lý bằng phương pháp nhiệt phân để tạo ra dầu sinh học thô

Vi t o phát tri n nhanh chóng và chả ể ứa hàm lượng d u cao so v i các lo i cây trầ ớ ạ ồng trên c n, chúng m t mạ ấ ột mùa để phát tri n và chể ỉ chứ ối đa khoảa t ng 5% trọng lượng khô của dầu Chúng thường tăng gấp đôi kích thước sau mỗi 24 giờ Trong giai đoạn tăng trưởng cao điểm, một số loài vi tảo có thể nhân đôi sau mỗi ba gi rư i Hàm lượng dầu ờ ỡ của vi tảo thường từ 20% đến 50% (trọng lượng khô, B ng 2), trong khi m t sả ộ ố chủng có thể lên t i 80%[2] ớ Đây là lý do tại sao vi t o là trả ọng tâm trong lĩnh vự ảc t o thành nhiên liệu sinh học

8

Bảng 2: hàm lượng dầu của vi tảo[2]

Bảng 3: sản lượng d u mầ ở ỗi loại cây tr ng[8] ồ

Từ b ng 3 ta có th ả ể thấy tiềm năng phát tri n s n xu t d u sinh h c c a t o biể ả ấ ầ ọ ủ ả ển vượt trội hơn nhiều loại nông sản chứa dầu khác trên một đơn vị diện tích nuôi trồng Lượng dầu s n xuả ất được trên một đơn vị ệ di n tích của t o bi n g p kho ng 10-16 l n các loả ể ấ ả ầ ại nông s n ch a d u khác hi n naả ứ ầ ệ y đang được thương mại trên thị trường Th m chí có th ậ ể gấp nhi u lề ần hơn nữa do thời gian sinh trưởng và phát tri n cể ủa tảo bi n rể ất nhanh, nhanh hơn so với mùa vụ của nông s n ch a dả ứ ầu đang đượ ảc s n xuất thương mại T ừ đó cho thấy

tiềm năng phát triển to lớn của tảo biển với việc sản xuất dầu sinh học thay thế dầu sản xuất bằng nhiên li u hóa thệ ạch

2 Một số tiềm năng khác của tảo biển

Tảo không ch có tiỉ ềm năng về năng lượng mà chúng còn r t nhi u nh ng ng d ng ấ ề ữ ứ ụ khác trong đời sống xã hội như:

- Tảo có th ể được nuôi trồng để sản xuất hydro Năm 1939, các nhà nghiên cứu Đức

đã phát hiện một loại tảo có thể chuyển từ sản xuất oxy sang sản xuất hydro

- Tảo là m t lo i protein có ch a các axit amin quan trộ ạ ứ ọng liên quan đến quá trình trao đổi chất, ví dụ sản xuất enzym và sản xuất năng lượng Tảo chứa nhiều cacbonhydrat phức và đơn, có thể cung cấp cho cơ thể nguồn dinh dưỡng b sung ổ

Cụ thể, các cacbonhydrat ph c d ng sunfat hóa giúp c i thiứ ạ ả ện đáp ứng c a h ủ ệ miễn dịch, nó cũng chứa Omega 3 và Omega 6

- Tảo có th ể được s dử ụng để s n xuả ất dược phẩm và m ph m T o caragen là chỹ ẩ ả ất

ổn định hóa có hiệu quả, được sử dụng trong các sản phẩm sữa hoặc mỹ phẩm

- Tảo có th ể đượ ử ụng như chất cải tc s d ạo đất, s d ng làm phân bón ho c thử ụ ặ ức ăn gia súc Do nhi u gi ng t o r t nh và sề ố ả ấ ỏ ống dưới nước nên chúng được đưa vào

ao hồ ho c b ặ ể chứa nư c và đướ ợc thu hoạch để loại bỏ phế thải bơm qua ao hồ

- Tảo có th ể được s dử ụng như đường T o t o ra ch t t o màu t nhiên, có th ả ạ ấ ạ ự ể được

sử d ng thay cho các ch t t o màu và thu c nhu m t ng h p Khi chụ ấ ạ ố ộ ổ ợ ịu tác độngcủa ánh n ng M t Tr i và nhi t, m t s gi ng t o xanh s ng trong các bắ ặ ờ ệ ộ ố ố ả ố ể nước s ẽ chuyển dần sang màu đỏ tươi Tảo này có th ể được thu ho ch và s d ng làm chạ ử ụ ất tạo màu t nhiên cho th c ph m Ngành th c phự ự ẩ ự ẩm đang tìm cách thay thế các tác nhân t o màu hi n ạ ệ đang sử ụ d ng b ng các chằ ất tạo màu s n xuả ất từ ả t o

- Các s n ph m gi y hiả ẩ ấ ện nay thường khó tái ch do có dính m c N u s d ng mế ự ế ử ụ ực sản xu t t t o thì gi y có thấ ừ ả ấ ể được tái ch d dàng do lo i m c này d bế ễ ạ ự ễ ị phân hủy

10

1 Nuôi trồng t o ả

Hầu h t các loài vi tế ảo đều có kh ả năng quang hợp nghiêm ngặt nghĩa là chúng cần - ánh sáng và carbon dioxide làm nguồn năng lượng và carbon Ch ế độ nuôi cấy này thường được gọi là quang dư ng Tuy nhiên, mỡ ột số loài t o có khả ả năng phát tri n trong bóng tể ối

và s d ng cácbon hử ụ ữu cơ như glucose hoặc acetate làm nguồn năng lượng và carbon Ch ế

độ nuôi cấy này được gọi là dị dưỡng Do chi phí vận hành và vốn cao, việc nuôi tảo dị dưỡng khó có thể biện minh cho việc sản xuất dầu diesel sinh học Để ảm thiểu chi phí, gi sản xu t nhiên li u sinh h c tấ ệ ọ ảo thường d a vào nuôi cự ấy quang dưỡng s d ng ánh sáng ử ụ mặt trời làm ngu n ánh sáng mi n phí ồ ễ

Vi tảo quang dưỡng cần ánh sáng, carbon dioxide, nước và muối vô cơ để phát triển Nhiệt độ nuôi c y ph i t ấ ả ừ 15 đến 30 ° C (~ 60-80 ° F) để phát triển tối ưu Môi trường tăng trưởng phải đóng góp các nguyên tố vô cơ giúp tạo nên tế bào tảo, chẳng hạn như nitơ, phốt pho, sắt, và đôi khi là silic Để ả s n xu t vi t o vấ ả ới quy mô lớn, các t bào tế ảo được trộn liên tục để ngăn sinh khố ảo lắng xuống[4], và các chi t ất dinh dưỡng được cung cấp vào ban ngày khi tảo đang sinh sản Tuy nhiên, t i m t phớ ộ ần tư sinh khố ảo đượ ại t c t o ra trong ngày có thể b mị ất đi do quá trình hô hấp vào ban đêm[3]

Sản xuất tảo nhân tạo có xu hướng tái tạo môi trường tự nhiên để đạt được điều kiện phát triển lý tưởng Hệ thống s n xuả ất tảo có thể được tổ chức thành hai lo i riêng bi t: ao ạ ệ

mở và lò ph n ng sinh hả ứ ọc ảnh kín Ao m là nhở ững vùng nước đơn giản được trũng xuống đất với một số cơ chế để cung cấp CO và các ch2 ất dinh dưỡng có mái chèo để trộn với nước dùng tảo Các lò ph n ng sinh hả ứ ọc ảnh kín là m t danh m c rộ ụ ộng đề ập đế c n các

hệ thống có gi i h n và cho phép kiớ ạ ểm soát chính xác hơn các điều kiện tăng trưởng và quản lý tài nguyên

Có nhiều h ệ thống nuôi c y vi t o dấ ả ựa trên quang dưỡng chất Ví dụ ả, t o có th ể được nuôi cấy ở ạ d ng huy n phù ho c g n trên b m t r n M i h ề ặ ắ ề ặ ắ ỗ ệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng Hiện nay, các ao m dựa trên hệ thống huyền phù và các lò phản ứng quang ở