nghiên cứu ly trích dầu từ tảo chlorella vulgaris định hướng sản xuất biodiesel

Do vậy, dùng nhiên liệu sinh học để thay thế nhiên liệu dầu mỏ là vấn đề cấp thiết, góp phần đa dạng hóa và tạo ra nguồn năng lượng sạch trong tương lai.. Theo dự báo của các chuyên gia

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

## ""

TRẦN LÊ LỰU

NGHIÊN CỨU LY TRÍCH DẦU TỪ TẢO

CHLORELLA VULGARIS

ĐỊNH HƯỚNG SẢN XUẤT BIODIESEL

MÃ SỐ: 60.44.27

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS TRƯƠNG VĨNH

TS LÊ VIỆT TIẾN

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010

GF

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Thầy PGS.TS Trương Vĩnh, bộ môn Công Nghệ Hóa Học, trường Đại học Nông Lâm TP.HCM đã tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

Đồng cảm ơn Thầy TS Lê Việt Tiến, bộ môn Hóa Hữu Cơ, khoa Hóa, trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM Thầy đã giúp đỡ, dìu dắt em từ thời Đại học đến giờ, cùng với em vượt qua biết bao khó khăn

Cảm ơn các Thầy GS.TSKH Nguyễn Công Hào, TS Nguyễn Trung Nhân, TS Phan Phước Hiền, TS Vũ Văn Độ đã nhận lời tham gia Hội đồng, đóng góp ý kiến

để em hoàn thành luận văn

Cảm ơn tất cả các quý Thầy Cô ở Khoa Hóa trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM, đặc biệt là các Thầy Cô ở bộ môn Hóa hữu cơ đã giảng dạy em suốt 7 năm học vừa qua Cảm ơn sự giúp đỡ của Cô PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh

và Thầy TS Nguyễn Cửu Khoa – Viện Công Nghệ Hóa Học trong suốt thời gian

em học cao học

Cảm ơn các em sinh viên lớp HH06, bộ môn Công Nghệ Hóa Học trường Đại học Nông Lâm TP.HCM đã giúp đỡ anh hoàn thành luận văn

Cảm ơn các bạn cao học khóa 17, 18; các anh chị cao học khóa 13, 14, 15, 16

và các bạn lớp 02HH, khoa Hóa trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM đã giúp đỡ, động viên, chia sẻ cùng với tôi trong những năm tháng học cao học

Và cuối cùng là lòng biết ơn sâu sắc đến ba mẹ và chị, những người luôn nâng

đỡ con trên mỗi bước đường đời

Xin cảm ơn tất cả!

TP.HCM 9/2010 Trần Lê Lựu

Danh mục các hình ảnh

Danh mục các sơ đồ và bảng biểu

Danh mục các từ viết tắt và kí hiệu

MỞ ĐẦU

Chương I: TỔNG QUAN Trang

I.1 TỔNG QUAN VỀ DẦU DIESEL 1

I.1.1 Nguồn gốc và tính chất của dầu diesel 1

I.1.2 Những hạn chế của năng lượng diesel 1

I.1.3 Nhiên liệu có khả năng thay thế dầu diesel 2

I.1.3.1 Nhiên liệu có nguồn gốc sinh khối 2

I.1.3.2 Nhiên liệu có nguồn gốc từ khí 2

I.1.3.3 Sử dụng trực tiếp dầu thực vật làm nhiên liệu 3

I.2 BIODIESEL 4

I.2.1 Tình hình nghiên cứu và sử dụng biodiesel trên thế giới 4

I.2.2 Tính chất hóa lý của biodiesel 8

I.2.3 Ưu điểm của biodiesel so với dầu diesel 10

I.2.3.1 Về môi trường 10

I.2.3.2 Về kỹ thuật 11

I.2.3.3 Về kinh tế 11

I.2.4 Nghiên cứu về biodiesel ở Việt Nam 12

I.2.5 Điều chế biodiesel 14

I.3.1 Giới thiệu về tảo Chlorella 18

I.3.2 Hình thái và các đặc điểm sinh học về ngành tảo lục 19

I.3.3 Thành phần hóa học 20

I.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của tảo 22

I.3.4.1 pH 22

I.3.4.2 Các chất dinh dưỡng/môi trường nuôi 23

I.3.4.3 Nhiệt độ 23

I.3.4.4 Khuấy sục môi trường nuôi (chế độ sục khuấy) 23

I.3.4.5 Ánh sáng 23

I.3.4.6 Các yếu tố sinh học 24

I.3.5 Các phương pháp nuôi tảo 24

I.3.6 Định lượng sinh khối tảo 27

I.3.7 Tách sinh khối tảo 27

I.3.8 Sấy sinh khối tảo 28

I.3.9 Một số kết quả nuôi tảo sản xuất biodiesel ở Đại học Nông Lâm TP.HCM 28

I.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT TÁCH DẦU TỪ TẢO 28

I.4.1 Phương pháp ép 28

I.4.2 Phương pháp chiết xuất sử dụng chất lỏng siêu tới hạn 29

I.4.3 Chiết dầu bằng phương pháp ly trích 29

I.4.3.1 Ý nghĩa của phương pháp ly trích dầu thực vật 30

I.4.3.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp ly trích 30

I.4.3.3 Những nhân tố ảnh hưởng đến vận tốc và độ kiệt dầu khi ly trích 31

I.4.3.4 Dung môi dùng để ly trích 32

I.4.3.5 Phương pháp soxhlet 32

I.4.3.6 Phương pháp ngấm kiệt 33

I.5 VAI TRÒ CỦA SIÊU ÂM TRONG LY TRÍCH 33

I.5.1 Nguyên tắc 33

I.5.2 Hiện tượng tạo bọt và vỡ bọt 34

I.6 TỔNG QUAN VỀ CHLOROPHYLL, CÁC DẪN XUẤT CỦA CHLOROPHYLL VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LOẠI BỎ CHÚNG 34

I.6.1 Chlorophyll và các dẫn xuất của chlorophyll 34

I.6.2 Các phương pháp loại bỏ chlorophyll và các dẫn xuất của chlorophyll 36

I.6.2.1 Phương pháp hóa lý 36

I.5.2.2 Phương pháp hóa học 36

I.5.2.3 Phương pháp sinh học 36

I.5.3 Cơ chế loại bỏ chlorophyll bằng phương pháp hóa học 36

I.5.4 Các phương pháp phân tích chlorophyll 37

I.5.4.1 Phương pháp chuẩn độ 37

I.5.4.2 Phương pháp quang phổ 37

Chương II: THỰC NGHIỆM II.1 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40

II.2 NGUYÊN LIỆU, THIẾT BỊ, HÓA CHẤT 40

II.2.1 Nguyên liệu 40

II.2.2 Thiết bị và dụng cụ 40

II.2.3 Hóa chất thí nghiệm 41

II.3 THỰC HIỆN NUÔI CẤY TẢO 42

II.4 LY TRÍCH DẦU 42

II.4.2 Ly trích bằng phương pháp ngâm dầm 43

II.4.3 Ly trích bằng phương pháp ngâm dầm với sự hỗ trợ của siêu âm 44

II.5 KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP TINH CHẾ DẦU 44

II.5.1 Tinh chế dầu thô bằng phương pháp sắc ký cột silicagel 44

II.5.2 Tinh chế dầu bằng phương pháp đất sét 44

II.5.3 Tinh chế dầu bằng hỗn hợp acid H3PO4/H2SO4 45

II.6 KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA DẦU TẢO 46

II.7 TỔNG HỢP DẦU BIODIESEL 47

Chương III: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN III.1 LY TRÍCH DẦU 49

III.1.1 Phương pháp chiết soxhlet 49

III.1.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của các loại dung môi 49

III.1.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu 50

III.1.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ly trích 51

III.1.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng tảo khô 52

III.1.2 Phương pháp ngâm dầm bằng etanol 53

III.1.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ tảo/etanol 96 % lên hiệu suất ly trích dầu 53

III.1.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ nước/etanol lên hiệu suất ly trích dầu 54

III.1.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy từ 56

III.1.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ tảo/n-hexan lên hiệu suất ly trích dầu 57

III.1.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm dầm 58

III.1.3 Phương pháp ngâm dầm có sự hỗ trợ của siêu âm 59

III.1.4 Tổng kết các phương pháp ly trích dầu 60

III.2.1 Tinh chế bằng phương pháp sắc ký cột silicagel 61

III.2.2.Tinh chế bằng phương pháp hấp phụ đất sét 62

III.2.3 Tinh chế bằng phương pháp acid H3PO4/H2SO4 63

III.2.4 Tinh chế bằng phương pháp sắc ký cột silicagel rồi dùng hỗn hợp acid H3PO4/H2SO4 63

III.2.5 Tinh chế bằng phương pháp hấp phụ đất sét rồi dùng hỗn hợp acid H3PO4/H2SO4 64

III.2.6 Tổng kết các phương pháp tinh chế dầu 65

III.3 KHẢO SÁT TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA DẦU TẢO 66

III.3.1 Chỉ số acid 66

III.3.2 Chỉ số savon hóa 66

III.3.3 Chỉ số iod 67

III.3.4 Tỷ trọng 67

III.3.5 Độ nhớt 67

III.3.6 Thành phần acid béo 67

III.4 TỔNG HỢP DẦU BIODIESEL 69

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ IV.1 KẾT LUẬN 72

IV.2 KIẾN NGHỊ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Trang

Hình I.1 Tảo Chlorella vulgaris nhìn dưới kính hiển vi 19

Hình I.2 Thiết bị nuôi sản xuất sinh khối tảo trong ống xoắn ở Úc 25

Hình I.3 Sự ly trích dầu trong tảo dưới kính phóng đại 30

Hình I.4 Cấu tạo thiết bị chiết soxhlet 32

Hình I.5 Cấu trúc phân tử chlorophyll 35

Hình I.6 Sự thoái biến của chlorophyll và các dẫn xuất của chlorophyll 36

Hình III.1 Ảnh hưởng của dung môi lên hiệu suất ly trích dầu bằng

Hình III.2 Ảnh hưởng của độ ẩm lên khối lượng và hiệu suất

Hình III.3 Ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất ly trích dầu 51

Hình III.4 Ảnh hưởng của khối lượng tảo khô lên hiệu suất ly trích dầu 53

Hình III.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ tảo/etanol 96 % lên hiệu suất trích dầu 54

Hình III.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ nước/etanol lên hiệu suất ly trích dầu 55

Hình III.7 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy từ lên khối lượng và

hiệu suất ly trích dầu 56

Hình III.8 Ảnh hưởng của tỷ lệ tảo/n-hexan lên hiệu suất ly trích dầu 57

Hình III.9 Ảnh hưởng của thời gian ngâm dầm lên hiệu suất ly trích dầu 58

Hình III.10 Ảnh hưởng của thời gian lên khối lượng và hiệu suất

ly trích dầu trong điều kiện ngâm dầm có hỗ trợ của siêu âm 59

Hình III.11 Tổng kết các phương pháp ly trích 60

Hình III.12 Đồ thị hiệu suất các phương pháp tinh chế dầu 65

Trang

Sơ đồ I Phản ứng transester hóa dầu thực vật 5

Sơ đồ II.1 Quy trình ly trích dầu bằng phương pháp chiết soxhlet 42

Sơ đồ II.2 Quy trình ly trích dầu bằng phương pháp ngâm dầm 43

Sơ đồ II.3 Quy trình tinh chế dầu bằng hỗn hợp acid H3PO4/H2SO4 45

Sơ đồ II.4 Quy trình phản ứng tổng hợp biodiesel từ dầu tảo 47

Bảng I.1 Sản lượng tiêu thụ biodiesel ở một số nước 7

Bảng I.2 Tiêu chuẩn ở một số nước về biodiesel 9

Bảng I.3 Độ nhớt, tỷ trọng và điểm chớp cháy của metil ester

một số dầu thực vật 9

Bảng I.4 So sánh giá thành của dầu diesel và biodiesel 12

Bảng I.5 So sánh xúc tác kiềm và enzym trong phản ứng biodiesel 18

Bảng I.6.Thành phần hóa học chứa trong tảo Chlorella vulgaris 20

Bảng I.7 Thành phần hóa học có trong một số loại tảo 21

Bảng I.8 Một số loại acid béo chính có trong một số loại tảo 22

Bảng I.9 Tóm tắt ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp nuôi tảo 26

Bảng I.10 Một số phương pháp sấy sinh khối tảo 28

Bảng I.11 Hệ số hấp thu riêng trung bình ε của chlorophyll A,

chlorophyll B, pheophytin A, pheophytin B tại các bước sóng phân tích 38

Bảng III.1 Kết quả khảo sát hàm lượng dầu theo loại dung môi sử dụng 49

Bảng III.2 Kết quả khảo sát hàm lượng dầu theo độ ẩm 50

Bảng III.3 Kết quả khảo sát hàm lượng dầu theo thời gian ly trích 51

Bảng III.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng tảo khô lên

hiệu suất ly trích dầu 52

hiệu suất ly trích dầu 54

Bảng III.6 Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ nước/etanol lên

hiệu suất ly trích dầu 55

Bảng III.7 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy lên

hiệu suất ly trích dầu 56

Bảng III.8 Kết quả ảnh hưởng tỷ lệ tảo khô/n-hexan lên

hiệu suất ly trích dầu 57

Bảng III.9 Kết quả ảnh hưởng của thời gian ngâm dầm lên

hiệu suất ly trích dầu 58

Bảng III.10 Kết quả ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất

Bảng III.11 So sánh kết quả các phương pháp ly trích 60

Bảng III.12 Kết quả tinh chế dầu bằng phương pháp sắc ký cột 61

Bảng III.13 Tinh chế dầu bằng phương pháp đất sét 62

Bảng III.14 Kết quả tinh chế dầu bằng phương pháp acid 63

Bảng III.15 Kết quả tinh chế dầu bằng phương pháp

Bảng III.16 Kết quả tinh chế dầu bằng đất sét - hỗn hợp

Bảng III.17 Kết quả tổng kết các phương pháp tinh chế dầu 65

Bảng III.18 Kết quả chỉ số acid của dầu tảo 66

Bảng III.19 Kết quả chỉ số savon hóa của dầu tảo 66

Bảng III.20 Kết quả chỉ số iod của dầu tảo 67

Bảng III.21 Thành phần acid béo của dầu 68

Bảng III.22 Kết quả thành phần metyl ester của biodiesel từ tảo 70

TP.HCM: Thành phố Hồ Chí Minh

USD: Đô la Mỹ (US dolar)

rpm: Revolution per minute (vòng/phút)

UV: Ultraviolet (tử ngoại)

GC-MS: Sắc ký khí ghép khối phổ (Gas Chromatography – Mass Spectrometry)

MSD: Khối phổ tứ cực (Quadrupole Mass Spectrometer) DB: DivinylBenzen

M : Khối lượng phân tử trung bình

BDF: Dầu sinh học (Biodiesel Fuel)

tt: Thực tế

TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

ASTM: American Society for Testing Materials

MỞ ĐẦU

những các nước tiên tiến mà các nước đang phát triển cũng rất quan tâm đến vấn

đề ô nhiễm không khí và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống Nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần Bên cạnh đó, đốt nhiên liệu dầu mỏ còn sinh ra khí CO2 gây nên vấn đề môi trường Ngày nay, một số dạng năng lượng và nhiên liệu thay thế đã được sử dụng thực tế tại một số nước Việc tìm kiếm các loại nhiên liệu, năng lượng sạch không những giải quyết được vần đề ô nhiễm không khí mà còn có thể chủ động được các nguồn nhiên liệu, hạn chế sự phụ thuộc vào các biến động trên thế giới Do vậy, dùng nhiên liệu sinh học để thay thế nhiên liệu dầu mỏ là vấn đề cấp thiết, góp phần đa dạng hóa và tạo ra nguồn năng lượng sạch trong tương lai Đây là vấn đề đòi hỏi nhân loại ra sức tìm hiểu nghiên cứu để đưa ra giải pháp tốt nhất

Theo dự báo của các chuyên gia trong lĩnh vực xăng dầu thì trong 10 đến 20 năm nữa, có ít nhất khoảng 60 % xe hơi trên thế giới sẽ vận hành qua việc sử dụng loại nhiên liệu sinh học thay cho xăng, dầu: các nguồn nhiên liệu không thể tái tạo đang cạn kiệt Các nguồn nhiên liệu chế biến diesel sinh học hay còn gọi là biodiesel tại Việt Nam là rất phong phú Biodiesel có thể tạo ra từ các nguồn nguyên liệu khác nhau bao gồm dầu thực vật, chất béo động vật và dầu mỡ thải bỏ

từ nhà hàng…

Những năm gần đây, các loài tảo đã thu hút sự chú ý ngày càng cao của các nhà khoa học, công nghệ và thương mại do những ưu thế của cá thể này so với thực vật bậc cao như: sự phát triển đơn giản, vòng đời ngắn, năng suất cao, hệ số

sử dụng năng lượng ánh sáng cao, thành phần sinh hóa dễ được điều khiển tùy điều kiện nuôi cấy và nhờ kỹ thuật di truyền, nuôi trồng đơn giản, thích hợp với quy mô sản xuất công nghiệp Do đó tiềm năng về việc sản xuất biodiesel nhằm thay thế cho nhiên liệu truyền thống trong tương lai là rất lớn nhằm tạo ra nguồn năng lượng xanh, sạch đối với môi trường Hiện tại, các nhà nghiên cứu đang nuôi trồng thử nghiệm các giống tảo dành riêng cho công nghệ này và đã cho kết quả

dầu cao đã được nghiên cứu và cải tạo cho phù hợp với điều kiện tự nhiên, trong

đó tảo Chlorella đang được chú ý đến Theo các nhà chuyên môn, Việt Nam có

thuận lợi về khí hậu và địa lý nên việc phát triển công nghệ này là rất khả thi Với giá thành thấp, công nghệ này sẽ giúp đất nước bảo đảm được an ninh năng lượng cũng như bảo vệ môi trường Nếu hàm lượng dầu trong tảo đạt 57 % thì giá thành sản xuất biodiesel chỉ bằng giá dầu mỏ hiện nay Tảo có vòng đời rất ngắn (chỉ vài ngày) nên nhanh cho thu hoạch Song trở ngại chính của việc sử dụng biodiesel rộng rãi chính là giá thành Các nghiên cứu đang suy tính phương thức để trồng đủ

và đúng giống tảo cũng như phương pháp chiết xuất dầu một cách hiệu quả nhất

Hiện tại, tảo Chlorella vulgaris là một trong những giống được quan tâm để

tiến hành sản xuất biodiesel Ở Việt Nam nguồn nguyên liệu tảo khá đa dạng và phong phú, chủ yếu dùng làm thực phẩm Tuy nhiên thông tin về sản xuất biodiesel từ tảo ở Việt Nam chưa có nhiều Do vậy, chúng tôi tiến hành thực hiện

nghiên cứu bước đầu trong phòng thí nghiệm: ly trích dầu từ tảo Chlorella

vulgaris nhằm làm nguyên liệu cho việc sản xuất biodiesel Với hy vọng tạo ra

một hướng nghiên cứu mới khả thi về nguồn nhiên liệu xanh, sạch trong tương lai

Chương I:

TỔNG QUAN

I.1 TỔNG QUAN VỀ DẦU DIESEL

I.1.1 Nguồn gốc và tính chất của dầu diesel [12]

Nhiên liệu diesel là loại nhiên liệu được sử dụng trong động cơ diesel và các động cơ nén đốt trong khác

Nhiên liệu này là sản phẩm của quá trình chưng cất trực tiếp dầu thô, phân đoạn này có thể trộn chung với sản phẩm của những quá trình khác như: cracking xúc tác, hydrocracking, coke…để tăng sản lượng và đảm bảo yêu cầu về mặt kỹ thuật

Phân đoạn này có khoảng nhiệt độ sôi từ 250oC đến 350oC, chứa các hydrocacbon có số cacbon từ C16–C20,21 Phần lớn trong phân đoạn này là các n- parafin, iso-parafin, còn hydrocacbon hương phương rất ít Hàm lượng các chất

chứa S, N, O khá cao Lưu huỳnh chủ yếu ở dạng disulfur dị hoàn Các chất chứa oxigen (ở dạng acid naphtenic) có nhiều và đạt cực đại ở phân đoạn này Ngoài ra còn có các dạng phenol như dimetylphenol Trong dầu diesel xuất hiện nhựa, song

có rất ít

I.1.2 Những hạn chế của năng lượng diesel [12, 17]

Trữ lượng dầu diesel đang cạn kiệt dần: lượng dầu diesel tiêu thụ gấp 6 lần lượng xăng Nhiên liệu diesel được sử dụng rộng rãi trong các quá trình: nông, lâm, ngư nghiệp, giao thông vận tải…Sự tiêu thụ dầu diesel tăng hàng năm, đặc biệt là khi nền công nghiệp phát triển mạnh và giao thông vận tải tăng

Lượng tiêu thụ dầu mỏ năm 1990 là 3.1 tỷ tấn, thỏa mãn 38.6 % nhu cầu năng lượng thế giới Lượng dầu diesel tiêu thụ ở Ấn Độ vào năm 1994 là 2.8-3 triệu tấn chiếm 43.2 % tổng lượng tiêu thụ sản phẩm dầu mỏ của nước này

Ngày nay, trữ lượng dầu diesel ngày càng trở trên ít ỏi trên hành tinh chúng

ta Cho đến năm 1997, chúng ta đã sử dụng 807 tỷ thùng dầu và theo các tài liệu thống kê thì chỉ còn 995 tỷ thùng còn lại trong vỏ trái đất Hiện nay, chúng ta đang

sử dụng 24 tỷ thùng mỗi năm và nhiên liệu diesel sẽ cạn kiệt vào năm 2040 Tuy nhiên, mật độ tiêu thụ lại luôn tăng lên hàng năm, trung bình là 2 % và tất nhiên chúng ta không còn nhiên liệu để sử dụng trước năm 2040

Năng lượng diesel gây ô nhiễm môi trường: hành tinh xanh của chúng ta đang nóng dần lên Nhiệt độ tăng lên và các tảng băng ở Nam Cực đang chảy ra Một trong những nguyên nhân chính là nồng độ khí cacbonic tăng lên quá nhanh Ngày nay, trên thế giới có hơn 2 tỉ động cơ đốt trong đang hoạt động, hậu quả là lượng cacbon dự trữ được phóng thích ra dưới dạng khí CO2 gây ra hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng dần lên Mỗi galon (3.8 l) diesel có thể tạo ra 22 pound (10 kg) khí CO2

Ở Úc, lượng khí thải sinh ra gây hiệu ứng nhà kính do giao thông là 16 % so với tổng lượng khí thải gây nên hiệu ứng này, trong đó khí từ nhiên liệu diesel chiếm 17 % (khoảng 11,7 triệu tấn CO2) Ngoài ra phải kể đến lượng lưu huỳnh có trong nhiên liệu diesel Trong quá trình cháy, lưu huỳnh bị oxi hóa thành SO2,

SO3…thải ra không khí Hơn thế nữa, các oxid lưu huỳnh sẽ kết hợp với nước tạo acid có tính ăn mòn lớn Hàng năm ở Mỹ lượng khí thải do lưu huỳnh sinh ra là 3 triệu tấn/năm

I.1.3 Nhiên liệu có khả năng thay thế dầu diesel

I.1.3.1 Nhiên liệu có nguồn gốc sinh khối [36, 38]

Nhiên liệu có nguồn gốc sinh khối còn được gọi là biofuel Biofuel là các hợp chất hóa học như alcol, ester, eter được điều chế từ các nguồn celuloz như thảo dược, phần thừa trong nông lâm nghiệp…Thuật ngữ biofuel dùng để chỉ nhiên liệu sinh học dùng trong công nghiệp điện và giao thông vận tải Các loại biofuel thường được sử dụng là biodiesel, bioetanol, biogaz Ưu điểm của nhiên liệu này là: không gây ô nhiễm môi trường, là nguồn vô tận, giảm lượng dầu nhập khẩu

I.1.3.2 Nhiên liệu có nguồn gốc từ khí [17]

Tất cả nhiên liệu khí đều có thể sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, tuy nhiên khó khăn lớn nhất là khả năng thu hồi khí ở quy mô lớn Nhiên liệu khí thu được từ các quá trình chưng cất than đá, gỗ…Tuy nhiên, chúng có nhiệt lượng thấp

Nhiên liệu có nguồn gốc phi hydrocacbon: đây là loại nhiên liệu mà thành phần của nó không chứa các chất hữu cơ hay nhóm hydrocacbon Nhóm nhiên liệu

này có thể thu được nhờ vào quá trình chuyển hóa năng lượng có sẵn trong tự nhiên (năng lượng mặt trời) hoặc năng lượng nhân tạo (năng lượng điện) thành cơ năng dùng trong giao thông vận tải

I.1.3.3 Sử dụng trực tiếp dầu thực vật làm nhiên liệu [10, 17]

Dầu thực vật là nguồn năng lượng có thể tái tạo, sạch và có năng lượng gần với nhiên liệu diesel Rudolf Diesel sau khi phát minh ra động cơ diesel đã sử dụng dầu đậu phộng làm nhiên liệu với mục đích thử nghiệm vào năm 1900 và điều đó đã mở ra 1 hướng nghiên cứu mới về khả năng sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế Đến khoảng những năm 1970-1980, do cuộc khủng hoảng dầu thô đã đẩy giá dầu lên rất cao và những quan tâm về khả năng hết nhiên liệu trên toàn cầu đã đẩy mạnh những nghiên cứu tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế các nhiên liệu từ dầu mỏ truyền thống Đầu những năm 80 của thế kỉ trước, có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng trực tiếp dầu thực vật làm nhiên liệu Trong số các công trình đó, đáng chú ý là nghiên cứu của Cater Pillar người Brazil vào năm

1980, sử dụng dầu hướng dương làm nhiên liệu ở Nam Phi do bị cấm vận Tháng

8 năm 1982, hội thảo quốc tế đầu tiên sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu tại Frago-North Dakota (Mỹ) đã được tiến hành Dầu thực vật dùng làm đối tượng nghiên cứu trong các công trình này thường là các loại dầu tốt, có giá trị kinh tế cao như dầu hướng dương, dầu canola, dầu hạt cải…

● Nhược điểm: việc sử dụng trực tiếp dầu thực vật làm nhiên liệu gây ra một

số trở ngại cho động cơ diesel:

- Độ nhớt cao (gấp 11-17 lần so với nhiên liệu diesel) làm cho quá trình phun và hòa trộn gặp nhiều khó khăn Độ nhớt càng lớn thì kích thước, độ không đồng đều về đường kính hạt nhiên liệu phun càng lớn dẫn đến chất lượng phun nhiên liệu sẽ kém đi Chất lượng phun kém làm cho quá trình hòa trộn và cháy ít hiệu quả hơn Khả năng cháy không hết lớn hơn, độ dốc khí xả cao hơn

- Khả năng hóa hơi thấp do phân tử lượng quá cao (trên 880 g/mol)

- Khả năng hình thành nhựa do sự oxid hóa và polimer hóa trong suốt quá trình tồn trữ và bảo quản

- Khả năng xuất hiện cặn cacbon do đốt cháy không hoàn toàn

- Nhiệt độ đông đặc của dầu thực vật khá thấp làm giảm khả năng lưu thông của nhiên liệu, gây nguy cơ tắc hệ thống đầu lọc

sử dụng được trên động cơ trong một thời gian dài vì tạo cặn dầu phun

- Nhũ tương hóa: nguyên liệu đầu là dầu thực vật, alcol dây ngắn (metanol, etanol) và chất hoạt động bề mặt Với thiết bị tạo nhũ sẽ tạo nhũ tương giữa dầu thực vật và alcol Trong đó hạt alcol có kích thước 150 nm phân bố đều ở nhũ tương Nhũ tương tạo thành đồng nhất, trong, ổn định nhiệt Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số nhược điểm nhất định như quá trình phun nhiên liệu không được tạo ra dầu cặn, làm tăng độ nhớt của dầu bôi trơn, nhiệt hóa hơi của alcol tương đối thấp nên phần alcol bay hơi sẽ cản trở quá trình làm việc bình thường của hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ Cùng với vấn đề trong khâu tạo nhũ và duy trì nhũ, đây là một phương pháp khó ứng dụng trong thực tế

- Nhiệt phân dầu thực vật: nhiệt phân dầu thực vật đã được nghiên cứu cách đây hơn 100 năm, đặc biệt là những nước thiếu dầu mỏ Những nghiên cứu đầu tiên về nhiệt phân dầu thực vật được thực hiện trong đại chiến thế giới lần thứ nhất nhằm mục đích biến chúng thành nhiên liệu Năm 1962, Grosslay và cộng sự đã công bố những nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt lên quá trình nhiệt phân dầu thực vật Phương pháp này tạo ra nhiên liệu có ưu điểm về hàm lượng S, O ăn mòn miếng đồng Tuy nhiên không cải thiện đươc hàm lượng tro, cặn cacbon, điểm chảy

- Cracking xúc tác: xúc tác sử dụng chủ yếu là các oxid kim loại như SiO2,

Al2O3, MgO…để tạo ra sản phẩm parafin, olefin Sản phẩm của quá trình này là alkan, alken, alkadien, aren và acid carboxylic, một lượng nhỏ nước, lưu huỳnh…có tính chất phù hợp với phân đoạn diesel từ quá trình chưng cất dầu thô Nhược điểm của quá trình này là tốn năng lượng, sản phẩm nhận được gồm nhiều dạng, khó thực hiện ở quy mô nhỏ, hạn chế khả năng sử dụng trên động cơ

- Phản ứng transester hóa với alcol dây ngắn (metanol hoặc etanol) tạo ester của chúng với acid béo

Nếu sử dụng alcol là metanol, phương trình phản ứng xảy ra:

Sơ đồ I Phản ứng transester hóa dầu thực vật

Trong các phản ứng trên, phản ứng transester hóa triglicerid được coi là giải pháp tốt nhất, do tính chất của ester tạo thành rất gần với tính chất của nhiên liệu diesel truyền thống và công nghệ sản xuất rất đơn giản Ngoài ra, metyl hoặc etyl ester của acid béo có thể sử dụng trực tiếp trên động cơ diesel mà không cần hiệu chỉnh Nhiên liệu này được gọi là biodiesel

I.2 BIODIESEL

I.2.1 Tình hình nghiên cứu và sử dụng biodiesel trên thế giới [15, 17, 18]

Nghiên cứu sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu được Rudolf Diesel tiến hành cách đây trên 100 năm Năm 1895, ông đã sử dụng dầu đậu phộng cho việc thử nghiệm động cơ đốt trong của mình Năm 1916, động cơ diesel đầu tiên đã được xuất sang Argentina, Gutierrez đã dùng thầu dầu để thử nghiệm lại những ý

tưởng của R Diesel, nhưng những khó khăn về tỷ trọng, độ nhớt trong quá trình phun nhiên liệu làm cho những nghiên cứu này không phát triển được Dầu cọ cũng được sử dụng cho mục đích nhiên liệu thay dầu diesel từ năm 1920, một trong những công bố sớm nhất về việc ứng dụng ester của dầu cọ là vào năm 1940 Đến năm 1944, cũng một người Argentina khác, Martinez đã tiến hành lần đầu tiên việc pha trộn dầu diesel với dầu thực vật với khối lượng dầu từ 30-70 % Từ năm 1920-1947, người ta ghi nhận đến 99 công trình sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu diesel Hơn nữa, vào thời điểm đó, dầu mỏ lại khá dồi dào, trong khi dầu thực vật chưa đủ cung cấp cho việc sản xuất dầu ăn, các nghiên cứu của Rudolf Diesel bị rơi vào quên lãng Các cuộc khủng hoảng nhiên liệu xảy ra trong những năm 1970-1980 đã thúc đẩy các nhà khoa học trở lại với ý tưởng ban đầu của Rudolf Diesel Kết quả là một loạt các nghiên cứu về sử dụng dầu thực vật được tiến hành Tháng 1/1991, chương trình nghiên cứu sử dụng biodiesel của CHLB Đức bắt đầu được thực hiện, 10 năm sau sản lượng biodiesel của Cộng Hòa Liên Bang Đức đã đạt trên 1 triệu tấn/năm Chỉ trong thời gian tương đối ngắn, hàng loạt các nhà máy sản xuất nhiên liệu biodiesel với quy mô công nghiệp với công suất vài trăm ngàn tấn/năm đã ra đời, tập trung nhiều ở Đức, Ý, Áo, Pháp, Thụy Điển, Tây Ban Nha Tổng công suất hiện nay của châu Âu là 2 triệu tấn/năm Trong khi đó, tại châu Á, việc nghiên cứu và ứng dụng biodiesel cũng phát triển mạnh, tiêu biểu như Ấn Độ, Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản, Hồng Kông Ngoài ra các nước châu Phi và châu Úc cũng đang bắt đầu triển khai nghiên cứu nhiều về biodiesel Trong thực tế trên thế giới, nước sử dụng thực tế biodiesel

nhất là Mỹ với nhiều chính sách ưu đãi Sản lượng tiêu thụ biodiesel ở một số

nước được trình bày cụ thể trong bảng I.1

Bảng I.1 Sản lượng tiêu thụ biodiesel ở một số nước[17]

STT Quốc gia Lượng tiêu thụ hàng năm (tấn)

Sử dụng biodiesel góp phần giái quyết các vấn đề về an toàn năng lượng,

thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn dần, góp phần đa dạng hóa và tạo ra

các nguồn năng lượng sạch Trong tương lai, khả năng sử dụng nguồn nhiên liệu

mới này sẽ có nhiều triển vọng hơn

I.2.2 Tính chất hóa lý của biodiesel [6, 10, 15, 17, 18]

Tính chất hóa lý của biodiesel phụ thuộc vào cơ cấu của acid béo có trong

biodiesel:

- Chỉ số cetan: hydrocacbon dạng thẳng, dài (như hexadecan C16H34) có chỉ

số cetan cao Hợp chất dây nhánh 2,2,4,4,6,8,8-heptametylnonan (C16H34) có khả năng bốc cháy kém, chỉ số cetan thấp Điều này cho thấy chỉ số cetan sẽ giảm khi chiều dài của dây giảm và dây nhánh tăng Chỉ số cetan sẽ tăng khi kích thước của dây n-alkyl tăng và độ bất bão hòa tăng

- Nhiệt đốt cháy (nhiệt trị): tăng khi chiều dài dây hydrocacbon tăng

- Điểm vẩn đục và điểm chảy: một trong những khó khăn chính khi sử dụng biodiesel là khi ở nhiệt độ thấp, biodiesel ở dạng lỏng sẽ bị đông đặc lại làm cản trở dòng nhiên liệu và máng lọc Hợp chất bão hòa có dây cacbon lớn hơn 12 cacbon sẽ làm tăng điểm chảy

- Trạng thái oxid hóa: trong quá trình cất giữ biodiesel: không khí, nhiệt độ, ánh sáng, vết kim loại làm biodiesel dễ bị oxi hóa, bị hư Ngoài ra số nối đôi và vị trí nối đôi của ester acid béo bất bão hòa cũng ảnh hưởng đến quá trình oxid hóa

- Độ nhớt: độ nhớt ảnh hưởng đến sự phun của nhiên liệu khi tiêm vào buồng đốt Độ nhớt của biodiesel có thể đoán dựa trên thành phần ester có trong hỗn hợp Độ nhớt của etyl ester cao hơn metyl ester, cấu hình của nối đôi cũng ảnh hưởng đến độ nhớt, nối đôi cấu hình cis có độ nhớt thấp hơn cấu hình trans

- Tính trơn: dầu diesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp, sự khử sẽ làm mất đi tính trơn vốn có của nó Thêm 1-2 % biodiesel sẽ duy trì tính trơn của dầu diesel Thành phần ester có trong biodiesel ảnh hưởng đến tính trơn: ester bất bão hòa có tính trơn tốt hơn ester bão hòa

Tiêu chuẩn ở một số nước về biodiesel về độ nhớt, tỷ trọng và điểm chớp

cháy của metyl ester từ một số dầu thực vật được trình bày trong bảng I.2 và bảng

I.3

Bảng I.2 Tiêu chuẩn ở một số nước về biodiesel[17]

Điểm chớp cháy, K

I.2.3 Ưu điểm của biodiesel so với dầu diesel [10, 15, 17, 18]

I.2.3.1 Về môi trường

Biodiesel sử dụng làm nhiên liệu trực tiếp động cơ diesel cháy sạch hơn 75 %

so với dầu diesel

Biodiesel có những tác động tích cực đến môi trường, giảm lượng mưa acid

và hiệu ứng nhà kính khi đốt cháy chúng Hàm lượng khí CO2 thải ra khi đốt cháy

nhiên liệu biodiesel sẽ thấp hơn khi sử dụng dầu diesel Sheehan đã nghiên cứu về

vấn đề này và thấy rằng: nếu sử dụng 100 % metyl ester thì lượng khí CO2 thải ra

sẽ thấp hơn 78.4 % so với khi dùng dầu diesel Nếu sử dụng hỗn hợp 20 % metyl

ester và 80 % dầu diesel, lượng CO2 giảm 15.66 % Biodiesel có thể bị phân hủy

do vi khuẩn, do vậy ít gây ô nhiễm

Lượng khí thải khi đốt cháy nhiên liệu biodiesel không độc vì không chứa

hợp chất lưu huỳnh và hợp chất hương phương Đây là ưu điểm lớn nhất của

biodiesel so với dầu diesel và khi sử dụng không xảy ra hiện tượng ăn mòn thiết bị

do hợp chất lưu huỳnh tạo ra Biodiesel hoàn toàn đáp ứng yêu cầu về môi trường, giảm lượng khí CO2 phát sinh, hydrocacbon không cháy và những thành phần khí thải khác Biodiesel có khả năng cháy tốt, giảm lượng mồ hóng, than bụi…

Nhiệt độ đông đặc metyl ester giảm đáng kể so với dầu thực vật và gần giá trị dầu diesel Nếu hỗn hợp 25-30 % metyl ester trong dầu diesel thì không cần gia nhiệt khi hoạt động ở (-10oC) – (-15oC)

Có thể sử dụng metyl ester 100 % hoặc phối trộn với dầu diesel ở bất kỳ tỉ lệ nào Phân tử chứa hàm lượng oxy khá cao, biodiesel sẽ cải thiện tính cháy của nhiên liệu Công suất, lực kéo, mã lực của xe sử dụng biodiesel bằng với khi sử dụng dầu diesel truyền thống

I.2.3.3 Về kinh tế

Đối với những nước không có nguồn nhiên liệu hóa thạch, việc sản xuất biodiesel hạn chế sự phụ thuộc vào lượng dầu mỏ nhập khẩu Việc sản xuất biodiesel giúp phát triển nền công nghiệp mới, tạo việc làm mới và những vùng

phát triển mới Theo ước tính nếu sản xuất 100 tỉ gallon cho vùng nội thành sẽ tạo

thêm 600 công việc mới, giảm 80 tỉ USD/năm cho việc nhập khẩu dầu và giảm

250 tỉ USD dùng cho việc thăm dò và bảo vệ nguồn tài nguyên Sự khác nhau về

giá thành của dầu diesel so với biodiesel được trình bày trong bảng I.4

Bảng I.4 So sánh giá thành của dầu diesel và biodiesel (Euro/1000 lít)[17]

Giá thành các loại Dầu diesel Biodiesel (*)

Giá bán lẻ không bao gồm thuế GTGT 692 632

(*): biodiesel từ hạt cải

I.2.4 Nghiên cứu về biodiesel ở Việt Nam [1, 2, 3, 5, 6, 9, 15, 17, 18, 19]

Tiềm năng dầu khí của nước ta không phải là lớn, từ chỗ xuất khẩu dầu, than,

trong vòng khoảng 15 năm tới sẽ phải nhập năng lượng từ nước ngoài về Xăng

dùng cho giao thông vận tải thường chiếm khoảng 30 % nhu cầu cả nước Nhận

thấy tầm quan trọng của việc phát triển nguồn nhiên liệu sinh học, Bộ Công

Thương đang triển khai xây dựng “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm

2015, tầm nhìn 2020” Với mục tiêu sản xuất xăng E5, E10 (loại xăng pha cồn với

hàm lượng cồn tối đa là 5 %, 10 %, đáp ứng hoàn toàn mọi hoạt động bình thường

của động cơ ô tô, xe máy) và dầu sinh học nhằm thay thế một phần nhiên liệu

truyền thống hiện nay Vào tháng 8/2010, loại xăng E5 đã được bày bán trên thị trường Việt Nam Trong những năm gần đây nước ta bắt đầu đẩy mạnh việc đầu tư máy móc thiết bị, công nghệ để tiến hành sản xuất nhiên liệu sinh học:

- Viện Khoa Học Vật Liệu Ứng Dụng, nhóm Hồ Sơn Lâm dùng phản ứng transester hóa điều chế biodiesel từ dầu hạt cao su, xúc tác acid, tác chất etanol

- Nhóm Vũ An, Đào Văn Trường (Viện Hóa học) dùng phản ứng transester

để điều chế biodiesel từ dầu cọ, xúc tác kiềm, tác chất là metanol, dùng phương pháp khuấy gia nhiệt

- Nhóm nghiên cứu Lê Ngọc Thạch, bộ môn hóa hữu cơ, trường Đại học Khoa học Tự Nhiên TP.HCM nghiên cứu tổng hợp biodiesel từ cá tra với tác chất carbonat dimetil (DMC), xúc tác KOH, KF/Al2O3, H2SO4, CH3ONa (metoxid natri) sử dụng phương pháp nhiệt, hóa siêu âm và vi sóng

- Nhóm Nguyễn Thị Phương Thoa, bộ môn hóa lý trường Đại học Khoa học

Tự Nhiên TP.HCM nghiên cứu tổng hợp dầu biodiesel từ hạt jatropha bằng phương pháp hóa siêu âm, kết quả thu được rất khả quan

- Nhóm Phan Minh Tân, trường Đại học Bách Khoa TP.HCM nghiên cứu sản

xuất biodiesel từ dầu dừa, dầu thải, mỡ cá tra bằng xúc tác kiềm, enzyme,

para-toluensulfonic Sở Khoa học Công Nghệ TP.HCM đã đầu tư cho dự án sản xuất quy mô nhỏ

- Nhóm Đinh Thị Ngọ, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tập trung vào xúc tác dị thể, kiềm…để điều chế biodiesel từ mỡ cá, dầu đậu nành, dầu thực vật

- Nhóm Trương Vĩnh, trường Đại học Nông Lâm TP.HCM: nuôi tảo, chiết tách, xác định đặc tính dầu, bước đầu định hướng nâng cao hàm lượng dầu trong tảo

I.2.5 Điều chế biodiesel [9, 10, 15, 17, 18, 33, 40, 43]

Biodiesel là sản phẩm ester của phản ứng transester hóa dầu béo bằng tác chất alcol Đây là phản ứng giữa triglycerid có trong dầu (hay mỡ) với các loại alcol để nhận được ester Phản ứng transester hóa đã được nghiên cứu từ lâu và được công bố trên tạp chí từ những năm 1944, với mục đích bấy giờ là điều chế ester metyl (etyl) từ các acid béo để sử dụng trong công nghiệp chất tẩy rửa và mỹ

phẩm (sơ đồ I)

Điều kiện phản ứng:

Phương pháp khuấy gia nhiệt: hầu hết các tài liệu thu thập được đều sử dụng phương pháp đun khuấy từ: sử dụng máy khuấy từ có gia nhiệt để khuấy trộn hỗn hợp, tạo diện tích tiếp xúc tốt giữa 2 pha, đồng thời cung cấp nhiệt cho quá trình phản ứng Phương pháp này có ưu điểm là thao tác dễ dàng, thiết bị đơn giản nhưng không đạt được hiệu quả tối ưu trong một số phản ứng, gây lãng phí nguyên liệu và năng lượng

Phương pháp siêu âm: trong những nghiên cứu gần đây, phương pháp siêu

âm thường được áp dụng cho phản ứng transester hóa vì có ưu điểm rút ngắn thời gian phản ứng, đồng thời độ chuyển hóa phản ứng tương đối cao

Phương pháp vi sóng: phương pháp này có độ chuyển hóa cao và thời gian tương đối ngắn

Xúc tác:

- Các loại xúc tác thường gặp là xúc tác acid, baz, baz không ion và enzym: + Xúc tác acid cho hiệu suất khá cao nhưng xảy ra chậm, đòi hỏi nhiệt độ cao (100oC) Phản ứng transester hóa dầu đậu nành bởi metanol, xúc tác 1 %

H2SO4, tỷ lệ mol metanol/dầu là 30:1 ở 65oC, trong 50 giờ đạt đến hiệu suất 99 %

O H

ROOCR3 H

+ Xúc tác baz: phản ứng transester hóa xúc tác baz nhanh hơn xúc tác acid Alkoxid kim loại là xúc tác hoạt động tương đối tốt vì cho hiệu suất cao (> 98 %)

và thời gian phản ứng ngắn (30 phút), lượng xúc tác sử dụng ít (0.5 %) Tuy nhiên, phản ứng phải khan nước, không thích hợp sản xuất công nghiệp Hydroxid kim loại rẻ hơn alkoxid kim loại, nhưng hoạt động yếu hơn Tuy nhiên, hydroxid kim loại có thể được dùng thay thế alkoxid kim loại vì cho hiệu suất cao khi tăng lượng xúc tác từ 1-2 % Nước sinh ra trong phản ứng của hydroxid với alcol gây nên sự thủy phân ester Phản ứng savon hóa làm giảm hiệu suất và khó thu hồi glycerol Carbonat kalium được dùng với lượng 2–3 % sẽ cho hiệu suất cao hơn và giảm lượng savon sinh ra, bởi sự tạo thành bicarbonat thay vì H2O, không có sự thủy phân ester

K2CO3 + ROH = ROK + KHCO3

R: nhóm alkyl của alcol

Cơ chế xúc tác baz:

và metanol Sự khác nhau giữa xúc tác kiềm và enzym trong phản ứng

biodiesel được trình bày trong bảng I.5

Bảng I.5 So sánh xúc tác kiềm và enzym trong phản ứng biodiesel[18]

I.3 ĐẶC ĐIỂM VỀ TẢO LỤC CHLORELLA VULGARIS

I.3.1 Giới thiệu về tảo Chlorella[4, 8]

Tảo lục (chlorella) được một nhà sinh vật học người Hà Lan phát hiện ra vào

năm 1890 Chlorella là một loại rong đặc biệt, còn được gọi tên khoa học là

pyrenoidosa (tên cấu trúc pyrenoid trong chloroplast), thuộc họ Oocystaceae,

thường sống ở vùng nước ngọt và có hàm lượng chlorophyll cao nhất (đạt 28,9

g/kg) so với bất kỳ thực vật quang hợp nào được biết đến trên trái đất

Chlorella đã xuất hiện cách đây 2,5 tỷ năm Chlorella nằm trong nhóm sinh

vật nhân thật của giới sống ở nước ngọt dưới dạng một tế bào riêng lẻ Kích thước

của rong chỉ bằng tế bào hồng cầu người Dưới những điều kiện sống tối ưu: nhiều

ánh sáng, nước trong và không khí sạch, Chlorella sinh sản với tốc độ vô cùng

lớn Quá trình sinh sản nói chung được chia thành nhiều bước: sinh trưởng -

trưởng thành - thành thục - phân chia

2 Acid béo trong nguyên liệu Bị savon hóa Metyl ester

Hình I.1 Tảo Chlorella vulgaris nhìn dưới kính hiển vi

I.3.2 Hình thái và các đặc điểm sinh học về ngành tảo lục [8, 14]

Tảo lục đơn bào có chứa chlorophyll A và chlorophyll B, xanthophyll Hình

thái rất đa dạng: có loại đơn bào, có loại thành nhóm, có loại dạng sợi, có loại

dạng màng, có loại dạng ống…phần lớn có màu lục như cỏ Sắc lạp có thể có hình

phiến, hình lưới, hình trụ, hình sao… Thường có 2 đến 6 thylakoid xếp chồng lên

nhau Phần lớn có một hay nhiều pyrenoid nằm trong sắc lạp Nhiệm vụ chủ yếu

của pyrenoid là tổng hợp tinh bột Trên sắc lạp của tảo lục đơn bào hay tế bào sinh

sản di động của tảo lục có sợi lông roi (tiêm mao) dài bằng nhau và trơn nhẵn Có

loại trên bề mặt lông roi có một hay vài tầng vẫy nhỏ Lông roi của tế bào di động

ở tảo lục thường có 2 sợi, một số ít có 4 sợi, 8 sợi hay nhiều hơn Cũng có khi chỉ

có một sợi lông roi Phần lớn tế bào tảo lục có một nhân Một số ít có nhiều nhân

Với những tế bào bình thường, một tế bào Chlorella sẽ phân chia thành 4 tế bào

con trong thời gian chưa đến 24 giờ Kích thước tảo từ 2-10 µm Tuổi thọ của một

vòng đời tế bào Chlorella phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mặt trời, nhiệt độ và

nguồn dinh dưỡng

Tảo lục có 3 phương thức sinh sản:

- Sinh sản sinh dưỡng: phân cắt tế bào, phân cắt từng đoạn tảo

- Sinh sản vô tính: hình thành các loại bào tử vô tính, như bào tử tĩnh, bào tử

động, bào tử tự thân, bào tử màng dày

- Sinh sản hữu tính: có đẳng giao, dị giao và noãn giao

I.3.3 Thành phần hóa học [14, 21, 22, 26, 28, 30, 32]

Thành phần hóa học của tế bào Chlorella vulgaris tùy thuộc vào tốc độ sử dụng

môi trường dinh dưỡng trong quá trình phát triển Tảo có thể phát triển tốt trong điều kiện môi trường nước có hàm lượng nitrat và photphat cao Thành phần hóa học của các loài tảo lục phụ thuộc nhiều vào sự có mặt của nitơ trong môi trường Khi lượng

nitơ có trong môi trường thấp thì hàm lượng protein của Chlorella vulgaris giảm

xuống rõ rệt trong khi lượng cacbohydrat và lipid lại tăng lên Thành phần hóa học

chứa trong tảo Chlorella vulgaris được trình bày trong bảng I.6

Bảng I.6 Thành phần hóa học chứa trong tảo Chlorella vulgaris[41]

Chlorophyll B 0,58 % Acid Nicotinic 145 mg/100 g

Tảo có khả năng hấp thu CO2 và các muối khoáng cần thiết để tổng hợp protein, glucid, lipid… Có thể thay đổi tùy theo điều kiện môi trường như ánh sáng, nhiệt độ,

độ mặn… Chlorella vulgaris rất giàu protein, vitamin và các khoáng chất Các protein

của loài tảo này có chứa tất cả các amino acid cần thiết cho nhu cầu dinh dưỡng của

người và động vật Rất nhiều vitamin có trong thành phần của Chlorella vulgaris như:

vitamin C, tiền vitamin A (β caroten), riboflavin (B2), pyridoxine (B6), niacin (vitamin PP), axit panthothenic (vitamin B3), axit folic (vitamin B9), vitamin B12, biotin (vitamin H), cholin, vitamin K, axit lipoic và inositol Các nguyên tố khoáng ở

Chlorella vulgaris gồm có: photpho, canxi, kẽm, iod, magie, sắt và đồng Chlorella

vulgaris được tìm thấy có khả năng kháng tế bào u bướu, giảm huyết áp, tăng khả năng

miễn dịch ở người Tảo được sử dụng chủ yếu để xử lý môi trường (làm sạch không

khí và nước), mỹ phẩm, làm thức ăn cho thủy sản, người và động vật trong đó khả

năng ứng dụng để sản xuất biodiesel được đánh giá rất cao Thành phần hóa học và các

loại acid béo chính có trong một số loại tảo được trình bày trong bảng I.7 và bảng I.8

Bảng I.7 Thành phần hóa học có trong một số loại tảo[4]

Loại tảo Protein (%) Carbohydrat (%) Lipid (%) Acid Nucleic (%)

Một thông số quan trọng của môi trường là pH vì pH xác định độ hòa tan của CO2

và muối khoáng ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất ở tảo Thông số này lại phụ thuộc vào thành phần khả năng đệm của môi trường, nhiệt độ cũng như hoạt tính trao đổi chất của tế bào tảo Hầu hết các giống tảo được nuôi trong môi trường đều có giá trị pH nhất định Thông thường khoảng pH cho phép là 7-9 và theo nhiều tài liệu pH tối ưu là 8,2-8,7

I.3.4.2 Các chất dinh dưỡng/môi trường nuôi

Các môi trường dinh dưỡng dùng cho nuôi trồng tảo phải dựa theo nhu cầu dinh dưỡng của từng loài tảo Việc xác định chính xác nồng độ của từng yếu tố dinh dưỡng cho một loài nào đó là vô cùng khó khăn Vì môi trường dinh dưỡng tối ưu phụ thuộc rất nhiều vào mật độ quần thể, ánh sáng và pH môi trường Các chất dinh dưỡng đa lượng bao gồm: nitrat, phosphat…Các nguyên tố vi lượng được coi là không thể thay thế đối với sinh trưởng và phát triển của tảo là Fe, Mn, Cu, Zn và Cl Những vi lượng khác có vai trò quan trọng đối với một số nhóm tảo là Co, B, Si…

I.3.4.3 Nhiệt độ

Mỗi loài tảo thích hợp với nhiệt độ tối ưu và biên độ nhiệt khác nhau tùy theo loài Chính vì vậy, việc chọn các chủng loại tảo chịu nhiệt có ý nghĩa lớn đến năng suất tảo Nhiệt độ thấp ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng của tảo

Nhiệt độ tối ưu cho quá trình nuôi tảo trong khoảng từ 18-25oC, có thể thay đổi tùy theo thành phần môi trường nuôi, loài nuôi và dòng nuôi Nhìn chung các loài tảo nuôi thường chịu được nhiệt độ trong khoảng 16–27oC Nhiệt độ thấp hơn 16oC sẽ làm chậm sự tăng trưởng, trong khi đó nhiệt độ tăng cao hơn 35oC sẽ gây bất lợi cho một số loài

I.3.4.4 Khuấy sục môi trường nuôi (chế độ sục khuấy)

Trong quá trình nuôi tảo việc khuấy sục có tác dụng: giúp ngăn ngừa hiện tượng phân tầng nhiệt độ trong dịch nuôi, giúp tế bào tảo tiếp xúc đều với ánh sáng, ngăn ngừa tảo lắng xuống bể, cải thiện trao đổi khí giữa môi trường nuôi và không khí, quan trọng hơn là cung cấp CO2 cho quá trình quang hợp Trong trường hợp nuôi với mật độ cao, CO2 từ không khí (chỉ chứa 0,03 % CO2) sẽ làm hạn chế sinh trưởng của tảo Vì vậy việc bổ sung CO2 tinh khiết với tỉ lệ 1 % thể tích không khí Việc bổ sung CO2 có tác dụng giúp ổn định pH do cân bằng giữa CO2 và H2CO3

I.3.4.5 Ánh sáng

Việc cung cấp ánh sáng cho nuôi tảo là vấn đề thiết yếu Bởi vì giống như tất cả các loài thực vật bậc thấp khác, hệ số sử dụng năng lượng ánh sáng ở tảo cao hơn ở thực vật bậc cao, điều này có nghĩa là chúng hấp thụ cacbon vô cơ để chuyển hóa thành cacbon hữu cơ Nhiều loại vi tảo quang hợp bão hòa ở khoảng 33 % tổng lượng

cường độ chiếu sáng Vì vậy, trong điều kiện ánh sáng có cường độ cao và thời gian chiếu sáng dài, người ta thấy xuất hiện hiện tượng quang ức chế có thể làm tảo chết hoặc làm giảm đáng kể năng suất nuôi trồng

I.3.4.6 Các yếu tố sinh học

Các nguồn gây ô nhiễm sinh học chủ yếu:

Lây nhiễm vi khuẩn, nguyên sinh động vật hoặc của các loài tảo khác là vấn đề khó khắc phục đối với việc nuôi cấy tảo thuần chủng cũng như nuôi cấy vô trùng Các nguồn gây nhiễm phổ biến nhất gồm có môi trường nuôi (nước và các chất dinh dưỡng), không khí, bình nuôi và tình trạng giống nuôi cấy ban đầu

Tảo bị nhiễm tạp sẽ ức chế về nhiều mặt trong quá trình phát triển dẫn đến sinh khối đạt được không cao và chất lượng tảo giảm đi rất nhiều, thậm chí không thể sử dụng được Sự cạnh tranh về dinh dưỡng, ánh sáng, CO2 và ảnh hưởng của một số chất độc gây ức chế từ các tác nhân gây nhiễm đối với tảo nuôi là những tác hại chính của

sự tạp nhiễm

I.3.5 Các phương pháp nuôi tảo [4, 8]

Tảo có thể được sản xuất bằng cách áp dụng một loạt các phương pháp khác nhau, từ các phương pháp được áp dụng trong phòng thí nghiệm đến các phương pháp

ít đoán trước trong các bể nuôi ngoài trời Các điều kiện nuôi gồm có:

™ Hệ thống nuôi tảo trong nhà hoặc ngoài trời:

Nuôi trong nhà cho phép kiểm soát cường độ chiếu sáng, nhiệt độ, hàm lượng chất dinh dưỡng, tạp nhiễm các sinh vật ăn mồi sống và các tảo cạnh tranh Ngược lại, các hệ thống nuôi ngoài trời làm cho việc nuôi trồng duy trì một loài tảo thuần trong thời gian dài là rất khó khăn

™ Hệ thống nuôi tảo hở hoặc kín:

Nuôi hở như nuôi ở các ao, hồ, bể nuôi không có mái che sẽ dễ bị nhiễm tạp bẩn hơn so với các dụng cụ nuôi kín như các ống nghiệm, bình tam giác, túi…

™ Nuôi sạch (vô trùng) hoặc không vô trùng: Nuôi vô trùng là nuôi không có bất

kỳ sinh vật ngoại lai nào và đòi hỏi khử trùng rất cẩn thận tất cả các dụng cụ thủy tinh, môi trường và các bình nuôi để tránh nhiễm tạp Tuy nhiên phương pháp này còn hạn

chế đối với quy mô công nghiệp

Hình I.2 Thiết bị nuôi sản xuất sinh khối tảo trong ống xoắn ở Úc

™ Nuôi từng mẻ, nuôi liên tục và bán liên tục:

Dưới đây là ba kiểu nuôi thực vật phù du cơ bản, trong đó có tảo:

- Nuôi liên tục:

Phương pháp nuôi liên tục cho phép duy trì giống nuôi cấy có tốc độ rất gần tốc

độ sinh trưởng tối đa Người ta phân biệt một số dạng nuôi liên tục như sau:

+ Turbidostat (nuôi cho lên men liên tục): mật độ tảo được duy trì ở mức độ xác định trước bằng cách pha loãng tảo nuôi với môi trường Có thể nói đây là hệ thống tự động Trong trường hợp này, dinh dưỡng là không hạn chế nhưng ánh sáng là yếu tố hạn chế trừ khi mật độ tảo quá thấp

+ Chemostat (nuôi ở trạng thái hóa tính): ở đây môi trường nước được đưa vào hệ thống nuôi với một sự tuần hoàn nhất định Một phần dung dịch mới liên tục