Nghiên cứu sản xuất diesel sinh học từ vi tảo biển chlorella vulgaris và tetraselmis convolutae ở quy mô phòng thí nghiệm

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 chúng so với các cây có dầu như: sự phát triển đơn gi

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

LƯƠNG HỒNG HẠNH

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT DIESEL SINH HỌC TỪ VI

TẢO BIỂN CHLORELLA VULGARIS VÀ TETRASELMIS CONVOLUTAE Ở QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội, 2014

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

LƯƠNG HỒNG HẠNH

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT DIESEL SINH HỌC TỪ VI

TẢO BIỂN CHLORELLA VULGARIS VÀ TETRASELMIS CONVOLUTAE Ở QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM

CHUYÊN NGHÀNH: HÓA SINH THỰC NGHIỆM

MÃ SỐ : 60.42.30

Người hướng dẫn khoa học: PGS.Ts Đặng Diễm Hồng

Hà Nội, 2014

3

MỞ ĐẦU

Ô nhiễm môi trường và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống đang là vấn đề mang tính toàn cầu, thu hút sự quan tâm của mọi quốc gia trên thế giới Nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần 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 Chính vì vậy, việc sử dụng nhiên liệu sinh học để thay thế nhiên liệu dầu mỏ là một vấn đề cấp thiết cần tập trung nghiên cứu và giải quyết; góp phần đa dạng hóa và tạo ra nguồn năng lượng sạch trong tương lai

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 bằng nhiên liệu sinh học thay cho xăng, dầu là các nguồn nhiên liệu không thể tái tạo đang cạn kiệt 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 chúng so với các cây

có dầu như: sự phát triển đơn giản; vòng đời ngắn; năng suất cao; hệ số sử dụng năng lượng ánh sáng cao; thành phần dầu dễ được điều khiển tùy theo điều kiện nuôi cấy

và nhờ áp dụng các 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 từ nguồn nguyên liệu sinh khối tảo 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

4

nghiên cứu đang nuôi trồng thử nghiệm các giống tảo dành riêng cho công nghệ này

và đã được một số cho kết quả ban đầu như hàm lượng dầu tảo đã tăng từ 6 % lên 10

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

có tảo Chlorella và Tetraselmis đang được chú ý quan tâm đặc biệt do chúng có khả

năng nuôi trồng trên quy mô lớn, thành phần axit béo rất phù hợp và dễ biến đổi dưới các điều kiện nuôi trồng khác nhau cũng như cho chuyển hóa biodiesel có hiệu xuất cao

Theo các nhà chuyên môn, Việt Nam có thuận lợi về khí hậu và địa lý với nguồn tảo rất đa dạng với nhiều loài mang tính đặc hữu rất tiềm năng cho làm nguyên liệu để sản xuất biodiesel Song trở ngại chính của việc sử dụng biodiesel rộng rãi chính là giá thành sản phẩm Cần có những nghiên cứu nhằm tìm ra được các phương thức để nuôi trồng đủ được sinh khối tảo đã được lựa chọn làm nguyên liệu cho sản xuất biodiesel với hiệu xuất chuyển hóa biodiesel có hiệu quả cao

Ở Việt Nam nguồn nguyên liệu tảo khá đa dạng và phong phú, chủ yếu được

sử dụng làm thực phẩm chức năng cho người và động vật nuôi, làm thức ăn không thể thiếu cho một số đói tượng nuôi trồng thủy sản ở giai đạn ấu trùng… Tuy nhiên, thông tin khoa học về sản xuất biodiesel từ tảo ở Việt Nam hiện chưa có nhiều Do

đó, chúng tôi mong muốn được tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu sản xuất

diesel sinh học từ vi tảo biển Chlorella vulgaris và Tetraselmis convolutae ở quy

mô phòng thí nghiệm” với mục tiêu là có được quy trình chuyển hóa diesel sinh học chất lượng cao từ sinh khối các loài vi tảo này dưới điều kiện phòng thí nghiệm nhằm có được các cơ sở khoa học cho việc sản xuất biodiesel xanh, sạch

và thân thiện với môi trường trong tương lai ở Việt Nam.

5

Công việc đƣợc thực hiện tại phòng Công nghệ Tảo, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam

6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1 Nhiên liệu sinh học

Thuật ngữ nhiên liệu sinh học (NLSH; biofuel) được đưa ra vào cuối những năm 1980 để chỉ các loại nhiên liệu có khả năng tái tạo Chúng không có nguồn gốc

từ dầu mỏ, vì vậy chúng được coi là loại nhiên liệu thay thế dầu mỏ NLSH thường được sản xuất từ sinh khối (biomass) chủ yếu là các sản phẩm của nông nghiệp NLSH được coi là nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường và có tiềm năng thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch trong tương lai (Sudarsan and Anupama, 2006)

NLSH bao gồm cả nhiên liệu dạng khí và dạng lỏng NLSH dạng lỏng bao gồm ethanol sinh học (bioethanol), methanol sinh học (biomethanol), diesel sinh học (diesel sinh học); dạng khí gồm hydro sinh học (biohydro) và methane sinh học

(biomethane) (Đoàn Thị Thái Yên và cs., 2010)

1.1 Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất

NLSH thế hệ thứ nhất được sản xuất chủ yếu từ các loại cây lương thực, thực phẩm như đậu tương, hạt cải dầu, dầu cọ … Nhược điểm của việc sử dụng các nguồn nguyên liệu này là làm giảm tính đa dạng sinh học, tiêu tốn nhiều nước và tăng khí thải nhà kính Nhiều báo cáo khoa học đã công bố rằng, khi đốt cháy nhiên liệu thế hệ thứ nhất sẽ làm phát thải khí nitơ oxít gây ô nhiễm không khí Ngoài ra, các kỹ thuật canh tác được áp dụng để trồng cây nguyên liệu cũng gây ra nhiều tác động xấu đến môi trường do sự sói mòn đất và dư lượng của thuốc trừ sâu, phân bón Một vấn đề lớn khác mà việc sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất còn phải đối mặt đó là

an ninh lương thực Các loại cây lương thực được trồng với mục đích sản xuất nhiên liệu thay vì sản xuất thực phẩm cho con người Kết quả dẫn đến sự cạnh tranh về sản

7

lượng, giá cả giữa nguồn nhiên liệu và lương thực Chính vì vậy, với những nhược điểm nêu trên, việc sản xuất NLSH thế hệ thứ nhất ở quy mô lớn là chưa khả thi (Lang và cs., 2001)

1.2 Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai

NLSH thế hệ thứ 2 sử dụng các nguồn nguyên liệu phế thải của nông nghiệp như gốc, lá và vỏ khô của các cây lương thực hay các cây nguyên liệu được trồng trên đất bạc màu, bỏ hoang (NLSH được sản xuất từ cellulose), ví dụ như cây cỏ ngọt

(sweetgrass), cây cọc rào (jatropha)… (Naik và cs., 2010) Một số sản phẩm của NLSH

thế hệ thứ 2 gồm bio-hydrogen, biomethanol, butanol và isobutanol, Fischer Tropsch … Mặc dù nguyên liệu thô cho sản xuất NLSH thế hệ 2 rất phong phú và không đe dọa đến vấn đề an ninh lương thực nhưng hiện nay, việc sản xuất NLSH thế hệ thứ 2 vẫn chưa được thương mại hóa do quá trình chuyển hóa nhiên liệu có giá thành cao và phải đối mặt với nhiều thách thức vềmặt kỹ thuật

1.3 Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba

8

tảo có hàm lượng dầu cao với giá thành rẻ, cạnh tranh được với các nguồn nguyên liệu truyền thống khác cũng như giá thành của việc chuyển hóa dầu tảo thành diesel sinh học Hiện nay, sản xuất NLSH từ tảo có chi phí cao hơn nhiều so với sản xuất từ dầu mỏ (Wen and Johnoson, 2009)

2 Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam và trên thế giới

2.1 Tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam

Trong xu thế chung của thế giới hiện nay coi NLSH là một giải pháp năng lượng sạch

và an toàn cho giảm thiểu ô nhiễm, vấn đề NLSH ở Việt Nam cũng đang ngày càng được Nhà nước và các nhà khoa học quan tâm và đầu tư nghiên cứu Ví dụ như, Chính phủ đã ban hành định hướng phát triển và sử dụng năng lượng giai đoạn 2006-2015 và tầm nhìn đến

2025, bao gồm phát triển điện, than, dầu khí, năng lượng nguyên tử, năng lượng tái tạo, NLSH… Ngày 20.11.2007, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định số 177/2007/QĐ- TTg phê duyệt “Đề án phát triển NLSH đến năm 2015, tầm nhìn 2025”, trong đó đưa ra mục tiêu đến năm 2010 sản xuất 100.000 tấn xăng E5/năm (pha khoảng 5% ethanol) và 50.000 tấn B5/năm (pha khoảng 5% diesel sinh học), bảo đảm 0,4% nhu cầu nhiên liệu cả nước và đến năm 2025 sẽ có sản lượng hai loại sản phẩm này đủ đáp ứng 5% nhu cầu thị trường nội địa Tháng 6/2010, Quốc hội cũng đã thông qua Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, trong đó đề cập nhiều đến vấn đề sử dụng năng lượng tái tạo Sự ra đời của đề án và đặc biệt việc ban hành Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là căn cứ pháp luật quan trọng

để Việt Nam bước vào một hành trình mới về sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học (http: //daibieunhandan.vn/default.aspx?tabid=148&NewsId=201888)

Thủ tướng chính phủ vừa đưa ra quyết định từ ngày 1/12/2014 xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên địa bàn 7 tỉnh, thành phố: Hà Nội, Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà Rịa –Vũng Tàu là xăng E5 Trên toàn quốc, từ ngày 1/12/2015, xăng để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ là xăng E5 Đối với xăng E10, từ

9

ngày 1/12/2016, xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên địa bàn 7 tỉnh, thành phố: Hà Nội, Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà Rịa –Vũng Tàu và từ ngày 1/12/2017 xăng E10 sẽ được sử dụng trên phạm vi toàn quốc (https://www.pvoil.com.vn/vi-VN/cac-bai-viet-ve-xang-sinh-hoc-e5/tu-nam-2015-tieu-thu-xang-e5-tren-toan-quoc/284/708)

2.2 Tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới

Hiện nay nhiều quốc gia trên thế giới đang khai thác và sử dụng NLSH ở các mức độ khác nhau Năm 2006, toàn thế giới đã sản xuất khoảng 50 tỷ lít ethanol (75% dùng làm nhiên liệu) so với năm 2003 là 38 tỷ lít, dự kiến cho năm 2012 là khoảng 80 tỷ lít

Brasil: là quốc gia đầu tiên sử dụng ethanol làm nhiên liệu ở quy mô công nghiệp từ

năm 1970, với loại xăng E25 (pha khoảng 25% ethanol), mỗi năm tiết kiệm được trên 2 tỷ USD Và cũng là nước đi đầu trên thế giới trong việc sản xuất Bio-ethanol nhiên liệu từ mật

rỉ Trong năm 2004 đến năm 2007, Brasil đã sản xuất được 20,5 tỷ lít, chiếm 34% sản lượng bio-ethanol toàn thế giới Nhóm các nước nhập khẩu bio-ethanol nhiên liệu từ Brasil là Mỹ,

Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật Bản, Thụy Điển và Hà Lan

Mỹ: hiện nay là quốc gia sản xuất ethanol lớn nhất trên thế giới (năm 2006 đạt gần 19

tỷ lít, trong đó 15 tỷ lít dùng làm nhiên liệu-chiếm khoảng 3% thị trường xăng) Theo chương trình phát triển năng lượng quốc gia, Mỹ sẽ sản xuất 25,7 tỷ lit bio-ethanol vào năm

2010 Năm 2012 sẽ cung cấp trên 28 tỷ lít ethanol và diesel sinh học, chiếm 3,5% lượng xăng dầu sử dụng

EU: Năm 2006, sản lượng bio-ethanol của EU là 341.250.000 lit, trong đó Pháp là

quốc gia sản xuất bio-ethanol nhiên liệu lớn nhất Châu Âu (114 triệu lit, chiếm 33%), Tây Ban Nha 47,8 triệu lit (chiếm14%) và Đức 44,4 triệu lit (chiếm 13%)

Trung Quốc: Để đối phó với sự thiếu hụt năng lượng, Trung Quốc một mặt đầu tư lớn

ra ngoài lãnh thổ để khai thác dầu mỏ, mặt khác tập trung khai thác, sử dụng năng lượng tái

Ấn Độ: là quốc gia đứng thứ 2 ở Châu Á về sản xuất bio-ethanol sau Trung Quốc

Năm 2005 sản lượng Bio-ethanol của Ấn Độ là 1,7 tỷ lit, trong đó 200 triệu lít là bio-ethanol nhiên liệu

Thái Lan: là quốc gia Đông Nam Á đi tiên phong trong việc sản xuất bio-ethanol

Năm 2007,Thái Lan có 9 nhà máy sản xuất bio-ethanol nhiên liệu với tổng công suất lên tới

400 triệu lit/năm, trong khi đó chỉ có duy nhất nhà máy Thai Nguan sản xuất bioethanol từ sắn lát Dự kiến đến năm 2011, Thái Lan sẽ sản xuất khoảng 1 tỷ lit bio-ethanol nhiên liệu

Malaysia: đến năm 2015 sẽ có 5 nhà máy sản xuất diesel sinh học từ dầu cọ, với tổng

công suất gần 1 triệu tấn để sử dụng trong nước và xuất khẩu sang Châu Âu (Kansedo và cs., 2009)

Inđônêxia: phấn đấu đến năm 2015 sẽ sử dụng B5 đại trà trong cả nước Ngoài dầu cọ,

sẽ đầu tư trồng 10 triệu ha cây cọc rào (Jatropha curcas) lấy dầu sản xuất diesel sinh học

Côlômbia: đã ban hành đạo luật bắt buộc các đô thị trên 500.000 dân phải sử dụng

E10

Achentina: đã phê duyệt Luật NLSH (tháng 4/2006) và quy định năm 2010 các nhà

máy lọc dầu pha 5% ethanol và 5% diesel sinh học trong xăng, dầu để bán trên thị trường Costa Rica, Philippines và các quốc gia thuộc châu Âu đều có lộ trình sử dụng diesel sinh học

3 Các phương pháp sản xuất diesel sinh học

Một số phương pháp sản xuất diesel sinh học như nhiệt phân, microemulsion (vi nhũ hóa), chuyển vị ester, trong đó phản ứng chuyển vị ester là phương pháp phổ

12

+ Phản ứng 3: Tạo diglyceride và CH3O- tiếp tục cho các phản ứng dây chuyền tiếp theo để tạo ra monoglyceride và cuối cùng là methyl ester

Như vậy: trong quá trình này cứ 01 phân tử triglyceride tác dụng với 03 phân tử

CH3OH tạo ra 01 phân tử glycerol và 03 phân tử methyl ester

Chất xúc tác của phản ứng chuyển vị ester có thể là kiềm, axit hoặc enzym Các chất xúc tác kiềm phổ biến nhất là NaOH, KOH Một số chất xúc tác kiềm khác bao gồm cacbonate, methoxide, sodium ethoxide, sodium propoxide và sodium butoxide Phản ứng chuyển vị ester sử dụng chất xúc tác kiềm có ưu điểm là tốc độ chuyển hóa cao dưới điều kiện nhiệt độ thấp, và thời gian phản ứng ngắn Tuy nhiên

13

nhược điểm của phương pháp này là sự tạo thành xà phòng từ phản ứng xà phòng hóa, đặc biệt đối với các nguyên liệu có hàm lượng axit béo tự do cao và hàm lượng nước cao thì ảnh hưởng của phản ứng xà phòng hóa đến quá trình chuyển hóa diesel sinh học càng lớn Các chất xúc tác axit được sử dụng phổ biến là axit sulphuric, HCl, axit sulfonic Phản ứng chuyển vị ester sử dụng chất xúc tác axit có hiệu suất cao và khắc phục được nhược điểm tạo thành xà phòng, tuy nhiên tốc độ phản ứng lại chậm

và đòi hỏi nhiệt độ phản ứng cao hơn Phản ứng ester hóa sử dụng chất xúc tác enzym (như lipase) có ưu điểm là hiệu suất cao, không tạo thành xà phòng như khi xúc tác bằng kiềm, phản ứng không bị ức chế bởi nước như khi xúc tác bằng axit, có thể ester hóa cả triglyceride và axit béo tự do trong một bước, không cần bước rửa, tỷ lệ rượu/dầu thấp hơn so với khi sử dụng chất xúc hóa học Tuy nhiên, phản ứng ester hóa sử dụng chất xúc tác enzym đòi hỏi thời gian phản ứng lâu hơn, hàm lượng chất xúc tác, giá thành sản xuất cao hơn

Phản ứng chuyển vị ester cũng có thể xảy ra dưới điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao (trên 2400C, trên 8 Mpa) và không cần chất xúc tác Phản ứng này đạt cân bằng rất nhanh (120-240s) và đạt hiệu suất cao hơn so với các phương pháp truyền thống Tuy nhiên phương pháp này không có hiệu quả về mặt kinh tế và không an toàn (Ehimen và cs., 2010)

4 Tiêu chuẩn chất lượng của diesel sinh học

Diesel sinh học có một số tính chất như ít độc, sự đốt cháy của nó tốt hơn dầu thô và không gây hiệu ứng nhà kính, có thể được sử dụng trực tiếp cho những động

cơ diesel hiện nay mà không cần sửa đổi chúng và còn có thể pha trộn diesel sinh học với diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ với các tỷ lệ khác nhau Để thương mại hóa được thì diesel sinh học cần phải đáp ứng được các tiêu chuẩn đang áp dụng trên thế giới

Ở Mỹ đã sử dụng tiêu chuẩn ASTM Diesel sinh học Standard D6751 (Knothe, 2006)

14

Ở châu Âu (EU) thì đã có các tiêu chuẩn riêng biệt dành cho diesel sinh học dùng cho vận tải (tiêu chuẩn Standard EN 14214) và được dùng như dầu đốt nóng (tiêu chuẩn Standard EN 14213) (Knothe, 2006) Ở Việt Nam, tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7717:

2007 Nhiên liệu diesel sinh học gốc (B100) đã được công bố áp dụng Một số đặc điểm chính của diesel sinh học được quy định như sau:

- Điểm chớp cháy: là nhiệt độ thấp nhất đã hiệu chỉnh về áp suất 101,3 kPa

(760 mmHg, 1 atmosphere), tại đó ngọn lửa đưa vào làm hơi nhiên liệu bùng cháy dưới điều kiện xác định của phép thử Nhiệt độ chớp cháy xác định xu hướng hình thành hỗn hợp có thể cháy với không khí dưới điều kiện thí nghiệm, nó là một trong các chỉ tiêu để đánh giá mức độ dễ bắt cháy của nhiên liệu cũng như “thời gian cảm ứng” trong động cơ Nhiệt độ chớp cháy có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình vận chuyển và tồn chứa nhiên liệu Nhiệt độ chớp cháy quá thấp rất dễ gây cháy nổ Nó cũng là dấu hiệu cho thấy nhiên liệu đã bị lẫn với các loại khác có độ bay hơi cao hơn Nhiệt độ chớp cháy hầu như không có ý nghĩa đối với chất lượng của nhiên liệu khi đánh giá trên góc độ tính năng kỹ thuật của các thiết bị sử dụng nó Đối với các sản phẩm dầu mỏ thì nhiệt độ chớp cháy khác nhau Xăng có nhiệt độ chớp cháy khoảng 400C, diesel có nhiệt độ chớp cháy khoảng 35-800C (trung bình là 600C), nhiệt độ cho động cơ phản lực có nhiệt độ chớp cháy trong khoảng 28-600C (trung bình là 400C), phân đoạn dầu nhờn có nhiệt độ chớp cháy 120-3250C Đối với sản phẩm là diesel sinh học, nhiệt độ chớp cháy theo tiêu chuẩn Viêt Nam ≥ 1300C, theo tiêu chuẩn Mỹ và Châu Âu là ≥ 930C

- Trị số axit: là lượng bazo, tính bằng miligam kali hydroxit trên một gam mẫu

cần để chuẩn độ một mẫu trong dung môi đến điểm cuối xác định (tức là số mg KOH cần thiết để trung hòa hết lượng axit có trong một gam mẫu) Trị số axit của diesel sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam, Mỹ và Châu Âu đều có giá trị cực đại là 0,50 mg

15

KOH/g Trị số axit là thước đo đánh giá hàm lượng các hợp chất vô cơ và axit tổng của nhiên liệu Tuy nhiên do sự đa dạng của các sản phẩm oxi hóa làm ảnh hưởng tới trị số axit và các axit hữu cơ lại rất khác nhau về tính chất ăn mòn cho nên trị số axit không được dùng để phán đoán tính ăn mòn của dầu trong điều kiện sử dụng (không

có mối liên hệ chung nào giữa trị số axit và xu hướng ăn mòn của dầu đối với kim loại) Trị số axit được sử dụng để kiểm soát chất lượng của nhiên liệu, nó cũng đôi khi được sử dụng như là một phép đo sự giảm chất lượng của chất bôi trơn sau một thời gian sử dụng

- Độ ăn mòn đồng: Phép thử ăn mòn mảnh đồng nhằm xác định có tính chất

định tính độ ăn mòn của nhiên liệu đối với các chi tiết chế tạo từ đồng, hợp kim đồng-thiếc và hợp kim đồng-kẽm Độ ăn mòn đồng của nhiên liệu diesel sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam là loại No1, theo tiêu chuẩn Mỹ và Châu Âu cực đại là No3

- Chỉ số iot: là số gam iot cần thiết để phản ứng với 100 gam mẫu FAME

(fatty acid mthely ester) Chỉ số iot đặc trưng cho mức chưa no của mẫu diesel sinh học Mẫu càng nhiều nối đôi thì chỉ số iot càng lớn và ngược lại Chỉ số iot cao liên quan đến sự polymer hóa của nhiên liệu (đông đặc) dẫn đến làm tắc nghẽn ống dẫn Chỉ số iot của diesel sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam, Mỹ và Châu Âu đều cực đại

là 120

- Trị số xêtan: là thông số đặc trưng cho khả năng tự bắt cháy của nhiên liệu

diesel, có được bằng cách so sánh nó với các nhiên liệu chuẩn trong thử nghiệm trên động cơ tiêu chuẩn Trị số xetan cung cấp dữ liệu về đặc tính tự cháy của nhiên liệu diesel trong động cơ nén tự cháy Trị số xetan cao quá sẽ lãng phí nhiên liệu vì một

số thành phần ở nhiệt độ cao trong xilanh sẽ phân hủy thành cacbon tự do (tạo muội) trước khi cháy Trị số xetan thấp quá sẽ xảy ra cháy kích nổ, do có nhiều thành phần

16

khó bị oxy hóa đòi hỏi phải phun rất nhiều nhiên liệu vào xilanh mới xảy ra quá trình

tự cháy, dẫn đến lượng nhiên liệu bị đốt cháy nhiều hơn yêu cầu, nhiệt lượng sinh ra rất lớn gây tăng mạnh áp suất, động cơ bị rung giật … Trị số xetan của diesel sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam, Mỹ và Châu Âu tối thiểu là 47

- Tro sulphat: là lượng cặn còn lại khi mẫu đã được cacbon hóa và được xử lý

tiếp tục với axit sunphuric và nung đến khối lượng không đổi Hàm lượng tro sunphat được dùng để biết nồng độ các phụ gia chứa kim loại đã biết trong dầu mới Khi không có photpho thì bari, canxi, magie, natri và kali sẽ biến đổi thành các muối sulphat, thiếc và kẽm biến đổi sang dạng oxit của chúng Hàm lượng tro của diesel sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam cực đại là 0,020 % khối lượng (tương đương với các tiêu chuẩn của Mỹ, Châu Âu)

- Độ nhớt động học: là một đại lượng vật lý đặc trưng cho trở lực do ma sát

nội tại sinh ra giữa các phân tử khi chúng có sự chuyển động trượt lên nhau Vì vậy

độ nhớt có liên quan đến khả năng thực hiện các quá trình bơm, vận chuyển chất lỏng trong các hệ đường ống, thực hiện các quá trình phun, bay hơi của nhiên liệu trong buồng cháy, đồng thời có liên quan đến khả năng bôi trơn của các phân đoạn khi sử dụng làm dầu nhờn Độ nhớt của nhiên liệu rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến khả năng bơm và phun nhiên liệu vào buồng đốt Độ nhớt của nhiên liệu có ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng của kim phun Nhiên liệu có độ nhớt quá cao rất khó nguyên tử hóa, các tia nhiên liệu không mịn và khó phân tán đều trong buồng đốt Kết quả là làm giảm hiệu suất và công suất động cơ Đối với các động cơ nhỏ, các tia nhiên liệu có thể chạm vào thành xylanh, cuốn đi lớp dầu bôi trơn và làm tăng độ lẫn nhiên liệu trong dầu nhờn Hiện tượng các chi tiết bị ăn mòn nhanh chính là do nguyên nhân này Nhiên liệu có độ nhớt quá thấp khi được phun vào xylanh sẽ tạo thành các hạt quá mịn, không thể tới được các vùng xa kim phun và do đó hỗn hợp

17

nhiên liệu-không khí tạo thành trong xylanh không đồng nhất, nhiên liệu cháy không đều, công suất giảm Nhiên liệu có độ nhớt quá thấp có thể gây ra hiện tượng rò rỉ tại bơm, làm sai lệch kết quả đong đếm dẫn đến thay đổi tỷ lệ pha trộn không khí-nhiên liệu Độ nhớt động học của diesel sinh học ở 400C theo tiêu chuẩn Việt Nam là 1,9 – 6,0 (mm2/s) (tương đương với tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu)

- Lưu huỳnh: Lưu huỳnh tồn tại trong nhiên liệu dưới nhiều dạng khác nhau,

thông thường là dưới dạng các hợp chất sulfua, disulfua hay dưới dạng dị vòng Khi

bị đốt cháy lưu huỳnh sẽ chuyển thành SO2, khí này cùng với khói thải sẽ được thoát

ra ngoài, trong thời gian này chúng có thể tiếp xúc với oxi để chuyển một phần thành khí SO3 Khi nhiệt độ của dòng khí thải xuống thấp thì các khí này sẽ kết hợp với hơi nước để tạo thành các axit tương ứng, đó chính là các axit vô cơ có độ ăn mòn kim loại rất lớn Chính vì vậy, sự có mặt của lưu huỳnh là một trong những chỉ tiêu đánh giá chất lượng của các sản phẩm dầu nói chung và diesel sinh học nói riêng Hàm lượng lưu huỳnh trong sản phẩm diesel sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam cực đại là 0,05 % khối lượng (tương đương với tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu)

- Độ ổn định oxi hóa: Quá trình oxi hóa gây ra những hợp chất không tan

trong nhiên liệu, đó là cặn Quá trình oxi hóa là một dạng làm hỏng tính chất hóa học của nhiên liệu Độ bền của nhiên liệu đối với quá trình oxi hóa là một đặc trưng quan trọng, nó là cơ sở để đánh giá tuổi thọ tương đối của nhiên liệu Theo tiêu chuẩn Việt Nam, độ ổn định oxi hóa tại 1100C tối thiểu là 6 giờ, theo tiêu chuẩn của Mỹ và Châu

Âu là min 3 giờ

- Trọng lượng riêng: là khối lượng của chất lỏng trên một đơn vị thể tích chất

lỏng ở 150C và 101,325 kPa, đơn vị đo lường tiêu chuẩn là kg/m3 Việc xác định chính xác trọng lượng riêng của nhiên liệu rất cần thiết cho việc chuyển đổi thể tích

đã đo ở nhiệt độ thực tế về thể tích hoặc khối lượng ở nhiệt độ đối chứng tiêu chuẩn

(tương đương với các tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu)

- Nước và cặn: Một lượng đáng kể nước và cặn trong nhiên liệu sẽ gây khó

khăn trong việc bảo quản nhiên liệu, gây trục trặc trong hệ thống nhiên liệu của lò hay động cơ Việc tích tụ cặn trong các bình chứa và các màng lọc, sẽ làm tắc dòng chảy của nhiên liệu từ bình chứa tới buồng đốt Nước trong các nhiên liệu cất trung bình có thể gây ăn mòn các bình chứa và thiết bị, nếu có mặt chất tẩy rửa có thể làm xuất hiện nhũ hay vẫn đục Ngoài ra, nước còn làm cho vi sinh vật phát triển tại bề mặt tiếp xúc nhiên liệu Vì vậy, hàm lượng nước và cặn là một trong những chỉ tiêu ảnh hưởng đến chất lượng của nhiên liệu Theo tiêu chuẩn Việt Nam, hàm lượng nước và cặn trong sản phẩm diesel sinh học cực đại là 0,050% thể tích (tương đương với các tiêu chuẩn của Mỹ, Châu Âu)

- Hàm lượng ester và methyl ester của axit linoleic: Hàm lượng ester là một

chỉ tiêu quan trọng liên quan trực tiếp đến chất lượng của nhiên liệu diesel sinh học Hàm lượng ester của diesel sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam tối thiểu là 96,5% khối lượng (phù hợp với tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu)

- Hàm lượng glycerin tổng số và tự do: Hàm lượng glycerin tự do và liên kết

phản ánh chất lượng của diesel sinh học Hàm lượng glycerin tự do cao có thể gây khó khăn trong quá trình bảo quản hoặc trong hệ thống nhiên liệu do sự phân tách của glycerin Hàm lượng glycerin tổng số cao có thể dẫn đến làm tắc nghẽn vòi phun, tạo

19

cặn ở vòi phun, piston, van Hàm lượng glycerin tự do theo tiêu chuẩn Việt Nam là max 0,020% khối lượng, glycerin tổng cực đại là 0,240% khối lượng (tương đương với các tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu)

- Điểm vẩn đục: là một chỉ tiêu quan trọng, nó xác định nhiệt độ tại đó các

tinh thể sáp xuất hiện trong nhiên liệu ở điều kiện thử nghiệm xác định, tại nhiệt độ

đó tinh thể sáp bắt đầu kết tủa khỏi nhiên liệu khi sử dụng Các thiết bị máy móc, xe

có thể phải làm việc ở điều kiện nhiệt độ thấp Nếu điểm vẩn đục không thích hợp thì thành phần sáp trong nhiên liệu dễ bị kết tủa, cản trở quá trình phun nhiên liệu vào động cơ để đốt

5 Tiềm năng sản xuất diesel sinh học từ vi tảo

Hiện nay, sinh khối tảo được khai thác chủ yếu làm thực phẩm chức năng cho người và động vật nuôi trong nuôi trồng thủy sản, khai thác các chất có hoạt tính sinh học như… (Đặng Diễm Hồng và cs., 2006) Ngoài ra, tảo còn được sử dụng để tạo ra năng lượng theo nhiều cách khác nhau Một trong những con đường hiệu quả nhất là

sử dụng dầu tảo để sản xuất diesel sinh học Sinh khối tảo chứa ba thành phần chính: carbohydrate, protein và lipit Phần lớn lipit do vi tảo sản xuất ra tồn tại ở dạng tricylglycerol - là dạng thích hợp để sản xuất diesel sinh học Vi tảo có tốc độ sinh trưởng nhanh hơn so với các loại thực vật cạn Chúng thường có khả năng nhân đôi trong vòng 24 giờ Trong suốt pha sinh trưởng, một số loài vi tảo có thể nhân đôi trong vòng 3,5 giờ (Chisti, 2007) Hàm lượng dầu ở vi tảo thường dao động trong

khoảng 20 đến 50% so với sinh khối khô (Bảng 1) Ngoài ra, một số chủng vi tảo có

thể chứa hàm lượng dầu cao đến khoảng 80% (Metting, 1996) Thực tế, vi tảo là đối tượng cho năng suất thu hoạch dầu cao nhất dùng làm nguyên liệu để sản xuất NLSH Lượng dầu do vi tảo sản xuất ra có thể cao gấp 250 lần so với đậu tương trên mỗi mẫu Anh (khoảng 0,4 ha), gấp từ 7 đến 31 lần so với cọ Mặt khác, dầu tảo lại dễ

20

dàng tách chiết nếu sử dụng phương pháp phù hợp Do đó, chỉ có sử dụng tảo để sản xuất ra NLSH mới tạo ra được nguồn nhiên liệu đủ đáp ứng cho nhu cầu năng lượng của thế giới trong tương lai và thay thế hoàn toàn nguồn năng lượng từ dầu mỏ (Sharif and Aishah, 2008)

Bảng 1.1: Hàm lượng dầu ở một số loài vi tảo (Chisti, 2007)

22

hòa ánh sáng Tridici (1999) đã nghiên cứu sản xuất sinh khối tảo trong các hệ thống photobioreactor với các kiểu dáng khác nhau đã được thiết kế trong đó, dạng ống tỏ

ra là có hiệu quả cao nhất (Patil và cs., 2008)

5.2 Thu hoạch sinh khối vi tảo

Thu hoạch sinh khối tảo là một trong những quá trình quan trọng quyết định khả năng sản xuất diesel sinh học từ vi tảo Hiệu quả thu hoạch thấp không chỉ gây lãng phí nguồn nguyên liệu mà còn đe dọa đến môi trường do mật độ tảo cao có thể gây ra hiện tượng phú dưỡng đối với môi trường xung quanh Các phương pháp thu hoạch tảo phổ biến được sử dụng là ly tâm, kết tủa bông, vi lọc (microfiltration) …

- Kết tủa bông: Đây là phương pháp thu hoạch sinh khối tảo sử dụng các chất

kết bông có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, trong đó chất kết bông giúp các tế bào

vi tảo riêng lẻ tập hợp lại thành từng cụm, lắng xuống phía dưới và dễ dàng tách khỏi môi trường nuôi Một số chất kết bông hóa học được sử dụng như Al2(SO4)3, KAl(SO4)2, FeCl3…, chất kết bông tự nhiên có thể là chitosan, pestan… Hàm lượng chất kết bông tối ưu cho thu hoạch sinh khối vi tảo phụ thuộc nhiều vào các yếu tố như nhiệt độ, dinh dưỡng và pH của môi trường nuôi

- Ly tâm: Phương pháp ly tâm có ưu điểm là có thể thu hoạch được triệt để

sinh khối tảo và môi trường nuôi có thể được tái sử dụng mà không cần qua bước xử

lý nào khác Tuy nhiên, quá trình này lại có chi phí đắt đỏ do tốn kém về mặt năng lượng nên việc sử dụng phương pháp ly tâm trong thu hoạch sinh khối vi tảo là không khả thi khi triển khai ở quy mô lớn

- Vi lọc: Đây là một phương pháp cơ bản để thu hoạch sinh khối tảo trong đó các tế bào vi tảo được tách khỏi môi trường nuôi bằng cách lọc qua một màng lọc có kích thước lỗ nhỏ hơn kích thước tế bào Tuy nhiên, khó khăn của phương pháp này

23

là kích thước tế bào vi tảo rất nhỏ (1-30 µm) và trong quá trình lọc, tế bào tảo có thể bịt kín các lỗ, cản trở quá trình lọc

5.3 Tách chiết dầu tảo

Dầu tảo có thể được tách chiết từ sinh khối theo một số phương pháp như tách chiết cơ học, bằng dung môi, sốc thẩm thấu…, trong đó tách chiết bằng dung môi là thông dụng nhất Hầu hết các phương pháp tách chiết hiện nay đều được phát triển dựa trên phương pháp cơ bản của Bligh và Dyer năm 1959 (Lewis and Nichols, 2000) Sinh khối tảo được trộn đều, ngâm chiết trong dung môi và sản phẩm dầu tảo được thu hồi sau bước chưng cất Các hóa chất thường được sử dụng trong quá trình tách chiết bao gồm n-hexan và chloroform Đây là các hóa chất tương đối rẻ tiền và cho hiệu quả tách chiết cao

5.4 Chuyển hóa diesel sinh học từ tảo

Quá trình sản xuất diesel sinh học từ tảo bao gồm một số bước Về cơ bản, công nghệ sản xuất diesel sinh học từ tảo cũng tương tự như đối với các nguồn nguyên liệu thực vật khác, tuy nhiên có một số giai đoạn cần lưu ý Không kể các bước và các giai đoạn của quá trình nuôi trồng tảo, sau giai đoạn nuôi trồng, các tế bào tảo phải được làm khô trước khi thực hiện phản ứng chuyển hóa Hiện nay có rất

ít tài liệu công bố về kết quả sản xuất diesel sinh học từ sinh khối tảo tươi Hầu như chỉ có các nghiên cứu đánh giá hiệu suất chuyển hóa khi so sánh hai phương pháp chuyển hóa từ dầu tảo tách chiết từ sinh khối (phương pháp hai giai đoạn) với phương pháp chuyển hóa trực tiếp (một giai đoạn) Đối với phương pháp hai giai đoạn, dầu tảo sau khi tách chiết được cho phản ứng với methanol có mặt chất xúc tác, khi đó quá trình sản xuất diesel sinh học tương tự như đối với dầu thực vật Đối với phương pháp một giai đoạn (chuyển vị ester tại chỗ) thì dung môi có tác dụng chiết lipit (chloroform, n-hexan, ether…), methanol để methyl hóa axit béo và chất xúc tác

có trong nguyên liệu thô (sẽ tạo thành xà phòng thay vì methyl ester), lƣợng axit béo

tự do trong nguyên liệu (giảm hiệu suất tạo thành diesel sinh học), nhiệt độ, áp suất, thời gian phản ứng, tỷ lệ số mol giữa dầu nguyên liệu và methanol (Ramadhas và cs.,

Do vậy, hiệu quả sản xuất diesel sinh học từ vi tảo sẽ được nâng cao và giá thành diesel sinh học sẽ giảm đi đáng kể nếu các axit béo này được tách ra khỏi sinh khối tảo để phục vụ cho các ứng dụng y, dược học và thực phẩm chức năng Bên cạnh đó, ngoài dầu ra, sinh khối vi tảo còn chứa nhiều protein, hydratcacbons và các chất dinh dưỡng khác (Sánchez Mirón và cs., 2003; Chisti, 2007) Do đó, bã sinh khối từ việc sản xuất diesel sinh học có thể được sử dụng làm thức ăn cho động vật Một số chất

bã sinh khối có thể được dùng để sản xuất methane bằng phân giải kỵ khí, sản sinh năng lượng điện cần thiết cho chính sự vận hành để sản xuất sinh khối tảo

Như vậy, việc gia hóa các sản phẩm có giá trị từ quá trình sản xuất diesel sinh học sẽ giúp giảm đáng kể giá thành diesel sinh học, nâng cao hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất và loại bỏ sản phẩm thải, đảm bảo thân thiện với môi trường

5.6 Ứng dụng khác của vi tảo

Vi tảo có mặt khắp nơi trên trái đất, sự phổ biến như vậy cũng nói lên vai trò quan trọng của tảo đối với hoạt động sống trong tự nhiên Hàng năm, trong số 200 tỷ tấn chất hữu cơ được tạo thành trên trái đất, có 170–180 tỷ tấn do tảo tạo ra, còn lại

26

20–30 tỷ tấn là do các loài thực vật khác Ý nghĩa vô cùng to lớn mà các loài tảo mang lại là giải phóng O2 cung cấp cho các sinh vật sống dưới nước, khép kín chu

trình vật chất trong các thuỷ vực và tăng tốc độ quay vòng của các chu trình đó

Ngoài nguồn thức ăn truyền thống như thịt, cá, trứng, sữa, rau, quả, củ có nguồn gốc

từ động vật và thực vật thì tảo là một nguồn thức ăn dinh dưỡng cho người và vật nuôi bởi vì nhiều loài vi tảo không chỉ có hàm lượng protein cao mà còn giàu gluxit,

lipit, vitamin Chẳng hạn tảo Chlorella có đến 40–60% protein, 25–35% gluxit, 10–

15% lipit theo sinh khối khô và nhiều loại vitamin nhóm B (B1, B6, B12), vitamin C, K

(Nguyễn Tiến Cư và cs., 1997) Các chủng Scenedesmus nuôi trồng ở diện tích rộng cũng đạt tới hàm lượng protein 50–56%, Dunaliella chứa 50% protein, 20%

cacbonhydrat, 8% lipit so với sinh khối khô Một số vi tảo cũng là mắt xích đầu tiên

trong chuỗi thức ăn của các động vật thủy sinh, các loài thuỷ hải sản có giá trị (Đặng Đình Kim, 1999)

Nhiều loài vi tảo cũng có thể được sử dụng như nguồn dược liệu quý Sinh khối

tảo Chlorella đã được đóng viên và sử dụng như một loại thức ăn bổ dưỡng Tảo

Spirulina chứa các axit amin cần thiết như lysin, threonin rất quan trọng cho trẻ em,

đặc biệt là trẻ thiếu sữa mẹ Hàm lượng chất khoáng và các nguyên tố vi lượng phong phú có thể phòng tránh bệnh thiếu máu do thiếu dinh dưỡng một cách hiệu quả và là

nguồn bổ sung dinh dưỡng cho trẻ biếng ăn Trong tảo Spirulina có chứa nhiều loại

chất chống lão hóa như β-caroten, axit γ-linoleic, Vitamine E Những chất này có khả năng loại bỏ gốc tự do thông qua tác dụng chống oxy hóa, làm chậm sự lão hóa của tế bào, đồng thời sắt và canxi có nhiều trong tảo vừa dễ hấp thụ vừa có tác dụng phòng và hỗ trợ các điều trị các bệnh thường gặp ở người già như thiếu máu, xốp

xương Spirulina có thể dùng hỗ trợ trong điều trị bệnh viêm gan B, viêm da lan tỏa,

bệnh tiểu đường, loét dạ dày tá tràng, suy yếu và viêm tụy, bệnh đục tinh thể và giảm

27

thị lực, bệnh rụng tóc (Đặng Đình Kim và cs., 1994) Tảo cũng tiêu diệt được Cadida

albicans, một loại nấm thường ký sinh trong đường ruột bệnh nhân AIDS Hiện nay Spirulina còn được nghiên cứu in vitro để ngăn chặn sự tấn công của virut HIV

Vi tảo cũng được sử dụng làm phân bón sinh học Chúng có vai trò trong việc sản xuất các polymer, giữ nước trong đất, cố định nitơ cho đất hay sản xuất các hợp

chất có hoạt tính sinh học Sự cố định nitơ của vi tảo có vai trò quan trọng trong các

vùng sản xuất lúa nhiệt đới và cận nhiệt đới Trong xử lý nước thải, vi tảo được sử dụng để loại bỏ N, P từ nước thải công nghiệp và sinh hoạt (Đặng Diễm Hồng và cs., 2007) Năng suất sinh khối tảo trong quá trình xử lý nước thải là 9,2-17,8 tấn/ha/năm

Vi tảo có khả năng giảm thiểu CO2 và sản xuất dầu với năng xuất cao (Chen và cs., 2010) Việc sử dụng khí CO2 thải ra từ các nhà máy của ngành công nghiệp đốt than…để nuôi trồng vi tảo là kỹ thuật có chi phí thấp nhất Trong quá trình quang hợp, vi tảo cần CO2 làm nguồn carbon để tổng hợp sinh khối Công nghệ hấp thu

CO2 bằng vi tảo đã được nhắc đến từ lâu và ngày càng được áp dụng nhiều (Benemann, 1997; Brown and Zeiler, 1993), đặc biệt khi vi tảo được tận thu sau quá trình hấp thu khí thải CO2 để sản xuất NLSH (Huntley and Redalje, 2007; Lee, 2003) Khi cung cấp CO2 từ khí thải của các nhà máy cho nuôi trồng vi tảo, giá thành cho sản xuất sinh khối tảo cũng giảm đáng kể, bên cạnh đó còn có ý nghĩa to lớn là làm sạch môi trường, đóng góp quan trọng trong việc làm giảm hàm lượng CO2 trong khí quyển - một trong những nguyên nhân gây sự ấm lên của trái đất và biến đổi khí hậu toàn cầu hiện nay

6 Tình hình nghiên cứu vi tảo Chlorella vulgaris và Tetraselmis convoluate

6.1 Đặc điểm sinh học của vi tảo

6.1.1 Chlorella vulgaris

- Vị trí phân loại:

Chlorella là một vi tảo lục đơn bào có dạng hình cầu, đường kính khoảng 2-10µm

và không có tiêm mao, không có khả năng di chuyển chủ động Màng tế bào có vách

cellulose bao bọc, kích thước 2-5µm (hình 1.1) Chlorella có màu xanh nhờ sắc tố

Tetraselmis convolutae là loài vi tảo lục, đơn bào, hình quả tim, tế bào có 4 roi, có

khả năng chuyển động, kích thước: dài 8,4 1,0 µm; rộng 4,8 0,6 µm Sinh sản bằng cách nhân đôi Hai tế bào con mang đầy đủ roi trước khi tách khỏi vỏ

Tetraselmis thường di chuyển nhanh theo đường thẳng, cơ thể xoay tròn Đa số các

loài có tính hướng quang

Hình 1.2 Hình ảnh của Tetraselmis convoluate

[http://cfb.unh.edu/phycokey/Choices/Chlorophyceae/unicells/flagellated/TETRASELMIS/Tetraselmis_Image_page.html]

6.1.3 Tình hình nghiên cứu Chlorella vulgaris và Tetraselmis convoluate trong sản xuất biodiesel trong những năm gần đây

Trong những năm gần đây, sử dụng các loại vi tảo khác nhau để chiết xuất lipit

có hiệu xuất cao để sản xuất NLSH đã được nghiên cứu nhiều Trong những nghiên

cứu gần đây đã cho thấy một lượng đáng kể triacylglyceride từ Chlorella sorokiniana

đã được thu nhận Tuy nhiên, một số các thông số ảnh hưởng lên quá trình tách chiết triacylglyceride ở vi tảo này như: pH, nhiệt độ và cường độ ánh sáng đã được đánh

30

giá kỹ lưỡng Trong nghiên cứu này, lipit được trích ly từ Chlorella sorokiniana và

sau đó thành phần axit béo cũng đã được xác định bằng sắc ký khí Quá trình este háo các axit béo được thực hiện để sản xuất fatty acit methyl este (FAME) Sau 15-17 ngày, khi tảo đang sinh trưởng pha cuối logaritsẽ được thu sinh khối và phân tích thành phần các axit béo Các axit béo tách chiết được sẽ được este hóa và phân tích thành phần axit béo của FAME bằng sắc ký khí Kết quả nghiên cứu thu được đã cho thấy rằng thành phần chính của axit béo có trong tảo là axit palmitic và các axit béo khác có số carbon dao động trong khoảng 16-18 cacbon rất phù hợp cho việc chuyển hóa biodiesel Chính vì vậy, đây là một loài vi tảo được xem là loài tiềm năng cho việc nuôi trồng để làm nguyên liệu cho sản xuất diesel sinh học (Hesam Kamyab và

cs 2014)

Các công trình nghiên cứu mới nhất cũng đã cho thấy tiềm năng sane xuất

biodiesel cho động cơ diesel từ sinh khối vi tảo Chlorella vulgaris Nghiên cứu về

ảnh hưởng của các yếu tố môi trường lên các thuộc tính của NLSH từ tạo ra từ sinh

khối loài vi tảo Chlorella cũng đã được đánh giá; đáp ứng được chất lượng biodiesel theo tiêu chuẩn ASTM cho NLSH Sinh khối khô của vi tảo Chlorella đã được nhũ

tương hóa đồng nhất bằng sóng siêu âm để khắc phục những tế bào tảo có kích thước lớn ở các giai đoạn sinh trưởng khác nhau Nhiên liệu nhũ tương hóa được tạo ra bằng sóng siêu âm rất ổn định và qua vòi phun một cách an toàn Kiểm tra động cơ ở

3670 rpm được sử dụng bằng ba loại nhiên liệu khác nhau như: bông dầu diesel sinh học CS-B100; hạt bông nhũ hóa nhiên liệu diesel sinh học; nước và nhũ tương (CS-

E20) và tế bào Chlorella ở dạng nhũ tương CS- ME20 Kết quả nghiên cứu thu được

cho thấy sự tiêu hao nhiên liệu khi thắng đã tăng khoảng 41% khi động cơ được chạy với nhiên liệu nhũ tương so với CS-B100, trong đó, sức mạnh động cơ, nhiệt độ khí

xả, NOx và CO2 thấp hơn đáng kể so với CS-B100 CS-ME20 sản xuất năng lượng cao hơn CS-E20 do đó cải thiện được giá trị nhiệt cho thấy được tính ưu việt của biodiesel sản xuất từ vi tảo (Saddam Al-lwayzy và cs., 2014)

31

Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ nitrat (0; 0,10; 0,14; và 0,18 g/L) lên sinh

trưởng của Tetraselmis sp đã được công bố Vi tảo biển Tetraselmis sp đã được thu

hoạch ở giai đoạn pha log, lipit được chiết xuất bằng dung môi chloroform-methanol Việc chuyển hóa lipit thành NLSH đã được thực hiện qua các giai đoạn như sau: (i) - natri hydroxide (NaOH) được sử dụng cho phản ứng este hóa và (ii) - quá trình este hóa sử dụng enzyme lipase làm xúc tác Thành phần các FAME thu được được xác định bằng sắc ký khí và so sánh với FAME chuẩn Kết quả nghiên cứu thu được cho thấy nồng độ nitrat là 0,18g/L là tối ưu cho nuôi trồng vi tảo này để thu sinh khối tảo nhưng hàm lượng lipit lại đạt tối ưu cho sản xuất biodiesel khi không có mặt nitrat trong môi trường nuôi Sản lượng dầu diesel sinh học từ quá trình este hóa bằng lipase cao hơn gấp 7 lần so với sử dụng kiềm (Chee Long Teo và cs., 2014)

Chính vì vậy, việc nghiên cứu một số các tác nhân khác nhau ảnh hưởng lên quá trình nuôi trồng thu sinh khối tảo có năng suất cao, sinh khối tảo có hàm lượng lipit cao với thành phần axit béo phù hợp cho quá trình chuyển hóa biodiesel có hiệu xuất cao đang được các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đều quan tâm và tập trung nghiên cứu

Trong bối cảnh tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước được trình bày nêu trên, chúng tôi mong muốn được tiến hành nghiên cứu với đề tài “Nghiên cứu sản

xuất diesel sinh học từ vi tảo biển Chlorella vulgaris và Tetraselmis convolutae ở quy

mô phòng thí nghiệm” với mục tiêu là có được quy trình chuyển hóa diesel sinh học chất lượng cao từ sinh khối các loài vi tảo này dưới điều kiện phòng thí nghiệm nhằm cung cấp những số liệu khoa học làm cơ sở khoa học cho việc sản xuất biodiesel từ

sinh khối 2 loài vi tảo biển Chlorella vulgaris và Tetraselmis convolutae có nguồn

gốc của Việt Nam theo hướng công nghệ xanh, sạch và thân thiện với môi trường trong tương lai ở Việt Nam; góp một phần nào đó giải quyết vấn đề an ninh năng lượng cho đất nước trong thời kỳ an ninh năng lượng và biến đổi khí hậu đang là vấn

đề mang tính toàn cầu hiện nay

32

Chương II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Vật liệu, hoá chất và thiết bị

2.1.1 Chủng tảo và điều kiện nuôi cấy

Hai chủng vi tảo biển quang tự dưỡng được sử dụng trong nghiên cứu là Chlorella

vulgaris Beijerinck 1890 HP, Tetraselmis convolutae (Parke & Manton) Noris, Hori &

- Thiết bị: Các thiết bi và dụng cụ được sử dụng trong nghiên cứu gồm: Buồng đếm Burker - Turk (Đức); Máy ảnh kỹ thuật số Canon IXY Digital 70 (Nhật Bản); Kính hiển vi quang học Olympus CX21 (Nhật Bản); Cân kỹ thuật Precisa XB 1200C; Cân phân tích Shimazu AY120 (Nhật Bản); Máy li tâm Sorvall RT 1900 W (Kendo, Đức), Máy khử trùng (Nhật Bản); Tủ cấy vô trùng Holten laminAir HH48 (Mỹ); Tủ nuôi cấy 280C BINDER (Đức); Máy khuấy từ Kika Labortechnik (Đức); pH kế Melter Toledo (Đức); Máy đo mật

độ quang học UV-1601 Shimazu (Nhật Bản); Tủ sấy Cornthem (New Zealand); Máy lắc IKA KS 260 basic (Đức); Máy cất quay chân không IKK (Đức) đi kèm với máy bơm; Máy sắc ký lỏng cao áp với cột sắc ký lỏng Thermo Hypersild Gold C18 (150 x 2,1 mm, 3 µm);

33

bản sắc ký lớp mỏng (TLC) 20 x 20 cm có phủ silicagel 60 (Mer

(NIKON eclipse 80i- ); desiccator; máy đo cường độ ánh sáng (Lux meter, Nga); các loại bình tam giác từ loại 100, 250, 500,1000 mL…đều được sử dụng cho nuôi tảo (Trung Quốc); ống đong các loại; bếp điện; bể ổn nhiệt; phễu chiết; cối-chày sứ; đĩa pettri, ống nghiệm nút xoáy; lọ penicillin; giấy lọc GF/C (What man) và các dụng cụ thông thường của phòng thí nghiệm

2.1.3 Môi trường nuôi cấy

- Nguồn nước biển

Các nguồn nước biển được lấy từ vùng biển Xuân Thủy (Nam Định) và vùng biển Cát Bà (Hải Phòng), gọi tắt là nước biển Nam Định và nước biển Cát Bà Nước biển lấy về được lọc để loại bỏ cặn bẩn, cát sỏi, rong rêu… sau đó được kiểm tra độ mặn và điều chỉnh đến độ mặn mong muốn (chuẩn đến độ mặn 30‰), khử trùng

1210C, 1atm trong 30 phút, để nguội và dùng để pha môi trường nuôi

Nước biển nhân tạo (NBNT) được pha từ nước ót 500‰ và muối biển với quy trình như sau:

+ Pha nước muối 30‰: Muối hạt hòa tan trong nước sau đó được lọc và pha loãng đến 30‰ bằng nước máy;

+ Pha nước ót 30‰: nước ót 500‰ pha loãng thành 30‰ bằng nước máy Cuối cùng pha trộn nước muối 30‰ và nước ót 30‰ với tỷ lệ 50:50 được NBNT NBNT sau đó được khử trùng bằng Chlorin với quy trình khử trùng chi tiết được mô tả trên hình 2.1

Hình 2.1 Quy trình khử trùng nước biển nhân tạo

bằng Chlorine B

35

Cách kiểm tra dư lượng Chlorine B được tiến hành như sau: Lấy khoảng 20mL nước cần kiểm tra cho vào cốc đong 50 mL, nhỏ từ 3-5 giọt thuốc thử Thiosunphat để trung hòa Chlorin B vào cốc đong

Nếu nước trong cốc đong đổi sang màu nâu trà thì nước đó còn dư lượng Chlorin B Màu nâu trà càng đậm thì dư lượng Chlorin B càng nhiều Nếu nước biển không chuyển màu thì không còn dư lượng Chlorin B

- Môi trường Walne và keybloom

* Môi trường Walne: Nước biển có nồng độ muối 30‰ được khử trùng và để

nguội Sau đó bổ sung vào 1 lít nước biển 1mL Stock Walne và lắc đều (thành phần môi trường Walne ghi đầy đủ trong phụ lục 1)

* Môi trường Keybloom: Nước biển có nồng độ muối 30‰ đã khử trùng được

bổ sung dung dịch Keybloom với nồng độ 75, 100, 200, 300 µL/L Trong đó, Keybloom được sản xuất tại Công ty Cổ phẩn chăn nuôi C.P Việt Nam có hàm lượng nitrogen ≥ 18,4%; photpho ≥ 2,1% và chất mang dạng tổng lỏng vừa đủ 1 lit

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.2.1 Phương pháp xác định sinh trưởng của tảo

2.2.1.1 Xác định sinh trưởng của tảo bằng phương pháp đếm số lượng tế bào bằng buồng đếm Burker – Turk

Dụng cụ để đếm tế bào là buồng đếm Burker – Turk (Đức), kính hiển vi Olympus CX21 (Nhật), lamen, counter…

Lắc đều mẫu, dùng pippet pha loãng mẫu (nếu cần thiết) và nhỏ một lượng mẫu khoảng 20 µL vào mỗi buồng đếm, đậy lamen sao cho la men không lệch ra khỏi buồng đếm, không bị tạo bọt, sau đó đặt buồng đếm lên kính hiển vi

Điều chỉnh tiêu cự của kính hiển vi quang học và tiến hành quan sát ở vật kính 10X để tìm được buồng đếm trên kính trường, sau đó quan sát ở vật kính 40X, điều

lệ thuận với mật độ tế bào

Mỗi lần đo lấy khoảng 3,5 mL dịch tảo, đo OD ở bước sóng 680 nm Trong quá trình đo, nếu giá trị OD > 1,0 thì cần pha loãng dịch tảo sao cho OD luôn nhỏ hơn 1,0

2.2.1.3 Xác định sinh trưởng của tảo thông qua sinh khối khô

Ở các thời điểm thu mẫu, 5 mL dịch nuôi được lấy ra khỏi bình nuôi, tiến hành

ly tâm thu sinh khối tế bào Sau khi ly tâm, sinh khối được chuyển vào cốc đã biết trọng lượng và sấy ở 105 0C trong 3 giờ cho đến khi khối lượng không thay đổi trong

3 lần cân liên tiếp Sinh khối khô (SKK) của mẫu được xác định theo công thức sau:

SKK (g) = TLK (cốc + sinh khối tảo) – TLK (cốc)

2.2.2 Phương pháp thu hoạch sinh khối tảo

-600ẩ

38

Phần trăm dầu tách chiết được được tính theo công thức sau:

Hàm lượng lipit (% SKK) = (m 2 - m1) x 100%

Trong đó: m2 (g) - khối lượng lipit thu được,

m1(g) - khối lượng sinh khối khô đem tách

2.2.4 Phân tích thành phần axit béo

10 mg dầu béo được hòa tan với 1 mL n-hexan, lắc kỹ trong lọ nhỏ nút kín; bổ sung 25 µL dung dịch CH3ONa trong methanol (2mol/L) và lắc kỹ trong 1 phút; bổ sung 1 mL nước cất vào, lắc kỹ và phân lớp bằng ly tâm 3000 vòng/phút, hút lớp sáp không phản ứng ở dưới loại đi; bổ sung 100 µL HCl, lắc kỹ và phân lớp bằng ly tâm

3000 vòng/phút; loại bỏ kiệt lớp bẩn dưới đáy, lớp dung môi trên được làm khan bằng Na2SO4 và phân lớp bằng ly tâm 3000 vòng/phút

Chuyển mẫu đã methyl hoá sang ống mẫu đem phân tích thành phần axit béo bằng máy sắc kí khí: HP-6890, ghép nối với Mass Selective Detector Agilent 5973; Cột: HP-5MS (0,25m x 30m x 0,25mm); Khí mang He; Chương trình nhiệt độ: bắt đầu ở 80oC trong 1 phút; tăng lên 150o

C với tốc độ tăng 4oC/phút; tiếp theo tăng nhiệt

độ lên đến 260o

C và giữ trong 10 phút với tốc độ tăng nhiệt độ 10oC/phút; Thư viện phổ khối: WILEY275 L và NIST 98 L theo tiêu chuẩn ISO/ FDIS 5590:1998, LB Đức và theo mô tả trong công trình của Đặng Diễm Hồng và cs., (2007) được tiến hành tại Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên, Viện Hàn lâm KH & CN Việt Nam

Số liệu được xử lý theo phương pháp thống kê sinh học dựa trên các phần mềm Microsoft Office Excel 2003

(Doan và Obbard, 2010)