Qua quá trình thí nghiệm chúng tôi nhận thấy: - Tảo Chlorella phát triển và đạt sinh khối cao nhất ứng với mật độ tế bào là 7,32x106 tb/ml và khối lượng chất khô 0,28 g/l trong môi trườ
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ
TẢO CHLORELLA SP Ở VIỆT NAM
Họ và tên sinh viên : NGUYỄN VY HẢI
Ngành : CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Niên khóa : 2004 - 2008
Tháng 10/2008
Trang 2NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ TẢO
CHLORELLA SP Ở VIỆT NAM
Sinh viên thực hiện
NGUYỄN VY HẢI NHỮ THẾ DŨNG
Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành
Công Nghệ Hóa Học
Giáo viên hướng dẫn Tiến sĩ Trương Vĩnh
Tháng 10 năm 2008
Trang 3LỜI CẢM TẠ
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Trương Vĩnh - người thầy kính yêu đã tận tình hướng dẫn chúng tôi trong suốt quá trình thực hiện Trong quá trình thí nghiệm tại phòng 113 khoa Nông học và phòng thí nghiệm I4; chúng tôi đã được sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi của Cô ThS.Trần Thị Dạ Thảo và Thầy KS Đoàn Kim Sơn Nhờ vậy chúng tôi đã hoàn thành luận văn một cách tốt đẹp
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Công Nghệ Hóa Học trường Đại học Nông Lâm đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cùng các bạn trong lớp DH04HH đã nhiệt tình giúp
đỡ chúng tôi trong suốt thời gian 4 năm học tập tại trường
Chúng con kính ghi ơn ông bà, cha mẹ đã sinh thành ra chúng con và là nguồn động viên, khích lệ cho chúng con trong quá trình học tập cũng như trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp
Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do những hạn chế về chuyên môn, kinh nghiệm, thời gian … luận văn của chúng tôi chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Chúng tôi mong nhận được những góp ý từ thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn
TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2008
Sinh viên Nhữ Thế Dũng - Nguyễn Vy Hải
Trang 4TÓM TẮT
Sinh viên thực hiện: Nhữ Thế Dũng – Nguyễn Vy Hải, đề tài được báo cáo vào
tháng 10/2008 “Nghiên cứu thử nghiệm sản xuất biodiesel từ tảo Chlorella sp ở
Việt Nam”
Giáo viên hướng dẫn: TS Trương Vĩnh
Đề tài được thực hiện từ tháng 3/2008 đến tháng 10/2008, tại Phòng thí nghiệm I4 Bộ môn Công nghệ Hoá học và phòng 113 Khoa Nông học Trường Đại học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh
Tảo giống Chlorella sử dụng để bố trí thí nghiệm được cung cấp từ Khoa Thuỷ
sản Trường Đại học Nông Lâm, Khoa Thủy sản Trường Đại học Cần Thơ và Trung tâm Quốc gia giống Hải sản Nam bộ
Qua quá trình thí nghiệm chúng tôi nhận thấy:
- Tảo Chlorella phát triển và đạt sinh khối cao nhất ứng với mật độ tế bào là
7,32x106 tb/ml và khối lượng chất khô 0,28 g/l trong môi trường Hannay (cải tiến) ở ngày thứ 8 Tảo nuôi trong môi trường này có nhiều diệp lục tố phù hợp cho chế biến thực phẩm chức năng và nuôi trồng thuỷ sản
- Còn môi trường đạm thấp (cũ) đạt đỉnh sinh khối 4,35x106 tb/ml ở ngày thứ 2 với mật độ ban đầu bố trí 106 tb/ml Kết quả cho thấy tảo Chlorella tăng trưởng chậm,
ngắn ngày hơn Dựa vào kết quả trên chúng tôi tính toán cải tiến môi trường đạm thấp này và khi tăng gấp đôi lượng (NH4)2HPO4 trong môi trường đạm thấp thì thu được kết quả như sau: tảo đạt đỉnh sinh khối 14,1x106 tb/ml ứng với KL chất khô 3,98 g/l ở ngày thứ 4 là phù hợp với cơ sở tính toán
- Khi so sánh khối lượng chất khô tảo ở các mật độ ban đầu bố trí khác nhau trong môi trường Hannay (cải tiến), môi trường đạm thấp (cũ) và môi trường đạm thấp (cải tiến) cho thấy: ở môi trường Hannay (cải tiến) với mật độ ban đầu bố trí là 106tb/ml thu được khối lượng chất khô 0.31 g/l là tốt nhất so với các mật độ ban đầu bố trí 0,1x106 tb/ml, 0,25x106 tb/ml, 0,5x106 tb/ml và 1,5x106 tb/ml
- Ở thí nghiệm theo dõi khối lượng nước tách ra của quá trình cô đặc màng thu được kết quả như sau: mật độ tế bào càng cao thì thời gian càng lâu, ở cùng mật độ
Trang 5ban đầu bố trí thì để cô đặc tảo Chlorella trong môi trường đạm thấp (cũ) và đạm thấp
(cải tiến) mất thời gian lâu hơn so với môi trường Hannay (cải tiến)
- Xác định phương trình pha log, trong đó Co và Ct là nồng độ tế bào tại thời điểm 0 và t
Ct = 0,39.Co.e 0,5393.t , R2 = 0,9406 (Chlorella môi trường Hannay (cải tiến)
tổng hợp lipid nhiều hơn so với môi trường Hannay
Quá trình cô đặc tảo bằng màng lọc được thực hiện trên máy lọc tiếp tuyến và cho kết quả :
- Phương pháp cô đặc màng là phương pháp phù hợp nhằm loại nước ra khỏi dịch tảo sau khi nuôi
- Màng lọc 0,1 μm là loại màng phù hợp cho quá trình cô đặc tảo nhằm đạt được hiệu suất cao và rút ngắn được thời gian cô đặc
Thí nghiệm phản ứng tạo biodiesel với nguyên liệu là dầu đậu nành nguyên chất Tường An được mua ngoài thị trường cho thấy:
- Ở nhiệt độ phản ứng 67oC và lượng xúc tác acid 5 %, hiệu suất của phản ứng tạo biodiesel tăng dần theo thời gian phản ứng
- Lượng xúc tác acid 1 % và 3 % không phù hợp cho phản ứng tạo biodiesel Phản ứng nên được thực hiện với lượng xúc tác acid là 5 %
Trang 62.1.1 Lịch sử nghiên cứu về tảo lục Chlorella 3
B Pha log (pha sinh trưởng theo hàm số mũ) 8
C Pha giảm tốc độ sinh trưởng (pha ngừng tăng trưởng tương đối) 8
2.2.2 Lịch sử hình thành và phát triển của BOD 21
2.2.5 Các giá trị tiêu chuẩn cho BOD ở trong nước và quốc tế 26
Trang 7A Các thành phần tham gia phản ứng tạo BOD 28
B Cơ chế phản ứng chuyển hóa este tạo BOD 32
2.3.3 Phương pháp chiết bằng máy chiết Soxhlet 37
A Thí nghiệm 1: Xác định thời điểm tảo đạt sinh khối cực đại (đỉnh sinh khối)
của Chlorella trong môi trường Hannay (cải tiến) (ký hiệu là Chl/H) 44
B Thí nghiệm 2: Xác định đỉnh sinh khối của Chlorella trong môi trường đạm
thấp (cũ) (ký hiệu là Chl/ĐT) và cơ sở của việc cải tiến môi trường đạm thấp
45
C Thí nghiệm 3 : Xác định pha sinh trưởng theo hàm số mũ Từ đó tìm
D Thí nghiệm 4 : Sự tăng sinh khối tảo với các mật độ khác nhau trong môi trường Hannay (cải tiến) và đạm thấp ở thể tích 5 lít 47
E Thí nghiệm 5 : Khảo sát sự thu hồi chất khô tảo bằng phương pháp ly tâm
F Thí nghiệm 6 : Khảo sát lượng nước tách ra của quá trình cô đặc màng 49
G Thí nghiệm 7: Khảo sát quá trình trích ly và xử lý mẫu tảo sau khi trích ly
L Thí nghiệm 10 : Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác 52
M Thí nghiệm 11 : Thí nghiệm xác định hàm lượng acid sulfuric lẫn trong
3.4.4 Khối lượng riêng của hỗn hợp n-hexan và dịch trích từ tảo 56
Trang 83.4.8 Lượng acid sulfuric có trong mẫu BOD 57
3.5 Xử lý số liệu 58
4.1 Kết quả thí nghiệm về sự tăng trưởng của tảo Chlorella 59
4.1.1 Thí nghiệm 1: Xác định thời điểm tảo đạt sinh khối cực đại (đỉnh sinh
khối) của Chlorella trong môi trường Hannay (cải tiến) (ký hiệu là Chl/H) 59
4.1.2 Thí nghiệm 2: Xác định đỉnh sinh khối của Chlorella trong môi trường
đạm thấp (cũ) (ký hiệu là Chl/ĐT) và cơ sở của việc cải tiến môi trường đạm thấp
61 4.1.3 Thí nghiệm 3 : Xác định pha sinh trưởng theo hàm số mũ Từ đó tìm
4.2 Kết quả về quá trình thu nhận, xử lý dịch tảo sau khi nuôi 73
4.2.1 Thí nghiệm 5: Khảo sát sự thu hồi chất khô tảo bằng phương pháp ly tâm
4.2.2 Thí nghiệm 6: Khảo sát lượng nước tách ra của quá trình cô đặc màng 74
4.3.1 Thí nghiệm 7: Khảo sát quá trình trích ly và xử lý mẫu tảo sau khi trích ly
76 4.3.2 Thí nghiệm 8: So sánh khả năng lọc của máy cô đặc màng với các loại
4.4 Kết quả về quá trình phản ứng biodiesel nguyên liệu là dầu đậu nành 82
4.4.1 Thí nghiệm 9 : Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất
4.4.2 Thí nghiệm 10 : Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác 88
4.4.3 Thí nghiệm 11 : Thí nghiệm xác định hàm lượng acid trong biodiesel với
hàm lượng xúc tác 5 % ở các thời gian phản ứng khác nhau 90
Trang 9DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chl : Chlorella
H : Môi trường Hannay
ĐTm : Môi trường đạm thấp (cải tiến)
Trang 10DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.2 : Các pha tăng trưởng trong nuôi vi tảo 7Hình 2.3 : Thiết bị nuôi sản xuất sinh khối tảo trong ống xoắn ở Úc 12Hình 2.4 : Sơ đồ sản xuất dùng cho nuôi tảo theo từng mẻ 13 Hình 2.5 : Cấu tạo chung của các triglyxerit 29
Hình 2.6 : Cấu tạo một số acid béo trong dầu thực vật 30
Hình 3.1 : Sơ đồ quy trình các bước thí nghiệm 43Hình 3.2 : Hình dạng ngoài của buồng đếm hồng cầu 54
Hình 4.1: Đồ thị KL chất khô tảo (g/l) và MĐTB (triệu tb/ml) của Chl/H 60
Hình 4.2 : Chlorella môi trường Hannay thể tích 5 lít lúc mới bố trí 61Hình 4.3 : Đồ thị MĐTB (triệu tb/ml) của Chl/ĐT 62Hình 4.4 : Đồ thị KL chất khô tảo (g/l) và MĐTB ( tb/ml) của Chl/ĐTm với
Hình 4.5 : Đồ thị KL chất khô tảo (g/l) và MĐTB (triệu tb/ml) của Chl/ĐTm 65
Hình 4.6 : Chlorella mật độ 106 tb/ml môi trường ĐTm thể tích 5 lít lúc vừa mới bố
Hình 4.15 : Tảo sau khi sấy khô còn dính trên mâm 75
Trang 11Hình 4.20 : Dịch dầu Chl/ĐTm sau khi loại n-hexan 77Hình 4.21 : Chiết tách mẫu Chl/ĐTm trong phễu chiết 78
Hình 4.23 : Đồ thị biểu diễn lượng nước lọc theo áp suất của màng lọc 0,05µm 80Hình 4.24 : Đồ thị biểu diễn lượng nước lọc theo áp suất của màng lọc 8 µm 81Hình 4.25 : Đồ thị biểu diễn khối lượng các lớp theo thời gian phản ứng trước khi
Hình 4.26 : Đồ thị biểu diễn tỉ trọng các lớp trước khi sấy theo thời gian phản ứng
84Hình 4.27 : Đồ thị biểu diễn khối lượng lớp trên và lớp dưới sau khi sấy ở các thời
Hình 4.28 : Đồ thị biểu diễn tỉ trọng của BOD ứng với các thời gian phản ứng 86Hình 4.29 : Đồ thị biểu diễn hiệu suất phản ứng (%) ứng với các thời gian phản
Hình 4.30 : Hỗn hợp sau phản ứng với lượng xúc tác acid sulfuric 3 % 88Hình 4.31 : Hỗn hợp sau khi sấy với lượng xúc tác acid sulfuric 3 % 89Hình 4.32 : Hỗn hợp tách lớp ở phản ứng với lượng xúc tác 5 % 90Hình 4.33 : Đồ thị biểu diễn lượng acid sulfuric lẫn trong BOD 91
Trang 12DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1 : Thành phần hóa học chứa trong tảo Chlorella 5
Bảng 2.2 : Thành phần sinh hóa của Chlorella vulgaris 6
Bảng 2.3 : Thành phần aminoacid (%) của Chlorella sp 6Bảng 2.4 : Tóm tắt ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp nuôi tảo 16Bảng 2.5 : Một số phương pháp sấy sinh khối tảo 19Bảng 2.6 : Các chỉ tiêu chất lượng của điêzen sinh học gốc (B100) 26Bảng 2.7 : Các giá trị kiểm tra và Tiêu chuẩn giá trị tối đa của các chất cho phép
Bảng 2.8 : So sánh lượng phát xạ của B100 và B20 (%) với diesel thông thường
Bảng 2.9 : Các giá trị kiểm tra cho BOD sinh học gốc (B100) - Bắc Mĩ 28Bảng 2.10 : Thành phần acid béo của một số dầu thực vật 31Bảng 2.11 : Ảnh hưởng của từng loại rượu đến sự chuyển hóa ester và tỉ trọng của
47Bảng 3.10 : Số liệu xây dựng đường hồi qui của Chl/ĐTm MĐBĐBT 106 tb/ml 47Bảng 3.11 : KL chất khô tảo (g/l) môi trường ĐT và ĐTm ở các MĐ khác nhau 48Bảng 3.12 : KL chất khô tảo (g/l) môi trường H ở các MĐ khác nhau 48Bảng 3.13 : Lượng nước tách ra (kg) theo thời gian của các môi trường khác nhau
Bảng 3.14 : Tỉ lệ các thành phần phản ứng BOD 50Bảng 3.15 : Lượng nước lọc được ứng với 2 loại màng 0,05 µm và 8 µm 51Bảng 4.1 : Kết quả MĐTB ( tb/ml) và KL chất khô tảo (g/l) của Chl/H 59Bảng 4.2 : KLR của dịch tảo (g/ml) môi trường Hannay 61
Trang 13Bảng 4.11 : Kết quả tính toán hàm lượng lipid (%) có trong Chl/H và Chl/ĐTm 76Bảng 4.12 : Kết quả lượng nước lọc được ứng với 2 loại màng 0,05 µm và 8 µm 80Bảng 4.13 : Kết quả tính toán khi tăng hiệu suất của máy lọc từ 4psi lên 4,5 psi 82Bảng 4.14 : Khối lượng và tỉ trọng của các lớp sau phản ứng 83Bảng 4.15 : Khối lượng và tỉ trọng của lớp trên, lớp dưới sau khi sấy 85Bảng 4.16 : Hiệu suất phản ứng ở các thời gian phản ứng khác nhau 87Bảng 4.17 : Khối lượng và tỉ trọng của hỗn hợp sau phản ứng với lượng xúc tác lần
Trang 14sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống Hai vấn đề này ngày càng trở nên cấp bách
và ngay từ bây giờ đòi hỏi cả nhân loại phải nghiên cứu và đưa ra các giải pháp hợp lý
để giải quyết Các giải pháp này là tìm ra các loại nhiên liệu và năng lượng có khả năng thay thế cho các loại nhiên liệu truyền thống và giảm đáng kể các chất gây ô nhiễm do khí thải động cơ sinh ra
Những nghiên cứu về nhiên liệu thay thế trên thế giới sử dụng ở động cơ đốt trong bắt đầu từ những năm cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX Ngày nay, một số dạng năng lượng và nhiên liệu thay thế đã được sử dụng thực tế tại một số nước trên thế giới 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
Một trong những lọai năng lượng được đưa ra nhằm thay thế cho nguyên liệu truyền thống có thể kể đến là biodiesel Biodiesel đã được nghiên cứu và sử dụng như
là một loại nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu diesel truyền thống 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 sạch đối với môi trường
Biodiesel từ tảo trên thế giới đã được nghiên cứu trong những năm gần đây Tảo
Chlorella là một trong những giống được quan tâm 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 Do vậy, được sự phân công của bộ môn Công nghệ hóa học và dưới sự hướng dẫn của Thầy Trương Vĩnh chúng em thực hiện
đề tài: “Nghiên cứu thử nghiệm sản xuất biodiesel từ tảo Chlorella sp ở Việt
Nam”
Trang 151.2 Mục đích
+ Bước đầu tìm điều kiện nuôi để tảo Chlorella phát triển tốt và có nhiều dầu
+ Xác định đặc tính sinh khối của tảo, qui trình công nghệ thu hồi tảo và chiết tách dầu, phản ứng biodiesel
1.3 Nội dung
+ Khảo sát lượng sinh khối giống tảo Chlorella trên các môi trường nuôi cấy
khác nhau, với các mật độ bố trí khác nhau
+ Khảo sát quá trình cô đặc dịch tảo thu được
+ Khảo sát quá trình trích ly dầu từ sinh khối tảo thu được
+ Phản ứng tạo biodiesel từ dầu tảo bằng phương pháp xúc tác acid
1.4 Yêu cầu
+ Xác định được đặc tính của tảo nuôi trong môi trường ít đạm
+ Trích ly được dầu từ tảo
+ Xác định được môi trường và mật độ nuôi tảo để cho lượng sinh khối là nhiều nhất
+ Xác định một vài thông số tối ưu cho quá trình phản ứng tạo biodiesel
+ Xác định một số tính chất của biodiesel tạo ra theo một số tiêu chuẩn hiện nay
Trang 16Chương 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1 Tổng quan về tảo lục Chlorella
2.1.1 Lịch sử nghiên cứu về tảo lục Chlorella
B Hình thái và các đặc điểm sinh học về ngành tảo lục
Tảo lục đơn bào có chứa chlorophyll a và 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 - 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 hai sợi, một số ít có bốn 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 Thành tế bào của tảo lục chủ yếu chứa cellulose
Trang 17(a) (b)
Hình 2.1: Một vài hình ảnh Chlorella (Nguồn: http://www.mercola.com/chlorella/history.htm)
Hình 2.1 (a) : Hình dáng tảo Chlorella
Hình 2.1 (b) : Cấu tạo Chlorella
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
(Nguồn: http://wwwvietsciences.free.fr/khaocuu/Nguyenlandung/vitao01.htm)
Trang 18D Thành phần hóa học
Thành phần hóa học của tế bào Chlorella tùy thuộc vào tốc độ sử dụng môi
trường dinh dưỡng trong quá trình phát triển
Bảng 2.1 : Thành phần hóa học chứa trong tảo Chlorella (Đặng Đình Kim và Đặng
Hoàng Phước Hiền, 1999)
Protein tổng số Gluxit
Lipid Sterol Sterin β-Caroten Xanthophyll Chlorophyll a Chlorophyll b Tro
Vitamin B1
C
K B6 B2 B12 Niacin Acid Nicotinic
40 – 60 %
25 – 35 %
10 – 15 % 0,1- 0,2 % 0,1- 0.5 % 0,16 % 3,6 – 6,6 % 2,2 % 0,58 %
10 – 34 % 18,0 mg/gr 0,3 – 0,6 mg/gr
6 mg/gr 2,3 mg/100gr 3,5 mg/100gr
7 - 9 mg/100gr
25 mg/100gr
145 mg/100gr
Trang 19
Bảng 2.2 : Thành phần sinh hóa của Chlorella vulgaris (Webb 1983; Nguyễn Hữu
Đại, 1999)
Thành phần Đơn vị (% trọng lượng tảo khô) Protein
Lipid Saccharide Vitamin Khoáng
35,30 3,99 4,27 20,39 26,88
Bảng 2.3 : Thành phần aminoacid (%) của Chlorella sp (Webb 1983; Nguyễn Hữu
Đại,1999)
Arginine Aspartic Threonine Serine Glutamic acid Proline
Glucine Alanine Valine Cystein Methionine Isoleucine Leucine Tyrocine Phenyl Lycine Trytophan Histidine Taurin
5,17 9,24 5,44 5,32 15,10 5,19 9,23 10,97 6,24 0,40 0,22 4,08 8,30 2,47 4,12 5,63 1,23 1,59 0,04
Trang 20Thành phần hóa học của các loài Chlorella 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 giảm xuống rõ rệt trong khi lượng cacbohydrat và lipid lại tăng lên
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… (Vũ Thị Tám, 1982) Các nguyên tố vô cơ cũng có chức năng sinh lý quan
trọng đối với thực vật (C, H, O, K, Mg, Fe, Cu,…) Ngoài ra, Chlorella còn chứa
glucid, acid amine thiết yếu, nhiều loại vitamin như: carotene, thiamine, niacine, paridoxine, choline, acid lipoic, acidpentonoid, ….các vitamin nhóm C, A, B1, B2, B6, K… có nhiều trong tế bào tảo tươi
(Nguồn: http://www.tuberosr.com/chlorella.htm)
2.1.2 Tăng trưởng
Tăng trưởng là biểu hiện cho sự gia tăng về số lượng so với số lượng tảo cấy ban đầu (Pelczar và cộng sự, 1977; Pinij Kungvanki, 1988; trích bởi Trần Thị Mỹ Xuyên,
2008) Sự tăng trưởng của các vi tảo nói chung và Chlorella nói riêng nuôi trong điều
kiện vô trùng đều thông qua 5 pha như sau:
Hình 2.2 : Các pha tăng trưởng trong nuôi vi tảo (Lavens và Sorgeloos, 1996)
A Pha lag (pha chậm hoặc cảm ứng)
Sau khi cấy vào môi trường nuôi, quần thể tạm thời không thay đổi Điều này không có nghĩa là các tế bào không hoạt động Việc chậm phát triển là do sự thích nghi sinh lí của chuyển hóa tế bào để phát triển, như mức tăng enzyme và các chất chuyển hóa liên quan đến sự phân chia tế bào và cố định cacbon, ở giai đoạn này các tế
Trang 21bào cũng gia tăng về kích thước của chúng Ở cuối pha này, mỗi sinh vật bắt đầu phân chia
B Pha log (pha sinh trưởng theo hàm số mũ)
Ở pha này, mật độ tế bào tăng như là hàm số của thời gian theo hàm logarit:
Ct = Co*emt
Với Co và Ct là các nồng độ tế bào tại thời điểm 0 và t tương ứng với m là tốc
độ sinh trưởng đặc thù Tốc độ sinh trưởng đặc thù phụ thuộc chủ yếu vào loài tảo, cường độ ánh sáng và nhiệt độ Nếu nuôi trong các điều kiện tối ưu, tốc độ tăng trưởng
là tối đa trong suốt giai đọan này
C Pha giảm tốc độ sinh trưởng (pha ngừng tăng trưởng tương đối)
Sự phân chia tế bào sẽ chậm lại khi các điều kiện về dinh dưỡng, ánh sáng, độ
pH, CO2 hoặc các yếu tố lý hóa khác bắt đầu hạn chế sự sinh trưởng
D Pha ổn định
Tại đây sự tăng trưởng theo pha hàm số mũ dần bắt đầu ngừng lại sau vài giờ hoặc vài ngày Quần thể duy trì ở mức ít hơn hoặc nhiều hơn ở một giá trị không đổi nào đó trong một thời gian, có thế đó là kết quả của sự ngừng phân chia hoàn toàn hoặc phân chia để bù vào số tế bào bị chết
E Pha suy tàn
Ở giai đoạn này các nhà nuôi tảo đều không mong muốn tuy nhiên không thể tránh khỏi giai đoạn này Đây là giai đoạn mà các tế bào tảo chết nhanh hơn là tốc độ sản sinh ra tế bào mới Do chất lượng nước bị giảm, nguồn dinh dưỡng bị cạn kiệt đến mức không thể duy trì được sự sinh trưởng và phát triển của tảo Lúc này mật độ tế bào giảm theo cấp số nhân và việc nuôi cũng kết thúc
Sự tăng trưởng ổn định chỉ có thể đạt đến giá trị tối đa khi được nuôi dưới những điều kiện tăng trưởng tối ưu đặc biệt là về nhiệt độ, ánh sáng và dinh dưỡng Nhưng nếu chuyển sang môi trường không thích hợp thì mật độ tảo sẽ giảm đi một cách đáng
kể
Vấn đề cấp thiết trong việc nuôi tảo là phải kiểm soát được điều kiện nuôi Điều kiện này chỉ có thể đạt được khi nuôi trong điều kiện môi trường được vô trùng, kiểm soát không khí và cường độ chiếu sáng, nhiệt độ, pH có thể thay đổi theo ý muốn
Trang 22Vấn để cần quan tâm trong sự suy tàn của tảo có thể do một số nguyên nhân như thiếu nguồn dưỡng chất, thiếu CO2, nhiệt độ cao, pH không ổn định do tình trạng nhiễm bẩn từ không khí Yếu tố then chốt giúp thành công trong nuôi tảo là duy trì tảo nuôi luôn ở pha log, có thể nói đây là pha luôn ổn định về số lượng và chất lượng
2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của tảo
A Yếu tố hóa học
a pH
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 Bên cạnh đó khi thay đổi pH đột ngột có thể làm cho tảo nhanh chóng bị tàn lụi Trong trường hợp nuôi tảo với mật độ cao thì việc bổ sung CO2 sẽ giúp điều chỉnh pH thích hợp trong quá trình tảo phát triển, độ pH có thể đạt đến giá trị tới hạn là 9 Nhiều trường hợp việc nuôi trồng tảo thất bại có thể do pH không thích hợp Điều này có thể khắc phục bằng cách sục khí môi trường nuôi (Đặng Đình Kim, Đặng Hoàng Phước Hiền, 1999; Cao Tuấn Kiệt, 2007; Trần Thị Mỹ Xuyên, 2008)
b 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,…
B Các yếu tố vật lí
a Nhiệt độ
Mỗi loài tảo thích hợp với nhiệt độ tối ưu và biên độ nhiệt khác nhau tùy theo loài (Trịnh Trường Giang, 1997) Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng Chính vì vậy, việc
Trang 23chọn các chủng loại tảo chịu nhiệt có ý nghĩa lớn đến năng suất tảo Mặt khác, nhiệt độ thấp cũng ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng của tảo
Nhiệt độ tối ưu cho quá trình nuôi tảo trong khoảng từ 18 - 25oC mặc dù chúng
có thể thay đổi tùy theo thành phần môi trường nuôi, loài nuôi và dòng nuôi Nhìn chung các loài tảo nuôi thường chịu đựơc 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 thiệt hại cho một số loài (Lavens và Sordeloos,1996; trích bởi Cao Tuấn Kiệt, 2007)
Trong điều kiện tự nhiên nên nuôi cấy Chlorella vào mùa có nhiệt độ ít thay đổi
(khoảng từ tháng 4 - 10, thời gian này nhiệt độ trung bình 25 – 30oC) và chú ý đến nhiệt độ dao động hằng ngày, tạo mọi điều kiện thuận lợi để nhiệt độ không chênh lệch quá nhiều giữa các buổi trong ngày (Võ Thị Bích Duyên và Ngô Thạch Minh Thảo, 2000) Nếu cần thiết ta có thể làm mát môi trường nuôi bằng cách cho dòng nước lạnh chảy trên bề mặt của bình nuôi hoặc kiểm soát nhiệt độ không khí bằng các thiết bị điều hòa nhiệt độ (Trần Thị Mỹ Xuyên, 2008)
b 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 HCO3 Tùy thuộc vào quy mô của hệ thống nuôi mà ta có thể sục khuấy hằng ngày bằng tay (ống nghiệm, các bình tam giác), sục khí (các túi, các bể) hoặc các guồng hay bơm chạy bằng điện (ao) Tuy nhiên không phải tất cả các loài tảo đều có thể chịu đựng được với chế độ sục khuấy mạnh (Lavens và Sorgeloos, 1996; Đặng Đình Kim và Đặng Hoàng Phước Hiền, 1999)
Như vậy, kỹ thuật khuấy sục là vấn đề rất cần được quan tâm nhằm mục tiêu tăng năng suất tảo mà không làm ảnh hưởng tới trạng thái tế bào Về mặt kinh tế, chọn giải
Trang 24pháp khuấy sục sao cho chi phí thấp nhất là yêu cầu đầu tiên (Đặng Đình Kim, Đặng Hoàng Phước Hiền, 1999)
c Ánh sáng
Việc cung cấp ánh sáng cho nuôi tảo là vấn đề thiết yếu và cần thiết không thể thiếu Bởi vì giống như tất cả các loài thực vật, 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 có 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
Cường độ ánh sáng đóng vai trò quan trọng nhưng yêu cầu về cường độ ánh sáng thay đổi rất lớn theo độ sâu của môi trường nuôi và mật độ tảo nuôi Khi nuôi ở độ sâu lớn và mật độ cao thì cường độ ánh sáng thay đổi từ 1000 - 10000 lux, tối ưu 2500 -
5000 lux tùy vào thể tích Có thể là ánh sáng tự nhiên hoặc ánh sáng của đèn huỳnh quang, chu kỳ chiếu sáng tối thiểu là 18 h/ngày, tối đa là 24 h/ngày tùy vào thể tích Tuy nhiên không phải tất cả các phiêu sinh vật đều chịu được ánh sáng liên tục nhưng phần lớn các giống tảo làm thức ăn đều chịu được ánh sáng liên tục Điều này không
có nghĩa là cứ cung cấp thêm năng lượng ánh sáng cho một dịch nuôi là sinh khối sẽ tăng (Robert, 1971; Trích bởi Đậu Thị Như Quỳnh, 2001)
C Các yếu tố sinh học
* Các nguồn gây nhiễm và xử lí nước:
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
Trang 25Việc chuẩn bị các bình nuôi có dung tích nhỏ là khâu quyết định trong việc tăng môi trường nuôi cấy tảo:
+ Rửa bằng xà phòng
+ Tráng rửa bằng nước nóng
+ Làm sạch với 30% acid muriatic
+ Tráng sạch lại bằng nước nóng
+ Sấy khô trước khi sử dụng
Theo cách khác, các ống, bình và bình lớn bằng thủy tinh có thể được khử trùng bằng nồi hấp, có thể sử dụng các bình nuôi dùng một lần rồi vứt bỏ như túi polyetylen
2.1.4 Các phương pháp nuôi tảo
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 Thuật ngữ dùng để mô tả 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
Hình 2.3 : Thiết bị nuôi sản xuất sinh khối tảo trong ống xoắn ở Úc
(Yusuf Chisti, 2007)
Trang 26 Hệ thống nuôi 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
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
A Nuôi từng mẻ
Nuôi từng mẻ gồm có việc cấy đơn các tế bào trong một thùng chứa môi trường, tiếp theo là một thời kì phát triển vài ngày và tiến hành thu hoạch khi quần thể đạt tối đa hoặc gần tối đa Trong thực hành, tảo được chuyển sang các thùng nuôi có dung tích lớn hơn trước khi đạt tới pha ổn định và sau đó khối lượng nuôi lớn được tăng lên với mật độ tối đa và thu hoạch Có thể áp dụng các giai đoạn liên tiếp sau đây: các ống nghiệm, các bình tam giác 2 lít, các bình lớn 5 lít và 10 lít, các bình hình trụ
160 lít, các bể nuôi trong nhà 500 lít, các bể nuôi ngoài trời dung tích 5000 lít tới
25000 lít
Hình 2.4 : Sơ đồ sản xuất dùng cho nuôi tảo theo từng mẻ (Lee và Tamaru, 1993)
Trang 27Tùy theo nồng độ tảo, dung tích nguyên liệu cấy thường tương ứng với dung tích của giai đoạn trước trong quá trình tăng khối lượng tảo, bằng 2 – 10 % khối lượng nuôi cuối cùng
Hệ thống nuôi mẻ ngày càng được áp dụng phổ biến do tính đơn giản và linh hoạt của chúng cho phép thay đổi các loài tảo nuôi và khắc phục các sự cố trong hệ thống nhanh chóng Tuy nhiên, nuôi mẻ có hạn chế là chất lượng của các tế bào tảo thu hoạch có thể ít đoán trước được so với chất lượng ở các hệ thống nuôi liên tục và biến động theo lịch thời gian thu hoạch (thời gian của ngày, pha sinh trưởng chính xác)
Một hạn chế khác của nuôi từng mẻ là phải ngăn ngừa sự nhiễm bẩn trong lần cấy ban đầu và thời kỳ sinh trưởng lúc đầu Do mật độ của thực vật phù du mong muốn thấp và nồng độ các chất dinh dưỡng cao nên các chất gây ô nhiễm có tốc độ sinh trưởng nhanh sẽ có khả năng phát triển vượt đối tượng nuôi (Cao Tuấn Kiệt, 2007; Trần Thị Mỹ Xuyên, 2008)
B 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): Trong đó 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 tốc độ chính xác Tuy nhiên một phần dịch mới liên tục được bổ sung để thay đổi dịch môi trường đã dùng Hệ thống này thường đơn giản và ít tốn kém so với turbidostat
Các nhược điểm của hệ thống nuôi liên tục là chi phí tương đối cao và phức tạp
Do yêu cầu phải chiếu sáng liên tục, duy trì nhiệt độ nên đòi hỏi phải bố trí trong nhà
và điều này chỉ có tính khả thi đối với các cơ sở có quy mô sản xuất tương đối nhỏ Tuy nhiên nuôi liên tục có ưu điểm là mật độ tảo thu được từ môi trường luôn ổn định Mặt khác, hệ thống này có thể kiểm soát và dễ dàng điều khiển về mặt công nghệ và
Trang 28có thể tự động hóa, điều này làm tăng độ tin cậy của hệ thống với người sản xuất và giảm nhu cầu về lao động
C Nuôi bán liên tục
Kỹ thuật nuôi bán liên tục kéo dài thời gian nuôi tảo, thực chất là một dạng nuôi theo mẻ nhưng sinh khối được kiểm tra định kỳ và giữ ổn định bằng phương pháp pha loãng môi trường Nuôi bán liên tục có thể thực hiện trong nhà hoặc ở ngoài trời, nhưng thời gian nuôi thường không đoán trước được Do tảo nuôi không được thu hoạch toàn bộ mà thu hoạch từng phần nên phương pháp nuôi bán liên tục cho khối lượng tảo nhiều hơn so với phương pháp nuôi từng mẻ với cùng một kích thước bể nuôi
Trang 29Bảng 2.4 : Tóm tắt ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp nuôi tảo (Theo một
tác giả giấu tên, 1991; Lavens và Sorgeloos, 1996)
1 Nuôi trong nhà Độ kiểm soát cao
(có thể dự đoán trước)
Tốn kém
2 Nuôi ngoài trời Rẻ hơn Ít kiểm soát (ít đoán
trước được)
3 Nuôi kín Ít bị nhiễm bẩn Đắt tiền
5 Nuôi vô trùng Có thể dự đoán
trước, ít có khả năng sụp đổ
Tốn kém, khó thực hiện
6 Nuôi không vô
trùng
Rẻ và dễ thực hiện hơn
Dễ thất bại
7 Nuôi liên tục Hiệu quả, cung cấp
tảo chất lượng cao và
ổn định, vận hành tự động, khả năng sản xuất trong thời gian dài
Khó thực hiện, chỉ có thể nuôi với số lượng nhỏ, phức tạp, trang thiết bị tốn kém
8 Nuôi bán liên tục Dễ hơn, tương đối
hiệu quả
Chất lượng không ổn định, ít chắc chắn
9 Nuôi theo mẻ Dễ nhất, chắc chắn
nhất
Hiệu quả thấp nhất, chất lượng có thể thay đổi nhiều
2.1.5 Định lượng sinh khối tảo
Định lượng sinh khối tảo: Sinh khối tảo trong môi trường là tổng lượng tảo tươi hay khô có trong một đơn vị thể tích nước đó (Đặng Thị Sy, 2005)
Trang 30Có một số phương pháp xác định khối lượng sinh khối tảo có trong môi trường nuôi hoặc bằng cách đếm số tế bào hoặc thông qua việc xác định dung tích, mật độ quang hoặc trọng lượng nhưng phổ biến nhất vẫn là 2 phương pháp sau:
- Phương pháp đếm tế bào: Có thể đếm các tế bào bằng máy đếm hạt điện tử hoặc dùng buồng đếm hồng cầu để đếm trực tiếp dưới kính hiển vi Khó khăn chủ yếu của việc đếm bằng kính hiển vi là sự tái sinh sản, mà hoạt động này lại biến đổi theo việc lấy mẫu, sự pha loãng và sự chứa đầy của buồng đếm cũng như việc lựa chọn đúng kiểu buồng đếm và thang mật độ tế bào
- Phương pháp cân trọng lượng khô của tảo nuôi là cách tốt nhất để đánh giá sinh khối tảo Phương pháp này gồm các bước : thu mẫu, tách tảo khỏi pha loãng bằng cách
ly tâm hoặc bằng các bộ lọc như lọc tiếp tuyến, sấy và cân trọng lượng khô
Ngoài ra còn có các phương pháp như: đo độ đục (OD), xác định hàm lượng chlorophyll, phương pháp đo thải O2 quang hợp, xác định huỳnh quang chlorophyll… Đây là những phương pháp tương đối mới với công nghệ vi tảo cần có nhiều kĩ thuật
và chuyên môn để hoàn chỉnh với các phương pháp trên và đây cũng là tiềm năng lớn của công nghệ vi tảo trong tương lai
2.1.6 Tách sinh khối tảo
Cho tới nay nhiều phương pháp thu sinh khối đã được ứng dụng như ly tâm, lắng lọc, kết lắng hóa học, kết lắng bằng điện trường, tự kết lắng, lọc trọng trường, lọc chân không… khâu thu hoạch tảo là khâu có ảnh hưởng lớn đến giá thành sản xuất
- Phương pháp ly tâm
Phương pháp ly tâm có ưu điểm chính là đơn giản và không phải sử dụng hóa chất bổ sung Trong quá trình ly tâm thì các tế bào sẽ đọng lại ở thành của đầu máy ly tâm ở dạng bột nhão lắng Sau đó bột này được treo lơ lửng trở lại trong một dung dịch nước hạn chế Tuy vậy, chi phí năng lượng cho phương pháp thu hoạch này là khá lớn (khoảng 1 KWh/m3) khiến việc sử dụng nó chỉ khả thi trong những cơ sở sản xuất cho ra các sản phẩm chất lượng cao
- Phương pháp lọc
Đây là phương pháp khả thi cho thu hoạch nhiều loài tảo nói chung và
Chlorella nói riêng Vật liệu dùng cho lọc cơ học là cát mịn, sợi cellulose… Tốc độ
lọc chậm và màng lọc hay bị bít tắc do chính sinh khối tảo và vi sinh vật khiến phương
Trang 31pháp này cần lượng nước khá lớn để rửa thường xuyên Trong các phương pháp lọc thì lọc nén áp suất thấp có triển vọng hơn cả do tốc độ nhanh và khả thi cho sản xuất lớn
vì giá thành không cao Những tảo đơn bào (Dunaliella, Chlorella, Scenedesmus…)
thường đòi hỏi thu hoạch bằng ly tâm, lọc hoặc bằng phương pháp tạo bông (Đặng Đình Kim, Đặng Hoàng Phước Hiền, 1999)
- Phương pháp tạo bông
+ Tự kết lắng:
Hiện tượng tự kết lắng xảy ra khi pH tăng Khi tế bào lắng xuống cùng với
Ca2+, Mg2+ và muối photphat hoặc cacbonat Mặt khác đây cũng là hậu quả của sự tương tác giữa tảo và vi khuẩn hoặc giữa tảo và các polymer hữu cơ trong môi trường + Kết lắng bằng các chất hóa học
Những chất được coi là gây hiệu ứng tạo bông tốt đối với vi tảo là Al2(SO4)3, Ca(OH)2, FeSO4, clorua sắt và một số polymer khác Yếu điểm của phương pháp này
là sinh khối tảo sau khi thu hoạch sẽ chứa một lượng lớn chất hòa tan không mong muốn và bản thân phương pháp sẽ làm ô nhiễm môi trường nuôi trồng nếu sau thu hoạch môi trường được hoàn lưu Ngoài ra, phương pháp kết bông dùng các hóa chất hòa tan trên sẽ làm cho các tế bào đông tụ và lắng xuống đáy hoặc nổi lên trên bề mặt Sau đó, thu sinh khối tảo bằng cách dùng ống siphon hút tảo lắng dưới đáy hoặc vớt tảo ra khỏi bề mặt (Trần Thị Mỹ Xuyên, 2008)
2.1.7 Sấy sinh khối tảo
Sau khi tách tảo khỏi môi trường và cô đặc, phải tiến hành ngay việc sấy để giữ sinh khối khỏi bị vi sinh vật hủy hoại Người ta sử dụng nhiều phương pháp sấy tuy nhiên mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm khác nhau như sau:
Trang 32Bảng 2.5 : Một số phương pháp sấy sinh khối tảo (Đặng Đình Kim và Đặng Hoàng
Phước Hiền, 1999)
1.Sấy tiếp xúc Nhanh, hiệu quả nhưng giá
thành cao
Chlorella, Scenedesmus, Spirulina
2.Phơi nắng Đầu tư thấp nhưng chậm và
phụ thuộc thời tiết
Chlorella, Scenedesmus, Spirulina
4 Sấy phun khô Nhanh, hiệu quả nhưng tiêu
tốn điện năng
Chlorella, Scenedesmus, Spirulina, Dunaliella
Tính toán cho việc sấy sinh khối tảo chiếm tỉ lệ chi phí khá cao của quá trình sản xuất tảo Các phương pháp sấy được đề xuất phụ thuộc vào nguồn vốn đầu tư, nhu cầu năng lượng và có ảnh hưởng rõ rệt đến chất lượng sản phẩm, đặc biệt đối với tảo lục có thành tế bào rất chắc (Đặng Đình Kim, Đặng Hoàng Phước Hiền, 1999)
- Phương pháp sấy phun cho sản phẩm bột rất đồng đều nhưng chi phí cao Việc
bổ sung một số chất chống oxy hóa vào dịch tảo trước khi sấy phun có thể giữ nguyên chất lượng sắc tố và vitamin của sinh khối
Tuy nhiên khả năng tiêu hóa của dịch tảo sấy phun khô chỉ đạt 50 % so với 80
% khi tảo này được sấy tiếp xúc Tuy nhiên phương pháp sấy tiếp xúc làm biến tính protein hơn so với sấy phun
- Sấy mặt trời : đây là phương pháp sấy rẻ nhất Tính toán cho thấy để làm khô lớp sinh khối tảo dày 0,75 cm cần ít nhất 1 ngày Vì tốc độ sấy khô rất chậm và phụ
Trang 33thuộc thời tiết nên phương pháp tỏ ra không hiệu quả khi áp dụng cho sản xuất quy mô lớn
- Phương pháp sấy đông khô tỏ ra hiệu quả trong việc ổn định thành phần sinh hóa của tảo nhưng không có triển vọng được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ sản xuất đại trà vi tảo
2.2 Tổng quan về Biodiesel (BOD)
2.2.1 Giới thiệu về BOD
BOD là một nhiên liệu không phụ thuộc vào dầu mỏ gồm các loại alkyl ester được chuyển hóa từ sự chuyển hóa ester của triglyxerits (TGs) hoặc sự ester hóa của các acid béo tự do (FFAs) với các loại rượu có khối lượng phân tử thấp Tính chất chảy và sự đốt cháy của BOD tương tự như nhiên liệu phụ thuộc dầu mỏ và vì thế có thể sử dụng như là nhiên liệu thay thế cho diesel hoặc là phổ biến hơn trong các hỗn
hợp nhiên liệu (Kinast, Tyson, 2003) Theo so sánh, BOD tinh khiết (B100) giải phóng
khoảng 90% năng lượng mà năng lượng thông thường giải phóng và vì thế hiệu suất động cơ mong muốn của nó thì gần giống như trong giới hạn của động cơ momen xoắn và mã lực (Edgar Loreto và ctv, 2005)
Theo tiêu chuẩn ASTM thì BOD được định nghĩa: “là các mono alkyl ester của
các acid mạch dài có nguồn gốc từ các lipid có thể tái tạo lại như: dầu thực vật, mỡ động vật, được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel”
Tuy nhiên, BOD được sản xuất từ những nguồn nguyên liệu có thể tái sinh, nó không phân hủy sinh học và không độc, có điểm cháy cao hơn diesel thông thường Hơn nữa, BOD làm tăng tính nhớt, có thể kéo dài tuổi thọ của động cơ và giảm những phần động cơ phải thay thế thường xuyên Một lợi ích khác của BOD là nó có biên độ phát xạ thấp và hàm lượng oxi từ 10 -11 % BOD được gọi là nhiên liệu thân thiện với môi trường vì nó tạo ra một phương pháp để tái chế CO2 nên không gây nên hiện tượng nóng lên toàn cầu
Theo nhận định của các nhà khoa học, ngoại trừ năng lượng thuỷ điện và năng lượng hạt nhân, phần lớn năng lượng trên thế giới đều tiêu tốn nguồn dầu mỏ, than đá
và khí tự nhiên Tất cả các nguồn này đều có hạn và với tốc độ sử dụng chúng như hiện nay thì sẽ bị cạn kiệt hoàn toàn vào cuối thế kỷ 21 Sự cạn kiệt của nguồn dầu mỏ thế giới và sự quan tâm về môi trường ngày càng tăng đã dẫn đến sự nghiên cứu và
Trang 34phát triển nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng có nguồn gốc dầu mỏ BOD là một sự thay thế đầy tiềm năng cho diesel dựa vào những tính chất tương tự và những
ưu điểm vượt trội của nó
2.2.2 Lịch sử hình thành và phát triển của BOD
BOD bắt đầu được sản xuất khoảng giữa năm 1800, trong thời điểm đó người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu glyxerin ứng dụng làm xà phòng và thu được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl ester gọi chung là biodiessel 10/08/1893 lần đầu tiên Rudolf Diesel đã sử dụng BOD do ông sáng chế để chạy máy Năm 1912, ông đã dự
báo: “Hiện nay, việc dùng dầu thực vật cho nhiên liệu động cơ có thể không quan
trọng, nhưng trong tương lai, những loại dầu như thế chắc chắn sẽ có giá trị không thua gì các sản phẩm nhiên liệu từ dầu mỏ và than đá”
Trong bối cảnh nguồn tài nguyên dầu mỏ đang cạn kiệt và những tác động xấu lên môi trường của việc sử dụng nhiên liệu, nhiên liệu tái sinh sạch trong đó có BOD đang ngày càng khẳng định vị trí là nguồn nhiên liệu thay thế khả thi Để tưởng nhớ nguời đã có công đầu tiên nhận ra được giá trị to lớn của BOD, Nation Board BOD đã quyết định lấy ngày 10 tháng 8 hằng năm bắt đầu từ năm 2002 làm ngày Diesel sinh học Quốc tế (International BOD Day)
Năm 1900 tại Hội chợ thế giới tổ chức tại Pari, Diesel đã biểu diễn động cơ dùng dầu BOD chế biến từ dầu phụng (lạc) Trong những năm của thập kỷ 90, Pháp đã triển khai sản xuất BOD từ dầu hạt cải Khi đó BOD được dùng ở dạng B5 (5% BOD với 95% Diesel) và B30 (30% BOD trộn với 70% Diesel)
( Nguồn: http://journeytoforever.org/BOD_aleksnew.html)
Tháng giêng năm 1991, chương trình nghiên cứu sử dụng BOD của Cộng hòa Liên Bang Đức bắt đầu chính thức họat động và chỉ trong 10 năm sau sản lượng BOD của Đức đã đạt trên 1 triệu tấn/năm Chỉ trong thời gian ngắn hàng loạt các nhà máy sản xuất nhiên liệu BOD ở qui mô công nghiệp với công suất vài trăm ngàn tấn/năm
đã ra đời, tập trung nhiều nhất ở Đức, Áo, Pháp,Thụy Điển, Tây Ban Nha Trong khi
đó tại châu Á, việc nghiên cứu và ứng dụng BOD cũng phát triển mạnh, tiêu biểu như
Ấn Độ, Trung Quốc, Nhật Bản, Hồng Kông Ngoài ra các nước Châu Phi và Châu Úc cũng đang bước đầu triển khai nghiên cứu nhiều về BOD.(Hồ Sơn Lâm và cộng sự, 2006)
Trang 352.2.3 Tính chất của BOD
A Một số thông số kỹ thuật của BOD
a Chỉ số cetan (cetane number)
Chỉ số cetan là một chỉ số dùng để đánh giá khả năng tự bắt cháy của dầu diesel,
có giá trị từ 0 đến 100 Chất có khả năng tự bắt cháy cao nhất là n-cetan C16H34 ứng với chỉ số cetan là 100, và o-metyl naphtalen C11H10 là chất khó bắt cháy có chỉ số cetan là 0 Những hợp chất có mạch thẳng thì dễ bắt cháy nên có chỉ số cetan cao, trong khi hợp chất vòng hoặc mạch nhánh thì chỉ số cetan thấp hơn Nếu chỉ số cetan quá thấp thì không tốt vì hỗn hợp chứa nhiều chất khó oxy hóa thì phải cần một lượng nhiên liệu nhiều hơn mới tự cháy, khi đó nhiên liệu sẽ cháy cùng một lúc, tỏa nhiệt nhiều, thể tích khí giãn nở mạnh làm động cơ bị rung Tuy nhiên, chỉ số cetan quá cao cũng không có lợi vì khi đó sẽ có hiện tượng các hydrocacbon tự phân hủy dưới điều kiện áp suất và nhiệt độ để tạo thành muội than, không tốt cho động cơ Chỉ số cetan tiêu chuẩn nhỏ nhất phải đạt 45
b Điểm đục (cloud point)
Điểm đục là nhiệt độ mà hỗn hợp bắt đầu vẩn đục do có một số chất đã bắt đầu kết tinh Điểm đục có ý nghĩa rất quan trọng đối với dầu diesel đặc biệt khi nó được sử dụng ở các nước ôn đới và hàn đới Ở nhiệt độ thấp hơn điểm đục, những tinh thể có kích thước lớn có khả năng kết hợp với nhau tạo thành những mạng tinh thể gây tắc nghẽn đường ống dẫn và thiết bị lọc làm động cơ không hoạt động đươc
c Điểm chảy (pour point)
Điểm chảy là nhiệt độ mà toàn bộ thể tích của hỗn hợp chuyển từ thể lỏng sang thể rắn và ngược lại Điểm đục và điểm chảy được xác định nhằm dự đoán khả năng
sử dụng của BOD ở nhiệt độ thấp
d Điểm chớp cháy (flash point)
Điểm chớp cháy là nhiệt độ mà ở đó hỗn hợp bắt đầu bắt lửa và cháy Chỉ số này dùng để phân loại vật chất theo khả năng cháy nổ của chúng Điểm chớp cháy của metyl este tinh khiết là 200oC và metyl este được xếp vào những chất khó cháy Tuy nhiên, trong quá trình điều chế và tinh chế methanol dư có thể lẫn trong sản phấm và làm hạ thấp điểm chớp cháy Điều này có thể gây nguy hiểm nếu điểm chớp cháy dưới
130oC Ngoài ra, methanol dư có thể gây ăn mòn các thiết bị kim loại Vì thế, điểm
Trang 36chớp cháy vừa được sử dụng như một tiêu chuẩn quản lí chất lượng BOD vừa để kiểm tra lượng methanol thừa
e Độ nhớt
Độ nhớt là khả năng kháng lại tính chảy của chất lỏng, nó phụ thuộc vào sự ma sát của một phần chất lỏng khi trượt trên phần chất lỏng khác Độ nhớt BOD càng cao càng không có lợi khi sử dụng làm nhiên liệu vì nó ngăn cản khả năng phân tán nhiên liệu khi được phun vào buồng đốt và tạo sự lắng cặn trong thiết bị
B Tính chất vật lý của BOD
Các tính chất vật lý của BOD hơi khác so với nhiên liệu diesel hóa thạch Sau đây
là một vài tính chất tiêu biểu và ảnh hưởng của nó tới khả năng sản xuất, sử dụng của BOD
Biodesel có nhiệt độ cháy thấp hơn diesel, vì vậy cùng một quãng đường, lượng BOD tiêu tốn cho động cơ sẽ nhiều hơn Một trong những nguyên nhân là do BOD có chứa nhiều O2 trong thành phần (11 %)
Năng suất tỏa nhiệt của BOD khoảng 33 MJ/L Giá trị này thấp hơn 9 % so với dầu mỏ thông thường Các giá trị tỉ trọng khác nhau của BOD thì phụ thuộc nhiều vào nguyên liệu sử dụng hơn là quá trình tiến hành tạo thành BOD
BOD là một chất lỏng mà màu sắc ở trong khoảng giữa màu vàng và nâu đen - tùy thuộc vào nguyên liệu BOD hoàn toàn không trộn lẫn với nước, có điểm sôi cao
và áp suất hơi thấp Điểm chớp cháy của BOD ( >130oC) thì cao hơn rất nhiều so với dầu mỏ (64oC) và khí đốt (−45oC) BOD có tỉ trọng gần bằng 0,88 , thấp hơn tỉ trọng của nước (Edgar Loreto và ctv, 2005)
BOD hầu như không chứa S (<15ppm) và hợp chất aromatic trong thành phần của nó Điều này rất có lợi về mặt môi trường vì như thế đồng nghĩa sử dụng BOD sẽ không sinh ra khí SOx (nguyên nhân gây ra mưa acid ) và BOD cũng bớt độc hơn BOD có tỉ trọng cao hơn nhiên liệu diesel hóa thạch (BOD có tỉ trọng là 0,88 so với tỉ trọng của diesel là 0,85) Vì vậy, khi pha trộn BOD vào diesel, ta phải phun BOD và diesel từ phía trên để quá trình hòa trộn được dễ dàng, nếu không thì xảy ra hiện tượng tách pha
BOD rất nhạy cảm với nhiệt độ thấp, khi ở nhiệt độ thấp (<15oC) BOD có thể bị đóng rắn, tính chất này ảnh hưởng nhiều đến việc sử dụng BOD ở các nước ôn đới và
Trang 37hàn đới và cũng ảnh hưởng đến các quá trình sản xuất vì BOD gây tắt nghẽn đường ống dẫn
Tính chất BOD phụ thuộc vào thành phần của dầu, nếu nguyên liệu có chứa nhiều các gốc no (C10:0, C16:0, C18:0) sẽ làm gia tăng điểm đục, giảm chỉ số cetan, giảm lượng NOx, và cải thiện độ bền Nếu có nhiều gốc không no (C18:2, C18:3) sẽ làm giảm điểm đục, tăng chỉ số cetan độ bền giảm (cho dù có sử dụng chất làm bền), và tăng lượng NOx
Một số chỉ số như nhiệt độ bắt lửa (còn gọi là nhiệt độ chớp cháy) và chỉ số cetan của BOD thì cao hơn diesel làm cho BOD an toàn hơn khi sử dụng vì khả năng gây cháy nổ thấp hơn
2.2.4 Ưu và nhược điểm của BOD
- Hàm lượng các hợp chất khác trong khói thải như: CO, SOx, hợp chất chưa cháy,
bồ hóng giảm đi đáng kể có lợi rất lớn đến môi trường và sức khỏe con người
- BOD không chứa hợp chất thơm nên không gây ung thư
- BOD có khả năng tự phân huỷ và không độc (phân huỷ nhanh hơn diesel 4 lần, phân huỷ từ 85 – 88 % trong nước sau 28 ngày)
- Một ưu điểm rất lớn của BOD là BOD có thể được tạo ra từ dầu thực vật phế thải Điều này có nghĩa rằng những phương tiện sử dụng BOD không những thải ra ít khí ô nhiễm mà còn có lợi với môi trường vì đã tái sử dụng các loại dầu phế thải
+ Về mặt kỹ thuật
- BOD có chỉ số cetan cao hơn diesel
- BOD rất linh động có thể trộn với diesel theo bất kì tỉ lệ nào
- BOD có điểm chớp cháy cao hơn diesel, đốt cháy hoàn toàn, an toàn trong tồn chứa và sử dụng
Trang 38- BOD có tính bôi trơn tốt Ngày nay để hạn chế lượng SOx thải ra không khí, người ta hạn chế tối đa lượng lưu huỳnh trong dầu diesel Nhưng chính những hợp chất lưu huỳnh lại là những tác nhân giảm ma sát của dầu diesel Do vậy dầu diesel có tính bôi trơn không tốt và đòi hỏi việc sử dụng thêm các chất phụ gia để tăng tính bôi trơn Trong thành phần của BOD có chứa O2,vì O2 có tác dụng giảm ma sát nên BOD
có tính bôi trơn tốt
- Do có tính năng tượng tự như dầu diesel nên nhìn chung khi sử dụng BOD không cần cải thiện bất kì chi tiết nào của động cơ (riêng đối với các hệ thống ống dẫn, bồn chứa làm bằng nhựa ta phải thay bằng vật liệu kim loại)
+ Về mặt kinh tế
- Sử dụng nhiên liệu BOD ngoài vấn đề giải quyết ô nhiễm môi trường nó còn thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn có của ngành nông nghiệp như dầu phế thải, mỡ động vật, các loại dầu khác ít có giá trị sử dụng trong thực phẩm Đồng thời đa dạng hoá nền nông nghiệp và tăng thu nhập ở vùng miền nông thôn Tuy nhiên, việc sản xuất BOD từ nông sản trong thời gian gần đây cũng là một nhân tố làm cho tình trạng khan hiếm thực phẩm diễn ra nhiều hơn và đẩy giá thực phẩm tăng cao
- Việc tạo ra BOD dẫn đến việc hạn chế nhập khẩu nhiên liệu diesel, góp phần tiết kiệm cho quốc gia một khoảng ngoại tệ lớn
B Nhược điểm
- BOD có nhiệt độ đông đặc cao hơn diesel một ít gây khó khăn cho các nước có nhiệt độ vào mùa đông thấp Tuy nhiên đối với các nước nhiệt đới như Việt Nam thì ảnh hưởng này không đáng kể
- BOD có nhiệt trị thấp hơn so với diesel
- Trở ngại lớn nhất của việc thương mại BOD trước đây là chi phí sản suất cao Do
đó làm cho giá thành BOD khá cao, nhưng với sự leo thang giá cả nhiêu liệu như hiện nay thì vấn đề này không còn là rào cản nữa
- Hiện nay BOD thường được sản xuất chủ yếu là theo mẻ Đây là điều bất lợi vì năng suất thấp, khó ổn định được chất lượng sản phẩm cũng như các điều kiện của quá trình phản ứng Một phương pháp có thể tránh hoặc tối thiểu khó khăn này là sử dụng quá trình sản xuất liên tục
Trang 392.2.5 Các giá trị tiêu chuẩn cho BOD ở trong nước và quốc tế
A Trong nước
Bảng 2.6 : Các chỉ tiêu chất lượng của điêzen sinh học gốc (B100)
(Trích từ TCVN 7717 : 2007, Nhiên liệu điêzen sinh học gốc (B100)
Yêu cầu kỹ thuật)
ASTM D 5453/
TCVN 6701 (ASTM D
2622)
20 Ngoại quan
không có nước
tự do, cặn
và tạp chất lơ lửng
Quan sát bằng mắt thường
Trang 40B Quốc tế
Bảng 2.7 : Các giá trị kiểm tra và Tiêu chuẩn giá trị tối đa của các chất cho phép
trong diesel và BOD ở Hoa Kì (Edgar Loreto và ctv, 2005)
Oxi (% khối lượng) 0 11