CHƯƠNG 1.1 Lý do chọn đề tài Hiện nay, cả thế giới đang phải đối mặt với vấn đề khủng hoảng và an ninh năng lượng do nhu cầu sử dụng nhiên liệu và sản phẩm từ dầu mỏ phát triển mạnh. Điều đó dẫn đến các vấn đề cần được quan tâm giải quyết như: trữ lượng dầu mỏ đang dần dần cạn kiệt dẫn đến việc phải sử dụng các loại nhiên liệu kém chất lượng để chế biến, giá xăng dầu liên tục tăng, ảnh hưởng của biến đổi khí hậu do khí thải từ dầu mỏ lấy từ nhiên liệu hóa thạch như xăng và diesel đã làm cho môi trường ngày càng ô nhiễm. Vấn đề này đã gây tác động rất xấu đến đời sống và sức khỏe con người [1]. Tất cả các vấn đề trên đang đòi hỏi các nhà khoa học phải nghiên cứu tìm ra các biện pháp nhằm góp phần giải quyết các vấn đề còn tồn tại trong lĩnh vực sản suất và sử dụng nhiên liệu, họ đã nổ lực không ngừng tìm kiếm các giải pháp thay thế nguồn năng lượng đi từ nguyên liệu hóa thạch thành các dạng năng lượng mới xanh hơn, thân thiện hơn với môi trường và đặc biệt có thể tái tạo được.
Trong đó, việc nghiên cứu phát triển nhiên liệu sinh học từ nguồn sinh khối đang được quan tâm, đó là một hướng đi tiềm năng giúp giải quyết một phần nào vấn đề nan giải của thế giới, vừa đảm bảo an ninh năng lượng vừa đáp ứng nhu cầu năng lượng của từng quốc gia. Sử dụng nhiên liệu sinh học mang lại nhiều lợi ích như giảm thiểu sự phụ thuộc vào dầu mỏ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đảm bảo sức khỏe cộng đồng. Vì nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học (ví dụ như diesel sinh học) không chứa các chất độc hại, làm giảm một số chất gây ô nhiễm môi trường như lưu huỳnh, carbon monoxit, polyaromatic và khói trong quá trình đốt cháy. Mặt khác, nhiên liệu sinh học khi chôn trong đất có tốc độ phân hủy sinh học cao hơn, nhanh Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.com/) 2 hơn so với nhiên liệu hóa thạch [1-2].
Do đó, dẫn đến sự bùng nổ về sản xuất nhiên liệu sinh học. Biodiesel là nhiên liệu sinh học có thành phần hóa học chủ yếu là methyl ester của các acid béo. Nó được sản xuất từ quá trình chuyển hóa ester của các triglyceride [3]. Nguyên liệu truyền thống để sản xuất biodiesel bao gồm dầu hạt cải, dầu hạt hướng dương, dầu thực vật như đậu nành, dầu cọ, dầu đã qua sử dụng và mỡ động vật.
Tuy nhiên, giá của các sản phẩm biodiesel thương mại sản xuất theo phương pháp này vẫn còn rất cao so với diesel truyền thống do chi phí cao của nguyên liệu thô, ước tính chiếm 70-80% [4-5] giá thành của biodiesel. Hơn thế nữa việc sử dụng các loại dầu thực vật cho quá trình sản xuất biodiesel quy mô công nghiệp làm giảm diện tích đất canh tác của cây nông nghiệp truyền thống, ảnh hưởng đáng kể đến vấn đề an ninh lương thực, giá thực phẩm tăng cao và nguy cơ thiếu các loại dầu ăn được. Sử dụng mỡ động vật, dầu đã qua sử dụng và dầu từ các loại thực vật không ăn được có thể làm giảm giá thành của biodiesel. Tuy nhiên, nguồn cung cấp các loại dầu này không đáp ứng đủ nhu cầu sản xuất của nhiên liệu sinh học [6].
Vì vậy, thế giới đã và đang tìm kiếm các nguồn nguyên liệu thay thế để sản xuất biodiesel. Dầu vi sinh vật hay dầu đơn bào (single cell oil, SCO) đang thu hút sự quan tâm của thế giới [6-7]. Những nghiên cứu cho thấy các vi sinh vật cho dầu có khả năng tích lũy chất béo nội bào từ sự trao đổi chất của các nguồn carbon khác nhau và hàm lượng chất béo tích lũy có thể lên đến khoảng 87% trọng lượng khô. Vì vậy dầu đơn bào được đánh giá là một trong những nguồn nguyên liệu tiềm năng và hứa hẹn để sản xuất ra biodiesel.
Ngoài ra việc sử dụng dầu đơn bào để sản xuất biodiesel còn có một số thuận lợi so với việc sử dụng các nguồn nguyên liệu khác như: không bị ảnh hưởng theo mùa hay thời tiết, có thành phần của chất béo tương tự như các loại dầu ăn được, có thể được sản xuất (nuôi cấy) từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau với thời gian sản xuất ngắn, dễ dàng mở rộng ra quy mô công nghiệp [8]. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.com/) 3 Thành phần hóa học chủ yếu của biodiesel là methyl ester của các acid béo. Biodiesel được sản xuất từ quá trình chuyển ester hóa giữa các glyceride ( mono-, di, tri- glyceride) hoặc quá trình ester hóa của các acid béo tự do bên trong dầu thực vật/ mỡ động vật dưới sự xúc tác của acid hoặc base [2]. Tuy nhiên, các loại xúc tác hiện nay thường gặp phải những khó khăn như: xúc tác đồng thể (dạng base) dễ bị tiêu thụ bởi nguyên liệu do xảy ra phản ứng xà phòng hóa nếu chứa nhiều acid béo tự do dẫn đến hạn chế trong việc chọn lựa nguồn nguyên liệu, xúc tác dị thể bị hạn chế bởi khả năng tiếp xúc pha với nguyên liệu, chi phí sản xuất xúc tác và tuổi thọ của xúc tác cũng làm tăng giá thành của sản phẩm, xúc tác sau khi sử dụng thường khó xử lý dẫn đến những ảnh hưởng xấu đến môi trường [9].
Để khắc phục những bất lợi trên, một phương pháp mới đã được nghiên cứu và bước đầu đạt được những thành công trong việc khắc phục những khuyết điểm của các phương pháp truyền thống, đó là tiến hành phản ứng transester hóa ở điều kiện cận tới hạn mà không sử dụng xúc tác. Đó cũng là lý do mà chúng tôi chọn đề tài “Tổng hợp diesel sinh học từ chất béo của nấm men Yarrowia lipolytica Po1g bằng phương pháp methanol cận tới hạn” nhằm đóng góp một phần nhỏ vào các công trình nghiên cứu chung.2 Mục đích nghiên cứu Mục đích của đề tài là tổng hợp biodiesel từ chất béo của nấm men Yarrowia lipolytica Po1g bằng phương pháp methanol cận tới hạn. Qua đó, đưa ra các thông số tốt nhất cho phản ứng tổng hợp biodiesel. Việc ứng dụng phương pháp methanol cận tới hạn để tổng hợp biodiesel có ý nghĩa rất lớn vì so với việc dùng xúc tác sản xuất thì phương pháp này đơn giản và thân thiện với môi trường.
Hơn nữa, sự hiện diện của nước và acid béo tự do không ảnh hưởng tới hiệu suất của sản phẩm bởi vì bên trong thiết bị phản ứng xảy ra đồng thời hai quá trình: transester hóa của triglyceride và ester hóa của acid béo tự do [10]. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.com/) 4 Từ đó, nghiên cứu sẽ đề xuất phương pháp mới quá trình sản chất nhiên liệu sinh học theo quy mô công nghiệp. Với định hướng trên, đề tài sẽ thực hiện các mục tiêu như sau: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng methanol lên hiệu suất chuyển hóa.
Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất chuyển hóa. Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng của nước lên hiệu suất chuyển hóa. Cuối cùng, phân tích đánh gia sơ bộ thành phần biodiesel.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: thành phần nguyên liệu và sản phẩm biodiesel tạo thành. Phạm vi của đề tài: đề tài chỉ tạo thành biodiesel bằng phương pháp cận tới hạn, hiệu suất chuyển hóa sản phẩm dầu sinh học được kiểm tra bằng máy sắc ký khí (GC), đánh giá các chỉ tiêu liên quan đến biodiesel dựa trên các tiêu chuẩn của TCVN.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Đề tài có tính khoa học và ý nghĩa thực tiễn cao, đây là hướng nghiên cứu được thế giới quan tâm và còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu.
Với đặc thù là nước nông nghiệp, Việt Nam có nguồn phụ phẩm nông nghiệp lớn, đây lại là nguồn lignocellulose tiềm năng phục vụ cho quá trình sản xuất biodiesel. Công nghệ sản xuất bằng phương pháp methanol cận tới hạn là một phương pháp mới, đầy hứa hẹn vì nó có thể ứng dụng sâu trong nhiều lĩnh vực như: trích ly, thủy phân,…trong lĩnh vực hữu cơ. Nó có khả năng thay thế các phương pháp khác vì có những ưu điểm nổi bật về tính kinh tế và thân thiện với môi trường. Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.com/) 5 CHƯƠNG 2.1 Tổng quan về vi sinh vật cho dầu Một số vi sinh vật, bao gồm vi khuẩn, nấm men và nấm mốc, có thể tích lũy chất béo với mức độ đáng kể.
Vi sinh vật có thể tích lũy chất béo lớn hơn 20 % sinh khối khô được xem là vi sinh vật cho dầu [11]. Trong số hơn 600 loài nấm men khác nhau, chỉ có khoảng 25 loài có thể tích lũy hơn 20% chất béo và trong số hơn 60,000 loài nấm thì không đến 50 loài trong số đó có thể tích lũy hơn 25% chất béo [12]. Chất béo tích lũy là hữu ích trong quá trình tổng hợp nên các phospholipid cần thiết cho sự sống của tế bào. Thông thường sự tổng hợp thừa các triacylglyceride dẫn sự đến sự dự trữ chất béo trong tế bào vi sinh vật.
Mặt khác, sự tích lũy chất béo trong quá trình lên men vi sinh vật thường xảy ra khi nguồn nitrogen bị hạn chế và nguồn carbon thừa. Vì thế, trong những môi trường tỉ lệ C/N cao, vi sinh vật cho dầu sẽ chuyển carbon thừa thành chất béo [11]. Các loại chất béo này không chỉ hữu ích cho vi sinh vật tái sử dụng trong bất kỳ giai đoạn nào tiếp theo trong quá trình sinh trưởng, mà còn được xem là nguồn cung cấp dầu lý tưởng cho quá trình tổng hợp nhiên liệu sinh học. Từ những thập kỷ đầu của thế kỷ XX, chất béo từ vi sinh vật đã được coi là nguồn cung cấp dầu tiềm năng, khi các nhà khoa học, đặc biệt là ở Đức, bắt đầu khám phá chúng như là một sự thay thế cho các loại dầu thực vật trong hai cuộc chiến tranh thế giới thứ I và thứ II [13].
Một trong những khả năng của vi sinh vật là chuyển đổi các chất tự nhiên khác nhau thành chất béo hay còn gọi là dầu vi đơn bào (single cell oil, SCO). SCO có thể được định nghĩa là một loại dầu ăn thu được từ vi sinh vật với thành phần tương tự như dầu và mỡ từ động, thực vật [14]. SCO thường là các triacylglyceride và steryl ester có thể chiếm hơn 90% tổng số chất béo trong tế bào vi sinh vật, điều này Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.
