MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp trên thế giới hiện nay đang làm cạn kiệt dần nguồn nguyên liệu hóa thạch là dầu mỏ, đây là nguồn tài nguyên không thể phục hồi. Cùng với đó là sự ô nhiễm môi trường do việc đốt nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ gây ra, trong đó có những khí thải độc hại và rất khó xử lý như: COx, SOx,… Do đó, việc nghiên cứu đề tìm ra nguồn nguyên liệu có thể thay thế dầu mỏ là một vấn đề rất được chú trọng trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Diesel sinh học (biodiesel) là một lựa chọn có tính khả thi rất cao vì nó có những thuận lợi như: có thể phân hủy sinh học, không độc, có thể tái chế, thân thiện với môi trường [1] Tuy nhiên, để biodiesel sản xuất ra có thể thương mại hóa được thì vấn đề lớn nhất là giá thành.
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến giá thành của biodiesel trong đó có hai yếu tố quan trọng là: nguồn nguyên liệu và công nghệ sản xuất. Nguồn nguyên liệu sử dụng chủ yếu là các sản phẩm từ nông nghiệp chứa nhiều chất béo như: ngô, đậu nành, thầu dầu, vi tảo và các phụ phẩm của các ngành công nghiệp thực phẩm như: dầu thực vật, dầu ăn phế thải,…. Có rất nhiều phương pháp có thể sử dụng để sản xuất biodiesel như: sử dụng xúc tác (acid, kiềm, sinh học), sử dụng rượu siêu tới hạn [5] hay hệ đồng dung môi [6],… trong đó, phương pháp tiến hành phản ứng tổng hợp biodiesel ở điều kiện cận tới hạn [1] đã được thử nghiệm và cho kết quả rất khả quan về hiệu quả chuyển hóa 1 cũng như chất lượng sản phẩm. Đồng thời phương pháp này có thể khắc phục được một số nhược điểm của các phương pháp khác về vấn đề năng lượng cũng như vấn đề môi trường.
Mục đích nghiên cứu Mục tiêu của đề tài là tổng hợp biodiesel bằng methanol cận tới hạn không dùng xúc tác từ sinh khối vi tảo chlorella sp. Các mục tiêu cụ thể như sau: Nuôi cấy vi tảo chlorella sp. để thu sinh khối và khảo sát thành phần chất béo của chúng. Tổng hợp biodiesel bằng methanol cận tới hạn.
Kiểm tra sơ bộ chất lượng biodiesel tạo thành. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Vi tảo Chlorella sp. – một loại vi tảo có khả năng tích lũy dầu từ 10-48% khối lượng sinh khối khô tùy theo điều kiện môi trường và thành phần dinh dưỡng [2, 3, 7].
Đây được coi là nguồn cung cấp chất béo tiềm năng cho việc sản xuất biodiesel vì những ưu điểm đã được nêu ở phần trên. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu được giới hạn trong quy mô phòng thí nghiệm. Vi tảo Chlorella sp. được nuôi cấy trong các bể nhân tạo với các yếu tố ánh sáng, nhiệt độ, độ mặn của nước và thời gian nuôi cấy có ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và tích lũy chất béo được khảo sát.
Sinh khối vi tảo được sử dụng làm nguyên liệu tổng hợp biodiesel bằng methanol cận tới hạn với các yếu tố nhiệt độ phản ứng, tỉ lệ giữa sinh khối và methanol, hàm lượng nước và thời gian phản ứng được khảo sát. Thành phần chất béo và hiệu suất chuyển hóa thành biodesel được phân tích và đánh giá bằng sắc ký khí (GC). Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Các phương pháp tổng hợp biodiesel có các điểm đáng chú ý như: (i) sử dụng nguyên liệu là chất béo chứ không phải trực tiếp từ sinh khối, (ii) sử dụng xúc tác acid hay base tùy theo hàm lượng acid béo tự do (FFA) có trong nguyên liệu. Các 2 phương pháp này ít nhiều ảnh hưởng đến chất lượng cũng như giá thành của sản phẩm.
Ví dụ phải thêm công đoạn trích ly chất béo từ sinh khối hay phải trải qua nhiều công đoạn tinh chế sản phẩm khi sử dụng xác tác đồng thể và hạn chế các quá trình truyền khối khi sử dụng xúc tác dạng rắn [1]. Vì thế, phương pháp sử dụng điều kiện cận tới hạn không có xúc tác được nghiên cứu để tổng hợp biodiesel từ sinh khối vi tảo mà không cần trích ly chất béo. Phương pháp này được đánh giá là thân thiện với môi trường do không cần phải xử lý xúc tác và có khả năng thay thế các phương pháp truyền thống. 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.
Vi tảo Vi tảo là các loại vi sinh vật đơn bào hoặc đa bào đơn giản, chúng có khả năng phát triển rất nhanh trong những điều kiện khắc nghiệt và tồn tại trong hầu hết các hệ sinh thái trên trái đất. Có hơn 50000 loài vi tảo trên trái đất nhưng chỉ có khoảng 30000 loài được nghiên cứu và tìm hiểu [2]. Các loại vi tảo thường tích lũy một lượng chất béo nhất định bên trong màng tế bào của chúng. Đối với những loài vi tảo có khả năng tích lũy chất béo trên 20% khối lượng sinh khối khô thì được gọi là vi tảo cho dầu [7].1: Vi tảo Chlorella 2.
Khả năng ứng dụng của vi tảo trong tổng hợp biodiesel Vi tảo hứa hẹn sẽ là nguồn nguyên liệu đảm bảo cho sự phát triển bền vững của quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học vì chúng có khả năng độc đáo là tích lũy được lượng chất béo cao. Mặc dù vậy, chi phí sản xuất và năng lượng cho các quá trình nuôi cấy và tổng hợp vẫn còn cao vì các công nghệ hiện tại vẫn chưa hoàn thiện để mở rộng sản xuất quy mô lớn. Do đó, để nhiên liệu sinh học từ vi tảo có thể trở thành hiện thực thì cần giảm giá thành của quá trình nuôi cấy vi tảo. Nếu quá trình sản xuất chất béo từ vi tảo là tối đa và các sản phẩm phụ từ vi tảo được ứng dụng vào các ngành công nghiệp như: thực phẩm, thức ăn gia xúc, hóa chất, cũng như các lĩnh vực tinh chế các sản phẩm từ vi tảo [8].
4 “Vì những ưu điểm nổi bật mà vi tảo được đánh giá là sẽ trở thành nguồn nguyên liệu quan trọng nhất cho lĩnh vực tổng hợp biodiesel trong tương lai gần” [9]. Đã có rất nhiều nghiên cứu về việc ứng dụng vi tảo trong sản xuất biodiesel trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Vi tảo được chú ý là nguồn nguyên liệu để sản xuất năng lượng thay thế từ những năm 1970 do sự khủng hoảng dầu mỏ bắt đầu xuất hiện. Kể từ đó đã có rất nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến khả năng ứng dụng của vi tảo cho lĩnh vực sản xuất biodiesel như: Attilio Converti và cộng sự (2009) đã khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ nitơ đến sự phát triển và hàm lượng chất béo của Nannochloropsis oculata and Chlorella vulgaris vào [10] , Stamatia Bellou và cộng sự (2012) đã khỏa sát hoạt tính sinh hóa của vi tảo Chlorella sp.
và Nannochloropsis salina trong quá trình tổng hợp chất béo được nuôi trong phòng thí nghiệm và ao hồ [7], Lin Chen và cộng sự (2012) đã tiến hành nuôi cấy và thu chất béo từ vi tảo và tổng hợp được biodiesel bằng xúc tác [11]. Việt Nam là một nước nằm trong vùng có khí hậu nhiệt đới gió mùa nên rất thuận lợi cho sự phát triển của vi tảo. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu cấp trường Đại học và cấp Nhà nước đã được công bố về ứng dụng của vi tảo trong lĩnh vực sản xuất biodiesel. Các nhà khoa học tại Viện Công nghệ sinh học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã tổng hợp được biodiesel từ vi tảo biển.
là loại vi tảo có màu xanh lá, với kích thước tế bào khoảng 3-5 μm, chúng có khả năng tích lũy chất béo lên đến 48% khối lượng sinh khối khô. Đây là nguồn nguyên liệu có tiềm năng rất lớn cho quá trình tổng hợp biodiesel. Nguồn vi tảo sử dụng trong bài luận văn này được cung cấp bởi Khoa Thủy Sản – Trường Đại học Cần Thơ.1: Hàm lượng chất béo và khả năng cung cấp chất béo của một số loại vi tảo [2] Hàm lượng chất béo Loài vi tảo Năng suất (mg/L/ngày) (% sinh khối khô) Chaetoceros muelleri 33.2: So sánh khả năng sản xuất biodiesel của vi tảo với một số loại nguyên liệu khác [2] Sản lượng Hàm lượng dầu Diện tích sử dụng Nguyên liệu biodiesel (% khối lượng) (m2/kg biodiesel) (kg/ha) Ngô 44 66 152 Gai 33 31 321 Đậu nành 18 18 562 Jatropha 28 15 656 Cải dầu 41 12 862 Hướng dương 40 11 946 Cọ dầu 36 2 4747 Vi tảo (lượng dầu thấp) 30 0. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của vi tảo [12] 2.
Ánh sáng Ảnh hưởng của ánh sáng đến quá trình quang hợp để tổng hợp các thành phần sinh hóa của vi tảo bị chi phối rất lớn bởi một quá trình được gọi là thích ứng quang học (photoadaptation). Trong quá trình này, tế bào vi tảo trải qua sự thay đổi một cách tích cực trong màng tế bào, cùng với sự thay đổi bên trong các siêu cấu trúc, các đặc tính sinh lý làm tăng cường quá trình quang hợp giúp vi tảo phát triển. Xu hướng chính của quá trình đáp ứng với sự giảm cường độ chiếu sáng là tăng khả năng tích lũy chlorophyll a và những sắc tố tiếp nhận ánh sáng (chlorophyll b, chlorophyll c, các phycobiliprotein và các carotenoid chủ yếu). Mặc khác, với cường độ chiếu sáng quá cao thì chlorophyll a và các sắc tố khác trực tiếp tham gia 7 vào quá trình quang hợp bị giảm, trong khi đó các carotenoid thứ cấp (zeaxanthin, β-carotene, astaxanthin) được sử dụng cho quá trình bảo vệ quang học (photoprotective) tăng lên.
Cường độ chiếu sáng cao có xu hướng tăng cường sự tổng hợp các polysaccharide bên trong tế bào vi tảo. Đã có nhiều nghiên cứu đối với nhiều loại vi tảo khác nhau về thành phần chất béo tích lũy bên trong tế bào phụ thuộc nhiều vào cường độ chiếu sáng. Cường độ ánh sáng thích hợp thay đổi rất lớn tùy theo điều kiện nuôi. Nuôi trong bình thủy tinh, dung tích nhỏ cần cường độ ánh sáng khoảng 1000 lux, với bể nuôi lớn cường độ ánh sáng cũng lớn khoảng 5000–10000 lux.
Sử dụng ánh sáng nhân tạo thì thời gian chiếu sáng ít nhất 18 giờ/ngày. Nuôi vi tảo Chlorella trong quy trình nước xanh cải tiến bằng cá rô phi, cường độ ánh sáng cần khoảng 4000- 30000 lux [13]. Hiện tượng ức chế quang học (photoinhibition): đây là hiện tượng vi tảo bị giảm khả năng quang hợp do sự tiếp xúc quá lâu với cường độ chiếu sáng quá lớn. Làm giảm khả năng thẩm thấu ánh sáng cung cấp cho quá trình quang hợp [14].