Tài liệu Nghiên cứu sàng lọc các loài vi tảo biển quang tự dưỡng có hàm lượng lipid cao, thành phần acid béo phù hợp sử dụng làm nguyên liệu sản xuất diesel sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT -----------***---------- NGUYỄN THỊ MINH THANH NGHIÊN CỨU SÀNG LỌC CÁC LOÀI VI TẢO BIỂN QUANG TỰ DƯỠNG CÓ HÀM LƯỢNG LIPID CAO, THÀNH PHẦN ACID BÉO PHÙ HỢP SỬ DỤNG LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT DIESEL SINH HỌC Chuyên ngành: Hoá sinh Thực nghiệm Mã số: 60. 42. 30 LUẬN VĂN THẠC SỸ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Đặng Diễm Hồng Hà Nội, tháng 12 năm 2010 1Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 CÁC CHỮ VIẾT TẮT NLSH Nhiên liệu sinh học NTTS Nuôi trồng thủy sản MĐTB Mật độ tế bào VTB Vi tảo biển OD Optical Density (Mật độ quang học) Cs. Cộng sự FAME Fatty acid methyl ester GC Gas chromatography FFA Free Fatty Acid ASTM American Standard Test Method TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TLK Trọng lượng khô DHA Docosahexaenoic Acid DPA Docosapentaenoic Acid EPA Eicosapentaenoic Acid Mha Million ha (triệu hecta) TFA Total fatty acid (acid béo tổng số) vănTrung Thạctâm sỹ Học nămliệu 2010 2SốLuận hóa bởi – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1. Năng suất dầu của một số nguồn nguyên liệu dùng cho sản xuất biodiesel ............. 17 Bảng 2. Hàm lượng dầu ở một số loài vi tảo............................................................ 20 Bảng 3. Địa điểm phân lập 7 loài vi tảo biển được sử dụng cho sàng lọc ................. 43 Bảng 4. Tác dụng kết tủa sinh khối tảo bằng hóa chất ở các nồng độ khác nhau ...... 67 Bảng 5. Thành phần hóa học có chứa trong sinh khối của 7 loài VTB nghiên cứu ... 71 Bảng 6. Lipid tổng số và thành phần acid béo có trong sinh khối của 7 loài vi tảo biển nghiên cứu ........................................................................................ 74 Bảng 7. Một số đặc điểm của sản phẩm biodiesel .................................................... 81 Bảng 8. Thành phần FAME của sản phẩm biodiesel................................................ 82 Luận văn Thạc sĩ năm 2010 3Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1. Cây cải dầu (canola) ................................................................................... 11 Hình 2. Phản ứng chuyển vị ester tạo methyl-ester (biodiesel) ................................ 15 Hình 3. Tảo lớn (a) và vi tảo (b) .............................................................................. 18 Hình 4. Cấu trúc phân tử triglycerol ........................................................................ 19 Hình 5. Hệ thống bể hở (A) và Photobioreactor (B) ................................................ 27 Hình 6. Sản phẩm biodiesel của Công ty Minh Tú .................................................. 34 Hình 7. Cây Jatropha curcas .................................................................................. 35 Hình 8. Tháp chưng cất cồn tinh khiết từ cồn công nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu công nghệ lọc hóa dầu Đại học Bách khoa TP.HCM ............................ 36 Hình 9. Một số điểm bán xăng E5: A-tại Hà Nội và B-tại Thành phố Hồ Chí Minh .36 Hình 10. Sơ đồ quy trình chuyển hóa tạo biodiesel từ sinh khối tảo ........................ 51 Hình 11. Sinh trưởng của tảo N. oculata trong các thể tích bình khác nhau ......................54 Hình 12. Sinh trưởng của tảo Tetraselmis sp. trong các thể tích bình khác nhau ...... 55 Hình 13. Sinh trưởng của tảo Chlorella sp. trong các thể tích bình khác nhau ......... 56 Hình 14. Sinh trưởng của tảo I. galbana trong các thể tích bình khác nhau ............. 57 Hình 15. Sinh trưởng của tảo C.muelleri trong các thể tích bình khác nhau ............. 58 Hình 16. Sinh trưởng của tảo C. salina trong các thể tích bình khác nhau ............... 59 Hình 17. Sinh trưởng của tảo D. tertiolecta trong các thể tích bình khác nhau ........ 60 Hình 18 . 7 loài vi tảo biển nghiên cứu .................................................................... 61 Hình 19. Đồ thị tương quan giữa mật độ tế bào và OD của 7 loài vi tảo biển .......... 64 Luận văn Thạc sĩ năm 2010 4Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 Hình 20. Hệ thống nuôi trồng các loài vi tảo biển quang tự dưỡng ở các quy mô bình từ 250 mL đến bình 10 lít ................................................................. 65 Hình 21. Kết tủa sinh khối tảo bằng phương pháp hóa học...................................... 68 Hình 22. Nhân nuôi sinh khối Chlorella sp. ở quy mô pilot .................................... 76 Hình 23. A-Thu sinh khối Chlorella sp. bằng phương pháp kết tủa ở quy mô 10 lít B- Sinh khối Chlorella sp. sau khi đã loại muối ...................................... 77 Hình 24. Các bước thu hồi sản phẩm biodiesel ........................................................ 79 Hình 25. Sắc ký đồ thành phần FAME của sản phẩm biodiesel ............................... 83 Luận văn Thạc sĩ năm 2010 5Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 MỤC LỤC Trang CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................................................. 1 DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ 5 DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... 6 MỞ ĐẦU ................................................................................................. 8 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .............................................. 10 1.1. Khái quát chung về nhiên liệu sinh học, hiện trạng và xu thế phát triển ..... 10 1.2. Diesel sinh học - Bản chất hóa học và cơ chế phản ứng ................................ 13 1.3. Diesel sinh học từ tảo - NLSH thế hệ thứ ba.................................................. 16 1.3.1. Khái quát về các loại nguyên liệu truyền thống dùng để sản xuất biodiesel ... 16 1.3.2. Vai trò và tiềm năng của vi tảo trong lĩnh vực NLSH ..................................... 18 1.3.3. Sản xuất biodiesel từ sinh khối vi tảo ............................................................ 23 1.4. Sản xuất sinh khối vi tảo làm nguyên liệu cho NLSH ................................... 25 1.5. Tình hình sản xuất và sử dụng NLSH trên thế giới ...................................... 28 1.5.1.Tình hình sản xuất và sử dụng NLSH nói chung .................................... 28 1.5.2. Tình hình sản xuất và sử dụng NLSH từ tảo............................................... 30 1.6. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng NLSH ở Việt Nam................................. 32 1.6.1. Tiềm năng sản xuất NLSH ở Việt Nam .......................................................... 32 1.6.2. Những nghiên cứu và thử nghiệm về NLSH ở Việt Nam ................................. 34 1.6.3. Chính sách phát triển NLSH ở Việt Nam ........................................................ 38 1.6.4. Tình hình nghiên cứu, nuôi trồng và ứng dụng vi tảo biển ở Việt Nam ........... 39 Luận văn Thạc sĩ năm 2010 6Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....... 43 2.1. VẬT LIỆU, HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ ............................................. 43 2.1.1. Các chủng vi tảo biển đƣợc sử dụng cho quá trình nghiên cứu sàng lọc .. 43 2.1.2. Môi trƣờng nuôi cấy .................................................................................... 43 2.1.3. Hóa chất và thiết bị ...................................................................................... 44 2.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................ 45 2.2.1. Phƣơng pháp nuôi trồng vi tảo biển quang tự dƣỡng ................................ 45 2.2.2. Phƣơng pháp xác định sinh trƣởng của tảo................................................ 46 2.2.2.1. Phương pháp xác định mật độ tế bào bằng buồng đếm Burker – Turk ........ 46 2.2.2.2. Phương pháp đo mật độ quang học (OD).................................................... 46 2.2.3. Phƣơng pháp thu hoạch sinh khối tảo bằng hóa chất tạo kết tủa ............. 47 2.2.4. Phƣơng pháp phân tích thành phần hóa học của sinh khối tảo................. 48 2.2.5. Phƣơng pháp phân tích lipid tổng số và thành phần acid béo ................... 48 2.2.5.1. Phân tích lipid tổng số ................................................................................ 48 2.2.5.2. Phân tích thành phần acid béo .................................................................... 49 2.2.6. Phƣơng pháp chuyển hóa tạo biodiesel từ sinh khối tảo ............................ 49 2.2.6.1. Chuẩn bị nguyên liệu .................................................................................. 49 2.2.6.2. Tạo biodiesel bằng phương pháp chuyển hóa trực tiếp (in situ transesterification) ................................................................................................ 50 2.2.7. Xác định hiệu suất của quá trình chuyển hóa và thành phần FAME của sản phẩm biodiesel .......................................................................................... 51 2.2.8. Phƣơng pháp xác định chỉ số iod ................................................................ 52 2.2.9. Phƣơng pháp xác định trọng lƣợng riêng bằng tỷ trọng kế....................... 53 Luận văn Thạc sĩ năm 2010 7Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................ 54 3.1. Nghiên cứu sinh trƣởng của vi tảo biển quang tự dƣỡng ............................. 54 3.2. Xác định mối tƣơng quan giữa MĐTB và OD .............................................. 62 3.3. Kết tủa sinh khối tảo bằng phƣơng pháp hóa học ........................................ 66 3.4. Thành phần hóa học của sinh khối vi tảo ...................................................... 69 3.5. Hàm lƣợng lipid tổng số và thành phần acid béo .......................................... 72 3.6. Nuôi thu sinh khối tảo làm nguyên liệu sản xuất biodiesel ........................... 76 3.7. Chuyển hóa sinh khối tảo thành biodiesel bằng phƣơng pháp trực tiếp...... 77 3.8. Đánh giá hiệu suất của quá trình chuyển hóa và chất lƣợng của sản phẩm biodiesel.................................................................................................................. 79 3.8.1. Hiệu suất của quá trình chuyển hóa ............................................................... 79 3.8.2. Chất lượng của sản phẩm biodiesel ............................................................... 80 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 84 KẾT LUẬN ................................................................................................... 84 KIẾN NGHỊ .................................................................................................. 85 CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................ 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................... 89 PHỤ LỤC ............................................................................................ 101 Luận văn Thạc sĩ năm 2010 8Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 MỞ ĐẦU Hầu hết mọi hoạt động của xã hội chúng ta ngày nay - trực tiếp hay gián tiếp - đều dựa vào nguồn năng lượng dầu mỏ. Việc phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn năng lượng này có thể dẫn đến sự khủng hoảng về năng lượng và kéo theo nó là các vấn đề về kinh tế, chính trị, xã hội … khác, đặc biệt là tình trạng ô nhiễm môi trường. Để giảm thiểu những tác động tiêu cực của việc lệ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống vốn đã bắt đầu cạn kiệt và không có khả năng tái sinh, con người đã và đang bắt tay vào tìm kiếm các nguồn nhiên liệu thay thế. Việc tìm kiếm đủ nguồn năng lượng sạch cho tương lai là một trong những thách thức lớn nhất đối với xã hội loài người và nó liên quan mật thiết tới sự ổn định của các quốc gia, sự phát triển kinh tế và chất lượng cuộc sống của con người trên phạm vi toàn thế giới. Để giải quyết vấn đề này, nhiều quốc gia đã khai thác các nguồn năng lượng từ thủy điện, điện hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng mặt trời… Tuy nhiên, các nguồn năng lượng này không thể đáp ứng đủ nhu cầu của thế giới. Một nguồn năng lượng khác đang được đặc biệt quan tâm, đó là nhiên liệu sinh học (NLSH). Trong số các loại NLSH thì diesel sinh học (biodiesel) được nghiên cứu nhiều hơn cả vì nó được cho là nguồn nhiên liệu chính và duy nhất có thể thay thế hoàn toàn diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ. Trong số các nguồn nguyên liệu được sử dụng để sản xuất NLSH nói chung và biodiesel nói riêng thì tảo được coi là đối tượng tiềm năng nhất vì tảo có rất nhiều lợi thế mà các nguồn nguyên liệu khác không có được. Tảo nói chung và vi tảo nói riêng đã được biết đến là nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất biodiesel vì chứa hàm lượng dầu cao và sức sản xuất sinh khối lớn. Việc sản xuất đủ sinh khối tảo giàu lipid làm nguyên liệu cho sản xuất biodiesel là vấn đề mấu chốt trong hướng nghiên cứu sử dụng tảo để sản xuất NLSH. Tuy nhiên, không phải tất cả các loài tảo đều có thể nuôi trồng thu sinh khối sản xuất biodiesel cho hiệu quả cao. Vì vậy, để góp phần sàng lọc các loài tảo của Việt Nam có tiềm năng làm nguyên liệu cho sản xuất NLSH, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu sàng lọc các loài vi tảo biển quang tự dưỡng có hàm Luận văn Thạc sĩ năm 2010 9Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 lượng lipid cao, thành phần acid béo phù hợp sử dụng làm nguyên liệu sản xuất diesel sinh học” với hy vọng những kết quả thu được sẽ là nền tảng, cơ sở để ứng dụng nuôi trồng tảo ở quy mô lớn hơn phục vụ mục tiêu nuôi tảo thu sinh khối sản xuất biodiesel. Công việc được thực hiện tại phòng Công nghệ tảo, Viện Công nghệ sinh học, Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam với các nội dung nghiên cứu như sau: 1. Nuôi trồng 7 loài vi tảo biển (VTB) quang tự dưỡng của Việt Nam ở quy mô phòng thí nghiệm, so sánh sinh trưởng của các loài này để chọn ra một số loài có khả năng sinh trưởng tốt nhất và có tiềm năng nuôi trồng trên qui mô lớn; 2. Phân tích lipid tổng số và thành phần acid béo của sinh khối 7 loài VTB để lựa chọn loài có tiềm năng nhất làm nguyên liệu sản xuất biodiesel; 3. Nghiên cứu lựa chọn phương pháp thu hoạch sinh khối VTB đơn giản, hiệu quả và rẻ tiền so với các phương pháp truyền thống; 4. Nghiên cứu quy trình công nghệ chuyển hóa sinh khối VTB đã được lựa chọn thành biodiesel và xác định một số đặc điểm của diesel sản xuất được. Luận văn Thạc sĩ năm 2010 10Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Khái quát chung về nhiên liệu sinh học, hiện trạng và xu thế phát triển Thuật ngữ 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 (biodiesel); dạng khí gồm hydro sinh học (biohydro) và methane sinh học (biomethane) (Đoàn Thị Thái Yên và cs., 2010). Tổng kết chung, sự phát triển của NLSH đã và đang trải qua 3 giai đoạn chính như sau: * Giai đoạn NLSH thế hệ thứ nhất NLSH thế hệ thứ nhất được tạo ra từ các nguồn nguyên liệu carbohydrate như gạo, ngô, lúa mạch, lúa mỳ, củ cải đường...; các loại hạt có dầu như dầu cọ, đậu tương, dầu hạt cải... hoặc từ mỡ động vật, cùng với việc sử dụng các công nghệ truyền thống. Các loại NLSH thế hệ thứ nhất bao gồm: dầu thực vật, diesel sinh học, ethanol sinh học, khí sinh học (biogas), NLSH thể rắn, khí đốt tổng hợp (syngas). NLSH thế hệ thứ nhất đã được sử dụng từ rất lâu và được sản xuất chủ yếu từ quá trình lên men các loại sinh khối. Sử dụng nguồn NLSH thế hệ thứ nhất tuy làm giảm đáng kể khí CO2 phát thải so với nhiên liệu hóa thạch, nhưng không thực sự phát triển bền vững vì nguyên liệu được sử dụng thường là một phần nguồn Luận văn Thạc sĩ năm 2010 11Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 thức ăn cho người và động vật nuôi. Do đó, phát triển NLSH thế hệ thứ nhất sẽ là mối đe dọa đến an ninh lương thực của thế giới. Chính vì vậy, yêu cầu đặt ra là cần phải tìm kiếm các loại nhiên liệu thay thế và cải tiến hơn về mặt công nghệ. * Giai đoạn NLSH thế hệ thứ hai NLSH thế hệ thứ hai ra đời nhằm hạn chế những nhược điểm của NLSH thế hệ thứ nhất. NLSH thế hệ thứ 2 sử dụng các nguồn nguyên liệu phế thải của nông nghiệp hay các cây nguyên liệu được trồng trên đất bạc màu, bỏ hoang (NLSH được sản xuất từ cellulose), ví dụ như cỏ switchgrass, cây cọc rào (jatropha)… (Naik và cs., 2010). * Giai đoạn NLSH thế hệ thứ ba NLSH từ tảo hay còn gọi là dầu tảo (algal-oil) - chính là NLSH thế hệ thứ 3. Với hiệu suất sử dụng năng lượng và sức sản xuất sinh khối rất cao, NLSH từ vi tảo được cho là nguồn nhiên liệu tiềm năng nhất có khả năng thay thế hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch trong tương lai. Sở dĩ NLSH được lựa chọn là nguồn nhiên liệu cho tương lai bởi tiềm năng khai thác và phát triển bền vững của nó. NLSH hạn chế đáng kể sự tạo thành các khí thải nhà kính, do đó góp phần giảm thiểu hiện tượng nóng lên của trái đất. NLSH đi từ các nguồn nguyên liệu sẵn có và phổ biến, nhờ đó nó giúp cho các quốc gia chủ động về nguồn năng lượng và không còn bị Hình 1. Cây cải dầu (canola) lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu nhập khẩu (đặc biệt đối với những quốc gia nghèo tài nguyên năng lượng như than đá và dầu mỏ), điều này góp phần quan trọng làm bình ổn giá xăng dầu, ổn định tình hình năng lượng trên phạm vi toàn thế giới, đồng thời tạo thêm công ăn việc làm cho người dân nhưng lại không đòi hỏi phải có những thiết bị và công nghệ đắt tiền. Luận văn Thạc sĩ năm 2010 12Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 Tuy nhiên, bên cạnh những lợi thế, việc sản xuất NLSH trên quy mô lớn vẫn còn có một số bất cập. NLSH thế hệ thứ nhất được coi là một trong những nguyên nhân làm tăng giá lương thực bởi chúng được sản xuất từ các sản phẩm nông nghiệp. Khi phát triển NLSH thế hệ thứ nhất, nhiều quốc gia trên thế giới như Mỹ, Braxin và nhiều quốc gia Châu Âu đã chuyển đổi một phần diện tích đáng kể đất trồng cây lương thực sang trồng các cây nguyên liệu như đậu nành, mía, ngô, cây cải dầu và các thực vật có dầu khác để sản xuất ethanol và biodiesel. Do đó, việc phát triển NLSH thế hệ thứ nhất rõ ràng sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng tới an ninh lương thực. Chính vì vậy, NLSH thế hệ thứ hai đã ra đời và đang được triển khai. NLSH thế hệ thứ hai chủ yếu được sản xuất từ cellulose và tận dụng các nguồn nguyên liệu phế thải nông nghiệp, sinh khối hoặc các loại cây nhiên liệu khác. Việc tận dụng các nguồn nguyên liệu rẻ tiền để sản xuất NLSH sẽ ngày càng được chú trọng và được thương mại hóa để có thể vừa tạo ra được nguồn năng lượng hiệu quả vừa khắc phục được đáng kể những bất cập của NLSH thế hệ thứ nhất. Nguồn nguyên liệu cho NLSH thế hệ thứ 2 sẽ được canh tác trên các diện tích đất bỏ hoang hoặc đất bạc màu, do vậy sẽ tránh được sự cạnh tranh đất canh tác đối với cây lương thực. Theo ước tính, toàn bộ diện tích đất bỏ hoang trên toàn cầu lên tới 4,7 triệu km2 và có thể được tận dụng để trồng các loại cây nguyên liệu cho sản xuất NLSH, chẳng hạn như cỏ switchgrass, jatropha, canola (hình 1), hướng dương, cọ, hoa rum (safflower) v.v… (John và cs., 2007). Năng suất của các loại cây này phụ thuộc vào điều kiện đất đai, khí hậu và phương pháp canh tác của từng vùng (http://tchdkh.org.vn/tchitiet.asp?code=3003). Tuy nhiên, vấn đề đặt ra đối với NLSH thế hệ thứ hai là mặc dù nguồn cellulose rẻ và sẵn có nhưng việc sử dụng các nguyên liệu có bản chất cellulose để sản xuất NLSH lại bị hạn chế bởi chi phí để chuyển hóa cellulose thành đường đắt hơn so với chi phí chuyển hóa tinh bột thành đường do đòi hỏi những enzyme đắt tiền. Mặt khác, do khai thác nguồn rác thải nông nghiệp và một số loại cây nguyên liệu nên NLSH thế hệ thứ hai cũng có thể gây ra một số vấn đề như ô nhiễm và cạn kiệt nguồn tài nguyên nước, giảm diện tích rừng, những tác động tiêu cực từ sự độc canh cây nguyên liệu và một số vấn đề Luận văn Thạc sĩ năm 2010 13Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 về kinh tế xã hội khác. Do vậy, hiện nay xu hướng tìm kiếm và khai thác các đối tượng vi sinh vật (như vi khuẩn, nấm…), đặc biệt là tảo, theo hướng NLSH đang ngày càng được đặc biệt quan tâm và có triển vọng cao nhằm tạo ra nguồn NLSH giá rẻ và thân thiện với môi trường. Đó cũng chính là nhiệm vụ của NLSH thế hệ thứ ba. Việc phát triển NLSH thế hệ thứ ba là xu hướng tất yếu vì nó có thể giải quyết được hầu hết các vấn đề đang tồn tại. Tuy nhiên, trở ngại lớn nhất hiện nay đối với NLSH thế hệ thứ ba là vấn đề về công nghệ sản xuất. Giá thành của việc sản xuất NLSH từ tảo phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như năng suất sinh khối thu được từ các hệ thống nuôi trồng, quy mô của các hệ thống nuôi trồng, hàm lượng dầu và giá thành của việc chiết xuất dầu từ sinh khối tảo... Hiện nay, việc sản xuất dầu tảo vẫn có giá thành cao hơn nhiều so với sản xuất nhiên liệu diesel từ dầu mỏ (Zhiyou và cs., 2009). Chẳng hạn, Chisti (2007) đã ước tính giá thành của việc sản xuất dầu tảo từ một hệ thống bể phản ứng quang sinh (photobioreactor) với công suất 10.000 tấn/năm. Nếu hàm lượng dầu tảo chiếm khoảng 30% thì giá thành sản xuất dầu tảo là 2,8 USD/1 Lít (10,50 USD/gallon). Tính toán này chưa bao gồm chi phí của quá trình chuyển hóa dầu tảo thành biodiesel, vận chuyển, marketing và thuế. Trong khi đó, giá của diesel sản xuất từ dầu mỏ (ví dụ ở Virginia, Mỹ) chỉ từ 3,80 USD đến 4,50 USD/gallon. Qua đó cho thấy, bài toán hạ giá thành sản xuất là vấn đề mấu chốt để tăng khả năng cạnh tranh của NLSH trong thời điểm hiện tại và tương lai. 1.2. Diesel sinh học - Bản chất hóa học và cơ chế phản ứng Biodiesel hay diesel sinh học là loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật, mỡ động vật hay dầu ăn thải. Biodiesel, hay NLSH nói chung, là loại năng lượng sạch, về phương diện hóa học thì biodiesel là methyl, ethyl ester của những acid béo. Chúng không độc và dễ phân hủy trong tự nhiên. Biodiesel được biết đến như nguồn năng lượng xanh, sạch, không gây ô nhiễm môi trường và từ lâu đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Luận văn Thạc sĩ năm 2010 14Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 Biodiesel bắt đầu được sản xuất từ khoảng giữa những năm 1800. Khi đó, người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu glycerol dùng làm xà phòng và thu được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl ester gọi chung là biodiessel. Hiện nay, biodiesel được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau bằng nhiều con đường khác nhau. Quá trình hóa học cơ bản được sử dụng để chuyển hóa dầu/mỡ thành biodiesel được gọi là quá trình chuyển vị ester (transesterification) với sự có mặt của chất xúc tác. Chất xúc tác có thể là kiềm (KOH, NaOH…), acid (H2SO2, HCl…), enzyme lipase (Hideki và cs. 2001; Demirbas, 2007; Meher và cs., 2006; Li và cs., 2008; Hoydonex và cs., 2004) hoặc ở dạng hỗn hợp dị xúc tác (Na/NaOH/γAl2O3, K/NaOH/γ-Al2O3 …) (Macedo, 2006; Serio, 2006; Verziu, 2008; Liu, 2008). Các loại nguyên liệu khác nhau về bản chất lipid và thành phần acid béo có thể phù hợp với các điều kiện chuyển hóa khác nhau, chẳng hạn như có thể chuyển hóa trực tiếp từ sinh khối hoặc tách chiết lipid ra khỏi nguyên liệu, sau đó chuyển hóa lipid thành biodiesel… Quá trình chuyển vị ester là phản ứng hóa học giữa một triglyceride (dầu/mỡ) và một rượu (alcohol) tạo thành sản phẩm là các ester và glycerol. Mỗi phân tử triglyceride được cấu tạo từ một gốc glycerine gắn với ba chuỗi acid béo mạch dài (hình 4). Các đặc tính của chất béo được xác định bởi trạng thái tự nhiên của các acid béo gắn với glycerine. Trạng thái tự nhiên của các acid béo có thể ảnh hưởng đến đặc tính của biodiesel. Trong quá trình ester hóa, các phân tử rượu phản ứng với các phân tử acid béo tạo thành các mono-alkyl-ester (chính là biodiesel) và glycerol dạng thô. Hai loại rượu được sử dụng phổ biến nhất là methanol và ethanol (methanol sẽ tạo ra các methyl-ester còn ethanol tạo ra các ethyl-ester). Phương trình chuyển hóa biodiesel cơ bản như sau (hình 2) (Hideki và cs., 2001): Luận văn Thạc sĩ năm 2010 15Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 Xúc tác (a) to (1) Triglyceride (TG) + R’OH (b) (2) Diglyceride (DG) + R’OH Xúc tác Xúc tác (3) Monoglyceride (MG) + R’OH Diglyceride (DG) + R’COOR1 Monoglyceride(MG) + R’COOR2 Xúc tác Glycerol + R’COOR3 Hình 2. Phản ứng chuyển vị ester tạo methyl-ester (biodiesel) (a)-Phƣơng trình tổng quát, (b)-Các bƣớc của quá trình phản ứng Trong đó R1, R2, R3 là các acid béo no hoặc không no. Các acid hữu cơ chiếm chủ yếu trong dầu mỡ động vật và thực vật như: Palmitic (CH3(CH2)14-COOH), Stearic (CH3(CH2)16-COOH), Oleic (CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH). Chất xúc tác có vai trò rất quan trọng vì nó phản ứng với methanol trước để tạo tiền chất cho phản ứng. Trong thực tế, quá trình chuyển vị ester xảy ra theo từng bước: từ triglyceride tạo thành diglyceride, monoglyceride và cuối cùng giải phóng phân tử glycerol cùng với sản phẩm là hỗn hợp các methyl ester (hình 2b). Như vậy, trong quá trình này, cứ 1 phân tử triglyceride tác dụng với 3 phân tử CH3OH tạo ra 1 phân tử glycerol và 3 phân tử methyl ester. Phản ứng ester hóa giữa dầu/mỡ với rượu là phản ứng thuận nghịch, vì vậy lượng rượu cần được đưa vào dư thừa để phản ứng dịch chuyển theo chiều thuận và đảm bảo cho quá trình chuyển hóa xảy ra hoàn toàn. Luận văn Thạc sĩ năm 2010 16Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 16 1.3. Diesel sinh học từ tảo - NLSH thế hệ thứ ba 1.3.1. Khái quát về các loại nguyên liệu truyền thống dùng để sản xuất biodiesel Biodiesel có thể được tạo ra từ một số nguồn dầu hay lipid. Thành phần chính của các nguyên liệu lipid này là các phân tử triglyceride. Nói chung, các loại nguyên liệu truyền thống thường dùng để sản xuất biodiesel có thể được chia thành 3 nhóm chính: * Dầu thực vật tinh luyện Nhóm này bao gồm các loại dầu thực vật tinh luyện chiết xuất từ đậu nành (soybean), cải dầu (canola, rapeseed), ngô (corn), hạt bông (cottonseed), hạt lanh (flax), hạt hướng dương (sunflower), lạc (peanut) và cọ (palm)... Các loại dầu này là những nguyên liệu được sử dụng rộng rãi để sản xuất biodiesel trên quy mô thương mại. Năng suất dầu của một số loại nguyên liệu thực vật được trình bày ở bảng 1 (Chisti, 2007). Thành phần của dầu chiết xuất từ các nguyên liệu thực vật này rất tinh khiết, do đó không cần phải qua bước tiền xử lý, đồng thời tạo ra biodiesel có chất lượng cao. Tuy nhiên, như trên đã nói, điểm hạn chế của các loại dầu thực vật dùng làm nguyên liệu sản xuất biodiesel là khả năng sản xuất trên quy mô lớn cần phải xem xét vì sẽ cạnh tranh về nguồn lương thực nếu một phần diện tích đáng kể đất nông nghiệp được chuyển sang trồng các loại cây nguyên liệu cho sản xuất biodiesel (Zhiyou và cs., 2009). Luận văn Thạc sĩ năm 2010 17Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 17 Bảng 1. Năng suất dầu của một số nguồn nguyên liệu dùng cho sản xuất biodiesel (Chisti, 2007) Năng suất dầu Nguyên liệu (L/ha) Ngô (Corn) 172 Đậu tương (Soybean) 446 Cải dầu (Canola) 1.190 Cọc rào (Jatropha) 1.892 Dừa (Coconut) 2.689 Cọ (Palm) 5.950 Vi tảo (Microalgae) (sinh khối chứa 70% dầu theo khối lượng) 136.900 Vi tảo (Microalgae) (sinh khối chứa 30% dầu theo khối lượng) 58.700 * Mỡ động vật Nhóm nguyên liệu thứ hai để sản xuất biodiesel là mỡ hay chất béo động vật. So với dầu thực vật thì mỡ động vật là loại nguyên liệu rẻ tiền và kinh tế hơn để sản xuất biodiesel. Tuy nhiên, mỡ động vật lại có nhược điểm khi sử dụng để sản xuất biodiesel do chúng có chứa hàm lượng cao các chất béo bão hòa nên biodiesel tạo ra có xu hướng bị đông đặc (tạo gel). Do đó, điều này làm hạn chế việc ứng dụng rộng rãi loại nhiên liệu này, đặc biệt khi sử dụng chúng vào mùa đông (Wen và cs., 2006). * Dầu ăn thải Nhóm nguyên liệu thứ ba để sản xuất biodiesel là dầu mỡ tái sử dụng. Việc sản xuất biodiesel trực tiếp từ nguồn dầu chiết xuất từ thực vật sẽ có giá thành cao hơn nhiều so với diesel dầu mỏ. Do đó, việc tái sử dụng dầu mỡ phế thải là vấn đề cần được quan tâm vì sẽ lợi dụng được các sản phẩm thừa của ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, đồng thời hạn chế đáng kể nguồn chất thải này ra môi trường sống. Tuy nhiên, dầu ăn tái sử dụng lại có nhược điểm là không tinh khiết, do đó Luận văn Thạc sĩ năm 2010 18Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 18 đòi hỏi phải có quá trình tiền xử lý để đảm bảo biodiesel sản xuất ra có chất lượng đạt yêu cầu. Quá trình tiền xử lý cũng đồng thời làm cho quá trình sản xuất biodiesel trở nên phức tạp hơn và có chi phí cao hơn (Canakci và cs., 1999; 2001). 1.3.2. Vai trò và tiềm năng của vi tảo trong lĩnh vực NLSH Tảo là nhóm thực vật bậc thấp sống ở môi trường nước (nước ngọt, nước lợ, nước mặn), có khả năng quang hợp, hấp thụ ánh sáng và biến đổi năng lượng ánh sáng, nước, CO2 thành sinh khối, đồng thời giải phóng O2. Tảo bao gồm: vi tảo (microalgae) và tảo (a) lớn (macroalgae, seaweed). Tảo lớn là (b) Hình 3. Tảo lớn (a) và vi tảo (b) (Zhiyou và cs., 2009) các tảo đa bào, có kích thước lớn, ) có thể đạt đến chiều dài 100 feet (3048cm). Trái lại, vi tảo có kích thước hiển vi, đơn bào hoặc đa bào, thường sống ở dạng huyền phù trong nước (hình 3) (Zhiyou và cs., 2009). Vi tảo từ lâu đã được xem là nguồn tiềm năng để sản xuất biodiesel vì sinh khối tảo có chứa hàm lượng dầu cao (Gouveia và cs., 2009), đồng thời vi tảo có sức sản xuất sinh khối lớn do hiệu suất quang hợp ở vi tảo rất cao, thời gian nhân đôi thế hệ ngắn. Mỗi tế bào tảo hoạt động giống như một nhà máy sinh học nhỏ, sử dụng quá trình quang hợp để biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học dự trữ trong tế bào, đồng thời tạo ra các sản phẩm thứ cấp có giá trị cao. Trong quá trình quang hợp, tảo còn sản xuất ra dầu. So với các loài thực vật ở cạn - thường phát triển theo mùa và lượng dầu chỉ chứa tối đa khoảng 5% so với trọng lượng khô thì trên cùng một đơn vị diện tích, vi tảo sinh trưởng nhanh hơn và tạo ra lượng dầu cao Luận văn Thạc sĩ năm 2010 19Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 19 hơn nhiều (bảng 1). Mặt khác, hàm lượng dầu trong tảo có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi thành phần môi trường nuôi (Naik và cs., 2006). Chẳng hạn như có thể tăng khả năng sản xuất dầu ở tảo bằng cách bổ sung khí CO 2 trong quá trình nuôi trồng chúng hoặc sử dụng các môi trường giàu chất hữu cơ (như nước thải giàu nitơ, phospho…) (Demirbas, 2010). 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 (NTTS)… 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 biodiesel. Một số loài tảo có thể sản xuất khí hydro dưới các điều kiện nuôi cấy đặc biệt. Sinh khối tảo còn có thể dùng để đốt giống như gỗ để tạo ra nhiệt và điện (Zhiyou và cs., 2009). Từ vi CH2O-OCHCH2CH2……………CH2CH3 tảo còn có thể tạo ra khí methane bằng CHO-OCHCH2CH2…………….CH2CH3 con đường lên men kỵ khí sinh khối vi tảo (Spolaore và cs., 2006) v.v… CH2O-OCHCH2CH3…………..CH2CH3 Hình 4. Cấu trúc phân tử triglyceride Sinh khối tảo chứa ba thành phần chính: carbohydrate, protein và lipid. Phần lớn lipid do vi tảo sản xuất ra tồn tại ở dạng tricylglyceride (hình 4) - là dạng thích hợp để sản xuất biodiesel. Vi tảo là đối tượng chính trong lĩnh vực sản xuất NLSH từ tảo. Vi tảo có tốc độ sinh trưởng rất nhanh so với các loại thực vật sống trên mặt đất. 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 trọng lượng khô (bảng 2). 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 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 Luận văn Thạc sĩ năm 2010 20Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn