intTypePromotion=1

Đồ án Sản xuất biodiesel từ vi tảo: Kỹ thuật nuôi cấy vi tảo thu lipid

Chia sẻ: Mưa Sao Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:68

0
260
lượt xem
49
download

Đồ án Sản xuất biodiesel từ vi tảo: Kỹ thuật nuôi cấy vi tảo thu lipid

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đồ án "Sản xuất biodiesel từ vi tảo: Kỹ thuật nuôi cấy vi tảo thu lipid" giới thiệu đến các bạn những nội dung tổng quan về biodiesel, năng suất lipid và ảnh hưởng của môi trường lên sự tích lũy lipid của một số loài vi tảo, nuôi vi tảo nannochloropsis oculata thu lipid nhằm sản xuất biodiesel,... Mời các bạn cùng tham khảo để nắm bắt nội dung chi tiết.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Đồ án Sản xuất biodiesel từ vi tảo: Kỹ thuật nuôi cấy vi tảo thu lipid

  1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC ------------------oOo------------------- ĐỒ ÁN MÔN HỌC SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ VI TẢO: KỸ THUẬT NUÔI CẤY VI TẢO THU LIPID SVTH: BÙI NGỌC ĐOAN CHIÊU MSSV: 60604048 GVHD: KS. HUỲNH NGUYỄN ANH KHOA Tp HCM, Tháng 6/2010 i
  2. LỜI CÁM ƠN Đồ án môn học Sản xuất biodiesel từ vi tảo: Kỹ thuật nuôi cấy vi tảo thu lipid đƣợc thực hiện từ tháng 2 đến tháng 7/2010. Trong suốt quá trình đó, để hoàn tất tốt các nội dung nghiên cứu, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình và cởi mở. Em xin đƣợc gửi đến: KS. HUỲNH NGUYỄN ANH KHOA, là cán bộ trực tiếp hƣớng dẫn em làm đồ án này, lời cảm ơn sâu sắc và chân thành. Chính nhờ sự hƣớng dẫn tận tình về mặt kiến thức và giúp đỡ về mặt tài liệu học thuật của thầy, em đã hoàn thành tốt các nội dung đề ra. TS. NGUYỄN THỊ HUYỀN, là cán bộ làm việc tại phòng 117B2, lòng biết ơn tri ân. Cô đã luôn tạo không khí thoải mái khi em vào phòng trao đổi học tập, điều đó có tác dụng động viên em rất nhiều. Tập thể quý thầy cô thuộc bộ môn Công nghệ sinh học nói riêng và khoa Kỹ thuật hóa học nói chung lòng biết ơn thật nhiều. Thầy cô là những ngƣời đã cung cấp các kiến thức cơ sở cũng nhƣ chuyên ngành cho em trong suốt quá trình lâu dài làm nền tảng cho những nghiên cứu về sau. ii
  3. TÓM TẮT ĐỒ ÁN Thực trạng ô nhiễm môi trƣờng và sự thiếu hụt nguồn năng lƣợng trong tƣơng lai chính là mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia hiện nay, và biodiesel đƣợc xem là một giải pháp khả thi nhằm thay thế cho nguồn nhiên liệu diesel dầu hỏa sử dụng cho các phƣơng tiện giao thông vận tải lẫn trong công nghiệp. Trong khi các nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel thông thƣờng: dầu thực vật, mỡ động vật và nguồn dầu mỡ phế thải đều tỏ ra không thể đáp ứng nhu cầu biodiesel trên toàn thế giới, vi tảo lại thể hiện là một đối tƣợng rất tiềm năng cho lĩnh vực này nhờ vào khả năng sản xuất sinh khối lớn và nguồn lipid thu nhận từ các loài vi tảo cũng khá phù hợp để điều chế biodiesel. Tình hình nghiên cứu và áp dụng nuôi cấy vi tảo trên quy mô lớn ngày càng phổ biến trong nhiều lĩnh vực nhƣ: sản xuất thực phẩm chức năng và xử lý môi trƣờng, do đó việc ứng dụng nuôi cấy vi tảo trên các môi trƣờng sửa đổi để nâng cao năng suất lipid phục vụ sản xuất biodiesel là hoàn toàn có khả thi. Nghiên cứu các đặc điểm sinh lý và sinh hóa của loài vi tảo Nannochloropsis oculata có thể dự đoán đƣợc đây là một loài vi tảo rất phù hợp với mục tiêu sản xuất biodiesel: năng suất sinh khối cao trong môi trƣờng quang tự dƣỡng, hàm lƣợng lipid nhiều và thành phần lipid dễ điều chỉnh theo điều kiện nuôi cấy. Từ đó đề xuất khảo sát các yếu tố môi trƣờng nhằm nuôi cấy Nannochloropsis oculata thu lipid với năng suất cao: môi trƣờng f/2, độ mặn trong khoảng 22-49g NaCl/L, nhiệt độ môi trƣờng 25-270C, chiếu sáng bằng đèn huỳnh quang ít tỏa nhiệt 400-500µmol/m2s, hạn chế nồng độ nitrogen và phosphorus. iii
  4. ABSTRACT Pollution and limitation of energy are the most important concerns of nations, and biodiesel is considered such as a possible solution to replace petroleum diesel, which is used for transportation and industry. While plant oil, animal fat and waste oil which are common for biodiesel production cannot satisfy biodiesel demand all over the world, microalgae express to be an essential candidate for this task due to high yield of biomass and compatible lipid component for biodiesel production. Researchs and applications in microalgae culturing on large scale become more and more common in many fields: functional food production and environment treatment, so using modified medium culture to improve lipid content in microalgae cells is really feasible. Studying in physiological and biochemical characteristics of Nannochloropsis oculata gives suggestion that N. oculata should be a suitable source for biodiesel production: produces high yield of biomass in autotrophic culture, accumulates high lipid content and easily be controlled lipid composition under different conditions. Hence some nutriments factors, temperature and light regimes are proposed to grow N. oculata with high lipid productivity: f/2 medium, salinity at 22-49g NaCl/L, temperature at 25-270C, irradiance at 400-500µmol/m2s with cool white fluorescent tubes, limited nitrogen and phosphorus concentrations. iv
  5. MỤC LỤC Đề mục Trang LỜI CÁM ƠN .....................................................................................................ii TÓM TẮT ĐỒ ÁN ............................................................................................ iii MỤC LỤC .......................................................................................................... v DANH SÁCH BẢNG ....................................................................................... vii DANH SÁCH HÌNH .......................................................................................... ix DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. x 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL ................................................................... 1 1.1. Định nghĩa các dạng năng lƣợng và biodiesel ......................................... 1 1.1.1. Năng lƣợng không tái sinh ............................................................... 1 1.1.2. Năng lƣợng tái sinh ......................................................................... 2 1.2. Tầm quan trọng của biodiesel và khả năng thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch ......................................................................................................... 4 1.3. Nguyên tắc điều chế và nhu cầu về lipid trong sản xuất biodiesel ........... 7 1.4. Các nguồn nguyên liệu giàu lipid phục vụ cho việc sản xuất biodiesel và tiềm năng của vi tảo ........................................................................................ 9 2. NĂNG SUẤT LIPID VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA MÔI TRƢỜNG LÊN SỰ TÍCH LŨY LIPID CỦA MỘT SỐ LOÀI VI TẢO ........................................ 15 2.1. Các loại vi tảo có chứa nhiều lipid ........................................................ 15 2.2. Một số nghiên cứu về ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng lên sự tích lũy lipid ở vi tảo ............................................................................................ 16 2.2.1. Yếu tố nhiệt độ .............................................................................. 16 2.2.2. Yếu tố thành phần môi trƣờng ....................................................... 19 3. NUÔI VI TẢO NANNOCHLOROPSIS OCULATA THU LIPID NHẰM SẢN XUẤT BIODIESEL ................................................................................ 25 3.1. Nannochloropsis oculata ...................................................................... 25 3.1.1. Phân loại........................................................................................ 25 3.1.2. Đặc điểm hình thái......................................................................... 25 v
  6. 3.1.3. Đặc điểm sinh lý ............................................................................ 26 3.1.4. Đặc điểm sinh hóa ......................................................................... 26 3.2. Đề xuất mô hình thí nghiệm nghiên cứu sự tích lũy lipid theo điều kiện môi trƣờng ở Nannochloropsis oculata ......................................................... 27 3.2.1. Yếu tố nhiệt độ .............................................................................. 27 3.2.2. Yếu tố ánh sáng ............................................................................. 32 3.2.3. Yếu tố độ mặn ............................................................................... 36 3.2.4. Yếu tố thành phần môi trƣờng ....................................................... 38 4. KẾT LUẬN.................................................................................................. 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 51 vi
  7. DANH SÁCH BẢNG Bảng 1. 1: Các acid béo thƣờng có trong các nguồn nguyên liệu dùng sản xuất biodiesel .............................................................................................................. 9 Bảng 1. 2: So sánh vi tảo với các nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel ............ 11 Bảng 1. 3: So sánh các thuộc tính giữa dầu từ vi tảo, diesel thông thƣờng và tiêu chuẩn ASTM biodiesel [28]............................................................................... 12 Bảng 2. 1: Hàm lƣợng và năng suất lipid của các loài tảo khác nhau ................. 15 Bảng 2. 2: Sự sinh trƣởng và sản xuất lipid của C. vulgaris tại các nhiệt độ khác nhau [5] ............................................................................................................. 17 Bảng 2. 3: Năng suất sinh khối và năng suất lipid của Botryococcus braunii, Chlorella vulgaris và Scenedesmus sp. khi nuôi ở 10% CO2 trong 14 ngày ....... 20 Bảng 2. 4: Thành phần các acid béo của Botryococcus braunii, Chlorella vulgaris và Scenedesmus sp. khi nuôi cấy ở 10% CO2 trong 14 ngày................. 21 Bảng 2. 5: Tham số sinh trƣởng và sự sản xuất lipid của C. vulgaris ở các nồng độ NaNO3 khác nhau ......................................................................................... 23 Bảng 3. 1: Sự sinh trƣởng và sản xuất lipid của N. oculata tại các nhiệt độ khác nhau .................................................................................................................. 28 Bảng 3. 2: Thành phần acid béo (%w/w acid béo tổng) của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nhiệt độ khác nhau........................................................ 30 Bảng 3. 3: Sản lƣợng sinh khối và thành phần hợp chất hóa sinh của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nhiệt độ khác nhau ....................... 31 Bảng 3. 4: Sản lƣợng sinh khối và hàm lƣợng lipid của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các độ mặn khác nhau ............................................................... 36 Bảng 3. 5: Thành phần acid béo (%w/w TFA) của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các độ mặn khác nhau ........................................................................ 37 Bảng 3. 6: Năng suất sinh khối và lipid của N. oculata trong hệ thống nuôi cấy bán liên tục với các hàm lƣợng CO2 khác nhau .................................................. 41 Bảng 3. 7: Tham số sinh trƣởng và sự sản xuất lipid của N. oculata ở các nồng độ NaNO3 khác nhau .............................................................................................. 42 Bảng 3. 8: Sản lƣợng sinh khối và thành phần hợp chất hóa sinh của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nồng độ NaNO3 khác nhau .......... 44 vii
  8. Bảng 3. 9: Thành phần acid béo (%w/w TFA) của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nồng độ NaNO3 khác nhau .......................................................... 44 Bảng 3. 10: Sản lƣợng sinh khối và thành phần hợp chất hóa sinh của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nồng độ NaH2PO4 khác nhau ....... 46 Bảng 3. 11: Thành phần acid béo (%w/w TFA) của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nồng độ NaH2PO4 khác nhau .............................................. 47 viii
  9. DANH SÁCH HÌNH Hình 1. 1: Sự hình thành các lớp nhiên liệu hóa thạch ......................................... 1 Hình 1. 2: Các dạng năng lƣợng tái sinh .............................................................. 2 Hình 1. 3: Bảng thống kê sử dụng các nguồn năng lƣợng .................................... 3 Hình 1. 4: Phản ứng chuyển vị ester .................................................................... 7 Hình 2. 1: Phần trăm các loại FAME trên tổng lƣợng FAME (g/100gFAME) của C. vulgaris tại các nhiệt độ sinh trƣởng khác nhau ................................................. 17 Hình 2. 2: Phần trăm các loại FAME trên tổng lƣợng FAME (g/100gFAME) của C. vulgaris tại các nồng độ NaNO3 khác nhau........................................................ 23 Hình 3. 1: Thành phần acid béo các lipid chính trong Nannochloropsis sp. ....... 27 Hình 3. 2: Phần trăm các loại acid béo methyl ester trên tổng lƣợng acid béo methyl ester (g/100gFAME) của N. oculata tại các nhiệt độ khác nhau ................. 29 Hình 3. 3: Ảnh hƣởng của mức độ chiếu sáng trên sự sinh trƣởng của tế bào và hàm lƣợng chlorophyll a đối với Nannochloropsis sp. ...................................... 33 Hình 3. 4: Sự phân phối các acid béo chính trong Nannochloropsis sp. đƣợc nuôi cấy theo mẻ dƣới ảnh hƣởng của mức độ chiếu sáng ......................................... 33 Hình 3. 5: Thành phần acid béo của Nannochloropsis sp. khi nuôi cấy trong điều kiện ổn định liên tục tại ba mức độ chiếu sáng................................................... 35 Hình 3. 6: Ảnh hƣởng nồng độ khí CO2 lên sự sinh trƣởng của N. oculata ........ 39 Hình 3. 7: Sự sinh trƣởng của N. oculata khi nuôi cấy bán liên tục trong môi trƣờng sục khí có chứa 2%, 5%, 10%, 15% CO2 ............................................... 40 Hình 3. 8: Phần trăm các loại FAME trên tổng lƣợng FAME (g/100gFAME) của N. oculata tại các nồng độ NaNO3 khác nhau ......................................................... 43 ix
  10. DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT DW: dry weight khối lƣợng khô FAME: fatty acid methyl ester ester của acid béo và methyl f/2AW: f/2 artificial seawater môi trƣờng f/2 nƣớc biển nhân tạo EPA: eicosapentaenoic acid acid ω3 (C20:5) PUFA: polyunsatured fatty acid acid béo chƣa no mang nhiều nối đôi TFA: total fatty acid hàm lƣợng acid béo tổng v/v: volume/volume thể tích/thể tích vvh: volume/ volume/hour thể tích/thể tích/giờ vvm: volume/ volume/minute thể tích/thể tích/phút w/w: weight/weight khối lƣợng/khối lƣợng x
  11. 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL 1.1. Định nghĩa các dạng năng lƣợng và biodiesel 1.1.1. Năng lƣợng không tái sinh Nguồn năng lƣợng không tái sinh là những nguồn năng lƣợng thiên nhiên mà con ngƣời không có khả năng can thiệp vào sự hình thành cũng nhƣ quá trình tích lũy. Đó là dạng năng lƣợng không thể phục hồi, không thể tái tạo, hay không thể tái sử dụng. Tuy nhiên dạng năng lƣợng này đang đƣợc sử dụng trên phạm vi rộng lớn khắp toàn cầu, và cho thấy rằng không thể đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng của con ngƣời trong tƣơng lai. Năng lƣợng không tái sinh đƣợc chia thành hai nhóm: năng lƣợng hóa thạch và năng lƣợng hạt nhân. - Năng lượng hóa thạch: là dạng năng lƣợng đƣợc hình thành dựa trên các quá trình địa chất dài hàng triệu năm xảy ra đối với xác động thực vật, nhƣ một dạng hóa thạch. Bao gồm than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên. Do quá trình hình thành lâu dài nhƣ vậy, nên khi bị con ngƣời khai thác hết sẽ không có khả năng phục hồi đƣợc. Một trong số các nhiên liệu hóa thạch ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi là diesel. Diesel là một loại nhiên liệu lỏng, là sản phẩm thuộc phân đoạn nhẹ của quá trình chƣng cất trực tiếp dầu mỏ với khoảng nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển từ 250 đến 3500C (cao hơn dầu hỏa và xăng) bao gồm các hydrocarbon khác nhau từ C14 đến C20. Nhiên liệu diesel đƣợc sử dụng chủ yếu cho động cơ diesel và một phần đƣợc sử dụng trong các tuabin cơ khí. Hình 1. 1: Sự hình thành các lớp nhiên liệu hóa thạch 1
  12. 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL - Năng lượng hạt nhân: là dạng năng lƣợng đƣợc hình thành do khả năng phóng xạ của một vài nguyên tố. Có hai kiểu phản ứng hình thành nên năng lƣợng hạt nhân, đó là phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch. 1.1.2. Năng lƣợng tái sinh Năng lƣợng tái sinh là dạng năng lƣợng thu đƣợc từ các nguồn mà con ngƣời xem là vô hạn. Sự vô hạn ở đây ngoài ý nghĩa nhiều đến mức không thể cạn kiệt, nên đƣợc hiểu theo nghĩa rộng hơn đó là có khả năng tái tạo trong một thời gian ngắn và liên tục. Dạng năng lƣợng này bao gồm: - Năng lƣợng mặt trời - Năng lƣợng gió - Năng lƣợng sóng - Năng lƣợng thủy triều - Năng lƣợng địa nhiệt - Năng lƣợng sinh khối Hình 1. 2: Các dạng năng lƣợng tái sinh Nguồn năng lƣợng tái sinh đang đƣợc sử dụng nhiều nhất là thủy năng. Song, nguồn năng lƣợng sinh khối cũng là một trong những nguồn đƣợc con ngƣời khai thác và sử dụng hiệu quả. Sinh khối đƣợc xem là nguồn năng lƣợng lớn thứ tƣ, ƣớc tính chiếm khoảng 14-15% tổng lƣợng năng lƣợng tiêu thụ trên 2
  13. 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL thế giới. Ở các nƣớc đang phát triển, sinh khối thƣờng là nguồn năng lƣợng lớn nhất, trung bình đóng góp khoảng 35% trong tổng cung cấp năng lƣợng. Vì vậy, trong chiến lƣợc sử dụng các nguồn năng lƣợng cách hiệu quả thì năng lƣợng sinh khối luôn đƣợc xem là ƣu tiên hàng đầu và mang tính quyết định trong việc đáp ứng nhu cầu năng lƣợng của thế giới trong tƣơng lai [1]. Hiện nay, theo thuật ngữ về nhiên liệu, thì sinh khối (biomass) đƣợc xem là nhiên liệu ở dạng rắn, nhiên liệu sinh học (biofuel) là những nhiên liệu dƣới dạng lỏng thu nhận từ sinh khối và cuối cùng khí sinh học (biogas) là sản phẩm của quá trình phân giải yếm khí các chất hữu cơ [1]. Hai dạng nhiên liệu sinh học phổ biến nhất đó là biodiesel và bio-ethanol, là hai dạng nhiên liệu tƣơng ứng có thể thay thế đƣợc cho diesel và gasoline mà không cần cải tiến nhiều hoặc không cần cải tiến động cơ các phƣơng tiện giao thông cũng nhƣ máy móc sản xuất. Chúng đƣợc sản xuất chủ yếu từ sinh khối hay các nguồn năng lƣợng tái sinh khác và góp phần giảm thiểu khí thải từ việc đốt cháy nhiên liệu so với nhiên liệu hóa thạch tính trên cùng một đơn vị hiệu suất [80]. - Định nghĩa Biodiesel Biodiesel là hỗn hợp các alkyl monoesters thu nhận đƣợc từ quá trình chuyển vị ester dầu thực vật và mỡ động vật [80], có khả năng thay thế cho diesel từ dầu mỏ. Hình 1. 3: Bảng thống kê sử dụng các nguồn năng lƣợng 3
  14. 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL 1.2. Tầm quan trọng của biodiesel và khả năng thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch Gần đây, con ngƣời đang quan tâm đến hai vấn đề quan trọng, đó là môi trƣờng và sự khủng hoảng năng lƣợng. Đối với môi trƣờng, sự nóng dần lên của trái đất chính là tâm điểm. Mọi ngƣời đều biết rằng sử dụng nhiên liệu hóa thạch chính là nguyên nhân gây ra sự nóng dần lên của toàn cầu, vì vậy nguồn năng lƣợng sạch và có khả năng tái sinh sản xuất từ sinh khối nhằm thay thế cho nhiên liệu hóa thạch là rất cấp thiết để giảm thải CO2. Ngoài ra, sự khủng hoảng năng lƣợng khiến cho giá dầu thô trên thế giới ngày càng tăng, ảnh hƣởng đến tình hình năng lƣợng sử dụng trong gia đình cũng nhƣ trong khu vực [67]. Xét trên lĩnh vực môi trƣờng, giao thông vận tải và sản xuất công nghiệp là những nguồn thải chủ yếu của con ngƣời. Khảo sát tại liên minh Châu Âu, ngƣời ta nhận thấy có đến 20% khí thải nhà kính là do giao thông vận tải và 60% khí thải nhà kính xuất phát từ các khu công nghiệp [20]. Nông nghiệp là nguồn thải lớn thứ ba, tƣơng ứng khoảng 9% khí thải nhà kính, trong đó quan trọng nhất là các khí nitrous oxide N2O và khí methane CH4 [21]. Theo dự đoán, sự phát triển của các nền kinh tế mới đang tăng trƣởng nhƣ Ấn Độ và Trung Quốc sẽ làm gia tăng sự tiêu thụ năng lƣợng trên toàn cầu, dẫn đến thêm nhiều mối nguy hại cho môi trƣờng [35]. Khí nhà kính không chỉ góp phần gây ra hiện tƣợng nóng dần lên của trái đất mà còn gây ra nhiều ảnh hƣớng khác tới môi trƣờng và đời sống nhân loại. Các đại dƣơng hấp thụ khoảng một phần ba lƣợng CO2 thải ra mỗi năm do các hoạt động của con ngƣời. Khi nồng độ CO2 tăng lên trong không khí, lƣợng hòa tan trong nƣớc biển cũng tăng, dẫn đến giảm pH và nƣớc biển có tính acid hơn. Sự giảm pH là một điều kiện bất lợi có thể gây ra những hủy hoại nhanh chóng đối với các rặng san hô cũng nhƣ sự đa dạng sinh thái đại dƣơng, vốn có quan hệ to lớn trong đời sống các sinh vật đại dƣơng và trên cạn [55]. Chính sự nóng dần lên của trái đất đã, đang và sẽ tiếp tục ảnh hƣởng đến nhiều khía cạnh khác nhau của đời sống nhân loại và môi trƣờng trên toàn cầu, chúng ta cần không phải chỉ riêng lẻ một mà là một loạt các giải pháp để có thể cải thiện và khắc phục vấn đề bức bách này [40]. Xét trên lĩnh vực khủng hoảng năng lƣợng, sự sụt giảm nguồn nguyên liệu dầu thô dự trữ và những khó khăn trong việc trích ly và tinh luyện chúng dẫn đến sự gia tăng về giá thành [40]. Đây thực sự là những trở ngại lớn đối với vấn đề giao thông 4
  15. 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL vận tải, vì cho tới hiện nay vẫn chƣa tìm ra đƣợc nguồn nguyên liệu nào có thể thay thế cho nguồn nguyên liệu hóa thạch với giá thành tƣơng đƣơng [80]. Tìm kiếm những nguồn nguyên liệu sạch và có khả năng tái sinh là một trong những vấn đề thách thức nhất mà con ngƣời đang phải đối mặt trong hiện tại lẫn về lâu dài. Đây là vấn đề liên quan mật thiết với sự phát triển kinh tế và sự thịnh vƣợng cũng nhƣ chất lƣợng cuộc sống, sự bền vững toàn cầu do đó đòi hỏi các nhà đầu tƣ phải có những quyết định lâu bền và những giải pháp dài hạn [80]. Hiện nay, nhiều lựa chọn đang đƣợc nghiên cứu và đƣa vào thực nghiệm, đã đạt đƣợc những mức độ thành công khác nhau trong các giai đoạn nghiên cứu và thực nghiệm khác nhau, bao gồm các nguồn năng lƣợng nhƣ năng lƣợng mặt trời, bao gồm cả nhiệt năng và quang năng, thủy điện, địa nhiệt, gió, nhiên liệu sinh học, và sự cô lập carbon, cùng những loại khác [19, 27]. Mỗi loại đều có những ƣu điểm cũng nhƣ những vấn đề vƣớng mắc, tùy thuộc vào khu vực áp dụng, những điều kiện khác nhau sẽ có mức độ phù hợp tốt hơn đối với từng loại phƣơng pháp. Mục tiêu quan trọng đó là giảm thiểu các khí thải từ các phƣơng tiện chuyên chở, nhƣ là thay thế dần từng bƣớc một nguồn nguyên liệu hóa thạch bằng những nguồn nguyên liệu tái sinh, trong đó nhiên liệu sinh học đƣợc xem là một cộng tác viên thực sự để đạt đƣợc những mục tiêu đó, đặc biệt trong tƣơng lai gần [80]. Trái đất nóng dần lên, do sự gia tăng nồng độ của khí nhà kính trong không khí, đã và đang là mối lo ngại quan trọng nhất về môi trƣờng [85]. Giảm bớt sự hình thành CO2 trong khí quyển, nhiệm vụ hàng đầu của việc làm giảm hiệu ứng nhà kính, có thể thực hiện bởi ba phƣơng pháp sau [6]: - Giảm bớt sử dụng nhiên liệu hóa thạch - Loại bỏ CO2 trong khí quyển - Thu hồi và cô lập hoặc tận dụng CO2 từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch trƣớc khi nó đƣợc thải ra môi trƣờng. Sản xuất nhiên liệu sinh học có thể đem lại những cơ hội mới góp phần gia tăng sự đa dạng về các nguồn thu nhập cũng nhƣ các nguồn cung cấp năng lƣợng, cụ thể là đẩy mạnh việc làm ở các vùng nông thôn, phát triển sự thay thế dài hạn đối với nguồn nhiên liệu hóa thạch, và giảm bớt lƣợng khí thải nhà kính, đẩy mạnh việc loại bỏ Carbon từ các nhiên liệu vận tải và nâng cao sự an toàn trong việc cung cấp nhiên liệu [80]. 5
  16. 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL Tìm kiếm những nguồn nguyên liệu thay thế đang là vấn đề nóng bỏng đối với nhiều nƣớc, đặc biệt là những nƣớc thiếu các nguồn tài nguyên năng lƣợng thông thƣờng. Vào những thập niên 1930 và 1940, dầu thực vật đã đƣợc sử dụng nhƣ là nhiên liệu diesel trong những trƣờng hợp khẩn cấp. Trong những năm gần đây, khi nền công nghiệp hiện đại phát triển ngày một rộng rãi và quy mô, nhu cầu về năng lƣợng đã gia tăng đột biến, vì vậy những nguồn năng lƣợng thay thế đang đƣợc thăm dò và nghiên cứu ráo riết. Trong tổng số các động cơ phƣơng tiện hiện nay, tỷ lệ phƣơng tiện sử dụng nhiên liệu diesel ngày càng phổ biến và đƣợc sử dụng nhiều hơn. Thêm vào đó, động cơ diesel cũng đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp [75]. Vì vậy, nhiên liệu diesel là nguồn sử dụng lớn nhất trong số các nhiên liệu dầu mỏ sử dụng cho động cơ, và tỷ lệ này tăng lên liên tục ngày qua ngày [11]. Từ đó, nhu cầu đối với biodiesel càng trở nên cấp thiết, và thuật ngữ “biodiesel” xuất hiện một cách thƣờng xuyên trong các bài báo cáo gần đây [24]. Biodiesel đƣợc sản xuất từ sinh khối dầu (biomass oils), chủ yếu là từ dầu thực vật. Biodiesel trở thành nguồn năng lƣợng đáng đƣợc chú ý vì những lý do nhƣ sau. - Thứ nhất, biodiesel là nguồn năng lƣợng tái sinh có thể đáp ứng cung và cầu. Ngƣời ta đã ƣớc tính đƣợc rằng lƣợng dầu mỏ dự trữ sẽ hoàn toàn cạn kiệt trong vòng 50 năm trở lại tính theo mức tiêu thụ hiện nay [70]. - Thứ hai, biodiesel cho thấy thân thiện với môi trƣờng hơn các loại nhiên liệu hóa thạch. Sử dụng biodiesel không làm gia tăng lƣợng khí thải carbon dioxide nhƣng lại có hàm lƣợng các khí sulfur thấp hơn hẳn [4, 82]. Thành phần khí thải sulfur và carbon monoxide giảm thiểu lần lƣợt là 30% và 10% khi sử dụng biodiesel. Lƣợng khí tạo thành trong quá trình đốt cháy nhiên liệu có thể ít lại, và sự giảm bớt carbon monoxide là nhờ vào hàm lƣợng oxygen cao có trong biodiesel. Hơn nữa, biodiesel không chứa các hợp chất dễ bay hơi và các hợp chất hóa học khác gây hại cho môi trƣờng. Gần đây, các cuộc điều tra cho thấy rằng sử dụng biodiesel giảm thiểu đƣợc 90% chất độc hại trong không khí và 95% các bệnh ung thƣ khi so sánh với diesel thông thƣờng [69]. - Thứ ba, biodiesel đem lại tiềm năng kinh tế đáng kể bởi vì trong tƣơng lai, các dạng năng lƣợng không tái sinh nhƣ nhiên liệu hóa thạch sẽ ngày một gia tăng giá thành là một điều không thể tránh khỏi [10]. - Cuối cùng, biodiesel tốt hơn diesel thông thƣờng ở nhiệt độ phát cháy và khả năng phân hủy sinh học [45]. 6
  17. 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL Nguồn sinh khối không những sẽ trở thành nguồn cung cấp năng lƣợng bền vững mà còn góp phần vào cuộc sống xã hội trong khu vực nhờ giúp gia tăng các hoạt động thƣơng mại và tạo nhiều cơ hội việc làm cho nông dân. Vi tảo, thu nhận dƣới dạng sinh khối, là một nguồn năng lƣợng tái sinh rất tiềm năng, và chúng có thể đƣợc chuyển hóa thành năng lƣợng dƣới dạng nhiên liệu sinh học bao gồm dầu và gas. Vì vi tảo có hàm lƣợng nƣớc nhiều, do đó không phải toàn bộ lƣợng sinh khối có thể áp dụng thành năng lƣợng. Sử dụng phƣơng pháp nhiệt hóa học có thể sản xuất ra dầu và gas, và bằng các phƣơng pháp hóa sinh để sản xuất ra ethanol và biodiesel. Sản phẩm từ vi tảo có các đặc tính tƣơng tự nhƣ các sản phẩm từ dầu thực vật và dầu cá, vì vậy, nó có thể thay thế đƣợc cho dầu mỏ [67]. 1.3. Nguyên tắc điều chế và nhu cầu về lipid trong sản xuất biodiesel Biodiesel là hỗn hợp các ester giữa acid béo và alkyl thu đƣợc thông qua quá trình chuyển vị ester của dầu thực vật hay mỡ động vật. Nguồn nguyên liệu lipid dầu thực vật hay mỡ động vật bao gồm 90-98% khối lƣợng là các triglyceride và một lƣợng nhỏ các mono và diglyceride, acid béo tự do chiếm khoảng 1-5%, phần còn lại là các phospholipid, phosphatide, carotene, tocopherol, hợp chất sulphur, và một ít nƣớc [7]. Chuyển vị ester là một phản ứng phức tạp, bao gồm ba bƣớc chuyển đổi liên tiếp: triglyceride đƣợc chuyển hóa thành diglyceride, sau diglyceride chuyển hóa thành monoglyceride,và monoglyceride sẽ chuyển hóa thành các ester (biodiesel) và glycerol (phụ phẩm). Phản ứng chuyển vị ester tổng quát đƣợc mô tả trong hình sau, trong đó R1, R2, R3 tƣợng trƣng cho các hydrocarbon mạch dài, chính là các acid béo [80]. Hình 1. 4: Phản ứng chuyển vị ester 7
  18. 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL Trong phản ứng chuyển vị ester, tác nhân phản ứng là dầu hay mỡ cùng các alcohol có mạch carbon ngắn (thƣờng là methanol), có sự hiện diện của chất xúc tác (thƣờng là NaOH). Mặc dù tỷ lệ phân tử gam giữa alcohol : dầu theo lý thuyết là 3:1 nhƣng thông thƣờng ngƣời ta áp dụng theo tỷ lệ 6:1 để phản ứng xảy ra hoàn toàn. Mối quan hệ giữa nguyên liệu đầu vào và sản phẩm biodiesel đầu ra đạt tỷ lệ khoảng 1:1, nghĩa là theo lý thuyết, 1kg dầu sẽ tạo ra đƣợc 1 kg biodiesel [80]. Có thể sử dụng chất xúc tác đồng thể hay dị thể, acid, base hoặc enzyme lipase để tăng mức độ phản ứng chuyển vị ester, mặc dù đối với vài quá trình sử dụng các chất lỏng siêu tới hạn (methanol hoặc ethanol) có thể không cần dùng đến các chất xúc tác [84]. Trong công nghiệp, thƣờng sử dụng nhất là các chất xúc tác đồng thể có tính kiềm (ví dụ nhƣ NaOH hay KOH) trong các bình phản ứng có khuấy đảo, thực hiện theo mẻ [80]. Các phản ứng chuyển vị ester đƣợc xúc tác bởi các chất có tính kiềm có tốc độ phản ứng nhanh hơn 4000 lần so với xúc tác bởi acid [25]. Trong phân tử triglyceride, khối lƣợng glycerol là khoảng 41 g/mol, trong khi khối lƣợng các gốc acid béo dao động từ 650-790 g/mol. Chính thành phần các gốc acid béo tạo ra các nhóm hoạt động trong phân tử glyceride, và chúng có tầm ảnh hƣởng đáng kể đến tính chất của dầu thực vật và mỡ động vật [11]. Trong quá trình sản xuất biodiesel, ngƣời ta có thể sử dụng nguồn lipid từ dầu thực vật, mỡ động vật hoặc các loại dầu thải. Tuy nhiên, để sản xuất biodiesel đạt chuẩn nhiên liệu, tính chất của nguồn nguyên liệu rất quan trọng, ngay từ quá trình nghiên cứu ban đầu cho tới giai đoạn sản xuất, vì chất lƣợng của biodiesel phụ thuộc vào chất lƣợng nguồn nguyên liệu [11]. Những nguồn nguyên liệu giàu các acid béo chƣa bão hòa chứa nhiều nối đôi (polyunsaturated) thì dễ mắc phải quá trình oxy hóa hơn các nguồn lipid có nhiều acid béo bão hòa hay chỉ có một nối đôi trong mạch (monounsaturated) [11]. Tuy nhiên, biodiesel từ nguồn nguyên liệu chứa một lƣợng lớn các acid béo bão hòa sẽ có nhiệt độ điểm sƣơng (nhiệt độ biodiesel bắt đầu xuất hiện tinh thể) và nhiệt độ dòng chảy (nhiệt độ thấp nhất mà biodiesel vẫn có thể bơm và chảy đƣợc trong ống dẫn) cao. Thực tế cho thấy, biodiesel từ dầu thực vật có nhiệt độ điểm sƣơng và nhiệt độ dòng chảy thấp hơn biodiesel từ mỡ động vật [11]. Nếu nguồn nguyên liệu lipid chứa một lƣợng lớn các acid béo tự do và nƣớc thì quá trình chuyển vị ester sẽ gặp nhiều khó khăn vì chúng không thể chuyển hóa đƣợc thành biodiesel thông qua phản ứng xúc tác với kiềm. Đây là vấn đề vƣớng 8
  19. 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL mắc khi sử dụng dầu đã qua chế biến, dầu thải nhà hàng, dầu cặn, mỡ động vật làm nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel dù đây là những nguồn nguyên liệu có giá thành rẻ [11]. Thành phần ester phổ biến nhất trong biodiesel là ester của các acid palmitic, acid stearic, acid oleic, acid linoleic và acid linolenic. Các loại nguyên liệu nhƣ đậu nành, hoa hƣớng dƣơng, hạt cải dầu (canola), cọ và lạc có thành phần lipid khá phù hợp nhƣ trên [26]. Trong số đó, methyl oleate đƣợc xem là thành phần chính lý tƣởng để sản xuất biodiesel. Một số ester khác nhƣ methyl palmitoleic cũng có những ƣu điểm, khi so với methyl oleate thì trội hơn về nhiệt độ đông đặc thấp [26]. Bảng 1. 1: Các acid béo thƣờng có trong các nguồn nguyên liệu dùng sản xuất biodiesel [26] 1.4. Các nguồn nguyên liệu giàu lipid phục vụ cho việc sản xuất biodiesel và tiềm năng của vi tảo Thông thƣờng, biodiesel chủ yếu đƣợc sản xuất từ dầu của đậu nành và các loại rau quả [9], cọ [2], hoa hƣớng dƣơng [4], hạt cây cải dầu [58] cũng nhƣ dầu phế thải từ các nhà hàng [8]. Số lƣợng nguyên tử carbon trong chuỗi mạch carbon của phân tử dầu diesel vào khoảng 15C, và điều này gần nhƣ tƣơng ứng với dầu thực vật với chuỗi carbon vào khoảng 14-18C. Các đặc điểm về cấu trúc của biodiesel cho thấy rằng biodiesel có thể ứng dụng để thay thế đƣợc cho năng lƣợng thông thƣờng. Hiện tại, giá thành của biodiesel thì cao gấp 2 lần so với diesel thƣờng. Chi phí sản xuất biodiesel bao gồm 2 phần chính, đó là chi phí cho nguồn nguyên liệu thô (dầu thực vật và mỡ động vật) và chi phí quá trình. Chi phí cho nguồn nguyên liệu thô chiếm khoảng 60-75% tổng chi phí nhiên liệu biodiesel [39]. Dù vậy, vẫn có thể tìm đƣợc một lƣợng lớn dầu mỡ giá thành thấp từ các chế phẩm phế thải nhà 9
  20. 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL hàng và từ động vật [30], vấn đề chính khi sử dụng những nguồn dầu mỡ này đó là chúng thƣờng chứa nhiều acid béo tự do gây khó khăn cho quá trình sản xuất biodiesel thông qua quá trình chuyển vị ester [17]. Nguồn nguyên liệu thô có tỷ lệ triglyceride cao thì phù hợp hơn. Ví dụ nhƣ dầu thực vật là loại nguyên liệu có tỷ lệ triglyceride rất cao, do đó nó đƣơc sử dụng để sản xuất biodiesel trong vài năm qua [18]. Tuy nhiên, dầu thực vật còn là nguồn tiêu thụ của con ngƣời. Vì vậy sử dụng dầu thực vật sản xuất biodiesel có thể làm cho giá thành dầu thực vật dùng trong thực phẩm tăng cao, từ đó dẫn đến giá thành biodiesel cao và ngƣời tiêu dùng hạn chế sử dụng dù rằng biodiesel có nhiều ƣu điểm hơn so với diesel [80]. Dầu thực vật đƣợc sử dụng trong nhiều mục đích thƣơng mại và khả năng cung ứng dầu thực vật cho việc sản xuất biodiesel thì không thể đáp ứng nổi tiềm năng thƣơng mại của biodiesel trên một khu vực. Một ví dụ cụ thể đó là để đáp ứng đƣợc 10% chỉ tiêu tại EU từ việc sản xuất quy mô hộ gia đình, thì nguồn nguyên liệu thực sự cung cấp không đủ cho nhu cầu hiện tại, và sự đòi hỏi về diện tích canh tác thì vƣợt xa tiềm năng phát triển đất trồng đối với các loại cây trồng sản xuất năng lƣợng sinh học [68]. Mở rộng trồng trọt, áp lực trong sự thay đổi sử dụng đất trồng và sự gia tăng các cánh đồng canh tác có thể dẫn tới cạnh tranh đất đai và làm mất đi sự đa dạng sinh học do sự lấn chiếm rừng và các vùng sinh thái quan trọng [64]. Biodiesel sẽ không còn đƣợc xem là một giải pháp ƣu việt khi nó chiếm dụng nguồn cây trồng phục vụ cho những lợi ích khác của con ngƣời hay nguồn nguyên liệu của nó xâm lấn vào diện tích rừng và các môi trƣờng trọng yếu khác có liên quan mật thiết đến sự đa dạng sinh học [80]. Giá thành và những khó khăn trong việc thu nhận và tinh chế các nhiên liệu hóa thạch cùng những chính sách ở cấp độ khu vực cho tới quốc gia sẽ ngày càng thúc đẩy gia tăng sản xuất biodiesel hoặc các loại nhiên liệu tái sinh khác. Và để biodiesel có thể trở thành quen thuộc đối với ngƣời tiêu dùng thì giá cả của nó phải cạnh tranh đƣợc với diesel thông thƣờng. Do đó mục tiêu đặt ra là phải giảm bớt đƣợc chi phí cho nguồn nguyên liệu thô vốn chiếm 60-70% tổng chi phí nhiên liệu biodiesel [11]. Để không phải cạnh tranh với nguồn dầu thực phẩm, biodiesel nên đƣợc sản xuất từ các nguồn nguyên liệu giá thành rẻ nhƣ là các nguồn dầu phi thực phẩm, sử dụng dầu rán, mỡ động vật, dầu cặn, và dầu nhờn. Tuy nhiên, khối lƣợng dầu thải và mỡ động vật sẵn có thì không đủ để đáp ứng nhu cầu biodiesel hiện nay. Vì vậy, 10
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2