Công nghệ nano và ứng dụng năng lượng từ tảo biển

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO ĐỀ TÀI: NĂNG LƯỢNG TỪ TẢO BIỂN
HỌC PHẦN: SEMINAR VÀ THẢO LUẬN NHĨM VỀ CƠNG
NGHỆ NANO VÀ ỨNG DỤNG

Họ và tên

: Dương Văn Quang

Mã sinh viên

: 17021379

Lớp

: K62E

Giảng viên

: TS Nguyễn Đình Lãm
TS Vũ Thị Thao

Hà nội, ngày 2 tháng 6 năm 2021


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: các dạng tảo biển .................................................................................................................. 4
Hình 2: sơ đồ hệ thống ao mở để ni tảo ....................................................................................... 11
Hình 3: sơ đồ cơ chể phản ứng quang hình ống ............................................................................... 12

Hình 4: các quá trình biến đổi sinh khối của vi tảo ........................................................................... 13

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: thành phần của các lồi tảo khác nhau (trích: A. Singh, S.I. Olsen, Appl. Energy 88 (3548)
(2011)) ................................................................................................................................................ 5
Bảng 2: hàm lượng dầu của vi tảo ...................................................................................................... 8
Bảng 3: sản lượng dầu ở mỗi loại cây trồng ....................................................................................... 8


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................2
MỤC LỤC .................................................................................................................1
LỜI MỞ ĐẦU ...........................................................................................................3
I.

TỔNG QUAN VỀ TẢO BIỂN ................................................................4
1.

Tảo biển .....................................................................................................4

Hình 1: các dạng tảo biển ................................................................................4
2.

Thành phần cấu tạo tảo ...........................................................................5

Bảng 1: thành phần của các lồi tảo khác nhau (trích: A. Singh, S.I.
Olsen, Appl. Energy 88 (3548) (2011)) ...........................................................5
3.
II.

Phân loại tảo .............................................................................................6
NGUỒN NĂNG LƯỢNG TỪ TẢO BIỂN .............................................7

1.

Tiềm năng năng lượng từ tảo biển..........................................................7

Bảng 2: hàm lượng dầu của vi tảo[2] .............................................................8
Bảng 3: sản lượng dầu ở mỗi loại cây trồng[8] .............................................8
2.

Một số tiềm năng khác của tảo biển .......................................................9

III.

KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TẢO BIỂN .........................................10

1.

Ni trồng tảo .........................................................................................10

Hình 2: sơ đồ hệ thống ao mở để ni tảo ....................................................11
Hình 3: sơ đồ cơ chể phản ứng quang hình ống ..........................................12
2.

Màng sinh học tảo ..................................................................................12

3.

Thu hoạch và chiết suất dầu..................................................................13

Hình 4: các quá trình biến đổi sinh khối của vi tảo [5] ................................13
4.

Phản ứng Transesterification ................................................................14

IV.

TẦM NHÌN VÀ HẠN CHẾ...................................................................15

1.

Tầm nhìn .................................................................................................15

2.

Hạn chế....................................................................................................15

KẾT LUẬN .............................................................................................................16
Tài liệu Tham Khảo ...............................................................................................17
1


2


LỜI MỞ ĐẦU
Năng lượng là yêu cầu tối đa để thúc đẩy tổ chức và duy trì tồn bộ hệ sinh thái. Việc
chúng ta tiếp tục phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí đốt tự

nhiên là nguồn năng lượng chính đã dẫn đến những lo ngại nghiêm trọng về an ninh và
cung cấp năng lượng trong tương lai. Hơn nữa, việc tiêu thụ quá mức các nguồn năng lượng
hóa thạch dựa trên carbon làm nảy sinh các vấn đề môi trường nghiêm trọng dẫn đến sự
nóng lên tồn cầu và biến đổi khí hậu. Để vượt qua nhu cầu năng lượng toàn cầu và cho
phép phát triển kinh tế cũng như sinh thái một cách bền vững, tiến bộ công nghệ để sử
dụng năng lượng tự nhiên tái tạo là điều cần thiết để bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng
lượng trong thế giới ngày càng cạnh tranh hiện nay.
Vì vậy, nhiên liệu sinh học tảo đang được tuyên bố là một nguồn năng lượng thay thế
phù hợp và trong quá khứ gần đây, một số nhóm phân loại của tảo đã được nghiên cứu và
báo cáo như một sự thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Người ta dự kiến rằng sinh khối tảo
có thể dễ dàng được chế biến thành nguyên liệu thô để tạo ra nhiên liệu sinh học hiệu quả
về chi phí và đang được khám phá như một loại cây năng lượng xanh mới nổi và có thể tái
tạo để sản xuất nhiên liệu sinh học, đặc biệt là diesel sinh học. Sự phát triển của những đổi
mới công nghệ đáng kinh ngạc trong lĩnh vực công nghệ gen tảo đã tạo ra sản lượng đáng
kể trong ngành năng lượng toàn cầu cho nhiên liệu sinh học tốt hơn. Một số kỹ thuật mới
đang được áp dụng để nuôi quy mô lớn vi tảo nhằm sản xuất nhiên liệu sinh học. Tuy nhiên,
có những hạn chế nhất định đối với sản xuất năng lượng quy mô thương mại từ tảo. Bài
tổng quan này thảo luận về sự phát triển công nghệ và thông tin hiện tại về việc ni trồng
và quy trình sản xuất tảo dạng diesel sinh học. Ngoài ra, thảo luận là sự phát triển công
nghệ và hiểu biết bộ gen về sinh khối tảo và tích tụ triacylglycerol để tăng cường sản xuất
diesel sinh học.

3


I.

TỔNG QUAN VỀ TẢO BIỂN

1. Tảo biển

Thuật ngữ "tảo" bao gồm nhiều sinh vật khác nhau có khả năng sản xuất oxy thơng
qua quang hợp (q trình thu năng lượng ánh sáng từ mặt trời để tạo ra carbohydrate).
Những sinh vật này khơng nhất thiết phải có quan hệ mật thiết với nhau. Tuy nhiên, một
số đặc điểm nhất định đã liên kết chúng lại, đồng thời phân biệt chúng với một nhóm sinh
vật quang hợp chính khác thực vật trên cạn.

Hình 1: các dạng tảo biển
Theo các tác giả của " Algae: Anatomy, Biochemistry, and Biotechnology, 2nd Ed ."
(CRC Press, 2014). Nghĩa là chúng thiếu rễ, thân, lá và hệ thống mạch máu để luân chuyển
nước và chất dinh dưỡng đi khắp cơ thể. Thứ hai, nhiều loài tảo là đơn bào, theo một bài
báo năm 2014 được công bố trên tạp chí Current Biology. Chúng cũng tồn tại ở nhiều dạng
và kích cỡ khác nhau. Chúng có thể tồn tại dưới dạng các tế bào đơn lẻ, cực nhỏ; chúng có
thể là vĩ mơ và đa bào; sống trong các thuộc địa; hoặc có vẻ ngồi như lá như trong trường
hợp rong biển chẳng hạn như tảo bẹ khổng lồ. Picoplankton có đường kính từ 0,2 đến 2
micromet, trong khi các lá của tảo bẹ khổng lồ có chiều dài tới 60 mét. Cuối cùng, tảo được
tìm thấy trong những môi trường sống dưới nước, cả nước ngọt và nước mặn.
Nhờ những đặc điểm này, thuật ngữ chung "tảo" bao gồm các sinh vật nhân sơ - vi
khuẩn lam , còn được gọi là tảo xanh lam - cũng như các sinh vật nhân thực (tất cả các lồi
tảo khác). Linda Graham cho biết: "Vì" tảo "khơng tạo thành một nhóm tự nhiên có nguồn
gốc từ tổ tiên chung, bao gồm vi khuẩn lam vào nhóm khơng chính thức" tảo ", một giáo
sư thực vật học tại Đại học Wisconsin-Madison. "Thuật ngữ 'tảo nhân chuẩn' không bao
4


gồm vi khuẩn lam." Cũng rất thú vị khi lưu ý rằng lục lạp, là nơi quang hợp của thực vật
trên cạn, là dạng thích nghi của vi khuẩn lam.
Sinh vật nhân sơ bao gồm vi khuẩn và vi khuẩn cổ. Chúng là những sinh vật đơn giản
hơn khơng có cấu trúc tế bào có tổ chức và DNA của chúng trôi nổi tự do như một khối rối
trong tế bào chất. Mặt khác, sinh vật nhân chuẩn là tất cả các sinh vật sống khác: sinh vật
nguyên sinh , thực vật, nấm. Nguyên sinh là gì? và động vật. Tế bào của chúng có tổ chức

hơn. Chúng có cấu trúc gọi là bào quan để thực hiện một loạt các chức năng của tế bào và
DNA của chúng được đặt trong một ngăn trung tâm gọi là nhân.
2. Thành phần cấu tạo tảo
Trong thành phần cấu tạo của tảo biển có rất nhiều các hợp chất khác nhau trong đó
đặc biệt phải kể đến những hợp chất có lợi cho quy trình sản xuất khí hóa và dầu diesel
sinh học như: Lipid, Carbonhydrate, Metan, Amoniac, Dầu,...
Hiện nay trên thế giới các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát hiện có hơn 100 triệu
các lồi tảo khác nhau và thành phần cấu tạo của mỗi loài là khác nhau. Do đó, trong báo
cáo này ta chỉ tìm hiểu và đưa ra các lồi tảo cấu tạo tế bào có nhiều thành phần sinh khối.
Chứa hàm lượng dầu và các hợp chất khí sinh khối cao, chủ yếu là các lồi vi tảo có kích
thước hiển vi.
Bảng 1: thành phần của các lồi tảo khác nhau (trích: A. Singh, S.I. Olsen, Appl.
Energy 88 (3548) (2011))
Các loài tảo

Chất
(%)

đạm Lipid

Carbonhydrate Metan

NH3 (mg/g)

(%)

(%)

(L/g)

Euglena gracilis 39-61

14-20

14-18

0,53-0,8

54,3-84,9

Chamydomanas 48

21

17

0,69

44,7

2

26

0,8

53,1

rehardtii
Chlorella

57

pyrenoidosa

5


Chlorella

51-58

14-32

12-17

0,63-0,79

47,5-54,0

57

6

32

0,68

53,1

6-7

13-16

0,63-0,74

55,9-66,1

46-63

4-9

8-14

0,47-0,69

42,8-58,7

50-56

12-14

10-17

0,59-0,69

46,6-42,3

vulgaris
Dunaliella

salina
Tảo xoắn cực 60-67
đại
Spirulina
platensis
Scenedesmus
Obquus
Sắc tố, tốc độ tăng trưởng, kích thước, trọng lượng và thành phần hóa học của tảo bị
ảnh hưởng đáng kể bởi các điều kiện môi trường sống của chúng như ánh sáng, nhiệt độ,
pH, độ mặn, chất dinh dưỡng, ơ nhiễm và thậm chí là cả chuyển động của nước, đặc biệt
là tùy thuộc vào phân loại và loài của chúng[1]. Trong số các điều kiện, ánh sáng là yếu tố
đóng góp chính nhất[1]. Do đó, các lớp tảo vĩ mô được phân bố theo chiều dọc từ vùng
trên (vùng gần với mặt biển) đến vùng dưới biển dưới vì tảo có các sắc tố tương ứng, chúng
hấp thụ có chọn lọc ánh sáng có bước sóng cụ thể. Một số lồi tảo có thể chịu đựng và thích
nghi với nhiều điều kiện mơi trường sống khác nhau và chúng có thể sinh sản quanh năm.
3. Phân loại tảo
Macroalgae là những loài tảo tương đối lớn, đa bào và quang dưỡng, chúng thuộc
thực vật bậc thấp gồm một phiến lá đảm nhận cả chức năng thay cho rễ thân và lá. Chúng
có thể phát triển chiều dài lên đến 60m. Macroalgae được phân loại chủ yếu thành ba nhóm
chính theo màu sắc thallus có nguồn gốc từ các biến thể sắc tố quang hợp đó là màu xanh
lá cây (Chlorophyta), màu đỏ (Rhodophyta) và màu nâu (Phaeophyta).
Vi tảo là một trong những dạng thực vật nguyên thủy nhất. Chúng là vi sinh vật quang
hợp đơn bào hoặc đa bào có kích thước nhỏ hơn 400 micromet và bình thường là từ 1-20
micromet đường kính. Các nhà khoa học đã phân loại vi tảo thành nhiều loại khác nhau,
chủ yếu được phân biệt bằng sắc tố, vòng đời và cấu trúc tế bào cơ bản của chúng. Các lớp
6


hoặc loại vi tảo quan trọng nhất về mức độ phong phú của chúng là: tảo cát,
(Bacillariophyceae), lục (Chlorophyceae), vi khuẩn xanh lam và lam-lục (Cyanophyceae),

vàng (Chrysophyceae) và tảo đỏ (Rhodophyceae). Tảo cát là dạng sống thống trị trong thực
vật phù du và có lẽ đại diện cho nhóm sản xuất sinh khối lớn nhất trên Trái đất Vi khuẩn
lam được gọi là vi tảo xanh lam mặc dù chúng kết hợp các đặc điểm của vi khuẩn và tảo.
Vi tảo có thể được phân nhóm bổ sung thành quang hợp, không quang hợp, tự dưỡng, dị
dưỡng, hỗn hợp, nhân sơ và nhân thực. Các nhóm tảo cũng bao gồm các sinh vật đơn bào
khác nhau, là tập hợp các tế bào đơn giản, khơng có các mơ biệt hóa. Bên cạnh mơi trường
tự nhiên, vi tảo có thể được nuôi trồng trong nước ngọt, nước biển và nước thải trong các
ao mở (mương) và các lò phản ứng sinh học quang kín[6].
II.

NGUỒN NĂNG LƯỢNG TỪ TẢO BIỂN

1. Tiềm năng năng lượng từ tảo biển
Sinh khối tảo chứa ba thành phần chính: carbohydrate, protein và lipid / dầu tự nhiên.
Bởi vì phần lớn dầu tự nhiên do vi tảo tạo ra ở dạng tricylglycerol, là loại dầu thích hợp để
sản xuất diesel sinh học, vi tảo là trọng tâm độc quyền trong lĩnh vực tảo thành diesel sinh
học. Ngoài diesel sinh học, vi tảo cũng có thể được sử dụng để tạo ra năng lượng theo một
số cách khác. Một số lồi tảo có thể tạo ra khí hydro trong các điều kiện sinh trưởng chuyên
biệt. Sinh khối từ tảo cũng có thể được đốt cháy tương tự như gỗ hoặc được tiêu hóa yếm
khí để tạo ra khí sinh học mêtan để tạo ra nhiệt và điện. Sinh khối tảo cũng có thể được xử
lý bằng phương pháp nhiệt phân để tạo ra dầu sinh học thô.
Vi tảo phát triển nhanh chóng và chứa hàm lượng dầu cao so với các loại cây trồng
trên cạn, chúng mất một mùa để phát triển và chỉ chứa tối đa khoảng 5% trọng lượng khơ
của dầu. Chúng thường tăng gấp đơi kích thước sau mỗi 24 giờ. Trong giai đoạn tăng
trưởng cao điểm, một số lồi vi tảo có thể nhân đơi sau mỗi ba giờ rưỡi. Hàm lượng dầu
của vi tảo thường từ 20% đến 50% (trọng lượng khô, Bảng 2), trong khi một số chủng có
thể lên tới 80%[2]. Đây là lý do tại sao vi tảo là trọng tâm trong lĩnh vực tảo thành nhiên
liệu sinh học.
7

Bảng 2: hàm lượng dầu của vi tảo[2]
Hàm lượng dầu (% trọng lượng khô)

Microalgae
Botryococcus braunii

25-75

Chlorella sp.

28-32

Crypthecodinium cohnii

20

Schizochytrium sp.

50-77

Nitzschia sp.

45-47

Tetraselmis suecia

15-23

Phaeodactylum tricorn đờm

20-30

Cylindrotheca sp.

16-37

Bảng 3: sản lượng dầu ở mỗi loại cây trồng[8]
Mùa vụ

Sản lượng dầu (lít/hecta)

Tảo

20.000

Lạc

250

Đậu nành

3200

Mè (vừng)

220

Dừa

800

Cọ dầu

1900

Ngơ

1000

Từ bảng 3 ta có thể thấy tiềm năng phát triển sản xuất dầu sinh học của tảo biển vượt
trội hơn nhiều loại nông sản chứa dầu khác trên một đơn vị diện tích ni trồng. Lượng
dầu sản xuất được trên một đơn vị diện tích của tảo biển gấp khoảng 10-16 lần các loại
nông sản chứa dầu khác hiện nay đang được thương mại trên thị trường. Thậm chí có thể
gấp nhiều lần hơn nữa do thời gian sinh trưởng và phát triển của tảo biển rất nhanh, nhanh
hơn so với mùa vụ của nông sản chứa dầu đang được sản xuất thương mại. Từ đó cho thấy
8


tiềm năng phát triển to lớn của tảo biển với việc sản xuất dầu sinh học thay thế dầu sản
xuất bằng nhiên liệu hóa thạch.
2. Một số tiềm năng khác của tảo biển
Tảo khơng chỉ có tiềm năng về năng lượng mà chúng còn rất nhiều những ứng dụng
khác trong đời sống xã hội như:
-

Tảo có thể được ni trồng để sản xuất hydro. Năm 1939, các nhà nghiên cứu Đức
đã phát hiện một loại tảo có thể chuyển từ sản xuất oxy sang sản xuất hydro.

-

Tảo là một loại protein có chứa các axit amin quan trọng liên quan đến q trình
trao đổi chất, ví dụ sản xuất enzym và sản xuất năng lượng. Tảo chứa nhiều
cacbonhydrat phức và đơn, có thể cung cấp cho cơ thể nguồn dinh dưỡng bổ sung.
Cụ thể, các cacbonhydrat phức dạng sunfat hóa giúp cải thiện đáp ứng của hệ miễn
dịch, nó cũng chứa Omega 3 và Omega 6.

-

Tảo có thể được sử dụng để sản xuất dược phẩm và mỹ phẩm. Tảo caragen là chất
ổn định hóa có hiệu quả, được sử dụng trong các sản phẩm sữa hoặc mỹ phẩm.

-

Tảo có thể được sử dụng như chất cải tạo đất, sử dụng làm phân bón hoặc thức ăn
gia súc. Do nhiều giống tảo rất nhỏ và sống dưới nước nên chúng được đưa vào
ao hồ hoặc bể chứa nước và được thu hoạch để loại bỏ phế thải bơm qua ao hồ.

-

Tảo có thể được sử dụng như đường. Tảo tạo ra chất tạo màu tự nhiên, có thể được
sử dụng thay cho các chất tạo màu và thuốc nhuộm tổng hợp. Khi chịu tác độngcủa
ánh nắng Mặt Trời và nhiệt, một số giống tảo xanh sống trong các bể nước sẽ
chuyển dần sang màu đỏ tươi. Tảo này có thể được thu hoạch và sử dụng làm chất
tạo màu tự nhiên cho thực phẩm. Ngành thực phẩm đang tìm cách thay thế các tác
nhân tạo màu hiện đang sử dụng bằng các chất tạo màu sản xuất từ tảo.

-

Các sản phẩm giấy hiện nay thường khó tái chế do có dính mực. Nếu sử dụng mực

sản xuất từ tảo thì giấy có thể được tái chế dễ dàng do loại mực này dễ bị phân
hủy.
9


III. KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TẢO BIỂN
1. Nuôi trồng tảo
Hầu hết các lồi vi tảo đều có khả năng quang hợp nghiêm ngặt - nghĩa là chúng cần
ánh sáng và carbon dioxide làm nguồn năng lượng và carbon. Chế độ nuôi cấy này thường
được gọi là quang dưỡng. Tuy nhiên, một số lồi tảo có khả năng phát triển trong bóng tối
và sử dụng cácbon hữu cơ như glucose hoặc acetate làm nguồn năng lượng và carbon. Chế
độ nuôi cấy này được gọi là dị dưỡng. Do chi phí vận hành và vốn cao, việc ni tảo dị
dưỡng khó có thể biện minh cho việc sản xuất dầu diesel sinh học. Để giảm thiểu chi phí,
sản xuất nhiên liệu sinh học tảo thường dựa vào nuôi cấy quang dưỡng sử dụng ánh sáng
mặt trời làm nguồn ánh sáng miễn phí.
Vi tảo quang dưỡng cần ánh sáng, carbon dioxide, nước và muối vô cơ để phát triển.
Nhiệt độ nuôi cấy phải từ 15 đến 30 ° C (~ 60-80 ° F) để phát triển tối ưu. Mơi trường tăng
trưởng phải đóng góp các ngun tố vơ cơ giúp tạo nên tế bào tảo, chẳng hạn như nitơ,
phốt pho, sắt, và đôi khi là silic. Để sản xuất vi tảo với quy mô lớn, các tế bào tảo được
trộn liên tục để ngăn sinh khối tảo lắng xuống[4], và các chất dinh dưỡng được cung cấp
vào ban ngày khi tảo đang sinh sản. Tuy nhiên, tới một phần tư sinh khối tảo được tạo ra
trong ngày có thể bị mất đi do q trình hơ hấp vào ban đêm[3].
Sản xuất tảo nhân tạo có xu hướng tái tạo mơi trường tự nhiên để đạt được điều kiện
phát triển lý tưởng. Hệ thống sản xuất tảo có thể được tổ chức thành hai loại riêng biệt: ao
mở và lò phản ứng sinh học ảnh kín. Ao mở là những vùng nước đơn giản được trũng
xuống đất với một số cơ chế để cung cấp CO2 và các chất dinh dưỡng có mái chèo để trộn
với nước dùng tảo. Các lò phản ứng sinh học ảnh kín là một danh mục rộng đề cập đến các
hệ thống có giới hạn và cho phép kiểm sốt chính xác hơn các điều kiện tăng trưởng và
quản lý tài ngun.
Có nhiều hệ thống ni cấy vi tảo dựa trên quang dưỡng chất. Ví dụ, tảo có thể được

nuôi cấy ở dạng huyền phù hoặc gắn trên bề mặt rắn. Mỗi hệ thống đều có những ưu nhược
điểm riêng. Hiện nay, các ao mở dựa trên hệ thống huyền phù và các lò phản ứng quang
10


sinh học kèm theo thường được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học tảo. Nói chung,
một ao mở chỉ đơn giản là một loạt các mương bên ngoài, trong khi một lò phản ứng quang
học là một thiết kế lị phản ứng phức tạp có thể được đặt trong nhà kính hoặc ngồi trời.
Chi tiết của hai hệ thống được mơ tả dưới đây.

Hình 2: sơ đồ hệ thống ao mở để nuôi tảo
Ao mở: Các ao lộ thiên là hệ thống lâu đời nhất và đơn giản nhất để nuôi trồng hàng
loạt vi tảo. Trong hệ thống này, ao nông thường sâu khoảng 1 foot; tảo được nuôi trong các
điều kiện giống với môi trường tự nhiên của chúng. Ao được thiết kế theo cấu hình mương,
trong đó có một bánh guồng giúp lưu thơng và trộn các tế bào tảo và chất dinh dưỡng (Hình
2). Mương thường được làm từ bê tông đổ, hoặc chỉ đơn giản là chúng được đào xuống đất
và được lót bằng nhựa để ngăn mặt đất ngấm chất lỏng. Các vách ngăn trong kênh dẫn
dòng chảy xung quanh các khúc cua để giảm thiểu không gian. Hệ thống này thường được
vận hành theo chế độ liên tục - tức là thức ăn tươi có chứa các chất dinh dưỡng bao gồm
nitơ phốt pho và muối vơ cơ được thêm vào phía trước cánh khuấy. Nước dùng tảo được
thu hoạch sau cánh khuấy sau khi nó đã lưu thơng qua đường vịng (Hình 2). Tùy thuộc
vào chất dinh dưỡng mà các lồi tảo yêu cầu, nhiều nguồn nước thải khác nhau có thể được

11


sử dụng để nuôi tảo, chẳng hạn như nước thải từ đầm ni bị sữa / lợn và nước thải đơ thị.
Đối với một số loại vi tảo biển có thể sử dụng nước biển hoặc nước có độ mặn cao.

Hình 3: sơ đồ cơ chể phản ứng quang hình ống

Các bộ phản ứng quang kèm theo: Các bộ phản ứng quang đi kèm đã được sử dụng
để khắc phục các vấn đề ô nhiễm và bay hơi gặp phải trong các ao mở[4]. Các hệ thống
này được làm bằng vật liệu trong suốt và thường được đặt ngoài trời để chiếu sáng bằng
ánh sáng tự nhiên. Các bình canh tác có tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn.
Photobioreactor được sử dụng rộng rãi nhất là một thiết kế hình ống, có một số ống
trong suốt rõ ràng, thường thẳng hàng với tia nắng mặt trời (Hình 3). Các ống này thường
có đường kính nhỏ hơn 10 cm để tối đa hóa sự xâm nhập của ánh sáng mặt trời[3]. Mơi
trường ni cấy được tuần hồn thơng qua một máy bơm đến các ống, nơi nó tiếp xúc với
ánh sáng để quang hợp, và sau đó quay trở lại bể chứa. Sinh khối tảo được ngăn chặn lắng
đọng bằng cách duy trì dịng chảy hỗn loạn cao trong lò phản ứng, sử dụng máy bơm cơ
học hoặc máy bơm khơng khí[3]. Một phần tảo thường được thu hoạch sau các ống thu
năng lượng mặt trời[3]. Bằng cách này, có thể ni cấy tảo liên tục. Trong một số máy
phản ứng quang học, các ống được cuộn xoắn ốc để tạo thành cái được gọi là máy phản
ứng quang hình ống xoắn, nhưng những thứ này đơi khi yêu cầu chiếu sáng nhân tạo, điều
này làm tăng thêm chi phí sản xuất. Do đó, cơng nghệ này chỉ được sử dụng cho các sản
phẩm có giá trị cao, không phải là nguyên liệu sản xuất diesel sinh học.
2. Màng sinh học tảo

12


Màng sinh học do tảo tạo thành có thể được thu hoạch dễ dàng bằng cách sử dụng
các thao tác đơn vị như lọc, cạo, giảm kích thước và làm khô. Máy phản ứng quang được
sử dụng để sản xuất tảo chất lượng cao ở dạng không cuống hoặc chủ yếu là màng sinh
học. Tảo bám đã tạo ra nhiều dầu hơn dạng sinh vật phù du. Lý do hàm lượng lipid cao là
do sự thay đổi con đường chuyển hóa lipid của tảo gắn liền dẫn đến sự thay đổi tính lưu
động của màng tảo khiến chúng gắn vào lớp nền. Đối với sản xuất quy mô nhỏ cũng như
quy mô lớn, các phản ứng quang được sử dụng trong đó ánh sáng tự nhiên hoặc tổng hợp
có thể được sử dụng để nuôi tảo.
3. Thu hoạch và chiết suất dầu

Sản xuất dầu từ tảo là một quá trình đơn giản bao gồm nuôi trồng tảo bằng cách cung
cấp các đầu vào cần thiết cho quá trình quang hợp, thu hoạch, khử nước và khai thác dầu.
Năng lượng dưới dạng photon được hấp thụ bởi các tế bào tảo, chúng chuyển đổi các hợp
chất vô cơ của CO 2 và nước thành đường và oxy. Đường cuối cùng được chuyển đổi thành
carbohydrate phức tạp, tinh bột, protein và lipid trong tế bào tảo. Để chiết xuất các chất
béo có giá trị, một loạt các bước phải được thực hiện để cơ lập tế bào tảo và dầu.
Q trình truyền thống bắt đầu bằng cách tách sinh khối tảo khỏi nước dùng trong
giai đoạn khử nước bằng cách sử dụng các kỹ thuật ly tâm, lọc hoặc keo tụ. Máy ly tâm

Hình 4: các quá trình biến đổi sinh khối của vi tảo [5]
13


thu thập sinh khối bằng cách quay nước tảo-nước để nước trôi ra khỏi tế bào tảo. Keo tụ
liên quan đến việc kết tủa các tế bào tảo ra khỏi dung dịch để chúng có thể được cơ đặc và
loại bỏ dễ dàng. Khi các tế bào tảo đã được thu thập, dầu phải được loại bỏ khỏi các tế bào.
Sau đó, dầu có thể được chế biến thành dầu diesel sinh học, nhiên liệu máy bay, etanol,
nhiên liệu tổng hợp hoặc các hóa chất khác. Hình 4 giải thích các quá trình biến đổi sinh
khối vi lượng tổng thể để sản xuất nhiên liệu sinh học.
Hóa lỏng (khử nước) . Hàm lượng nước cao thường tồn tại trong vi tảo sau khi thu
hoạch đòi hỏi rất nhiều năng lượng để loại bỏ độ ẩm trong tế bào tảo trong giai đoạn tiền
xử lý. Hóa lỏng đã được phát triển để sản xuất nhiên liệu sinh học trực tiếp mà không cần
làm khô vi tảo. Hơn nữa, vi tảo ướt có thể cung cấp hydro cho q trình thủy phân.
4. Phản ứng Transesterification
Dầu diesel sinh học thường được sản xuất bằng cách chuyển hóa dầu thực vật, mỡ
động vật hoặc nguyên liệu là tảo. Có một số phương pháp để thực hiện phản ứng
transesterification này bao gồm quy trình mẻ chung, quy trình siêu tới hạn, phương pháp
siêu âm và thậm chí cả phương pháp vi sóng.
Về mặt hóa học, diesel sinh học chuyển hóa bao gồm hỗn hợp các este mono-alkyl
của các axit béo chuỗi dài. Dạng liên kết nhất sử dụng metanol (được chuyển thành natri

metoxit) để sản xuất metyl este (thường được gọi là metyl este của axit béo (FAME)) vì
đây là loại rượu rẻ nhất hiện có; mặc dù etanol có thể được sử dụng để tạo thành etyl este
(thường được gọi là etyl este của axit béo (FAEE)), dầu diesel sinh học và các rượu cao
hơn như isopropanol và butanol cũng đã được sử dụng. Sử dụng rượu có trọng lượng phân
tử cao hơn cải thiện tính chất dịng lạnh của este tạo thành, với chi phí là phản ứng
transesteri hóa kém hiệu quả hơn. Q trình sản xuất chuyển hóa lipid chuyển đổi dầu gốc
thành các este mong muốn. Bất kỳ axit béo tự do (FFAs) nào trong dầu gốc đều được
chuyển hóa thành xà phịng hoặc bị loại bỏ khỏi quy trình, hoặc chúng được este hóa (tạo
ra nhiều dầu diesel sinh học hơn) bằng cách sử dụng chất xúc tác có tính axit. Sau q trình
xử lý này, diesel sinh học có các đặc tính đốt cháy rất giống với diesel dầu mỏ và có thể
thay thế nó trong hầu hết các mục đích sử dụng hiện nay.
14


Metanol được sử dụng trong hầu hết các quy trình sản xuất diesel sinh học được tạo
ra bởi nguyên liệu đầu vào là nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, có những nguồn methanol
tái tạo được tổng hợp bằng cách sử dụng carbon dioxide hoặc sinh khối làm nguyên liệu
thô, làm cho q trình sản xuất của chúng khơng sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
IV. TẦM NHÌN VÀ HẠN CHẾ
1. Tầm nhìn
-

Có hàm lượng dầu cao,

-

Có thể thay thế dầu mỏ,

-

Thân thiện với mơi trường,

-

Tốc độ tăng trưởng nhanh,

-

Thích nghi với nhiều điều kiện mơi trường sống,

-

có thể trồng ở các thềm lục địa nông, hoặc trồng ngay trên sa mạc.

2. Hạn chế
-

nguồn tảo tự nhiên lại gần như vô giá trị,

-

Nuôi trồng nhiều ảnh hưởng đến thực, động vật bậc cao hơn trong chuỗi thức
ăn,

-

sự tạp nhiễm các lồi khơng mong muốn trong giai đoạn nuôi trồng,

-

Công nghệ chiết phức tạp,

-

Dầu sản xuất ra có giá thành cao.

15


KẾT LUẬN
Vi tảo là một nguồn nguyên liệu diesel sinh học lý tưởng, cuối cùng có thể thay thế
nhiên liệu từ dầu mỏ do một số ưu điểm, chẳng hạn như hàm lượng dầu cao, tỷ lệ sản xuất
cao, ít đất đai, v.v. Hiện nay, sản xuất diesel sinh học từ tảo vẫn cịn q đắt để được thương
mại hóa. Do chi phí tĩnh liên quan đến khai thác dầu và chế biến dầu diesel sinh học và sự
biến đổi của sản xuất sinh khối tảo, các nỗ lực tiết kiệm chi phí để sản xuất dầu tảo nên tập
trung vào phương pháp sản xuất của chính loại tảo giàu dầu này. Điều này cần được tiếp
cận thông qua tăng cường cả sinh học tảo (về sản lượng sinh khối và hàm lượng dầu) và
kỹ thuật hệ thống ni. Ngồi ra, sử dụng tất cả các khía cạnh của vi tảo để sản xuất các
sản phẩm giá trị gia tăng khác nhau ngồi nhiên liệu tảo, thơng qua một nhà máy lọc sinh
học tích hợp, là một cách hấp dẫn để giảm chi phí sản xuất nhiên liệu sinh học tảo. Thật
vậy, vi tảo chứa một tỷ lệ lớn dầu, với các phần còn lại bao gồm một lượng lớn protein,
carbohydrate và các chất dinh dưỡng khác. Điều này làm cho bã sau chiết xuất dầu trở nên
hấp dẫn để sử dụng làm thức ăn gia súc hoặc các sản phẩm giá trị gia tăng khác.

16


Tài liệu Tham Khảo
[1] A. Moore, Biofuels are dead: long live biofuels, 2008, p. 6–12.
[2] F. M. Jr., Biodiversity and application of microalgae, 1996, pp. 5-6.

[3] Y. Chisti, Biodiesel from Microalgae. Biotechnology Advances, 2007, pp. 294-306.
[4] F. A. F. F. G. C. Y. C. E. Molina Grima, Photobioreactors: light regime, mass transfer, and scaleup,
1999.
[5] T. R. B. P. D. G. M. P. S. V. A. C. a. E. A. L. Rosana C. S. Schneider, Potential Production of Biofuel
from Microalgae Biomass Produced in Wastewater, 2012.
[6] C. G. Vassileva, Composition, properties and challenges of algae biomass for biofuel application,
2016.

[7] T. Quân, "hiephoixangdau.org," 2019. [Online]. Available:
[Accessed 11 12 2019].
[8] A. Moore, And some other online sources about the reserves and production of oil-containing
agricultural products, 2008.

17