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
1

Luận văn Thạc sỹ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh
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)
2Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

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


3Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6

Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

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
4Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7

Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

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

5Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

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
6Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

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
7Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

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
8Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

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
9Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

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.

10Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

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 CO
2
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
11Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

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
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.
Hình 1. Cây cải dầu (canola)
12Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

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
km
2
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
( 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
13Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

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.
14Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

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 (H
2
SO
2
,
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/γ-
Al
2
O
3
, K/NaOH/γ-Al
2
O
3
…) (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):
15Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
15


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh


(1) Triglyceride (TG) + R’OH Diglyceride (DG) + R’COOR
1

(2) Diglyceride (DG) + R’OH Monoglyceride(MG) + R’COOR
2

(3) Monoglyceride (MG) + R’OH Glycerol + R’COOR
3




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 (CH
3
(CH
2
)
14

-COOH), Stearic
(CH
3
(CH
2
)
16
-COOH), Oleic (CH
3
(CH
2
)
7
CH=CH(CH
2
)
7
COOH). 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 CH
3
OH 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.
Hình 2. Phản ứng chuyển vị ester tạo methyl-ester (biodiesel)

(a)-Phƣơng trình tổng quát, (b)-Các bƣớc của quá trình phản ứng
Xúc tác
t
o

(a)
(b)
Xúc tác
Xúc tác
Xúc tác
16Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
16


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

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).







17Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
17


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

Bảng 1. Năng suất dầu của một số nguồn nguyên liệu dùng cho sản xuất biodiesel
(Chisti, 2007)
Nguyên liệu
Năng suất dầu
(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
18Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
18


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

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, CO
2
thành sinh khối, đồng
thời giải phóng O
2
. Tảo bao gồm: vi
tảo (microalgae) và tảo lớn
(macroalgae, seaweed). Tảo lớn là
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
Hình 3. Tảo lớn (a) và vi tảo (b)
(Zhiyou và cs., 2009)

)
(b)
(a)
19Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
19


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

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

tảo còn có thể tạo ra khí methane bằng
con đường lên men kỵ khí sinh khối vi tảo
(Spolaore và cs., 2006) v.v…
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
CH
2
O-OCHCH
2
CH
2
……………CH
2
CH
3
CHO-OCHCH
2
CH

2
…………….CH
2
CH
3

CH
2
O-OCHCH
2
CH
3
………… CH
2
CH
3
Hình 4. Cấu trúc phân tử triglyceride




20Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
20


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

được nguồn nhiên liệu đủ đáp ứng cho nhu cầu năng lượng của thế giới trong tương
lai và thay thế hoàn toàn nguồn năng lượng từ dầu mỏ (Sharif and Aishah, 2008).
Bảng 2. Hàm lƣợng dầu ở một số loài vi tảo (Chisti, 2007)

Vi tảo
Hàm lƣợng dầu
(% trọng lượng khô)
Botryococcus braunii
25 - 75
Chlorella sp.
28 - 32
Crypthecodinium cohnii
20
Cylindrotheca sp.
16 - 37
Nitzschia sp.
45 - 47
Phaeodactylum tricornutum
20 - 30
Schizochytrium sp.
50 - 77
Tetraselmis suecia
15 - 23
Nhờ hiệu suất quang hợp cao và năng suất sinh khối lớn nên việc nuôi trồng
tảo làm nguyên liệu để sản xuất NLSH được ví như một mũi tên bắn trúng hai đích:
vừa tạo ra nguồn năng lượng tái sinh vừa làm sạch môi trường. Để nuôi trồng tảo
chỉ cần nước, ánh sáng, nguồn CO
2
và lượng chất dinh dưỡng vừa phải, nhờ đó làm
giảm đáng kể nguồn dinh dưỡng cần cung cấp từ phân bón và giảm khả năng gây ô
nhiễm môi trường xung quanh so với các cây trồng khác. Ngoài ra còn có thể sử
dụng nguồn nước thải để nuôi trồng tảo, vừa tạo ra nguồn nguyên liệu cho NLSH
vừa làm sạch nước thải (Hammouda và cs., 1995; Mallick, 2002; Munoz và cs.,
2006; Schenk và cs., 2008). Tảo có thể loại bỏ một cách hiệu quả các thành phần N,

P và cả các kim loại nặng như As, Cd, Cr… trong nước thải (Sawayama và cs.,
1995; Kong và cs, 2007). Khi vấn đề xử lý nước thải đòi hỏi chi phí và công nghệ
đắt tiền thì việc sử dụng nước thải như là nguồn dinh dưỡng để nuôi trồng tảo sẽ
đem lại nhiều lợi ích về kinh tế và môi trường (Yanqun và cs., 2008).
21Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
21


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

Khả năng cố định CO
2
của tảo nói chung và vi tảo nói riêng được coi là con
đường hiệu quả để giảm bớt đáng kể lượng CO
2
trong khí quyển. Năng suất thu
hoạch sinh khối tảo hàng năm ở các vùng cận nhiệt đới có thể đạt đến 40 tấn/ha
(sinh khối khô) và thậm chí còn cao hơn nếu được cung cấp bổ sung nguồn CO
2

(Klass, 1998). Các hệ thống nuôi cấy đơn giản cũng có thể sản xuất ra khoảng 100g
sinh khối tảo khô/m
2
/ngày (Patil và cs. 2005). Theo tính toán của Chisti (2008) đã
chứng minh rõ tiềm năng của vi tảo trong lĩnh vực NLSH. Việc sử dụng vi tảo làm
nguyên liệu để tạo ra năng lượng là hướng đi đầy triển vọng vì tảo có khả năng
thích nghi dễ dàng với các điều kiện sống. Chúng có thể sinh trưởng trong nhiều
loại môi trường nước và điều kiện sống khác nhau nên tránh được sự cạnh tranh quỹ
đất. Hơn nữa, 2/3 diện tích bề mặt trái đất được bao phủ bởi nước, do đó tảo sẽ là
nguồn nguyên liệu lý tưởng cho vấn đề năng lượng toàn cầu trong hiện tại và tương

lai.
Ngoài các loài tảo quang tự dưỡng, một số loài vi tảo còn có khả năng sinh
trưởng dị dưỡng sử dụng nguồn carbon hữu cơ. Tuy nhiên, việc sản xuất sinh khối
tảo bằng con đường dị dưỡng để làm nguyên liệu cho NLSH trong một số trường
hợp lại không hiệu quả bằng việc sử dụng vi tảo quang tự dưỡng vì nguồn carbon
hữu cơ sử dụng cho sinh trưởng của tảo rốt cuộc lại được sản xuất bởi các thực vật
quang hợp (Vishwanath và cs., 2008). Tuy nhiên, sản xuất sinh khối tảo bằng con
đường dị dưỡng lại có những ưu thế nhất định. Do đó, vấn đề đặt ra là phải tìm
kiếm được nguồn carbon hữu cơ thay thế rẻ tiền hơn (chẳng hạn như sử dụng nguồn
glycerol - đồng sản phẩm được tạo ra trong quá trình ester hóa sản xuất biodiesel),
đi đôi với công nghệ sản xuất phù hợp và tối ưu để có thể khai thác được tối đa
những lợi thế của vi tảo sinh trưởng dị dưỡng. Bằng cách thay đổi các điều kiện
nuôi cấy hoặc biến đổi về mặt di truyền, một số loài vi tảo quang tự dưỡng có thể
sinh trưởng ở điều kiện dị dưỡng. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh, tảo sinh trưởng
dị dưỡng có khả năng tích lũy hàm lượng dầu cao gấp nhiều lần so với tảo quang tự
dưỡng (Kulkarni and Dalai, 2006). Chẳng hạn ở Việt Nam, Schizochytrium là
chủng vi tảo biển dị dưỡng mới với đặc điểm giàu lipid, đặc biệt là các acid béo
22Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
22


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

không bão hòa như DHA, n-6 DPA cao hơn hàng chục lần so với các loài vi sinh
vật và tảo biển khác (Hoàng Lan Anh và cs., 2005, Nguyễn Đình Hưng và cs., 2007,
Đặng Diễm Hồng và cs., 2008). Các chủng Schizochytrium spp. được phân lập ở
Việt Nam có hàm lượng lipid và acid béo cao gấp 5-10 lần so với tất cả các loài vi
tảo biển quang tự dưỡng đã và đang được nuôi trồng hiện nay tại Việt Nam cũng
như trên thế giới (Đặng Diễm Hồng và cs., 2007, 2008), hàm lượng DHA và n-6
DPA cao gấp 3-5 lần so với các chủng Labyrinthula spp. (Đặng Diễm Hồng và cs.,

2007b). Trên thế giới, Chlorella protothecoides là loài vi tảo biển quang tự dưỡng
nhưng được nuôi trồng rất phổ biến theo phương thức dị dưỡng để sản xuất dầu.
Hàm lượng dầu sản xuất ra cao gấp bốn lần so với sinh trưởng quang tự dưỡng
(Miao and Wu, 2004). Một số loài vi tảo biển dị dưỡng có thể sử dụng các nguồn
carbon hữu cơ rẻ tiền để sản xuất ra dầu tảo (Han và cs., 2006). Nói chung, các vi
tảo biển dị dưỡng dễ nuôi cấy và dễ điều chỉnh các điều kiện nuôi trong các hệ
thống lên men. Tuy nhiên, quá trình lên men đòi hỏi nguồn carbon hữu cơ để tích
lũy dầu, điều này trong một chừng mực nào đó có thể làm hạn chế khả năng ứng
dụng trên phạm vi rộng các loài tảo dị dưỡng cho mục đích sản xuất biodiesel
(Qiang và cs., 2008).
Nói tóm lại, vi tảo có khả năng trở thành nguồn nguyên liệu để sản xuất
NLSH thay thế dầu mỏ. Phòng thí nghiệm quốc gia về năng lượng tái tạo (NREL,
Mỹ) đã ước tính có khoảng 300 loài vi tảo được xem là nguồn tiềm năng để sản
xuất NLSH (Ladygina và cs., 2006). Vi tảo là những sinh vật có khả năng quang
hợp hiệu quả nhất trên hành tinh. Tốc độ sinh trưởng nhanh làm cho vi tảo trở thành
nguồn nguyên liệu lý tưởng để sản xuất NLSH (Gouveia and Oliveira, 2009; Li và
cs., 2008; Riesing, 2006). Khả năng sản xuất sinh khối của vi tảo được đánh giá là
cao gấp 50 lần so với cỏ switchgrass (Demirbas, 2009). Theo Báo cáo tổng kết về
Chương trình nghiên cứu các loài sống ở thủy vực của NREL thì sở dĩ vi tảo có
năng suất cao vượt trội so với thực vật ở cạn vì chúng là các cơ thể đơn bào, việc
nuôi trồng vi tảo trong môi trường lỏng cho phép chúng khai thác rất hiệu quả
nguồn chất dinh dưỡng trong nước (Patil và cs., 2008).
23Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
23


Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

1.3.3. Sản xuất biodiesel từ sinh khối vi tảo
Để sản xuất NLSH nói chung và biodiesel nói riêng có thể sử dụng cả vi tảo

và tảo lớn. Tuy nhiên, các loại tảo lớn thường ít được sử dụng để sản xuất biodiesel
trong khi vi tảo lại được đánh giá là đối tượng thích hợp và có tiềm năng hơn. Hàm
lượng dầu ở vi tảo cao hơn so với tảo lớn, đồng thời vi tảo cũng có tốc độ sinh
trưởng nhanh hơn và dễ thích nghi hơn với điều kiện sống. Vi tảo có thể cung cấp
nhiều dạng NLSH tái sử dụng, bao gồm khí methane (sản xuất bằng con đường lên
men kỵ khí sinh khối tảo), biodiesel (chuyển hóa từ dầu tảo) và hydrogen sinh học
(từ các quá trình quang sinh) (Sharif and Aishah, 2008).
Quá trình sản xuất biodiesel từ tảo bao gồm một số bước. Về cơ bản, công
nghệ sản xuất biodiesel từ tảo cũng tương tự như đối với các nguồn nguyên liệu
thực vật khác, tuy nhiên có một số giai đoạn cần lưu ý. Không kể các bước và các
giai đoạn của quá trình nuôi trồng tảo, sau giai đoạn nuôi trồng, các tế bào tảo phải
được làm khô trước khi thực hiện phản ứng chuyển hóa. Hiện nay có rất ít tài liệu
công bố về kết quả sản xuất biodiesel từ sinh khối tảo tươi. Hầu như chỉ có các
nghiên cứu đánh giá hiệu suất chuyển hóa khi so sánh hai phương pháp chuyển hóa
từ dầu tảo tách chiết từ sinh khối (phương pháp hai giai đoạn) với phương pháp
chuyển hóa trực tiếp (một giai đoạn). Đối với phương pháp hai giai đoạn, dầu tảo
sau khi tách chiết được cho phản ứng với methanol có mặt chất xúc tác, khi đó quá
trình sản xuất biodiesel tương tự như đối với dầu thực vật. Đối với phương pháp
một giai đoạn (methyl hóa trực tiếp) thì dung môi có tác dụng chiết lipid
(chloroform, hexan, ether…), methanol để methyl hóa acid béo và chất xúc tác được
bổ sung cùng một lúc. Sau đó là các bước lọc và rửa để loại bỏ mô tế bào khỏi
biodiesel, nhờ đó giảm được thời gian và chi phí cho bước tách chiết, mặt khác hiệu
suất của quá trình ester hóa cũng cao hơn so với phương pháp hai giai đoạn (Bo,
2007).
Tuy nhiên hiện nay, các quy trình sản xuất biodiesel từ tảo vẫn còn có những
điểm chưa tối ưu làm cho biodiesel sản xuất ra có giá thành cao. Hạn chế chính của
24Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
24

Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

việc sản xuất biodiesel từ tảo là chi phí sản xuất và đòi hỏi nguồn năng lượng đầu
vào để nuôi trồng và thu hoạch sinh khối vi tảo. Các nhà nghiên cứu đã đưa ra
những ý kiến khác nhau về vấn đề này (Reijnders, 2008; Chisti, 2008). Một số
nghiên cứu còn đưa ra vấn đề độ ẩm cao của sinh khối vi tảo. Sinh khối tảo cần phải
được làm khô trước khi sử dụng để sản xuất biodiesel nên đòi hỏi phải tiêu tốn
nhiều năng lượng (Tsukahara and Sawayama, 2005). Trong khi giới khoa học vẫn
còn tranh cãi về yếu tố giá cả thì một số công ty như Aurora Biofuels®, Valcent
Inc®, and Solazyme® vẫn sử dụng tảo để sản xuất NLSH và thu lợi nhuận. Tuy
nhiên, các công ty này mới chỉ sản xuất trên quy mô nhỏ, do đó vấn đề giá thành
vẫn là một trong những trở ngại lớn nhất đối với các quy trình sản xuất biodiesel từ
tảo.
Sản xuất NLSH từ vi tảo còn gặp phải một khó khăn khác, đó là năng suất
sinh khối của vi tảo thấp do tế bào tảo có kích thước nhỏ. Yếu tố này cũng làm cho
việc thu hoạch sinh khối vi tảo có chi phí cao (Yanqun và cs., 2008).
Một hạn chế khác hiện nay trong việc sử dụng vi tảo làm nguyên liệu là các
bước tách chiết lipid từ sinh khối tảo trước khi ester hóa lipid tạo biodiesel. Hầu hết
các phương pháp tách chiết thông dụng hiện nay đều được phát triển dựa trên
phương pháp cơ bản của Bligh và Dyer năm 1959 (Lewis and Nichols, 2000). Tuy
nhiên, mô tảo rất khác biệt so với mô động vật. Trong nhiều trường hợp, lipid ở tảo
rất khó được tách chiết bằng các phương pháp này (Ahlgren, 1991). Mặt khác, dầu
vi tảo cũng khác biệt với hầu hết các loại dầu thực vật ở chỗ chứa khá nhiều acid
béo không bão hòa đa nối đôi (Belarbi và cs., 2000), trong đó EPA (acid
eicosapentaenoic - C20:5n-3) và DHA (acid docosahexaenoic - C22:6n-3) khá phổ
biến trong dầu tảo. Các acid béo và methyl ester của acid béo (FAME) chứa nhiều
liên kết đôi thường rất dễ bị oxi hóa trong quá trình bảo quản, do đó làm giảm khả
năng ứng dụng của các loại dầu này so với biodiesel được sản xuất từ dầu thực vật.
Các nhà nghiên cứu đã đưa ra ba điểm hạn chế chính hiện nay làm cho
biodiesel sản xuất từ tảo gặp trở ngại về mặt ý nghĩa kinh tế. Những hạn chế này

25Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên