A REVIEW OF BIODIESEL PRODUCTION FROMJATROPHA CURCAS l OIL

A REVIEW OF BIODIESEL PRODUCTION FROM
JATROPHA CURCAS L. OIL
May Ying Koh, Tinia Idaty Mohd. Ghazi∗
Department of Chemical and Environmental Engineering, Faculty of Engineering,
Universiti Putra Malaysia, 43400 Serdang, Selangor, Malaysia
Như đã nói ở trên, sự công nghiệp hóa và hiện đại hóa trên thế giới đang kéo theo nhu
cầu về dầu mỏ tăng nhanh. Nền kinh tế đang phát triển này kéo theo một nhu cầu khổng
lồ về năng lượng, phần lớn nguồn năng lượng này có nguồn gốc từ dầu mỏ, than và khí
thiên nhiên. Tuy nhiên trữ lượng nhiên liệu hóa thạch là có hạn đã vẽ nên một bức tranh u
tối, và yêu cầu cấp thiết hiện nay là nhiên cứu tìm ra những nguồn năng lượng thay thế,
đó là những nguồn nhiên liệu tái tạo.
Biodiesel đang trở nên hấp dẫn vì lợi ích môi trường và khả năng tái tạo của nó. Có
bốn phương pháp nguyên thủy để tạo ra biodiesel: pha trộn, tạo hệ vi nhủ tương, nhiệt
phân và tran este hóa. Trong đó phương pháp phổ biến nhất là tran este hóa các
triglyceride (dầu thực vật và mở động vật) với ancol dưới sự hiện diên của một xúc tác.
Hiện nay cây Jatropha đang được chú ý với ứng dụng của dầu jatropha như là nguyên liệu
cho sản phẩm biodiesel bởi vì đây là loại dầu không ăn được nên không ẩn chứa các nguy
cơ tìm tàn về an ninh lương thực như các loại dầu thực vật ăn được. Các loại dầu không
ăn được không phù hợp để làm thức ăn cho con người bởi vì chúng có các thành phần
độc tố. Hơn thế nữa, hạt jatropha curcas có chứa nhiều dầu và sản phẩm biodiesel mạch
dài có nhiều tính chất giống với diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ.
Bài báo này cố gắng xem xét các phương pháp và công nghệ sử dụng các biodiesel
được tạo ra từ dầu Jatropha curcas. Các nhân tố chính ảnh hưởng đến sản lượng biodiesel
như tỷ lệ mol ancol và dầu, lượng xúc tác, nhiệt độ phản ứng và thời gian phản ứng được
thảo luận. cuối cùng là sự cân nhắc về môi trường và khía cạnh kinh tế của dầu biodiesel
cũng được chú trọng.
1. GIỚI THIỆU
Phần lớn nhiên liệu được sử dụng trên thế giới có nguồn gốc từ hóa thạch như dầu mỏ,
than, và khí thiên nhiên. Do đó, những nguồn nhiên liệu không tái tạo này sẽ dần cạn kiệt
trong tương lai gần. Vì vậy, việc tìm ra các nguồn nhiên liệu tái tạo và năng lượng thích
hợp thu được thành tựu quan trọng để giải quyết nhiều vấn đề xã hội như giá dầu thô tăng

và những lo lắng về môi trường như ô nhiễm khí và hiện tượng nóng lên toàn cầu do sự
đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch.
Nhiên liệu sinh học đang tăng trưởng một cách đầy thú vị trong thời gian gần đây và
dần trở thành một một nguồn nhiên liệu thay thế cho diesel nguồn gốc từ dầu mỏ.
Biodiesel được giới thiệu đầu tiên tại Mỹ bởi ủy ban phát triển quốc gia về diesel từ dầu
đậu nành (the National Soy Diesel Development Board), là tổ chức tiên phong trong việc
nghiên cứu đưa biodiesel trở thành sản phẩm thương mại tại Mỹ. Biodiesel có thể được
trộn với diesel từ dầu mỏ như là thành phần có đặc tính tương tự nhưng có sự phát thải
khí thải thấp hơn. Biodiesel là quá trình có nguồn gốc sinh học có thể tái tạo được như
các loại dầu có nguồn gốc từ thực vật và các loại mở động vật. Các loại dầu từ thực vật
và mở động vật được chiết, tách hoặc ép … sẽ thu được loại dầu thô (chưa tinh luyện).
Nó thường có thành phần axit béo tự do, các phospholipid, các sterol, nước, các hợp chất
thơm và một số hợp chất không tinh khiết khác. Các thành phần axit béo tự do và nước có
ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng tran este hóa của các glyceride với ancol sử dụng alkali
hoặc các xúc tác axit bởi cấu trúc xà phòng hóa của chúng, làm phá hủy xúc tác và làm
giảm hoạt tính của xúc tác và kết quả là hiệu xuất chuyển hóa thấp. nhiều nghiên cứu đã
cho thấy một khả năng đầy hứu hẹn về việc sản xuất nhiên liệu diesel có nguồn gốc từ
dầu thực vật như dầu cọ, dầu đậu nành, dầu hướng dương, dầu dừa, dầu cải v.v… tuy
nhiên, với hàm lượng axit béo bão hòa cao thông thường tồn tại ở dạng rắn tại nhiệt độ
phòng có thể là trở ngại lớn đối với quá trình sản xuất, với nguyên nhân đó nên việc sản
xuất diesel từ mở động vật sẽ có giá thành cao hơn đáng kể so với dầu thực vật. chính vì
vậy dầu thực vật thuận lợi hơn và được chú ý nhiều hơn so với mỏ động vật trong việc
sản xuất các nguồn nhiên liệu tái tạo và là một nguồn nguyên liệu vô tạn cho sản xuất
nhiên liệu.
Bài báo này xem xét quá trình sản xuất biodiesel sử dụng dầu thực vật, trong đó chủ
yếu là loại dầu không ăn được Jatropha curcas như là nguồn nguyên liệu đầy tiềm năng,
các quá trình công nghệ, các quá trình biến đổi, sự cân nhắc đối với khía cạnh kinh tế và
môi trường của sản phẩm biodiesel.

1.1 Dầu thực vật, một nguồn diesel thay thế

Dầu thực vật, còn được biết đến như là các triglyceride, trở thành một trong những
nguồn nguyên liệu tái sinh đầy hứu hẹn cho việc sản xuất biodiesel và đã được chú ý
nhiều hơn trong thời gian gần đây bởi những lợi ích về môi trường của chúng. Do khả
năng tự tái tạo với thành phần năng lượng giống như nhiên liệu diesel sau khi trải qua
một số quá trình biến đổi hóa học, dầu thực vật trở thành nguồn thay thế đầy hứu hẹn cho
nhiên liệu diesel. Lợi thế của dầu thực vật là khả năng tái tạo, phân hủy sinh học, chất
lỏng tự nhiên, nhiệt trị cao (khoảng 88% so với nhiên liệu diesel) và có tỷ phần sulphur
và aromotic thấp. Dầu thực vật ăn được như canola, dầu đậu nành, dầu cải, dầu hướng
dương và dầu ngũ cốc có thể sử dụng sản xuất biodiesel và thể hiện ưu điểm là nguồn
diesel thay thế. Các dầu thực vật không ăn được như madhuca indica, jatropha curcas và
ponamia pinnata cũng cho thấy sự phù hợp. Các dầu ăn được đang được sử dụng rộng rãi
và phổ biến để sản xuất biodiesel. Bảng 1 biểu diễn thành phần axit béo của các loại dầu
thực vật khác nhau. Hơn 95% sản phẩm nguyên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu ăn
được trên các nước phát triển bởi vì các loại dầu này có tính chất giống như diesel có
nguồn gốc từ dầu mỏ. Dựa trên nhiều lợi thế có thể thấy được rằng dầu thực vật có tiềm
năng thay thế nhiên liệu dầu mỏ trong thời gian dài.

1.2 Biến đổi dầu thực vật
Dầu thực vật được biết đến là nguồn nhiên liệu thay thế cho năng lượng diesel với
thành phần nhiệt trị cao. Tuy nhiên, hướng đến việc sử dụng dầu thực vật cũng dẫn đến
nhiều vấn đề khác nhau. Độ nhớt của dầu thực vật cao hơn 10 lần so với mức diesel 2D
(Grade No. 2D) dẫn đến khả năng khó phun của dầu, sự đốt cháy không đầy đủ, than hóa
trong các injector v.v…Các bất lợi cùng với khả năng sử dụng dầu thực vật bất bão hòa
có thể dẫn đến sự hư hại thiết bị có thể được giải quyết bởi các biến đổi biodiesel, để
chúng có những đặc tính giống với diesel.
1.3 Tiền xử lý axit béo tự do
Thành phần các axit béo tự do (FFAs) và hơi ẩm gây ảnh hưởng không tốt cho phản
ứng tran este hóa của các glyceride với ancol khi một xúc tác alkali được sử dụng. Thành
phần FFA cao không thuận lợi cho phản ứng tran este hóa sử dụng xúc tác alkali bởi vì
FFA sẽ phản ứng với xúc tác tạo ra cấu trúc xà phòng và sự chia cắt giữa các sản phẩm sẽ

trở nên rất khó khăn, và kết quả là sản lượng biodiesel thấp. Đặc điểm của dầu jatropha
không phù hợp cho việc đóng gói và lưu trữ. Sự không đóng gói được và tác hại của thời
tiết của dầu dưới tác động của không khí và cùng với tác động của ánh sáng mặt trời làm
tăng nồng độ FFA sẽ tăng lên.
Dầu jatropha thô chứa khoảng 14% FFA, tỷ lệ này vượt xa giới hạn 1% để phản ứng
tran este hóa được thúc đẩy dưới sự có mặt của xúc tác alkaline. Nó gián tiếp làm cho
phản ứng tran este hóa không xảy ra nếu thành phần FFA trong dầu trên 3%. Có nhiều
phương pháp tiền xử lý được đề nghị và thiết lập, bao gồm cả sự chưng cất, chiết bằng
ancol và sự este hóa bằng xúc tác axit. Tuy nhiên, sự este hóa FFA với metanol bằng xúc
tác axit là phương pháp phổ biến nhất vì quá trình đơn giản và xúc tác axit sẽ tận dụng
các axit béo tự do chuyển hóa thành biodiesel.
Nhiều nghiên cứu thành công trong việc xử lý FFA cao của dầu jatropha đã được báo
cáo. Patil and Deng đã thu sản lượng biodiesel cao từ dầu jatropha với tỷ lệ metanol : dầu
là 6:1, 0,5% (v/v) của H
2
SO
4
tại 40
o
C trong 120 phút. Thành phần FFA của dầu jatropha
đã giảm xuống dưới 1% với 60% khối lượng metanol đối với dầu với sự có mặt của 1%
H
2
SO
4
(trên khối lượng dầu) như là xúc tác axit trong 1 giờ phản ứng tại 50
o
C. Azhari và
các đồng sự đã sử dụng central composite rotatable design (CCRD) sắp xếp trong hệ phản
ứng bề mặt response surface methodology (RSM) để dự đoán lượng thay đổi của phản

ứng tối ưu cho quá trình xử lý. Sự pha trộn nhằm giảm FFA của dầu jatropha curcas từ
14% xuống dưới 1% cho thấy thể tích xúc tác axit H
2
SO
4
là 1,43%, một tỷ lệ metanol
trên dầu là 28% và thời gian phản ứng là 88 phút tại 60
o
C.
Phương pháp xủ lý tương tự để xử lý nguyên liệu FFA cao là sử dụng xúc tác axit rắn.
Xúc tác axit rắn thuận lợi cho việc phân tách, độc tính ăn mòn và các vấn đề về môi
trường, tuy nhiên tốc độ phản ứng trong quá trình este hóa chậm so với các xúc tác axit
lỏng thông thường. Lu và các đồng sự hoàn thành quá trình xử lý FFA của dầu jatropha
curcas thô, xúc tác axit H
2
SO
4
lỏng và xúc tác axit rắn SO
2-
/TiO
2
đã được chuẩn bị bằng
cách nung metatitanic axit. Dưới điều kiện tỷ lệ metanol trên dầu là 12% khối lượng, 1%
khối lượng H2SO4 (căn cứ trên khối lượng của dầu) tại 70%, trị số axit của dầu giảm từ
14mgKOH/g dầu xuống còn 1mgKOH/g dầu sau 2 giờ phản ứng. Sự chuyển hóa FFA đạt
được 95,6%. Với xúc tác rắn, điều kiện tối ưu cho xử lý dầu jatropha curcas là tỷ lệ mol
của metanol trên FFA là 20:1, 4% khối lượng axit rắn, phản ứng xảy ra tại 90
o
C trong 2
giờ. Độ chuyển hóa FFA đạt 97%. Cả hai xúc tác đều thể hiện hiệu quả trong việc giảm

thành phần FFA trong dầu jatropha curcas. Tuy nhiên, do hoạt tính thấp của xúc tác axit
rắn, tỷ phần mol cao, sự sắp xếp xúc tác và nhiệt độ phản ứng là cần thiết cho xúc tác rắn
để hoàn thành việc so sánh hiệu qủa của chúng.
1.4 Jatropha curcas với tư cách là nguồn nguyên liệu tiềm năng
Hiện nay, hầu hết nguyên liệu thông thường để sản xuất biodiesel là dầu ăn được như
dầu đậu nành, dầu hạt cải, dầu hướng dương, dầu cọ, dầu dừa và dầu ngũ cốc. tuy nhiên
sự phản đối đang tăng lên từ các tổ chức khác nhau, đòi hỏi biodiesel không cạnh tranh
với nguồn cung cấp cho công nghiệp thực phẩm. Tại một số quốc gia, như Ấn Độ hoặc
Trung Quốc, dầu ăn được không dư thừa, do đó, họ không thể sử dụng chúng làm
biodiesel. Ấn Độ chiếm 9,3% tổng sản lượng hạt có dầu trên toàn thế giới và được coi là
một trong những nước sản xuất dầu ăn đầy hứu hẹn. Ngay cả như vậy, khoảng 46% dầu
ăn được nhập khẩu để làm lương thực thiết yếu, tương tự như vậy, Trung Quốc hàng năm
phải nhập 400 triệu tấn dầu ăn để phục vụ cho nhu cầu trong nước.

Trong các loại hạt có dầu khác nhau, Jatropha curcas cho thấy tiềm năng phù hợp để
sản xuất biodiesel, khi sự phát triển của khoa học kỹ thuật làm cho năng suất và sản
lượng tốt hơn. Loại dầu không ăn được này được nhiên cứu như là một nguồn để sản xuất
biodiesel không cạnh tranh với công nghiệp thực phẩm. Hơn thế nữa, tỷ lệ dầu và sản
lượng trên một hecta cũng là thông số quan trọng trong việc lựu chọn nguồn nhiên liệu tái
tạo tiềm năng. Sản phẩm từ hạt có dầu không ăn được và thành phần của dầu được biểu
diễn trong bảng 2. Dầu không ăn được không thể làm thực phẩm cho con người bởi vì
các thành phần độc tố có mặt trong dầu. Do đó, Jatropha curcas được xem như một loại
dầu không ăn được do có chứa các chất độc là các este phorbol.
Jatropha curcas là loại cây có khả năng chịu đựng khô hạn thuộc họ Euphorbiaceae,
được trồng tại Trung và Nam Mỹ, Đông Nam Á, Ấn Độ, Châu Phi. Nó dễ dàng thích
nghi và phát triển hầu như ở mọi nơi thậm chí trên đất sỏi, đất cát và đất mặn. Hạt của nó
có thành phần dầu khoảng 37% hoặc hơn. Dầu từ các loại này có các tính chất như tính
axit thấp, độ ổn định tốt so với dầu đậu nành, độ nhớt thấp so với dầu thầu dầu và có
nhiều tính chất tốt hơn so với dầu cọ. Ngoài ra, dầu jatropha có chỉ số cetan cao hơn so
với diesel, nó là một nguồn nhiên liệu thay thế tốt đối với những động cơ bình thường.

Tuy nhiên, hầu hết dầu không ăn được có chỉ số axit tự do (FFA) cao nên gây bất lợi khi
làm sản lượng biodiesel thấp. Chỉ số FFA cao (>1%) sẽ thúc đẩy sự tạo thành xà phòng
và phân tách các sản phẩm gây khó khăn cho sự tran este hóa dưới xúc tác alkali. Phương
trình 1 cho thấy sự bất lợi khi phản ứng xà phòng hóa với sự tạo thành xà phòng và nước
khi NaOH được sử dụng như là chất xúc tác. Dầu jatropha có chỉ số FFA là 14%, vượt xa
ngưỡng cho phép là 1% FFA. Như vậy, bước tiền xử lý để giảm FFAs của nguyên liệu là
cần thiết để nâng cao sản lượng biodesel.

Martin và các đồng sự nhận thấy rằng jatropha curcas là nguồn dầu từ hạt hứu hên nhất
để sản xuất biodiesel tại Cuba sau khi so sánh với nhiều loại dầu từ hạt không ăn được
khác nhau, bởi vì thành phần dầu cao khoảng 50%. Dầu jatropha chứa chủ yếu là oleic
axit và linoleic axit là những axit béo chưa bão hòa, sản phẩm biodiesel thích hợp với các
tính chất nhiệt thấp. Mặc dù, jatropha có thành phần axit tự do cao, các phương pháp
khắc phục chỉ số FFA đang được phát triển. Do đó, dầu jatropha curcas đã trở nên nổi bật
là loại nguyên liệu tiềm năng trong các loại dầu không ăn được. Bảng 3 lập bảng thành
phần và đặc điểm của dầu jatropha.

1.5 Các ứng dụng khác của dầu jatropha
Một phần trở thành nguồn nguyên liệu tiềm năng trong sản xuất biodiesel như diesel
thay thế, dầu jatropha còn có những ứng dụng khác như các sản phẩm xà phòng và các
chất diệt khuẩn (thuốc diệt sâu, thuốc diệt nhuyễn thể, thuốc diệt nấm và thuốc diệt giun
tròn). Hơn thế nữa, tính chất ổn định của dầu quyết định nhu cầu lưu trữ phù hợp, thông
thường biodiesel yêu cầu phải thêm tác nhân chống oxi hóa. Các hỗn hợp thích hợp của
biodiesel jatropha và dầu cọ sẽ làm giảm lượng tác nhân chống oxi hóa cần thiết xuống,
bởi vì biodiesel jatropha có các tính chất ở nhiệt độ thấp tốt nhưng ổn định oxi hóa kém,
trong khi đó biodiesel dầu cọ có các tính chất ở nhiệt độ thấp kém nhưng ổn định oxi hóa
tốt. Hỗn hợp và sự hóa hợp giữa jatropha và dầu cọ làm tăng các hiệu ứng quyết định các
tính chất của dầu. Hơn thế nữa, để dầu jatropha không cần phải biến tính có thể sử dụng
cho các động cơ thông thường và các motor với các công nghệ phổ biến như chạy máy
bơm và máy phát điện tại một tốc độ không đổi.

2. BIODIESEL VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA NÓ
Biodiesel là viết tắt của nhiều este dựa trên quá trình oxi hóa nhiên liệu có nguồn
goa61 từ các nguồn năng lượng tái tạo sinh học. Nói cách khác, biodiesel nói đến nhiên
liệu diesel từ một loại dầu thực vật hoặc mở động vật có các mạch dài ankyl (metyl, etyl
hoặc propyl) este hoặc ankyl este của các axit béo. Nó là một loại nhiên liệu không độc,
phân hủy sinh học và tái tạo, có thể được sử dụng trong động cơ đốt khí nén với sự thay
đổi về hóa học không có hoặc rất ít, với sự phát thải thấp hơn đáng kể so với diesel có
nguồn gốc dầu mỏ khi bị đốt cháy. Hơn thế nữa, nó không góp phần làm tăng cacbon
dioxit trong khí quyển nên giảm đến mức tối thiểu hiệu ứng nhà kính. Hơn thế nữa,
biodiesel tốt hơn diesel ở những tính chất của nó như thành phần sunfua, điểm chớp cháy,
thành phần aromatic và khả năng phân hủy sinh học. Bảng 4 cho thấy các tính chất nhiên
liệu của các metyl este (biodiesel) từ các loại dầu khác nhau. Mặc dù hiện nay biodiesel
không thể hoàn toàn thay thế cho diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ, nguồn nguyên liệu này
đang có những bước tăng trưởng quan trọng do nguồn dự trữ dầu mỏ đang giảm mạnh
dẫn đến giá dầu thô tăng và ô nhiễm môi trường khí thải từ các động cơ đốt nhiên liệu có
nguồn gốc từ dầu mỏ.

2.1 Phương pháp sản xuất biodiesel
Một số phương pháp hiện nay có thể thực hiện được nhằm sản xuất ra nhiên liệu
biodiesel. Các dầu thô được biến tính nhằm giảm độ nhớt để sản phẩm có những tính chất
có thể sử dụng được như nhiên liệu của động cơ. Có nhiều sản phẩm được biến tính để
thu được biodiesel có chất lượng tốt hơn. Nó có thể hoàn thành trên bốn con đường cơ
bản: trộn các loại dầu thô với nhau, vi nhũ tương, cracking nhiệt và traneste hóa.
2.1.1 Trộn các loại dầu thô với nhau, hoặc pha loãng
Các dầu thực vật thô có thể được trộn trực tiếp hoặc pha loãng với nhiên liệu diesel
nhằm cải thiện độ nhớt do đó giải quyết được các vấn đề liên quan đến việc sử dụng dầu
thực vật với độ nhớt cao trong động cơ đốt trong. Caterpillar Brazil, năm 1980, đã sử
dụng hỗn hợp 10% dầu thực vật trong công suất tổng mà không cần phải thay đổi hay
điều chỉnh động cơ. Một hỗn hợp của 20% dầu thực vật và 80% nhiên liệu diesel cũng đã
được báo cáo thành công. Pha loãng với 25 phần dầu hướng dương và 75 phần nhiên liệu

diesel với độ nhớt 4,88 cSt tại 40
o
C đã được nghiên cứu bởi Ziejewski và các đồng sự.
Hơn thế nữa, báo cáo về độ nhớt của hỗn hợp dầu hướng dương có tỷ phần oleic cao/
nhiên liệu diesel ở tỷ lệ 25/75 có độ nhớt là 4,92 cSt tại 40oC và đã qua kiểm tra EMA
(Engine Manufacturers’ Association- hội các nhà sản xuất động cơ) 200 giờ.
2.1.2 Vi nhũ tương
Một phương pháp khác nhằm giảm độ nhớt của dầu thực vật là dùng hệ vi nhũ tương.
Vi nhũ tương sạch, lỏng đẳng hướng với ba thành phần: một pha dầu, một pha nước và
một chất hoạt động bề mặt. pha nước có thể bao gồm muối và một số thành phần khác,
pha nước có thể một hỗn hợp phức tạp của các hydrocacbon và olefin. Hệ ba pha này có
thể cải thiện các tính chất phun bởi sự làm bốc hơi đột ngột các thành phần có nhiệt độ
sôi thấp trong các hệ micell. Tất cả các hệ nhũ tương với butanol, hexanol và octanol có
thể phù hợp với giới hạn độ nhớt cho các động cơ diesel. Một hệ vi nhũ tương được tạo ra
bằng cách trộn dầu đậu nành , metanol, 2-octaol và cải thiện chỉ số cetan ở tỷ lệ
52,7:13,3: 33,3:1 đã vượt qua kiểm tra EMA 200 giờ.
2.1.3 Sự nhiệt phân
Sự nhiệt phân là quá trình chuyển hóa một chất này thành chất khác bằng cách gia
nhiệt hoặc dưới tác động của xúc tác với sự có mặt của không khí hoặc oxi. Nguyên liệu
dùng để nhiệt phân có thể là dầu thực vật, mở động vật, axit béo tự nhiên và metyl este
của axit béo. Dầu đậu nành được phân hủy nhiệt trong không khí sử dụng phương pháp
tiêu chuẩn ASTM để chưng cất. Độ nhớt của dầu đậu nành phân hủy nhiệt chưng cất là
10,2 cSt tại 37,8
o
C, nó cao hơn so với phạm vi lý thuyết ASTM nhiên diesel No.2 nhưng
có thể chấp nhận được với độ nhớt tương đối tốt của dầu đậu nành.
2.1.4 Tran este hóa
Tran este hóa (phản ứng tách rượu - alcoholysis) là phản ứng hóa học bao gồm các
triglyceride và ancol dưới sự có mặt của xúc tác tạo thành các este và glycerol. Phản ứng
tran este hóa bao gồm ba phản ứng thuận nghịch liên tục, chúng chuyển hóa các

triglyceride thành các diglyceride, tiếp theo là chuyển hóa các diglyceride thành các
monoglyceride. Các glyceride sau đó chuyển hóa thành glycerol, cho ra một este tại mỗi
bước. Một xúc tác được sử dụng nhằm cải thiện và làm tăng tốc độ phản ứng để phản ứng
có thể hoàn thành trong một thời gian phản ứng ngắn. Nhiều xúc tác được khảo sát cho
mục đích tran este hóa bởi nhiều nghiên cứu khác nhau. Ví dụ như Magie, Canxi oxit và
canxi cacbonat và các nhựa hữu cơ, alkane alumina, xúc tác chuyển pha, axit sunfuric, p-
toluen sunphonic và tác nhân dehydrat như một đồng xúc tác (co-catalyst). Tuy nhiên,
các xúc tác bazơ thường được ưa chuộng hơn xúc tác axit vì hoạt tính cao hơn và các
điều kiện thực hiện phản ứng dễ dàng hơn như nhiệt độ thực hiện phản ứng thấp. Do các
phản ứng tran este hóa là quá trình thuận nghịch, lượng ancol thừa sẽ làm thay đổi cân
bằng của phản ứng. Phản ứng tran este hóa hoàn toàn thì sản phẩm là este và glycerol.
Mặc dầu, các este là sản phẩm mong muốn của phản ứng tran este hóa , glycerin thu được
quan trọng do nhiều ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm thướng ngày. Phản ứng tran
este hóa có thể được xúc tác bởi các alkali, các axit hoặc các enzym. Phản ứng tổng của
tran este hóa có thể gồm ba phản ứng cân bằng thuận nghịch và liên tiếp được biểu diễn
như sau:

Các ancol là bất kỳ thành phần hữu cơ có nhóm hydroxyl nối với các nguyên tử
cacbon và hydro. Ví dụ, metanol, etanol, propanol, butanol và amyl anol. Metanol và
etanol thường được sử dụng hơn cả. Tuy nhiên, metanol thích hợp hơn vì giá rẻ, thuận lợi
về mặt vật lý và hóa học như độ phân cực và mạch ngắn. Metanol cũng có thể phản ứng
với các triglyceride nhanh và dễ dàng hòa tan xúc tác alkali. Tuy nhiên cũng có những rủi
ro liên quan tới hơi của metanol do nhiệt độ sôi thấp và do đó cần phải xử lý cẩn thận
trong quá trình sản xuất biodiesel.
2.1.4.1 Cơ chế phản ứng tran este hóa
Este của axit monocacboxylic bão hòa và bất bão hòa với trihydric ancol glyceride có
tên là các triglyceride. Nó là thành phần chính của dầu thực vật và mở động vật. Trong
phản ứng tran este hóa, triglyceride sẽ chuyển hóa từng bước thành diglyceride,
monoglyceride, và cuối cùng là glycerol khi có mặt của xúc tác và ancol. Thông thường
ancol được đề nghị sản xuất các biodiesel là metanol vì giá rẻ.

Để hoàn thành một tỷ lệ phản ứng tran este hóa (transesterification stoichiometrically),
1 mol triglyceride phản ứng với 3 mol ancol thu được 1 mol este của axit béo và 1 mol
glycerol, xem trong phương trình (5). Thông thường, tỷ lệ mol này của ancol:triglyceride
cao hơn để trạng thái cân bằng thu được sản lượng este cao nhất. phản ứng có thể được
xúc tác bởi các alkali, các axit và các enzym. Sự xuất hiện của các axit béo tự do và nước
ảnh hưởng không tốt đối với sự tran este hóa của dầu thực vật và các chất béo cho quá
trình sản xuất biodiesel, khi một xúc alkali sẽ phản ứng với FFA sinh ra sản phẩm xà
phòng và làm giảm tác dụng của xúc tác, kết quả là độ chuyển hóa thấp. Nước có nguồn
gốc từ dầu và chất béo trong phản ứng xà phòng hóa sẽ làm chậm phản ứng tran este hóa
thông qua phản ứng phân hủy bởi vì nó có thể phân hủy triglyceride thành diglyceride và
sinh ra thêm một cấu trúc FFA. Phản ứng phân hủy trên có thể được biểu diễn trong
phương trình (6).

2.1.4.2 Xúc tác al kali cho phản ứng tran este hóa
Quá trình phản ứng tran este hóa dưới tác dụng của xúc tác alkali của dầu thực vật xảy
ra nhanh hơn các phản ứng xúc tác axit và cơ chế của phản ứng tran este hóa dưới tác
dụng của xúc tác alkali được biểu diễn trong hình 1. Phản ứng này được thực hiện theo cơ
chế phản ứng ba bước.

Bước đầu tiên là phản ứng của nhóm cacbonyl, nguyên tử cacbon với anion của ancol,
tạo thành cấu trúc trung gian tứ diện (tetrahedral intermediate), từ trạng thái trung gian
này ankyl este và anion tương ứng của diglyceride được hình thành. Một vòng xúc tác
khác được bắt đầu khi các phản ứng xúc tác với một phân tử ancol thứ hai. Từ đây, các
diglyceride, các monoglyceride được chuyển hóa thành các ankyl este và glycerol.
Tapanes và các đồng sự đã nghiên cứu cơ chế phản ứng của xúc tác bazơ, xúc tác cho
phản ứng tran este hóa dầu jatropha curcas và đã chứng minh được cơ chế phản ứng ba
bước cho phản ứng này. Chúng giàn tiếp làm cho phản ứng tran este hóa của jatropha với
etanol giảm nhẹ so với metanol, vì hiệu ứng cảm mạnh hơn của nhóm etyl vì cấu trúc gấp
khúc trong phân tử etanol nên việc sinh ra cấu trúc anion etoxit (ethoxide anion) trở nên
khó hơn so với metoxit anion (methoxide anion).

Nhiều nghiên cứu đã sử dụng các xúc tác alkali đồng nhất như NaOH và KOH để tăng
quá trình sản xuất biodiesel từ dầu thực vật. Do giá rẻ, hai xúc tác này thường được sử
dụng trong công nghiệp. Tuy nhiên, hoạt độ của hầu hết các xúc tác là xúc tác kim loại
kiềm alkoxide (CH
3
ONa) cho sản lượng rất cao (>98%) với nồng độ mol thấp (0,5 mol
%) trong thời gian diễn ra phản ứng ngắn (30 phút). Ngoài ra, K
2
CO
3
chỉ cho sản lượng
este ankyl của axit béo cao tại nồng độ 2 hoặc 3% mol với lượng xà phòng hóa thấp. Điều
này là do sự hình thành của bicarbonate thay vì nước, do đó các este được hình thành sẽ
được thủy phân. Mối quan tâm chính trong việc áp dụng các chất xúc tác kiềm trong sản
xuất biodiesel là hàm lượng FFA cao trong nguyên liệu. Một hàm lượng FFA cao hơn 1%
làm tăng sự hình thành xà phòng và sự chia cắt các sản phẩm cuối cùng sẽ khó, từ đó làm
sản lượng biodiesel thấp. Cho nên, quá trình tiền xử lý nguyên liệu có chỉ số FFA cao là
cần thiết phản ứng tran este hóa có mặt xúc tác bazơ có hiệu quả.
Phản ứng tran este hóa bắt đầu khi dầu, ancol và xúc tác được trộn và khuấy trong một
bình phản ứng hoặc trong một phòng thí nghiệm qui mô nhỏ hay qui mô lớn và có thể thu
được một sản lượng biodiesel cao miễn là dầu, ancol và xúc tác được trộn trong một tỷ lệ
tối ưu. Nhiều nhà nghiên cứu đã khảo sát và nghiên cứu các tham số hoạt động ảnh
hưởng đến các phản ứng tran este hóa. Các biến số tối ưu hóa để phản ứng tran este hóa
có hiệu quả trên dầu jatropha là 20% metanol (theo trọng lượng dầu), một tỷ lệ mol
metanol với dầu là 5:1, và 1% NaOH với vai trò là xúc tác (theo trọng lượng dầu). Một
sản lượng metyl este thu được là 98% sau thời gian phản ứng là 90 phút, tại nhiệt độ 60
o
C
nó cho thấy rằng khi nồng độ của metanol và NaOH trên hoặc dưới nồng độ tối ưu thì sẽ
không có sự tăng đáng kể sản lượng của biodiesel [27], do chỉ số FFA cao của dầu

jatropha curcas, cao 14% như đã báo cáo, một quá trình hai giai đoạn được chọn để cải
thiện sản lượng metyl este. Sau quá trình tiền xử lý axit hay este hóa xúc tác axit nhằm
giảm thành phần FFA trong dầu jatropha, sau đó là quá trình tran este hóa cho ra sản
lượng metyl este là 90% sau 2 giờ. Tỷ lệ tối ưu của metanol trên dầu là 24% về khối
lượng và % NaOH theo dầu là 1,4% với vai trò là xúc tác bazơ tại nhiệt độ phản ứng là
65
o
C [20].
Các điều kiện tối ưu cho phản ứng tran este hóa cũng thu được tương tự bởi Lu và các
đồng sự, trong công việc trước đây của họ, loại trừ bằng cách sử dụng một loại xúc tác
bazơ khác nhau. Dầu jatropha thô có chứa nhiều chất nhựa dính như các photpholipit
chúng có thể khử hoạt tính của xúc tác bazơ, làm giảm sản lượng metyl este và giảm chất
lượng của biodiesel. Thành phần photpholipit giảm đáng kể sau quá trình tiền xử lý. Sản
lượng biodiesel có thể cao hơn 98% sau khi phản ứng 20 phút, sử dụng 1,3% KOH (theo
trọng lượng dầu) như là chất xúc tác và một tỷ lệ mol metanol theo dầu là 6:1 tại 64
o
C.
Họ cũng xác định động học của phản ứng tran este hóa của dầu jatropha curcas L và
metanol theo cơ chế giả bậc 2.
Có nhiều nghiên cứu về động học của dầu thực vật trong các phản ứng tách rượu và cơ
chế động học tốt nhất của phản ứng tran este hóa dầu thực vật xuất hiện ở bậc hai. Tuy
nhiên, tính đúng đắn của các thành phần cấu tạo cuối cùng được báo cáo trong những
công việc trước đây bị nghi ngờ khi không xem xét các khía cạnh phản ứng có thể xảy ra
như phản ứng xà phòng hóa và sự hiện diện của FFA trên phản ứng của các chất xúc tác.
Thiếu sót này được giải quyết khi Berchmans và các đồng sự khảo sát động học của phản
ứng tách rượu metanol (methanolysis) của hỗn hợp dầu jatropha curcas – dầu ăn thải theo
con đường thực nghiệm vá mô phỏng. Phản ứng tách rượu metanol xúc tác hydroxit này
(hydroxide-catalysed methanolysis) được báo cáo nhằm thỏa mãn động học phản ứng bậc
hai mới với tỷ lệ mol của metanol và dầu là 6:1 và tỷ lệ KOH trên trọng lượng dầu là 1%
trọng lượng với nhiệt độ phản ứng là 50

o
C. Với 2 giờ phản ứng, phản ứng tách rượu
metanol ( methanolysis) của dầu jatropha curcas – dầu ăn thải có thể thu được sản phẩm
biodiesel có độ tinh khiết 97,1%. Một sự ước lượng tốt hơn đã thu được trong đề xuất
động học mới này vì nó có thể ước lượng ảnh hưởng của phản ứng xà phòng hóa và ảnh
hưởng không tốt của thành phần FFA trên phản ứng tách rượu metanol xúc tác hydroxit
(hydroxide-catalysed methanolysis).
Patil and Deng [6] cũng nghiên cứu quá trình sản xuất biodiesel từ cả dầu ăn được và
dầu không ăn được. Những phản ứng này được kiểm soát bằng cách sử dụng một tỷ lệ
mol cao nhằm cố gắng hoàn thành phản ứng tran este hóa với tốc độ nhanh hơn. Sau khi
trải qua quá trình tiền xử lý axit nhằm giảm hàm lượng của FFA cao trong dầu không ăn
được jatropha curcas, metanol với dầu theo tỷ lệ mol là 9:1 và 2% KOH (theo trọng
lượng dầu) tại 60
o
C. Khoảng 95% biodiesel jatropha thu được sau 120 phút phản ứng.
Syam và các đồng sự [29]cũng đã phát triển quá trình hai bước để tạo ra biodiesel từ dầu
jatropha curcas có chỉ số axit béo tự do rất cao. Sau quá trình tiền sử lý gọi là este hóa để
giảm thành phần FFA xuống thấp hơn 1%, một phản ứng tran este hóa sử dụng KOH
được thực hiện. Sản lượng tối đa este metyl của jatropha thu được là 99% tại nhiệt độ
65
o
C, tỷ lệ metanol trên dầu là 6:1, một lượng xúc tác thêm vào là 1% (theo khối lượng)
và phản ứng được thực hiện trong 60 phút.
Sahoo and Das [30] cũng đã phát triển một phương pháp tạo ra biodiesel từ những loại
dầu không ăn được như jatropha, karanja, và polanga. Họ thấy rằng hiệu quả chuyển hóa
mạnh hơn bởi lượng ancol bởi vì một lượng thừa ancol là cần thiết phản ứng gần như
hoàn toàn. Đối với dầu jatropha, tỷ lệ thể tích của dầu và metanol là 11:1, cùng với 1,1%
KOH trên thể tích, quá trình xúc tác bazơ cho phản ứng tran este hóa hoàn thành sau 120
phút phản ứng, tại 66
o

C và độ chuyển hóa thành metyl este jatropha là 93%. Quá trình
tran este hóa cải thiện các tính chất của dầu trên các khía cạnh tỷ trọng, nhiệt trị (calorific
value), độ nhớt, flash pint, cloud point and pour point. Không cần phải cải tiến động cơ
cho việc sử dụng loại biodiesel này vẫn đạt được những vẫn đạt những tính chất như
diesel.
Tiwari và các đồng sự [15] đã báo cáo về sản phẩm biodiesel từ dầu jatropha có hàm
lượng axit béo tự do cao (khoảng 14%). Sau quá trình tiền xử lý để giảm FFA xuống dưới
1% bằng cách sử dụng H2SO4 như là một xúc tác, phản ứng tran este hóa được thực hiện
tiếp theo với tỷ lệ mol metanol trên dầu là 5:1, sử dụng 0,55% KOH theo khối lượng với
vai trò là xúc tác bazơ. Độ chuyển hóa thành biodiesel là trên 99% với những tính chất
thỏa mãn tiêu chuẩn biodiesel sau 24 phút phản ứng tại nhiệt độ phản ứng là 60
o
C.
nghiên cứu tối ưu hóa này được thực hiện bằng cách sử dụng thiết kế xoay tổng hợp trung
tâm (central composite rotatable design (CCRD)). Chuyển đổi hoàn toàn dầu biodiesel
Jatropha curcas có thể đạt được với một chất xúc tác nền yếu và thời gian phản ứng ngắn
hơn có thể là do giả định của phản ứng lý tưởng trong mô hình đa thức bậc hai cho ester
và phương pháp bề mặt đáp ứng dựa trên CCRD.
Ngoài ra, một xúc tác rắn cũng được sử dụng trong quá trình tran este hóa để sản xuất
biodiesel. Oxit nhôm được thêm vào kali nitat và được sử dụng như là một axit bazơ rắn
cho phản ứng tran este hóa dầu jatropha với matanol. Với một axit bazơ rắn với lượng
6% (so với khối lượng dầu), một tỷ lệ mol của metanol: dầu jatropha là 12:1 và thời gian
phản ứng 6 giờ, có thể thu được độ chuyển hóa 84% tại nhiệt độ phản ứng 70
o
C. Hơn thế
nữa, oxit nhôm trong xúc tác bazơ có thể được tái sử dụng đến ba lần [31]. Bằng sự so
sánh cho thấy một xúc tác ở trạng thái rắn yêu cầu tỷ lệ mol giữa metanol và dầu cao để
cân bằng của phản ứng tran este hóa thuận nghịch có xu hướng chuyển về sản phẩm este.
Lượng xúc tác thêm vào và thời gian phản ứng được báo cáo là cao hơn nhiều nếu so với
độ chuyển hóa (sản lượng metyl este) trong phản ứng tran este hóa xúc tác bazơ nếu xúc

tác này ở trạng thái lỏng. Do đó, xúc tác baxơ rắn ít hấp dẫn và ít thích hợp trong công
nghiệp sản xuất biodiesel do hoạt tính cũng như hiệu quả thấp. Mặt khác, lợi ích của việc
sử dụng xúc tác bazơ rắn chỉ là dễ tách hỗn hợp phản ứng và xúc tác rắn dễ tạo ra do đó
rẻ hơn [25]. Bảng 5 tóm tắt các điều kiện tối ưu cho xúc tác kiềm cho phản ứng tran este
hóa dầu jatropha curcas.

2.1.4.3 Xúc tác axit cho phản ứng tran este hóa
Quá trình xúc tác axit cho phản ứng tran este hóa rất ít được sử dụng so với quá trình
xúc tác bazơ do tốc độ phản ứng xảy ra chậm và yêu cầu tỷ lệ mol trên dầu cao. Hơn nữa,
xúc tác axit hoạt tín thấp và nhiệt độ của quá trình phản ứng tran este hóa xảy ra cao hơn
nhiều so với phản ứng xúc tác bằng bazơ [25]. Sử dụng xúc tác axit rắn yêu cầu nhiệt độ
và áp suất cao hơn để tăng hiệu quả xúc tác. Hơn thế nữa, thời gian phản ứng dài làm cho
quá trình phản ứng khó thực hiện và hiệu quả kinh tế kém. Mặc khác, lợi thế của việc sử
dụng xúc tác axit là có thể chuyển hóa được các nguyên liệu có chỉ số FFAs. Trong thực
tế, các xúc tác axit có thể sản xuất trực tiếp biodiesel từ nguyên liệu lipit giá rẻ với chỉ số
FFA lớn hơn 6% [32]. Xúc tác axit lỏng như sulfuric axit xúc tác trực tiếp và ít bị ảnh
hưởng bởi FFA và có thể xảy ra đồng thời phản ứng tran este hóa và este hóa và cho ra
sản lượng este cao. Các loại xúc tác axit khác như sulphonic axit, photphoric axit, axit
clohydric, axit Lewis (AlCl
3
hoặc ZnCl
2
), v.v…
Cơ chế của phản ứng tran este hóa xúc tác axit của dầu thực vật được biểu diễn trong
hình 2. Proton của nhóm cacbonyl của este đẩy mạnh quá trình hình thành cacbocation,
sau đó nuclophilic tấn công vào ancol sinh ra hợp chất trung gian tứ diện. Hợp chất trung
gian này sẽ lấy đi glycerol và sinh ra một este mới và chất xúc tác được tái tạo. Phản ứng
tran este hóa dưới xúc tác axit nên được thực trong môi trường không có nước [1](cần
xem kỹ).

Phản ứng tran este hóa dầu thực vật dưới xúc tác axit đã được thực hiện và báo cáo bởi
nhiều nhà nghiên cứu. Các xúc tác superacid rắn (Solid superacid catalysts) của thiếc
sulphat và các zirconi oxit và tungstated zirconi đã được sử dụng trong phản ứng tran este
hóa của dầu đậu nành với metanol tại 475-575 K, được báo cáo bởi Schuchardt và các
đồng sự [35]. Hơn nữa, chuyển hóa dầu canola trong metyl este hoàn thành với hiệu suất
98% trong tỷ lệ metanol trên dầu là 24:1, sử dụng 5% AlCl
3
(tính theo khối lượng dầu)
như là một xúc tác. Phản ứng hoàn thành tại 110oC và 18 giờ phản ứng với
tetrahydrofuran làm đồng dung môi. Kết quả cho thấy, đối với ZnCl
2
cho hiệu quả xúc
tác phản ứng tran este hóa thấp hơn AlCl
3
khi xúc tác cho phản ứng tran este hóa dầu
canola thành metyl este [36]. Hơn nữa, sự chuyển hóa một bước của dầu đậu nành trong
xúc tác là axit trifloroacetic 2M có khả năng cho độ chuyển hóa cao 98,4% với một tỷ lệ
metanol trên dầu là 20:1 tại nhiệt độ 120
o
C trong khoảng 5 giờ phản ứng [33].
Khi tập trung vào dầu jatropha như nguyên liệu tổng hợp biodiesel jatropha, xúc tác
axit cho phản ứng tran este hóa trở nên khó thực hiện hoặc theo đề nghị của một số nhà
nghiên cứu thì xúc tác bazơ được xem xét như một phương án thuận lợi nhất. Shuit và
các đồng sự [11] đã báo cáo về phản ứng sử dụng xúc tác axit để sản xuất biodiesel từ hạt
J. curcas L. Dung dịch H
2
SO
4
được sử dụng như là một chất xúc tác khi dầu jatropha
curcas thô có thành phần FFA cao khoảng 15%. Thu được khoảng 99,8% jatropha metyl

este khi sử dụng hạt jatropha có kích thước nhỏ hơn 0,355 mm và sử dụng dung môi n-
hexan như là một đồng dung môi, phản ứng được thực hiện tại nhiệt độ 60
o
C, thời gian
phản ứng là 24 giờ, tỷ lệ metanol trên dầu là 7,5 ml/g (tỷ lệ khoảng 5,9:1) và 15% khối
lượng H
2
SO
4
(theo khối lượng hạt jatropha). Họ đã chứng tỏ được quá trình phản ứng
một bước có thể thu được sản lượng biodiesel có sánh được so với hai bước nhưng giảm
được giá thành sản phẩm so với phương pháp chuyển hóa hai bước như được báo cáo
trong các tài liệu. Do đó những phản ứng xúc tác axit này nhằm sản xuất biodiesel trong
một bước chuyển hóa là một bước đột phá công nghệ và cần có sự quan tâm của các nhà
nghiên cứu nhiều hơn nữa cho các nghiên cứu sử dụng công nghệ này. Bảng 6 trình bày
các điều kiện tối ưu cho phản ứng tran este hóa sử dụng xúc tác axit của dầu jatropha
curcas.

2.1.4.4 Phản ứng tran este hóa sử dụng xúc tác enzym
Enzym xúc tran este hóa được sử dụng là xúc tác lipase đang thu hút nhiều sự chú ý,
do dễ phân tách các sản phẩm, lượng nước thải cần xử lý là tối thiểu, dễ thu hồi glycerol
và không có các phản ứng phụ [37]. Lipase được biết là có khuynh hướng hoạt động trên
các mạch ancol béo dài (long chain fatty alcohol) tốt hơn so với loại mạch ngắn. Trong
các quá trình công nghệ sinh học, điều kiện phản ứng nhẹ nhàng luôn được kiểm soát.
Tuy nhiên, một xúc tác sinh học có giá thành cao, phục hồi và tái sử dụng nó có giới
hạn,do đó việc phục hồi và tái sử dụng với một thời gian sử dụng dài là cần thiết [33].
Sản lượng phản ứng tran este hóa sử dụng xúc tác enzym vẫn chưa có lợi nếu so sánh với
xúc tác bazơ và do đó làm cho các quá trình này không thuận lợi và không có hiệu quả
kinh tế [1, 33].
Nhiều nghiên cứu về quá trình xúc tác lipase để sản xuất biodiesel đã được đề nghị.

Thu hồi các lipase được sử dụng nhằm tạo thuận lợi cho sự tái sử dụng sau khi phản ứng
đã được liên tục sử dụng. Novozym 435 (Candila Antarctica được thu hồi trên nhựa
acrylic) được báo cáo là trở nên có hiệu quả cho quá trình sản xuất nhiên liệu biodiesel sử
dụng xúc tác lipase [38]. Tuy nhiên, sự phức tạp của quá trình làm sạch lipase đã cản trở
các ứng dụng của nó trong công nghiệp. Để khắc phục điều này, Tamalampudi và các
đồng sự đã đề nghị sản xuất biodiesel từ dầu jatropha sử dụng toàn bộ tế bào của sản
phẩm lipase Rhizopus oryzae (ROL) được thu hồi trên các hạt hỗ trợ sinh khối (biomass
support particles BSPs). Họ kết luận rằng toàn bộ tấ bào R.oryzae được cố định trên BSP
có thể xúc tác cho phản ứng methanolysis dầu jatropha hiệu quả hơn so với Novozym
435 trong sản xuất biodiesel. Sản lượng metyl este thu được là 80% sau 60 giờ sử dụng
4% ROL (theo khối lượng dầu) khi có sự xuất hiện 5% của nước thêm vào (theo thể tích),
tỷ lệ metanol trên dầu là 1:1 và phản ứng tại nhiệt độ 30
o
C. Hơn nữa, nó thể hiện sự kinh
tế và thiết thực so với lipase khi hoạt tính sau năm lần sử dụng còn được hơn 90% so với
hoạt tính ban đầu.
Ngoài ra, hoạt tính của các loại lipase khác cũng được khảo sát trong việc tạo ra
biodiesel từ dầu jatropha, 10% Pseudomonas cepacialipase (theo khối lượng dầu) được cố
định trên celite cho ra sản lượng cao nhất là 98% biodiesel trong sự có mặt của nước là 4-
5% trong 8 giờ và nhiệt độ là 50
o
C. Tỷ lệ mol của etanol trên dầu là 4:1. Nó cho thấy có
thể sử dụng loại cồn công nghiệp thay vì loại cồn đắt tiền, đó là một điều khá quan trong
trong nổ lực đưa sản phẩm biodiesel trở thành một sản phẩm thương mại. Loại xúc tác
sinh học này cho thấy có khả năng sử dụng tối đa bốn lần mà không mất hoạt tính [12].
Bảng 7 trình bày các điều kiện tối ưu cho phản ứng tran este hóa dầu jatropha curcas sử
dụng xúc tác enzym.

2.1.4.5Ngoài các phương pháp nêu trên còn có hai phương pháp để tạo ra biodiesle là:
+ Phản ứng tran este hóa không sử dụng xúc tác.

+ Sử dụng sóng siêu âm để kích thích phản ứng tran este hóa.
3. CÁC NHÂN TỐ CHÍNH ẢNH HƯỞNG ĐẾN SẢN LƯỢNG BIODIESEL
Có một số thay đổi quan trọng ảnh hưởng đến phản ứng tran este hóa. Để thu được sản
lượng biodiesel cao nhất, những thay đổi này phải đạt giá trị tối ưu.
3.1 Nhiệt độ phản ứng
Nhiệt độ phản ứng có ảnh hưởng lớn đến tốc độ của phản ứng. Nhiệt độ phản ứng cao
có thể làm giảm độ nhớt của dầu do đó có thể làm tăng tốc độ phản ứng cũng như cung
cấp năng lượng khi phản ứng xảy ra. Do đó sản lượng của sản phẩm biodiesel sẽ nhiều
hơn hơn. Tuy nhiên, nhiệt độ của phản ứng phải nhỏ hơn nhiệt độ sôi của ancol (nhiệt độ
sôi của metanol khoảng 60—70
o
C tại áp suất khí quyển) để đảm bảo ancol không bị mất
đi do quá trình hóa hơi. Ngoài ra sản lượng biodiesel sẽ giảm nếu nhiệt độ phản ứng vượt
quá giới hạn tối ưu bởi vì nhiệt độ phản ứng cao sẽ làm tăng tốc độ phản ứng xà phòng
hóa và kết quả là làm giảm sản lượng biodiesel. Tùy thuộc vào loại dầu, sản lượng tối đa
thu được tại vùng nhiệt độ phản ứng thường là từ 60 – 80
o
C [5, 9].
3.2 Tỷ lệ của ancol và dầu
Tỷ lệ cân bằng hóa học của phản ứng tran este hóa là 3mol ancol và 1 mol triglyceride
cho ra 3 mol este của axit béo và 1 mol glycerol. Lượng ancol thường được sử dụng
nhiều hơn giới hạn này trong phản ứng tran este hóa để bảo đảm lượng dầu chuyển hóa
hoàn toàn thành este do phản ứng trở nên thuận lợi hơn. Hơn nữa, một tỷ lệ giữa ancol và
triglyceride cao có thể cho ra một độ chuyển hóa thành este tốt trong thời gian ngắn hơn.
Tỷ lệ mol liên quan mật thiết với loại xúc tác sử dụng. Đối với phản ứng tran sete hóa sử
dụng xúc tác bazơ, với hàm lượng các axit béo tự do thấp hơn 1% sau quá trình tiền xử
lý, một tỷ lệ mol là 5:1 hoặc 6:1 là đủ để chuyển hóa dầu jatropha thành biodiesel [14, 15,
27]. Tuy nhiên, đối với những loại dầu có tỷ lệ các axit béo tự do cao, một tỷ lệ mol cao
như 20:1 hoặc 24:1 là cần thiết khi sử dụng xúc tác axit cho quá trình tran este hóa [33,
36].

3.3 Nồng độ của chất xúc tác
Nồng độ xúc tác có thể ảnh hưởng đến sản lượng của sản phẩm biodiesel. Như đã đề
cập từ trước, các xúc tác bazơ thích hợp hơn các xúc tác axit bởi ví hoạt tính cao hơn và
nhiệt độ phản ứng thấp hơn [25]. Freedman và các đồng sự [46] nhận thấy rằng natri
methoxide hiệu quả hơn so với natri hydroxide bởi vì giảm được lượng sản phẩm phụ là
nước so với trộn natri hydroxide với metanol. Khi tăng nồng độ xúc tác, độ chuyển hóa
các triglyceride và sản lượng biodiesel cũng tăng. Một nồng độ của NaOH từ 1, 0 đến
1,4% (trên khối lượng dầu) thu được độ chuyển hóa từ dầu jatropha thành metyl este là
90-98% [20, 27]. Khi nồng độ KOH trong khoảng 0,55 – 2,0% (trên khối lượng dầu) thì
thu được 95 – 99% biodiesel jatropha [6, 14, 15, 28]. Tuy nhiên, sản lượng biodiesel
giảm khi lượng các xúc tác bazơ vượt quá nồng độ tối ưu do tạo ra nhiều sản phẩm xà
phòng hóa [5].
3.4 Thời gian phản ứng
Tỷ lệ chuyển hóa tăng theo thời gian phản ứng. Phản ứng ban đầu sẽ chậm do sự hòa
tan và phân tán của ancol vào trong dầu được báo cáo bởi Freedman và các đồng sự. Sau
một thời gian, quá trình phản ứng sẽ nhanh hơn cho đến khi đạt được sản lượng cao nhất
[46]. Đối với phản ứng tran este hóa bằng xúc tác bazơ, sản lượng biodiesel thu được tối
đa khi thời gian phản ứng khoảng 120 phút hoặc ít hơn [20, 28, 30]. Phản ứng tran este
hóa sử dụng xúc tác axit cần thời gian phản ứng lâu hơn so với xúc tác bazơ bởi vì xúc
tác bazơ thường có hoạt tính cao hơn so với xúc tác axit [25]. Thời gian cần thiết cho quá
trình phản ứng chuyển hóa triglyceride thành biodiesel có thể nằm trong khoảng 18 đến
24 giờ như một số nghiên cứu đã khảo sát trước đây [11, 36]. Tuy nhiên, thời gian phản
ứng vượt quá giới hạn tối ưu sẽ dẫn đến giảm lượng sản phẩm do phản ứng nighch của
phản ứng tran este hóa vì nhiều axit béo chuyển thành cấu trúc xà phòng.
4. KHÍA CẠNH KINH TẾ CỦA BIODIESEL
Biodiesel đã được quan tâm nhiều hơn trong thời gian gần đây do những ích lợi về mặt
môi trường và tính bền vững của nó, bởi vì nó là nguồn nguyên liệu tái tạo. Nó có nhiều
lợi thế nổi bật như là nguồn nhiên liệu thay thế có hiệu quả ít gây ô nhiễm môi trường.
Tuy nhiên, giá của biodiesel là một thách thức lớn khi nó thay đổi dựa vào nguồn nguyên
liệu, sự chế biến, vận chuyển, giá dầu mỏ và nhiều yếu tố khác [1, 21].

Dầu thực vật là nguồn nguyên liệu tiềm năng và có khả năng tự tái tạo của nguồn năng
lượng có thành phần gần giống với nhiên liệu diesel từ dầu mỏ. Tuy nhiên, giá dầu thực
vật tương đối cao (tại Ấn Độ cao hơn khoảng gấp 4 lần so với dầu diesel) làm cho việc
sản xuất biodiesel không có tính khả thi, các sản phẩm metyl este từ dầu thực vật ăn được
đắt hơn nhiều và không thể cạnh tranh với nhiên liệu diesel. Chi phí nhiên liệu thô dự
tính chiếm khoảng 60-75% tổng chi phí sản xuất nhiên liệu biodiesel [1, 21]. Leduc và
các đồng sự [47] cũng báo cáo giá của biodiesel tăng lên khoảng 40% liên quan đến việc
tăng giá của nguyên liệu. Lim và Teong [48] cũng khẳng định chỉ riêng giá của nguyên
liệu cũng chiếm hơn 75% so với tổng giá của quá trình sản xuất biodiesel (được trình bày
trong hình 3). Với sự tăng giá dầu mỏ trong thời gian gần đây và khả năng cạn kiệt nguồn
nguyên liệu dầu mỏ thì biodiesel vẫn có được nhiều sự quan tâm. Do đó cần phải nghiên
cứu tìm ra nguồn nguyên liệu thay thế nhằm giảm giá của sản phẩm biodiesel.

Việc lựa chọn nguồn nguyên liệu hợp lý nhất là cần thiết để đảm bảo và giữ cho giá
sản phẩm biodiesel thấp. các loại dầu thực vật không ăn được như jatropha, pongamia,
karanji, cũng như dầu ăn thải và mở động vật có thể chuyển hóa thành biodiesel. Tuy
nhiên vấn đề liên quan đến những loại dầu giá thấp này là chúng thường có hàm lượng
các axit béo tự do cao (FFA). Tiền xử lý được thực hiện nhằm loại bỏ các axit béo tự do
trước khi thực hiện quá trình tran este hóa đã được thực hiện. Chi phí sản xuất sẽ được
chia thành hai hướng, quá trính tran este hóa và thu hồi glycerol. Một quá trình tran este
hóa tiếp tục với thời gian phản ứng ngắn hơn và công suất sản xuất tốt hơn có thể làm
giảm giá thành sản xuất. Hơn thế nữa, giá của nhiên liệu biodiesel có thể giảm một thiết
bị sản xuất biodiesel có kèm theo thiết bị thu hồi glycerol [21]. Leduc và các đồng sự
[47] đã nghiên cứu các nhân tố liên quan đến quá trình sản xuất biodiesel từ jatropha
curcas với mức giá cạnh tranh và để giảm thiểu tổng chi phí để đáp ứng yêu cầu của
nhiên liệu thay thế tiềm năng. Các kết quả được công bố là giá của sinh khối có ảnh
hưởng lớn nhất đến giá của quá trình sản xuất biodiesel (khoảng 40% giá biodiesel),
trong khi giá đầu tư, giá vận chuyển và giá glycerol (sản phẩm) ít quan trọng hơn. Đối
với các hỗn hợp biodiesel khác nhau, giá của bidiesel không khác nhau nhiều, nhưng
thành phần phát thải gây ô nhiễm môi trường nên trở thành nhân tố quyết định [47].

Để biodiesel được thương mại hóa, nhiều nhân tố và các vấn đề phải được khác phục.
Vấn đề then chốt đó là tận dụng nguồn nguyên liệu giá rẻ như các loại dầu thực vật không
ăn được hoặc dầu thải, tận dụng hiệu quả các quá trình sản xuất thông qua các quá trình
tối ưu hóa khác nhau và giảm thiểu giá cả của xúc tác thông qua sự tái sử dụng và phục
hồi xúc tác. Sự phát thải (emission qualities) của biodiesel có thể được cải thiện bằng
quá trình phối trộn để duy trì chất lượng có thể chấp nhận được của nhiên liệu. Hơn thể
nữa, việc tăng cường sử dụng các sản phẩm phụ như glycerol sẽ làm tăng khả năng
thương mại hóa của quá trình sản xuất dầu biodiesel tổng thể.
5. SỰ XEM XÉT VỀ KHÍA CẠNH MÔI TRƯỜNG.
Biodiesel được xem như không phát thải cacbon vì cacbon dioxit thải ra môi trường
trong quá trình tiêu thụ nhiên liệu sẽ được tái sử dụng cho quá trình sinh trưởng và phát
triển của thực vật [9]. Biodiesel có chỉ số cetan cao hơn so với diesel vì nó có mạch axit
béo dài với 2 đến 3 nối đôi, nó không có aromatic và thành phần oxi chiếm khoảng 10-
11% khối lượng. Những tính chất này giúp biodiesel giảm lượng CO
2
phát thải ra môi
trường, hydrocacbon (HC) và các thành phần khác trong khí thải có thể sánh với nhiên
liệu diesel [49].
Biodiesel có thành phần nhiệt trị thấp hơn so với diesel từ dầu mỏ, do đó nó cần nhiên
liệu nhiều hơn để tạo ra cùng một lượng năng lượng giống như nhiên liệu diesel. Rajesh
và các đồng sự [50] đã cho thấy rằng chỉ số cháy của biodiesel thấp hơn khoảng 11% so
với diesel. Tuy nhiên, theo quan điểm về tác động môi trường thông qua sự phát thải,
biodiesel được báo cáo là phát ra các chất gây ô nhiễm môi trường thấp hơn so với diesel.
So sánh sự phát thải giữa biodiesel và diesel được ho trong bảng 9.

Hiệu suất phát thải của mỗi loại metyl este khác nhau phù hợp với các tính chất khác
nhau của nhiên liệu [51]. Thông thường, tất cả các phát thải liên quan đến biodiesel
100% (B100) thấp hơn so với diesel ngoại trừ NO
x
. Phát thải NO

x
từ biodiesel 100%
trung bình cao hơn 10% phụ thuộc vào các tính chất cháy của động cơ và sự thử nghiệm.
Bên cạnh đó, sự phát thải sulphua hầu như bị loại bỏ đối với biodiesel so với diesel. Hơn
thế nữa, phát thải khí của tổng lượng hydrocacbon, cacbon monoxit và các thành phần
khác trung bình thấp hơn là 67%, 48% và 47% theo thứ tự nếu so sánh giữa biodiesel và
nhiên liệu diesel. Mức polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) được xem như thành
phần gây ra bệnh ung thư cũng cho thấy giảm khoảng 80% trong phát thải của biodiesel
[52].
6. KẾT LUẬN
Vấn đề về sự suy giảm trữ lượng dầu mỏ (theo như ý kiến của tác giả bài báo) và sự
nâng cao nhận thức về ô nhiễm môi trường từ việc phát thải của nhiên liệu hóa thạch đã
dẫn đến việc thúc đẩy mạnh mẽ sự nghiên cứu tìm ra các nhiên liệu thay thế có khả năng
tái tạo thay thế cho nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ. Biodiesel thân thiện với môi
trường và được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu tái tạo đã được quan tâm nhiều hơn
trong thời gian gần đây. Jatropha curcas đang trở thành nguồn nguyên liệu tiềm năng cho
sản xuất biodiesel do những đặc tính phù hợp của nó. Dầu jatropha có chỉ số cetan cao
[51] có thể sánh với dầu diesel [46-50] và do đó nó là một nguồn nhiên liệu thay thế lý
tưởng và không bắt buộc phải thay đổi động cơ.
Có nhiều phương pháp được đề xuất cho việc sản xuất biodiesel, trong đó quá trình
tran este hóa dầu thực vật là một phương pháp thích hợp nhất vì khả năng tái sinh và bền
vững của nó. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình tran este hóa là tỷ lệ mol của ancol và
glyceride, lượng xúc tác cần thiết, nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng và lượng các
axit béo tự do trong nguyên liệu. Ngoài các kỹ thuật thông thường nhằm sản xuất
biodiesel, ancol siêu tới hạn (supercritical alcohol) và siêu âm được ứng dụng để khám
phá để nâng cao năng suất sản phẩm cuối cùng.
Giá thành là thách thức chính và là trở ngại cho khả năng thương mại hóa của các sản
phẩm. Nó liên quan đến giá thành cao của dầu thực vật là nguồn nguyên liệu sản xuất
biodiesel và làm cho biodiesel không có khả năng sinh lời. Một quá trình tran este hóa
liên tục có thể là một trong nhiều sự lựa chọn nhằm làm giảm giá thành của sản phẩm.

Ngoài ra, sự thu hồi các sản phẩm chất lượng cao như là glycerol cho các ứng dụng hữu
ích là một con đường có khả năng bù đắp lại chi phí cho giá thành cao của nguyên liệu
dầu thực vật. Hơn thế nữa sự phát triển và nổ lực là cần thiết cùng với sự tiến bộ hơn về
kỹ thuật hoặc các phương pháp để sự sản xuất biodiesel có hiệu quả để sánh được với các
tính chất của diesel, và nó bền vững và có khả năng thương mại hóa. Các thành phần phát
thải trong biodiesel góp phần đáng kể trong sự giảm thiểu ô nhiễm môi trường khi chúng
được sử dụng, ngày nay chúng đã nhận được nhiều sự chú ý và mối quan tâm. Vì vậy,
liên tục phát triển và cải thiện dầu diesel sinh học trong sản xuất khí thải sạch hơn với ít
tác động đến môi trường, với chi phí thấp hơn nhiều so với nhiên liệu hóa thạch là cần
thiết.