Nghiên cứu sản xuất diesel sinh học từ vi tảo biển chlorella vulgaris và tetraselmis convolutae ở quy mô phòng thí nghiệm

Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

LƢƠNG HỒNG HẠNH

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT DIESEL SINH HỌC TỪ VI
TẢO BIỂN CHLORELLA VULGARIS VÀ TETRASELMIS
CONVOLUTAE Ở QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội, 2014
1


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

LƢƠNG HỒNG HẠNH

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT DIESEL SINH HỌC TỪ VI

TẢO BIỂN CHLORELLA VULGARIS VÀ TETRASELMIS
CONVOLUTAE Ở QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM

CHUYÊN NGHÀNH: HÓA SINH THỰC NGHIỆM
MÃ SỐ : 60.42.30

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.Ts Đặng Diễm Hồng

Hà Nội, 2014
2


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

MỞ ĐẦU
Ô nhiễm môi trƣờng và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống đang là vấn đề
mang tính toàn cầu, thu hút sự quan tâm của mọi quốc gia trên thế giới. Nguồn nhiên
liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần. Ngày nay, một số dạng năng lƣợng và nhiên liệu
thay thế đã đƣợc sử dụng thực tế tại một số nƣớc. Việc tìm kiếm các loại nhiên liệu,
năng

lƣợng

sạch

không

những

giải

quyết

đƣợc

vần

đề

ô

nhiễm

không khí mà còn có thể chủ động đƣợc các nguồn nhiên liệu, hạn chế sự phụ thuộc
vào các biến động trên thế giới. Chính vì vậy, việc sử dụng nhiên liệu sinh học để
thay thế nhiên liệu dầu mỏ là một vấn đề cấp thiết cần tập trung nghiên cứu và giải
quyết; góp phần đa dạng hóa và tạo ra nguồn năng lƣợng sạch trong tƣơng lai.
Theo dự báo của các chuyên gia trong lĩnh vực xăng dầu thì trong 10 đến 20 năm
nữa, có ít nhất khoảng 60 % xe hơi trên thế giới sẽ vận hành bằng nhiên liệu sinh học
thay cho xăng, dầu là các nguồn nhiên liệu không thể tái tạo đang cạn kiệt. Biodiesel
có thể tạo ra từ các nguồn nguyên liệu khác nhau bao gồm dầu thực vật, chất béo
động vật và dầu mỡ thải bỏ từ nhà hàng.
Những năm gần đây, các loài tảo đã thu hút sự chú ý ngày càng cao của các
nhà khoa học - công nghệ và thƣơng mại do những ƣu thế của chúng so với các cây
có dầu nhƣ: sự phát triển đơn giản; vòng đời ngắn; năng suất cao; hệ số sử dụng năng
lƣợng ánh sáng cao; thành phần dầu dễ đƣợc điều khiển tùy theo điều kiện nuôi cấy
và nhờ áp dụng các kỹ thuật di truyền; nuôi trồng đơn giản; thích hợp với quy mô sản
xuất công nghiệp. Do đó, tiềm năng về việc sản xuất biodiesel từ nguồn nguyên liệu

sinh khối tảo nhằm thay thế cho nhiên liệu truyền thống trong tƣơng lai là rất lớn
nhằm tạo ra nguồn năng lƣợng xanh, sạch đối với môi trƣờng. Hiện tại, các nhà

3


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

nghiên cứu đang nuôi trồng thử nghiệm các giống tảo dành riêng cho công nghệ này
và đã đƣợc một số cho kết quả ban đầu nhƣ hàm lƣợng dầu tảo đã tăng từ 6 % lên 10
%;một

số

giống

tảo

có

hàm

lƣợng

dầu cao đã đƣợc nghiên cứu và cải tạo cho phù hợp với điều kiện tự nhiên, trong đó
có tảo Chlorella và Tetraselmis đang đƣợc chú ý quan tâm đặc biệt do chúng có khả
năng nuôi trồng trên quy mô lớn, thành phần axit béo rất phù hợp và dễ biến đổi dƣới
các điều kiện nuôi trồng khác nhau cũng nhƣ cho chuyển hóa biodiesel có hiệu xuất

cao.
Theo các nhà chuyên môn, Việt Nam có thuận lợi về khí hậu và địa lý với
nguồn tảo rất đa dạng với nhiều loài mang tính đặc hữu rất tiềm năng cho làm nguyên
liệu để sản xuất biodiesel. Song trở ngại chính của việc sử dụng biodiesel rộng rãi
chính là giá thành sản phẩm. Cần có những nghiên cứu nhằm tìm ra đƣợc các phƣơng
thức để nuôi trồng đủ đƣợc sinh khối tảo đã đƣợc lựa chọn làm nguyên liệu cho sản
xuất biodiesel với hiệu xuất chuyển hóa biodiesel có hiệu quả cao.
Ở Việt Nam nguồn nguyên liệu tảo khá đa dạng và phong phú, chủ yếu đƣợc
sử dụng làm thực phẩm chức năng cho ngƣời và động vật nuôi, làm thức ăn không
thể thiếu cho một số đói tƣợng nuôi trồng thủy sản ở giai đạn ấu trùng…. Tuy nhiên,
thông tin khoa học về sản xuất biodiesel từ tảo ở Việt Nam hiện chƣa có nhiều. Do
đó, chúng tôi mong muốn đƣợc tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu sản xuất
diesel sinh học từ vi tảo biển Chlorella vulgaris và Tetraselmis convolutae ở quy
mô phòng thí nghiệm” với mục tiêu là có đƣợc quy trình chuyển hóa diesel sinh
học chất lƣợng cao từ sinh khối các loài vi tảo này dƣới điều kiện phòng thí
nghiệm nhằm có đƣợc các cơ sở khoa học cho việc sản xuất biodiesel xanh, sạch
và thân thiện với môi trƣờng trong tƣơng lai ở Việt Nam.

4


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

Công việc đƣợc thực hiện tại phòng Công nghệ Tảo, Viện Công nghệ sinh học,
Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam.

5

Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1. Nhiên liệu sinh học
Thuật ngữ nhiên liệu sinh học (NLSH; biofuel) đƣợc đƣa 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 đƣợc coi là loại nhiên liệu thay thế dầu mỏ. NLSH thƣờng
đƣợc sản xuất từ sinh khối (biomass) chủ yếu là các sản phẩm của nông nghiệp.
NLSH đƣợc coi là nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trƣờng và có tiềm năng thay
thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch trong tƣơng 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
(diesel sinh học); dạng khí gồm hydro sinh học (biohydro) và methane sinh học
(biomethane) (Đoàn Thị Thái Yên và cs., 2010).
1.1. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất
NLSH thế hệ thứ nhất đƣợc sản xuất chủ yếu từ các loại cây lƣơng thực, thực
phẩm nhƣ đậu tƣơng, hạt cải dầu, dầu cọ … Nhƣợc điểm của việc sử dụng các nguồn
nguyên liệu này là làm giảm tính đa dạng sinh học, tiêu tốn nhiều nƣớc và tăng khí
thải nhà kính. Nhiều báo cáo khoa học đã công bố rằng, khi đốt cháy nhiên liệu thế hệ
thứ nhất sẽ làm phát thải khí nitơ oxít gây ô nhiễm không khí. Ngoài ra, các kỹ thuật
canh tác đƣợc áp dụng để trồng cây nguyên liệu cũng gây ra nhiều tác động xấu đến
môi trƣờng do sự sói mòn đất và dƣ lƣợng của thuốc trừ sâu, phân bón. Một vấn đề
lớn khác mà việc sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất còn phải đối mặt đó là
an ninh lƣơng thực. Các loại cây lƣơng thực đƣợc trồng với mục đích sản xuất nhiên
liệu thay vì sản xuất thực phẩm cho con ngƣời. Kết quả dẫn đến sự cạnh tranh về sản

6

Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

lƣợng, giá cả giữa nguồn nhiên liệu và lƣơng thực. Chính vì vậy, với những nhƣợc
điểm nêu trên, việc sản xuất NLSH thế hệ thứ nhất ở quy mô lớn là chƣa khả thi
(Lang và cs., 2001).
1.2. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai
NLSH thế hệ thứ 2 sử dụng các nguồn nguyên liệu phế thải của nông nghiệp nhƣ
gốc, lá và vỏ khô của các cây lƣơng thực hay các cây nguyên liệu đƣợc trồng trên đất
bạc màu, bỏ hoang (NLSH đƣợc sản xuất từ cellulose), ví dụ nhƣ cây cỏ ngọt
(sweetgrass), cây cọc rào (jatropha)… (Naik và cs., 2010). Một số sản phẩm của NLSH
thế hệ thứ 2 gồm bio-hydrogen, biomethanol, butanol và isobutanol, Fischer Tropsch …
Mặc dù nguyên liệu thô cho sản xuất NLSH thế hệ 2 rất phong phú và không đe dọa
đến vấn đề an ninh lƣơng thực nhƣng hiện nay, việc sản xuất NLSH thế hệ thứ 2 vẫn
chƣa đƣợc thƣơng mại hóa do quá trình chuyển hóa nhiên liệu có giá thành cao và
phải đối mặt với nhiều thách thức về mặt kỹ thuật.
1.3. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba

(Rittmann, 2008),
(Naik

2

(Schenk và cs., 2008)
năm (Dismuskes

(Chisti

(Sheehan và cs., 1998). Tuy nhiên, trở

ngại lớn nhất hiện nay đối với NLSH thế hệ thứ ba là công nghệ sản xuất sinh khối

7


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

tảo có hàm lƣợng dầu cao với giá thành rẻ, cạnh tranh đƣợc với các nguồn nguyên
liệu truyền thống khác cũng nhƣ giá thành của việc chuyển hóa dầu tảo thành diesel
sinh học. Hiện nay, sản xuất NLSH từ tảo có chi phí cao hơn nhiều so với sản xuất từ
dầu mỏ (Wen and Johnoson, 2009).
2. Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam và trên thế giới
2.1. Tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam
Trong xu thế chung của thế giới hiện nay coi NLSH là một giải pháp năng lƣợng sạch
và an toàn cho giảm thiểu ô nhiễm, vấn đề NLSH ở Việt Nam cũng đang ngày càng đƣợc
Nhà nƣớc và các nhà khoa học quan tâm và đầu tƣ nghiên cứu. Ví dụ nhƣ, Chính phủ đã ban
hành định hƣớng phát triển và sử dụng năng lƣợng giai đoạn 2006-2015 và tầm nhìn đến
2025, bao gồm phát triển điện, than, dầu khí, năng lƣợng nguyên tử, năng lƣợng tái tạo,
NLSH… Ngày 20.11.2007, Thủ tƣớng Chính phủ đã ký Quyết định số 177/2007/QĐ- TTg
phê duyệt “Đề án phát triển NLSH đến năm 2015, tầm nhìn 2025”, trong đó đƣa ra mục tiêu
đến năm 2010 sản xuất 100.000 tấn xăng E5/năm (pha khoảng 5% ethanol) và 50.000 tấn
B5/năm (pha khoảng 5% diesel sinh học), bảo đảm 0,4% nhu cầu nhiên liệu cả nƣớc và đến
năm 2025 sẽ có sản lƣợng hai loại sản phẩm này đủ đáp ứng 5% nhu cầu thị trƣờng nội địa.
Tháng 6/2010, Quốc hội cũng đã thông qua Luật Sử dụng năng lƣợng tiết kiệm và hiệu quả,
trong đó đề cập nhiều đến vấn đề sử dụng năng lƣợng tái tạo. Sự ra đời của đề án và đặc biệt
việc ban hành Luật Sử dụng năng lƣợng tiết kiệm và hiệu quả là căn cứ pháp luật quan trọng

để Việt Nam bƣớc vào một hành trình mới về sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học (http:
//daibieunhandan.vn/default.aspx?tabid=148&NewsId=201888).
Thủ tƣớng chính phủ vừa đƣa ra quyết định từ ngày 1/12/2014 xăng đƣợc sản xuất,

phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ tiêu thụ trên địa
bàn 7 tỉnh, thành phố: Hà Nội, Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng
Ngãi, Bà Rịa –Vũng Tàu là xăng E5. Trên toàn quốc, từ ngày 1/12/2015, xăng để sử
dụng cho phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ tiêu thụ là xăng E5. Đối với xăng E10, từ

8


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

ngày 1/12/2016, xăng đƣợc sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phƣơng
tiện cơ giới đƣờng bộ tiêu thụ trên địa bàn 7 tỉnh, thành phố: Hà Nội, Hồ Chí Minh,
Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà Rịa –Vũng Tàu và từ ngày
1/12/2017

xăng

E10

sẽ

đƣợc

sử

dụng

trên

phạm

vi

toàn

quốc

( />2.2. Tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới
Hiện nay nhiều quốc gia trên thế giới đang khai thác và sử dụng NLSH ở các mức độ
khác nhau. Năm 2006, toàn thế giới đã sản xuất khoảng 50 tỷ lít ethanol (75% dùng làm
nhiên liệu) so với năm 2003 là 38 tỷ lít, dự kiến cho năm 2012 là khoảng 80 tỷ lít.
Brasil: là quốc gia đầu tiên sử dụng ethanol làm nhiên liệu ở quy mô công nghiệp từ
năm 1970, với loại xăng E25 (pha khoảng 25% ethanol), mỗi năm tiết kiệm đƣợc trên 2 tỷ
USD. Và cũng là nƣớc đi đầu trên thế giới trong việc sản xuất Bio-ethanol nhiên liệu từ mật
rỉ. Trong năm 2004 đến năm 2007, Brasil đã sản xuất đƣợc 20,5 tỷ lít, chiếm 34% sản lƣợng
bio-ethanol toàn thế giới. Nhóm các nƣớc nhập khẩu bio-ethanol nhiên liệu từ Brasil là Mỹ,
Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật Bản, Thụy Điển và Hà Lan.
Mỹ: hiện nay là quốc gia sản xuất ethanol lớn nhất trên thế giới (năm 2006 đạt gần 19
tỷ lít, trong đó 15 tỷ lít dùng làm nhiên liệu-chiếm khoảng 3% thị trƣờng xăng). Theo
chƣơng trình phát triển năng lƣợng quốc gia, Mỹ sẽ sản xuất 25,7 tỷ lit bio-ethanol vào năm
2010. Năm 2012 sẽ cung cấp trên 28 tỷ lít ethanol và diesel sinh học, chiếm 3,5% lƣợng
xăng dầu sử dụng.
EU: Năm 2006, sản lƣợng bio-ethanol của EU là 341.250.000 lit, trong đó Pháp là
quốc gia sản xuất bio-ethanol nhiên liệu lớn nhất Châu Âu (114 triệu lit, chiếm 33%), Tây

Ban Nha 47,8 triệu lit (chiếm14%) và Đức 44,4 triệu lit (chiếm 13%).
Trung Quốc: Để đối phó với sự thiếu hụt năng lƣợng, Trung Quốc một mặt đầu tƣ lớn
ra ngoài lãnh thổ để khai thác dầu mỏ, mặt khác tập trung khai thác, sử dụng năng lƣợng tái

9


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

tạo, đầu tƣ nghiên cứu về NLSH. Đầu năm 2003, xăng E10 (10% ethanol và 90% xăng) đã
chính thức đƣợc sử dụng ở 5 thành phố lớn và sắp tới sẽ mở rộng thêm tại 9 tỉnh đông dân
cƣ khác. Dự kiến, ethanol nhiên liệu sẽ tăng trên 2 tỷ lít vào năm 2010, khoảng 10 tỷ lít vào
năm 2020 (năm 2005 là 1,2 tỷ lít).
Ấn Độ: là quốc gia đứng thứ 2 ở Châu Á về sản xuất bio-ethanol sau Trung Quốc.
Năm 2005 sản lƣợng Bio-ethanol của Ấn Độ là 1,7 tỷ lit, trong đó 200 triệu lít là bio-ethanol
nhiên liệu.
Thái Lan: là quốc gia Đông Nam Á đi tiên phong trong việc sản xuất bio-ethanol.
Năm 2007,Thái Lan có 9 nhà máy sản xuất bio-ethanol nhiên liệu với tổng công suất lên tới
400 triệu lit/năm, trong khi đó chỉ có duy nhất nhà máy Thai Nguan sản xuất bioethanol từ
sắn lát. Dự kiến đến năm 2011, Thái Lan sẽ sản xuất khoảng 1 tỷ lit bio-ethanol nhiên liệu.
Malaysia: đến năm 2015 sẽ có 5 nhà máy sản xuất diesel sinh học từ dầu cọ, với tổng
công suất gần 1 triệu tấn để sử dụng trong nƣớc và xuất khẩu sang Châu Âu (Kansedo và
cs., 2009).
Inđônêxia: phấn đấu đến năm 2015 sẽ sử dụng B5 đại trà trong cả nƣớc. Ngoài dầu cọ,
sẽ đầu tƣ trồng 10 triệu ha cây cọc rào (Jatropha curcas) lấy dầu sản xuất diesel sinh học.
Côlômbia: đã ban hành đạo luật bắt buộc các đô thị trên 500.000 dân phải sử dụng
E10.
Achentina: đã phê duyệt Luật NLSH (tháng 4/2006) và quy định năm 2010 các nhà

máy lọc dầu pha 5% ethanol và 5% diesel sinh học trong xăng, dầu để bán trên thị trƣờng.
Costa Rica, Philippines và các quốc gia thuộc châu Âu... đều có lộ trình sử dụng diesel sinh
học.

3. Các phƣơng pháp sản xuất diesel sinh học
Một số phƣơng pháp sản xuất diesel sinh học nhƣ nhiệt phân, microemulsion (vi
nhũ hóa), chuyển vị ester, trong đó phản ứng chuyển vị ester là phƣơng pháp phổ

10


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

biến nhất. Phƣơng trình chuyển hóa diesel sinh học cơ bản nhƣ sau (Fukuda và cs.,
2001):

Xúc tác
to

Dies
. Ví dụ
về phản ứng chuyển vị ester sử dụng chất xúc tác NaOH nhƣ sau:
+ Phản ứng 1: Tạo Alkoxide:
CH3 + NaOH

CH3-Na + H2 O

Trong môi trƣờng có nƣớc, alkoxide phân ly tạo CH3O- và Na+, CH3O- tiếp tục

thực hiện phản ứng tiếp theo.
+ Phản ứng 2: Tạo Triglyceride amion

11


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

+ Phản ứng 3: Tạo diglyceride và CH3O- tiếp tục cho các phản ứng dây chuyền
tiếp

theo

để

tạo

ra

monoglyceride

và

cuối

cùng

là

methyl

ester.

Nhƣ vậy: trong quá trình này cứ 01 phân tử triglyceride tác dụng với 03 phân tử
CH3OH tạo ra 01 phân tử glycerol và 03 phân tử methyl ester.
Chất xúc tác của phản ứng chuyển vị ester có thể là kiềm, axit hoặc enzym.
Các chất xúc tác kiềm phổ biến nhất là NaOH, KOH. Một số chất xúc tác kiềm khác
bao gồm cacbonate, methoxide, sodium ethoxide, sodium propoxide và sodium
butoxide. Phản ứng chuyển vị ester sử dụng chất xúc tác kiềm có ƣu điểm là tốc độ
chuyển hóa cao dƣới điều kiện nhiệt độ thấp, và thời gian phản ứng ngắn. Tuy nhiên

12


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là sự tạo thành xà phòng từ phản ứng xà phòng
hóa, đặc biệt đối với các nguyên liệu có hàm lƣợng axit béo tự do cao và hàm lƣợng
nƣớc cao thì ảnh hƣởng của phản ứng xà phòng hóa đến quá trình chuyển hóa diesel
sinh học càng lớn. Các chất xúc tác axit đƣợc sử dụng phổ biến là axit sulphuric, HCl,
axit sulfonic. Phản ứng chuyển vị ester sử dụng chất xúc tác axit có hiệu suất cao và
khắc phục đƣợc nhƣợc điểm tạo thành xà phòng, tuy nhiên tốc độ phản ứng lại chậm
và đòi hỏi nhiệt độ phản ứng cao hơn. Phản ứng ester hóa sử dụng chất xúc tác enzym
(nhƣ lipase) có ƣu điểm là hiệu suất cao, không tạo thành xà phòng nhƣ khi xúc tác
bằng kiềm, phản ứng không bị ức chế bởi nƣớc nhƣ khi xúc tác bằng axit, có thể ester
hóa cả triglyceride và axit béo tự do trong một bƣớc, không cần bƣớc rửa, tỷ lệ

rƣợu/dầu thấp hơn so với khi sử dụng chất xúc hóa học. Tuy nhiên, phản ứng ester
hóa sử dụng chất xúc tác enzym đòi hỏi thời gian phản ứng lâu hơn, hàm lƣợng chất
xúc tác, giá thành sản xuất cao hơn.
Phản ứng chuyển vị ester cũng có thể xảy ra dƣới điều kiện nhiệt độ cao, áp
suất cao (trên 2400C, trên 8 Mpa) và không cần chất xúc tác. Phản ứng này đạt cân
bằng rất nhanh (120-240s) và đạt hiệu suất cao hơn so với các phƣơng pháp truyền
thống. Tuy nhiên phƣơng pháp này không có hiệu quả về mặt kinh tế và không an
toàn (Ehimen và cs., 2010).
4. Tiêu chuẩn chất lƣợng của diesel sinh học
Diesel sinh học có một số tính chất nhƣ ít độc, sự đốt cháy của nó tốt hơn dầu
thô và không gây hiệu ứng nhà kính, có thể đƣợc sử dụng trực tiếp cho những động
cơ diesel hiện nay mà không cần sửa đổi chúng và còn có thể pha trộn diesel sinh học
với diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ với các tỷ lệ khác nhau. Để thƣơng mại hóa đƣợc
thì diesel sinh học cần phải đáp ứng đƣợc các tiêu chuẩn đang áp dụng trên thế giới.
Ở Mỹ đã sử dụng tiêu chuẩn ASTM Diesel sinh học Standard D6751 (Knothe, 2006).

13


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

Ở châu Âu (EU) thì đã có các tiêu chuẩn riêng biệt dành cho diesel sinh học dùng cho
vận tải (tiêu chuẩn Standard EN 14214) và đƣợc dùng nhƣ dầu đốt nóng (tiêu chuẩn
Standard EN 14213) (Knothe, 2006). Ở Việt Nam, tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7717:
2007 Nhiên liệu diesel sinh học gốc (B100) đã đƣợc công bố áp dụng. Một số đặc
điểm chính của diesel sinh học đƣợc quy định nhƣ sau:
- Điểm chớp cháy: là nhiệt độ thấp nhất đã hiệu chỉnh về áp suất 101,3 kPa
(760 mmHg, 1 atmosphere), tại đó ngọn lửa đƣa vào làm hơi nhiên liệu bùng cháy

dƣới điều kiện xác định của phép thử. Nhiệt độ chớp cháy xác định xu hƣớng hình
thành hỗn hợp có thể cháy với không khí dƣới điều kiện thí nghiệm, nó là một trong
các chỉ tiêu để đánh giá mức độ dễ bắt cháy của nhiên liệu cũng nhƣ “thời gian cảm
ứng” trong động cơ. Nhiệt độ chớp cháy có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình vận
chuyển và tồn chứa nhiên liệu. Nhiệt độ chớp cháy quá thấp rất dễ gây cháy nổ. Nó
cũng là dấu hiệu cho thấy nhiên liệu đã bị lẫn với các loại khác có độ bay hơi cao
hơn. Nhiệt độ chớp cháy hầu nhƣ không có ý nghĩa đối với chất lƣợng của nhiên liệu
khi đánh giá trên góc độ tính năng kỹ thuật của các thiết bị sử dụng nó. Đối với các
sản phẩm dầu mỏ thì nhiệt độ chớp cháy khác nhau. Xăng có nhiệt độ chớp cháy
khoảng 400C, diesel có nhiệt độ chớp cháy khoảng 35-800C (trung bình là 600C),
nhiệt độ cho động cơ phản lực có nhiệt độ chớp cháy trong khoảng 28-600C (trung
bình là 400C), phân đoạn dầu nhờn có nhiệt độ chớp cháy 120-3250C. Đối với sản
phẩm là diesel sinh học, nhiệt độ chớp cháy theo tiêu chuẩn Viêt Nam ≥ 1300C, theo
tiêu chuẩn Mỹ và Châu Âu là ≥ 930C.
- Trị số axit: là lƣợng bazo, tính bằng miligam kali hydroxit trên một gam mẫu
cần để chuẩn độ một mẫu trong dung môi đến điểm cuối xác định (tức là số mg KOH
cần thiết để trung hòa hết lƣợng axit có trong một gam mẫu). Trị số axit của diesel
sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam, Mỹ và Châu Âu đều có giá trị cực đại là 0,50 mg

14


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

KOH/g. Trị số axit là thƣớc đo đánh giá hàm lƣợng các hợp chất vô cơ và axit tổng
của nhiên liệu. Tuy nhiên do sự đa dạng của các sản phẩm oxi hóa làm ảnh hƣởng tới
trị số axit và các axit hữu cơ lại rất khác nhau về tính chất ăn mòn cho nên trị số axit
không đƣợc dùng để phán đoán tính ăn mòn của dầu trong điều kiện sử dụng (không

có mối liên hệ chung nào giữa trị số axit và xu hƣớng ăn mòn của dầu đối với kim
loại). Trị số axit đƣợc sử dụng để kiểm soát chất lƣợng của nhiên liệu, nó cũng đôi
khi đƣợc sử dụng nhƣ là một phép đo sự giảm chất lƣợng của chất bôi trơn sau một
thời gian sử dụng.
- Độ ăn mòn đồng: Phép thử ăn mòn mảnh đồng nhằm xác định có tính chất
định tính độ ăn mòn của nhiên liệu đối với các chi tiết chế tạo từ đồng, hợp kim
đồng-thiếc và hợp kim đồng-kẽm. Độ ăn mòn đồng của nhiên liệu diesel sinh học
theo tiêu chuẩn Việt Nam là loại No1, theo tiêu chuẩn Mỹ và Châu Âu cực đại là
No3.
- Chỉ số iot: là số gam iot cần thiết để phản ứng với 100 gam mẫu FAME
(fatty acid mthely ester). Chỉ số iot đặc trƣng cho mức chƣa no của mẫu diesel sinh
học. Mẫu càng nhiều nối đôi thì chỉ số iot càng lớn và ngƣợc lại. Chỉ số iot cao liên
quan đến sự polymer hóa của nhiên liệu (đông đặc) dẫn đến làm tắc nghẽn ống dẫn.
Chỉ số iot của diesel sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam, Mỹ và Châu Âu đều cực đại
là 120.
- Trị số xêtan: là thông số đặc trƣng cho khả năng tự bắt cháy của nhiên liệu
diesel, có đƣợc bằng cách so sánh nó với các nhiên liệu chuẩn trong thử nghiệm trên
động cơ tiêu chuẩn. Trị số xetan cung cấp dữ liệu về đặc tính tự cháy của nhiên liệu
diesel trong động cơ nén tự cháy. Trị số xetan cao quá sẽ lãng phí nhiên liệu vì một
số thành phần ở nhiệt độ cao trong xilanh sẽ phân hủy thành cacbon tự do (tạo muội)
trƣớc khi cháy. Trị số xetan thấp quá sẽ xảy ra cháy kích nổ, do có nhiều thành phần

15


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

khó bị oxy hóa đòi hỏi phải phun rất nhiều nhiên liệu vào xilanh mới xảy ra quá trình

tự cháy, dẫn đến lƣợng nhiên liệu bị đốt cháy nhiều hơn yêu cầu, nhiệt lƣợng sinh ra
rất lớn gây tăng mạnh áp suất, động cơ bị rung giật … Trị số xetan của diesel sinh
học theo tiêu chuẩn Việt Nam, Mỹ và Châu Âu tối thiểu là 47.
- Tro sulphat: là lƣợng cặn còn lại khi mẫu đã đƣợc cacbon hóa và đƣợc xử lý
tiếp tục với axit sunphuric và nung đến khối lƣợng không đổi. Hàm lƣợng tro sunphat
đƣợc dùng để biết nồng độ các phụ gia chứa kim loại đã biết trong dầu mới. Khi
không có photpho thì bari, canxi, magie, natri và kali sẽ biến đổi thành các muối
sulphat, thiếc và kẽm biến đổi sang dạng oxit của chúng. Hàm lƣợng tro của diesel
sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam cực đại là 0,020 % khối lƣợng (tƣơng đƣơng với
các tiêu chuẩn của Mỹ, Châu Âu).
- Độ nhớt động học: là một đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho trở lực do ma sát
nội tại sinh ra giữa các phân tử khi chúng có sự chuyển động trƣợt lên nhau. Vì vậy
độ nhớt có liên quan đến khả năng thực hiện các quá trình bơm, vận chuyển chất lỏng
trong các hệ đƣờng ống, thực hiện các quá trình phun, bay hơi của nhiên liệu trong
buồng cháy, đồng thời có liên quan đến khả năng bôi trơn của các phân đoạn khi sử
dụng làm dầu nhờn. Độ nhớt của nhiên liệu rất quan trọng vì nó ảnh hƣởng đến khả
năng bơm và phun nhiên liệu vào buồng đốt. Độ nhớt của nhiên liệu có ảnh hƣởng
đến kích thƣớc và hình dạng của kim phun. Nhiên liệu có độ nhớt quá cao rất khó
nguyên tử hóa, các tia nhiên liệu không mịn và khó phân tán đều trong buồng đốt.
Kết quả là làm giảm hiệu suất và công suất động cơ. Đối với các động cơ nhỏ, các tia
nhiên liệu có thể chạm vào thành xylanh, cuốn đi lớp dầu bôi trơn và làm tăng độ lẫn
nhiên liệu trong dầu nhờn. Hiện tƣợng các chi tiết bị ăn mòn nhanh chính là do
nguyên nhân này. Nhiên liệu có độ nhớt quá thấp khi đƣợc phun vào xylanh sẽ tạo
thành các hạt quá mịn, không thể tới đƣợc các vùng xa kim phun và do đó hỗn hợp

16


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

nhiên liệu-không khí tạo thành trong xylanh không đồng nhất, nhiên liệu cháy không
đều, công suất giảm. Nhiên liệu có độ nhớt quá thấp có thể gây ra hiện tƣợng rò rỉ tại
bơm, làm sai lệch kết quả đong đếm dẫn đến thay đổi tỷ lệ pha trộn không khí-nhiên
liệu. Độ nhớt động học của diesel sinh học ở 400C theo tiêu chuẩn Việt Nam là 1,9 –
6,0 (mm2/s) (tƣơng đƣơng với tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu).
- Lƣu huỳnh: Lƣu huỳnh tồn tại trong nhiên liệu dƣới nhiều dạng khác nhau,
thông thƣờng là dƣới dạng các hợp chất sulfua, disulfua hay dƣới dạng dị vòng. Khi
bị đốt cháy lƣu huỳnh sẽ chuyển thành SO2, khí này cùng với khói thải sẽ đƣợc thoát
ra ngoài, trong thời gian này chúng có thể tiếp xúc với oxi để chuyển một phần thành
khí SO3. Khi nhiệt độ của dòng khí thải xuống thấp thì các khí này sẽ kết hợp với hơi
nƣớc để tạo thành các axit tƣơng ứng, đó chính là các axit vô cơ có độ ăn mòn kim
loại rất lớn. Chính vì vậy, sự có mặt của lƣu huỳnh là một trong những chỉ tiêu đánh
giá chất lƣợng của các sản phẩm dầu nói chung và diesel sinh học nói riêng. Hàm
lƣợng lƣu huỳnh trong sản phẩm diesel sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam cực đại là
0,05 % khối lƣợng (tƣơng đƣơng với tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu).
- Độ ổn định oxi hóa: Quá trình oxi hóa gây ra những hợp chất không tan
trong nhiên liệu, đó là cặn. Quá trình oxi hóa là một dạng làm hỏng tính chất hóa học
của nhiên liệu. Độ bền của nhiên liệu đối với quá trình oxi hóa là một đặc trƣng quan
trọng, nó là cơ sở để đánh giá tuổi thọ tƣơng đối của nhiên liệu. Theo tiêu chuẩn Việt
Nam, độ ổn định oxi hóa tại 1100C tối thiểu là 6 giờ, theo tiêu chuẩn của Mỹ và Châu
Âu là min 3 giờ.
- Trọng lƣợng riêng: là khối lƣợng của chất lỏng trên một đơn vị thể tích chất
lỏng ở 150C và 101,325 kPa, đơn vị đo lƣờng tiêu chuẩn là kg/m3. Việc xác định
chính xác trọng lƣợng riêng của nhiên liệu rất cần thiết cho việc chuyển đổi thể tích
đã đo ở nhiệt độ thực tế về thể tích hoặc khối lƣợng ở nhiệt độ đối chứng tiêu chuẩn

17

Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

trong quá trình bảo quản vận chuyển. Trọng lƣợng riêng của diesel sinh học phụ
thuộc vào thành phần axit béo trong hỗn hợp ester và độ tinh sạch của nhiên liệu. Do
đó nó là yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng của diesel sinh học. Tuy nhiên, tính chất
này không phải là một chỉ dẫn chắc chắn về chất lƣợng của dầu nếu không kết hợp
các tính chất khác. Khối lƣợng riêng tại 150C của diesel đƣợc quy định theo tiêu
chuẩn Việt Nam là 860 – 900 kg/m3 (tƣơng đƣơng với các tiêu chuẩn của Mỹ và
Châu Âu).
- Nƣớc và cặn: Một lƣợng đáng kể nƣớc và cặn trong nhiên liệu sẽ gây khó
khăn trong việc bảo quản nhiên liệu, gây trục trặc trong hệ thống nhiên liệu của lò
hay động cơ. Việc tích tụ cặn trong các bình chứa và các màng lọc, sẽ làm tắc dòng
chảy của nhiên liệu từ bình chứa tới buồng đốt. Nƣớc trong các nhiên liệu cất trung
bình có thể gây ăn mòn các bình chứa và thiết bị, nếu có mặt chất tẩy rửa có thể làm
xuất hiện nhũ hay vẫn đục. Ngoài ra, nƣớc còn làm cho vi sinh vật phát triển tại bề
mặt tiếp xúc nhiên liệu. Vì vậy, hàm lƣợng nƣớc và cặn là một trong những chỉ tiêu
ảnh hƣởng đến chất lƣợng của nhiên liệu. Theo tiêu chuẩn Việt Nam, hàm lƣợng
nƣớc và cặn trong sản phẩm diesel sinh học cực đại là 0,050% thể tích (tƣơng đƣơng
với các tiêu chuẩn của Mỹ, Châu Âu).
- Hàm lƣợng ester và methyl ester của axit linoleic: Hàm lƣợng ester là một
chỉ tiêu quan trọng liên quan trực tiếp đến chất lƣợng của nhiên liệu diesel sinh học.
Hàm lƣợng ester của diesel sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam tối thiểu là 96,5% khối
lƣợng (phù hợp với tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu).
- Hàm lƣợng glycerin tổng số và tự do: Hàm lƣợng glycerin tự do và liên kết
phản ánh chất lƣợng của diesel sinh học. Hàm lƣợng glycerin tự do cao có thể gây
khó khăn trong quá trình bảo quản hoặc trong hệ thống nhiên liệu do sự phân tách của
glycerin. Hàm lƣợng glycerin tổng số cao có thể dẫn đến làm tắc nghẽn vòi phun, tạo

18


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

cặn ở vòi phun, piston, van. Hàm lƣợng glycerin tự do theo tiêu chuẩn Việt Nam là
max 0,020% khối lƣợng, glycerin tổng cực đại là 0,240% khối lƣợng (tƣơng đƣơng
với các tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu).
- Điểm vẩn đục: là một chỉ tiêu quan trọng, nó xác định nhiệt độ tại đó các
tinh thể sáp xuất hiện trong nhiên liệu ở điều kiện thử nghiệm xác định, tại nhiệt độ
đó tinh thể sáp bắt đầu kết tủa khỏi nhiên liệu khi sử dụng. Các thiết bị máy móc, xe
có thể phải làm việc ở điều kiện nhiệt độ thấp. Nếu điểm vẩn đục không thích hợp thì
thành phần sáp trong nhiên liệu dễ bị kết tủa, cản trở quá trình phun nhiên liệu vào
động cơ để đốt.
5. Tiềm năng sản xuất diesel sinh học từ vi tảo
Hiện nay, sinh khối tảo đƣợc khai thác chủ yếu làm thực phẩm chức năng cho
ngƣời và động vật nuôi trong nuôi trồng thủy sản, khai thác các chất có hoạt tính sinh
học nhƣ… (Đặng Diễm Hồng và cs., 2006). Ngoài ra, tảo còn đƣợc sử dụng để tạo ra
năng lƣợng theo nhiều cách khác nhau. Một trong những con đƣờng hiệu quả nhất là
sử dụng dầu tảo để sản xuất diesel sinh học. Sinh khối tảo chứa ba thành phần chính:
carbohydrate, protein và lipit. Phần lớn lipit do vi tảo sản xuất ra tồn tại ở dạng
tricylglycerol - là dạng thích hợp để sản xuất diesel sinh học. Vi tảo có tốc độ sinh
trƣởng nhanh hơn so với các loại thực vật cạn. Chúng thƣờng có khả năng nhân đôi
trong vòng 24 giờ. Trong suốt pha sinh trƣởng, một số loài vi tảo có thể nhân đôi
trong vòng 3,5 giờ (Chisti, 2007). Hàm lƣợng dầu ở vi tảo thƣờng dao động trong
khoảng 20 đến 50% so với sinh khối khô (Bảng 1). Ngoài ra, một số chủng vi tảo có
thể chứa hàm lƣợng dầu cao đến khoảng 80% (Metting, 1996). Thực tế, vi tảo là đối

tƣợng cho năng suất thu hoạch dầu cao nhất dùng làm nguyên liệu để sản xuất NLSH.
Lƣợng dầu do vi tảo sản xuất ra có thể cao gấp 250 lần so với đậu tƣơng trên mỗi
mẫu Anh (khoảng 0,4 ha), gấp từ 7 đến 31 lần so với cọ. Mặt khác, dầu tảo lại dễ

19


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

dàng tách chiết nếu sử dụng phƣơng pháp phù hợp. Do đó, chỉ có sử dụng tảo để sản
xuất ra NLSH mới tạo ra đƣợc nguồn nhiên liệu đủ đáp ứng cho nhu cầu năng lƣợng
của thế giới trong tƣơng lai và thay thế hoàn toàn nguồn năng lƣợng từ dầu mỏ
(Sharif and Aishah, 2008).
Bảng 1.1: Hàm lƣợng dầu ở một số loài vi tảo (Chisti, 2007)
Vi tảo

Hàm lƣợng dầu (% khối lƣợng
khô)

Botryococcus braunii

25-75

Chlorella sp.

28-32

Crypthecodinium cohnii

20

Cylindrotheca sp.

16-37

Nitzschia sp.

45-47

Phaeodactylum tricornutum

20-30

Schirochytrium sp.

50-77

Tetraselmis suecia

15-23

5.1. Nuôi trồng vi tảo
Để sản xuất diesel sinh học từ vi tảo đòi hỏi cần phải có một lƣợng lớn sinh
khối tảo. Hầu hết các loài tảo là sinh vật quang tự dƣỡng bắt buộc nên chúng cần phải
có ánh sáng và nguồn carbon để sinh trƣởng. Mô hình nuôi trồng này đƣợc gọi là
quang tự dƣỡng (photoautotrophic). Tuy nhiên, một số loài tảo lại có khả năng sinh
trƣởng trong tối và sử dụng các nguồn carbon hữu cơ nhƣ glucose, acetate… làm
nguồn cacbon và năng lƣợng, đây là hình thức sinh trƣởng dị dƣỡng. Do chi phí để

20


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

xây dựng và vận hành hệ thống cao nên nuôi cấy tảo theo phƣơng thức dị dƣỡng vẫn
chƣa đƣợc quan tâm nhiều.
Vi tảo quang tự dƣỡng thƣờng đòi hỏi một số yếu tố nhất định cho sinh trƣởng
nhƣ nguồn năng lƣợng ánh sáng, CO2, nƣớc và các muối vô cơ. Nhiệt độ nƣớc cho
sinh trƣởng tối ƣu thƣờng dao động trong khoảng 15 0C đến 30oC. Môi trƣờng nuôi
cần phải có các nguyên tố vô cơ nhƣ N, P, Fe và đôi khi cần cả silic (Grobbelaar,
2004). Khi nuôi cấy theo phƣơng pháp này, môi trƣờng nuôi trồng cần phải đƣợc bổ
sung liên tục với một tốc độ cố định đồng thời lƣợng dịch nuôi tảo tƣơng ứng cũng
đƣợc thu hoạch (Molina Grima và cs., 1999). Ban đêm có thể ngừng bổ sung môi
trƣờng nhƣng việc khuấy đảo môi trƣờng cần phải đƣợc tiếp tục để ngăn chặn kết
lắng sinh khối tảo (Molina Grima và cs., 1999). Hiện nay, nuôi cấy trong bể hở hay
trong các bể phản ứng quang sinh khép kín (photobioreactor kín) là hai mô hình nuôi
trồng quang tự dƣỡng vi tảo phổ biến nhất để thu sinh khối làm nguyên liệu cho sản
xuất diesel sinh học. Phƣơng pháp nuôi trong bể hở có ƣu điểm là chi phí thấp nhƣng
lại hạn chế ở chỗ tốn diện tích đất, nƣớc và cần phải có những điều kiện khí hậu nhất
định, ngoài ra còn gặp phải vấn đề về sự tạp nhiễm nấm, vi khuẩn, động vật nguyên
sinh và sự cạnh tranh bởi các loài tảo khác. Trái lại, ƣu điểm của hệ thống
photobioreactor kín là có thể khép kín môi trƣờng nuôi, điều khiển đƣợc các yếu tố
môi trƣờng, giảm tạp nhiễm. Mặc dù giá thành lắp đặt hệ thống là đắt nhƣng sức sản
xuất sinh khối tảo, mật độ tế bào ở hệ thống kín cao hơn gấp 13 và 30 lần so với hệ
thống hở (Chisti, 2007). Sinh khối tảo đƣợc sản xuất ở hệ thống kín hay hở đều
không ảnh hƣởng đến quá trình thu nhận dầu và chuyển chúng thành diesel sinh học.

Sức sản xuất sinh khối cao nhất ở bể hở đạt đến khoảng 24 gam sinh khối
khô/m2/ngày (Weisz, 2004) và cá biệt 100 gam sinh khối khô/m2/ngày đã thu đƣợc
trong các hệ thống nuôi kín 300 lít đơn giản (Patil và cs., 2005) trong điều kiện bão

21


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

hòa ánh sáng. Tridici (1999) đã nghiên cứu sản xuất sinh khối tảo trong các hệ thống
photobioreactor với các kiểu dáng khác nhau đã đƣợc thiết kế trong đó, dạng ống tỏ
ra là có hiệu quả cao nhất (Patil và cs., 2008).
5.2. Thu hoạch sinh khối vi tảo
Thu hoạch sinh khối tảo là một trong những quá trình quan trọng quyết định
khả năng sản xuất diesel sinh học từ vi tảo. Hiệu quả thu hoạch thấp không chỉ gây
lãng phí nguồn nguyên liệu mà còn đe dọa đến môi trƣờng do mật độ tảo cao có thể
gây ra hiện tƣợng phú dƣỡng đối với môi trƣờng xung quanh. Các phƣơng pháp thu
hoạch tảo phổ biến đƣợc sử dụng là ly tâm, kết tủa bông, vi lọc (microfiltration) …
- Kết tủa bông: Đây là phƣơng pháp thu hoạch sinh khối tảo sử dụng các chất
kết bông có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, trong đó chất kết bông giúp các tế bào
vi tảo riêng lẻ tập hợp lại thành từng cụm, lắng xuống phía dƣới và dễ dàng tách khỏi
môi trƣờng nuôi. Một số chất kết bông hóa học đƣợc sử dụng nhƣ Al 2(SO4)3,
KAl(SO4)2, FeCl3…, chất kết bông tự nhiên có thể là chitosan, pestan… Hàm lƣợng
chất kết bông tối ƣu cho thu hoạch sinh khối vi tảo phụ thuộc nhiều vào các yếu tố
nhƣ nhiệt độ, dinh dƣỡng và pH của môi trƣờng nuôi.
- Ly tâm: Phƣơng pháp ly tâm có ƣu điểm là có thể thu hoạch đƣợc triệt để
sinh khối tảo và môi trƣờng nuôi có thể đƣợc tái sử dụng mà không cần qua bƣớc xử
lý nào khác. Tuy nhiên, quá trình này lại có chi phí đắt đỏ do tốn kém về mặt năng

lƣợng nên việc sử dụng phƣơng pháp ly tâm trong thu hoạch sinh khối vi tảo là không
khả thi khi triển khai ở quy mô lớn.
- Vi lọc: Đây là một phƣơng pháp cơ bản để thu hoạch sinh khối tảo trong đó
các tế bào vi tảo đƣợc tách khỏi môi trƣờng nuôi bằng cách lọc qua một màng lọc có
kích thƣớc lỗ nhỏ hơn kích thƣớc tế bào. Tuy nhiên, khó khăn của phƣơng pháp này

22


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

là kích thƣớc tế bào vi tảo rất nhỏ (1-30 µm) và trong quá trình lọc, tế bào tảo có thể
bịt kín các lỗ, cản trở quá trình lọc.
5.3. Tách chiết dầu tảo
Dầu tảo có thể đƣợc tách chiết từ sinh khối theo một số phƣơng pháp nhƣ tách
chiết cơ học, bằng dung môi, sốc thẩm thấu…, trong đó tách chiết bằng dung môi là
thông dụng nhất. Hầu hết các phƣơng pháp tách chiết hiện nay đều đƣợc phát triển
dựa trên phƣơng pháp cơ bản của Bligh và Dyer năm 1959 (Lewis and Nichols,
2000). Sinh khối tảo đƣợc trộn đều, ngâm chiết trong dung môi và sản phẩm dầu tảo
đƣợc thu hồi sau bƣớc chƣng cất. Các hóa chất thƣờng đƣợc sử dụng trong quá trình
tách chiết bao gồm n-hexan và chloroform. Đây là các hóa chất tƣơng đối rẻ tiền và
cho hiệu quả tách chiết cao.
5.4. Chuyển hóa diesel sinh học từ tảo
Quá trình sản xuất diesel sinh học từ tảo bao gồm một số bƣớc. Về cơ bản,
công nghệ sản xuất diesel sinh học từ tảo cũng tƣơng tự nhƣ đối với các nguồn
nguyên liệu thực vật khác, tuy nhiên có một số giai đoạn cần lƣu ý. Không kể các
bƣớc và các giai đoạn của quá trình nuôi trồng tảo, sau giai đoạn nuôi trồng, các tế
bào tảo phải đƣợc làm khô trƣớc khi thực hiện phản ứng chuyển hóa. Hiện nay có rất

ít tài liệu công bố về kết quả sản xuất diesel sinh học từ sinh khối tảo tƣơi. Hầu nhƣ
chỉ có các nghiên cứu đánh giá hiệu suất chuyển hóa khi so sánh hai phƣơng pháp
chuyển hóa từ dầu tảo tách chiết từ sinh khối (phƣơng pháp hai giai đoạn) với phƣơng
pháp chuyển hóa trực tiếp (một giai đoạn). Đối với phƣơng pháp hai giai đoạn, dầu
tảo sau khi tách chiết đƣợc cho phản ứng với methanol có mặt chất xúc tác, khi đó
quá trình sản xuất diesel sinh học tƣơng tự nhƣ đối với dầu thực vật. Đối với phƣơng
pháp một giai đoạn (chuyển vị ester tại chỗ) thì dung môi có tác dụng chiết lipit
(chloroform, n-hexan, ether…), methanol để methyl hóa axit béo và chất xúc tác

23


Luận văn thạc sỹ 2014

Lƣơng Hồng Hạnh

đƣợc bổ sung cùng một lúc. Sau đó là các bƣớc lọc và rửa để loại bỏ cặn tế bào khỏi
diesel sinh học. So với phƣơng pháp chuyển hóa hai giai đoạn thì

(Haas và cs

(Ehimen và cs., 2010).
Hiệu suất của quá trình ester hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ lƣợng nƣớc
có trong nguyên liệu thô (sẽ tạo thành xà phòng thay vì methyl ester), lƣợng axit béo
tự do trong nguyên liệu (giảm hiệu suất tạo thành diesel sinh học), nhiệt độ, áp suất,
thời gian phản ứng, tỷ lệ số mol giữa dầu nguyên liệu và methanol (Ramadhas và cs.,
2005).
5.5. Gia hóa các sản phẩm có giá trị từ quá trình sản xuất diesel sinh học từ
vi tảo
glycerol (Ma and Hanna, 1999). Trung bình cứ sản xuất 100 kg diesel sinh học thì sẽ

tạo ra khoảng 10 kg glycerol (Chi và cs., 2007).
h

(Cerrate và
cs., 2006; Lammers và cs

(Dasari và cs., 2005) hay acetol (Chiu và cs

24

-


Luận văn thạc sỹ 2014

cacbo

Lƣơng Hồng Hạnh

(Yokochi và cs., 1998). Taconi và cs
Clostridium pasteurianum

Schizochytrium hay Spirulina
, 2009).
Sinh khối của nhiều loài vi tảo có chứa hàm lƣợng cao các axit béo không bão
hòa đa nối đôi có giá trị kinh tế cao nhƣ DHA (Docosahexaenoic acid; C22:6 n-3),
DPA (Docosapentaenoic acid; C22:5 n-6), EPA (Eicosapentaenoic acid; C20:5 n-3).
Do vậy, hiệu quả sản xuất diesel sinh học từ vi tảo sẽ đƣợc nâng cao và giá thành
diesel sinh học sẽ giảm đi đáng kể nếu các axit béo này đƣợc tách ra khỏi sinh khối
tảo để phục vụ cho các ứng dụng y, dƣợc học và thực phẩm chức năng. Bên cạnh đó,

ngoài dầu ra, sinh khối vi tảo còn chứa nhiều protein, hydratcacbons và các chất dinh
dƣỡng khác (Sánchez Mirón và cs., 2003; Chisti, 2007). Do đó, bã sinh khối từ việc
sản xuất diesel sinh học có thể đƣợc sử dụng làm thức ăn cho động vật. Một số chất
bã sinh khối có thể đƣợc dùng để sản xuất methane bằng phân giải kỵ khí, sản sinh
năng lƣợng điện cần thiết cho chính sự vận hành để sản xuất sinh khối tảo.
Nhƣ vậy, việc gia hóa các sản phẩm có giá trị từ quá trình sản xuất diesel sinh
học sẽ giúp giảm đáng kể giá thành diesel sinh học, nâng cao hiệu quả kinh tế của quá
trình sản xuất và loại bỏ sản phẩm thải, đảm bảo thân thiện với môi trƣờng.
5.6. Ứng dụng khác của vi tảo
Vi tảo có mặt khắp nơi trên trái đất, sự phổ biến nhƣ vậy cũng nói lên vai trò
quan trọng của tảo đối với hoạt động sống trong tự nhiên. Hàng năm, trong số 200 tỷ
tấn chất hữu cơ đƣợc tạo thành trên trái đất, có 170–180 tỷ tấn do tảo tạo ra, còn lại

25