Nghiên cứu tuyển chọn và nâng cao khả năng tổng hợp lipid của vi tảo làm cơ sở để sản xuất biodiesel

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THỊ MỸ LAN

NGHIÊN CỨU TUYỂN CHỌN VÀ NÂNG CAO
KHẢ NĂNG TỔNG HỢP LIPID CỦA VI TẢO
LÀM CƠ SỞ ĐỂ SẢN XUẤT BIODIESEL

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN


NGUYỄN THỊ MỸ LAN

NGHIÊN CỨU TUYỂN CHỌN VÀ NÂNG CAO
KHẢ NĂNG TỔNG HỢP LIPID CỦA VI TẢO
LÀM CƠ SỞ ĐỂ SẢN XUẤT BIODIESEL
Chuyên ngành: HÓA SINH
Mã số: 62 42 30 15

Phản biện 1: PGS.TS. Trương Vĩnh
Phản biện 2: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân
Phản biện 3: TS. Nguyễn Hữu Phúc
Phản biện độc lập 1: PGS.TS. Trương Vĩnh
Phản biện độc lập 2: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. PHẠM THÀNH HỔ
2. PGS.TS. NGUYỄN TIẾN THẮNG

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện. Các số
liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả Luận án

NCS Nguyễn Thị Mỹ Lan


LỜI CẢM ƠN
Xin gởi lòng biết ơn sâu sắc đến hai Thầy PGS.TS. Phạm Thành Hổ – PGS.TS.
Nguyễn Tiến Thắng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá
trình nghiên cứu, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành tốt luận án.
Xin chân thành cám ơn cô PGS.TS. Đồng Thò Thanh Thu, PGS.TS. Phạm Thò
Ánh Hồng, TS. Lê Phi Nga đã luôn động viên và hỗ trợ tôi rất nhiều về mặt tinh
thần và học thuật.
Xin trân trọng cám ơn TS. Trần Ngọc Đức, TS. Lưu Thò Thanh Nhàn, Thầy TS.
Nguyễn Thanh Tùng đã cung cấp nhiều tài liệu có giá trò cho luận án và hỗ trợ cho
tôi rất nhiều trong lónh vực nghiên cứu còn khá mới này.
Xin chân thành cảm ơn Th.S Lê Thò Mỹ Phước, TS. Lương Thò Mỹ Ngân, GV. Lê

Thò Thanh Loan, Th.S. Huỳnh Hiệp Hùng, Th.S. Nguyễn Hoàng Ngọc Phương đã
cùng tôi sát cánh trong quá trình thực hiện luận án.
Chân thành cám ơn Quỹ khoa học và công nghệ ĐHQG TP HCM cho đề tài
trọng điểm (B2010-18-01-TĐ) do Th.S Lê Thò Mỹ Phước làm chủ nhiệm đề tài.
Xin chân thành cám ơn quý Thầy Cô trong hội đồng đã dành nhiều thời gian
đóng góp ý kiến quý báu để tôi hoàn thành tốt luận án.
Xin chân thành cảm ơn Thầy Cô và các bạn Bộ môn Công nghệ sinh học Thực
vật và Chuyển hóa sinh học, Bộ môn Sinh hóa đã tạo mọi điều kiện thuận lợi tốt
nhất cho tôi hoàn thành tốt luận án.
Chân thành cảm ơn các em Đoàn Thò Mộng Thắm, Lương Công Khôi, Trương
Huy Hồng, Nguyễn Thanh Vũ và các em sinh viên CNSH các khóa CS05, CS07,
CS08, CS09 đã hỗ trợ tôi hoàn tất những nội dung nghiên cứu của luận án.
Chân thành cảm ơn các anh chò và các bạn đang làm công tác nghiên cứu và
giảng dạy tại Khoa sinh học đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua.
Cuối cùng, tôi không biết bày tỏ như thế nào về lòng biết ơn của mình cho xứng
đáng với những hy sinh, tận tụy của gia đình, người thân, bạn bè… đã dành cho tôi
trong suốt những năm qua.
NCS Nguyễn Thò Mỹ Lan


i

Mục lục

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC ................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... vi

DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ vii
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. ix
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 ................................................................................................................. 4
TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................................................... 4
1.1.

NHIÊN LIỆU SINH HỌC............................................................................... 4

1.1.1.

Nhiên liệu sinh học ..................................................................................... 4

1.1.2.

Những ưu điểm của nhiên liệu sinh học: .................................................... 9

1.1.3.

Tình hình nghiên cứu nhiên liệu sinh học từ vi tảo trên Thế Giới và ở Việt

Nam

................................................................................................................... 12

1.1.4.

Sự phát triển của Biodiesel trên Thế Giới và ở Việt Nam ........................ 16

1.2.

TẢO DẦU ..................................................................................................... 18

1.2.1.

Tảo dầu...................................................................................................... 18

1.2.2.

Quy trình tạo biodiesel từ vi tảo dầu......................................................... 20

1.3.

THÀNH PHẦN VÀ QUÁ TRÌNH SINH TỔNG HỢP LIPID Ở VI TẢO .. 21

1.3.1.

Thành phần lipid trong vi tảo .................................................................... 21

1.3.2.

Quá trình sinh tổng hợp lipid ở vi tảo ....................................................... 23

1.4.

CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CON ĐƯỜNG CHUYỂN HÓA LIPID

TRONG VI TẢO ...................................................................................................... 25
1.4.1.

Kỹ thuật sinh hóa (BE) ............................................................................. 26

1.4.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ chất dinh dưỡng đến lượng lipid tích lũy ở vi
tảo dầu

.............................................................................................................. 27

1.4.1.2. Ảnh hưởng của ánh sáng đến tích lũy lipid ở vi tảo dầu ...................... 29
1.4.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tích lũy lipid ở vi tảo dầu ....................... 29


ii

Mục lục

1.4.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ muối đến tích lũy lipid ở vi tảo dầu .............. 29
1.4.1.5. Phương pháp nuôi cấy 2 giai đoạn ....................................................... 30
1.4.2.

Kỹ thuật di truyền (GE) ............................................................................ 31

1.4.3.

Kỹ thuật điều khiển yếu tố phiên mã (TFE) ............................................. 32

1.5.

MÔ HÌNH NHÂN SINH KHỐI VI TẢO ..................................................... 33

1.5.1.

Mô hình nhân sinh khối vi tảo trong phòng thí nghiệm ........................... 33

1.5.2.

Mô hình nhân sinh khối vi tảo ở quy mô pilot .......................................... 35

1.5.2.1. Hệ thống nuôi vi tảo trong ao mở ngoài trời (Race way) ..................... 35
1.5.2.2. Mô hình nhân sinh khối vi tảo trong hệ thống kín (Photobioreactor) .. 37
CHƯƠNG 2 ............................................................................................................... 39
VẬT LIỆU – PHƯƠNG PHÁP ............................................................................... 39
2.1.

NGUỒN PHÂN LẬP .................................................................................... 39

2.2.

DỤNG CỤ - HÓA CHẤT – VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM : ............................ 40

2.2.1.

Dụng cụ ..................................................................................................... 40

2.2.2.

Hóa chất – vật liệu .................................................................................... 40

2.3.

MÔI TRƯỜNG PHÂN LẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN LẬP ................ 40

2.3.1.

Môi trường phân lập tảo nước ngọt [103]................................................. 40

2.3.2.

Môi trường phân lập tảo nước mặn [103] ................................................. 41

2.3.3.

Phương pháp phân lập............................................................................... 41

2.4.

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TÍNH LIPID TRONG TẾ BÀO VI TẢO ............. 42

2.5.

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH DANH VI TẢO ..................................................... 43

2.5.1. Định danh vi tảo theo phương pháp truyền thống ................................... 43
2.5.2. Định danh vi tảo theo phương pháp giải trình tự gen 18S rDNA và tra
cứu trên Blast Search (Thực hiện tại Công ty Nam Khoa) .................................. 43
2.6.

PHƯƠNG PHÁP SÀNG LỌC NHANH CÁC CHỦNG VI TẢO CÓ CHỨA

LIPID ....................................................................................................................... 45
2.7.

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THIẾU NITROGEN, PHOSPHOR

ĐẾN KHẢ NĂNG TÍCH LŨY LIPID CỦA VI TẢO ............................................. 47
2.8.

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH LƯỢNG LIPID VÀ TAG TRONG VI TẢO ........ 49

2.8.1.

Định lượng lipid bằng phương pháp Soxhlet [46], [58], [61], [81] .......... 49

2.8.2.

Định lượng lipid bằng phương pháp Bligh và Dyer [18] ......................... 50


iii

2.8.3.

Mục lục

Định lượng nhanh TAG bằng phương pháp đo OD huỳnh quang với thuốc

nhuộm Nile Red [31], [55] ..................................................................................... 50
2.9.

PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN VÀ HÀM LƯỢNG CÁC ACID BÉO CÓ

TRONG CÁC CHỦNG VI TẢO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ (GC-FID)
THEO TIÊU CHUẨN EN 14103:2003................................................................... 52
2.10.

PHÂN TÍCH MỘT SỐ TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA DẦU TẢO ............ 53

2.11.

QUY TRÌNH NUÔI CẤY, THU SINH KHỐI VI TẢO TRONG MÔI

TRƯỜNG LỎNG ..................................................................................................... 53
2.11.1. Nuôi cấy .................................................................................................... 53
2.11.2. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy đến khả năng tích tũy lipid của
vi tảo

................................................................................................................... 54

2.11.3. Xây dựng đường cong tăng trưởng của Pediastrum theo mật độ tế bào .. 55
2.11.4. Xây dựng đường cong tăng trưởng của Pediastrum theo mật độ sinh khối56
2.11.5. Phương pháp nuôi cấy vi tảo 2 giai đoạn .................................................. 56
QUY TRÌNH NUÔI CẤY, THU SINH KHỐI Pediastrum duplex Meyen

2.12.

TRÊN GIÁ ĐỠ CELLULOSE VI KHUẨN ............................................................ 57
2.12.1. Phương pháp hoạt hóa, nhân giống Acetobacter xylinum và lên men thu
sinh khối cellulose vi khuẩn (BC) [2] .................................................................... 58
2.12.2. Chuẩn bị miếng BC chứa môi trường tạo stress ....................................... 58
2.12.3. Phương pháp nuôi cấy 2 giai đoạn trên giá đỡ BC ................................... 58
2.12.4. Đánh giá khả năng tái sử dụng giá đỡ BC ................................................ 59

2.13.

PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU ........................................................... 59

CHƯƠNG 3 ............................................................................................................... 60
KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN .................................................................................... 60
3.1.

PHÂN LẬP VÀ TUYỂN CHỌN CÁC CHỦNG VI TẢO CHỨA LIPID ... 60

3.1.1.

Phân lập và sơ tuyển ................................................................................. 60

3.1.1.1. Vi tảo nước ngọt ................................................................................... 60
3.1.1.2. Vi tảo nước mặn ................................................................................... 60
3.1.2.

Định tính lipid bằng phẩm nhuộm huỳnh quang Nile Red và định danh vi

tảo bằng hình thái ................................................................................................... 60


iv

Mục lục

3.1.3.

Định danh đại diện một số chủng vi tảo bằng phương pháp sinh học phân

tử

................................................................................................................... 70

3.1.4.

Tuyển chọn các chủng vi tảo có chứa lipid ở điều kiện nuôi cấy ngoài tự

nhiên

................................................................................................................... 71

3.1.4.1. Khảo sát khả năng tích lũy lipid nội bào của các chủng vi tảo nước ngọt
ở điều kiện nuôi cấy ngoài tự nhiên ..................................................................... 72
3.1.4.2. Khảo sát khả năng tích lũy lipid nội bào của các chủng vi tảo nước mặn
ở điều kiện nuôi cấy ngoài tự nhiên ..................................................................... 76
3.2.

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THIẾU NITROGEN, PHOSPHOR

ĐẾN KHẢ NĂNG TÍCH LŨY LIPID CỦA 4 CHỦNG VI TẢO TUYỂN CHỌN 80
3.2.1.

Chủng N12: Pediastrum duplex Meyen.................................................... 80

3.2.2.

Chủng N17: Scenedesmus accuminatus (Lag.) Chodat ............................ 82

3.2.3.

Chủng M5: Chlamydomonas sp. ............................................................... 83

3.2.4.

Chủng M16: Tetraselmis sp. ..................................................................... 84

3.3.

XÁC ĐỊNH LIPID TỔNG, THÀNH PHẦN VÀ HÀM LƯỢNG CÁC ACID

BÉO CÓ TRONG CÁC CHỦNG VI TẢO KHẢO SÁT......................................... 85
3.3.1.

Định lượng lipid tổng ................................................................................ 85

3.3.1.1. Khảo sát dung môi ly trích lipid từ vi tảo ............................................. 85
3.3.1.2. Định lượng lipid tổng trong vi tảo bằng phương pháp Soxhlet – phương
pháp Bligh and Dyer ............................................................................................ 87
3.3.2.

Thành phần và hàm lượng các acid béo, lipid tổng có trong các chủng vi

tảo khảo sát ............................................................................................................. 90
3.4.

QUY TRÌNH NUÔI CẤY, THU SINH KHỐI VI TẢO Pediastrum duplex

Meyen TRONG MÔI TRƯỜNG LỎNG ................................................................. 93

3.4.1.

Ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy đến khả năng tích lũy lipid ở vi tảo

Pediastrum duplex Meyen (N12) ........................................................................... 93
3.4.1.1. Ảnh hưởng của môi trường nuôi cấy .................................................... 93
3.4.1.2. Ảnh hưởng của điều kiện ánh sáng - nhiệt độ ...................................... 94
3.4.1.3. Ảnh hưởng của pH môi trường nuôi cấy .............................................. 95
3.4.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ CO2................................................................ 96


v

3.4.2.

Mục lục

Khảo sát động học tăng trưởng của Pediastrum duplex Meyen ở các

cường độ chiếu sáng khác nhau ............................................................................. 97
3.4.3.

Nuôi cấy Pediastrum duplex Meyen hai giai đoạn trong môi trường lỏng100

3.4.3.1. Ảnh hưởng của sự thiếu nitrogen và phosphor lên sự tăng trưởng của
Pediastrum duplex Meyen ................................................................................. 101
3.4.3.2. Ảnh hưởng của sự thiếu nitrogen và phosphor lên hàm lượng TAG và
lipid tổng ở Pediastrum duplex Meyen .............................................................. 103
3.5.

QUY TRÌNH NUÔI CẤY, THU SINH KHỐI VI TẢO Pediastrum duplex

Meyen TRÊN GIÁ ĐỠ CELLULOSE VI KHUẨN (BC) ..................................... 110
3.5.1.

Hoạt hóa, nhân giống và lên men Acetobacter xylinum: ........................ 111

3.5.2.

Ứng dụng nuôi cấy Pediastrum duplex Meyen trên giá đỡ BC theo

phương pháp 2 giai đoạn ...................................................................................... 112
3.5.3.

Đánh giá khả năng tái sử dụng giá thể BC ............................................. 114

3.5.4.

So sánh hiệu suất sinh khối vi tảo Pediastrum duplex Meyen trên môi

trường lỏng và giá đỡ BC ..................................................................................... 115
3.5.5.

Định lượng lipid tổng trong Pediastrum duplex Meyen nuôi cấy 2 giai

đoạn trong môi trường lỏng và trên giá đỡ BC .................................................... 116
3.5.6.

Thành phần và hàm lượng các acid béo có trong Pediastrum duplex

Meyen nuôi cấy 2 giai đoạn trên giá đỡ cellulose vi khuẩn (BC) ........................ 117
3.5.7.
3.6.

Tính chất lý hóa của lipid trong vi tảo Pediastrum duplex Meyen ......... 120

XÂY DỰNG QUY TRÌNH NUÔI VI TẢO CÓ HÀM LƯỢNG LIPID CAO121

3.6.1.

Xây dựng quy trình nuôi vi tảo 2 giai đoạn trong môi trường lỏng ....... 121

3.6.2.

Xây dựng quy trình nuôi vi tảo 2 giai đoạn trên giá đỡ cellulose vi khuẩn123

3.6.3.

Đánh giá ưu và nhược điểm của vi tảo Pediastrum duplex Meyen nuôi cấy

trong môi trường lỏng và trên giá đỡ cellulose vi khuẩn ..................................... 124
CHƯƠNG 4 ............................................................................................................. 125
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 125
4.1.

KẾT LUẬN ................................................................................................. 125

4.2.

KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 126

DANH MỤC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................... 127
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 128


vi

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
DMSO – Dimethyl sulfoxide
MUFA – MonoUnsaturated Fatty Acid (Acid béo không bão hòa có một nối đôi)
NT – Nghiệm thức
PUFA – PolyUnsaturated Fatty Acid (Acid béo không bão hòa có nhiều nối đôi)
PC: Plant Cellulose (Cellulose thực vật)
SFA – Saturated Fatty Acid (Acid béo bão hòa)
USFA – Unsaturated Fatty Acid (Acid béo không bão hòa)
TAG – Triacylglyceride


vii

Danh mục bảng

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Bảng so sánh hiệu suất nuôi trồng vi tảo và các nguồn nguyên liệu khác để
sản xuất biodiesel [10] ..................................................................................................9
Bảng 1.2: Một số loại vi tảo dầu điển hình [32], [55] ................................................19
Bảng 1.3: So sánh hiệu quả tạo biodiesel của vi tảo dầu với các nguồn sinh khối khác
....................................................................................................................................20

Bảng 1.4: Các gene (mã hóa enzyme) tăng cường sinh tổng hợp lipid [22] ..............32
Bảng 1.5: Các yếu tố phiên mã chịu trách nhiệm cho việc tăng cường sản xuất các
sản phẩm có giá trị cao [22]........................................................................................33
Bảng 2.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm vị trí nạp các mẫu vi tảo vào đĩa số 1 và đĩa số 2 47
Bảng 2.2: Các nghiệm thức gây strees thiếu N và P trong môi trường nuôi cấy .......48
Bảng 2.3: Sơ đồ vị trí nạp mẫu vi tảo khảo sát ảnh hưởng nitrogen và phosphor .....48
Bảng 2.4: Thành phần các chất trong 1 giếng đo OD huỳnh quang........................... 50
Bảng 2.5: Thể tích các chất cho vào giếng đo OD huỳnh quang ............................... 51
Bảng 2.6: Các nghiệm thức nuôi cấy ..........................................................................54
Bảng 2.7: Nghiệm thức khảo sát ánh sáng - nhiệt độ .................................................55
Bảng 3.1: Kết quả định danh và định tính lipid 7 chủng vi tảo nước ngọt được tuyển
chọn và Scenedesmus dimorphus (N18) .....................................................................62
Bảng 3.2: Kết quả định danh và định tính lipid 12 chủng vi tảo nước mặn được tuyển
chọn và Chlorella sp1. (M17).....................................................................................65
Bảng 3.3: Kết quả định danh theo phương pháp truyền thống và phương pháp sinh
học phân tử .................................................................................................................70
Bảng 3.4: Ký hiệu các chủng vi tảo trong bộ sưu tập giống ......................................71
Bảng 3.5: Hiệu suất ly trích dịch chiết chứa lipid từ vi tảo Pediastrum bằng phương
pháp Soxhlet với các hệ dung môi khác nhau ............................................................ 86
Bảng 3.6: Hiệu suất ly trích dịch chiết chứa lipid từ các chủng vi tảo khảo sát ........87


viii

Danh mục bảng

Bảng 3.7: Thành phần và hàm lượng các acid béo, lipid tổng có trong các chủng vi
tảo khảo sát .................................................................................................................90
Bảng 3.8: Hiệu suất tổng hợpTAG (%) ở các điều kiện nuôi cấy khác nhau của
Pediastrum duplex Meyen theo ngày .......................................................................104

Bảng 3.9: So sánh nồng độ TAG (μg/ml) của các vi tảo Pediastrum ......................107
Bảng 3.10: So sánh năng suất TAG (μg/ml/ngày) của các vi tảo Pediastrum .........107
Bảng 3.11: Định lượng lipid tổng trong Pediastrum bằng phương pháp Soxhlet ....109
Bảng 3.12: Năng suất sinh khối khô Pediastrum ở các lần tái sử dụng BC .............114
Bảng 3.13: Định lượng lipid tổng trong Pediastrum nuôi cấy 2 giai đoạn trong môi
trường lỏng và trên giá đỡ BC ..................................................................................117
Bảng 3.14: Thành phần acid béo (%) của chủng tảo Pediastrum nuôi cấy 2 giai đoạn
trên giá đỡ BC ở các điều kiện stress và so sánh với chủng Scenedesmus sp.,
Chlamydomonas reinhardtii [3] ...............................................................................117
Bảng 3.15: Các tính chất lý hóa của lipid trong vi tảo Pediastrum (1/4N-1/2P) .....120


ix

Danh mục hình

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Các thế hệ nhiên liệu sinh học [98] .............................................................. 6
Hình 1.2: Sự phát triển về quá trình sản xuất biodiesel trên Thế Giới [69] ...............17
Hình 1.3: Quy trình tổng quát tạo biodiesel từ vi tảo dầu [98] ..................................21
Hình 1.4: Tổng quan cơ bản về con đường chuyển hóa cố định carbon ....................24
và sinh tổng hợp TAG trong vi tảo [82] .....................................................................24
Hình 1.5: Con đường sinh tổng hợp acid béo và hình thành TAG ở vi tảo................25
Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống nuôi cấy theo mẻ (Lee C.S và cộng sự, 1993) ..................34
Hình 1.7: Hệ thống nuôi vi tảo trong ao mở ngoài trời [102] ....................................35
Hình 1.8: Hệ thống photobioreactor dạng ống [102] .................................................38
Hình 1.9: Hệ thống photobioreactor dạng tấm ........................................................... 38
Hình 2.1: Một số địa điểm thu mẫu ............................................................................39
Hình 2.2: Cấu trúc hóa học của thuốc nhuộm Nile Red .............................................42
Hình 2.3: Chlamydomonas reinhardtii nhuộm với Nile Red [93] ............................. 42

Hình 3.1: Biểu đồ sàng lọc các chủng vi tảo nước ngọt ở điều kiện nuôi cấy ngoài tự
nhiên bằng tín hiệu phát quang Nile Red OD485/535 /200 µl dịch tảo) theo thời
gian nuôi cấy ...............................................................................................................73
Hình 3.2: Biểu đồ khả năng tăng trưởng của các chủng vi tảo nước ngọt ở điều kiện
nuôi cấy ngoài tự nhiên thông qua giá trị OD750nm theo thời gian nuôi cấy ...............74
Hình 3.3: Biểu đồ sàng lọc các chủng vi tảo nước ngọt ở điều kiện nuôi cấy ...........75
ngoài tự nhiên theo thời gian nuôi cấy .......................................................................75
Hình 3.4: Biểu đồ sàng lọc các chủng vi tảo nước mặn ở điều kiện nuôi cấy ngoài tự
nhiên bằng tín hiệu phát quang Nile Red (OD485/535 /200 µl dịch tảo) theo thời gian
nuôi cấy.......................................................................................................................76


x

Danh mục hình

Hình 3.5: Biểu đồ khả năng tăng trưởng của các chủng vi tảo nước mặn ở điều kiện
nuôi cấy ngoài tự nhiên theo thời gian nuôi cấy thông qua giá trị độ hấp thu OD750nm
....................................................................................................................................77
Hình 3.6: Biểu đồ sàng lọc các chủng vi tảo nước mặn ở điều kiện nuôi cấy ngoài tự
nhiên theo thời gian nuôi cấy......................................................................................78
Hình 3.7: Biểu đồ ảnh hưởng của sự thiếu N và P đến khả năng tích lũy lipid của
Pediastrum duplex Meyen theo thời gian nuôi cấy ....................................................81
Hình 3.8: Sự tích lũy lipid của Pediastrum duplex Meyen ở các điều kiện nuôi cấy
khác nhau ....................................................................................................................81
Hình 3.9: Biểu đồ ảnh hưởng của sự thiếu N và P đến khả năng tích lũy lipid của
Scenedesmus accuminatus theo thời gian nuôi cấy ....................................................82
Hình 3.10: Sự tích lũy lipid của Scenedesmus accuminatus ở điều kiện nuôi cấy khác
nhau............................................................................................................................. 82
Hình 3.11: Biểu đồ ảnh hưởng của sự thiếu N và P đến khả năng tích lũy lipid của

Chlamydomonas sp. theo thời gian nuôi cấy .............................................................. 83
Hình 3.12: Sự tích lũy lipid của Chlamydomonas sp. ở điều kiện nuôi cấy khác nhau
....................................................................................................................................83
Hình 3.13: Biểu đồ ảnh hưởng của sự thiếu N và P đến khả năng tích lũy lipid của
của Tetraselmis sp. theo thời gian nuôi cấy................................................................ 84
Hình 3.14: Sự tích lũy lipid của Tetraselmis sp. ở điều kiện nuôi cấy khác nhau .....84
Hình 3.15. Biểu đồ so sánh hiệu suất ly trích dịch chiết lipid từ các ......................... 88
chủng vi tảo bằng 2 phương pháp Soxhlet và Bligh & Dyer .....................................88
Hình 3.16: Biểu đồ so sánh hiệu suất ly trích dịch chiết chứa acid béo tổng, lipid
tổng từ các chủng vi tảo khảo sát bằng phương GC-FID và Soxhlet ......................... 91
Hình 3.17: Đồ thị ảnh hưởng của môi trường nuôi cấy tới khả năng tích lũy lipid của
Pediastrum duplex Meyen (N12) ...............................................................................93


xi

Danh mục hình

Hình 3.18: Đồ thị ảnh hưởng của điều kiện ánh sáng và nhiệt độ tới khả năng tích lũy
lipid của Pediastrum duplex Meyen ...........................................................................94
Hình 3.19: Biểu đồ ảnh hưởng của pH môi trường nuôi cấy tới khả năng tích lũy
lipid của vi tảo Pediastrum duplex Meyen .................................................................95
Hình 3.20: Biểu đồ ảnh hưởng của nồng độ CO2 nuôi tới khả năng tích lũy của vi tảo
Pediastrum duplex Meyen .......................................................................................... 96
Hình 3.21: Đường cong tăng trưởng của Pediastrum duplex Meyen......................... 97
ở các cường độ chiếu sáng khác nhau ........................................................................97
Hình 3.22: Các điều kiện nuôi cấy Pediastrum duplex Meyen ..................................98
Hình 3.23: Màu sắc dịch nuôi cấy Pediastrum duplex Meyen ở các cường độ chiếu
sáng khác nhau ............................................................................................................98
Hình 3.24: Đường cong tăng trưởng của Pediastrum duplex Meyen ở các điều kiện

khác nhau theo mật độ sinh khối khô .......................................................................100
Hình 3.25: Đồ thị ảnh hưởng của sự thiếu nitrogen và phosphor lên sự tăng trưởng
của Pediastrum duplex Meyen theo log mật độ tế bào .............................................102
Hình 3.26: Đồ thị ảnh hưởng của sự thiếu nitrogen và phosphor lên sự tăng trưởng
của Pediastrum duplex Meyen theo mật độ sinh khối ..............................................102
Hình 3.27: Ảnh hưởng của sự thiếu nitrogen và phosphor lên hiệu suất tổng hợp
TAG của Pediastrum duplex Meyen theo thời gian nuôi cấy ..................................104
Hình 3.28: Sinh khối và hàm lượng TAG (%) của Pediastrum duplex Meyen nuôi
cấy trong môi trường MWC đầy đủ (1N-1P) theo thời gian ....................................106
Hình 3.29: Sinh khối và hàm lượng TAG (%) của Pediastrum nuôi cấy trong môi
trường MWC thiếu hụt nitrogen và phosphor (1/4N-1/2P) theo thời gian ...............106
Hình 3.30: Sự thay đổi kích thước của tập đoàn vi tảo Pediastrum duplex Meyen
theo điều kiện nuôi cấy .............................................................................................108
Hình 3.31: Năng suất sinh khối (mg/l/ngày) và năng suất lipid (g/ml/ngày) của
Pediastrum duplex Meyen trong các nghiệm thức ...................................................110


xii

Danh mục hình

Hình 3.32: Vi khuẩn Acetobacter xylinum nuôi cấy trên thạch nghiêng, ống nghiệm
và chai thủy tinh........................................................................................................111
Hình 3.33: Sản phẩm cellulose vi khuẩn ..................................................................112
Hình 3.34: Nuôi cấy Pediastrum duplex Meyen trên giá đỡ BC và đối chứng trên
môi trường lỏng ........................................................................................................113
Hình 3.35: Đồ thị sinh khối khô Pediastrum duplex Meyen thu trên giá đỡ BC ở các
điều kiện nuôi cấy .....................................................................................................113
Hình 3.36: Biểu đồ lượng sinh khối khô Pediastrum duplex Meyen ở các lần tái sử
dụng BC ....................................................................................................................114

Hình 3.37: Biểu đồ lượng sinh khối khô Pediastrum duplex Meyen ở điều kiện nuôi
cấy lỏng và trên giá đỡ BC .......................................................................................115
Hình 3.38: Thành phần acid béo (%) của chủng vi tảo Pediastrum duplex Meyen
nuôi cấy ở các điều kiện stress và so sánh với chủng Scenedesmus sp.,
Chlamydomonas reinhardtii .....................................................................................118
Hình 3.39: Thành phần các acid béo SFA, MUFA, PUFA (%) của chủng tảo
Pediastrum nuôi cấy ở các điều kiện stress và so sánh với chủng Scenedesmus sp.,
Chlamydomonas reinhardtii .....................................................................................119
Đồ thị 3.40: Thành phần các acid béo SFA, USFA (%) của chủng tảo Pediastrum
nuôi cấy ở các điều kiện stress và so sánh với chủng Scenedesmus sp.,
Chlamydomonas reinhardtii .....................................................................................119
Hình 3.41 : Quy trình nuôi cấy vi tảo 2 giai đoạn trong môi trường lỏng................122
Hình 3.42: Quy trình nuôi cấy vi tảo Pediastrum duplex Meyen 2 giai đoạn trong
môi trường lỏng ........................................................................................................123
Hình 3.43: Quy trình nuôi cấy vi tảo 2 giai đoạn trên giá đỡ cellulose vi khuẩn .....123
Hình 3.44: Quy trình nuôi cấy vi tảo Pediastrum duplex Meyen 2 giai đoạn trên giá
đỡ cellulose vi khuẩn ................................................................................................124


1

Mở đầu

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Trong bối cảnh hiện nay, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng đang gia
tăng nhanh chóng do sự bùng nổ dân số và công nghiệp hóa toàn cầu. Hơn 80% [30],
[70] năng lượng sử dụng hiện nay trên thế giới là từ nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ,
than đá, khí thiên nhiên, …). Đây là những nguồn năng lượng không tái sinh được và
có giới hạn. Do đó, yêu cầu cấp thiết được đặt ra là tìm những nguồn nhiên liệu mới

để thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. An ninh năng lượng,
lương thực và nước sạch là vấn đề phải đối mặt của nhiều quốc gia. Bên cạnh đó,
việc khai thác và sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch dẫn đến nhiều thiệt hại lớn cho
môi trường, đã tạo ra lượng lớn khí nhà kính và hiện tượng biến đổi khí hậu là một
thách thức lớn trong thế kỷ này [26], [50], [51], [52]. Những nguồn năng lượng tái
sinh như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng nước, năng lượng hạt
nhân, … nhận được sự quan tâm đặc biệt của con người và được tăng cường khai
thác. Nhưng những nguồn năng lượng này có một số ưu và nhược điểm nhất định và
vẫn chưa thể đáp ứng nổi nhu cầu về năng lượng của loài người.
Từ những yêu cầu như vậy, các nhà khoa học đã hướng sự chú ý đến một
nguồn nhiên liệu mới có khả năng thay thế một phần vai trò của nhiên liệu hóa thạch,
có khả năng tái tạo, đồng thời là nguồn năng lượng “sạch”, không độc, dễ phân giải
trong tự nhiên và khả năng khép kín chu trình carbon. Không nguồn nhiên liệu nào
thích hợp hơn nhiên liệu từ sinh khối sinh vật. Từ đó, thuật ngữ nhiên liệu sinh học biofuel- ra đời và cho đến nay đã trải qua 3 thế hệ.
Thế hệ nhiên liệu sinh học đầu tiên được sản xuất chủ yếu từ các loại cây
lương thực, thực phẩm như ngô, sắn, mía; từ dầu thực vật như đậu nành, dầu mè, dầu
cọ hoặc mỡ động vật như mỡ bò, mỡ heo, mỡ cá … [32], [95], [98], [99]. Nguồn
năng lượng từ thế hệ 1 tuy làm giảm đáng kể khí CO2 phát thải [79], nhưng không
bền vững và còn những tranh cãi về những tác động tiêu cực. Phát triển nhiên liệu
sinh học dựa trên nguồn nguyên liệu từ nông nghiệp cần một diện tích đất trồng
khổng lồ và cạnh tranh nguồn lương thực cho người và gia súc. Nhiên liệu sinh học


2

Mở đầu

thế hệ 2 được phát triển chủ yếu là các phụ phẩm hoặc phế liệu nông lâm nghiệp giàu
cellulose như rơm rạ, tro trấu, bã mía và sinh khối thực vật, ligno-cellulose sau khi
đã dùng cho thực phẩm, hoặc phế phẩm công nghiệp như dầu thải, rác thải sinh hoạt,

nước thải đô thị thành phố hoặc từ các loại dầu đã qua sử dụng, dầu không dùng cho
thực phẩm như jatropha [32], [65], [76], [98]. Tuy nguồn nguyên liệu này không ảnh
hưởng đến an ninh lương thực nhưng nguồn cung ứng không ổn định, khó đáp ứng
đầy đủ cho sản xuất và hiệu quả kinh tế không cao.
Nhiên liệu sinh học từ vi tảo (tảo dầu) - nhiên liệu sinh học thế hệ 3 - nổi lên
như một nguyên liệu có triển vọng nhất để sản xuất nhiên liệu sinh học do có một số
ưu điểm nổi trội như: chứa hàm lượng dầu cao lên đến khoảng 50% sinh khối khô,
hiệu suất lipid từ tảo thì cao hơn nhiều (7 – 30 lần) so với những cây trồng năng
lượng cạnh tranh [30], [66], gấp 50 -100 lần so với biodiesel từ đậu nành [38], không
ảnh hưởng đến an ninh lương thực, hấp thu CO2, hiệu suất quang hợp cao, tốc độ
tăng trưởng nhanh, có thể phát triển ở khắp mọi nơi (nước ngọt, nước mặn, nước lợ,
nước thải…) [26], phần sinh khối sau khi chiết lấy lipid còn là nguồn lợi kinh tế rất
lớn. Từ những thuận lợi trên, vi tảo đã cho thấy đây là nguồn nguyên liệu thích hợp
để sản xuất ra nguồn “ năng lượng xanh”, thay thế cho năng lượng từ nhiên liệu hóa
thạch đang dần cạn kiệt.
Đề tài “Nghiên cứu tuyển chọn và nâng cao khả năng tổng hợp lipid của vi
tảo, làm cơ sở để sản xuất biodiesel” là một hướng nghiên cứu rất mới ở Việt Nam
và phù hợp với tình hình nghiên cứu chung của Thế Giới. Từ những luận giải trên,
việc thực hiện hướng nghiên cứu của đề tài là cần thiết, có ý nghĩa về mặt khoa học
và thực tiễn.
2. Mục tiêu nghiên cứu:
Thu thập, tuyển chọn bộ giống vi tảo giàu lipid và xây dựng quy trình nuôi
cấy vi tảo nhằm gia tăng hàm lượng lipid tảo.
3. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm của luận án:
 Phân lập, tuyển chọn một số chủng vi tảo có khả năng tạo lipid ở miền Nam
Việt Nam với hàm lượng ≥ 10% so với trọng lượng khô.
 Nghiên cứu điều kiện để nâng cao khả năng tổng hợp lipid của chủng vi tảo
tuyển chọn ≥ 20% so với trọng lượng khô.

3

Mở đầu

 Nghiên cứu nuôi cấy, thu sinh khối vi tảo trên giá đỡ cellulose vi khuẩn
trong điều kiện ánh sáng tự nhiên.
 Nghiên cứu nuôi cấy ở quy mô sản xuất nhỏ (bình nhựa trong suốt 20L, hồ
kiếng 200L).
 Thu sinh khối và ly trích thu lipid từ sinh khối các loài vi tảo tuyển chọn.
 Xác định thành phần và hàm lượng các acid béo có trong lipid từ một số
chủng vi tảo tuyển chọn
 Đánh giá chất lượng lipid từ dầu tảo thông qua các chỉ tiêu lý hóa.
 Xây dựng quy trình nuôi vi tảo có hàm lượng lipid cao ≥ 20% so với trọng
lượng khô, làm cơ sở để sản xuất biodiesel.
4. Đóng góp mới của luận án
 Đã sàng lọc và tuyển chọn được 20 chủng vi tảo ở Việt Nam có hàm lượng
lipid cao, trong đó có 5 chủng đạt hiệu suất ly trích lipid ≥ 20%, là cơ sở tạo
nguồn nguyên liệu bền vững cho việc sản xuất biodiesel tại Việt Nam.
 Xây dựng quy trình nuôi cấy hai giai đoạn vi tảo Pediastrum duplex Meyen
trên cellulose vi khuẩn ở điều kiện stress thiếu nitrogen và phosphor đạt hàm
lượng lipid cao 36,43% so với trọng lượng khô với thành phần acid béo có
C16 và C18:1 chiếm 46,08% và 21,69% tương ứng, và có các tính chất lý
hóa phù hợp để sản xuất biodiesel.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
– Tuyển chọn được bộ giống vi tảo (5 chủng) có hàm lượng lipid ≥ 20% so với
trọng lượng khô phân lập được tại Việt Nam.
– Xây dựng quy trình nhân sinh khối vi tảo dầu nuôi cấy trong môi trường
lỏng và trên giá đỡ cellulose vi khuẩn trong điều kiện ánh sáng tự nhiên
nhằm gia tăng hàm lượng dầu tảo trong điều kiện ánh sáng tự nhiên.
– Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là nguồn tài liệu tham khảo có giá trị

cho công tác giảng dạy và nghiên cứu.


4

Chương 1: Tổng quan tài liệu

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. NHIÊN LIỆU SINH HỌC
Các loại nhiên liệu hóa thạch phải mất hàng triệu năm để được hình thành
trong lòng đất, trong khi chỉ sau hơn hai trăm năm sử dụng con người đã làm trữ
lượng của chúng giảm đi đáng kể. Con người sử dụng nhiên liệu hóa thạch với tốc độ
nhanh gấp hàng ngàn lần tốc độ chúng hình thành. Do đó, lượng nhiên liệu tạo ra
không thể thay thế nhanh chóng cho lượng đã sử dụng. Trữ lượng nhiên liệu hóa
thạch trên thế giới đang giảm mạnh, đặc biệt sau chiến tranh Vùng vịnh năm 1991.
Giá nhiên liệu đang tăng cao (tính đến tháng 6/2014 giá dầu thô vẫn đang ở mức trên
100 USD/ thùng). Nguyên nhân là sự gia tăng về nhu cầu sử dụng, cũng như do các
cuộc khủng hoảng dầu mỏ và những bất ổn vùng Trung Đông và Bắc Phi. Thêm vào
đó, sản phẩm của quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch cũng gây ra nhiều tác động
tiêu cực đến môi trường: ô nhiễm không khí, mưa acid, biến đổi khí hậu, sự nóng lên
toàn cầu, dầu tràn ảnh hưởng đến sinh vật, ô nhiễm nguồn nước ảnh hưởng sức khỏe
con người…[92].
Những giới hạn trên của nhiên liệu hóa thạch đã thúc đẩy việc nghiên cứu và
phát triển nguồn nhiên liệu mới – nhiên liệu tái tạo, mà trong đó phát triển nhiên liệu
sinh học được xem là hướng đi mang lại nhiều hứa hẹn.
1.1.1. Nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học (tiếng Anh: biofuel, tiếng Pháp: biocarburant) là
loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật (sinh
học) như nhiên liệu chiết xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,

...), ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương, ...), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,
...), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải...),... [99]. Vì vậy,
nhiên liệu sinh học là nguồn năng lượng thay thế có thể tồn tại, tái sinh và điều chỉnh
theo ý muốn của con người [94].


5

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối gồm cả 3 dạng rắn, lỏng, khí
trong đó phổ biến là biogas, bioethanol và biodiesel, có thể được phân loại thành các
nhóm chính như sau:


Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự

và có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống. Biodiesel được điều
chế bằng cách tạo dẫn xuất từ một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ
động vật), thường được thực hiện thông qua quá trình transester hóa bằng cách
cho phản ứng với các loại rượu, phổ biến nhất là methanol và ethanol [100].


Xăng sinh học (Biogasoline) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng

ethanol như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì.
Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như
tinh bột, cellulose, lignocellulose. Ethanol được pha chế với xăng ở tỷ lệ thích
hợp tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụng phụ
gia chì truyền thống [100].



Khí sinh học (Biogas) là một loại khí hữu cơ gồm methane (50-60%), CO2

(>30%), còn lại là các chất khác như hơi nước, N2, O2, H2S, CO … được thủy
phân trong môi trường yếm khí. Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các
sinh khối hữu cơ phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm
ở dạng khí. Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ
sản phẩm dầu mỏ [100].
Năm 2009, theo Bộ Năng lượng Mỹ và Ủy ban năng lượng thế giới dự báo
nguồn năng lượng hóa thạch không còn nhiều: dầu mỏ còn 39 năm, khí thiên nhiên
60 năm, than đá 111 năm. Theo Bộ Năng lượng Mỹ nhu cầu dầu mỏ thế giới ngày
càng tăng. Theo Trung tâm năng lượng ASEAN nhu cầu tiêu thụ năng lượng của khu
vực này năm 2002 là 280 triệu tấn và sẽ tăng lên 583 triệu tấn vào năm 2020.
Indonesia là nước có nguồn năng lượng hoá thạch lớn nhất trong các nước ASEAN,
tuy nhiên hiện nay dầu mỏ dự trữ của họ chỉ còn trong 25 năm, khí đốt 60 năm và
than đá 150 năm [95].
Chính vì thế, các nhà khoa học cũng đã lên tiếng cảnh báo cộng đồng quốc tế
rằng thời điểm khủng hoảng năng lượng thế giới đang đến gần khi mà các nguồn


6

Chương 1: Tổng quan tài liệu

cung cấp dầu mỏ và khí đốt trên thế giới đang cạn kiệt nhanh với tốc độ 4-5% hàng
năm. Do vậy việc tìm kiếm các nguồn nhiên liệu thay thế, đặc biệt là nhiên liệu tái
tạo, là nhu cầu thiết yếu hiện nay.
Bên cạnh năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng nước và địa nhiệt,
năng lượng tái tạo từ sinh khối, còn gọi là nhiên liệu sinh học – biofuel nhận được sự

quan tâm đặc biệt trở lại của con người và được tăng cường khai thác. Nhiên liệu
sinh học được phân theo 3 thế hệ:

Năng lượng sinh học
Ethanol

Biodiesel

Thế hệ 1

Thế hệ 2

Thế hệ 1

Thế hệ 2

Thế hệ 3

Ngũ cốc
Bắp
Mía

Cỏ Switchgrass
Cellulose
Biogas

Dầu cọ
Đậu nành
Cải dầu

Jatrophar
Biogas

TẢO

Hình 1.1: Các thế hệ nhiên liệu sinh học [98]
/>
- Nhiên liệu sinh học thế hệ 1: được làm từ các loại cây trồng có hàm lượng
đường và tinh bột cao (mía, ngô, khoai, sắn,…), dầu thực vật (dầu mè, dầu cọ, dầu
lạc) hoặc mỡ động vật (mỡ bò, mỡ heo, mỡ cá,…). Tinh bột từ các loại ngũ cốc được
chuyển hóa thành đường rồi lên men thành bioethanol. Trong khi đó, dầu thực vật
(được ép từ các loại cây có dầu) hoặc mỡ động vật được trộn với ethanol (hoặc
methanol) có sự hiện diện của chất xúc tác sẽ sinh ra biodiesel và glycerine bằng
phản ứng chuyển hóa ester [27], [28], [32], [68], [95], [98].
Nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên này tuy giúp thay thế một phần nhiên liệu
hóa thạch nhưng nguồn tài nguyên sinh khối này liên quan đến an ninh lương thực,
thực phẩm của mọi quốc gia. Hiện tại, hơn 95% biodiesel được sản xuất từ nhiên liệu


7

Chương 1: Tổng quan tài liệu

sinh học thế hệ 1 [76]. Trong khi đó, thế giới đang đối mặt với tình trạng thiếu lương
thực nghiêm trọng [28]. Chính vì thế, gia tăng sử dụng nguồn nguyên liệu này cho
nhiên liệu sinh học sẽ dẫn đến mất an ninh lương thực trên thế giới và nhiều hậu quả
nghiêm trọng khác như nạn đói kém do giá lương thực tăng cao, nạn phá rừng, nạn
thu hẹp đất canh tác lương thực, nạn thiếu nước, … [11], [28], [94].
Biodiesel bắt đầu được sản xuất khoảng giữa năm 1800 ở dạng methyl hoặc
ethyl ester từ dầu thực vật. Thế nhưng mãi đến năm 1900 việc dùng biodiesel từ dầu

thực vật như là một nhiên liệu động cơ mới chính thức được công nhận. Sự kiện
quan trọng đánh dấu cột mốc đó là ngày 10/08/1893 lần đầu tiên Rudolf Diesel
(Đức) đã sử dụng biodiesel do ông sáng chế từ dầu lạc để chạy máy, và được ông
trình diễn ở cuộc triển lãm quốc tế - World Exhibition ở Paris vào năm 1900 [101].
Hiện nay, nhiên liệu sinh học thế hệ 1 bị hạn chế do khả năng mở rộng diện
tích đất trồng trọt để trồng các loại cây thích hợp là có hạn và các công nghệ truyền
thống sử dụng để chuyển đổi các nguồn nguyên liệu này thành nhiên liệu sinh học
còn bị hạn chế bởi hiệu quả và phương pháp xử lý.
- Nhiên liệu sinh học thế hệ 2: được phát triển chủ yếu là các phụ phẩm từ
quá trình chế biến thực phẩm hoặc phế liệu nông lâm nghiệp giàu cellulose như rơm
rạ, tro trấu, bã mía và sinh khối thực vật hoặc loại cỏ sinh trưởng nhanh như cỏ
switchgrass [44], [95], [98], ligno-cellulose sau khi đã dùng cho thực phẩm, hoặc phế
phẩm công nghiệp như dầu thải, rác thải sinh hoạt, nước thải đô thị thành phố hoặc
từ các loại dầu đã qua sử dụng, dầu không dùng cho thực phẩm như jatropha [32],
[65], [76], [98]. Ưu điểm nổi bật của nhiên liệu sinh học thế hệ 2 là sử dụng nguồn
sinh khối không ảnh hưởng đến vấn đề an ninh lương thực, bên cạnh việc chuyển
hóa sinh học hiện đại còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Tuy nguồn
nguyên liệu này không ảnh hưởng đến an ninh lương thực nhưng nguồn cung ứng
không ổn định, khó đáp ứng đầy đủ cho sản xuất và hiệu quả kinh tế không cao do
tiêu hao năng lượng nhiều trong quá trình chuyển hóa các phế thải có hàm lượng
năng lượng thấp. Ngoài ra, các loại cây trồng thường thu hoạch sau 1 – 2 năm chăm
sóc, một số loại cây cho hạt như Jatropha và Pongamia phải cần từ 4 – 5 năm [84].
- Nhiên liệu sinh học thế hệ 3: được chế tạo từ các loài vi tảo trong nước,
trên đất ẩm, sinh ra nhiều năng lượng (7-30 lần) hơn nhiên liệu sinh học thế hệ trước


8

Chương 1: Tổng quan tài liệu

trên cùng diện tích trồng [30]. Thuật ngữ nhiên liệu sinh học thế hệ 3 chỉ mới có gần
đây và chủ yếu là đề cập đến nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ tảo. Trước đó, tảo
được gộp vào với nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai. Tuy nhiên, do tảo có khả năng
tạo năng suất cao hơn nhiều so với các nguồn nguyên liệu khác nên được tách riêng
ra [95]. Sản lượng dầu trên một diện tích 0,4 ha tảo là từ 20.000 lít/năm đến 80.000
lít/năm. Ngoài ra, loài tảo bị thoái hóa sinh học không làm hư hại môi trường xung
quanh. Theo ước tính của Bộ Năng Lượng Mỹ, nước này cần một diện tích đất đai
lớn độ 38.849 km2 để trồng vi tảo thay thế tất cả nhu cầu dầu hỏa hiện nay trong
nước [94]. Hiện vi tảo đã được nghiên cứu rất nhiều để sản xuất hydrogen (H2),
methane, dầu (các triglyceride và hydrocarbon để chuyển hóa thành biodiesel, năng
lượng máy bay,…) và bioethanol [15].
 Chi phí sản xuất biodiesel vẫn là một trở ngại lớn cho việc thương mại hóa
với quy mô lớn, chủ yếu là do chi phí nguyên liệu dầu thực vật cao. Một mối quan
tâm đáng kể khác là sự không bền vững và hiệu quả của nguyên liệu biodiesel thế hệ
1 và 2. Mặc dù biodiesel từ cây lấy dầu đã được sản xuất với số lượng ngày càng
tăng, nhưng việc sản xuất chúng với số lượng lớn là không bền vững.
 Thực tế khai thác cho thấy mỗi hecta đất trồng cải dầu chỉ sản xuất được
1.190 lít biodiesel, đậu cọc rào được 1.892 lít, dừa được 2.670 lít và cây cọ được
5.950 lít [26]. Rõ ràng không thể dựa vào nhóm cây trồng trên cạn để đạt đến các chỉ
tiêu thay thế dầu mỏ, cho dù nhu cầu tiêu thụ cũng đã tăng mạnh trong mấy năm gần
đây, mà chủ yếu để pha trộn vào dầu mỏ nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường. Nhiều
bang của Mỹ đã có luật quy định pha trộn tối thiểu ở mức 2%, tại 25 nước châu Âu
là 5,75% trong năm 2010 và ở Ấn Độ dự kiến thay thế 50% nhiên liệu dầu mỏ vào
năm 2030 [100].
 Với một số ưu điểm nổi trội như: hàm lượng dầu cao, tốc độ tăng trưởng
nhanh, không cạnh tranh đất trồng lương thực, phần sinh khối sau khi chiết lấy dầu
cũng là nguồn lợi kinh tế rất lớn, vi tảo hoàn toàn xứng đáng trở thành nguồn
biodiesel đầy hứa hẹn trong tương lai không xa [10], [22].
 Ngoài việc sinh sản nhanh chóng, vi tảo cũng dễ nuôi hơn nhiều loại cây
trồng khác và có thể đạt năng suất dầu cao hơn. Như được thể hiện trong bảng 1.1, vi

tảo phát triển nhanh, dẫn đến năng suất sinh khối cao và sản lượng dầu cao hơn 25


Chương 1: Tổng quan tài liệu

9

lần so với dầu thu được từ cây trồng lấy dầu sản xuất biodiesel truyền thống, chẳng
hạn như dầu cọ. Ví dụ, vi tảo có sản lượng dầu 70% trọng lượng sinh khối khô, chỉ
cần diện tích đất là 0,1m2/năm/kg biodiesel để sản xuất 121.104 kg biodiesel/ha/năm.
Giá trị sản xuất lớn là một trong những nguyên nhân vi tảo được công nhận là một
nguồn tiềm năng tốt cho việc sản xuất biodiesel [12].
Bảng 1.1: Bảng so sánh hiệu suất nuôi trồng vi tảo và
các nguồn nguyên liệu khác để sản xuất biodiesel [12]
Nguồn nguyên

Lượng dầu

Sản lượng

Diện tích đất sử

Năng suất

liệu

(% dầu trong

dầu

dụng (m2/năm/kg

biodiesel (kg

sinh khối)

(l/ha/năm)

biodiesel)

biodiesel/ha/năm)

Ngô

44

172

66

152

Cây gai dầu

33

363

31

321

Đậu tương

18

636

18

562

Jatropha

28

741

15

656

Camelina

52

915

12

809

Hướng dương

40

1070

11

946

Cọ

36

5366

2

4747

Vi tảo (dầu thấp)

30

58.700

0,2

51.927

Vi tảo (dầu cao)

70

136.900

0,1

121.104



Với những yêu cầu xử lý đáng kể của nhiên liệu hóa thạch và chi phí cao

của dầu thực vật, các nhà nghiên cứu và hàng loạt các công ty lớn trên thế giới đã có
nhiều sự quan tâm trong việc nuôi trồng vi tảo.
1.1.2. Những ưu điểm của nhiên liệu sinh học:
Nhiên liệu sinh học pha trộn với nhiên liệu hóa thạch ở một tỷ lệ thích hợp sẽ
sử dụng được cho các động cơ hiện nay mà không gây bất kỳ tổn hại nào cho động