Nhiên liệu sinh học - Biodiesel từ tảo ppt

Năng suất caoCũng giống như thực vật bậc cao, tảo quang hợp có sắc tố quang hợp nên có khả năng chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời thành chất hữu cơ, nhưng khả năng này ở tảo hiệu q

Võ Thị Thu Lớp k9 CLC Môi trường

Nội dung chính

Bối cảnh

Tại sao tảo là chìa khóa của vấn đề ?

Tại sao tảo là chìa khóa của vấn đề ?

Lịch sử Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

Sản xuất quy mô công nghiệp

2 400 năm trước đây, con người đã biết lấy và sử dụng dầu mỏ, nhưng nền công nghiệp khai thác dầu hiện đại chỉ mới được khai sinh vào những năm 50 của thế

kỷ 19.Ngày nay, xăng dầu (sản phẩm từ dầu mỏ) cung cấp khoảng 40% nhu cầu năng lượng thế giới, phần lớn dùng trong phương tiện giao thông vận tải Riêng

Mỹ đã tiêu thụ tới ¼ tổng số lượng dầu mỏ khai thác

Bối cảnh

Giao thông tại Mỹ

Tuy nhiên, với tốc độ khai thác và sử dụng của con người, lượng dầu mỏ đang cạn kiệt dần và giá dầu thô tăng lên không ngừng Phần lớn các chuyên gia đều dự đoán chúng ta sẽ cạn kiệt nguồn dự trữ dầu mỏ dễ khai thác trong vòng 50 năm tới

Bối cảnh

Trước thực trang đó, các nước đã đẩy mạnh việc tìm ra những nguồn nhiên liệu mới thay thế cho dầu mỏ, và nhiên liệu sinh học được coi là chìa khóa giải quyết vấn đề Các nhà KH đã thành công trong việc sản xuất trên quy mô CN nhiên liệu từ nguồn dầu thực vật, từ đường mía hay củ cải, từ gỗ vụn, thậm chí từ nguồn rơm, rạ bỏ đi sau thu hoạch

Đậu nành- nguồn cung cấp

nhiên liệu sinh học

CN mang tính đột phá này đã được áp dụng đại trà tại nhiều QG trên thế giới Brazil trở thành ông trùm sản xuất nhiên liệu sinh học,tiếp đó là

Mỹ Tại những QG này, việc sử dụng xăng có pha nhiên liệu sinh học đã đưa vào luật.

Bối cảnh

Xe chạy băng biodiesel đã phổ

biến tại nhiều quốc gia trên thế

giới

Bối cảnh

Giá một số thực phẩm tăng cao,có thể dẫn đến nạn đói ở các nước nghèo ngày càng trầm trọng hơn Đơn cử tại Mexico hồi tháng 1/2007, hàng chục nghìn người xuống đường biểu tình do giá bánh bắp (thực phẩm chủ yếu) tăng gấp 3 lần, lên 15 peso (1,36 USD/kg) Nguyên nhân là do nhu cầu nhiên liệu ethanol trên thế giới tăng cao đẩy giá bắp ở nước này lên mức cao nhất trong vòng 10 năm qua

Bối cảnh

Trong khi đó tại Mỹ, giá năng lượng tăng cao cộng thêm chủ trương khuyến khích trồng cây nhiên liệu của chính phủ khiến cho nông dân nghĩ rằng trồng những cây nguyên liệu sản xuất ethanol như bắp, mía đường, cây cho hạt có dầu như đậu phộng sẽ thu lợi cao hơn trồng cây lương thực Theo các chuyên gia Ngân hàng Thế giới (WB), một khi giá các loại thực phẩm chính tăng, số người thiếu ăn trên toàn thế giới năm 2025 ước tính sẽ tăng đến 1,2 tỉ người, gấp đôi so với dự báo trước đó.Và thực trạng ở đây là, một khi người dân đã thiếu ăn thì nhiên liệu sinh học cũng chẳng để làm gì!Việc trồng các cây trồng lấy nhiên liệu sinh học được coi là nguyên nhân chính gay mất rừng nhiệt đới hiện nay

Tảo là chìa khóa

Bởi vì bản chất của diesel sinh học là sản phẩm của sự ester hóa của methanol hoặc ethanol và acid béo tự do trong dầu thực vật hoặc

mỡ động vật, ở đây lả acid béo từ tảo.

Năng suất cao

Cũng giống như thực vật bậc cao, tảo quang hợp có sắc tố quang hợp nên có khả năng chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời thành chất hữu cơ, nhưng khả năng này ở tảo hiệu quả hơn do tảo có cấu trúc tế bào đơn giản hơn, thêm vào đó, tảo sống trong môi trường nước nên việc tiếp nhận nước, CO2, chất dinh dưỡng rất thuận tiện, chính vì vậy năng suất tổng hợp chất của tảo cao

Tảo là chìa khóa

vấn đề

Tảo là chìa khóa

vấn đề

Westalla- tảo lục

Người ta đã tính được rằng, cứ 1 mẫu tảo có khả năng cho ra 92 000 lít diezen sinh học, trong khi đó mỗi mẫu đất trồng cải dầu chỉ sản xuất được 440 lít biodiesel, đậu cọc rào được 636 lít, dừa được 1 068 lít và cây cọ được 2 392 lít

Tảo là chìa khóa

Tảo không cạnh

tranh với các cây

trồng lương thực về

chỗ ở, nguồn nước.Do tảo có thể

và nước thải), và các khu công nghiệp Bằng những hệ thống ống dẫn, người ta thu CO2 phát thải ra,đưa vào cung cấp cho tảo

Không tốn diện tích

đất trồng

Hay là tảo được trồng trên sa mạc Theo các nhà khoa học Mỹ, chỉ cần trồng tảo trên 6 triệu ha đất hoang hóa ở Mỹ thì nước này đủ nhiên liệu để dùng mà không cần nhập dầu mỏ Theo đánh giá của một nhà nghiên cứu sinh học ở Trường đại học California (Mỹ), nếu nước này đưa 15 triệu mẫu đất hoang hóa vào việc nuôi trồng tảo thì có thể sản xuất ra lượng nhiên liệu đủ để không phải phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu dầu mỏ từ Trung Đông.

Tảo là chìa khóa

tưởng trồng

tảo

Nhiều loài tảo sống trong môi trường nước lợ hoặc nước mặn nên vừa không phải tiêu tốn lượng nước ngọt dùng để nuôi tảo( các cây trồng trên cạn phải tiêu tốn lượng nước lớn trong việc tưới tiêu).Đặc biêt, nhiều loài tảo có thể sử dụng nước ngầm nhiễm mặn để phát triển do chúng có khả năng sống trong môi trường nước mặn.

Tảo là chìa khóa

vấn đề

Tảo là chìa khóa

vấn đề

Tảo cũng được trồng trong những bể chứa

nước thải

Tảo là chìa khóa

Theo báo cáo công bố ngày 30/11của Quỹ Bảo vệ Thiên nhiên Thế giới (WWF), năng lượng là lĩnh vực gây ô nhiễm môi trường lớn nhất hành tinh (sản sinh ra 37% khí thải CO2 hiện nay), trong đó sản xuất điện bị đánh giá là gây ô nhiễm nặng nhất, như vậy việc trồng tảo ben cạnh những nhà máy điện này đã trực tiếp làm giảm hàm lượng lớn CO2 trong khí quyển Các nhà khoa học đã chứng minh, việc sử dụng vi tảo giúp giảm từ 70 đến 90% ô nhiễm môi trường.Với những ưu điểm nổi trội trên, vi tảo có thể trở thành một nhiên liệu sinh học giá rẻ(do năng suất cao), không gây ô nhiễm, tiết kiệm năng lượng và không chiếm diện tích đất trồng

Thân thiện với môi trường

Lịch sử

Hiện nay, khi nói về diesel sinh học người ta thường nghĩ ngay đến các cây như cải dầu, hướng dương, cây đậu nành… còn diesel sinh học từ tảo còn khá xa lạ với nhiều người.Thậm chí những khái niệm về diesel sinh học trên các trang web cũng chưa hề đề cập đến vi tảo Nhưng thực tế thì hướng nghiên cứu này

đã ra đời cách đây từ lâu

Ý tưởng đầu tiên của việc dùng vi tảo là nguồn nhiên liệu sinh học ra đời đầu tiên ở Mỹ vào những năm 1950.Các nhà nghiên cứu khi đó đã phát hiện được khả năng sinh ra một số hợp chất dầu ở vi tảo và việc sử dụng nước thải là môi trường sống và cung cấp chất dinh dưỡng cho tảo

Sự thành công trong nghiên cứu nuôi cấy và chiết xuất dầu từ tảo của Mỹ đã thu hút rất nhiều sự quan tâm từ phía Liên minh châu Âu EU, họ dự định sẽ học tập công nghệ này của Mỹ để giải quyết tình trạng thiếu dầu mỏ và ô nhiễm môi trường của các quốc gia trong EU.

Lịch sử

Kết quả là, hiện nay, nuôi trồng và chiết xuất dầu từ vi tảo đê sản xuất

diesel sinh học đã được tiến hành trên quy mô công nghiệp New Zealand trở thành quốc gia đầu tiên ứng dụng việc trồng tảo để sản xuất diesel sinh học trên quy mô công nghiệp Ngày 8-11- 2006, công ty De Beers Fuel Ltd đã xin được giấy phép và tiến hành xây dưng 90 lò phản ứng để sản xuất biodiesel trên diện tích 100 000 acres ở Nam Phi, dự kiến trong năm năm tới diện tích sẽ lên tới 800 000 acres, với kế hoạch sản xuất ra từ 16 đến 24 tỉ lít nhiên liệu sinh học một năm.Và sắp tới, công nghệ này sẽ có mặt ở Việt nam Mới đây(7/2007), Công ty E.VO Global Group (Úc) đã đến Vĩnh Phúc tìm hiểu cơ hội và môi trường đầu tư, để tiến hành xây dựng nhà máy điện- dầu diesel sinh học từ tảo tại đây

Như vậy, diesel sinh học từ vi tảo thực sự là một hướng mới đầy triển vọng của ngành năng lượng thế giới Như một nhà khoa học đã nói, công nghệ này đáng để con người vắt kiệt chất xám cho sự ứng dụng hiệu quả của nó

chế từ tảo biển?

Nghiên cứu trong

phòng thí nghiệm

Nghiên cứu trong

phòng thí nghiệm

Có rất nhiều loại tảo khác nhau nhưng các nhà khoa học tập trung vào vi tảo vì

vi tảo tổng hợp một lượng lớn hợp chất lipit và dự trữ cũng dưới dạng hợp chất lipit nên có khả năng chiết xuất ra dầu sinh học dễ dàng, bên cạng đó hình thức sinh sản của chúng là sinh sản vô tính bằng cách phân đôi, vì vậy sự tăng sinh khối diễn ra rất nhanh

Trước tiên, người ta thu thập các loại vi tảo từ môi trường tự nhiên, chủ yếu từ hai môi trường chính:

•Các chủng tảo trong ổ sinh thái nội địa có độ mặn tương đối, chúng hứa hẹn là

có khả năng thích nghi tốt với những điều kiện khí hậu vùng Tây nam nước Mỹ- cường độ ánh sáng mạnh và nhiệt độ cao

•Các chủng tảo trong ổ sinh thái nước nông ven biển- chúng có khả năng thích nghi tốt với sự biến động lớn về nhiệt độ và độ muối

Nghiên cứu trong

Dùng phương pháp phân tích hóa học, người ta đã phát hiện các thành phần chính trong đa số loại vi tảo:

• Các hợp chất chứa vòng benzene: sterols, xanthophylls

• mono-, di-, triacylglycerols, axit béo tự do, phaeophytin a

• glycolipids, carotenoids, chlorophyll a và b

• phospholipids, chlorophyll c

Tùy mỗi loại vi tảo mà thành phần các chất là không giống nhau

Như vậy, với việc phát hiện ra sự có mặt các loại chất thuộc lipit, các nhà khoa học đã khẳng định việc sản xuất diesel sinh học từ tảo hoàn toàn có tương lai

Họ diatom ( tảo silic)- Lớp Bacillariophyceae: sống chủ yếu ở môi trường

nước biển( thống trị phytoplankton ở môi trường nước biển), ngoài ra cũng bắt gặp ở môi trường nước ngọt và nước lợ Ước tính có khoảng 100 000 loài thuộc

về lớp này Các dạng dự trữ cacbon trong tế bào bao gồm dầu tự nhiên hay

polymer của carbonhydrat.Một đặc điểm khác biệt của họ tảo này là có Si trong thành phần thành tế bào- đây là đặc điểm có thể khai thác được để đẩy mạnh sản xuất lipit trong tế bào tảo(khi tế bào thiếu hụt Si thì tăng cường tổng hợp lipit )

Họ Green Algae (tảo xanh)- Lớp Clrophyceae : số lượng loài khá lớn, chủ

yếu là ở môi trường nước ngọt, chúng có thể thuộc đơn bào hay tập đoàn.Dự trữ carbon cúa chúng chủ yếu là tinh bột, nhưng trong một số điều kiện chúng có thể tổng hợp các hợp chất dầu đặc biệt là trong trường hợp thiếu hụt N

Nghiên cứu trong

phòng thí nghiệm

Nghiên cứu trong

phòng thí nghiệm

Họ blue- green Algae(tảo lục)- Lớp Cyanophyceae: có cấu trúc và tổ chức tế

bào gần giống với vi khuẩn, các loài tảo thuộc lớp này có vai trò quan trọng trong việc cố định nito từ khí quyển Có khoảng 2 000 loài thuộc lớp này trong các loại môi trường nước khác nhau

Nghiên cứu trong

Nghiên cứu trong

1000 loài , chủ yếu ở nước ngọt

Dữ trự carbon của chúng dưới dạng hợp chất dầu và carbonhydrat

Với mỗi loại vi tảo, người ta lại tiến hành thí nghiệm chúng trong những điều kiện khác nhau về nhiệt dộ, độ muối, pH, hàm lượng chất dinh dưỡng…để tìm

Giải thích:

Khi tế bào thiếu N hay Si, thì hàm lượng acetyl- coenzimA cacboxylase (ACCase) trong tế bào tăng lên- nó có vai trò quan trọng trong việc tổng hợp acid béo và các chất khác thuộc lipit

Nghiên cứu trong

phòng thí nghiệm

Nghiên cứu trong

phòng thí nghiệm

Sản xuất quay mô

công nghiệp

Sản xuất quay mô

công nghiệp

(1) Đầu tiên người ta trồng riêng thành từng cụm loại tảo biển có tên khoa học

là Botryococcus braunii (một loại tảo đặc biệt chứa nhiều chất béo) trong những túi nhựa mỏng và trong suốt trên sa mạc

(2) Khi những cụm tảo này phát triển, các nhà khoa học sẽ rút khí Nitơ khỏi chúng Các tế bào sẽ phản ứng lại với tình trạng cung cấp dinh dưỡng yếu bằng cách sinh ra nhiều hơn lượng chất béo

(3) Khi lượng chất béo sinh ra đủ mức cần thiết, người ta sẽ tập trung các tế bào lại để phân tách chúng một cách hệ thống

(4) Lọc các cơ quan tế bào lớn và màng tế bào, sau đó dùng các loại dung môi như methanol để phân tách chất béo từ các loại protein và đường có thể hoà tan trong nước

(5)Tinh chế chất béo thu được và làm bay hơi dung môi

(6) Cuối cùng, đưa chất béo vào lò phản ứng hoá học để chuyển hoá chúng thành nhiên liệu sinh học

Sản xuất quay mô công nghiệp

Sản xuất quay mô công nghiệp

Sản xuất quy mô

công nghiệp

Sản xuất quy mô

công nghiệp

Như ta đã biết, có nhiều môi trường mà các nhà khoa học tìm ra có thể

sử dụng được trong việc sử dụng tảo: từ những vùng nóng bức ở sa mạc( vùng sa mạc khô hạn New Mexico đang được tiến hành trồng tảo) đến những vùng nước biển( vùng biển thuộc vịnh Florida đa được giáo

sư Jim Sear tiến hành nuôi trồng tảo), thậm chí là những vùng nước thải, nước bị ô nhiễm…

Một hình thức mà nhiều nhà khoa học đã thử nghiệm là các ao, hồ tự nhiên trồng tảo- được gọi là hệ thống mở - đây là cách trồng có nhiều ưu điểm nếu thành công bởi lẽ nó có thể tận dụng những điều kiện sẵn có của môi trường(ánh sáng, CO2, các chất dinh dưỡng…) và giá thành diesel sinh học sẽ có tính cạnh tranh cao tuy nhiên cũng có nhiều trở ngại cho việc trồng tảo ở những ao, hồ tự nhiên này

Trồng tảo

Sản xuất quy mô

cố tình tạo ra một môi trường thuận lợi cho tảo phát triển, tất yếu các sinh vật khác sẽ gặp khó khăn hơn trong việc cạnh tranh môi trường sống, mà đặc biệt là những loại thực vật cũng hút khí CO2 làm nguồn dinh dưỡng để phát triển

Tiếp đó là vấn đề khó quản lý các điều kiện môi trường như nhiệt độ nước, cường độ ánh sáng, nồng độ CO2 Điều này khiến cho việc trồng tảo phụ thuộc vào những điều kiện môi trường của mỗi vùng nhất định

Sản xuất quy mô công nghiệp

Sản xuất quy mô công nghiệp

các túi nhựa

Sản xuất quy mô

công nghiệp

Sản xuất quy mô

Sản xuất quy mô

Đây là một phương pháp vật lý đơn giản nhưng tác dụng khá cao, nó có thể láy

khoảng 70- 75 % axit béo trong tảo ra

2 Hòa tan bằng hexan

Dầu trong tảo có thể được tách ra bằng một số hợp chất hóa học như benzene và

một số chất khác, hexan cũng là chất hiệu quả Nó thường được sử dụng kết hợp với phương pháp nén, ép ở trên Sau khi dầu tảo được lấy ra băng phương pháp vật lý, phần còn lại được trộn với cyclo- hexan, dầu tảo tan trong cyclo- hexan, rồi lọc để lấy phân dung dịch.phần dung dịch bao gồm dầu tảo và cyclo- hexan sẽ được tách riêng ra mỗi loại bằng phương pháp chưng cất

Sự kết hợp hai phương pháp này có thể tách hơn 95% lượng dầu có trong tảo,

tuy nhiên đây là một phương pháp không mấy an toan bởi hexan là chất sinh ung thư, nó có thể gây ra những mối nguy hịa cho con người, sinh vật

và môi trường

Chiết xuất axit béo

Sản xuất quy mô

công nghiệp

Sản xuất quy mô

công nghiệp

3 Sử dụng chất lưu trên tới hạn

Người ta xử lý CO2 dưới áp suất và nhiệt độ xác định, tại đó các đặc tính vật lý của CO2 thay đổi, nó trở thành chất lưu trên tới hạn Dưới những điều kiện này,

nó có khả năng hòa tan giống chất lỏng và khả năng khuyếch tán giống như chất khí Nói ngắn gọn là nó có các đặc tính vật lý của cả chất lỏng và chất khí Điều này đã cho phép các chất lưu trên tới hạn hoạt động hiệu quả trong vai trò của chất tách nhiều hợp chất hóa học, sinh học, polymer

Một đặc diểm ưu việt nữa của chất lưu trên tới hạn đó là khả năng tách các chất

có chọn lọc nghĩa là nó có khả năng nhận biết và tách đúng các chất cần thiết khả năng này thực hiện được nhờ sự điều chỉnh chính xác các tham số như nhiệt

độ, áp suất, lưu lượng khí CO2 đưa vào, thời gian tiến hành

Người ta đã sử dụng CO2 là chất lưu trên tới hạn để phân tách lipit ra khoi tảo thấy: 100 % lượng lipit được tách ra( rõ ràng cao hơn hẳn so với các phương pháp chiết tách truyền thống), với độ tinh khiết rất cao, thêm vào đó phương pháp này lại hoàn toàn thân thiện với môi trường