nghiên cứu sàng lọc các loài vi tảo biển quang tự dưỡng có hàm lượng lipid cao, thành phần acid béo phù hợp sử dụng làm nguyên liệu sản xuất diesel sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT *** NGUYỄN THỊ MINH THANH NGHIÊN CỨU SÀNG LỌC CÁC LOÀI VI TẢO BIỂN QUANG TỰ DƯỠNG CÓ HÀM LƯỢNG LIPID CAO, THÀNH PHẦN ACID BÉO PHÙ HỢP SỬ DỤNG LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT DIESEL SINH HỌC Chuyên ngành: Hoá sinh Thực nghiệm Mã số: 60. 42. 30 LUẬN VĂN THẠC SỸ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Đặng Diễm Hồng Hà Nội, tháng 12 năm 2010 1Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 Luận văn Thạc sỹ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh CÁC CHỮ VIẾT TẮT NLSH Nhiên liệu sinh học NTTS Nuôi trồng thủy sản MĐTB Mật độ tế bào VTB Vi tảo biển OD Optical Density (Mật độ quang học) Cs. Cộng sự FAME Fatty acid methyl ester GC Gas chromatography FFA Free Fatty Acid ASTM American Standard Test Method TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TLK Trọng lượng khô DHA Docosahexaenoic Acid DPA Docosapentaenoic Acid EPA Eicosapentaenoic Acid Mha Million ha (triệu hecta) TFA Total fatty acid (acid béo tổng số) 2Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1. Năng suất dầu của một số nguồn nguyên liệu dùng cho sản xuất biodiesel 17 Bảng 2. Hàm lượng dầu ở một số loài vi tảo 20 Bảng 3. Địa điểm phân lập 7 loài vi tảo biển được sử dụng cho sàng lọc 43 Bảng 4. Tác dụng kết tủa sinh khối tảo bằng hóa chất ở các nồng độ khác nhau 67 Bảng 5. Thành phần hóa học có chứa trong sinh khối của 7 loài VTB nghiên cứu 71 Bảng 6. Lipid tổng số và thành phần acid béo có trong sinh khối của 7 loài vi tảo biển nghiên cứu 74 Bảng 7. Một số đặc điểm của sản phẩm biodiesel 81 Bảng 8. Thành phần FAME của sản phẩm biodiesel 82 3Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1. Cây cải dầu (canola) 11 Hình 2. Phản ứng chuyển vị ester tạo methyl-ester (biodiesel) 15 Hình 3. Tảo lớn (a) và vi tảo (b) 18 Hình 4. Cấu trúc phân tử triglycerol 19 Hình 5. Hệ thống bể hở (A) và Photobioreactor (B) 27 Hình 6. Sản phẩm biodiesel của Công ty Minh Tú 34 Hình 7. Cây Jatropha curcas 35 Hình 8. Tháp chưng cất cồn tinh khiết từ cồn công nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu công nghệ lọc hóa dầu Đại học Bách khoa TP.HCM 36 Hình 9. Một số điểm bán xăng E5: A-tại Hà Nội và B-tại Thành phố Hồ Chí Minh .36 Hình 10. Sơ đồ quy trình chuyển hóa tạo biodiesel từ sinh khối tảo 51 Hình 11. Sinh trưởng của tảo N. oculata trong các thể tích bình khác nhau 54 Hình 12. Sinh trưởng của tảo Tetraselmis sp. trong các thể tích bình khác nhau 55 Hình 13. Sinh trưởng của tảo Chlorella sp. trong các thể tích bình khác nhau 56 Hình 14. Sinh trưởng của tảo I. galbana trong các thể tích bình khác nhau 57 Hình 15. Sinh trưởng của tảo C.muelleri trong các thể tích bình khác nhau 58 Hình 16. Sinh trưởng của tảo C. salina trong các thể tích bình khác nhau 59 Hình 17. Sinh trưởng của tảo D. tertiolecta trong các thể tích bình khác nhau 60 Hình 18 . 7 loài vi tảo biển nghiên cứu 61 Hình 19. Đồ thị tương quan giữa mật độ tế bào và OD của 7 loài vi tảo biển 64 4Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh Hình 20. Hệ thống nuôi trồng các loài vi tảo biển quang tự dưỡng ở các quy mô bình từ 250 mL đến bình 10 lít 65 Hình 21. Kết tủa sinh khối tảo bằng phương pháp hóa học 68 Hình 22. Nhân nuôi sinh khối Chlorella sp. ở quy mô pilot 76 Hình 23. A-Thu sinh khối Chlorella sp. bằng phương pháp kết tủa ở quy mô 10 lít B- Sinh khối Chlorella sp. sau khi đã loại muối 77 Hình 24. Các bước thu hồi sản phẩm biodiesel 79 Hình 25. Sắc ký đồ thành phần FAME của sản phẩm biodiesel 83 5Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh MỤC LỤC Trang CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1 DANH MỤC CÁC BẢNG 5 DANH MỤC CÁC HÌNH 6 MỞ ĐẦU 8 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 10 1.1. Khái quát chung về nhiên liệu sinh học, hiện trạng và xu thế phát triển 10 1.2. Diesel sinh học - Bản chất hóa học và cơ chế phản ứng 13 1.3. Diesel sinh học từ tảo - NLSH thế hệ thứ ba 16 1.3.1. Khái quát về các loại nguyên liệu truyền thống dùng để sản xuất biodiesel 16 1.3.2. Vai trò và tiềm năng của vi tảo trong lĩnh vực NLSH 18 1.3.3. Sản xuất biodiesel từ sinh khối vi tảo 23 1.4. Sản xuất sinh khối vi tảo làm nguyên liệu cho NLSH 25 1.5. Tình hình sản xuất và sử dụng NLSH trên thế giới 28 1.5.1.Tình hình sản xuất và sử dụng NLSH nói chung 28 1.5.2. Tình hình sản xuất và sử dụng NLSH từ tảo 30 1.6. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng NLSH ở Việt Nam 32 1.6.1. Tiềm năng sản xuất NLSH ở Việt Nam 32 1.6.2. Những nghiên cứu và thử nghiệm về NLSH ở Việt Nam 34 1.6.3. Chính sách phát triển NLSH ở Việt Nam 38 1.6.4. Tình hình nghiên cứu, nuôi trồng và ứng dụng vi tảo biển ở Việt Nam 39 6Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43 2.1. VẬT LIỆU, HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ 43 2.1.1. Các chủng vi tảo biển đƣợc sử dụng cho quá trình nghiên cứu sàng lọc 43 2.1.2. Môi trƣờng nuôi cấy 43 2.1.3. Hóa chất và thiết bị 44 2.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45 2.2.1. Phƣơng pháp nuôi trồng vi tảo biển quang tự dƣỡng 45 2.2.2. Phƣơng pháp xác định sinh trƣởng của tảo 46 2.2.2.1. Phương pháp xác định mật độ tế bào bằng buồng đếm Burker – Turk 46 2.2.2.2. Phương pháp đo mật độ quang học (OD) 46 2.2.3. Phƣơng pháp thu hoạch sinh khối tảo bằng hóa chất tạo kết tủa 47 2.2.4. Phƣơng pháp phân tích thành phần hóa học của sinh khối tảo 48 2.2.5. Phƣơng pháp phân tích lipid tổng số và thành phần acid béo 48 2.2.5.1. Phân tích lipid tổng số 48 2.2.5.2. Phân tích thành phần acid béo 49 2.2.6. Phƣơng pháp chuyển hóa tạo biodiesel từ sinh khối tảo 49 2.2.6.1. Chuẩn bị nguyên liệu 49 2.2.6.2. Tạo biodiesel bằng phương pháp chuyển hóa trực tiếp (in situ transesterification) 50 2.2.7. Xác định hiệu suất của quá trình chuyển hóa và thành phần FAME của sản phẩm biodiesel 51 2.2.8. Phƣơng pháp xác định chỉ số iod 52 2.2.9. Phƣơng pháp xác định trọng lƣợng riêng bằng tỷ trọng kế 53 7Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 54 3.1. Nghiên cứu sinh trƣởng của vi tảo biển quang tự dƣỡng 54 3.2. Xác định mối tƣơng quan giữa MĐTB và OD 62 3.3. Kết tủa sinh khối tảo bằng phƣơng pháp hóa học 66 3.4. Thành phần hóa học của sinh khối vi tảo 69 3.5. Hàm lƣợng lipid tổng số và thành phần acid béo 72 3.6. Nuôi thu sinh khối tảo làm nguyên liệu sản xuất biodiesel 76 3.7. Chuyển hóa sinh khối tảo thành biodiesel bằng phƣơng pháp trực tiếp 77 3.8. Đánh giá hiệu suất của quá trình chuyển hóa và chất lƣợng của sản phẩm biodiesel 79 3.8.1. Hiệu suất của quá trình chuyển hóa 79 3.8.2. Chất lượng của sản phẩm biodiesel 80 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84 KẾT LUẬN 84 KIẾN NGHỊ 85 CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 PHỤ LỤC 101 8Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh MỞ ĐẦU Hầu hết mọi hoạt động của xã hội chúng ta ngày nay - trực tiếp hay gián tiếp - đều dựa vào nguồn năng lượng dầu mỏ. Việc phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn năng lượng này có thể dẫn đến sự khủng hoảng về năng lượng và kéo theo nó là các vấn đề về kinh tế, chính trị, xã hội … khác, đặc biệt là tình trạng ô nhiễm môi trường. Để giảm thiểu những tác động tiêu cực của việc lệ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống vốn đã bắt đầu cạn kiệt và không có khả năng tái sinh, con người đã và đang bắt tay vào tìm kiếm các nguồn nhiên liệu thay thế. Việc tìm kiếm đủ nguồn năng lượng sạch cho tương lai là một trong những thách thức lớn nhất đối với xã hội loài người và nó liên quan mật thiết tới sự ổn định của các quốc gia, sự phát triển kinh tế và chất lượng cuộc sống của con người trên phạm vi toàn thế giới. Để giải quyết vấn đề này, nhiều quốc gia đã khai thác các nguồn năng lượng từ thủy điện, điện hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng mặt trời… Tuy nhiên, các nguồn năng lượng này không thể đáp ứng đủ nhu cầu của thế giới. Một nguồn năng lượng khác đang được đặc biệt quan tâm, đó là nhiên liệu sinh học (NLSH). Trong số các loại NLSH thì diesel sinh học (biodiesel) được nghiên cứu nhiều hơn cả vì nó được cho là nguồn nhiên liệu chính và duy nhất có thể thay thế hoàn toàn diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ. Trong số các nguồn nguyên liệu được sử dụng để sản xuất NLSH nói chung và biodiesel nói riêng thì tảo được coi là đối tượng tiềm năng nhất vì tảo có rất nhiều lợi thế mà các nguồn nguyên liệu khác không có được. Tảo nói chung và vi tảo nói riêng đã được biết đến là nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất biodiesel vì chứa hàm lượng dầu cao và sức sản xuất sinh khối lớn. Việc sản xuất đủ sinh khối tảo giàu lipid làm nguyên liệu cho sản xuất biodiesel là vấn đề mấu chốt trong hướng nghiên cứu sử dụng tảo để sản xuất NLSH. Tuy nhiên, không phải tất cả các loài tảo đều có thể nuôi trồng thu sinh khối sản xuất biodiesel cho hiệu quả cao. Vì vậy, để góp phần sàng lọc các loài tảo của Việt Nam có tiềm năng làm nguyên liệu cho sản xuất NLSH, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu sàng lọc các loài vi tảo biển quang tự dưỡng có hàm 9Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh lượng lipid cao, thành phần acid béo phù hợp sử dụng làm nguyên liệu sản xuất diesel sinh học” với hy vọng những kết quả thu được sẽ là nền tảng, cơ sở để ứng dụng nuôi trồng tảo ở quy mô lớn hơn phục vụ mục tiêu nuôi tảo thu sinh khối sản xuất biodiesel. Công việc được thực hiện tại phòng Công nghệ tảo, Viện Công nghệ sinh học, Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam với các nội dung nghiên cứu như sau: 1. Nuôi trồng 7 loài vi tảo biển (VTB) quang tự dưỡng của Việt Nam ở quy mô phòng thí nghiệm, so sánh sinh trưởng của các loài này để chọn ra một số loài có khả năng sinh trưởng tốt nhất và có tiềm năng nuôi trồng trên qui mô lớn; 2. Phân tích lipid tổng số và thành phần acid béo của sinh khối 7 loài VTB để lựa chọn loài có tiềm năng nhất làm nguyên liệu sản xuất biodiesel; 3. Nghiên cứu lựa chọn phương pháp thu hoạch sinh khối VTB đơn giản, hiệu quả và rẻ tiền so với các phương pháp truyền thống; 4. Nghiên cứu quy trình công nghệ chuyển hóa sinh khối VTB đã được lựa chọn thành biodiesel và xác định một số đặc điểm của diesel sản xuất được. 10Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn [...]... loài tảo quang tự dưỡng, một số loài vi tảo còn có khả năng sinh trưởng dị dưỡng sử dụng nguồn carbon hữu cơ Tuy nhiên, vi c sản xuất sinh khối tảo bằng con đường dị dưỡng để làm nguyên liệu cho NLSH trong một số trường hợp lại không hiệu quả bằng vi c sử dụng vi tảo quang tự dưỡng vì nguồn carbon hữu cơ sử dụng cho sinh trưởng của tảo rốt cuộc lại được sản xuất bởi các thực vật quang hợp (Vishwanath và... nghệ sản xuất biodiesel phù hợp với yêu cầu thực tế là rất cần thiết Hơn nữa, vi c phân lập và lựa chọn được các chủng giống vi tảo phù hợp với quy mô nuôi trồng trên diện rộng cũng như sử dụng tốt sinh khối của nó làm nguyên liệu cho sản xuất biodiesel là những vấn đề cần được tập trung nghiên cứu 1.4 Sản xuất sinh khối vi tảo làm nguyên liệu cho NLSH Để sản xuất biodiesel từ vi tảo đòi hỏi cần phải có. .. vi tảo Để sản xuất NLSH nói chung và biodiesel nói riêng có thể sử dụng cả vi tảo và tảo lớn Tuy nhiên, các loại tảo lớn thường ít được sử dụng để sản xuất biodiesel trong khi vi tảo lại được đánh giá là đối tượng thích hợp và có tiềm năng hơn Hàm lượng dầu ở vi tảo cao hơn so với tảo lớn, đồng thời vi tảo cũng có tốc độ sinh trưởng nhanh hơn và dễ thích nghi hơn với điều kiện sống Vi tảo có thể cung... 2009) Vi tảo từ lâu đã được xem là nguồn tiềm năng để sản xuất biodiesel vì sinh khối tảo có chứa hàm lượng dầu cao (Gouveia và cs., 2009), đồng thời vi tảo có sức sản xuất sinh khối lớn do hiệu suất quang hợp ở vi tảo rất cao, thời gian nhân đôi thế hệ ngắn Mỗi tế bào tảo hoạt động giống như một nhà máy sinh học nhỏ, sử dụng quá trình quang hợp để biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học. .. lượng mặt trời thành NLSH Thay vào đó, các nguồn carbon hữu cơ như glucose sẽ được sử dụng để sản xuất nhiên liệu Nhìn chung, hầu hết các công trình nghiên cứu đều chứng minh vi tảo có khả năng tạo ra dầu cho sản xuất biodiesel Tuy nhiên, không có quy trình sản xuất biodiesel nào là tối ưu có thể áp dụng được cho tất cả các loại nguyên liệu, trong đó có vi tảo Vì mỗi loại nguyên liệu đều có những tính... nên nuôi cấy tảo dị dưỡng khó đáp ứng đối với sản xuất biodiesel Để giảm giá thành thì sản xuất NLSH từ tảo phải dựa trên sinh trưởng quang tự dưỡng của tảo Luận văn Thạc sĩ năm 2010 26Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Minh Thanh http://www.lrc-tnu.edu.vn 26 mặc dù năng suất sinh khối của sinh trưởng quang tự dưỡng có thể thấp hơn so với dị dưỡng Vi tảo quang tự dưỡng thường... trồng rất phổ biến theo phương thức dị dưỡng để sản xuất dầu Hàm lượng dầu sản xuất ra cao gấp bốn lần so với sinh trưởng quang tự dưỡng (Miao and Wu, 2004) Một số loài vi tảo biển dị dưỡng có thể sử dụng các nguồn carbon hữu cơ rẻ tiền để sản xuất ra dầu tảo (Han và cs., 2006) Nói chung, các vi tảo biển dị dưỡng dễ nuôi cấy và dễ điều chỉnh các điều kiện nuôi trong các hệ thống lên men Tuy nhiên, quá... Bằng cách thay đổi các điều kiện nuôi cấy hoặc biến đổi về mặt di truyền, một số loài vi tảo quang tự dưỡng có thể sinh trưởng ở điều kiện dị dưỡng Nhiều nghiên cứu đã chứng minh, tảo sinh trưởng dị dưỡng có khả năng tích lũy hàm lượng dầu cao gấp nhiều lần so với tảo quang tự dưỡng (Kulkarni and Dalai, 2006) Chẳng hạn ở Vi t Nam, Schizochytrium là chủng vi tảo biển dị dưỡng mới với đặc điểm giàu lipid, ... Sản xuất NLSH từ vi tảo còn gặp phải một khó khăn khác, đó là năng suất sinh khối của vi tảo thấp do tế bào tảo có kích thước nhỏ Yếu tố này cũng làm cho vi c thu hoạch sinh khối vi tảo có chi phí cao (Yanqun và cs., 2008) Một hạn chế khác hiện nay trong vi c sử dụng vi tảo làm nguyên liệu là các bước tách chiết lipid từ sinh khối tảo trước khi ester hóa lipid tạo biodiesel Hầu hết các phương pháp tách... Nhất… Ở Trung Quốc, cây cao lương và mía đã được sử dụng để sản xuất biodiesel Cứ 16 tấn cây cao lương có thể sản xuất được 1 tấn cồn, phần bã còn lại có thể chiết xuất được 500 kg biodiesel Ngoài ra, Trung Quốc còn nghiên cứu và khai thác nguồn nguyên liệu từ tảo Vi c nghiên cứu chiết xuất dầu sinh học từ tảo đã thành công và được đưa vào sản xuất với quy mô có thể đạt tới hàng chục triệu tấn Đầu năm 2003, . VI N KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VI T NAM VI N SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT *** NGUYỄN THỊ MINH THANH NGHIÊN CỨU SÀNG LỌC CÁC LOÀI VI TẢO BIỂN QUANG TỰ DƯỠNG CÓ HÀM LƯỢNG LIPID CAO,. cao và sức sản xuất sinh khối lớn. Vi c sản xuất đủ sinh khối tảo giàu lipid làm nguyên liệu cho sản xuất biodiesel là vấn đề mấu chốt trong hướng nghiên cứu sử dụng tảo để sản xuất NLSH. Tuy. của sinh khối vi tảo 69 3.5. Hàm lƣợng lipid tổng số và thành phần acid béo 72 3.6. Nuôi thu sinh khối tảo làm nguyên liệu sản xuất biodiesel 76 3.7. Chuyển hóa sinh khối tảo thành biodiesel