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

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

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

TFA Total fatty acid (acid béo tổng số)

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

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

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

MỤC LỤC

Trang

CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH 6

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 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

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43

2.1 VẬT LIỆU, HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ 43

2.1.1 Các chủng vi tảo biển được sử dụng cho quá trình nghiên cứu sàng lọc 43

2.1.2 Môi trường nuôi cấy 43

2.1.3 Hóa chất và thiết bị 44

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45

2.2.1 Phương pháp nuôi trồng vi tảo biển quang tự dưỡng 45

2.2.2 Phương pháp xác định sinh trưởng 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 Phương pháp thu hoạch sinh khối tảo bằng hóa chất tạo kết tủa 47

2.2.4 Phương pháp phân tích thành phần hóa học của sinh khối tảo 48

2.2.5 Phương 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 Phương 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 Phương pháp xác định chỉ số iod 52

2.2.9 Phương pháp xác định trọng lượng riêng bằng tỷ trọng kế 53

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 54

3.1 Nghiên cứu sinh trưởng của vi tảo biển quang tự dưỡng 54

3.2 Xác định mối tương quan giữa MĐTB và OD 62

3.3 Kết tủa sinh khối tảo bằng phương pháp hóa học 66

3.4 Thành phần hóa học của sinh khối vi tảo 69

3.5 Hàm lượng 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 phương pháp trực tiếp 77

3.8 Đánh giá hiệu suất của quá trình chuyển hóa và chất lượng 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

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

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

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Khái quát chung về nhiên liệu sinh học, hiện trạng và xu thế phát triển

Thuật ngữ NLSH (biofuel) được đưa 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 được coi là loại nhiên liệu thay thế dầu mỏ NLSH thường được sản xuất từ sinh khối (biomass) chủ yếu là các sản phẩm của nông nghiệp NLSH được coi là nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường và có tiềm năng thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch trong tương 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 (biodiesel); dạng khí gồm hydro sinh học (biohydro) và methane sinh học

(biomethane) (Đoàn Thị Thái Yên và cs., 2010)

Tổng kết chung, sự phát triển của NLSH đã và đang trải qua 3 giai đoạn chính như sau:

* Giai đoạn NLSH thế hệ thứ nhất

NLSH thế hệ thứ nhất được tạo ra từ các nguồn nguyên liệu carbohydrate như gạo, ngô, lúa mạch, lúa mỳ, củ cải đường ; các loại hạt có dầu như dầu cọ, đậu tương, dầu hạt cải hoặc từ mỡ động vật, cùng với việc sử dụng các công nghệ truyền thống Các loại NLSH thế hệ thứ nhất bao gồm: dầu thực vật, diesel sinh học, ethanol sinh học, khí sinh học (biogas), NLSH thể rắn, khí đốt tổng hợp (syngas) NLSH thế hệ thứ nhất đã được sử dụng từ rất lâu và được sản xuất chủ yếu từ quá trình lên men các loại sinh khối Sử dụng nguồn NLSH thế hệ thứ nhất tuy làm giảm đáng kể khí CO2 phát thải so với nhiên liệu hóa thạch, nhưng không thực sự phát triển bền vững vì nguyên liệu được sử dụng thường là một phần nguồn

thức ăn cho người và động vật nuôi Do đó, phát triển NLSH thế hệ thứ nhất sẽ là mối đe dọa đến an ninh lương thực của thế giới Chính vì vậy, yêu cầu đặt ra là cần phải tìm kiếm các loại nhiên liệu thay thế và cải tiến hơn về mặt công nghệ

* Giai đoạn NLSH thế hệ thứ hai

NLSH thế hệ thứ hai ra đời nhằm hạn chế những nhược điểm của NLSH thế hệ thứ nhất NLSH thế hệ thứ 2 sử dụng các nguồn nguyên liệu phế thải của nông nghiệp hay các cây nguyên liệu được trồng trên đất bạc màu, bỏ hoang (NLSH được sản xuất

từ cellulose), ví dụ như cỏ switchgrass, cây cọc rào (jatropha)… (Naik và cs., 2010)

* Giai đoạn NLSH thế hệ thứ ba

NLSH từ tảo hay còn gọi là dầu tảo (algal-oil) - chính là NLSH thế hệ thứ 3 Với hiệu suất sử dụng năng lượng và sức sản xuất sinh khối rất cao, NLSH từ vi tảo được cho là nguồn nhiên liệu tiềm năng nhất có khả năng thay thế hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch trong tương lai

Sở dĩ NLSH được lựa chọn là nguồn

nhiên liệu cho tương lai bởi tiềm năng khai thác

và phát triển bền vững của nó NLSH hạn chế

đáng kể sự tạo thành các khí thải nhà kính, do

đó góp phần giảm thiểu hiện tượng nóng lên của

trái đất NLSH đi từ các nguồn nguyên liệu sẵn

có và phổ biến, nhờ đó nó giúp cho các quốc gia

chủ động về nguồn năng lượng và không còn bị

lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu nhập khẩu (đặc biệt đối với những quốc gia nghèo tài nguyên năng lượng như than đá và dầu mỏ), điều này góp phần quan trọng làm bình

ổn giá xăng dầu, ổn định tình hình năng lượng trên phạm vi toàn thế giới, đồng thời tạo thêm công ăn việc làm cho người dân nhưng lại không đòi hỏi phải có những thiết bị và công nghệ đắt tiền

Hình 1 Cây cải dầu (canola)

Tuy nhiên, bên cạnh những lợi thế, việc sản xuất NLSH trên quy mô lớn vẫn còn có một số bất cập NLSH thế hệ thứ nhất được coi là một trong những nguyên nhân làm tăng giá lương thực bởi chúng được sản xuất từ các sản phẩm nông nghiệp Khi phát triển NLSH thế hệ thứ nhất, nhiều quốc gia trên thế giới như Mỹ, Braxin và nhiều quốc gia Châu Âu đã chuyển đổi một phần diện tích đáng kể đất trồng cây lương thực sang trồng các cây nguyên liệu như đậu nành, mía, ngô, cây cải dầu và các thực vật có dầu khác để sản xuất ethanol và biodiesel Do đó, việc phát triển NLSH thế hệ thứ nhất rõ ràng sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng tới an ninh lương thực Chính vì vậy, NLSH thế hệ thứ hai đã ra đời và đang được triển khai NLSH thế hệ thứ hai chủ yếu được sản xuất từ cellulose và tận dụng các nguồn nguyên liệu phế thải nông nghiệp, sinh khối hoặc các loại cây nhiên liệu khác Việc tận dụng các nguồn nguyên liệu rẻ tiền để sản xuất NLSH sẽ ngày càng được chú trọng và được thương mại hóa để có thể vừa tạo ra được nguồn năng lượng hiệu quả vừa khắc phục được đáng kể những bất cập của NLSH thế hệ thứ nhất Nguồn nguyên liệu cho NLSH thế hệ thứ 2 sẽ được canh tác trên các diện tích đất bỏ hoang hoặc đất bạc màu, do vậy sẽ tránh được sự cạnh tranh đất canh tác đối với cây lương thực Theo ước tính, toàn bộ diện tích đất bỏ hoang trên toàn cầu lên tới 4,7 triệu

km2 và có thể được tận dụng để trồng các loại cây nguyên liệu cho sản xuất NLSH, chẳng hạn như cỏ switchgrass, jatropha, canola (hình 1), hướng dương, cọ, hoa rum (safflower) v.v… (John và cs., 2007) Năng suất của các loại cây này phụ thuộc vào điều kiện đất đai, khí hậu và phương pháp canh tác của từng vùng (http://tchdkh.org.vn/tchitiet.asp?code=3003) Tuy nhiên, vấn đề đặt ra đối với NLSH thế hệ thứ hai là mặc dù nguồn cellulose rẻ và sẵn có nhưng việc sử dụng các nguyên liệu có bản chất cellulose để sản xuất NLSH lại bị hạn chế bởi chi phí để chuyển hóa cellulose thành đường đắt hơn so với chi phí chuyển hóa tinh bột thành đường do đòi hỏi những enzyme đắt tiền Mặt khác, do khai thác nguồn rác thải nông nghiệp và một số loại cây nguyên liệu nên NLSH thế hệ thứ hai cũng có thể gây ra một số vấn đề như ô nhiễm và cạn kiệt nguồn tài nguyên nước, giảm diện tích rừng, những tác động tiêu cực từ sự độc canh cây nguyên liệu và một số vấn đề

về kinh tế xã hội khác Do vậy, hiện nay xu hướng tìm kiếm và khai thác các đối tượng vi sinh vật (như vi khuẩn, nấm…), đặc biệt là tảo, theo hướng NLSH đang ngày càng được đặc biệt quan tâm và có triển vọng cao nhằm tạo ra nguồn NLSH giá rẻ và thân thiện với môi trường Đó cũng chính là nhiệm vụ của NLSH thế hệ thứ ba Việc phát triển NLSH thế hệ thứ ba là xu hướng tất yếu vì nó có thể giải quyết được hầu hết các vấn đề đang tồn tại Tuy nhiên, trở ngại lớn nhất hiện nay đối với NLSH thế hệ thứ ba là vấn đề về công nghệ sản xuất Giá thành của việc sản xuất NLSH từ tảo phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như năng suất sinh khối thu được từ các hệ thống nuôi trồng, quy mô của các hệ thống nuôi trồng, hàm lượng dầu và giá thành của việc chiết xuất dầu từ sinh khối tảo Hiện nay, việc sản xuất dầu tảo vẫn có giá thành cao hơn nhiều so với sản xuất nhiên liệu diesel từ dầu

mỏ (Zhiyou và cs., 2009) Chẳng hạn, Chisti (2007) đã ước tính giá thành của việc sản xuất dầu tảo từ một hệ thống bể phản ứng quang sinh (photobioreactor) với công suất 10.000 tấn/năm Nếu hàm lượng dầu tảo chiếm khoảng 30% thì giá thành sản xuất dầu tảo là 2,8 USD/1 Lít (10,50 USD/gallon) Tính toán này chưa bao gồm chi phí của quá trình chuyển hóa dầu tảo thành biodiesel, vận chuyển, marketing và thuế Trong khi đó, giá của diesel sản xuất từ dầu mỏ (ví dụ ở Virginia, Mỹ) chỉ từ 3,80 USD đến 4,50 USD/gallon Qua đó cho thấy, bài toán hạ giá thành sản xuất là vấn đề mấu chốt để tăng khả năng cạnh tranh của NLSH trong thời điểm hiện tại và tương lai

1.2 Diesel sinh học - Bản chất hóa học và cơ chế phản ứng

Biodiesel hay diesel sinh học là loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật, mỡ động vật hay dầu ăn thải Biodiesel, hay NLSH nói chung, là loại năng lượng sạch, về phương diện hóa học thì biodiesel là methyl, ethyl ester của những acid béo Chúng không độc và dễ phân hủy trong tự nhiên Biodiesel được biết đến như nguồn năng lượng xanh, sạch, không gây ô nhiễm môi trường và từ lâu đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu

Biodiesel bắt đầu được sản xuất từ khoảng giữa những năm 1800 Khi đó, người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu glycerol dùng làm xà phòng và thu được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl ester gọi chung là biodiessel Hiện nay, biodiesel được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau bằng nhiều con đường khác nhau

Quá trình hóa học cơ bản được sử dụng để chuyển hóa dầu/mỡ thành biodiesel được gọi là quá trình chuyển vị ester (transesterification) với sự có mặt của chất xúc tác Chất xúc tác có thể là kiềm (KOH, NaOH…), acid (H2SO2,

HCl…), enzyme lipase (Hideki và cs 2001; Demirbas, 2007; Meher và cs., 2006; Li

và cs., 2008; Hoydonex và cs., 2004) hoặc ở dạng hỗn hợp dị xúc tác

(Na/NaOH/γ-Al2O3, K/NaOH/γ-Al2O3 …) (Macedo, 2006; Serio, 2006; Verziu, 2008; Liu, 2008)

Các loại nguyên liệu khác nhau về bản chất lipid và thành phần acid béo có thể phù hợp với các điều kiện chuyển hóa khác nhau, chẳng hạn như có thể chuyển hóa trực tiếp từ sinh khối hoặc tách chiết lipid ra khỏi nguyên liệu, sau đó chuyển hóa lipid thành biodiesel…

Quá trình chuyển vị ester là phản ứng hóa học giữa một triglyceride (dầu/mỡ) và một rượu (alcohol) tạo thành sản phẩm là các ester và glycerol Mỗi phân tử triglyceride được cấu tạo từ một gốc glycerine gắn với ba chuỗi acid béo mạch dài (hình 4) Các đặc tính của chất béo được xác định bởi trạng thái tự nhiên của các acid béo gắn với glycerine Trạng thái tự nhiên của các acid béo có thể ảnh hưởng đến đặc tính của biodiesel Trong quá trình ester hóa, các phân tử rượu phản ứng với các phân tử acid béo tạo thành các mono-alkyl-ester (chính là biodiesel) và glycerol dạng thô Hai loại rượu được sử dụng phổ biến nhất là methanol và ethanol (methanol sẽ tạo ra các methyl-ester còn ethanol tạo ra các ethyl-ester)

Phương trình chuyển hóa biodiesel cơ bản như sau (hình 2) (Hideki và cs.,

2001):

(1) Triglyceride (TG) + R’OH Diglyceride (DG) + R’COOR 1 (2) Diglyceride (DG) + R’OH Monoglyceride(MG) + R’COOR 2 (3) Monoglyceride (MG) + R’OH Glycerol + R’COOR 3

Trong đó R1, R2, R3 là các acid béo no hoặc không no Các acid hữu cơ chiếm chủ yếu trong dầu mỡ động vật và thực vật như: Palmitic (CH3(CH2)14-COOH), Stearic (CH3(CH2)16-COOH), Oleic (CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH) Chất xúc tác có vai trò rất quan trọng vì nó phản ứng với methanol trước để tạo tiền chất cho phản ứng

Trong thực tế, quá trình chuyển vị ester xảy ra theo từng bước: từ triglyceride tạo thành diglyceride, monoglyceride và cuối cùng giải phóng phân tử glycerol cùng với sản phẩm là hỗn hợp các methyl ester (hình 2b) Như vậy, trong quá trình này, cứ 1 phân tử triglyceride tác dụng với 3 phân tử CH3OH tạo ra 1 phân

tử glycerol và 3 phân tử methyl ester Phản ứng ester hóa giữa dầu/mỡ với rượu là phản ứng thuận nghịch, vì vậy lượng rượu cần được đưa vào dư thừa để phản ứng dịch chuyển theo chiều thuận và đảm bảo cho quá trình chuyển hóa xảy ra hoàn toàn

Hình 2 Phản ứng chuyển vị ester tạo methyl-ester (biodiesel) (a)-Phương trình tổng quát, (b)-Các bước của quá trình phản ứng

Xúc tác

t o (a)

(b)

Xúc tác Xúc tác Xúc tác

1.3 Diesel sinh học từ tảo - NLSH thế hệ thứ ba

1.3.1 Khái quát về các loại nguyên liệu truyền thống dùng để sản xuất biodiesel

Biodiesel có thể được tạo ra từ một số nguồn dầu hay lipid Thành phần chính của các nguyên liệu lipid này là các phân tử triglyceride Nói chung, các loại nguyên liệu truyền thống thường dùng để sản xuất biodiesel có thể được chia thành 3 nhóm chính:

* Dầu thực vật tinh luyện

Nhóm này bao gồm các loại dầu thực vật tinh luyện chiết xuất từ đậu nành (soybean), cải dầu (canola, rapeseed), ngô (corn), hạt bông (cottonseed), hạt lanh (flax), hạt hướng dương (sunflower), lạc (peanut) và cọ (palm) Các loại dầu này là những nguyên liệu được sử dụng rộng rãi để sản xuất biodiesel trên quy mô thương mại Năng suất dầu của một số loại nguyên liệu thực vật được trình bày ở bảng 1 (Chisti, 2007) Thành phần của dầu chiết xuất từ các nguyên liệu thực vật này rất tinh khiết, do đó không cần phải qua bước tiền xử lý, đồng thời tạo ra biodiesel có chất lượng cao Tuy nhiên, như trên đã nói, điểm hạn chế của các loại dầu thực vật dùng làm nguyên liệu sản xuất biodiesel là khả năng sản xuất trên quy mô lớn cần phải xem xét vì sẽ cạnh tranh về nguồn lương thực nếu một phần diện tích đáng kể đất nông nghiệp được chuyển sang trồng các loại cây nguyên liệu cho sản xuất

biodiesel (Zhiyou và cs., 2009)

Bảng 1 Năng suất dầu của một số nguồn nguyên liệu dùng cho sản xuất biodiesel

(Chisti, 2007)

(L/ha)

Vi tảo (Microalgae) (sinh khối chứa 70% dầu theo khối lượng) 136.900

Vi tảo (Microalgae) (sinh khối chứa 30% dầu theo khối lượng) 58.700

* Mỡ động vật

Nhóm nguyên liệu thứ hai để sản xuất biodiesel là mỡ hay chất béo động vật

So với dầu thực vật thì mỡ động vật là loại nguyên liệu rẻ tiền và kinh tế hơn để sản xuất biodiesel Tuy nhiên, mỡ động vật lại có nhược điểm khi sử dụng để sản xuất biodiesel do chúng có chứa hàm lượng cao các chất béo bão hòa nên biodiesel tạo ra

có xu hướng bị đông đặc (tạo gel) Do đó, điều này làm hạn chế việc ứng dụng rộng rãi loại nhiên liệu này, đặc biệt khi sử dụng chúng vào mùa đông (Wen và cs., 2006)

* Dầu ăn thải

Nhóm nguyên liệu thứ ba để sản xuất biodiesel là dầu mỡ tái sử dụng Việc sản xuất biodiesel trực tiếp từ nguồn dầu chiết xuất từ thực vật sẽ có giá thành cao hơn nhiều so với diesel dầu mỏ Do đó, việc tái sử dụng dầu mỡ phế thải là vấn đề cần được quan tâm vì sẽ lợi dụng được các sản phẩm thừa của ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, đồng thời hạn chế đáng kể nguồn chất thải này ra môi trường sống Tuy nhiên, dầu ăn tái sử dụng lại có nhược điểm là không tinh khiết, do đó

đòi hỏi phải có quá trình tiền xử lý để đảm bảo biodiesel sản xuất ra có chất lượng đạt yêu cầu Quá trình tiền xử lý cũng đồng thời làm cho quá trình sản xuất biodiesel trở nên phức tạp hơn và có chi phí cao hơn (Canakci và cs., 1999; 2001)

1.3.2 Vai trò và tiềm năng của vi tảo trong lĩnh vực NLSH

Tảo là nhóm thực vật bậc

thấp sống ở môi trường nước (nước

ngọt, nước lợ, nước mặn), có khả

năng quang hợp, hấp thụ ánh sáng

và biến đổi năng lượng ánh sáng,

nước, CO2 thành sinh khối, đồng

thời giải phóng O2 Tảo bao gồm: vi

tảo (microalgae) và tảo lớn

(macroalgae, seaweed) Tảo lớn là

các tảo đa bào, có kích thước lớn,

có thể đạt đến chiều dài 100 feet (3048cm) Trái lại, vi tảo có kích thước hiển vi, đơn bào hoặc đa bào, thường sống ở dạng huyền phù trong nước (hình 3) (Zhiyou

và cs., 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 dự trữ trong tế bào, đồng thời tạo ra các sản phẩm thứ cấp có giá trị cao Trong quá trình quang hợp, tảo còn sản xuất ra dầu So với các loài thực vật ở cạn - thường phát triển theo mùa và lượng dầu chỉ chứa tối đa khoảng 5% so với trọng lượng khô thì trên cùng một đơn vị diện tích, vi tảo sinh trưởng nhanh hơn và tạo ra lượng dầu cao

Hình 3 Tảo lớn (a) và vi tảo (b)

(Zhiyou và cs., 2009)

)

(b) (a)

hơn nhiều (bảng 1) Mặt khác, hàm lượng dầu trong tảo có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi thành phần môi trường nuôi (Naik và cs., 2006) Chẳng hạn như có thể tăng khả năng sản xuất dầu ở tảo bằng cách bổ sung khí CO2 trongquá trình nuôi trồng chúng hoặc sử dụng các môi trường giàu chất hữu cơ (như nước thải giàu nitơ, phospho…) (Demirbas, 2010)

Hiện nay, sinh khối tảo được khai thác chủ yếu làm thực phẩm chức năng cho người và động vật nuôi trong nuôi trồng thủy sản (NTTS)… Ngoài ra, tảo còn được sử dụng để tạo ra năng lượng theo nhiều cách khác nhau Một trong những con đường hiệu quả nhất là sử dụng dầu tảo để sản xuất biodiesel Một số loài tảo

có thể sản xuất khí hydro dưới các điều kiện nuôi cấy đặc biệt Sinh khối tảo còn có thể dùng để đốt giống như gỗ để tạo ra

nhiệt và điện (Zhiyou và cs., 2009) Từ vi

tảo còn có thể tạo ra khí methane bằng

con đường lên men kỵ khí sinh khối vi tảo

(Spolaore và cs., 2006) v.v…

Sinh khối tảo chứa ba thành phần

chính: carbohydrate, protein và lipid Phần

lớn lipid do vi tảo sản xuất ra tồn tại ở dạng tricylglyceride (hình 4) - là dạng thích hợp để sản xuất biodiesel Vi tảo là đối tượng chính trong lĩnh vực sản xuất NLSH

từ tảo Vi tảo có tốc độ sinh trưởng rất nhanh so với các loại thực vật sống trên mặt đất Chúng thường có khả năng nhân đôi trong vòng 24 giờ Trong suốt pha sinh trưởng, một số loài vi tảo có thể nhân đôi trong vòng 3,5 giờ (Chisti, 2007) Hàm lượng dầu ở vi tảo thường dao động trong khoảng 20 đến 50% so với trọng lượng khô (bảng 2) Ngoài ra, một số chủng vi tảo có thể chứa hàm lượng dầu cao đến khoảng 80% (Metting, 1996) Thực tế, vi tảo là đối tượng cho năng suất thu hoạch dầu cao nhất dùng làm nguyên liệu để sản xuất NLSH Lượng dầu do vi tảo sản xuất

ra có thể cao gấp 250 lần so với đậu tương trên mỗi mẫu Anh (khoảng 0,4 ha), gấp

từ 7 đến 31 lần so với cọ Mặt khác, dầu tảo lại dễ dàng tách chiết nếu sử dụng phương pháp phù hợp Do đó, chỉ có sử dụng tảo để sản xuất ra NLSH mới tạo ra

CH2O-OCHCH2CH2………CH2CH3 CHO-OCHCH2CH2……….CH2CH3

CH2O-OCHCH2CH3………… CH2CH3

Hình 4 Cấu trúc phân tử triglyceride

được nguồn nhiên liệu đủ đáp ứng cho nhu cầu năng lượng của thế giới trong tương

lai và thay thế hoàn toàn nguồn năng lượng từ dầu mỏ (Sharif and Aishah, 2008)

Bảng 2 Hàm lƣợng dầu ở một số loài vi tảo (Chisti, 2007)

P và cả các kim loại nặng như As, Cd, Cr… trong nước thải (Sawayama và cs., 1995; Kong và cs, 2007) Khi vấn đề xử lý nước thải đòi hỏi chi phí và công nghệ đắt tiền thì việc sử dụng nước thải như là nguồn dinh dưỡng để nuôi trồng tảo sẽ

đem lại nhiều lợi ích về kinh tế và môi trường (Yanqun và cs., 2008)

Khả năng cố định CO2 của tảo nói chung và vi tảo nói riêng được coi là con đường hiệu quả để giảm bớt đáng kể lượng CO2 trong khí quyển Năng suất thu hoạch sinh khối tảo hàng năm ở các vùng cận nhiệt đới có thể đạt đến 40 tấn/ha (sinh khối khô) và thậm chí còn cao hơn nếu được cung cấp bổ sung nguồn CO2(Klass, 1998) Các hệ thống nuôi cấy đơn giản cũng có thể sản xuất ra khoảng 100g sinh khối tảo khô/m2

/ngày (Patil và cs 2005) Theo tính toán của Chisti (2008) đã chứng minh rõ tiềm năng của vi tảo trong lĩnh vực NLSH Việc sử dụng vi tảo làm nguyên liệu để tạo ra năng lượng là hướng đi đầy triển vọng vì tảo có khả năng thích nghi dễ dàng với các điều kiện sống Chúng có thể sinh trưởng trong nhiều loại môi trường nước và điều kiện sống khác nhau nên tránh được sự cạnh tranh quỹ đất Hơn nữa, 2/3 diện tích bề mặt trái đất được bao phủ bởi nước, do đó tảo sẽ là nguồn nguyên liệu lý tưởng cho vấn đề năng lượng toàn cầu trong hiện tại và tương lai

Ngoài các 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, việc 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 việc 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 cs., 2008) Tuy nhiên, sản xuất sinh khối tảo bằng con đường dị dưỡng lại có những ưu thế nhất định Do đó, vấn đề đặt ra là phải tìm kiếm được nguồn carbon hữu cơ thay thế rẻ tiền hơn (chẳng hạn như sử dụng nguồn glycerol - đồng sản phẩm được tạo ra trong quá trình ester hóa sản xuất biodiesel),

đi đôi với công nghệ sản xuất phù hợp và tối ưu để có thể khai thác được tối đa những lợi thế của vi tảo sinh trưởng dị dưỡng 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 Việt Nam, Schizochytrium là

chủng vi tảo biển dị dưỡng mới với đặc điểm giàu lipid, đặc biệt là các acid béo

không bão hòa như DHA, n-6 DPA cao hơn hàng chục lần so với các loài vi sinh vật và tảo biển khác (Hoàng Lan Anh và cs., 2005, Nguyễn Đình Hưng và cs., 2007,

Đặng Diễm Hồng và cs., 2008) Các chủng Schizochytrium spp được phân lập ở

Việt Nam có hàm lượng lipid và acid béo cao gấp 5-10 lần so với tất cả các loài vi tảo biển quang tự dưỡng đã và đang được nuôi trồng hiện nay tại Việt Nam cũng như trên thế giới (Đặng Diễm Hồng và cs., 2007, 2008), hàm lượng DHA và n-6

DPA cao gấp 3-5 lần so với các chủng Labyrinthula spp (Đặng Diễm Hồng và cs., 2007b) Trên thế giới, Chlorella protothecoides là loài vi tảo biển quang tự dưỡng

nhưng được nuôi 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 trình lên men đòi hỏi nguồn carbon hữu cơ để tích lũy dầu, điều này trong một chừng mực nào đó có thể làm hạn chế khả năng ứng dụng trên phạm vi rộng các loài tảo dị dưỡng cho mục đích sản xuất biodiesel (Qiang và cs., 2008)

Nói tóm lại, vi tảo có khả năng trở thành nguồn nguyên liệu để sản xuất NLSH thay thế dầu mỏ Phòng thí nghiệm quốc gia về năng lượng tái tạo (NREL, Mỹ) đã ước tính có khoảng 300 loài vi tảo được xem là nguồn tiềm năng để sản xuất NLSH (Ladygina và cs., 2006) Vi tảo là những sinh vật có khả năng quang hợp hiệu quả nhất trên hành tinh Tốc độ sinh trưởng nhanh làm cho vi tảo trở thành nguồn nguyên liệu lý tưởng để sản xuất NLSH (Gouveia and Oliveira, 2009; Li và

cs., 2008; Riesing, 2006) Khả năng sản xuất sinh khối của vi tảo được đánh giá là

cao gấp 50 lần so với cỏ switchgrass (Demirbas, 2009) Theo Báo cáo tổng kết về Chương trình nghiên cứu các loài sống ở thủy vực của NREL thì sở dĩ vi tảo có năng suất cao vượt trội so với thực vật ở cạn vì chúng là các cơ thể đơn bào, việc nuôi trồng vi tảo trong môi trường lỏng cho phép chúng khai thác rất hiệu quả

nguồn chất dinh dưỡng trong nước (Patil và cs., 2008)

1.3.3 Sản xuất biodiesel từ sinh khối 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 cấp nhiều dạng NLSH tái sử dụng, bao gồm khí methane (sản xuất bằng con đường lên men kỵ khí sinh khối tảo), biodiesel (chuyển hóa từ dầu tảo) và hydrogen sinh học (từ các quá trình quang sinh) (Sharif and Aishah, 2008)

Quá trình sản xuất biodiesel từ tảo bao gồm một số bước Về cơ bản, công nghệ sản xuất biodiesel từ tảo cũng tương tự như đối với các nguồn nguyên liệu thực vật khác, tuy nhiên có một số giai đoạn cần lưu ý Không kể các bước và các giai đoạn của quá trình nuôi trồng tảo, sau giai đoạn nuôi trồng, các tế bào tảo phải được làm khô trước khi thực hiện phản ứng chuyển hóa Hiện nay có rất ít tài liệu công bố về kết quả sản xuất biodiesel từ sinh khối tảo tươi Hầu như chỉ có các nghiên cứu đánh giá hiệu suất chuyển hóa khi so sánh hai phương pháp chuyển hóa

từ dầu tảo tách chiết từ sinh khối (phương pháp hai giai đoạn) với phương pháp chuyển hóa trực tiếp (một giai đoạn) Đối với phương pháp hai giai đoạn, dầu tảo sau khi tách chiết được cho phản ứng với methanol có mặt chất xúc tác, khi đó quá trình sản xuất biodiesel tương tự như đối với dầu thực vật Đối với phương pháp một giai đoạn (methyl hóa trực tiếp) thì dung môi có tác dụng chiết lipid (chloroform, hexan, ether…), methanol để methyl hóa acid béo và chất xúc tác được

bổ sung cùng một lúc Sau đó là các bước lọc và rửa để loại bỏ mô tế bào khỏi biodiesel, nhờ đó giảm được thời gian và chi phí cho bước tách chiết, mặt khác hiệu suất của quá trình ester hóa cũng cao hơn so với phương pháp hai giai đoạn (Bo, 2007)

Tuy nhiên hiện nay, các quy trình sản xuất biodiesel từ tảo vẫn còn có những điểm chưa tối ưu làm cho biodiesel sản xuất ra có giá thành cao Hạn chế chính của

việc sản xuất biodiesel từ tảo là chi phí sản xuất và đòi hỏi nguồn năng lượng đầu vào để nuôi trồng và thu hoạch sinh khối vi tảo Các nhà nghiên cứu đã đưa ra những ý kiến khác nhau về vấn đề này (Reijnders, 2008; Chisti, 2008) Một số nghiên cứu còn đưa ra vấn đề độ ẩm cao của sinh khối vi tảo Sinh khối tảo cần phải được làm khô trước khi sử dụng để sản xuất biodiesel nên đòi hỏi phải tiêu tốn nhiều năng lượng (Tsukahara and Sawayama, 2005) Trong khi giới khoa học vẫn còn tranh cãi về yếu tố giá cả thì một số công ty như Aurora Biofuels®, Valcent Inc®, and Solazyme® vẫn sử dụng tảo để sản xuất NLSH và thu lợi nhuận Tuy nhiên, các công ty này mới chỉ sản xuất trên quy mô nhỏ, do đó vấn đề giá thành vẫn là một trong những trở ngại lớn nhất đối với các quy trình sản xuất biodiesel từ tảo

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 việc thu hoạch sinh khối vi tảo có chi phí cao (Yanqun và cs., 2008)

Một hạn chế khác hiện nay trong việc 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 chiết thông dụng hiện nay đều được phát triển dựa trên phương pháp cơ bản của Bligh và Dyer năm 1959 (Lewis and Nichols, 2000) Tuy nhiên, mô tảo rất khác biệt so với mô động vật Trong nhiều trường hợp, lipid ở tảo rất khó được tách chiết bằng các phương pháp này (Ahlgren, 1991) Mặt khác, dầu

vi tảo cũng khác biệt với hầu hết các loại dầu thực vật ở chỗ chứa khá nhiều acid béo không bão hòa đa nối đôi (Belarbi và cs., 2000), trong đó EPA (acid eicosapentaenoic - C20:5n-3) và DHA (acid docosahexaenoic - C22:6n-3) khá phổ biến trong dầu tảo Các acid béo và methyl ester của acid béo (FAME) chứa nhiều liên kết đôi thường rất dễ bị oxi hóa trong quá trình bảo quản, do đó làm giảm khả năng ứng dụng của các loại dầu này so với biodiesel được sản xuất từ dầu thực vật

Các nhà nghiên cứu đã đưa ra ba điểm hạn chế chính hiện nay làm cho biodiesel sản xuất từ tảo gặp trở ngại về mặt ý nghĩa kinh tế Những hạn chế này

bao gồm sự tạp nhiễm các loài không mong muốn trong giai đoạn nuôi trồng, chi phí cao để thu hoạch sinh khối tảo từ môi trường nuôi và năng suất thu hoạch dầu tảo theo các phương pháp thông thường còn thấp (Michael, 2009) Tuy nhiên, các vấn đề này có thể được khắc phục phần nào bằng cách sử dụng các hệ thống bể phản ứng quang sinh học hoặc các hệ thống lên men đối với tảo dị dưỡng; tăng hàm lượng lipid trong tế bào tảo bằng các phương pháp điều khiển quá trình trao đổi chất; sử dụng kỹ thuật di truyền để tạo ra các giống tảo tiềm năng; đồng thời giảm chi phí cho bước thu hoạch sinh khối tảo bằng cách tăng năng suất sinh khối hoặc

áp dụng các phương pháp nuôi trồng đơn giản, rẻ tiền, có thể tận dụng được các nguồn dinh dưỡng sẵn có; Đối với các loại dầu tảo có thành phần acid béo không phù hợp cho chuyển hóa thì có thể được khắc phục nhờ quá trình hydro hóa dầu để tạo ra được loại dầu đáp ứng được yêu cầu dùng làm nhiên liệu (Jang và cs., 2005; Dijkstra, 2006) v.v…

Tóm lại, những thế mạnh của nguồn nguyên liệu vi tảo cũng như những điểm hạn chế được chỉ ra trên đây đã cho thấy rằng, vấn đề xây dựng được quy trình công nghệ sản xuất biodiesel phù hợp với yêu cầu thực tế là rất cần thiết Hơn nữa, việc 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 một lượng lớn sinh khối tảo Hầu hết các loài tảo là sinh vật quang tự dưỡng bắt buộc nên chúng cần phải có ánh sáng và nguồn carbon để sinh trưởng Mô hình nuôi trồng này được gọi là quang tự dưỡng (photoautotrophic) Tuy nhiên, một số loài tảo lại có khả năng sinh trưởng trong tối và sử dụng các nguồn carbon hữu cơ (như glucose, acetate…), đây

là hình thức sinh trưởng dị dưỡng Do giá thành để xây dựng và vận hành hệ thống cao 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

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 đòi hỏi một số yếu tố nhất định cho sinh trưởng như nguồn năng lượng ánh sáng, CO2, nước và các muối vô cơ Nhiệt độ nước cho sinh trưởng tối ưu thường dao động trong khoảng 150C đến 30o

C Môi trường nuôi cần phải có các nguyên tố vô cơ như N, P, Fe và đôi khi cần cả silic (Grobbelaar, 2004) Để sản xuất vi tảo trên quy mô lớn, các tế bào tảo phải được khuấy đảo liên tục để không bị lắng (Molina và cs 1999), các chất dinh dưỡng được cung cấp liên tục trong suốt thời gian chiếu sáng khi các tế bào tảo phân chia và sinh sản Tuy nhiên, khoảng ¼ lượng sinh khối tảo được sản xuất vào ban ngày có thể bị mất đi do hô hấp vào ban đêm (Chisti, 2007)

Các hệ thống nuôi trồng vi tảo quang tự dưỡng có thể có một số điểm khác nhau Chẳng hạn như vi tảo có thể sinh trưởng ở dạng dịch huyền phù hoặc gắn trên các bề mặt rắn (Michael, 2009) Hiện nay, phương pháp phổ biến mà các nhà nghiên cứu cũng như các nhà sản xuất thường sử dụng để nuôi trồng sinh khối tảo là nuôi trong các bể hở (open ponds) và trong các hệ thống bể phản ứng quang sinh khép kín (closed photobioreactors) (hình 5) (Patil và cs., 2005) Đối với mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Phương pháp nuôi trong

bể hở có ưu điểm là có lợi về mặt kinh tế nhưng lại hạn chế ở chỗ tốn diện tích đất, nước 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, photobioreactor kín có ưu điểm là có thể khép kín môi trường nuôi, nhờ đó tránh được các tác động trực tiếp từ bên ngoài, tương đối an toàn đối với sự xâm nhập của các vi sinh vật khác, đồng thời có thể điều chỉnh được nhiệt độ

và tăng lượng CO2 bổ sung vào môi trường nuôi thông qua hệ thống sục khí Tuy nhiên công nghệ này tương đối đắt tiền so với nuôi bằng các bể hở do phải đầu tư nhiều trang thiết bị Một hệ thống sản xuất sinh khối được coi là lý tưởng khi nó có thể tận dụng được một cách hiệu quả nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời Sức sản

xuất sinh khối trung bình hàng năm cao nhất của các bể hở đã được biết đến là khoảng 24 gam sinh khối khô/m2

/ngày (Weisz, 2004) Năng suất sinh khối lên tới

100 gam sinh khối khô/m2/ngày đã thu được trong các hệ thống nuôi cấy 300 lít đơn giản (Patil và cs., 2005) Năng suất này đạt được trong điều kiện bão hòa ánh sáng Nhu cầu về ánh sáng đi đôi với hệ số phá hủy chlorophyll ở tảo cần phải được tính toán để xây dựng các hệ thống phù hợp cho sinh trưởng của tảo ở quy mô lớn Thực nghiệm cũng đã cho thấy rằng năng suất sinh trưởng trung bình hằng năm cao nhất đạt được khi sử dụng các hệ thống bioreactor kín Tridici (1999) đã nghiên cứu sản xuất sinh khối tảo trong các hệ thống photobioreactor Nhiều kiểu mô hình photobioreactor khác nhau đã được thiết kế Trong đó, hệ thống photobioreactor dạng ống (Hình 5B) là tốt nhất để sản xuất sinh khối tảo trên quy mô cần thiết đáp ứng cho nhu cầu về nguồn nguyên liệu để sản xuất NLSH Các hệ thống photobioreactor được đặt trong nhà, điều chỉnh được và sử dụng nguồn sáng nhân tạo sẽ thực sự có hiệu quả về mặt kinh tế, đặc biệt là để sản xuất các nguyên liệu có giá trị cao sử dụng trong dược phẩm kết hợp với việc sản xuất nguyên liệu cho biodiesel để giảm giá thành (Vishwanath và cs., 2008)

Hình 5 Hệ thống bể hở (A) và Photobioreactor (B)

(Zhiyou và cs., 2009)

1.5 Tình hình sản xuất và sử dụng NLSH trên thế giới

1.5.1.Tình hình sản xuất và sử dụng NLSH nói chung

Nhận thức được tầm quan trọng của NLSH trong tương lai, nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang xây dựng những chiến lược phát triển NLSH ngắn hạn và dài hạn phù hợp với điều kiện thực tế của nước mình Hiện nay có khoảng 50 quốc gia ở khắp các châu lục khai thác và sử dụng NLSH ở các mức độ khác nhau Trên thực tế, người ta đã và đang nghiên cứu gần như tất cả các nguồn dầu, mỡ có thể sử dụng để sản xuất biodiesel Việc lựa chọn loại dầu thực vật hay mỡ động vật nào phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu sẵn có và điều kiện khí hậu cụ thể của từng vùng Chẳng hạn như ở châu Âu, cây cải dầu với hàm lượng dầu từ 40% - 50% là loại cây thích hợp để sản xuất biodiesel v.v…

Pháp là một trong những quốc gia sản xuất biodiesel nhiều nhất trên thế giới

Ở Pháp, diesel thường có chứa từ 2 đến 5% biodiesel và sẽ nhanh chóng đáp ứng đủ cho nhu cầu của toàn Châu Âu (http://precedings.nature.com)

Ở Mỹ, biodiesel chủ yếu được sản xuất từ đậu tương (Schlautman và cs., 1986) Ngoài ra, biodiesel cũng còn được nghiên cứu sản xuất từ tảo Các kỹ thuật của công nghệ sinh học hiện đại cũng đã được áp dụng như nghiên cứu gen thực hiện tại phòng thí nghiệm năng lượng tái sinh quốc gia để tạo được một giống tảo mới có hàm lượng dầu trên 60% so với trọng lượng khô Sử dụng loài tảo này, trên mỗi mẫu Anh có thể sản xuất trên 2 tấn biodiesel 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 trường xăng) Năm 2012 sẽ cung cấp trên 28

tỷ lít ethanol và diesel sinh học, chiếm 3,5% lượng xăng dầu sử dụng Để khuyến khích sử dụng nhiên liệu sạch, Chính phủ Mỹ đã thực hiện việc giảm thuế 0,50 USD/gallon ethanol và 1 USD/gallon biodiesel, hỗ trợ các doanh nghiệp nhỏ sản xuất NLSH (Đoàn Thị Thái Yên và cs., 2010)

Ở Đức, biodiesel thường được sản xuất từ hạt cải dầu (Meher và cs., 2006) Hiện nay ở Đức đã có hơn 1500 trạm cung cấp biodiesel Biodiesel từ dầu hạt

hướng dương đã được sản xuất thành công ở Pháp và ở Anh Tập đoàn năng lượng Shell của Hà Lan và HR Biopetroleum - một Công ty NLSH tảo biển có trụ sở tại Hawaii - tuyên bố xây dựng một vùng thí điểm tại đảo Hawaii để trồng tảo biển

phục vụ cho việc sản xuất dầu, sau đó biến chúng thành NLSH (Theo VietBao.vn,

17/4/2006) Công ty Oilfox S.A của Argentina vừa khánh thành nhà máy sản xuất biodiesel từ tảo đầu tiên tại khu vực Mỹ Latinh, với mục tiêu thay thế dần cho việc sản xuất NLSH từ dầu đậu tương Oilfox cũng đã ký thỏa thuận với một công ty năng lượng hàng đầu Argentina là YPF để sản xuất 50.000 tấn biodiesel/năm Theo luật của Argentina, đến cuối năm nay, tất cả các công ty xăng dầu phải pha 10%

biodiesel trong nhiên liệu (Theo Báo Điện tử Baomoi.com, 10/10/2010)

Ngoài ra, rất nhiều các quốc gia Châu Âu khác cũng đều có chương trình NLSH như Tây Ban Nha, Italia, Hà Lan, Thụy Điển, Bồ Đào Nha, Thụy Sĩ, Áo, Bungari, Ba Lan, Hungari, Ucraina, Belarus, Nga, Slôvakia và một số quốc giá Châu Phi như Gana, Tanjania cũng đã bắt đầu tiếp cận lĩnh vực NLSH

Jatropha là loại cây nguyên liệu cho sản xuất biodiesel rất phổ biến ở các nước như Ấn Độ, Zimbabwe, các nước Tiểu Vương Quốc Ả Rập Thống 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 Việc 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, xăng E10 (10% ethanol và 90% xăng) đã chính thức được sử dụng ở 5 thành phố lớn của Trung Quốc và sắp tới sẽ mở rộng thêm tại 9 tỉnh đông dân cư khác Dự kiến, ethanol nhiên liệu sẽ tăng trên 2 tỷ lít vào năm 2010 và khoảng 10 tỷ lít vào năm 2020 Cuối năm 2005, nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu công suất 600.000 tấn/năm (lớn nhất thế giới) đã đi vào hoạt động tại Tỉnh Cát Lâm Theo dự tính của các chuyên gia, đến năm 2010, Trung Quốc sẽ sản xuất khoảng 6 triệu tấn

dầu NLSH, trong đó có 5 triệu tấn ethyl alcohol và 1 triệu tấn dầu biodiesel

Đối với khu vực Đông Nam Á, các nước Thái Lan, Indonesia, Malaysia cũng

đã đi trước Việt Nam trong lĩnh vực nghiên cứu và sử dụng NLSH Ở Thái Lan đã

sử dụng dầu cọ và đang thử nghiệm hạt cây jatropha Cứ 4kg hạt jatropha ép được 1lít biodiesel tinh khiết, đặc biệt loại hạt này không thể dùng để ép dầu ăn và có thể mọc trên những vùng đất khô cằn nên giá thành sản xuất rẻ hơn so với các loại cây truyền thống khác Bộ Năng Lượng Thái Lan đặt mục tiêu đến 2011, lượng biodiesel sẽ đạt 3% (2,4 triệu lít/ngày), tổng lượng diesel tiêu thụ trên cả nước sẽ chiếm đến 10% (8,5 triệu lít/ngày) trong năm 2012 Ở Indonesia ngoài cây cọ dầu, người ta cũng chú ý đến cây jatropha Indonesia đặt mục tiêu đến năm 2010, NLSH

sẽ đáp ứng 10% nhu cầu năng lượng cho ngành điện và giao thông vận tải Ngay tại Lào cũng đang xây dựng nhà máy sản xuất biodiesel ở ngoại ô thủ đô Viên Chăn

có khả năng làm cho tảo từ chỗ hầu như chỉ được sử dụng trong nuôi trồng thủy sản, khai thác các sản phẩm thứ cấp và làm thực phẩm chức năng trở thành một đối tượng đầy tiềm năng để sản xuất NLSH

Như trên đã nói, từ sinh khối tảo có thể sản xuất ra một số loại NLSH khác nhau, song quan trọng nhất vẫn là biodiesel Biodiesel sản xuất từ tảo có những đặc tính đốt cháy tương tự như diesel (Marchetti và cs., 2007) và hiện nay đã được sản xuất ở một số quốc gia trên một số loài tảo tiềm năng Những tiến bộ đáng kể về công nghệ đã đạt được để tối ưu hóa quá trình ester hóa đối với nhiều loại nguyên liệu, trong đó có dầu tảo Ví dụ, các nhà nghiên cứu người Canada ở Khoa Công nghệ hóa học thuộc Đại học Ottawa đã phát triển một thiết bị phản ứng màng hai

pha mới (two-phase membrane reactor) (Dube và cs., 2007) cho phép khai thác tính chất không trộn lẫn của dầu canola trong methanol để có thể phân tách các sản phẩm (biodiesel/glycerol) ra khỏi phần dầu dư thừa sau phản ứng Loại thiết bị này thực sự hữu ích trong việc loại bỏ phần dầu không phản ứng ra khỏi sản phẩm để thu được biodiesel có độ tinh sạch cao và làm cho cân bằng phản ứng ester hóa dịch chuyển theo hướng tạo ra sản phẩm Tuy nhiên, thách thức lớn nhất trong sản xuất biodiesel vẫn là giá thành cao của nguyên liệu Hiện nay, biodiesel chủ yếu được sản xuất từ dầu thực vật và mỡ động vật Tuy nhiên, các loại nguyên liệu này không

có tính cạnh tranh cao Chẳng hạn, người ta ước tính rằng để sản xuất ra 5,54 Mtoe (Million tons of oil equivalent, tương đương một triệu tấn dầu) biodiesel tiêu thụ cho giao thông vận tải vào năm 2003 ở 25 quốc gia thuộc Liên minh Châu Âu (EU-25) sẽ cần đến 9,3 Mha đất để trồng cải dầu và hướng dương Con số này tương đương với 150% diện tích đất đang sử dụng để trồng cây nông nghiệp ở EU-25 (diện tích này khoảng 6,4 Mha) (Kondili và cs., 2007) Trong khi đó, một số loài vi tảo có khả năng tích lũy lipid với hàm lượng đáng kể trong sinh khối của chúng được coi là nguồn cung cấp lipid đầy hứa hẹn để sản xuất biodiesel (Miao và cs., 2006; Tornabene và cs., 1983; Xu và cs., 2006)

Christi (2007) đã phân tích khía cạnh kinh tế và những yêu cầu về chất lượng của biodiesel được sản xuất từ vi tảo Tác giả đã chỉ ra rằng cần phải giảm giá thành của việc nuôi trồng vi tảo cho sản xuất biodiesel để có thể cạnh tranh được với các nguồn năng lượng truyền thống Mặt khác cũng cần phải quan tâm đến vấn đề vừa nuôi trồng tảo để sản xuất biodiesel nhưng đồng thời vừa có thể khai thác được những vai trò khác của tảo Chẳng hạn như một hệ thống nuôi trồng vi tảo ở quy mô thương mại (2 ha) kết hợp giữa hai hệ thống photobioreactor và bể hở sử dụng quy

trình 2 pha để sản xuất Haematococcus pluvialis làm nguyên liệu sản xuất biodiesel

đã được vận hành với năng suất dầu tảo trung bình hằng năm đạt 420 GJ/ha/năm, vượt qua những đánh giá lạc quan nhất về biodiesel được sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu thực vật khác Tốc độ sản xuất cực đại có thể đạt đến 3200 GJ/ha/năm

khi sử dụng Chlorella được nuôi trồng dưới những điều kiện tối ưu Với hiệu suất

này hoàn toàn có thể thay thế được việc sử dụng nhiên liệu từ dầu mỏ như hiện nay, đồng thời làm hạn chế đáng kể sự phát thải CO2từ việc đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch (Huntley và cs., 2007) Một số quy trình sản xuất biodiesel từ tảo, như quy trình được tiến hành ở Đại học Utah, có khả năng cạnh tranh về giá thành với diesel truyền thống vào năm 2009 (Seefeldt, 2007) Ở Trung Quốc, Xiufeng và cs (2007)

đã công bố về biodiesel được sản xuất từ vi tảo Chlorella protothecoides ở quy mô

11.000 Lít Ngoài ra, các tác giả cũng thừa nhận tiềm năng của việc nuôi trồng tảo theo phương thức dị dưỡng vì phương thức này không cần phải đáp ứng những yêu cầu như đối với nuôi trồng vi tảo quang tự dưỡng để biến đổi năng 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 chất vật lý và hóa học riêng nên đòi hỏi phải có những quy trình thích hợp để có thể khai thác được tối đa tiềm năng của các nguồn năng lượng tái sinh này

1.6 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng NLSH ở Việt Nam

Trong xu thế chung của thế giới hiện nay coi NLSH là một giải pháp năng lượng sạch và an toàn cho giảm thiểu ô nhiễm, vấn đề NLSH ở Việt Nam cũng đang ngày càng được Nhà nước và các nhà khoa học quan tâm và đầu tư nghiên cứu

1.6.1 Tiềm năng sản xuất NLSH ở Việt Nam

Việt Nam có nhiều tiềm năng để phát triển NLSH: là một nước nhiệt đới nhiều nắng và mưa nên sinh khối phát triển nhanh, ba phần tư lãnh thổ là đất rừng nên tiềm năng phát triển gỗ lớn; là một nước nông nghiệp nên nguồn phụ phẩm nông nghiệp phong phú, nguồn này ngày càng tăng lên cùng với việc phát triển nông nghiệp và lâm nghiệp Bên cạnh tiềm năng nguyên liệu lớn chưa được khai thác thì nhu cầu ngày càng tăng của đời sống xã hội cũng thúc đẩy phát triển NLSH

Theo thống kê chính thức năm 2005, Việt Nam còn khoảng 4,3 triệu ha đất đồi núi chưa được khai phá Theo các chuyên gia, nếu từ nay đến năm 2020, khoảng 1 triệu

ha trong số diện tích bỏ hoang đó được biến thành đất canh tác các loại cây dùng để làm nguyên liệu sản xuất NLSH thì sản lượng sẽ rất lớn Nhiều loại cây nông nghiệp như sắn, ngô, mía, có thể sản xuất bioethanol mà ở Việt Nam lại có nhiều vùng đất rất thích hợp với các loại cây trồng này Sản lượng sắn cả nước năm 2007

là hơn 7 triệu tấn, mía đường hơn 14 triệu tấn và ngô gần 4 triệu tấn Với sản lượng này có thể đáp ứng được cho nhu cầu sản xuất bioethanol ở quy mô vừa và nhỏ Ước tính Việt Nam có thể sản xuất 5 triệu lít bioethanol mỗi năm nếu như có sự điều chỉnh về sản lượng và diện tích cây trồng Biodiesel có thể được sản xuất từ các loại dầu thực vật và mỡ động vật Ở Việt Nam có các loại cây trồng tiềm năng cung cấp nguyên liệu cho sản xuất biodiesel như cây cọc rào, dầu cọ, hạt bông, Điều kiện đất đai và khí hậu Việt Nam cho phép hình thành những vùng nguyên liệu tập trung Ước tính Việt Nam có thể sản xuất khoảng 500 triệu lít biodiesel mỗi năm nếu như tổ chức quy hoạch và thực hiện vùng nguyên liệu theo hướng sử dụng đất triệt để, tạo ra nhiều loại giống có sản lượng cao và có các công nghệ tách dầu hiệu quả từ nguyên liệu (www.entrepreneurstoolkit.org)

Bên cạnh các nguồn nguyên liệu từ thực vật, để phát triển NLSH ở Việt Nam còn có thể tận dụng các phụ phẩm thải ra từ sản xuất ngư nghiệp Một trong những phụ phẩm có thể trở thành nguồn NLSH sau khi được xử lý là mỡ cá tra và cá basa Hàng năm, Đồng Bằng sông Cửu Long thải ra ít nhất 30 ngàn tấn mỡ cá tra và cá basa Thực tế, loại mỡ này đã được dùng để sản xuất mỡ bôi trơn máy móc hoặc tái chế thành thức ăn gia súc Tuy nhiên, một lượng lớn mỡ thừa vẫn bị thải trực tiếp ra môi trường, vừa lãng phí vừa gây ô nhiễm Vì lý do đó, một số đơn vị đã kết hợp với giới nghiên cứu khoa học để tìm cách tận dụng nguồn mỡ cá tra, cá basa đưa vào chế tạo biodiesel (www.sggp.org.vn)

Phụ phẩm thứ hai có thể được tận dụng là vỏ cà phê Theo ước tính của giới chuyên gia, hàng năm, ngành cà phê thải ra khoảng 400 ngàn tấn vỏ Loại vỏ này lại

có đặc điểm là thời gian phân hủy lâu hơn các loại vỏ khác, gây ô nhiễm cho môi

trường Theo các nhà khoa học, vỏ cà phê thuộc loại chất hữu cơ hoàn toàn có thể được dùng để lên men, chuyển hoá thành ethanol Do đó, phần vỏ (chiếm khoảng từ 40% đến 45% hạt cà phê) có thể trở thành nguồn nguyên liệu dồi dào để sản xuất NLSH (http://greenchemistry.vn/?id_pnewsv=337&lg=vn&start=0)

Trên đây chỉ là hai phụ phẩm nổi bật, liên quan đến các mặt mạnh trong ngành xuất khẩu của Việt Nam Ngoài ra còn có nhiều phế phẩm khác như vỏ hạt điều, trấu, mùn cưa… cũng có thể được tận dụng để sản xuất NLSH

1.6.2 Những nghiên cứu và thử nghiệm về NLSH ở Việt Nam

Nhận thức về lợi ích của NLSH đã có từ một thập niên gần đây ở Việt Nam Tại một số trung tâm nghiên cứu và các trường đại học đã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu về hướng phát triển NLSH Nhiều cơ quan thuộc các bộ, các ngành như giao thông vận tải, nông nghiệp, năng lượng cũng đã quan tâm đến lĩnh vực này Tại Phân viện Khoa học Việt Nam ở Thành Phố Hồ Chí Minh đã có một nhóm cán bộ nghiên cứu thành công ép hạt dầu jatrophra để tạo ra biodiesel Năm 2004, Phân viện này cũng đã nghiên cứu thành công công nghệ sản xuất biodisel từ mỡ động vật và dầu thực vật Trong đó, nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Nguyễn Đình Thành đã "ra mắt" công nghệ sản xuất biodiesel từ nguồn dầu phế thải và mỡ cá basa Đặc biệt trong 5 năm gần đây, nhiều công trình nghiên cứu NLSH từ phòng thí nghiệm đã được giới sản suất ứng dụng trong

thực tế Chẳng hạn, một số doanh nghiệp như công ty

mía đường Lam Sơn (Thanh Hoá), Sài Gòn Petro,

Công ty rượu Bình Tây (Thành phố Hồ Chí Minh),

đã bắt đầu sản xuất ethanol Ở một số tỉnh thành

thuộc khu vực Đồng Bằng sông Cửu Long như An

Giang, Long An, Cần Thơ… có những công ty đã

thử sản xuất biodiesel từ mỡ cá tra và cá basa như

công ty AGIFISH… với tổng công suất khoảng 40.000 tấn/năm, nhưng do chưa có tiêu chuẩn chất lượng cho sản phẩm nên chưa thương mại được Năm 2009, công ty

Hình 6 Sản phẩm biodiesel của Công ty Minh Tú

trách nhiệm hữu hạn Minh Tú đã khởi công xây dựng nhà máy với khoản tiền đầu

tư khá lớn là 12 tỷ đồng để sản xuất biodiesel (hình 6)

Trong những năm gần đây, giới nghiên cứu

ở Việt Nam rất chú ý đến một loại cây có tên khoa

học là Jatropha curcas, tên tiếng Việt là ''cây cọc

rào, cây cọc giậu hay cây dầu mè'', còn gọi nôm na

là ''cây diesel'' do khả năng cho dầu của nó (hình

7) Theo tiến sĩ Lê Võ Định Tường thuộc Phân viện

hoá học các hợp chất thiên nhiên tại Thành phố Hồ

Chí Minh, đặc điểm của loại cây này là sức chịu

hạn cao nên rất dễ trồng Loại cây này cho rất

nhiều hạt, khi ép ra có thể thu được dầu với tỷ lệ từ

1 đến 3 tấn trên mỗi hecta Dầu thu được lại không

cần chế biến phức tạp Dầu biodiesel từ cây

jatropha có chứa oxy trong phân tử và không có sulfur nên được đốt cháy hết, giảm thiểu các khí thải nhà kính và khí gây ung thư Bên cạnh đó, cây jatropha có thể được dùng làm phân hữu cơ, làm thức ăn gia súc; sinh khối của vỏ, quả, thân, lá có

thể được dùng để sản xuất biogas Việc tiến sĩ Thái Xuân Du, Trưởng phòng Công

nghệ tế bào thực vật, Viện Sinh học nhiệt đới, chiết xuất thành công dầu diesel từ hạt dầu mè (tỷ lệ dầu tới 32-37%) đã có thể mở ra một hướng đầu tư mới cho các doanh nghiệp Việt Nam (Sinh học Việt Nam, 24/07/2006, http://www.sinhhocvietnam.com)

Nhóm nghiên cứu của PGS.TS Trần Khắc Chương, Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu thành công một quy trình công nghệ

có thể sản xuất ra những loại hóa chất phục vụ điều chế xăng sinh học từ chính những nguồn nguyên liệu rẻ tiền của Việt Nam Hiện tại, nhóm nghiên cứu này công bố đã hoàn chỉnh quy trình công nghệ và thiết kế, chế tạo mô hình pilot sản xuất cồn tuyệt đối 100%, đạt công suất khoảng 100kg/ngày (hình 8) và sử dụng loại

Hình 7 Cây Jatropha curcas

hóa chất do chính nhóm nghiên cứu này chế

tạo để sản xuất được xăng sinh học đủ tiêu

chuẩn (Sinh học Việt Nam, 07/03/2006,

http://www.sinhhocvietnam.com)

Ngày 15/9/2008, Tổng Công ty dầu

Việt Nam (PVOIL) đã lần đầu tiên giới

thiệu và bán thí điểm xăng E5 (tên thương

mại là Gasohol E5) tại một số trạm bán lẻ

xăng dầu ở Hà Nội và Thành phố Hồ Chí

Minh (hình 9) Ethanol 99,6% được nhập

khẩu từ Trung Quốc, sau đó pha với xăng

A95 và A92 với tỷ lệ 5% ethanol theo thể tích để thành xăng ethanol E5 Xăng E5 được bán với giá 16.500 đồng một lít, rẻ hơn 500 đồng so với xăng A92 và 1000 đồng so với xăng A95 trong khi đó vẫn bảo đảm an toàn cho động cơ đồng thời giảm ô nhiễm môi trường

Nhiều công ty và các tổ chức khoa học cũng đã chủ động phối hợp nghiên cứu và thực hiện việc đánh giá ảnh hưởng của xăng pha ethanol đối với động cơ và việc phân phối thử nghiệm xăng E5 thương mại như Trung tâm nghiên cứu dầu khí (PVPRO), công ty taxi Đà Nẵng, công ty xăng dầu Petrolimex miền trung, công ty

Hình 8 Tháp chƣng cất cồn tinh khiết từ cồn công nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu công nghệ lọc hóa dầu Đại học Bách khoa TP.HCM

Hình 9 Một số điểm bán xăng E5: A-tại Hà Nội và B-tại Thành phố Hồ Chí Minh

cổ phần sản xuất ethanol Đồng Xanh Viện Nghiên cứu rượu bia và nước giải khát cũng đã nghiên cứu và đưa ra các kết quả về sử dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế cho một số loại động cơ Viện Công nghệ thực phẩm đã và đang nghiên cứu sản xuất ethanol từ phế thải nông nghiệp Nhiều đơn vị trong đó có Sài Gòn Petro, Công

ty Mía đường Lam Sơn… đã lên kế hoạch pha chế thử nghiệm và tiến tới sản xuất ethanol ở quy mô phù hợp và đưa vào sử dụng Tổng công ty xăng dầu Việt Nam (Petrolimex) đã phối hợp với một số trường đại học lớn như Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh tiến hành nhiều nghiên cứu về việc sử dụng NLSH, trong đó đã chứng minh việc sử dụng xăng pha ethanol thay thế xăng thông thường tốt hơn cho động cơ xăng (http://www.orientbiofuels.com.vn) Sau khi Bộ Công thương chấp thuận kết quả thử nghiệm xăng E5 và trên cơ sở các tiêu chuẩn về nhiên liệu E5, B5 (được ban hành trong tháng 5/2009), xăng E5 đã được bán thí điểm trên phạm vi 6 tỉnh thành lớn của Việt Nam là thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội, Cần Thơ, Đà Nẵng, Vũng Tàu, Nha Trang Ưu điểm của xăng E5 là có trị số octan cao, do đó tăng khả năng chống kích nổ, tăng tỉ số nén của động cơ, nâng cao hiệu suất cháy và tiết kiệm nhiên liệu; tăng công suất và moment xoắn động cơ; vận hành êm hơn và kéo dài tuổi thọ Ngoài ra, độ phát thải các loại khí SOx, NOx của xăng E5 ít hơn nên góp phần giảm hiệu ứng nhà kính Đây cũng chính là lý do để Chính phủ xác định chọn ngành công nghiệp NLSH làm mũi nhọn nhằm bảo đảm an ninh năng lượng và bảo

vệ môi trường Xăng sinh học E5 đã được Bộ Khoa học và Công nghệ và Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Việt Nam thẩm định đạt quy chuẩn an toàn khi lưu hành

Một số nhà máy sản xuất NLSH cũng đã và đang được xây dựng ở Việt

Nam Chẳng hạn như PVOIL đã tiến hành đầu tư hai nhà máy ethanol với tổng công

suất 200 triệu lít/năm, trong đó dự án xây dựng nhà máy ethanol Bình Phước được thực hiện với sự hợp tác đầu tư cùng tập đoàn ITOCHU Nhật Bản tại tỉnh Bình Phước Dự án “Nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu khu vực phía Bắc” được xây dựng tại các xã Cổ Tiết, Tam Cường và Văn Lương, huyện Tam Nông, tỉnh Phú

Thọ với tổng diện tích 517.981,7 m2

, công suất 100.000m3/năm, sử dụng nguyên liệu chính là sắn và mía đường Đây là nhà máy sản xuất NLSH đầu tiên được xây dựng ở miền Bắc Việt Nam có quy mô đầu tư lớn, công nghệ tiên tiến, thiết bị hiện đại và sẽ cho ra đời những sản phẩm NLSH tái tạo không gây ô nhiễm môi trường

(http://www.vcci.com.vn, ngày 05/04/2010) Ngoài ra còn có 6 nhà máy NLSH đã

được cấp phép với nhu cầu tiêu thụ mỗi năm khoảng 1,2 triệu tấn sắn lát, trong đó nhà máy ở Quảng Nam đã được vận hành Hiện tại, nhà máy sản xuất bioethanol có công suất 100.000 m3/năm tại Khu kinh tế Dung Quất đang được xây dựng

1.6.3 Chính sách phát triển NLSH ở Việt Nam

Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg phê duyệt “Đề án phát triển NLSH đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”. Đây là định hướng đúng đắn trong việc tìm kiếm và sử dụng nguồn năng lượng sạch mới trong tương lai ở nước ta Mục tiêu tổng quát của Đề án là nhằm phát triển NLSH thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường Đề án cũng đã đưa ra các mục tiêu cụ thể cho từng giai đoạn, các nhiệm vụ chủ yếu và các giải pháp chính thực hiện đề án Mục tiêu cụ thể là đến năm 2010, xây dựng và phát triển được các

mô hình sản xuất thử nghiệm và sử dụng NLSH quy mô 100 nghìn tấn E5 và 50 nghìn tấn B5/năm bảo đảm đáp ứng 0,4% nhu cầu xăng dầu của cả nước Đến năm

2015, sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn (pha được 5 triệu tấn E5, B5), đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước Đến năm 2025, sản lượng ethanol

và dầu thực vật đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước Cùng với Đề án này là một số Quyết định và Thông tư của các bộ, ban, ngành về việc quản lý, hướng dẫn, thi hành để từng bước hiện thực hóa các mục tiêu của Đề

án (Đề án phát triển NLSH đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025, Quyết định 177/2007/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ)

Như vậy, có thể nói rằng, NLSH đang dần dần trở thành một xu thế tất yếu trong định hướng và chiến lược phát triển kinh tế xã hội của Việt Nam Điều này

càng cho thấy rõ tầm quan trọng của vấn đề nghiên cứu, xây dựng, cải tiến các quy trình công nghệ sản xuất cũng như khai thác các nguồn nguyên liệu tiềm năng là một trong những yếu tố quan trọng có tính chất quyết định đến tương lai phát triển

của NLSH ở Việt Nam

1.6.4 Tình hình nghiên cứu, nuôi trồng và ứng dụng vi tảo biển ở Việt Nam

Ở Việt Nam, tảo nói chung và vi tảo nói riêng đã được nuôi trồng ở một số nơi để làm thực phẩm cho người và động vật nuôi, đặc biệt là trong NTTS Chẳng

hạn như tảo Spirulina đã được nghiên cứu từ những năm 1970 Đến nay, quy trình công nghệ đơn giản để nuôi Spirulina đã được áp dụng thành công trên quy mô

5000 m2 tại tỉnh Bình Thuận tận dụng nguồn nước khoáng Vĩnh Hảo có chứa hàm lượng sodium bicarbonat cao, nhờ đó giảm giá thành môi trường nuôi một cách đáng kể (Nguyễn Hữu Thước, 1988; Đặng Đình Kim và Đặng Hoàng Phước Hiền, 1999; Đặng Đình Kim và cs., 1994 a,b) Một số nơi ở Bến Tre, Đồng Nai, Hà Nội,

Thành phố Hồ Chí Minh… cũng đã và đang nuôi trồng Spirulina ở các quy mô khác nhau Một số công trình nghiên cứu về Spirulina đã được tiến hành và công

bố, như nghiên cứu về hàm lượng các chất dinh dưỡng trong tảo này (Đặng Đình Kim, 2002); nghiên cứu khả năng chống chịu muối nhằm tận dụng nguồn nước biển, nước lợ để sản xuất loài tảo này trong tương lai (Đặng Đình Kim, 2002;

Dương Trọng Hiền, 1999); nghiên cứu nuôi trồng Spirulina trên cơ sở tận dụng các

nguồn nước khoáng ở các tỉnh phía Bắc cũng đã được Hoàng Sỹ Nam và Đặng Diễm Hồng (2008) công bố; các nghiên cứu nuôi trồng tảo này trên các loại nước thải khác nhau theo định hướng sản xuất nguyên liệu cho công nghiệp như chất dẻo sinh học (bioplastic) (Đặng Diễm Hồng và cs., 2007a, Ngô Hoài Thu và cs., 2007)

v.v…

Ngoài Spirulina, một số loài vi tảo biển khác cũng đã và đang được nuôi trồng và nghiên cứu như Chlorella (Đặng Diễm Hồng và cs., 1996a, Nguyễn Tiến

Cư và cs., 1997), Dunaliella (Đặng Đình Kim và cs., 1995; Đặng Diễm Hồng và

cs., 1996b, 1998) để thu sinh khối giàu vitamin, sắc tố và carotenoid Tuy nhiên,