Đề tài khoa học công nghệ cấp 4 nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất biodiesel từ vi tảo của việt nam

i Đề tài cấp B2008-12-06 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH  BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP BỘ NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ VI TẢO CỦA VIỆT NAM Mã số : B2008 – 12 – 66 Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS TRƢƠNG VĨNH TP HCM 3/2011 PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM ii Đề tài cấp B2008-12-06 Mục Lục Chương MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích Chương VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP 2.1 Qui trình chung sản xuất biodiesel 2.2 Các nội dung thực Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nội dung 1: Khảo sát nguồn ngun liệu vi tảo nước, thí nghiệm thăm dị sinh khối đo đạc 3.2 Nội dung 2: Thiết kế, chế tạo thiết bị phục vụ đề án 3.3 Nội dung 3: Nghiên cứu hàm lượng dầu ni qui mơ phịng thí nghiệm khảo sát thu hồi tảo, chiết tách dầu tảo 3.4 Nội dung 4: Nghiên cứu tăng hàm lượng dầu tảo 3.5 Nội dung 5: Nghiên cứu hàm lượng dầu sinh khối tảo nuôi qui mô pilot 12 3.6 Nội dung 6: Nghiên cứu tinh chế dầu xác định tính chất hố lý dầu tảo 12 3.7 Nội dung 7: Khảo sát phản ứng biodiesel đánh giá chất lượng biodiesel từ tảo 17 3.8 Nội dung 8: Thử nghiệm động diesel 17 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 18 4.1 Kết luận 18 4.2 Đề nghị 21 4.3 Các tồn 21 PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM iii Đề tài cấp B2008-12-06 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1: Tóm tắt thông số kỹ thuật thiết bị QHSH Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật Bảng 3.3: Bảng kết phân tích thí nghiệm ni nước thải bình 500 ml Bookmark not defined 5Error! Bảng 3.4 : Khối lượng chất khô tảo (g/l) thu ứng với phương pháp ly tâm cô đặc màng mật độ ban đầu khác nuôi môi trường đạm thấp (ĐT) Hannay (H) Bảng 3.5: So sánh thời gian lọc phương pháp màng lọc ly tâm Bảng 3.6 Kết khảo sát hàm lượng dầu theo độ ẩm Bảng 3.7 Kết khảo sát hàm lượng dầu theo thời gian ly trích Bảng 3.8: Kết khảo sát ảnh hưởng khối lượng tảo khơ lên tỉ lệ ly trích dầu Bảng 3.9 Kết ảnh hưởng tỷ lệ nước/ethanol lên hiệu suất ly trích dầu Bảng 3.10 Kế t quả ảnh hưởng của thời gian ngâm lên hiê ̣u suấ t ly trich dầ u có siêu âm ́ Bảng 3.11 So sánh kết phương pháp ly trích Bảng 3.12: Tỉ lệ dầu (%) tảo Chlorella mơi trường nitơ cải tiến có khơng bổ sung axít citric Bảng 3.13: Mơi trường tối ưu cho hàm lượng dầu cực đại 11 Bảng 3.14: Bảng bố trí thí nghiệm xử lý Fe 11 Bảng 3.15: Kết tốt thí nghiệm xử lý Fe 12 Error! Bookmark not defined.Bảng 3.16: Kế t quả tinh chế dầ u bằ ng phương pháp sắ c ký cô ̣t silicagel Bảng 3.17: Kế t quả tinh chế dầ u bằ ng phương pháp hấp phụ đất sét 13 Bảng 3.18: Kế t quả tinh chế dầ u bằ ng phương pháp acid 13 Bảng 3.19: Kế t quả tinh chế dầ u bằ ng phương pháp silicagel acid 13 Bảng 3.20: Kế t quả tinh chế dầ u bằ ng phương pháp đất sét acid 14 Bảng 3.21: Kế t quả tổng kết các phương pháp tinh chế dầ u 14 Bảng 3.22: Kết số acid dầu tảo 14 Bảng 3.23: Kế t quả chỉ số savon hóa của dầ u tảo 15 Bảng 3.24a: Thành phần acid béo dầu tảo Chlorella vul 15 Bảng 3.24b: So sánh thành phần acid béo tảo Chlorella vulgaris từ nhiều tác giả 16 Bảng 3.25: Kết thành phần methyl ester biodiesel từ tảo 17 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý thiết bị quang hợp sinh học tuần hồn (QHSH) Hình 3.2: Cấu tạo cụm màng lọc Lưới lọc vải dùng thay cho màng ceramic, bảng vẽ chi tiết Phụ lục Hình 4.1: Qui trình cơng nghệ ni tảo định hướng nhiều dầu 19 Hình 4.2: Qui trình cơng nghệ thu hoạch chế biến biodiesel từ vi tảo 20 PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM Đề tài cấp B2008-12-06 PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM iv v Đề tài cấp B2008-12-06 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT QHSH : Quang hợp sinh học HPLC : High Performance Liquid Chromatography FAME : Fatty Acid Methyl Ester GTGT : Giá trị gia tăng EERE : Cục Năng lượng hiệu lượng tái tạo Hoa Kỳ HHNL1 : Môi trường đạm thấp cải tiến ĐT : Môi trường đạm thấp H : Môi trường Hannay DTU : Môi trường đạm thấp tối ưu OD : Optical Density MĐTB : Mật độ tế bào AV : Chỉ số acid SV : Chỉ số savon hóa PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ mơn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM vi Đề tài cấp B2008-12-06 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Đơn vị: Bộ mơn Cơng Nghệ Hố Học THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: Tên đề tài: Nghiên cứu qui trình cơng nghệ sản xuất Biodiesel từ vi tảo Việt nam Mã số: B2008 – 12- 66 Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Trương Vĩnh Cơ quan chủ trì: Trường Đại Học Nơng Lâm TP HCM Thời gian thực hiện: 24 tháng, kể từ 04-2008 đến 04-2010 Mục tiêu đề tài: Khảo sát nguồn vi tảo nước thích hợp cho nguyên liệu sản xuất biodiesel Nghiên cứu qui trình cơng nghệ nuôi tảo sản xuất dầu biodiesel điều kiện nước nước mặn Việt nam Đánh giá phủ hợp dầu tảo để sản xuất biodiesel nuôi điều kiện Việt nam Đánh giá chất lượng biodiesel sản xuất điều kiện nguồn tảo Việt Nam Tìm qui trình tối ưu cho công đoạn cô đặc, chiết dầu, chuyển đổi dầu thành biodiesel, thu hồi methanol tận dụng phụ phẩm để bước đầu đánh giá hiệu sản xuất biodiesel điều kiện Việt nam Tính sáng tạo: Thiết kế chế tạo thiết bị quang hợp sinh học dạng ống mềm phẳng phù hợp địa hình đất đai, giá rẽ, dễ lắp đặt, khác với loại thiết bị giới thường ống cứng ống mềm gợn sóng quang hợp Phương pháp xử lý stress sắt tăng dầu tảo từ 9% lên 24%, giới có khác hàm lượng cách thức Phương pháp xử lý stress acid citric tăng dầu tảo từ 6% lên 17%, giới chưa có Xác định thành phần hóa học dầu tảo Chlorella vulgaris gốc biển Nha Trang ni điều kiện phịng thí nghiệm Xác định thành phần hóa học biodiesel từ dầu tảo Chlorella vulgaris gốc biển Nha Trang ni điều kiện phịng thí nghiệm Kết qủa nghiên cứu: Đã chế tạo hoàn chỉnh thiết bị quang hợp sinh học tuần hồn ni tảo kín, làm việc ổn định cho sinh khối cao sạch, không bị nhiễm, ni nhiều loại tảo Đã chế tạo hoàn chỉnh thiết bị ly tâm lọc màng phục vụ thu hoạch tảo Chứng minh tinh chế dầu tảo phương pháp phối hợp hấp phụ acid tốt Xác định tính chất hố lý dầu tảo Chlorella vulgaris cho thấy dầu tảo có 50% acid béo no phù hợp sản xuất biodiesel Tổng hợp bước đầu biodiesel từ dầu tảo Chlorella vulgaris dịng nước mặn ni môi trường đạm thấp Bước đầu thử nghiệm động diesel Khó thực phản ứng transesterification ni môi trường Hannay PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM Đề tài cấp B2008-12-06 vii Chứng minh xử lý sắt, acid citric N có ảnh hưởng tăng hàm lượng dầu tảo Xây dựng qui trình cơng nghệ ni tảo tăng dầu Xây dựng qui trình thu hoạch chế biến biodiesel từ vi tảo Các sản phẩm đề tài: Thiết bị quang hợp sinh học ni sinh khối vi tảo kiểu tuần hồn Qui trình cơng nghệ ni sinh khối tảo tăng hàm lượng dầu Thành phần acid béo dầu tảo Chlorella vulgaris Thành phần methyl ester biodiesel từ tảo Chlorella vulgaris Dầu biodiesel từ tảo Chlorella vulgaris Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: Các kết nghiên cứu có tính khoa học Thiết bị quang hợp sinh học nuôi sinh khối tảo bảo đảm vệ sinh khơng lây nhiễm Thiết bị áp dụng nuôi tảo sản xuất biodiesel làm thực phẩm Dầu biodiesel từ tảo Chlorella vulgaris có giá thành cịn cao, nhiên tiềm ứng dụng có hồn thiện cơng nghệ ni chế biến tảo chiếm đất, 1/21 lần so với cọ dầu, để đáp ứng mục tiêu lượng phục vụ vận chuyển PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM viii Đề tài cấp B2008-12-06 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING Chemical Engineering Department INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: Project title: Study on the production process of Biodiesel from microalgae of Vietnam Code number: B2008 – 12- 66 Coordinator: Assoc Prof Dr Truong Vinh Implementing institution: Nong Lam University Cooperative Institution(s): Duration: 24 months from 04-2008 to 04-2010 Objectives: Study of local microalgae sources that are suitable for biodiesel processing Research on procedure for algae growing to produce biodiesel in fresh and salted water Evaluation of suitability of microalgae oil in biodiesel production growing in Viet nam environmetal condition Evaluation of biodiesel quality producing from Vietnamese algae sources Finding the optimum procedures for algae concentration, extraction, transesterification, methanol and by-products recovery in order to assess initially the effectiency of biodiesel production in Viet nam Creativeness and innovativeness: Design and manufacturing of low cost turbular photobioreactor with soft smooth tubes which are flexible to land condition The conventional model normally used hard tube or flexible ridged tube limited in sunlight transmitting Method of iron stress treatment is different from the world published methods in terms of amount and procedure The oil content of algae increased from to 24% Development of stress treatment using citric acid which is a new method through out the world The oil content of algae increased from to 17% Determination of chemical composition of fatty acids of Chlorella vulgaris isolated from Nha Trang sea Determination of chemical composition of methyl esters of biodiesel produced from Chlorella vulgaris oil isolated from Nha Trang sea Results obtained: Successfully fabricated a photobioreactor for closed algae growing which has worked properly producing clean and high biomass without infection The system can be used to grow different alage varieties Successfully fabricated centrifugal and membrane separators used for algae harvesting The best method for algae oil refining has been proved to be a combination of adsorptive agent before acid treatment Determination of physico-chemical properties of chlorella vulgaris oil showing that the composition of this oil has more than 50% free fatty acid which is suitable for biodiesel production Successfully carried out the transesterification of chlorella vulgaris oil for biodiesel The preliminary application of biodiesel on diesel engine has also tested PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM Đề tài cấp B2008-12-06 ix Demonstration of the effect of the treatments of feris, acid citric and nitrogen on oil content of microalgae during growing Building the technological procedure of growing of microalgae for higher oil content Building the technological procedure of algae harvesting and biodiesel processing Products: Low cost turbular photobioreactor Procedure for algae growing to enhance oil content Composition of fatty acid of Chlorella vulgaris oil Composition of methyl esters of Chlorella vulgaris biodiesel Oil and biodiesel from Chlorella vulgaris Effects, transfer alternatives of research results and applicability: The results of the projects are scientific The photobioreactor for mass production of algae is free from infection It can be applied for biodiesel or food purposes The cost of oil and biodiesel from Chlorella vulgaris is still high currently, however, the potential of using algae for biodiesel is realistic once the growing and processing technology are improved as algae occupies less land- only 1/21 compared to palm oil- to satisfy the energy for transport demand PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM Đề tài cấp B2008 Chương MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Nguồn nhiên liệu dầu mỏ cạn kiệt dần, đốt nhiên liệu dầu mỏ sinh khí CO gây nên vấn đề môi trường Do vậy, dùng nhiện liệu diesel sinh học để thay nhiên liệu dầu mỏ vấn đề cấp thiết Hiện biodiesel sản xuất phổ biến giới từ loại họ dầu bắp, đậu nành, canola, dầu dừa dầu cọ (Chisti Y 2007) Trong số đó, dầu cọ cho suất dầu cao (5950 lít/ha) Theo tính tốn Hoa Kỳ, dùng dầu cọ phải cần tới 24% diện tích đất trồng trọt thỏa mãn 50% nhu cầu dầu diesel Nếu dùng vi tảo có hàm lượng dầu 70% chất khơ cho suất 136900 lít/ha cần 1.1% diện tích đất trồng thỏa mãn 50% nhu cầu dầu diesel Như rõ ràng dùng vi tảo lợi dùng lọai họ dầu suất dầu cao gấp 19-23 lần so với cọ dầu Tuy nhiên, giá thành sản xuất dầu từ vi tảo cao Theo Chisti (2007), giá thành petrodiesel 0.5 USD/lít, dầu cọ 0.66 USD/lít vi tảo 1.4 USD/lít (chứa 30% dầu) Vậy muốn giá dầu biodiesel từ vi tảo với petrodiesel hàm lượng dầu tảo phải đạt 57% Nuôi tảo dị dưỡng (heterotrophic) cho hàm lượng dầu cao (55%, theo Miao 2006) chiếm đất gấp 1,4 lần so với nuôi tự dưỡng (autotrophic) Các loại vi tảo bình thường sản xuất dầu có nhiệt trị từ 18-21 kJ/g Trong lúc vi tảo Chrorella điều kiện tự dưỡng, sản xuất dầu có nhiệt trị tới 28 kJ/g (Scragg et al, 2002) Vì vậy, chế độ nuôi tảo để tăng suất sinh khối, có tỉ lệ dầu nhiệt trị cao cịn vấn đề cần nghiên cứu Ý tưởng sản xuất biodiesel từ vi tảo có từ lâu (Chisti Y, 1980) Nghiên cứu sản xuất biodiesel từ vi tảo thực từ 1994 Roessler cộng tác viên, sau tiếp tục nhiều tác gỉa Biodiesel sản phẩm phản ứng dầu rượu có xúc tác acid kiềm Tuy nhiên xúc tác kiềm kinh tế phản ứng nhanh xúc tác acid 4000 lần, hệ số chuyển đổi cao (98%), nhiệt độ áp suất phản ứng thấp, không gây hao mòn vật liệu buồng phản ứng (Schuchardt ctv, 1998; Fukuda ctv., 2001) Với tảo nuôi dị dưỡng, tác giả Miao (2006) cho xúc tác acid phù hợp Do vậy, việc tiếp tục nghiên cứu tối ưu phản ứng transesterification chế độ trích ly dầu trình tinh luyện, thu hồi, sử dụng phụ phẩm phải cần nghiên cứu để giảm giá thành sản xuất 1.2 Mục đích Khảo sát nguồn vi tảo nước thích hợp cho nguyên liệu sản xuất biodiesel Nghiên cứu qui trình cơng nghệ nuôi tảo sản xuất dầu biodiesel điều kiện nước nhằm áp dụng nhà máy nơi thải nhiều khí CO2 góp phần cải thiện mơi trường Nghiên cứu qui trình cơng nghệ nuôi tảo sản xuất dầu biodiesel điều kiện tự dưỡng điều kiện nước mặn Đánh giá chất lượng biodiesel sản xuất điều kiện nguồn tảo Việt Nam Tìm qui trình tối ưu cho công đoạn cô đặc, chiết dầu, chuyển đổi dầu thành biodiesel, thu hồi methanol tận dụng phụ phẩm để bước đầu đánh giá hiệu sản xuất biodiesel điều kiện Việt nam PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM Đề tài cấp B2008 4.3.3.2 Khảo sát ảnh hƣởng ẩm độ Trong trình sấy, nguyên liệu lấy thời gian khác để có ẩm độ khác đem trích soxhlet dung mơi hexan Kết cho Bảng 3.6 Bảng 3.6 Kết khảo sát hàm lượng dầu theo độ ẩm Độ ẩm (%) Tỉ lệ chiết (%) 2.73 6.89 11.30 8.62 8.45 7.87 7.03 Nhận xét: độ ẩm tảo ngun liệu đóng vai trị quan trọng hiệu suất ly trích dầu, độ ẩm nguyên liệu thấp hiệu suất ly trích dầu cao Vì ngun liệu tảo làm khơ nước hồn tồn (hàm lượng độ ẩm %) thích hợp để ly trích dầu 4.3.3.3 Khảo sát ảnh hƣởng thời gian ly trích Tiến hành khảo sát ảnh hưởng thời gian lên hiệu suất ly trích dầu, dung môi chiết n-hexan, thời gian lần chiết thay đổi từ 2, 4, 6, 12 Kết trình bày bảng 3.7 Bảng 3.7 Kết khảo sát hàm lượng dầu theo thời gian ly trích Thời gian (giờ) 12 Tỉ lệ chiết (%) 5.06 8.62 10.35 10.60 Nhận xét: bảng 3.7 cho thấy thời gian ly trích tảo tăng hiệu suất chiết dầu tăng dần khơng tuyến tính Sau ly trích hiệu suất dầu thu 10.35 %, đến 12 10.60 %, thời gian tăng gấp đơi hiệu suất ly trích dầu tăng lên khơng đáng kể Vì chọn khoảng thời gian chiết 4.3.3.4 Khảo sát ảnh hƣởng khối lƣợng tảo khô Nhằm đánh giá lượng tải khô cần thiết để chiết soxhlet ứng với khối lượng dung môi định, cố định lượng dung mơi n-hexan lần chiết 200 ml, thể tích ống chứa 100 ml thay đổi lượng tảo khô ban đầu 0.8; 10; 20; 30; 40 g Thời gian chiết Kết trình bày bảng 3.8 Bảng 3.8: Kết khảo sát ảnh hưởng khối lượng tảo khơ lên tỉ lệ ly trích dầu Khối lượng tảo khô (g) 0.8 10 20 30 40 Tỉ lệ tảo/hexan (g/mL) 0.0004 0.05 0.1 0.15 0.2 8.62 8.57 8.58 8.50 7.74 Tỉ lệ ly trích (%) Nhận xét: khối lượng tảo khô ≤ 30 g, hiệu suất ly trích dầu mức cao ngang (từ 8.50 % - 8.62 %) Tuy nhiên khối lượng tảo tăng lên (40 g) hiệu suất ly trích dầu lại giảm xuống Vì chúng chọn khối lượng tảo khơ 30 g thích hợp để ly trích dầu trường hợp chiết soxhlet thiết bị sử dụng, tương ứng tỉ lệ tảo/hexan 0.15 g/mL 3.3.5 Khảo sát phƣơng pháp ngâm dầm ethanol tách pha lỏng-lỏng Việc sử dụng hexan dung môi đôc hại đắt tiền Do vậy, giảm bớt dùng hexan có lợi an tồn kinh tế Trong mục này, ethanol dùng để trích ly dầu thay phần lượng hexan Qui trình chung gồm bước: Bước 1: Chiết dầu từ tảo ngâm dầm tảo khô với ethanol 96%, dịch ethanol-dầu PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM Đề tài cấp B2008 Bước 2: Tạo hệ 2-pha cách thêm nước hexan vào dịch ethanol-dầu Như vậy, hầu hết dầu tan vào hexan, cặn bả lại hệ nước-cồn Sơ đồ sau: Tảo khô Ngâm Ethanol Lọc Dịch cồn-dầu Thêm nƣớc Nƣớc-cồn- bả tảo Dịch nƣớc-cồn-dầu Thêm Hexan lắc mạnh Hexan-dầu Dầu thơ Cơ quay Thí nghiệm 1: Ngâm dầm tảo Chlorella Vulgaris với ethanol 10 rữa bả tảo ethanol 1.25 Khảo sát tỉ lệ tảo khô/ ethanol 1g tảo/5mL 1g tảo/6mL Theo kết cho thấy sử dụng tỉ lệ tảo:ethanol (g:ml) 1g – 6ml cho hiệu trích ly cao Tuy nhiên mức cao không đáng kể, tỉ lệ cho tỉ lệ trích ly từ – 7%, thấp so với hexan 10.35% Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hƣởng tỷ lệ tảo/ethanol 96 % lên hiệu suất ly trích dầu tảo Chlorella sp Ngâm dầm tảo Chlorella sp với ethanol 24 giờ, lọc tách bả để dịch A Các bước giống thí nghiệm Thay đổi cho tỷ lệ tảo/ethanol 96 % tương ứng 0.40, 0.16, 0.08, 0.053 (g/ml) Nhận xét: thể tích ethanol tăng hiệu suất ly trích dầu tăng Tuy nhiên, hhi thể tích ethanol tăng lên (ứng với tỷ lệ tảo/ethanol giảm 0.16 g/ml) hiệu suất ly trích dầu không tăng lên mà lượng dung môi lại cần phải sử dụng nhiều Ngược lại, tăng hàm lượng chất rắn đến tỉ lệ tảo/ethanol 0.40 g/mL hiệu suất trích ly giảm đáng kể, cịn 3% Tỉ lệ tảo/ethanol khoảng 0.08 đến 0.16 g/mL phù hợp, cho tỉ lệ trích 5.7% Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hƣởng tỷ lệ nƣớc/ethanol lên hiệu suất ly trích dầu Thí nghiệm tảo Chlorella sp, ngâm 24 Các bước giống thí nghiệm 1, điều chỉnh cho tỉ lệ nước/ethanol 20, 40, 60 80% Kết cho Bảng 3.9, cho thấy hiệu suất trích tốt khoảng tỉ lệ nước/ethanol 40 đến 60% Bảng 3.9 Kết ảnh hưởng tỷ lệ nước/ethanol lên hiệu suất ly trích dầu Tỷ lệ nước/etanol (%) Tỉ lệ ly trích (%) 20 40 60 80 4.52 5.68 5.72 4.77 Thí nghiệm 4: Phƣơng pháp ngâm dầm có hỗ trợ siêu âm Do phương pháp ngâm dầm tốn nhiều thời gian, thí nghiệm nghiên cứu hỗ trợ siêu âm trích ly nhằm giảm thời gian tăng hiệu suất trích Tỷ lệ nước/ethanol vẫn đươ ̣c giữ nguyên là 40 %, tỉ lệ tảo/ethanol 0.16 g/mL, bước thí nghiệm 1, đó tảo ngâm dầm bồ n siêu âm có tầ n số 35 kHz, công suất 1000 W Thực thay đổ i thời gian mỗi lầ n ngâm dầ m lầ n lươ ̣t là 1, 2, 3, 4, giờ Kết cho Bảng 3.10 Bảng 3.10 Kế t quả ảnh hưởng của thời gian ngâm lên hiê ̣u suấ t ly trích dầ u có siêu âm Thời gian ngâm dầ m (giờ ) Tỉ lệ ly trích (%) 3.20 5.48 6.50 7.01 7.00 So với phương pháp ngâm dầm thơng thường phương pháp ngâm dầm có hỗ trợ siêu âm có thời gian ly trích ngắn Với sự hỗ trơ ̣ của siêu âm , tỉ lệ ly trích dầ u đa ̣t đến 7.01 % sau ngâm dầ m Điề u này chứng tỏ si âm đã có ảnh hưởng đáng kể làm tăng hiê ̣u suấ t ly trich dầ u và làm giảm thời ́ gian ly trích PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM Đề tài cấp B2008 3.3.6 Thí nghiệm chiết dầu tảo phƣơng pháp chiết ƣớt  Mục đích: Xác định quy trình chiết tách ướt tối ưu Nếu chiết tách ướt mẫu không qua giai đoạn sấy Như tiết kiệm lượng dùng việc sấy mẫu Đây biện pháp để giảm giá thành sản xuất biodiesel  Cách tiến hành thí nghiệm: Tảo sau thu sinh khối phương pháp ly tâm tiến hành đem trích ly theo phương pháp Folch, dung mơi sử dụng hỗn hợp chloroform/methanol (2/1) theo thể tích Hỗn hợp có tỉ trọng 1.25 nên khơng bị nước cản trở q trình trích ly Kết cho tỉ lệ trích đạt 7.36-9.3% với tỉ lệ dung môi/tảo 25:1 Giá trị tương đối cao so với phương pháp trên, thời gian 40 phút mà không qua giai đoạn sấy Đây phương pháp có tiềm Kết luận: Phương pháp ngâm dầm ethanol cho hiệu suất trích (5-7%) thấp soxhlet hexan (10.35%.) Tuy nhiên, xét mặt giảm lượng sử dụng hexan, ta thấy để trích 30g tảo cần 84mL hexan (theo tỉ lệ 0.2 mL hexan/ 1mL dịch B), lúc phương pháp soxhlet cần 200 mL hexan Ngâm dầm có siêu âm hỗ trợ làm giảm thời gian đáng kể, tương đương với phương pháp soxhlet dung môi hexan Bảng cho thấy phương pháp soxhlet dung mơi hexan cho hiệu trích ly cao đạt 10.35% Trong lúc phương pháp chiết ướt cho hiệu suất cao 7.36-9.3% thời gian ngắn < Rõ ràng phương pháp có tiềm khơng cần sấy mẫu nên tiết kiệm lượng góp phần giảm giá thành sản xuất biodiesel Tuy nhiên việc sử dụng chloroform độc hại vấn đề cần quan tâm Bảng 3.11 So sánh kết phương pháp ly trích Phương pháp Hiê ̣u suấ t ly trích dầ u tối ưu (%) Thời gian ly trích (giờ ) Chiết soxhlet 10.35 Ngâm dầm giai đoạn 6.4-7.1 11.25 Ngâm dầ m thông thường 5.68 24 Ngâm dầ m siêu âm 7.01 7.36-9.3 < Chiết ướt theo qui trình Folch 3.4 Nội dung 4: Nghiên cứu tăng hàm lƣợng dầu tảo 3.4.1 Thí nghiệm bổ sung acid citric Axít citric isocitric có tác dụng hoạt hóa acetyl-CoA-carboxylase dẫn đến làm thay đổi tốc độ tổng hợp axít béo Thí nghiệm tiến hành tảo Chlorella vulgaris Thời gian bổ sung axít citric vào thời điểm nuôi cấy 72 với nồng độ 0,87 mM Trung bình lít thu 113 mg tảo khơ với mật độ trung bình 6,76 triệu tb/ml Hàm lượng dầu có tảo Chlorella vulgaris có bổ sung acid citric tăng lên 17,25% so với khơng có bổ sung 6,35% (Bảng 3.12) Như vậy, bổ sung acid citric tăng đáng kể tỉ lệ dầu tảo Bảng 3.12: Tỉ lệ dầu (%) tảo Chlorella môi trường nitơ cải tiến có khơng bổ sung axít citric Nội dung Chlorella sp không bổ sung acid citric Chlorella vulgaris khơng bổ sung Chlorella vulgaris có bổ sung 5,0 4,0 6,0 9,2 6,35 17,25 KL tảo khô đem trích (g) Hàm lượng lipid ly trích n-Hexan (%) PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM 10 Đề tài cấp B2008 3.4.2 Nghiên cứu thay đổi công thức nuôi: Ảnh hƣởng N, Fe, K Mg lên sinh khối hàm lƣợng chất khơ tảo Chlorella sp ni dung tích 500ml 4.4.2.1 Thí nghiệm thăm dị: Mơi trường N thấp cải tiến HHNL1 (Trương Vĩnh, 2008) tăng dầu tảo từ 6% (môi trường Hannay) lên 10% Môi trường HHNL1 gồm thành phần (NH4)2HPO4, MgSO4, KCl, FeSO4, KH2PO4 Điều chứng tỏ thay đổi công thức thức ăn làm thay đổi hàm lượng dầu Đó sở cho thí nghiệm sau 4.4.2.2 Thí nghiệm bề mặt đáp ứng: Trong thí nghiệm này, hàm lượng bốn thành phần đầu HHNL1 chọn làm trung tâm thiết kế bề mặt đáp ứng với biến mã hóa (xem chi tiết báo cáo) Biến đổi từ biến thực qua biến mã hóa cho phương trình (3.1) x1  ( NH )2 HPO4  406 ; 50 x2  MgSO4  2465 KCl  2236 FeSO4  10 ; x3  ; x4  (3.1) 200 200 Phân tích thống kê ta phương trình mơ tả sinh khối (M, triệu tế bào/mL) khối lượng khô (Km, g/L) với độ tin cậy 90% sau: M = 16,561312 – 1,123639.x1 + 0,661335.x3 - 0,747143.x12 + 0,946875.x2.x3 (4.2a) Km =0,38871 – 0,01724.x1 + 0,01555.x2 + 0,01589.x3 (4.2b) Mơ hình cho thấy N, Fe K có ảnh hưởng đến khối lượng chất khơ tảo, Mg khơng ảnh hưởng Xử lý số liệu tìm giá trị sau để vừa khối lượng khô sinh khối đạt cực đại: x1 = -1,68179 (N), x2 = 1,68179 (Fe), x3 = 1,68179 (K), x4 = (Mg) Khi đó, phương trình (4.2a) cho sinh khối cực đại M = 20,58x106 tb/mL, khối lượng khô 0,47g/lít Dùng cơng thức (3.1) tìm giá trị thực hóa chất mơi trường ni Tuy nhiên, dung tích ni 500mL nhỏ khó xác định hàm lượng dầu nên sinh khối khối lượng khơ đạt cực đại theo mơ hình ta chưa hàm lượng dầu tối ưu nghiệm Do vậy, cần ni dung tích lớn 3.4.3 Nghiên cứu thay đổi công thức nuôi: Ảnh hƣởng N, Fe, K Mg lên sinh khối hàm lƣợng chất khơ tảo Chlorella sp ni dung tích 5000ml Thí nghiệm giống thí nghiệm 3.3.6.2, khác dung tích tăng lên 5000mL, lượng khơng khí sục cho bình lít/phút Số liệu thơ cho phụ lục 3.4 Thời gian đạt đỉnh không chênh lệch nhiều nghiệm thức, sớm 188,2 lâu 268 giờ, đa số tập trung khoảng 232.8 (~ 10 ngày) Có khác biệt mật độ đỉnh, cao nghiệm thức 10 15,5 trtb/ml Tỉ lệ dầu cao 16,4% nghiệm thức 12, cịn trung bình 10,5% cao nghiệm thức trung tâm 18 điều chứng tỏ bố trí thí nghiệm hướng tăng dầu Mơ hình hàm lượng dầu H (mg/L) sau (phân tích thống kê Phụ lục 3.4): H =16,0229 + 2,5865x1 - 5,3456x2 +2,5568x4 + 4,4068x1x - 2,75x2x3 + 8,3865x2x4 + 5,2508x12 + 5,9579x22 + 4,526x42 (R2 =0,934) (3.3) Qua phân tích hồi quy yếu tố Nitơ (x1), Fe(x2) Mg(x4) ảnh hưởng lớn đến tiêu hàm lượng dầu theo thể tích H Trong có xu hướng giảm Fe, tăng N tổng hàm lượng dầu cao Kali (x3) ảnh hưởng khơng đáng kể Quan sát tổng thể giá trị trung tâm đạt giá trị nhỏ Không phải nơi cho hàm lượng cao Giá trị tối ưu cho bảng 3.13 Với điều kiện môi trường ni tối ưu hàm lượng dầu giá trị đạt theo lý thuyết 104,5 mg dầu/lít, tương đương với thực nghiệm, hai nghiệm điểm biên khác PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM 11 Đề tài cấp B2008 Nghiệm tối ưu cho thấy để tăng hàm lượng dầu cần phối hợp đồng thời giảm Fe, giảm N (tăng tỉ lệ dầu) tăng Fe N (tăng chất khô) Nhận xét phù hợp với kết tác giả Liu ctv (2007) xử lý thiếu sắt làm tăng tỉ lệ dầu tảo Về hàm lượng N, nghiệm tối ưu cho hàm lượng N 68mg/L so với nhu cầu môi trường Hannay 80mg/L Rõ ràng vừa tăng tỉ lệ dẩu vừa tăng sinh khối đồng thời khó thực Hai q trình phải xử lý riêng biệt Bảng 3.13 Môi trường tối ưu cho hàm lượng dầu cực đại Thực nghiệm Từ mơ hình (4.3) x1 -1,68179 1,68179 x2 -1,68179 1,68179 x3 1,68179 -1,68179 x4 -1,68179 1,68179 Giá trị cực đại hàm lượng dầu (mg/L) 104,5 Kết luận: thí nghiệm cho thấy cách thay đổi cơng thức thức ăn đạt tỉ lệ dầu 16.4% (cao trước đây, khoảng 10-11%), hàm lượng dầu dự đoán đạt cực đại 104.5 mg/L dịch tảo So với trước đây, hàm lượng chất khơ 0.28g/L, tỉ lệ dầu 11% hàm lượng dầu 30.8 mg/L dịch tảo, thấp nhiều so với hàm lượng dầu nghiệm tối ưu 3.4.4 Nghiên cứu xử lý thiếu Fe để tăng dầu tảo Kết thí nghiệm 3.3.6.3 tác giả Liu ctv (2008) cho thấy việc xử lý thiếu Fe tăng hàm lượng dầu tảo Vì vậy, thí nghiệm nghiên cứu xử lý thiếu sắt hàm lượng sắt bổ sung đột ngột lên hàm lượng dầu Điều kiện thí nghiệm: Mơi trường đạm thấp cải tiến, tảo Chlorella vulgaris Bố trí thí nghiệm: bảng 3.14 Mẫu đối chứng tảo nuôi môi trường đạm thấp cải tiến, không xử lý Fe Kết phân tích tổng hợp Bảng 3.15 Ta thấy xử lý thiếu Fe từ đầu đồng thời xử dụng nồng độ Fe+2 bổ sung 0,9*10-5 mol/l sau ngày (NT2) cho khối lượng tảo khơ K = 494,4 mg/l, tỉ lệ trích ly dầu thơ P = 17,02 % hàm lượng dầu thô M = 80,6 mg/L cao nhất, cao nuôi đối chứng (K =311,3mg/L, tỉ lệ dầu P = 9,08%, hàm lượng dầu M = 28,28 mg/L dịch tảo) Tuy nhiên, xét mặt tỉ lệ dầu thời gian ni nghiệm thức NT5 NT6 vượt trội đạt tỉ lệ dầu 21-24% thời gian ni ngắn ½ so với NT2 Kết luận: Xử lý thiếu Fe đột ngột hợp lý làm tăng hàm lượng dầu tảo từ 9% lên đến 17-24% Bảng 3.14: Bảng bố trí thí nghiệm xử lý Fe Hàm lượng Fe bổ sung Điều kiện xử lý thiếu sắt Khơng có Fe từ đầu, bổ sung Fe+2 sau ngày Nuôi 3.7mg/L sắt ngày, khơng có Fe+2 ngày, bổ sung Fe Nuôi 1.41mg/L sắt ngày, bổ sung Fe+3 lượng 2.29 mg/L (tổng 3.7mg/L) Nuôi 2.83mg/L sắt ngày, bổ sung Fe+3 lượng 0.87 mg/L (tổng 3.7mg/L) PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM 0,45.10-4 mol/ml (2.52 mg/L) 0,9.10-5 mol/ml (0.504 mg/L) NT1 NT3 NT2 NT4 NT5 NT6 12 Đề tài cấp B2008 Bảng 3.15: Kết tốt thí nghiệm xử lý Fe Nghiệm thức Thời gian nuôi (giờ) Mật độ đỉnh (trtb/ml) Khối lượng tảo khơ K(mg/l) Tỉ lệ trích ly dầu thô P(%) Hàm lượng dầu thô M(mg/l) NT2 527 21,15 494,4 17,02 80,6 NT5 275 16,35 266 21,54 57,28 NT6 204 12,45 150,04 24,23 36,36 Đối chứng 527 17,25 311,3 9,08 28,28 3.5 Nội dung 5: Nghiên cứu hàm lƣợng dầu sinh khối tảo nuôi qui mô pilot 3.5.1 Đo độ nhớt dịch tảo theo sinh khối Độ nhớt tảo Chlorella sp theo sinh khối đo trung bình đạt 1044.65 x 10-6 Pas, khơng cao nước (995 x 10-6 Pas) Giá trị dùng để tính tốn ma sát ống tảo chuyển động 3.5.2 Khảo nghiệm nuôi tảo Chlorella sp Nannochloropsis Oculata thiết bị quang hợp sinh học tuần hồn (QHSH) 168 lít Qui trình: ni 500mL => nuôi 5000 mL => nuôi thiết bị QHSH Tảo Chlorella sp nuôi sau ngày đạt đỉnh 7.4 triệu tb/mL, lượng chất khô 292.5mg/L, tỉ lệ dầu đạt 10.2% Mẻ ni nhiệt độ khơng khí cao làm cho nhiệt độ dịch có lúc đạt 37.5oC Tuy nhiên tảo vẩn phát triển sinh khối bị hạn chế Tảo Nannochloropsis Oculata đạt đỉnh 11 triệu tb/mL sau ngày nuôi Kết cho thấy thiết bị hoạt động ổn định, dễ điều khiển, sinh khối bình thường, hệ thống kín bảo đảm sản phẩm sẽ, không bị nhiễm bẫn phù hợp cho việc sản xuất đại trà Cụ thể, thiết bị đề nghị cho áp dụng sau: (1) Ứng dụng nuôi trung gian làm giống cho bước ni sản xuất dung tích lớn kê tiếp cuối cùng: điều có lợi ni bể bảo đảm sạch, giống hệ thống kín (2) Ứng dụng ni sản xuất dung tích lớn bước cuối lấy dầu tiềm sinh khối lớn dễ điều khiển nạp CO2 xác nuôi bể 3.6 Nội dung 6: Nghiên cứu tinh chế dầu xác định tính chất hố lý dầu tảo 3.6.1 Tinh chế dầu thô phƣơng pháp sắc ký cột silicagel Cột sắc ký kích thước 15 × 30 cm, lượng silicagel lần nhồi 8.0 g, kích thước hạt 230 - 400 mesh, dung môi giải ly n-hexan Trước giải ly, 0.5 g dầu đem pha loãng 100 lần bằ ng dung môi n-hexan đem đo UV bước sóng 664 nm Tính tốn tương đối cho thấy hiệu suất xử lý màu khoảng 98.8% thông qua số liệu độ hấp thu UV Dầu tinh chế thu hồi 50% so với cao thô Bảng 3.16 Kế t quả tinh chế dầ u phương pháp sắc ký cột silicagel UV dầu thô UV dầu tinh Hiệu suất xử lý màu (%) Hiệu suất thu hồi dầu tinh (%) Trung bình 3.946 0.047 98.82 50.31 SD 0.0125 0.0061 0.1563 0.8795 3.6.2 Tinh chế dầu phƣơng pháp hấp phụ đất sét Cũng tiến hành theo phương pháp sắc ký cột silicagel , thay silicagel cột đất sét benonite (kích thước hạt 200 – 500 mesh) Trong trường hơ ̣p tinh chế bằ ng đấ t sét , hiê ̣u suấ t xử lý PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM 13 Đề tài cấp B2008 màu loại bỏ chlorophyll trung binh đa ̣t 85.45 % (Bảng 3.20), thấ p nhiều so với dùng silicagel (98.82 ̀ %) Hiê ̣u suấ t quá trình thu hồi dầu là 56.77 %, cao so với silicagel (50.31 %), điề u này chứng tỏ vẫn còn lươ ̣ng chlorophyll chưa bi ̣loa ̣i hế t khỏi dầ u sau tinh chế Giá thành silicagel cao đấ t sét Bảng 3.17 Kế t quả tinh chế dầ u bằ ng phương pháp hấp phụ đất sét UV dầu thô UV dầu tinh Hiệu suất xử lý màu (%) Hiệu suất thu hồi dầu tinh (%) Trung binh ̀ 3.864 0.562 85.45 56.77 SD 0.0563 0.0214 0.6322 1.1628 3.6.3 Tinh chế dầu hỗn hợp acid H3PO4/H2SO4 Hỗn hợp acid H3PO4 (85 %)/H2SO4 (98 %) (2:1, thể tích) pha với dầu tảo thơ theo tỉ lệ acid:dầu 1:10 theo khối lượng trộn máy khuấy từ tốc độ 250 rpm, 500C khoảng thời gian 25 phút Sau hỗn hợp ly tâm 5000 rpm 10 phút Dầu trước xử lí acid sau sấy đem pha loãng 100 lần hexan đo độ hấp UV thu bước sóng 664 nm để xác định hiệu suất tinh chế Cân khối lượng dầu tinh thu để xác định hiệu suất thu hồi dầu Bảng 3.18 Kế t quả tinh chế dầ u bằ ng phương pháp acid UV dầu thô UV dầu tinh Hiệu suất xử lý màu (%) Hiệu suất thu hồi dầu tinh (%) Trung binh ̀ 3.842 0.656 82.98 62.53 SD 0.0685 0.0592 1.7052 1.2850 Qua bảng 3.18 ta thấy dầ u thô đươ ̣c tinh chế bằ ng hỗn hơ ̣p acid H3PO4/H2SO4 cho hiê ̣u suấ t xử lý màu 82.98%, xấp xĩ phương pháp đất sét thấp nhiều phương pháp silica gel Lươ ̣ng chlorophyll còn nhiề u nên hiê ̣u suấ t thu hồi dầ u của phương pháp này (62.53%) có cao so với phương pháp khác 3.6.4 Tinh chế dầu silicagel hỗn hợp acid H3PO4/H2SO4 Dầu sau tinh chế silicagel tiếp tục tinh chế acid Các bước mục 3.6.1 3.6.3, nhiên bước xử lý acid tỉ lệ giảm xuống sau, acid:dầu = 0.8:10 theo khối lượng Bảng 3.19 Kế t quả tinh chế dầ u bằ ng phương pháp silicagel acid UV dầu thô UV dầu tinh Hiệu suất xử lý màu (%) Hiệu suất thu hồi dầu tinh (%) Trung binh ̀ 3.946 0.02 99.5 47.12 SD 0.0125 0.006 0.1457 1.0424 Nhâ ̣n xét : kế t hơ ̣p cả phương pháp sắ c ký cô ̣t silicagel và hỗn hơ ̣p acid H 3PO4/H2SO4, hiê ̣u suấ t trình loại bỏ chlorophyll cao (trung bình 99.50 %), hiê ̣u suấ t tinh chế dầ u cũng giảm xuố ng không đáng kể (47.12 %) so vớ i 50.31 % nế u chỉ dùng phương pháp sắ c ký cô ̣t Dầ u sau giai đoa ̣n này có độ tinh khiết cao, đã có thể làm nguyên liê ̣u cho phản ứng biodiesel 3.6.5 Tinh chế dầu đất sét hỗn hợp acid H3PO4/H2SO4 Qui trình giống mục 3.6.4 thay phương pháp sắc kí cột silicagel đất sét mục 3.6.2 Kết cho bảng 3.20 PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM 14 Đề tài cấp B2008 Bảng 3.20 Kế t quả tinh chế dầ u bằ ng phương pháp đất sét acid UV dầu thô UV dầu tinh Hiệu suất xử lý màu (%) Hiệu suất thu hồi dầu tinh (%) Trung bình 3.864 0.166 95.18 50.04 SD 0.0563 0.0176 1.1531 1.5292 Nhâ ̣n xét : sự kế t hơ ̣p của phương pháp hấ p phu ̣ đấ t sét và acid cho hiê ̣u suấ t loa ̣i bỏ chlorophyll cao , trung bình đạt 95.18 % Tuy khơng bằ ng phương pháp sắ c ký cô ̣t silicagel hoă ̣c sắ c ký cô ̣t silicagel - acid nế u có thể tinh chế nhiề u lầ n bằ ng acid thì chlorophyll sẽ gầ n bi ̣loa ̣i bỏ hoàn toàn Tuy vâ ̣y, dầ u sau qua giai đoa ̣n đấ t sét và acid cũng đã có thể sử du ̣ng làm nguyên liê ̣u cho phản ứng biodiesel 3.6.6 Tổng kết phƣơng pháp tinh chế dầu Từ kết phương pháp tinh chế dầu trên, ta tổng kết bảng 3.21 Bảng 3.21 Kế t quả tổng kết các phương pháp tinh chế dầ u Phương pháp Hiệu suất xử lý màu (%) Hiệu suất thu hồi dầu (%) Sắc ký cột silicagel - acid 99.5 47.12 Sắc ký cột silicagel 98.82 50.31 Hấp phụ đất sét - acid 95.18 50.04 Hấp phụ đất sét bentonite 85.45 56.77 Hỗn hợp acid H3PO4/H2SO4 82.98 62.53 Từ bảng 3.21 nhận thấy kết hợp phương pháp sắc ký cột siligagel hỗn hợp acid H3PO4/H2SO4 cho hiệu suất xử lý chlorophyll dẫn xuất chlorophyll cao (99.5 %), dầu tinh chế chứa lượng chlorophyll nhỏ Kế phương pháp: sắc ký cột silicagel (98.82 %), đất sét bentonite – acid (95.18 %), đất sét (85.45 %) thấp phương pháp dùng hỗn hợp acid H3PO4/H2SO4 (82.98 %) Điều cho thấy khả tinh chế hấp phụ chlorohyll dẫn xuất chlorophyll sắc ký cột silicagel tốt nhiều so với dùng đất sét hay acid Tuy nhiên, mặt giá thành silicagel cao đất sét acid nên vấn đề cần tính tốn đến sản xuất 3.6.7 Khảo sát tính chất hố lý tảo 3.6.7.1 Chỉ số acid (AV) Thí nghiệm tiến hành lần, kết trình bày bảng 3.22 Bảng 3.22 Kết số acid dầu tảo Thí nghiệm Khối lượng dầu (g) Nồng độ KOH (N) Thể tích KOH chuẩn độ (ml) Chỉ số acid (mg KOH) Trung binh ̀ 0.2133 0.01 1.35 3.55 SD 0.0038 - 0.0500 0.1015 Chỉ số acid dầu tảo 3.55 mg KOH, trung bình so với số acid loại nguyên liệu làm biodiesel khác mỡ cá: 0.52 mg KOH[17] dầu hạt jatropha: 10.35 mg KOH[15] Hàm lượng acid béo tự dầu tảo không cao (98%) 3.6.7.3 Tỷ trọng Tỷ trọng thực theo phương pháp phụ lục I, kết quả: 0.9261 3.6.7.4 Độ nhớt Độ nhớt thực theo phương pháp phụ lục I, kết quả: 82.22 mm2/s (40oC) Nhận xét: độ nhớt dầu tảo 40oC tương đương với dầu hạt jatropha 30oC [15] (87.60 mm2/s) lớn nhiều so với mỡ cá[17] (39.67 mm2/s) Vì phản ứng biodiesel nhằm làm giảm độ nhớt dầu tảo cần thiết 3.6.7.5 Thành phần acid béo Khảo sát thành phần acid béo dầu tảo cho biết tính chất tốt, xấu dầu có khả ứng dụng làm biodiesel hay không Dầu tảo sau tinh chế loại chlorophyll đồng thời phương pháp sắc ký cột acid đem xác định thành phần hàm lượng acid béo phương pháp GC-MS theo mục 3.4.3 Kết thu trình bày bảng 3.24a (xem phụ lục 4: phổ GC-MS) Bảng 3.24a Thành phần acid béo dầu tảo Chlorella vul Công thức phân tử Khối lượng phân tử % khối lượng Acid Myristic (C14:0) C14 H28 O2 228 0.7 Acid Palmitic (C16:0) C16 H32 O2 256 46.08 Acid Palmitoleic (C16:1) C16 H30 O2 254 2.62 Acid Stearic (C18:0) C18 H36 O2 284 0.79 Acid Oleic (C18:1) C18 H34 O2 282 11.33 Acid Linoleic (C18:2) C18 H32 O2 280 30.81 Acid Linolenic (C18:3) C18 H30 O2 278 4.33 Acid Arachidic (C20:0) C20H40O2 312 3.35 Tên acid Kết thành phần acid béo cho thấy thành phần acid dầu tảo gồm acid béo dây dài (C 14 – C20), Acid Palmitic, Oleic Linoleic chiếm đa số tương tự công bố giới khác tỉ lệ (Bảng 3.24b) Hàm lượng acid béo bão hòa 50.92 % (chiếm phân nửa, tương đương hàm lượng acid béo bão hòa dầu cọ[1] (51.04 %) nên phù hợp cho phản ứng biodiesel Điề u này cũng cho thấ y tinh ổ n ́ đinh của biodiesel từ tảo so với số loại nguyên liệu làm phản ứng biodiesel khác Tuy nhiên, hàm ̣ PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM 16 Đề tài cấp B2008 lượng acid béo bất bão hòa dầu tảo cao (49.08 %) nên dễ bị oxi hóa Vì cần thận trọng trình bảo quản dầu tảo Điều đặc biệt tảo Chlorella vulgaris nuôi trồng điều kiện khí hậu Việt Nam so với số nơi giới có xuất thêm acid Arachidic (C20H40O2) thành phần hóa học (Bảng 3.24a b), giống tác giả Khasonova (1986) Bảng 3.24b: So sánh thành phần acid béo tảo Chlorella vulgaris từ nhiều tác giả Thành phần acid béo (1) 14:0 14:1 0.9 (2) (3) (4) (5) 0.4 0.3 0.7 0.7 46.08 2.62 14:2 15:0 0.3 1.6 16:0 16:1 20.4 5.8 26 12.6 6.3 12.6 0.9 16:2 16:3 17:0 18:0 18:1 18:2 1.7 1.7 18.5 9.9 3.9 34 8.2 7.4 0.9 3.7 24.2 0.79 11.33 30.81 20 34.9 3.6 7.6 4.33 3.35 2.5 15.3 6.6 1.5 18:3 20:0 20:2 20:3 1.5 20.8 20:5 22:0 2.2 22:5 22:6 5.3 19 Khác 19.6 (1): Becker (1994), (2): Georgi P Guillermo G (2007), (3): Khasanova (1986), (4): www.algae.com, (5): số liệu đề tài Khối lượng phân tử trung bình acid béo: Mbéo  (0.7  228+46.08  256+2.62  254+0.79  284+11.33  282+30.81 280+4.33  278+3.35  312)  269.17( g ) 100 Thành phần % acid béo tự có dầu tảo: %béo  3.55  269.17  1.71% 56 1000 1 Phân tử khối trung bình dầu tảo: Cách 1: dựa vào công thức phân tử triglycerid, phân tử khối trung bình dầu tảo tính sau: M dầu = (269.17×3) – + (12×3) + = 845.50 (g) Khối lượng trung bình dầu tảo dùng để tính tốn lượng hóa chất khác cho phản ứng biodiesel PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM 17 Đề tài cấp B2008 Cách 2: Phân tử khố i trung binh của dầ u tảo có thể đươ ̣c tinh dựa vào chỉ số acid và chỉ số savon của dầ u: ̀ ́ M dầu = 56.1×1000×3/(SV-AV) = 56.1×1000×3/(202.56 -3.55) = 845.67 (g) Điề u này cho thấ y nế u tinh bằ ng cách hay cách khối lượng phân tử trung bình dầu tảo ́ có sự chênh lê ̣ch khơng quá lớn (845.50 g so với 845.67 g) 3.7 Nội dung 7: Khảo sát phản ứng biodiesel đánh giá chất lƣợng biodiesel từ tảo Dầu tảo sau tinh chế phương pháp sắc ký cột silicagel - acid H3PO4/H2SO4 tiến hành phản ứng điều chế biodiesel điều kiện xúc tác kiềm KOH Sản phẩm sau tách loại làm phân tích phổ GC-MS để xác định hàm lượng thành phần methyl ester thu Trong công nghiệp sử dụng 6-7 mole MeOH cho mole Triglyreride Trong thí nghiệm này, lượng dầu (2g) nên tăng lên 10 mole MeOH Hiệu suất sơ phản ứng tính dựa khối lượng biodiesel tinh (mBDFtt) thu chia cho khối lượng biodiesel lý thuyết (mBDFlt), dựa vào công thức: HBDF (%) = mBDF tt  100 = (1.5096/1.9751)×100 = 76.43 % mBDF lt Hiệu suất thấp có lẽ q trình tách glycerine thu hồi biodiesel thí nghiệm chưa triệt để Kết thành phần methyl ester biodiesel từ dầu tảo trình bày bảng 3.25 Bảng 3.25 Kết thành phần methyl ester biodiesel từ tảo Methyl ester acid Công thức phân tử Hàm lượng (%) - 97.44 Acid Palmitic (C16:0) C17H34O2 46.72 Acid Palmitoleic (C16:1) C17H32O2 2.51 Acid Stearic (C18:0) C19H38O2 0.49 Acid Oleic (C18:1) C19H36O2 10.22 Acid Linoleic (C18:2) C19H34O2 29.13 Acid Linolenic (C18:3) C19H32O2 3.87 Acid Arachidic (C20:0) C21H42O2 4.50 Tổng hàm lượng methyl ester Kết phân tích GC-MS từ mẫu biodiesel tổng hợp cho thấy tổng thành phần methyl ester chứa biodiesel cao (97.44 %) Thành phần methyl ester acid béo tương đồng với mẫu dầu tảo trước phản ứng (bảng 3.24a) Điều cho thấy sản phẩm biodiesel, hầu hết triglycerid chuyển hoàn toàn thành methyl ester acid béo biodiesel thu tinh khiết, đạt tiêu chuẩn Việt Nam thành phần methyl ester dành cho nhiên liệu sinh học gốc B100 ( ≥ 96.5 % ) Do lượng dầu có từ tảo chưa nhiều nên phân tích thành phần hoá học biodiesel, chưa đo tính chất hố lý khác điểm chớp cháy, cetane,,, 3.8 Nội dung 8: Thử nghiệm động diesel Biodiesel B5 pha chế theo tỉ lệ thể tích (5 biodiesel/95 diesel) thử cụm động 18hP kéo máy phát điện xoay chiều pha công suất phát tối đa 12kW tải tiêu thụ điện trở Việc thử nghiệm so sánh sử dụng diesel dầu mỏ biodiesel B5 Kết cho thấy sau 20 phút thử nghiệm, tính động dùng loại nhiên liệu không khác biệt đáng kể, chi phí nhiên liệu nằm khoảng 1.875-1.890 lit/h Do lượng nhiên liệu ít, khơng có điều kiện để kiểm tra tiêu khác khí thải động PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM 18 Đề tài cấp B2008 cơ, mài mòn động cơ, muội than,…, nhiên bước đầu cho thấy biodiesel từ vi tảo có chất lượng đủ khả ứng dụng thực tế Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 4.1 Kết luận Đề tài nghiên cứu vấn đề việc sản xuất biodiesel từ vi tảo Việt Nam Tảo Chlorella chọn lựa ưu tiên nghiên cứu loài giới công bố phù hợp Các kết tóm tắt mục 4.8.1: 4.1.1 Đặc điểm cơng nghệ kỹ thuật trình sản xuất biodiesel từ tảo Tảo Chlorella ni mơi trường nước thải, nước ngọt, nước mặn, loài rộng muối Việc cấy chuyền tảo từ qui mô nhỏ lên qui mơ lớn hồn tồn khơng ảnh hưởng đến sư sinh trưởng tảo cung cấp đủ ánh sáng CO2 Thông thường nhân rộng qui mô suất sinh khối giảm đáng kể kỹ thuật cung cấp ánh sáng CO2 chưa đáp ứng đủ nhu cầu tảo Thí nghiệm cho thấy hai nguồn dinh dưỡng N Fe có ảnh hưởng ý nghĩa đến hàm lượng dầu tảo Chọn mơi trường ni thích hợp giảm N Fe cho hàm lượng dầu cao, điều kiện đạm thấp tối ưu (DTU) đạt 104.5 mg dầu/L dịch tảo so với đối chứng 28,28 mg/L Bổ sung acid citric với nồng độ 0.87 mM vào ngày nuôi thứ (72 giờ) tăng hàm lượng dầu từ 6.35% lên 17.25% Xử lý thiếu Fe từ đầu sau ngày bổ sung lại Fe+2 nồng độ 0,9*10-5 mol/l tăng dầu từ 28mg/L lên 80,6 mg/L Nuôi nồng độ 2.83mg/L Fe+3 ngày, bổ sung Fe+3 lượng 0.87 mg/L tăng tỉ lệ dầu từ 9% lên 24% Thu hồi tảo phưong pháp ly tâm suất cao chi phí lượng Thu hoạch lọc màng có tiềm cần cải tiến giảm công suất tiêu thụ Thiết bị QHSH nuôi tảo phát triển ổn định, bảo đảm kín khơng lây nhiễm Thiết bị có giá thành rẽ sử dụng ống plastic mỏng chế tạo nước Chiết dầu hexan cho dầu hiệu suất cao Chiết ngâm dầm ethanol phối hợp siêu âm cho hiệu trích gần hexan giảm ½ lượng hexan sử dụng Chiết ướt theo qui trình Folch cho hiệu trích xấp xĩ hexan, thời gian trích ngằn (< giờ), khơng cần sấy nên giảm đáng kể chi phí sản xuất Tuy nhiên cịn sử dụng hóa chất độc hại Chloroform Tinh chế dầu: sử dụng phối hợp chất hấp phụ hỗn hợp acid H3PO4/H2SO4 để tinh chế dầu đạt chất lượng cho việc tổng hợp biodiesel 10 Dầu tảo chlorella vulgaris có hàm lượng acid béo tự 1.7% dùng phản ứng trực tiếp với methanol xúc tác kiềm biodiesel, không cần thông qua giai đoạn phản ứng với acid sulfuric (acid esterification) để chuyển hóa acid béo tự thành biodiesel Thành phần acid béo chủ yếu Acid Palmitic, Oleic Linoleic Hàm lượng acid béo bão hòa 50.92 % phù hợp cho phản ứng biodiesel Đặc biệt, so với số nơi giới dầu tảo Việt nam có xuất thêm acid Arachidic (C20H40O2) thành phần hóa học Khối lượng phân tử trung bình acid béo 269.17 g/mol triglyceride dầu tảo 845.5 g/mol 11 Tổng hợp biodiesel: dầu tảo phản ứng với methanol xúc tác kiềm cho biodiesel có thành phần methyl ester acid béo tương đồng với mẫu dầu tảo trước phản ứng tổng hàm lượng methyl esters 97.44% thỏa mãn tiêu chuẩn Việt Nam thành phần methyl ester dành cho nhiên liệu sinh học B100 ( ≥ 96.5 %) 12 Thử nghiệm động cơ: pha chế B5 thử nghiệm động diesel cho thấy tính hoạt động giống với dầu diesel PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM 19 Đề tài cấp B2008 Qua trình thực đề tài nhận thấy việc tăng hàm lượng dầu tảo vấn đề không dễ dàng Việc chọn môi trường nuôi ngồi cơng nghệ cịn phải quan tâm đến giá Quá trình thu hoạch chế biến qua nhiều khâu cần phải chọn lựa cẩn thận để giảm chi phí sản xuất Đề tài tổng hợp qui trình cơng nghệ nuôi tảo Chlorella sản xuất biodiesel sau: 4.1.2 Qui trình cơng nghệ ni tảo định hƣớng nhiều dầu Qui trình thiết kế cho đơn vị nuôi 1600m2 đất Như đất cần đơn vị 400 m2 đất cho nhà xưởng lại Tảo giống Ni phịng thí nghiệm Ni thiết bị QHSH, 4m2 Nuôi thiết bị QHSH, 80m2 Xử lý Acid citric Nuôi thiết bị QHSH, 1600m2 Xử lý sắt Xử lý thiếu N Thu hoạch Hình 4.1: Qui trình công nghệ nuôi tảo định hướng nhiều dầu PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM 20 Đề tài cấp B2008 4.1.3 Qui trình cơng nghệ thu hoạch chế biến biodiesel từ vi tảo Trong qui trình này, trích ly ướt (khơng sấy) khơ (có sấy) Nếu hàm lượng dầu 30% có thêm cơng đoạn ép học trước trích Ni Tảo Sấy Trích ly hexan Thu hồi dung môi Tách dầu Tinh chế dầu thô (hấp phụ + acid) KOH + Methanol Phản ứng Biodiesel Tách Thu hồi methanol Biodiesel thơ Tinh chế Trích ly ướt Ly tâm Bả tảo Sấy, nghiền Bụi tảo cung cấp trạm đốt động diesel Phân bón, biofilm Hỗn hợp glycerin tạp chất Trung hịa acid, Rữa nước Glycerin thơ Biodiesel Hình 4.2: Qui trình cơng nghệ thu hoạch chế biến biodiesel từ vi tảo PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM Đề tài cấp B2008 21 4.2 Đề nghị - Tăng cường trang thiết bị để xác định hàm lượng dầu tảo mà không cần nuôi dung tích lớn để chiết soxhlet Như giảm thời gian nghiên cứu xác định giống lồi thích hợp - Tổ chức sản xuất thử nghiệm biodiesel qui mơ pilot cho tảo Chlorella sp, Chlorella Vulgaris để hồn thiện qui trình cơng nghệ đánh giá hiệu giá thành sản xuất - Nghiên cứu bảo quản biodiesel - Thí nghiệm sản xuất nhiều lồi, giống tảo khác 4.3 Các tồn Do thời gian có hạn việc sản xuất dầu tảo với số lượng lớn cịn khó khăn, vấn đề sau chưa thực - Chưa nghiên cứu bảo quản dầu - Chưa đánh giá giá thành sản xuất biodiesel từ tảo PGS.TS Trương Vĩnh, Bộ môn CNHH –Đại Học Nông Lâm TP HCM ... luận Đề tài nghiên cứu vấn đề vi? ??c sản xuất biodiesel từ vi tảo Vi? ??t Nam Tảo Chlorella chọn lựa ưu tiên nghiên cứu loài giới cơng bố phù hợp Các kết tóm tắt mục 4. 8.1: 4. 1.1 Đặc điểm công nghệ. .. tảo để tăng suất sinh khối, có tỉ lệ dầu nhiệt trị cao cịn vấn đề cần nghiên cứu Ý tưởng sản xuất biodiesel từ vi tảo có từ lâu (Chisti Y, 1980) Nghiên cứu sản xuất biodiesel từ vi tảo thực từ. .. 04- 2010 Mục tiêu đề tài: Khảo sát nguồn vi tảo nước thích hợp cho nguyên liệu sản xuất biodiesel Nghiên cứu qui trình cơng nghệ nuôi tảo sản xuất dầu biodiesel điều kiện nước nước mặn Vi? ??t nam