sản xuất biodiesel từ tảo chlorella, kỹ thuật nuôi cấy thu nhận lipid trên hệ thống photobioreactor

NGUYỄN THÚY HƯƠNG SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ TẢO CHLORELLA: KỸ THUẬT NUÔI CẤY THU NHẬN LIPID TRÊN HỆ THỐNG PHOTOBIOREACTOR TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ

Trang 1

Powerpoint Templates Page 1

TỐNG THÀNH TRUNG NGUYỄN KHÁNH VÂN

LÊ KỲ VĂN GVHD: PGS.TS NGUYỄN THÚY HƯƠNG

SẢN XUẤT BIODIESEL

TỪ TẢO CHLORELLA:

KỸ THUẬT NUÔI CẤY THU NHẬN

LIPID TRÊN HỆ THỐNG PHOTOBIOREACTOR

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Trang 2

I TỔNG QUAN

II Ảnh HƯỞNG CỦA ĐiỀU KiỆN

NUÔI CẤY VÀ SINH KHỐI

LÊN SINH TỔNG HỢP LIPID

CỦA TẢO CHLORELLA

III KỸ THUẬT NUÔI CẤY THU

NHẬN LIPID TRÊN PBR

IV.THU HoẠCH – CHIẾT XuẤT

V KẾT LuẬN

TỔNG QUAN – BIODIESEL

Trang 3

TỔNG QUAN

Trang 4

Năng lượng

không tái sinh

Năng lượng hóa thạch

Năng lượng hạt nhân

• Hình thành dựa trên các quá trình địa chất dài hàng triệu năm đối với xác động thực vật

•Diesel: lỏng, sản phẫm thuộc phân đoạn nhẹ quá trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ

Hình thành do khả năng phóng xạ của một vài nguyên tố

1.1.1 NL không tái sinh và NL tái sinh

Trang 5

• Năng lư

ợng mặt

tr ời

• Năng lư

ợng gió

• Năng lư

ợng sóng

• Năng lư

ợng thủ

y tr iều

• Năng lư

ợng địa

nhi ệt

•

Năn

g lượ

ng sinh kh

ối ( Bio mass) : B

iod iese l

Trang 6

BIDIESEL

1

2

3 4

5

Biodiesel là hỗn hợp các ester giữa acid béo và alkyl thu được thông qua quá trình chuyển vị ester của dầu thực vật hay mỡ động vật, có khả năng thay thế diesel từ dầu mỏ

Nguồn năng lượng tái sinh có thể đáp ứng cung và cầu.

Thân thiện với môi trường

Tiềm năng kinh tế

đáng kể

Tốt hơn Diesel thông thường ở nhiệt độ phát cháy và khả năng phân hủy sinh học

1.1.2 Biodiesel

Trang 7

NGUYÊN TẮC ĐIỀU CHẾ

1.1.2 Biodiesel

Trang 8

Các acid béo thường có trong nguyên liệu

1.1.2 Biodiesel

Trang 9

Nguyên liệu

Vi tảo

Dầu phi thực vật

Dầu

thực vật

1.1.2 Biodiesel

Trang 10

Nguồn Hàm lượng dầu (%

w/w sinh khối)

Năng suất lipid (L dầu/ha.năm)

Đất sử dụng (m 2 năm/kg biodiesel)

Năng suất biodiesel (kg biodiesel/ ha.năm)

Trang 11

• Vi tảo sinh trưởng rất nhanh, năng suất sinh khối cao

• Vi tảo có khả năng thu nhận năng lượng mặt trời để tạo

ra các hợp chất hữu cơ rất hiệu quả

• Nhiều loài vi tảo có hàm lượng lipid cao

• Nuôi cấy chiếm ít diện tích và không phụ thuộc vào thời

tiết, điều kiện môi trường

• Hệ thống sản xuất phù hợp ở nhiều quy mô và kỹ thuật

khác nhau

• Giải quyết ô nhiễm môi trường

• Có thể tận dụng nguồn sinh khối vi tảo còn dư sau quá

trình trích ly dầu dùng làm nguồn thức ăn cho gia súc,

phân bón hoặc lên men tao các sản phẩm ethanol hay

methane

TIỀM NĂNG CỦA VI TẢO

1.1.2 Biodiesel

Trang 12

Trang 13

Trang 14

 Nhờ quang hợp, nó nhân lên nhanh chóng mà

chỉ cần CO2, nước, ánh sáng mặt trời và một

lượng nhỏ khoáng

 Hiệu suất quang hợp cao (8%)

 Tên của nó được đặt theo tiếng Hy Lạp,

“chloros” là màu xanh lá, “ella” là nhỏ bé

 Nhiều nhà khoa học đoạt giải Nobel là nhờ các

công trình nghiên cứu liên quan đến Chlorella

TỔNG QUAN - CHLORELLA

1.2.1 Phân loại

Trang 15

1.2.1 Phân loại

Trang 16

1.2.2 Hình thái

2-10 μmm

Trang 17

1.2.2 Hình thái

Trang 18

1.2.3 Sinh lý – Sinh hóa

 Chlorella là loài sinh sản vô tính

nhanh Ở điều kiện bình thường một

tế bào sẽ phân chia thành 4 tế bào

con trong chưa đầy 1 ngày

 Vòng đời phụ thuộc nhiều vào điều

kiện ánh sáng, nhiệt độ và dinh

dưỡng

 Giàu protein, vitamin, khoáng chất

Trang 19

Trang 20

 Điều kiện phát triển tốt cho Chlorella:

 Muối: ~25%

 Nhiệt độ: 25 – 28oC

 pH: 6 – 6,5

 Ánh sáng: chiếu liên tục

Trang 21

Trang 22

Sinh tổng hợp lipid trong Chlorella

Trang 23

 Tăng hiệu suất quang hợp

 Tăng tốc độ phát triển tế bào

 Tăng hàm lượng lipid

 Tăng khả năng chịu nhiệt

 Loại trừ hiện tượng ánh sáng bão hòa

 Giảm khu vực ức chế bởi ánh sáng

 Giảm tính nhạy cảm với sự oxi hóa do ánh

sáng

Trang 24

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN NUÔI CẤY LÊN SINH KHỐI VÀ SINH TỔNG HỢP LIPID Ở TẢO CHLORELLA

Trang 25

ẢNH HƯỞNG ĐIỀU KIỆN NUÔI CẤY

Nhiệt độ

Carbon

Nitrogen

Độ mặn Ánh

sáng

Trang 26

Cre: Attilio et all, 2009 Effect of temperature and nitrogen concentration on the growth

and lipid content of N oculata and C vulgaris for biodiesel production Chemical

Engineering and Processing: Process Intensification, 48: 1146-1151.)

2.1 Nhiệt độ

Trang 27

• Nghiên cứu của Arief Widjaja et all,2009

• Giống vi sinh vật : Chlorella vulgaris

cấy được sục khí 6l/min mà không có

CO2 (~ 2l/min CO2 =0.03% CO2 ) Sau

đó bổ sung tốc độ dòng khí CO2 vào môi trường là 20, 50, 100 và 200 ml/min (~ 0.33, 0.83, 1.67 và 3.33%)

2.2 Dinh dưỡng carbon

Trang 28

Sự phát triển của vi tảo tại các nồng độ

CO2 khác nhau: 0, 20

50, 200 ml/phút

50ml/min cho kết quả tăng trưởng cao nhất

Trang 29

Trang 30

Arief Widjaja et all,2009 Studying of increase lipid production from

fresh water microalgae Chlorella vulgaris Journal of the Taiwan

Institute of Chemical Engineers, 40, 13-20.

Trang 31

• Nghiên cứu của Attilio Converti và cộng sự về sử ảnh hưởng của

Nitrogen

• Đối tượng: Chlorella vulgaris

• Điều kiện nuôi cấy:

– Môi trường Bold, – CO2: 300ppm

– Quang tự dưỡng 14 ngày – Ánh sáng 70µE/m2s

2.3 Dinh dưỡng nitrogen

Trang 32

Trang 33

• Nghiên cứu của Arief Widjaja et all,2009

• Đối tượng: Chlorella vulgaris

• Điều kiện nuôi cấy:

– CO2 :20ml/min – Nuôi cấy ban đầu với môi trường dinh dưỡng Nitrogen bình thường ( 70.02 mg/l) ở 15 và 20 ngày.

– Sau đó môi trường thay đổi đến dinh dưỡng Nitrogen bi cạn kiệt (0.02 mg/l) trong 7 và 17 ngày.

Trang 34

Thời gian nuôi cấy càng dài cho hàm lượng lipid càng cao

Thời gian nuôi cấy trong môi trường nghèo Nitrogen tích lũy lipid bên trong

tế bào cao hơn

Trang 35

• Năng lipid

Thứ 1:hàm lượng lipid tăng khi tăng thời gian nuôi cấy nghèo Nitrogen từ 7 đến 17 ngày

Thứ 2: năng suấ lipid giảm khi tăng thời gian nuôi cấy nghèo Nitrogen từ 7 đến 17 ngày

Năng suất lipid không chỉ phụ thuộc vào thời gian nuôi cấy trong môi trường

nghèo Nitrogen mà còn chịu ảnh hưởng của thời gian nuôi cấy trong môi trường bình thường

Trang 36

• THÀNH PHẦN LIPID

Trang 37

Kết quả: Nồng độ muối 15g/l(1.5%), tốc độ sinh trưởng của

Nghiên cuứ của Deepthi Kumar Sugumar, 2011

Thí nghiệm:

Chlorella vulgaris và

UHAlagae 2( phân lập trong nước) được nuôi cấy trong môi trường lỏng, nhiệt độ được duy trì là 25±2, cường độ chiếu sáng 3000LUX

2.4 Độ mặn

Trang 38

Nuôi cấy Clorella sp trong mội trường N-8 dưới 3 điều kiện chiếu sáng, sau 8 ngày

Lượng tế bào khô tăng len 19.82g/l và mật độ

tế bào tăng 3.88 x108 tế bào/ml

2.5 Ánh sáng

Trang 39

KỸ THUẬT NUÔI CẤY TẢO CHLORELLA THU NHẬN LIPID TRÊN HỆ THỐNG PHOTOBIOREACTOR (PBR)

Trang 40

KỸ THUẬT NUÔI CẤY - PBR

SƠ ĐỒ NUÔI CẤY TỔNG QUÁT

Trang 41

Reactor

Trang 42

3.1 Các hệ thống nuôi cấy tảo

Chất lượng – giá thành

Hệ thống

Trang 43

Raceway Circular Inclined Unmixed

Vận hành

Nhờ vào sự hỗ trợ của mái chèo

để tạo dòng chảy liên tục

Có sự hỗ trợ mái chèo, thường áp dụng cho xử lý nước thải

Dựa vào trọng lực hoặc hỗ trợ của bơm

Thường áp dụng cho xử lý nước thải

Đặc tính

Đảo trộn và phân phối ánh sáng tốt nhưng vận

chuyển khí kém

Đảo trộn, phân phối ánh sáng, vận chuyển khí kém

Đảo trộn và phân phối khí kém Đảo trộn và phân phối khí kém

Hiệu suất

14-50 g/m2/d, phụ thuộc vào vị trí, thời tiết; có khả năng đạt 30-

32 tấn/ha/năm

21 g/m2/d, phụ thuộc vào vị trí, thời tiết

31 g/m2/d, phụ thuộc vào vị trí, thời tiết

Ít hơn 1 g/m2/d, phụ thuộc vào vị trí, thời tiết

Chủng phù hợp

Hầu hết các vi tảo Hầu hết các vi tảo Chrollera sp., Spirulina sp.,

Dunaltella sp., Haematococcus

sp.,

Nannochloropsis

sp

Không phù hợp với hầu hết vi tảo, phù hợp cho

Spirulina sp., Dunaltella sp.

Trang 44

Hệ thống mở dạng raceway

Trang 45

-Chi phí đầu tư thấp  phổ biến

- Chịu nhiều tác động bởi khí

hậu, khó kiểm soát các yếu tố

- Chịu nhiều tác động bởi khí

hậu, khó kiểm soát các yếu tố

- Quang hợp dựa vào ánh sáng nhân tạo và tự nhiên

- Ít chịu tác động bởi ký hậu, kiểm soát được các yếu tố tác động

- Tự động hóa quy trình sản xuất

- Năng suất cao hơn

-Chi phí đầu tư cao  ít phổ biến

- Diện tích nuôi trồng nhỏ, nuôi được trong không gian 3 chiều

- Quang hợp dựa vào ánh sáng nhân tạo và tự nhiên

- Ít chịu tác động bởi ký hậu, kiểm soát được các yếu tố tác động

- Tự động hóa quy trình sản xuất

- Năng suất cao hơn

HỆ THỐNG MỞ HỆ THỐNG PBR

Trang 46

Trang 47

Mô hình phân phối ánh sáng

Khuấy trộn Cường độ ánh sáng

Trở lực

Sự trao đổi khí

3.2 Hệ thống PBR

Trang 48

Mô hình phân phối ánh sáng

- Giả định ánh sáng phân phối đều từ bề mặt đến

tâm bình và sự giảm cường độ ánh sáng là do sự

hấp thụ các sắc tố trong tế bào

- Cần tính đến: sự hấp thu của các sắc tố, tán xạ

của tế bào và hạt khác, hình dạng thiết bị phản

ứng, nguồn chiếu sáng.

Trang 49

Khuấy trộn

- Tế bào phân phối đều, tận dụng môi trường

- Trao đổi khí qua bề mặt lỏng – khí

- Ảnh hưởng đến nhu cầu ánh sáng

Trang 50

Cường độ ánh sáng

- Khả năng quang hợp tối đa tại cường độ ánh

sáng yếu => chủ yếu là lipid phân cực

(phospholipid và glycolipid)

- Cường độ chiếu sáng cao kích thích tích lũy

TAGs.

Trang 51

Trở lực

- Vận tốc dòng lỏng, sự xáo động => ứng suất cắt

=> ảnh hưởng đến tế bào vi tảo.

- Giảm thiệt hại: bổ sung các bề mặt không ion,

ngăn không cho tế bào bám dính vào bọt khí:

Pluronic® F-68, carboxymethyl cellulose

Trang 52

Sự trao đổi khí

=> Tốc độ trao đổi CO2 tăng

5 lần so với sục CO2 không khí

Trang 53

Trang 54

PBR dạng ống Bộ phận thu ánh sáng

Trang 55

PBR dạng ống

Sơn trắng

Trang 56

PBR dạng ống

Trang 57

PBR dạng cột

Trang 58

PBR dạng bản phẳng

Trang 59

•Thuận lợi cố định vi tảo.

•Thuận lợi truyền ánh

•Khó kiểm soát nhiệt độ.

•Có thể gây stress thủy động lên một số loài tảo

Trang 60

• Vi sinh vật: Chlorella vulgaris ESP-31

• Hệ thống nuôi cấy: PBR hình trụ không

3.3 Giảm nguồn nitrogen và thiết kế PBR để tăng

sinh tổng hợp lipid

Trang 61

Trang 62

Trang 63

Trang 64

90%

70%

Trang 65

Trang 66

Trang 67

Trang 68

Trang 69

Trang 70

• Vi sinh vật: Chlorella sp (Taiwan)

• Môi trường: f/2

• Chuẩn bị giống

3.4 Nuôi cấy Chlorella sp mật độ cao trong PBR vận

Huyền phù hóa (50 mL môi trường f/2)

Trang 71

• Xác định mật độ tế bào:

– Đo độ hấp thu OD682– Sinh khối khô: ly tâm  rửa 2 lần với nước cất khử ion  ly tâm  sấy (105ºC,

16 giờ)

hành bán liên tục

Xác định mật độ tế bào thông qua độ hấp thu OD682

Trang 72

- Nhiệt độ: 26±1ºC

- Ánh sáng: đèn huỳnh quang chiếu sáng liên tục

- Cường độ ánh sáng: 300

μmol/mmol/m2.s

- Trộn CO2: 2%, 5%, 10%, 15%.

- Khí được bơm liên tục: 250 mL/phút

Trang 73

Khảo sát lên men batch

Mật độ cấy giống cao

Trang 74

Trang 75

Khảo sát lên men batch

Trang 76

Khảo sát lên men bán liên tục

mật độ tế bào cao)

dịch nuôi cấy bằng môi trường f/2 mới mỗi 24 giờ.

PBR đơn PBR ống (6 ống)

Trang 77

Khảo sát lên men bán liên tục

• Quá trình lên men batch: 6-8 ngày.

• Sự sinh trưởng trong lên men bán liên tục

tương tự như lên men batch.

• μmol/m=0.58÷0.66 d-1

• Sinh khối: 0.76÷0.87 g/L

• Sự phát triển ổn định trong 24 ngày

cao trong PBR vận hành bán liên tục

Định dạng
Số trang	100
Dung lượng	10,95 MB

sản xuất biodiesel từ tảo chlorella, kỹ thuật nuôi cấy thu nhận lipid trên hệ thống photobioreactor

THU HOẠCH – CHIẾT XUẤT – CHUYỂN HÓA