TRÍCH LY DẦU TẢO CHLORELLA VULGARIS BẰNG HỆ DUNG MÔI ETHANOL – HEXANE VÀ HỆ CHLOROFORM METHANOL

Thực hiện thí nghiệm chiết Soxhlet bằng dung môi hexane để xác định hàm lượng dầu tối đa thu được trong tảo nguyên liệu, dùng làm chuẩn để so sánh với các phương pháp chiết khác b.. Khảo

TRÍCH LY DẦU TẢO CHLORELLA VULGARIS BẰNG HỆ DUNG MÔI

LỜI CẢM TẠ

Chúng con xin bày tỏ lòng biết ơn đến Cha Mẹ và Gia đình đã luôn động viên, khích lệ chúng con trong suốt quá trình học tập và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho chúng con hoàn thành tốt khóa luận này

Chúng tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy PGS, TS Trương Vĩnh – người đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt cho chúng tôi nhiều kinh nghiệm quý báu và luôn

tạo mọi điều kiện tốt nhất cho chúng tôi trong suốt quá trình học tập và đặc biệt là trong khoảng thời gian chúng tôi thực hiện khóa luận

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể quý thầy cô cũng như các anh chị của

Bộ môn Công nghệ hóa học đã giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian chúng tôi thực

hiện khóa luận, đồng cảm ơn các bạn lớp DH08HH đã luôn là nguồn động viên to lớn

của chúng tôi

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2012

Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Ái Liên – Đặng Kim Ngân

TÓM TẮT

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Ái Liên – Đặng Kim Ngân, đề tài được báo

cáo vào tháng 8 năm 2012, tên đề tài “ Trích ly dầu tảo Chlorella Vulgaris bằng hệ

dung môi Ethanol – Hexane và hệ dung môi Chloroform – Methanol”

Giáo viên hướng dẫn: PGS, TS Trương Vĩnh

Đề tài được thực hiện từ tháng 2/ 2012 đến tháng 8/ 2012 tại phòng thí nghiệm I4 và I5- Bộ môn Công nghệ hóa học – Trường Đại học Nông Lâm Tp.Hồ Chí Minh

Nguồn nguyên liệu tảo Chlorella Vulgaris được cung cấp bởi Bộ môn Công nghệ hóa học trường Đại học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh

Nội dung khóa luận và kết quả thu được:

a Thực hiện thí nghiệm chiết Soxhlet bằng dung môi hexane để xác định hàm lượng dầu tối đa thu được trong tảo nguyên liệu, dùng làm chuẩn để so sánh với các phương pháp chiết khác

b Sử dụng hệ dung môi ethanol – hexane trích ly dầu tảo bằng phương pháp ngâm dầm, xác định hiệu suất của quá trình trích ly khi dùng hệ dung môi trên

c Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như tỷ lệ dung môi – nguyên liệu, ẩm độ ban đầu của nguyên liệu, tỷ lệ giữa dung môi và lượng nước sử dụng, mỗi thí nghiệm như vậy được lặp lại ba lần, xác định hiệu suất của quá trình trích ly dầu bằng phương pháp ngâm dầm với hệ dung môi ethanol - hexane

d Thí nghiệm trên nguồn nguyên liệu là tảo ướt với hệ dung môi chloroform – methanol ( C : M ) theo quy trình Folch, thay đổi tỷ lệ C:M từ 2: 0,6 đến 2: 1,4 từ đó xác định tỷ lệ dung môi tối ưu cho quy trình và hiệu suất của phương pháp, so sánh với phương pháp chiết Soxhlet

e Thí nghiệm chiết ướt với cùng hệ dung môi chloroform – methanol nhưng

thực hiện theo quy trình cải tiến của Bligh – Dyer, với tỷ lệ C:M:H2O là 1:2:0,8 ( tương ứng với ẩm độ tảo là 80%) Xác định hiệu suất phương pháp

Thực hiện đồng thời các thí nghiệm theo phương pháp Folch, Bligh, ngâm

dầm ethanol – hexane và thí nghiệm chiết Soxhlet với dung môi hexane trên

cùng nguồn nguyên liệu từ đó tìm ra phương pháp hiệu quả nhất cho quá trình trích ly dầu tảo Chlorella Vulgaris

Kết quả thu được như sau:

1 Thí nghiệm ngâm dầm ethanol – hexane:

Thí nghiệm chiết ngâm dầm với hệ ethanol cho thấy, tỷ lệ nguyên liệu và dung môi tối ưu nhất là tỷ lệ 1: 6 ( 1g tảo khô : 6 ml ethanol )

Ẩm độ ban đầu của nguyên liệu không ảnh hưởng đến quá trình chiết dầu theo phương pháp ngâm dầm ethanol, điều này có ý nghĩa về mặt kinh tế khi ta không cần

phải sấy khô hoàn toàn nguyên liệu và không cần dùng ethanol nồng độ cao

Tỷ lệ nước : ethanol có ảnh hưởng đến quá trình trích ly dầu, kết quả cho thấy lượng nước thêm vào từ 40% trở lên kết quả chiết dầu là như nhau, vậy lượng nước tối

Tỷ lệ dung môi C : M tối ưu cho phương pháp này là tỷ lệ 2: 1, hiệu suất chiết

dầu của phương pháp tương đối cao ( trung bình đạt khoảng 30% so với phương pháp Soxhlet )

Đây là phương pháp có tiềm năng vì hiệu suất cao, thời gian chiết ngắn

3 Kết quả chiết theo phương pháp Bligh – Dyer:

Phương pháp này cho hiệu suất chiết dầu trung bình, chỉ bằng 48,97 % so với phương pháp Folch và 34,85 % so với phương pháp Soxhlet

The thesis entitled “ Lipid extraction from chlorella algae by ethanol – hexane &

chloroform – methanol solvents” was performed by Nguyen Thi Ai Lien- Dang Kim

Ngan

Supervisor : Associate Professor Dr.Truong Vinh

This work was practiced from February to August 2012, at laboratory of Chemical Engineering Department – Nong Lam University Ho Chi Minh city

Original Chlorella Vulgaric algae is provided by Chemical Engineering Department – Nong Lam University Ho Chi Minh city

Contents of thesis and the result obtained:

a Conducting the experiments with Soxhlet extraction by Hexane solvent to determine the maximum oil of algae in the raw materials, which was used as the control for comparison with other extraction methods

b Using ethanol – hexane solvent extract oilgae by marceration and determining the yield of extraction

c Studied the effect of factors such as the proportion of solvent - raw materials, original moisture of raw materials, the proportion of solvent and water use on the yield of oil by marceration Each experiment was repeated three times

d Conducting wet extraction method by Chloroform - Methanol (C: M) using Folch procedure in which the C: M proportion was changed from 2:0,6 to 2:1,4

M to determine the optimum proportion of solvent for optimal oil yield in comparison to Soxhlet extraction method

e Conducting wet extraction experiments with the same Chloroform – Methanol solvent but followed Blich – Dyer procedure in which , the proportion of C: M: H2O was 1:2:0,8 (corresponding to 80% moisture of algae) Determine a yield

of method Concurrently experiments were practiced on the method of Folch, Blich, marceration with Ethanol - Hexane and Soxhlet extraction with Hexane solvent on the same material in order to compare the effectiveness of the

methods, to find the best effective methods for oil extraction of Chlorella algae

The results were as follows:

1 Marceration experiments with ethanol- hexane solvent had the best proportion

of raw materials and solvent of 1:6 (1 g dry algae: 6 ml ethanol)

Initial moisture of material in the range of 0 ÷ 30% did not affect the extraction of oil

by marceration method with Ethanol This result had an economical significance because the algae was not required to dry completely and lower concentration of ethanol solution can be used

The proportion of water: Ethanol affected oil extraction process, the results showed that the amount of water added to 40% or more produced the same oil extraction leading to the optimum amount of water of 40% could be chosen

From the above results the optimum extraction process for marceration by Ethanol was built

The yield of marceration extraction method was low (5%) in comparison to soxhlet method (13%)

2 Wet extraction experiment of Folch method by the mixture of Chloroform - Methanol solvent gave the following results:

The optimum proportion of C: M mixture solvent in method was 2:1 to give relative high oil extraction efficiency (average of about 30% compared with the Soxhlet method )

This method had the potential because of the high efficiency and short extraction time and saving energy from drying of algae

3 The results extracted by the method of Bligh-Dyer:

The oil extraction efficiency of this method was moderate, only 48,97% compared with the Folch method and 34,85% compared with the Soxhlet method

M ỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM TẠ ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT v

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH xii

DANH SÁCH CÁC BẢNG xiv

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích 2

1.3 Nội dung 2

1.4 Yêu cầu 2

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Tổng quan về tảo Chlorella 3

2.1.1 Giới thiệu về tảo Chlorella 3

2.1.2 Hình thái và các đặc điểm sinh học của ngành tảo lục 3

2.1.3 Thành phần hóa học của tảo Chlorella 4

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo 7

2.1.4.1Yếu tố hóa học 7

2.1.4.2Yếu tố vật lý 8

2.1.4.3Yếu tố sinh học 10

2.1.5 Tiềm năng của dầu sản xuất từ vi tảo 10

2.2 Các phương pháp chiết dầu 12

2.2.1 Phương pháp ép 12

2.2.2 Phương pháp trích ly 12

2.2.2.1Ý nghĩa của phương pháp 12

2.2.2.2Cơ chế của quá trình trích ly[14] 13

2.2.2.3Động học của quá trình trích ly[14] 14

2.2.2.4Cơ sở lý thuyết của quá trình trích ly 14

2.2.2.5Các nhân tố ảnh hưởng đến vận tốc và độ kiệt dầu khi trích ly[13] 14

2.2.2.6Vai trò của siêu âm trong trích ly 15

2.2.3 Một số phương pháp trích ly 16

2.2.3.1Phương pháp chiết suất sử dụng chất lỏng siêu tới hạn[17] 16

2.2.3.2Phương pháp chiết Soxhlet[12] 17

2.2.3.3Phương pháp ngấm kiệt[13] 19

2.2.3.4Phương pháp ngâm dầm 20

2.3 Tổng quan về dung môi[13] 22

2.3.1 Một số tính chất của dung môi 25

2.3.2 Tác dụng sinh học 27

2.3.3 Một số yêu cầu khi lựa chọn dung môi hữu cơ 27

2.3.4 Các dung môi sử dụng 28

2.3.4.1Hexane 28

2.3.4.2Ethanol 28

2.3.4.3Chloroform 29

2.3.4.4Methanol 30

Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 31

3.1 Vật liệu 31

3.1.1 Thời gian và địa điểm thực hiện đề tài 31

3.1.2 Nguyên liệu 31

3.1.3 Thiết bị và dụng cụ 31

3.1.4 Hóa chất thí nghiệm 31

3.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 32

3.2.1 Nghiên cứu quá trình trích ly dầu từ tảo với nguồn nguyên liệu tảo khô 32

3.2.1.1 Thí nghiệm đối chứng xác định hàm lượng dầu tối đa trong tảo bằng phương pháp chiết Soxhlet bằng dung môi hexane 32

3.2.1.2 Thí nghiệm nghiên cứu trích ly dầu từ tảo bằng phương pháp ngâm dầm với hệ dung môi ethanol – hexane 33

3.2.1.3 Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ giữa khối lượng tảo khô và hàm lượng ethanol đến hiệu quả của quá trình trích ly dầu bằng phương pháp ngâm dầm ethanol – hexane 35

3.2.1.4 Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng của ẩm độ tảo đến hiệu suất của quá trình trích ly dầu bằng phương pháp ngâm dầm ethanol – hexane 36 3.2.1.5 Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ nước thêm vào đến hiệu suất của quá trình trích ly dầu bằng phương pháp ngâm dầm ethanol – hexane 38 3.2.2 Nghiên cứu quá trình trích ly dầu từ tảo với nguồn nguyên liệu tảo ướt bằng

hệ dung môi chloroform – methanol 39 3.2.2.1 Thí nghiệm 4: Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ chloroform – methanol đến quá trình trích ly dầu theo phương pháp Folch 40 3.2.2.2 Thí nghiệm 5: Trích ly dầu bằng hệ dung môi chloroform – methanol theo phương pháp Bligh – Dyer và so sánh với các phương pháp Soxhlet, Folch, ngâm dầm 42 Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45 4.1 Nghiên cứu quá trình trích ly dầu từ tảo với nguồn nguyên liệu tảo khô 45 4.1.1 Thí nghiệm đối chứng: xác định hàm lượng dầu tối đa trong tảo bằng phương pháp chiết Soxhlet với dung môi hexane 45 4.1.2 Thí nghiệm nghiên cứu trích ly dầu từ tảo bằng phương pháp ngâm dầm với

hệ dung môi ethanol – hexane 45 4.1.2.1Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ giữa khối lượng tảo khô và hàm lượng ethanol đến quá trình trích ly dầu bằng phương pháp ngâm dầm. 45 4.1.2.2Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng của ẩm độ tảo đến hiệu suất quá trình trích

ly dầu bằng phương pháp ngâm dầm ethanol – hexane. 49 4.1.2.3 Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ nước thêm vào đến hiệu suất của quá trình trích ly dầu bằng phương pháp ngâm dầm ethanol – hexane 51 4.2 Nghiên cứu quá trình trích ly dầu từ tảo với nguồn nguyên liệu tảo ướt bằng

hệ dung môi Chloroform – Methanol 54 4.2.1 Thí nghiệm 4: Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ chloroform – methanol đến quá trình trích ly dầu theo phương pháp Folch 54 4.2.2 Thí nghiệm 5: Trích ly dầu bằng hệ dung môi Chloroform – Methanol theo phương pháp Bligh – Dyer và so sánh với các phương pháp Soxhlet, Folch và ngâm dầm 58

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 62

5.1 Kết luận 62

5.2 Kiến nghị 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC 66

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

 C:M : Hệ dung môi Chloroform – Methanol

 C:M:H2O : Hỗn hợp dung môi chloroform – methanol - nước

 đvC : đơn vị carbon

 H: Hiệu suất chiết dầu thô

 Htđ: Hiệu suất tương đương

 md: Khối lượng dầu thô

 mtk: Khối lượng tảo khô đem chiết ban đầu

 mtư: Khối lượng tảo ướt

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Một vài hình ảnh về tảo Chlorella

Hình 2.2: Cấu tạo hệ thống chiết Soxhlet

Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống chiết bằng phương pháp ngấm kiệt

Hình 2.4: Phương pháp chiết ngâm dầm

Hình 3.1: Sơ đồ quy trình trích ly dầu bằng phương pháp chiết Soxhlet

Hình 3.2: Quy trình chung chiết dầu từ tảo bằng phương pháp ngâm dầm với hệ dung môi ethanol – hexane

Hình 3.3: Quy trình trích ly dầu theo phương pháp Folch

Hình 3.4: Quy trình trích ly dầu bằng phương pháp Bligh – Dyer

Hình 4.1: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỷ lệ tảo khô : ethanol đến hiệu suất quá trình trích ly dầu bằng phương pháp ngâm dầm

Hình 4.2: Hỗn hợp sau khi lắc tách thành hai lớp

Hình 4.3:Hỗn hợp hexane – dầu tách được từ phễu chiết

Hình 4.4: Dầu thô thu được sau khi sấy khô

Hình 4.5: Đồ thị so sánh hiệu suất chiết dầu thô của phương pháp ngâm dầm ethanol – hexane và phương pháp Soxhlet

Hình 4.6: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của ẩm độ tảo đến quá trình trích ly dầu bằng phương pháp ngâm dầm ethanol – hexane

Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn ảnh của hàm lượng nước thêm vào đến hiệu suất quá trình trích ly dầu bằng phương pháp ngâm dầm ethanol – hexane

Hình 4.8: Đồ thị so sánh hiệu suất chiết dầu thô của phương pháp ngâm dầm ethanol – hexane và phương pháp Soxhlet

Hình 4.9: Đường biểu diễn ảnh hưởng của hàm lượng nước lên hiệu suất chiết dầu

bằng phương pháp ngâm dầm ethanol – hexane

Hình 4.10: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỷ lệ C: M đến hiệu suất của quá trình trích

ly dầu bằng phương pháp Folch

Hình 4.11: Đồ thị so sánh hiệu suất chiết dầu thô của phương pháp chiết ướt (theo quy trình Folch ) và phương pháp chiết Soxhlet

ỗn hợp tách lớp sau khi cho vào phễu chiết

Hình 4.13: Hỗn hợp Chloroform – Dầu trước khi cô quay.

Hình 4.14: Dầu trước và sau khi sấy

Hình 4.15: Đồ thị so sánh hiệu suất chiết dầu của phương pháp Bligh và các phương pháp khác

Hình 4.16: Tảo tươi sau ly tâm sau khi đồng hóa với hệ dung môi C:M

Hình 4.17: Hỗn hợp sau khi lắc với nước

DAN H SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần hoá học chứa trong tảo Chlorella

Bảng 2.2 Thành phần hóa học có trong một số loại tảo

Bảng 2.3 Thành phần acid béo chính của một số loại tảo

B ảng 2.4 Năng suất dầu và diện tích canh tác của một số nguồn dầu thực vật và vi tảo Bảng 2.5 So sánh một số phương pháp trích ly dầu

Bảng 2.6 Các giá trị tham số độ hòa tan Hansen

Bảng 2.7 Tính chất của một số dung môi

Bảng 4.1: Khối lượng dầu thô thu được của thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ tảo khô :

ethanol đến hiệu suất quá trình trích ly dầu bằng phương pháp ngâm dầm

B ảng 4.2: Hiệu suất chiết dầu của thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ tảo khô : ethanol

đến hiệu suất quá trình trích ly dầu bằng phương pháp ngâm dầm ethanol – hexane

Bảng 4.3: Hiệu suất chiết dầu của phương pháp chiết Soxhlet và phương pháp ngâm

dầm ethanol - hexane của thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ tảo khô: ethanol đến hiệu

suất quá trình chiết dầu

Bảng 4.4: Khối lượng dầu thô thu được của thí nghiệm ảnh hưởng của ẩm độ tảo đến

hiệu suất quá trình trích ly dầu bằng phương pháp ngâm dầm ethanol – hexane

Bảng 4.5: Hiệu suất chiết dầu của thí nghiệm ảnh hưởng của ẩm độ tảo đến hiệu suất

quá trình trích ly dầu bằng phương pháp ngâm dầm ethanol – hexane

Bảng 4.6: Khối lượng dầu thô thu được của thí nghiệm ảnh hưởng của hàm lượng

nước thêm vào đến hiệu suất chiết dầu bằng phương pháp ngâm dầm ethanol – hexane

và phương pháp Soxhlet

Bảng 4.7: Hiệu suất chiết dầu của thí nghiệm ảnh hưởng của hàm lượng nước thêm

vào đến hiệu suất chiết dầu bằng phương pháp ngâm dầm ethanol – hexane và của phương pháp Soxhlet

Bảng 4.8: Dầu thô chiết được của thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ C: M đến quá trình

trích ly dầu bằng phương pháp chiết ướt theo quy trình Folch

Bảng 4.9: Hiệu suất chiết dầu thô của thí nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ C: M đến quá

trình trích ly dầu bằng phương pháp chiết ướt theo quy trình Folch

Bảng 4.10: Dầu thô thu được của thí nghiệm chiết dầu theo các phương pháp khác

nhau

Bảng 4.11: Hiệu suất chiết dầu thô của thí nghiệm chiết dầu bằng các phương pháp

khác nhau

Đã có nhiều nghiên cứu trong việc điều chế biodiesel từ tảo lục Người ta trích

ly dầu tảo bằng dung môi hexane từ đó thực hiện phản ứng điều chế biodiesel Tuy nhiên, việc trích ly dầu bằng hexane được thực hiện với nguồn nguyên liệu là tảo khô

bằng phương pháp chiết Soxhlet, phương pháp này tuy trích được dầu với hiệu suất cao nhưng ta phải tốn rất nhiều năng lượng trong việc sấy khô tảo và nhiệt cung cấp cho thiết bị, chưa kể đến việc sử dụng một lượng lớn hexane ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường Do đó, quá trình sản xuất biodiesel sẽ khó khăn và giá thành cao gây khó khăn cho việc đưa vào sử dụng rộng rãi

Vì vậy, hiện nay đang có những nghiên cứu về việc giảm hàm lượng dung môi trong quá trình trích ly nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế, tăng hiệu suất của quá trình trích ly và ít gây tác hại cho con người

Vấn đề đặt ra là phải tìm được phương pháp trích ly dầu bằng một loại dung môi rẻ tiền, ít độc hại cho con người và môi trường, bên cạnh đó hiệu quả phải chấp nhận được Hiện các nhà hóa học đã tìm ra nhiều phương pháp trích ly dầu trong tảo thay thế phương pháp chiết hexane bằng cách sử dụng những hệ dung môi như ethanol – hexane hay chloroform – methanol

Được sự phân công của bộ môn Công Nghệ Hóa Học, dưới sự hướng dẫn của

thầy PGS, TS Trương Vĩnh, chúng tôi thực hiện đề tài: “ Trích Ly Dầu Tảo

Chlorella Vulgaris Bằng Hệ Dung Môi Ethanol - Hexane và Hệ Chloroform –

1.2 Mục đích

Xây dựng quy trình chiết đối với hai hệ dung môi ethanol – hexane và hệ chloroform – methanol So sánh với phương pháp chiết Soxhlet

Tìm ra quy trình chiết tối ưu của mỗi hệ

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng và không ảnh hưởng trong quá trình trích ly

Thay đổi các yếu tố ( tỷ lệ tảo khô : dung môi, ẩm độ ban đầu của nguyên

liệu… ), tìm ra nghiệm thức tối ưu, từ đó xây dựng quy trình chiết tối ưu cho phương pháp chiết ngâm dầm

Bước đầu khảo sát thí nghiệm chiết ướt (thí nghiệm được thực hiện với tảo tươi) theo quy trình Folch, thay đổi tỷ lệ giữa chloroform – methanol từ đó tìm ra tỷ lệ dung môi tối ưu cho quá trình chiết ướt

Thử nghiệm phương pháp chiết ướt cải tiến theo quy trình của Bligh - Dyer, so sánh với nghiệm thức tối ưu của phương pháp Folch và phương pháp ngâm dầm, Soxhlet

Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly dầu

Xây dựng được quá trình chiết tối ưu cho mỗi phương pháp chiết

So sánh hiệu quả của các phương pháp chiết với nhau, từ đó tìm ra phương pháp chiết dầu hiệu quả nhất

Chương 2

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Tảo lục ( Chlorella ) được một nhà sinh vật học người Hà Lan phát hiện ra vào năm 1890, Chlorella là một loài rong đặc biệt, còn được gọi tên khoa học là

Pyrenoidosa ( tên c ấu trúc pyrenoid trong chloroplast ), thuộc họ Oocystaceae, thường

sống ở vùng nước ngọt và có hàm lượng Chlorophyll cao nhất ( đạt 28,9 g / kg ) so với

bất kì thực vật quang hợp nào được biết đến trên trái đất

Chlorella sinh sản với tốc độ vô cùng lớn, quá trình sinh sản nói chung được chia thành nhiều bước: sinh trưởng – trưởng thành – thành thực – phân chia

Tảo lục đơn bào có chứa Chlorophyll a và b, Xanthophyll, hình thái rất đa dạng:

có loại đơn bào, có loại thành nhóm, có loại dạng sợi, có loại dạng màng, có loại dạng ống…phần lớn có màu lục như cỏ Sắc lạp có thể có hình phiến, hình lưới, hình trụ, hình sao…Thường có 2 ÷ 6 thylakoid xếp chồng lên nhau Phần lớn có 1 hay nhiều

pyrenoid nằm trong sắc lạp Nhiệm vụ chủ yếu của pyrenoid là tổng hợp tinh bột Trên sắc lạp của tảo lục đơn bào hay tế bào sinh sản di động của tảo lục có sợi lông roi (tiêm mao) dài bằng nhau và trơn nhẵn Có loại trên bề mặt lông roi có 1 hay vài tầng vảy nhỏ Lông roi của tế bào di động ở tảo lục thường có 2 sợi, một số ít có 4 sợi, 8 sợi hay nhiều hơn Cũng có khi chỉ có 1 sợi lông roi Phần lớn tế bào tảo lục có 1 nhân, một số ít có nhiều nhân Thành tế bào của tảo lục chủ yếu chứa Cellulose

Với những tế bào bình thường, một tế bào Chlorella sẽ phân chia thành 4 tế bào

con trong thời gian chưa đầy 24 giờ, kích thước tảo từ 2 đến 10 µm, tuổi thọ của một

vòng đời tế bào Chlorella phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mặt trời, nhiệt độ và

nguồn dinh dưỡng

( a) ( b)

Hình 2.1: Một vài hình ảnh về tảo Chlorella

Hình 2.1( a ): Cấu trúc tảo Chlorella

Hình 2.1 ( b): Hình thái tảo Chlorella

Trong đó:

Nucleus: Nhân Nuclear envelope: Màng nhân Starch: Tinh bột

Cell walls: Vách tế bào Chloroplast: Thể sắc tố Mitochondria: Ty thể Tảo lục có 3 phương thức sinh sản :

Sinh sản sinh dưỡng: Phân cắt tế bào, phân cắt từng đoạn tảo

Sinh sản vô tính: Hình thành các loại bào tử vô tính như bào tử tĩnh, bào tử động, bào tử tự thân, bào tử màng dày

Sinh sản hữu tính: Đẳng giao, dị giao và noãn giao

Thành phần hoá học của tế bào Chlorella tuỳ thuộc vào môi trường dinh dưỡng

trong quá trình phát triển Tảo có thể phát triển tốt trong môi trường nước có hàm lượng nitrate và photphat cao Thành phần hoá học của các loài tảo lục phụ thuộc nhiều vào sự có mặt của nitơ trong môi trường Khi lượng nitơ trong môi trường thấp

thì hàm lượng protein của Chlorella giảm xuống rõ rệt trong khi lượng carbonhydrate

và lipid lại tăng lên

Bảng 2.1: Thành phần hoá học chứa trong tảo Chlorella [2]

Bảng 2.2: Thành phần hóa học có trong một số loại tảo ( Becker, 1994)

Một số loại tảo Protein Carbohydrates Lipids Nucleic acid

Scenedesmus

obliquus 50-56 10-17 12-14 3-6 Scenedesmus

Bảng 2.3: Thành phần acid béo chính của một số loại tảo [17]

Thành phần acid béo ( %) 16:0 16:1 16:2 16:3 16:4 18:1 18:2 18:3 18:4 20:5 20:6

độ mặn Chlorella rất giàu protein, vitamine và các khoáng chất Các protein của loài

tảo này có chứa tất cả các amino acid cần thiết cho nhu cầu dinh dưỡng của người và

động vật Rất nhiều vitamine có trong thành phần của Chlorella như: vitamine C, tiền

vitamine A, riboflavin, thấy có khả năng kháng tế bào ung bứu, giảm huyết áp, tăng

khả năng miễn dịch ở người Tảo được sử dụng chủ yếu để xử lý môi trường, mỹ phẩm, làm thức ăn cho thuỷ sản, người và động vật trong đó khả năng ứng dụng để sản

xuất biodiesel được đánh giá rất cao

2.1.4.1 Yếu tố hóa học

 pH :

Một thông số quan trọng của môi trường là pH vì pH xác định độ hòa tan của CO2 và muối khoáng ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất ở tảo Thông số này lại phụ thuộc vào thành phần khả năng đệm của môi trường, nhiệt độ cũng như hoạt tính trao đổi chất của tế bào tảo

Hầu hết các giống tảo được nuôi trong môi trường đều có giá trị pH nhất định Thông thường khoảng pH cho phép là 7 ÷ 9 và theo nhiều tài liệu thì pH tối ưu là 8,2 ÷ 8,7 Bên cạnh đó khi thay đổi pH đột ngột có thể làm cho tảo nhanh chóng bị tàn lụi Trong trường hợp nuôi tảo với mật độ cao thì việc bổ sung CO2sẽ giúp điều chỉnh pH thích hợp trong quá trình tảo phát triển, độ pH có thể đạt đến giá trị tới hạn là 9 Nhiều trường hợp việc nuôi trồng tảo thất bại có thể do pH không thích hợp Điều này có thể khắc phục bằng cách sục khí môi trường nuôi ([2], [6], [7])

 Các chất dinh dưỡng trong môi trường nuôi

Các môi trường dinh dưỡng dùng cho nuôi trồng tảo phải dựa theo nhu cầu dinh dưỡng của từng loài tảo Việc xác định chính xác nồng độ của từng yếu tố dinh dưỡng cho một loài nào đó là vô cùng khó khăn Vì môi trường dinh dưỡng tối ưu phụ thuộc rất nhiều vào mật độ quần thể, ánh sáng và pH môi trường Các chất dinh dưỡng đa lượng bao gồm: nitrat, phosphat…Các nguyên tố vi lượng được coi là không thể thay thế đối với sinh trưởng và phát triển của tảo là Fe, Mn, Cu, Zn và Cl Những vi lượng khác có vai trò quan trọng đối với một số nhóm tảo là Co, B, Si,…

2.1.4.2 Yếu tố vật lý

 Nhiệt độ

Mỗi loài tảo thích hợp với nhiệt độ tối ưu và biên độ nhiệt khác nhau tùy theo loài Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng Chính vì vậy, việc chọn các chủng loại tảo chịu nhiệt có ý nghĩa lớn đến năng suất tảo Mặt khác, nhiệt độ thấp cũng ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng của tảo

Nhiệt độ tối ưu cho quá trình nuôi tảo trong khoảng từ 18 ÷ 25o

C mặc dù chúng

có thể thay đổi tùy theo thành phần môi trường nuôi, loài nuôi và dòng nuôi Nhìn chung các loài tảo nuôi thường chịu đựơc nhiệt độ trong khoảng 16 ÷ 27o

C Nhiệt độ thấp hơn 16oC sẽ làm chậm sự tăng trưởng, trong khi đó nhiệt độ tăng cao hơn 35oC sẽ gây thiệt hại cho một số loài [6]

Trong điều kiện tự nhiên nên nuôi cấy Chlorella vào mùa có nhiệt độ ít thay đổi

(khoảng từ tháng 4 ÷ 10, thời gian này nhiệt độ trung bình 25 ÷ 30oC) và chú ý đến nhiệt độ dao động hằng ngày, tạo mọi điều kiện thuận lợi để nhiệt độ không chênh lệch quá nhiều giữa các buổi trong ngày[9]

Nếu cần thiết ta có thể làm mát môi trường nuôi bằng cách cho dòng nước lạnh chảy trên bề mặt của bình nuôi hoặc kiểm soát nhiệt độ không khí bằng các thiết bị điều hòa nhiệt độ[7]

 Khuấy sục môi trường nuôi

Trong quá trình nuôi tảo việc khuấy sục có tác dụng: giúp ngăn ngừa hiện tượng phân tầng nhiệt độ trong dịch nuôi, giúp tế bào tảo tiếp xúc đều với ánh sáng, ngăn ngừa tảo lắng xuống bể, cải thiện trao đổi khí giữa môi trường nuôi và không khí, quan

trọng hơn là cung cấp CO2 cho quá trình quang hợp Trong trường hợp nuôi với mật

độ cao, CO2 từ không khí (chỉ chứa 0,03 % CO2) sẽ làm hạn chế sinh trưởng của tảo

Vì vậy việc bổ sung CO2 tinh khiết với tỉ lệ 1 % thể tích không khí Việc bổ sung CO2

có tác dụng giúp ổn định pH do cân bằng giữa CO2 và H2CO3 Tùy thuộc vào quy mô

của hệ thống nuôi mà ta có thể sục khuấy hằng ngày bằng tay (ống nghiệm, các bình tam giác), sục khí (các túi, các bể) hoặc các guồng hay bơm chạy bằng điện (ao) Tuy nhiên không phải tất cả các loài tảo đều có thể chịu đựng được với chế độ sục khuấy mạnh.[2]

Như vậy, kỹ thuật khuấy sục là vấn đề rất cần được quan tâm nhằm mục tiêu tăng năng suất tảo mà không làm ảnh hưởng tới trạng thái tế bào Về mặt kinh tế, chọn giải pháp khuấy sục sao cho chi phí thấp nhất là yêu cầu đầu tiên[2]

% tổng lượng cường độ chiếu sáng Vì vậy, trong điều kiện ánh sáng có cường độ cao

và thời gian chiếu sáng dài, người ta thấy xuất hiện hiện tượng quang ức chế có thể làm tảo chết hoặc làm giảm đáng kể năng suất nuôi trồng

Cường độ ánh sáng đóng vai trò quan trọng nhưng yêu cầu về cường độ ánh sáng thay đổi rất lớn theo độ sâu của môi trường nuôi và mật độ tảo nuôi Khi nuôi ở

độ sâu lớn và mật độ cao thì cường độ ánh sáng thay đổi từ 1000 ÷ 10000 lux, tối ưu

2500 ÷ 5000 lux tùy vào thể tích Có thể là ánh sáng tự nhiên hoặc ánh sáng của đèn

huỳnh quang, chu kỳ chiếu sáng tối thiểu là 18 h/ngày, tối đa là 24 h/ngày tùy vào thể tích Tuy nhiên không phải tất cả các phiêu sinh vật đều chịu được ánh sáng liên tục nhưng phần lớn các giống tảo làm thức ăn đều chịu được ánh sáng liên tục Điều này không có nghĩa là cứ cung cấp thêm năng lượng ánh sáng cho một dịch nuôi là sinh

khối sẽ tăng

2.1.4.3 Yếu tố sinh học

 Các nguồn gây nhiễm và xử lý nước

Lây nhiễm vi khuẩn, nguyên sinh động vật hoặc của các loài tảo khác là vấn đề khó khắc phục đối với việc nuôi cấy tảo thuần chủng cũng như nuôi cấy vô trùng Các nguồn gây nhiễm phổ biến nhất gồm có môi trường nuôi (nước và các chất dinh

dưỡng), không khí, bình nuôi và tình trạng giống nuôi cấy ban đầu

Tảo bị nhiễm tạp sẽ ức chế về nhiều mặt trong quá trình phát triển dẫn đến sinh

khối đạt được không cao và chất lượng tảo giảm đi rất nhiều, thậm chí không thể sử dụng được Sự cạnh tranh về dinh dưỡng, ánh sáng, CO2 và ảnh hưởng của một số chất độc gây ức chế từ các tác nhân gây nhiễm đối với tảo nuôi là những tác hại chính của

● Sấy khô trước khi sử dụng

Theo cách khác, các ống, bình và bình lớn bằng thủy tinh có thể được khử trùng bằng nồi hấp, có thể sử dụng các bình nuôi dùng một lần rồi vứt bỏ như túi polyetylen

Ngày nay, việc dùng nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel) thay thế dầu mỏ là

vấn đề cấp thiết do nhiên liệu dầu mỏ đang ngày càng cạn kiệt, ngoài ra, đốt nhiên liệu

dầu mỏ còn sinh ra nhiều CO2 gây ảnh hưởng tới môi trường Biodiesel có nồng độ lưu

huỳnh thấp nên khi đốt ít sinh ra CO2, bên cạnh đó, việc sử dụng biodiesel ít gây độc

và đặc biệt là chúng có thể bị phân hủy bởi vi sinh vật

Một trong những nguồn nguyên liệu có thể dùng để sản xuất biodiesel là tảo

biển Ý tưởng sản xuất biodiesel từ tảo biển đã có từ lâu đời, tuy nhiên, gần đây mới được nghiên cứu và phát triển rộng rãi

Ưu điểm của dầu tảo trong việc sản xuất biodiesel:

● Tảo dùng ánh sáng và CO2 để tổng hợp nên năng lượng và carbon nên đây được coi là nguồn năng lượng tái tạo

● Không ảnh hưởng đến an ninh lương thực

● Giảm giá thành sản xuất vì tảo có năng suất sinh khối cao, tốc độ phát triển nhanh và hàm lượng dầu cao từ 15 ÷ 77 %

Bảng 2.4: Năng suất dầu và diện tích canh tác của một số nguồn dầu thực vật và

vi tảo [10]

Từ bảng 2.4 ta thấy, vi tảo là nguồn sản xuất biodiesel tối ưu nhất có thể thay

thế nhiên liệu dầu mỏ Khác với các nguồn dầu từ các cây trồng khác, vi tảo phát triển cực kì nhanh và hàm lượng dầu cao vượt trội ( có thể lên tới 80% )

2.2 Các phương pháp chiết dầu

 Quá trình xảy ra đối với phần lỏng: Đây là quá trình làm dầu thoát ra khỏi các khe vách giữa các bề mặt bên trong cũng như bên ngoài của tế bào Khi bắt đầu ép,

do lực nén các phần tử bột sít lại gần nhau, khi lực nén tăng lên, các phần tử bột bị

biến dạng Các khoảng trống chứa dầu bị thu hẹp lại và đến khi lớp dầu có chiều dày

nhất định, dầu bắt đầu thoát ra Tốc độ thoát dầu phụ thuộc vào độ nhớt của lớp dầu và phụ thuộc vào áp lực ép, độ nhớt càng bé, áp lực càng lớn thì dầu thoát ra càng nhanh

 Quá trình xảy ra đối với phần rắn: Khi lực nén tăng lên, sự biến dạng xảy ra càng mạnh cho đến khi các phần tử liên kết chặt chẽ với nhau thì sự biến dạng không xảy ra nữa Nếu như trong các khe vách không bị giữ lại một ít dầu và áp lực còn có

thể tiếp tục tăng lên thì từ các phần tử bột riêng biệt sẽ tạo thành một khối chắc dính

liền nhau Trên thực tế, áp lực ép cũng chỉ đạt đến một giới hạn nhất định, có một lượng nhỏ dầu còn nằm lại ở những chỗ tiếp giáp nhau, cho nên bột khô dầu vẫn còn

có tính xốp Đặc biệt khi ra khỏi máy ép, tính xốp của bột khô dầu lại tăng lên khi không còn tác dụng của lực nén nữa

Một điều quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả lấy dầu là nếu tốc độ tăng áp lực quá nhanh thì sẽ làm bịt kín các đường thoát dầu làm dầu không thoát ra được, điều này thấy rất rõ ở các máy ép mà trong đó nguyên liệu không được đảo trộn (máy ép

thủ công)

2.2.2.1 Ý nghĩa của phương pháp

Ngày nay, phương pháp trích ly đã được áp dụng rộng rãi vì nó mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn phương pháp ép và có khả năng tự động hóa cao Phương pháp trích ly có thể lấy được triệt để hàm lượng dầu có trong nguyên liệu, hàm lượng dầu còn lại 1,8 %, ít hơn nhiều so với phương pháp ép (hàm lượng dầu trong bã trích ly

khoảng từ 1 ÷ 6 %) Trong thực tế sản xuất, người ta thường kết hợp cả hai phương pháp ép và trích ly Ngoài ra, phương pháp trích ly có thể khai thác được những loại

dầu có hàm lượng bé trong nguyên liệu và có thể khai thác dầu với năng suất lớn Tuy nhiên, do dung môi còn khá đắt tiền, các vùng nguyên liệu nằm rải rác không tập trung nên phương pháp này chưa được ứng dụng rộng rãi trong nước ta

2.2.2.2 Cơ chế của quá trình trích ly [14]

Quá trình trích ly bằng dung môi được biết đến như là một quá trình bao gồm

bốn cơ chế vật lý của các quá trình sau đây:

 Sự tương tác của dung môi với quá trình trao đổi chất trên bề mặt vật liệu trích ly

 Quá trình truyền dung môi bên trong sản phẩm được thực hiện ở thể lỏng bởi

những quá trình khác nhau như: sự mao dẫn, khuếch tán phân tử và gradient của nồng

độ dung môi là động lực cho quá trình này

 Quá trình truyền chất tan ( dầu ) vào dung môi xảy ra bên trong sản phẩm, nó được thực hiện bằng quá trình khuếch tán bên trong vật liệu Gradient của nồng độ chất tan là động lực của quá trình này

 Quá trình chuyển chất tan từ bề mặt vật liệu ra ngoài môi trường dung môi, quá trình này được thực hiện bằng quá trình khuếch tán đối lưu

Để tăng cường hoạt động của quá trình trích ly bằng dung môi, có thể sử dụng các phương pháp sau:

 Quá trình nghiền giúp tăng quá trình trao đổi trên bề mặt cũng như việc hòa tan chất tan trên bề mặt dễ thực hiện hơn

 Quá trình thay đổi cấu trúc bên trong tế bào làm cho chúng có cấu trúc xốp hơn Vì cấu trúc bên trong của thực vật đặc biệt là màng tế bào chất và vách tế bào sẽ

cản trở quá trình truyền khối của chất lỏng, hay quá trình khuếch tán Sự cản trở khuếch tán bởi cấu trúc bên trong tế bào thường được xem là yếu tố chủ yếu hạn chế động học của quá trình trích ly

 Quá trình khuấy trộn cho phép tăng nhanh quá trình truyền chất tan từ các bề

mặt vật liệu vào môi trường dung môi bên ngoài bằng quá trình đối lưu

2.2.2.3 Động học của quá trình trích ly [14]

Một trong các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình chiết là thời gian tiếp xúc pha Trong nhiều hệ chiết thì cân bằng chiết thường không đạt được ngay, thời gian đạt cân bằng còn phụ thuộc vào các điều kiện chiết

Tốc độ chiết phụ thuộc vào tốc độ của các phản ứng hoá học xảy ra bên trong

hệ, nghĩa là phụ thuộc vào tốc độ tạo thành các hợp chất chiết được và tốc độ truyền vật chất – khối lượng giữa hai pha

Ngoài ra, quá trình chiết còn phụ thuộc vào các yếu tố như thành phần pha nước, bản chất dung môi, nhiệt độ, pH …

2.2.2.4 Cơ sở lý thuyết của quá trình trích ly

Quá trình trích ly được dựa trên tính hòa tan tốt của dầu trong dung môi hữu cơ không phân cực (chẳng hạn xăng, n-hexan, dicloetan…) Độ hòa tan vào nhau của hai chất lỏng phụ thuộc vào hằng số điện môi, hai chất lỏng có hằng số điện môi càng gần nhau thì khả năng hòa tan vào nhau càng lớn Dầu có hằng số điện môi từ 2 ÷ 3, các dung môi hữu cơ có hằng số điện môi từ 2 ÷ 10, do đó có thể dùng các dung môi hữu

cơ để ly trích dầu chứa trong nguyên liệu

Trích ly là quá trình chuyển dần phân bố bên trong cũng như mặt ngoài các cấu trúc vật thể rắn như hạt, bột có dầu vào pha lỏng dung môi, là một quá trình truyền khối xảy ra trong lớp chuyển động, do sự chênh lệch nồng độ dầu trong nguyên liệu và dòng chảy bên ngoài Vì vậy, bản chất của quá trình trích ly là một quá trình là một quá trình ngâm chiết hòa tan, làm chuyển dầu từ trong nguyên liệu vào dung môi, thực

hiện bằng khuếch tán đối lưu, sau đó tiếp tục thẩm thấu qua vách tế bào

2.2.2.5 Các nhân tố ảnh hưởng đến vận tốc và độ kiệt dầu khi trích ly [13]

 Mức độ phá vỡ cấu trúc tế bào nguyên liệu là yếu tố cơ bản thúc đẩy quá trình trích ly nhanh chóng và hoàn toàn, tạo điều kiện cho nguyên liệu tiếp xúc triệt để

với dung môi

 Kích thước và hình dạng của hạt ảnh hưởng nhiều đến vận tốc chuyển động

của dung môi qua lớp nguyên liệu, từ đó xúc tiến nhanh hoặc làm chậm quá trình trích

ly Nếu bột trích ly có kích thước và hình dạng thích hợp, sẽ có được vận tốc chuyển động tốt nhất của dung môi vào trong các khe vách cũng như các hệ mao quản của nguyên liệu

 Nhiệt độ của bột trích ly: bản chất của quá trình trích ly là quá trình khuếch tán, vì vậy khi tăng nhiệt độ, quá trình khuếch tán sẽ được tăng cường do độ nhớt của

dầu trong nguyên liệu giảm làm tăng vận tốc chuyển động của dầu vào dung môi

Tuy nhiên, sự tăng nhiệt độ cũng phải có giới hạn nhất định, nếu nhiệt độ quá cao sẽ gây tổn thất nhiều dung môi và gây biến tính dầu Khi đun dung môi đến nhiệt

độ sôi sẽ tạo ra một lượng lớn các bọt khí có khả năng phá vỡ thành tế bào chứa dầu và

do đó, vận tốc khuếch tán phân tử cũng tăng lên

 Độ ẩm của nguyên liệu trích ly: khi tăng lượng ẩm sẽ làm chậm quá trình khuếch tán và làm tăng sự kết dính các hạt bột trích ly do ẩm trong bột trích ly sẽ tương tác với protein và các chất ưa nước khác, ngăn cản sự thấm sâu của dung môi

thấm sâu vào bên trong của các hạt bột trích ly, làm chậm quá trình khuếch tán phân tử

và đối lưu

 Vận tốc chuyển động của dung môi trong lớp bột trích ly gây ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán phân tử và đối lưu Tăng vận tốc chuyển động của dung môi sẽ làm tăng mức chênh lệch nồng độ của mixen trong lớp nguyên liệu Từ đó, rút ngắn được thời gian trích ly, tăng năng suất thiết bị

 Tỉ lệ giữa dung môi và nguyên liệu ảnh hưởng đến vận tốc trích ly, lượng bột trích ly càng nhiều càng cần nhiều dung môi

2.2.2.6 Vai trò của siêu âm trong trích ly

 Nguyên tắc

Siêu âm là âm thanh có tần số nằm ngoài ngưỡng nghe của con người (16 Hz ÷

18 kHz) Về mặt thực hành, siêu âm được chia làm hai vùng:

○ Vùng có tần số cao (5 ÷ 10 MHz): ứng dụng trong y học để chuẩn đoán bệnh

○ Vùng có tần số thấp hơn (20 ÷ 100 kHz): ứng dụng trong các ngành khác (kích hoạt phản ứng hóa học, hàn chất dẻo, tẩy rửa, cắt gọt…) dựa trên khả năng cung cấp năng lượng của siêu âm

Siêu âm cung cấp năng lượng thông qua hiện tượng tạo và vỡ bọt (khoảng cách liên phân tử) Trong môi trường chất lỏng, bọt có thể hình thành trong nửa chu kỳ đầu

và vỡ trong nửa chu kỳ sau, giải phóng một năng lượng rất lớn Năng lượng này có thể

sử dụng tẩy rửa chất bẩn ngay trong những vị trí không thể tẩy rửa bằng phương pháp

thông thường, khoan cắt những chi tiết tinh vi, hoạt hóa nhiều loại phản ứng hóa học, làm chảy và hòa tan lẫn vào nhau trong việc chế tạo những sản phẩm bằng nhựa nhiệt

dẻo…

 Hiện tượng tạo bọt và vỡ bọt

Trong lĩnh vực hợp chất thiên nhiên, siêu âm chủ yếu sử dụng để hỗ trợ cho phương pháp tẩm trích giúp thu ngắn thời gian ly trích Trong một số trường hợp, phương pháp siêu âm cho hiệu suất cao hơn phương pháp khuấy từ Trong trường hợp tinh dầu qua sự ly trích bằng siêu âm được thực hiện ở nhiệt độ phòng nên sản phẩm luôn có mùi thơm tự nhiên

 Các thiệt bị siêu âm hiện nay chủ yếu bao gồm hai dạng:

○ Bồn siêu âm

○ Thanh siêu âm

Siêu âm có thể tạo ra nhiệt độ cao như nhiệt độ của bề mặt mặt trời và áp suất

lớn như áp suất dưới lòng đại dương Siêu âm được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như trong gia đình, y khoa, công nghiệp, hóa chất…trong một vài trường hợp, sóng siêu âm có thể làm tăng độ phản ứng hóa học lên gần một triệu lần

mẫu chiết đặt trong nồi và ra khỏi nồi để đi đến bộ phận giảm áp Tại bộ phận giảm áp,

áp suất bị hạ xuống đưa đến hệ quả là chất lỏng siêu tới hạn CO2 sẽ hóa thành khí CO2, khí này được dẫn trả vế máy bơm để tiếp tục quá trình chiết còn chất chiết sẽ kết tủa xuống và được dẫn vào bộ phận tiếp nhận thành phẩm đã chiết được

 Ưu và nhược điểm của phương pháp

Chiết được với các hợp chất nhạy với nhiệt độ

Thân thiện với môi trường

Nhược điểm:

Thiết bị phải chuyên dụng, đắt tiền

Không thích hợp với mẫu chiết dạng lỏng

2.2.3.2 Phương pháp chiết Soxhlet [12]

 Dụng cụ:

Gồm một bình cầu A đặt trên bếp đun có thể chỉnh nhiệt độ Một bộ phận chứa

mẫu bột nguyên liệu gồm 3 ống: ống D có đường kính lớn được đặt ở giữa để chứa bột nguyên liệu Ống B có đường kính trung bình để dẫn dung môi từ bình A bay lên đi vào bình D chứa bột nguyên liệu Ống E có đường kính nhỏ là ống thông nhau để dẫn dung môi từ bình D trả ngược lại bình cầu A, trên cao nhất là bộ phận ngưng tụ hơi dung môi bay lên.( cấu tạo như hình 2.2)

 Cách thức thực hiện:

Bột nguyên liệu đã được sấy khô và ở dạng mịn, hỗn hợp bột này được cho vào túi vải để thuận tiện cho việc lấy khối bột ra khỏi ống Lượng bột trong ống D không được cao vượt quá mức cong của ống thông nhau E

Rót dung môi đã lựa chọn vào bình cầu, kiểm tra hệ thống kín, mở nước chảy hoàn lưu trong bộ phận ngưng tụ hơi dung môi

Cắm bếp điện và điều chỉnh nhiệt độ sao cho trong bình cầu sôi nhẹ Dung môi tinh khiết khi đun nóng tới nhiệt độ đạt được điểm sôi sẽ bốc hơi lên cao, hơi dung môi theo ống B lên cao đến bộ phận ngưng tụ, hơi dung môi được làm lạnh, ngưng tụ thành

thể lỏng, rớt xuống túi vải chứa bột nguyên liệu

Dung môi ngấm vào bột nguyên liệu và chiết những chất hữu cơ có thể hòa tan vào dung môi Theo quá trình đun nóng, lượng dung môi rơi vào túi vải càng nhiều,

mức dung môi dâng lên cao trong ống D và đồng thời cũng dâng cao trong ống E (ống thông nhau) Đến mức cao nhất trong ống E, dung môi sẽ hút về bình cầu A, lực hút này sẽ rút hết lượng dung môi đang chứa trong ống D

Bếp vẫn tiếp tục đun và một quy trình mới vận chuyển dung môi như ban đầu các hợp chất được hút xuống bình cầu và nằm tại đó, chỉ có dung môi tinh khiết là bốc hơi bay lên để tiếp tục quá trình chiết Tiếp tục cho đến khi chiết kiệt các chất trong

cầu thu được cao chiết

Hình 2.2: Cấu tạo hệ thống chiết Soxhlet

 Ưu và nhược điểm của phương pháp

 Ưu điểm:

Tiết kiệm dung môi, không phải trãi qua công đoạn lọc

Là phương pháp chiết kiệt

 Nhược điểm:

Giới hạn lượng mẫu chiết

Vì chất chiết ra được trữ trong bình cầu được gia nhiệt nên có thể bị biến tính Giá thành khá cao, thiết bị phức tạp

2.2.3.3 Phương pháp ngấm kiệt [13]

 Dụng cụ:

Gồm một bình thủy tinh hình trụ đứng, dưới đáy là một van khóa để điều chỉnh

vận tốc của dung dịch chảy ra Một bình chứa đặt bên dưới để hứng dung dịch chiết Phía trên cao của bình ngấm kiệt là bình lắng để chứa dung môi tinh khiết

Từ từ rót dung môi cần chiết vào bình cho đến khi dung môi phủ xấp xấp phía trên lớp mặt, có thể sử dụng dung môi nóng hoặc nguội

Để yên sau một thời gian, thường là 12 ÷ 24 giờ Mở van bình ngấm kiệt cho dung dịch chiết chảy xuống bình ngấm kiệt Điều chỉnh sao cho vận tốc dung môi tinh khiết chảy vào bình ngấm kiệt bằng với dung dịch chiết chảy ra khỏi bình này

Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến vì không đòi hỏi thiết bị tốn kém, phức tạp Vì đây là quá trình chiết liên tục, dung môi trong bình ngấm kiệt đã bão hòa

mẫu chiết sẽ được thay thế liên tục bằng dung môi tinh khiết

Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống chiết bằng phương pháp ngấm kiệt

2.2.3.4 Phương pháp ngâm dầm

Kỹ thuật ngâm dầm cũng tương tự như kỹ thuật chiết ngấm kiệt nhưng không đòi hỏi thiết bị phức tạp, vì vậy có thể dễ dàng thao tác với một lương lớn mẫu Ngâm bột nguyên liệu trong một bình chứa bằng thủy tinh hoặc bằng thép không rỉ, lưu ý bình có phải có nắp đậy Tránh sử dụng bình bằng nhựa vì dung môi hữu cơ có thể hòa tan một ít nhựa, gây nhầm lẫn đó là hợp chất có chứa trong nguyên liệu

Rót dung môi tinh khiết vào bình cho đến xấp xấp bề mặt lớp bột nguyên liệu

Giữ yên ở nhiệt độ phòng trong vòng một đêm hoặc một ngày, để cho dung môi xuyên

thấm vào cấu trúc tế bào nguyên liệu cần chiết và hòa tan các hợp chất chứa trong nó Sau đó, dung dịch chiết được lọc ngang qua một tờ giấy lọc, thu hồi dịch lọc ta sẽ có được cao chiết

Rót dung môi mới vào bình chứa mẫu và tiếp tục chiết thêm một vài lần nữa cho đến khi chiết kiệt mẫu

Có thể gia tăng hiệu quả của sự chiết bằng cách thỉnh thoảng đảo trộn, xốc đều

lớp nguyên liệu hoặc có thể gắn bình vào máy lắc để lắc nhẹ ( chú ý không để nắp bình

bị bung ra làm dung dịch chiết bị trào ra ngoài )

Mỗi lần ngâm dầm dung môi chỉ cần 24 giờ là đủ vì với một lượng dung môi cố định trong bình, mẫu chất chỉ hòa tan được vào dung môi đạt đến mức bão hòa, không

thể hòa tan thêm đươc nhiều hơn, có ngâm lâu hơn cũng chỉ mất thời gian nên ta cần chiết nhiều lần, mỗi lần chiết một lượng ít dung môi

Hình 2.4: Phương pháp chiết ngâm dầm

Thiết bi đơn giản Trích được lượng

mẫu lớn

Nhược điểm

Giới hạn lượng nguyên liệu

Hợp chất chiết được

có thể bị biến tính

bởi nhiệt

Thiết bị phức tạp, khó gia công, giá thành cao

Thiết bị cũng khá

phức tạp

Mất nhiều thời gian

Hiệu quả không cao

bằng các phương pháp khác

Mất nhiều thời gian Liên tục châm dung môi mới

Phải trải qua công đoạn lọc

2.3 Tổng quan về dung môi [13]

Trong rất nhiều trường hợp thì bản chất dung môi hữu cơ gây ảnh hưởng lớn đến quá trình chiết tách Tùy vào tính chất của chất mà ta muốn phân lập mà ta chọn

loại dung môi phù hợp, thông thường các chất mà ta muốn chiết có tính phân cực khác nhau ( tùy loại chất là ái dầu hay ái nước ) vì vậy mà ta lựa chọn các loại dung môi hữu cơ có độ phân cực khác nhau Dựa trên nguyên tắc chung là các chất giống nhau

sẽ hòa tan vào nhau, nghĩa là dung môi không phân cực sẽ hòa tan các hợp chất không phân cực, dung môi phân cực trung bình sẽ hòa tan các hợp chất phân cực trung bình

và dung môi phân cực mạnh sẽ hòa tan các hợp chất có tính phân cực

Căn cứ vào tính phân cực của dung môi và của các hợp chất tự nhiên ta có thể

dự đoán sự hiện diện của các hợp chất mà ta chiết được với những loại dung môi khác nhau Nếu được gia nhiệt, khả năng hòa tan của dung môi hữu cơ có thể tăng lên và hòa tan được những chất có tính phân cực hơn nó

Khi cần chiết lấy toàn bộ các hợp chất có trong mẫu, người ta thường hay sử

dụng dung môi là alcohol 80% ( thường là ethanol hoặc methanol), vì loại dung môi này có khả năng thấm xuyên qua màng tế bào thực vật cũng như có thể tạo liện kết hydrogen liên phân tử với các nhóm phân cực khác, vì vậy chúng được xem là dung môi vạn năng, có thể chiết được các hợp chất phân cực mạnh, vừa và yếu Tuy nhiên, muốn chiết các chất béo trong nguyên liệu thì tốt nhất nên sử dụng hexane

Dung môi có thể được chia thành hai loại: phân cực và không phân cực Nói chung, hằng số điện môi của dung môi phản ánh sơ bộ tính phân cực của dung môi Tính phân cực mạnh của nước được lấy làm chuẩn, ở 25 °C, hằng số điện môi là 78,5 Các dung môi có hằng số điện môi nhỏ hơn 15 thường được coi là không phân cực

Độ phân cực, moment lưỡng cực, hệ số phân cực và liên kết hydro của một dung môi quyết định dung môi đó có thể được hòa tan với những loại hợp chất nào và

có thể được trộn lẫn với những dung môi hoặc hợp chất dạng lỏng nào khác

Khi biết các giá trị tham số độ hòa tan Hansen dựa trên δD ( liên kết phân tán),

δP ( liên kết phân cực) và δH ( liên kết hydro), chúng ta sẽ nắm được những thông tin quan trọng về sự tương tác liên phân tử của dung môi này với các dung môi, polyme, sắc tố, các hạt nano khác… để phục vụ hai mục đích Trước tiên, chúng ta có thể tạo ra các công thức tỷ lệ, ví dụ như tỷ lệ phù hợp giữa một dung môi và một polyme Thứ hai, có thể tạo ra sự thay thế tỷ lệ cho các dung môi “tốt” (hòa tan tốt các chất) từ các dung môi “xấu” (vì mục đích môi trường, sức khỏe hay giá thành…)

Bảng 2.6 Các giá trị tham số độ hòa tan Hansen

Dung môi Công thức hóa học Phân tán (δD) Phân cực (δP) Liên kết hydro

Acetone CH3-C(=O)-CH3 15,5 10,4 7,0 Acetonitrile (MeCN) CH3-C≡N 15,3 18,0 6,1 Dimethylformamide

(DMF) H-C(=O)N(CH3)2 17,4 13,7 11,3 Dimethylsulfoxide

(DMSO) CH3-S(=O)-CH3 18,4 16,4 10,2 Acetic acid CH3-C(=O)OH 14,5 8,0 13,5 n-Butanol CH3-CH2-CH2-CH2-OH 16,0 5,7 15,8 Isopropanol CH3-CH(-OH)-CH3 15,8 6,1 16,4 n-Propanol CH3-CH2-CH2-OH 16,0 6,8 17,4

Formic acid H-C(=O)OH 14,6 10,0 14,0

2.3.1 Một số tính chất của dung môi

♦ Điểm sôi:

Một trong những tính chất quan trọng của dung môi là điểm sôi Tính chất này cũng xác định tốc độ bay hơi Một lượng nhỏ dung môi có điểm sôi thấp như diethyl ether, dichloromethane, hoặc acetone sẽ bay hơi trong vài giây ở nhiệt độ phòng, trong khi đối với các dung môi có điểm sôi cao như nước hoặc dimethyl sulfoxide, muốn bốc hơi nhanh cần có nhiệt độ cao hơn, sự lưu thông không khí, hoặc sử dụng môi trường chân không

Điểm sôi thấp: Nhiệt độ sôi dưới 100 °C (điểm sôi của nước)

Điểm sôi trung bình: 100 °C ÷ 150°C

Điểm sôi cao: trên 150 °C

♦ Tỷ trọng :

Hầu hết các dung môi hữu cơ đều có tỷ trọng thấp hơn nước, có nghĩa là chúng

nhẹ hơn và sẽ hình thành một lớp riêng biệt trên bề mặt của nước Tuy nhiên có một ngoại lệ là hầu hết các dung môi halogen như dichloromethane hoặc chloroform sẽ chìm xuống đáy của bình chứa và nước sẽ nổi lên trên Điều này là rất quan trọng và

cần ghi nhớ khi phân tách các hợp chất giữa dung môi và nước trong một phễu chiết tách trong quá trình tổng hợp hóa học

♦ Tính cháy :

Hầu hết các dung môi hữu cơ đều dễ cháy hoặc rất dễ cháy, tùy thuộc vào tính

dễ bay hơi của chúng Trường hợp ngoại lệ là một số dung môi clo hóa như dichloromethane và chloroform Hỗn hợp của hơi dung môi và không khí có thể phát

nổ Hơi dung môi nặng hơn không khí, chúng sẽ chìm xuống đáy và có thể di chuyển trong một khoảng cách lớn mà gần như không bị pha loãng