Đặc biệt, việc sử dụng vi tảo nhằm sản xuất nhiên liệu sinh học đang là mục tiêu chúng ta nhắm tới trong tương lại gần.. Nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học là một phần của năng lượ
Trang 1Mục lục
LỜI MỞ ĐẦU 2
CHƯƠNG I: NHIÊN LIỆU SINH HỌC LÀ GÌ? 4
1 Nhiên liệu sinh học 4
2 Diesel sinh học 5
2.1 Nguồn gốc và vai trò 5
2.2 Tính chất của biodiesel 6
2.3 Hạn chế của biodiesel 7
CHƯƠNG II: ỨNG DỤNG NUÔI CẤY VI TẢO TRONG SẢN XUẤT DIESEL SINH HỌC 8
1 Nanochloropsis Oculata 8
1.1 Phân loại 8
1.2 Đặc điểm, hình thái 8
1.3 Đặc điểm sinh lý 8
1.4 Đặc điểm sinh hóa 9
2 Chiết xuất dầu từ tảo 9
3 Kết quả đạt được 10
KẾT LUẬN 12
TÀI LIỆU THAM KHẢO 13
Trang 2LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, con người đang phải đối mặt với vấn đề quan trọng, đó là môi trường và sự khủng hoảng năng lượng Đối với môi trường, sự nóng lên của Trái Đất chính là tâm điểm Mọi người đều biết rằng, sử dụng nhiên liệu hóa thạch chính là nguyên nhân gây nên sự nóng lên của toàn cầu Vì vậy nguồn năng lượng sạch có khả năng tái sinh, sản xuất từ sinh khối nhằm thay thế cho nguyên liệu hóa thạch là rất cần thiết để giảm lượng khí thải CO2 Ngoài ra, sự khủng hoảng năng lượng khiến cho tình hình sử dụng năng lượng trong gia đình và khu vực cũng bị ảnh hưởng [5]
Trong những năm cuối cùng của thế kỉ 20, các nhà sinh học đã cố gắng tìm kiếm những cơ chế đặc thù của các quá trình sinh học cơ bản nhất nhằm chi phối toàn bộ thế giới sinh vật Đồng thời phát hiện ra các nhóm sinh vật có tốc độ sinh trưởng nhanh Vi
tảo (Microalgae) là những sinh vật bậc thấp có trong sự chú ý đó vì chúng không chỉ có
những cơ chế đặc thù mà còn sinh trưởng và phát triển cực kì nhanh Hàng năm có đến
200 tỉ tấn chất hữu cơ được tạo thành trên toàn thế giới Trong số đó 170 - 180 tỉ tấn là
do tảo tạo thành Vi tảo chiếm 1/3 sinh khối của thực vật trên trái đất [1]
Xét về khía cạnh, việc sử dụng năng lượng sạch lấy từ thiên nhiên hoàn toàn không xa lạ Con người đã sử dụng năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy điện… để thay thế cho các nguyên liệu hóa thạch Tuy nhiên việc sử dụng các nguồn năng lượng này cần điều kiện thời tiết thuận lợi, không gian rộng, chi phí đầu tư cao, dễ phát sinh nhiều vấn đề như thủy điện Vì vậy, vấn đề sử dụng các nguồn năng lượng này chưa được giải quyết một cách triệt để Mục tiêu quan trọng được đưa ra đó là tạo ra và phát triển một nguồn năng lượng thiên nhiên có thể giải quyết tất cả được những vấn đề nêu trên Trên cơ sở đó, nhiên liệu sinh học ra đời và đang được xem là một cộng tác viên thực sự Đặc biệt, việc sử dụng vi tảo nhằm sản xuất nhiên liệu sinh học đang là mục tiêu chúng ta nhắm tới trong tương lại gần
Trong sản xuất nhiên liệu sinh học, có rất nhiều vấn đề nhỏ Tuy nhiên, tôi chọn vấn đề “Ứng dụng vi tảo trong việc sản xuất diesel sinh học (biodiesel)” để làm đề tài cho bài tiểu luận này
Tiểu luận “Ứng dụng vi tảo trong việc sản xuất diesel sinh học (biodiesel)” gồm 3 phần:
Phần 1: Lời mở đầu
Trang 3Phần 2: Nội dung
Chương I: Giới thiệu nhiên liệu sinh học và diesel sinh học
Chương II Ứng dụng nuôi cấy vi tảo trong việc sản xuất diesel sinh học Phần 3: Kết luận
Trang 4CHƯƠNG I: NHIÊN LIỆU SINH HỌC LÀ GÌ?
1 Nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học là một phần của năng lượng tái tạo (Renewable), là loại nhiên được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động, thực vật Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,…), ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, trấu, bã mía…), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải…) Nhiên liệu sinh học bao gồm dầu diesel sinh học (biodiesel) và rượu ethanol sinh học (bioethanol)
Theo dự báo trữ lượng dầu thô trên thế giới sẽ cạn kiệt vào khoảng từ năm 2050 –
2060 Các vấn đề như an toàn nguồn năng lượng và đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu; tình trạng hiệu ứng nhà kính do khí thải, những tiến bộ của khoa học và công nghệ của nhân loại đang đặt ra cho các nước trên thế giới phải quan tâm đến việc sản xuất và
sử dụng nhiên liệu sinh học Na Uy vốn là nước vốn xuất khẩu dầu mỏ cũng có tới 50% năng lượng được cung cấp từ nguồn nhiên liệu sinh học Mỹ cũng đặt ra kế hoạch làm giảm sự phụ thuộc của nền kinh tế vào dầu mỏ [4]
Hiện nay trên thế giới có 50 nước có chương trình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học Các nước APEC đã chọn nhiên liệu sinh học thay thế cho nhiên liệu hóa thạch Theo dự báo của các chuyên gia, đến năm 2025, thế giới sẽ sử dụng 12% nhiên liệu sinh học trong toàn bộ nhu cầu năng lượng Đến năm 2050, EU sẽ sử dụng 20% nhiên liệu sinh học [4]
Nhiên liệu sinh học có các ưu thế sau so với các dạng năng lượng truyền thống: + Giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính;
+ Tạo cơ sở cho an ninh năng lượng;
+ Bảo vệ nguồn nước, không khí và nguồn lợi rừng;
+ Phát triển kinh tế nông thôn;
Nhiên liệu sinh học được phân loại thành các nhóm chính là: Diesel sinh học, xăng sinh học và khí sinh học
Sơ đồ 1: Ứng dụng sinh khối tạo năng lượng sinh học [3]
Trang 52 Diesel sinh học
2.1 Nguồn gốc và vai trò
Biodiesel – hay còn gọi là diesel sinh học – là thuật ngữ dùng để chỉ loại nhiên liệu dùng cho động cơ diesel, được làm từ dầu thực vật hay metyl ester tinh khiết từ dầu thực vật hay mỡ động vật Trong lịch sử dầu thực vật đã từng được dùng để làm nhiên liệu cho động cơ vào những năm 1900 Tuy nhiên, vào thời điểm đó, nguồn năng lượng dầu mỡ rẻ tiền chưa thật sự cần thiết Cho đến khi giá nhiên liệu tăng lên, nguy cơ thiếu hụt nhiên liệu ngày càng tăng thì việc tìm kiếm nguồn thay thế mới trở nên cần thiết
Biodiesel được sản xuất thông qua quá trình chuyển ester của các rượu nhẹ, chủ yếu là methanol và tri – glycerides tự nhiên có trong dầu mỡ hoặc mỡ động vật
Hiện tại, có rất nhiều nguồn dầu đang được sử dụng để sản xuất diesel sinh học Braxin đang là một trong những nước dẫn đầu trong việc sản xuất biodiesel sử dụng đậu tương làm nguồn nguyên liệu chính để sản xuất diesel sinh học Nhưng các nguồn khác chẳng hạn như hướng dương, thầu dầu, dầu mè và dầu dừa, dầu Olive, dầu lạc, dầu bông, hạt cải dầu…[1] và một số mỡ động vật đang bắt đầu được sử dụng và hoặc đánh giá đúng về vai trò của chúng
Trang 6Theo EPA, chương trình phân tích tác động môi trường, dầu diesel sinh học từ đậu nành, trung bình một năm giảm 57% khí gây hiệu ứng nhà kính so với diesel hóa thạch,
và dầu diesel sinh học sản xuất từ mỡ thải trong một năm giảm 86% Hàm lượng các khí thải độc hại như CO, Nox, Sox, hidrocarbon đều giảm đi đáng kể khi sử dụng nhiên liệu sinh học Ngoài ra nhiên liệu sinh học còn có khả năng phân hủy sinh học nhanh, ít gây ô nhiễm đất và nguồn nước
Mức độ ảnh hưởng của diesel sinh học tới sức khỏe con người cũng thấp hơn so với diesel hóa thạch Trong thử nghiệm gần đây cho thấy hầu hết các hợp chất PAH đã giảm 75 – 85%, ngoài trừ Benzo (a Anthracen), giảm khoảng 50% Các hợp chất nitro – PHAs cũng giảm đáng kể so với nhiên liệu diesel sinh học (với 2 introflourene và 1 nitropyrene) giảm 90% [1]
Dầu diesel sinh học có tính bôi trơn tốt và chỉ số cetane (CN) cao Chỉ số cetane là một thước đo của sự chậm trễ đánh lửa của nhiên liệu, khoảng thời gian khi bắt đầu tiêm
và khi bắt đầu của sự cháy lửa của nhiên liệu Trong một động cơ diesel, nhiên liệu có chỉ số cetane cao hơn sẽ có thời gian đánh lửa chậm trễ ngắn hơn và do đó, dộng cơ diesel làm việc hiệu quả hơn Có thể sử dụng trong động cơ đốt trong và có thể pha trộn với petrodiesel ở bất kì tỷ lệ nào An toàn trong bảo quản và vận chuyển, bôi trơn động
cơ tốt hơn, làm động cơ êm hơn do đó việc sử dụng phun nhiên liệu thọ hơn
Sản xuất và sử dụng biodiesel tương đối đơn giản hơn so với các dạng nhiên liệu khác mới như hidro, pin nhiên liệu, LPG, không đòi hỏi những thiết bị và công nghệ đắt tiền Công nghệ sản xuất biodiesel không phức tạp, có thể sản xuất ở quy mô nhỏ (hộ gia đình) đến quy mô lớn Việc sử dụng nhiên liệu sinh học cũng sẽ nâng cao ý thức tiết kiệm năng lượng cho công đồng do nhận thức về nguồn nhiên liệu có nguồn gốc từ thực phẩm [1]
Phát triển nhiên liệu sinh học giúp các quốc gia chủ động, không bị lệ thuộc vào vấn đề nhập khẩu nhiên liệu, đặc biệt với những quốc gia không có nguồn dầu mỏ và than đá; đồng thời kiềm chế sự gia tăng giá dầu, ổn định tình hình năng lượng cho thế giới Do được sản xuất từ nguồn nguyên liệu tái tạo, biodiesel thật sự là sự lựa chọn ưu tiên cho các quốc gia trong vấn đề an ninh năng lượng Hơn nữa việc phát triển nhiên liệu sinh học trên cơ sở tận dụng các nguồn nguyên liệu sinh khối khổng lồ sẽ là một đảm bảo
an ninh năng lượng cho các quốc gia
2.2 Tính chất của biodiesel
Trang 7Biodiesel là một chất lỏng thay đổi màu sắc – giữa vàng và nâu đen – tùy thuộc vào nguyên liệu sản xuất Nó không hòa tan trong nước, có điểm sôi cao và áp suất hơi thấp Các điểm bắt cháy của dầu diesel sinh học (>130oC, >266oF) là cao hơn đán gkeer
so với diesel hóa thạch (64oC, 147oF) hoặc xăng (-45oC, -52oF) Khối lượng riêng của các dạng năng lượng diesel phụ thuộc vào nguyên liệu sử dụng hơn là quá trình sản xuất thông thường, khoản 0,88g/cm, thấp hơn so với nước
2.3 Hạn chế của biodiesel
Mặc dù có nhiều ưu điểm như vậy, nhưng không có nghĩa là biodiesel không có hạn chế Trên thực tế, việc sử dụng nhiên liệu chứa nhiều hơn 5% biodiesel có thể gây nên những vấn đề sau: Ăn mòn các chi tiết của động cơ và tạo cặn trong bình nhiên liệu
do tính dễ bị oxi hóa của biodiesel; làm hư hại nhanh các vòng đệm cao su do sự không tương thích giữa biodiesel với chất liệu làm vòng đệm
Nhiệt độ đông đặc của biodiesel phụ thuộc vào nguyên liệu sản xuất nhưng nói chung là cao hơn nhiều so với dầu diesel thành phẩm Điều này ảnh hưởng rất lớn đến việc sử dụng biodiesel ở các vùng lạnh Biodiesel không bền do rất dễ bị oxi hóa nên gây nhiều khó khăn trong việc bảo quản Theo khuyến cáo của NBB thì không nên sử dụng B20 sau 6 tháng bảo quản trong khi hạn sử dụng của dầu diesel thông thường có thể lên đến 5 năm
Bên cạnh đó, để sản xuất biodiesel ở quy mô lớn cần phải có nguồn nguyên liệu dồi dào và ổn định Việc thu gom dầu ăn phế thải không khả thi lắm do số lượng hạn chế, lại phân tán nhỏ lẻ Những nguồn nguyên liệu có thể chế biến thành dầu ăn (hướng dương, cải dầu, cọ…) thì giá thành cao, sản xuất biodiesel không kinh tế Vả lại diện tích đất nông nghiệp cho việc trồng cây lấy dầu ăn là có hạn Để giải quyết vấn đề này, trên thế giới đang có xu hướng phát triển những loại cây có tính công nghiệp cao như cây dầu
mè, hoặc những loại cho năng suất cao như tảo (Microalgae).
Trang 8CHƯƠNG II: ỨNG DỤNG NUÔI CẤY VI TẢO TRONG SẢN XUẤT DIESEL
SINH HỌC
Mặc dù trên thế giới đã tiến hành sản xuất biodiesel từ nhiều loại vi tảo, tuy nhiên,
trong bài tiển luận này, tôi chỉ trình bày về ứng dụng của vi tảo Nanochloropsis Oculata.
1 Nanochloropsis Oculata
1.1 Phân loại
Nanochloropsis Oculata thuộc vào lớp Tảo Eustigmatophyceae, bộ Eustigmatales,
họ Monodopsidaceae, chi Nannochloropsis
Sự phân loại loài tảo này đã từng mắc phải nhiều nhầm lẫn Đây là loài tảo có kích thước rất nhỏ (<5 micromet), màu hơi xanh, không có giai đoạn giao tử chuyển động để sinh sản hữu tính Khi phân loại hình thái cơ thể sinh vật của chi tảo này, các nhà khoa học đã xem xét dựa trên những nhóm chính đó là: Chlorophyceae, Trybophyceae, và Eustigmatophyceae Nanochloropsis được Droop phát hiện ra vào năm 1955 tại những vùng nước lợ bề mặt trong các hồ giữa những rặng đá Antia và các cộng sự [6] đã phát hiện ra những điểm không tương thích trong sự phân loại của Droop dựa trên cơ sở thành phần các hợp chất trong lục lạp và vi cấu trúc Qua đó N Coccoides được xếp vào lớp Chlorophyceae, trong khi đó N Oculata được xếp vào lớp Eustigmatophyceae
Nanochloropsis là một chi mới rất nhỏ trong lớp Eustigmatophyceae, trong đó phổ biến nhất có loài Nanochloropsis Oculata.
1.2 Đặc điểm, hình thái
Nanochloropsis Oculata là một loài tảo đơn bào, tự nổi trên môi trường nước
lỏng Tế bào có dạng hình cầu với đường kính khoảng 2 – 4 micromet, hoặc hình trụ với kích thước 3-4^1,5 micromet
Nanochloropsis Oculata có một lớp màng mỏng hiện diện ở các giai đoạn nhất
định trong chu kì sinh trưởng của tế bào, thành tế bào trong suốt và không tạo hình dạng nhất định, mang một lớp đơn các sắc tố diệp lục màu vàng xanh, là sắc tố đặc trưng của nhóm Eustigmatophyceae, không có lớp màng nhầy bên ngoài
1.3 Đặc điểm sinh lý
Nanochloropsis Oculata là loài vi tảo sống tối ưu trong môi trường nước mặn, tuy
nhiên đôi khi cũng hiện diện trong môi trường nước ngọt hay nước lợ và sự thay đổi hình dáng không đáng kể mấy
Nanochloropsis Oculata có khả năng sống trong một thời gian dài nhiệt độ khá
rộng Thích nghi tốt trong điều kiện nhiệt độ môi trường khá thấp, thậm chí là ở gần 0oC
Trang 9Điều kiện sinh trưởng tốt nhất của Nanochloropsis Oculata là 21oC, mức độ chiếu sáng
52micromet/mol photon/m2s, pH 8,4, mức độ sục khí 14,7 vvh
Nanochloropsis Oculata thuộc vào thể đơn bội, sinh sản vô tính theo kiểu phân
đôi theo chiều ngang
1.4 Đặc điểm sinh hóa
Khi điều kiện dinh dưỡng đầy đủ, Nanochloropsis sp thường có khuynh hướng
đầu tiên chuyển hóa carbon thành protein [7] Tuy nhiên, dưới các điều kiện thay đổi khác nhau, tế bào vi tảo bị kích ứng, sẽ có nhiều carbon được chuyển hóa thành lipid và carbonhydrat Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường sẽ tác động lên thành phần lipid và các acid béo có trong tế bào vi tảo [8]
Các acid béo chủ yếu có trong loài tảo này là C14:0, C16:0, C16:1, C20:4 và C20:5 Ngoài ra còn có sự hiện diện của một số acid béo phụ khác Các acid béo này tồn tại ở 3 dạng lipit trong tế bào vi tảo, đó là galactolipid, phospholipid và lipid trung tính Galactolipid của loài tảo này giàu các acid béo C20:5 và C20:4, kết hợp với C16:0 và C16:1 cùng C14:0 Lipid trung tính thì chủ yếu là các Triacylglycerol gồm các acid béo, còn phospholipid thì hàm lượng các acide béo thấp
Dưới các điều kiện môi trường khác nhau, tỷ lệ các thành phần lipid và acid béo trong tế bào vi tảo có thể thay đổi Nghĩa là ta hoàn toàn có thể điều khiển được quá trình sản xuất lipid của loài tảo này khi tìm được môi trường tối ưu tương ứng Vì vậy có thể
xem loài Nanochloropsis Oculata là loài tiềm năng dùng để sản xuất ra biodiesel.
2 Chiết xuất dầu từ tảo
Sẽ có năng suất và chất lượng khác nhau tùy thuộc loại tảo sử dụng, cách trồng tảo
và phương pháp trích xuất dầu Loại tảo sử dụng: tảo Nanochloropsis Oculata Các nhà
khoa học đã chứng minh, vi tảo (tảo có kích thước rất nhỏ) là loại thích hợp nhất để chế biến dầu nhờ tập hợp một lượng lớn chất béo, dễ chiết xuất dầu sinh học và sinh sản vô tính rất nhanh Đây là nguồn nguyên liệu dồi dào bởi vi tảo chiếm đến 2/3 lượng tảo trên trái đất Vùng trồng tảo: để sản xuất đủ lượng tảo đáp ứng nhu cầu nhiên liệu, tảo cần được nuôi trồng trên quy mô lớn Hai hệ thống nuôi trồng tảo phổ biến là:
• Hệ thống mở: tận dụng các ao, hồ tự nhiên gần khu công nghiệp bởi có sẵn nước, CO2, ánh sáng….Đây là phương pháp thông dụng với chi phí thấp, nhưng khó chuẩn hóa chất lượng tảo và phải đối mặt với nguy cơ về dịch bệnh, môi trường nếu mật độ tảo
Trang 10• Hệ thống đóng: sử dụng các túi bằng nhựa hoặc thủy tinh trong suốt để tảo tiếp xúc với ánh nắng mặt trời (Vertical growth/closed loop production) Các túi được xếp chồng lên nhau theo chiều dọc, có nắp đậy để tránh mưa và bảo vệ tảo khỏi nhiễm khuẩn Một cách khác là trồng tảo trong các nhà máy với điều kiện sinh trưởng lý tưởng (losedtank bioreactor plants) Khi đó, tảo phát triển với tốc độ tối đa và có thể thu hoạch mỗi ngày với sản lượng lớn Hệ thống đóng tối ưu hóa quy trình sản xuất tảo vì cho phép kiểm soát tất cả các yếu tố môi trường và áp dụng được mọi nơi trên thế giới Nhược điểm là chi phí cao
Các phương pháp khai thác dầu từ tảo:
• Nén, ép (oil press):làm khô tảo, sau đó ép dầu Đây là phương pháp vật lý đơn giản nhưng phổ biến, có thể trích xuất đến 75% dầu từ tảo
• Dùng dung môi hexan tách dầu trong tảo: thường sử dụng kết hợp với phương pháp nén, ép Phần tảo sau khi đã ép dầu được trộn với hexan Dầu tảo tan trong hexan sẽ được lọc và chưng cất Cách này có thể thu được đến 95% dầu từ tảo nhưng không an toàn bởi hexane là hóa chất độc hại
• Phương pháp chất lỏng siêu tới hạn (supercritical fluids method):CO2 được xử
lý ở nhiệt độ và áp suất thích hợp (nhiệt độ trên 31 độ C, áp suất trên 73 bar) để trở thành trạng thái siêu tới hạn, có thể hòa tan giống chất lỏng và khuếch tán như chất khí Trộn CO2 vào tảo đã sấy khô giúp hòa tan hoàn toàn dầu trong tảo, sau đó giảm áp suất chất lỏng để CO2 trở lại trạng thái khí và thu hồi dầu Phương pháp này ít phổ biến do cần nhiều máy móc, thiết bị nhưng có thể chiết xuất 100% dầu có trong tảo với độ tinh khiết cao, hoàn toàn thân thiện với môi trường
• Thủy nhiệt hóa lỏng: phương pháp mới nhất vừa được phòng thí nghiệm quốc gia Pacific Northwest (PNNL) sáng chế năm 2013 Khác với các phương pháp trên, phương pháp này sử dụng áp suất 206,8 bar và nhiệt độ 350 độ C để chiết xuất dầu mà không cần qua quá trình sấy khô tảo, thời gian thực hiện không quá 30 phút Đây là phương pháp cho hiệu quả tốt nhất tính đến thời điểm hiện tại và đã được công bố trên tạp chí Agal Research trong bài viết “Quá trình phát triển của nguyên liệu tảo được thủy nhiệt hóa lỏng trong lò phản ứng dòng chảy liên tục (Process development for hydrothermal liquefaction of algae feedstocks in a continuous flow reactor)”
3 Kết quả đạt được