Sản xuất Lipid từ vi tảo

Sản xuất Lipid từ vi tảo

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC ------------------oOo------------------- ĐỒ ÁN MÔN HỌC SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ VI TẢO: KỸ THUẬT NUÔI CẤY VI TẢO THU LIPID SVTH: BÙI NGỌC ĐOAN CHIÊU MSSV: 60604048 GVHD: KS. HUỲNH NGUYỄN ANH KHOA Tp HCM, Tháng 6/2010 ii LỜI CÁM ƠN Đồ án môn học Sản xuất biodiesel từ vi tảo: Kỹ thuật nuôi cấy vi tảo thu lipid đƣợc thực hiện từ tháng 2 đến tháng 7/2010. Trong suốt quá trình đó, để hoàn tất tốt các nội dung nghiên cứu, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình và cởi mở. Em xin đƣợc gửi đến: KS. HUỲNH NGUYỄN ANH KHOA, là cán bộ trực tiếp hƣớng dẫn em làm đồ án này, lời cảm ơn sâu sắc và chân thành. Chính nhờ sự hƣớng dẫn tận tình về mặt kiến thức và giúp đỡ về mặt tài liệu học thuật của thầy, em đã hoàn thành tốt các nội dung đề ra. TS. NGUYỄN THỊ HUYỀN, là cán bộ làm việc tại phòng 117B2, lòng biết ơn tri ân. Cô đã luôn tạo không khí thoải mái khi em vào phòng trao đổi học tập, điều đó có tác dụng động viên em rất nhiều. Tập thể quý thầy cô thuộc bộ môn Công nghệ sinh học nói riêng và khoa Kỹ thuật hóa học nói chung lòng biết ơn thật nhiều. Thầy cô là những ngƣời đã cung cấp các kiến thức cơ sở cũng nhƣ chuyên ngành cho em trong suốt quá trình lâu dài làm nền tảng cho những nghiên cứu về sau. iii TểM TT N Thc trng ụ nhim mụi trng v s thiu ht ngun nng lng trong tng lai chớnh l mi quan tõm hng u ca cỏc quc gia hin nay, v biodiesel c xem l mt gii phỏp kh thi nhm thay th cho ngun nhiờn liu diesel du ha s dng cho cỏc phng tin giao thụng vn ti ln trong cụng nghip. Trong khi cỏc ngun nguyờn liu sn xut biodiesel thụng thng: du thc vt, m ng vt v ngun du m ph thi u t ra khụng th ỏp ng nhu cu biodiesel trờn ton th gii, vi to li th hin l mt i tng rt tim nng cho lnh vc ny nh vo kh nng sn xut sinh khi ln v ngun lipid thu nhn t cỏc loi vi to cng khỏ phự hp iu ch biodiesel. Tỡnh hỡnh nghiờn cu v ỏp dng nuụi cy vi to trờn quy mụ ln ngy cng ph bin trong nhiu lnh vc nh: sn xut thc phm chc nng v x lý mụi trng, do ú vic ng dng nuụi cy vi to trờn cỏc mụi trng sa i nõng cao nng sut lipid phc v sn xut biodiesel l hon ton cú kh thi. Nghiờn cu cỏc c im sinh lý v sinh húa ca loi vi to Nannochloropsis oculata cú th d oỏn c õy l mt loi vi to rt phự hp vi mc tiờu sn xut biodiesel: nng sut sinh khi cao trong mụi trng quang t dng, hm lng lipid nhiu v thnh phn lipid d iu chnh theo iu kin nuụi cy. T ú xut kho sỏt cỏc yu t mụi trng nhm nuụi cy Nannochloropsis oculata thu lipid vi nng sut cao: mụi trng f/2, mn trong khong 22-49g NaCl/L, nhit mụi trng 25-270C, chiu sỏng bng ốn hunh quang ớt ta nhit 400-500àmol/m2s, hn ch nng nitrogen v phosphorus. iv ABSTRACT Pollution and limitation of energy are the most important concerns of nations, and biodiesel is considered such as a possible solution to replace petroleum diesel, which is used for transportation and industry. While plant oil, animal fat and waste oil which are common for biodiesel production cannot satisfy biodiesel demand all over the world, microalgae express to be an essential candidate for this task due to high yield of biomass and compatible lipid component for biodiesel production. Researchs and applications in microalgae culturing on large scale become more and more common in many fields: functional food production and environment treatment, so using modified medium culture to improve lipid content in microalgae cells is really feasible. Studying in physiological and biochemical characteristics of Nannochloropsis oculata gives suggestion that N. oculata should be a suitable source for biodiesel production: produces high yield of biomass in autotrophic culture, accumulates high lipid content and easily be controlled lipid composition under different conditions. Hence some nutriments factors, temperature and light regimes are proposed to grow N. oculata with high lipid productivity: f/2 medium, salinity at 22-49g NaCl/L, temperature at 25-270C, irradiance at 400-500µmol/m2s with cool white fluorescent tubes, limited nitrogen and phosphorus concentrations. v MỤC LỤC Đề mục Trang LỜI CÁM ƠN .ii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iii MỤC LỤC v DANH SÁCH BẢNG . vii DANH SÁCH HÌNH ix DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT . x 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL . 1 1.1. Định nghĩa các dạng năng lƣợng và biodiesel . 1 1.1.1. Năng lƣợng không tái sinh . 1 1.1.2. Năng lƣợng tái sinh . 2 1.2. Tầm quan trọng của biodiesel và khả năng thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch . 4 1.3. Nguyên tắc điều chế và nhu cầu về lipid trong sản xuất biodiesel . 7 1.4. Các nguồn nguyên liệu giàu lipid phục vụ cho việc sản xuất biodiesel và tiềm năng của vi tảo 9 2. NĂNG SUẤT LIPID VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA MÔI TRƢỜNG LÊN SỰ TÍCH LŨY LIPID CỦA MỘT SỐ LOÀI VI TẢO 15 2.1. Các loại vi tảo có chứa nhiều lipid 15 2.2. Một số nghiên cứu về ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng lên sự tích lũy lipid ở vi tảo 16 2.2.1. Yếu tố nhiệt độ 16 2.2.2. Yếu tố thành phần môi trƣờng . 19 3. NUÔI VI TẢO NANNOCHLOROPSIS OCULATA THU LIPID NHẰM SẢN XUẤT BIODIESEL 25 3.1. Nannochloropsis oculata 25 3.1.1. Phân loại 25 3.1.2. Đặc điểm hình thái . 25 vi 3.1.3. Đặc điểm sinh lý 26 3.1.4. Đặc điểm sinh hóa . 26 3.2. Đề xuất mô hình thí nghiệm nghiên cứu sự tích lũy lipid theo điều kiện môi trƣờng ở Nannochloropsis oculata . 27 3.2.1. Yếu tố nhiệt độ 27 3.2.2. Yếu tố ánh sáng . 32 3.2.3. Yếu tố độ mặn . 36 3.2.4. Yếu tố thành phần môi trƣờng . 38 4. KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 51 vii DANH SÁCH BẢNG Bảng 1. 1: Các acid béo thƣờng có trong các nguồn nguyên liệu dùng sản xuất biodiesel 9 Bảng 1. 2: So sánh vi tảo với các nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel 11 Bảng 1. 3: So sánh các thuộc tính giữa dầu từ vi tảo, diesel thông thƣờng và tiêu chuẩn ASTM biodiesel [28] . 12 Bảng 2. 1: Hàm lƣợng và năng suất lipid của các loài tảo khác nhau . 15 Bảng 2. 2: Sự sinh trƣởng và sản xuất lipid của C. vulgaris tại các nhiệt độ khác nhau [5] . 17 Bảng 2. 3: Năng suất sinh khối và năng suất lipid của Botryococcus braunii, Chlorella vulgaris và Scenedesmus sp. khi nuôi ở 10% CO2 trong 14 ngày . 20 Bảng 2. 4: Thành phần các acid béo của Botryococcus braunii, Chlorella vulgaris và Scenedesmus sp. khi nuôi cấy ở 10% CO2 trong 14 ngày . 21 Bảng 2. 5: Tham số sinh trƣởng và sự sản xuất lipid của C. vulgaris ở các nồng độ NaNO3 khác nhau . 23 Bảng 3. 1: Sự sinh trƣởng và sản xuất lipid của N. oculata tại các nhiệt độ khác nhau 28 Bảng 3. 2: Thành phần acid béo (%w/w acid béo tổng) của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nhiệt độ khác nhau 30 Bảng 3. 3: Sản lƣợng sinh khối và thành phần hợp chất hóa sinh của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nhiệt độ khác nhau . 31 Bảng 3. 4: Sản lƣợng sinh khối và hàm lƣợng lipid của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các độ mặn khác nhau . 36 Bảng 3. 5: Thành phần acid béo (%w/w TFA) của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các độ mặn khác nhau 37 Bảng 3. 6: Năng suất sinh khối và lipid của N. oculata trong hệ thống nuôi cấy bán liên tục với các hàm lƣợng CO2 khác nhau 41 Bảng 3. 7: Tham số sinh trƣởng và sự sản xuất lipid của N. oculata ở các nồng độ NaNO3 khác nhau 42 Bảng 3. 8: Sản lƣợng sinh khối và thành phần hợp chất hóa sinh của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nồng độ NaNO3 khác nhau 44 viii Bảng 3. 9: Thành phần acid béo (%w/w TFA) của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nồng độ NaNO3 khác nhau 44 Bảng 3. 10: Sản lƣợng sinh khối và thành phần hợp chất hóa sinh của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nồng độ NaH2PO4 khác nhau . 46 Bảng 3. 11: Thành phần acid béo (%w/w TFA) của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nồng độ NaH2PO4 khác nhau 47 ix DANH SÁCH HÌNH Hình 1. 1: Sự hình thành các lớp nhiên liệu hóa thạch . 1 Hình 1. 2: Các dạng năng lƣợng tái sinh 2 Hình 1. 3: Bảng thống kê sử dụng các nguồn năng lƣợng 3 Hình 1. 4: Phản ứng chuyển vị ester 7 Hình 2. 1: Phần trăm các loại FAME trên tổng lƣợng FAME (g/100gFAME) của C. vulgaris tại các nhiệt độ sinh trƣởng khác nhau . 17 Hình 2. 2: Phần trăm các loại FAME trên tổng lƣợng FAME (g/100gFAME) của C. vulgaris tại các nồng độ NaNO3 khác nhau 23 Hình 3. 1: Thành phần acid béo các lipid chính trong Nannochloropsis sp. . 27 Hình 3. 2: Phần trăm các loại acid béo methyl ester trên tổng lƣợng acid béo methyl ester (g/100gFAME) của N. oculata tại các nhiệt độ khác nhau . 29 Hình 3. 3: Ảnh hƣởng của mức độ chiếu sáng trên sự sinh trƣởng của tế bào và hàm lƣợng chlorophyll a đối với Nannochloropsis sp. 33 Hình 3. 4: Sự phân phối các acid béo chính trong Nannochloropsis sp. đƣợc nuôi cấy theo mẻ dƣới ảnh hƣởng của mức độ chiếu sáng . 33 Hình 3. 5: Thành phần acid béo của Nannochloropsis sp. khi nuôi cấy trong điều kiện ổn định liên tục tại ba mức độ chiếu sáng . 35 Hình 3. 6: Ảnh hƣởng nồng độ khí CO2 lên sự sinh trƣởng của N. oculata 39 Hình 3. 7: Sự sinh trƣởng của N. oculata khi nuôi cấy bán liên tục trong môi trƣờng sục khí có chứa 2%, 5%, 10%, 15% CO2 . 40 Hình 3. 8: Phần trăm các loại FAME trên tổng lƣợng FAME (g/100gFAME) của N. oculata tại các nồng độ NaNO3 khác nhau . 43 x DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT DW: dry weight khối lƣợng khô FAME: fatty acid methyl ester ester của acid béo và methyl f/2AW: f/2 artificial seawater môi trƣờng f/2 nƣớc biển nhân tạo EPA: eicosapentaenoic acid acid ω3 (C20:5) PUFA: polyunsatured fatty acid acid béo chƣa no mang nhiều nối đôi TFA: total fatty acid hàm lƣợng acid béo tổng v/v: volume/volume thể tích/thể tích vvh: volume/ volume/hour thể tích/thể tích/giờ vvm: volume/ volume/minute thể tích/thể tích/phút w/w: weight/weight khối lƣợng/khối lƣợng [...]... tƣơng lai vi c sản xuất biodiesel từ vi tảo có thể đƣợc thực hiện trên quy mô công nghiệp [28] 14 2 NUÔI VI TẢO SẢN XUẤT BIODIESEL 2 NĂNG SUẤT LIPID VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA MÔI TRƢỜNG LÊN SỰ TÍCH LŨY LIPID CỦA MỘT SỐ LOÀI VI TẢO 2.1 Các loại vi tảo có chứa nhiều lipid Một số loài vi tảo có thể tích lũy lipid đạt đến 75% (w/w) sinh khối khô nhƣng năng suất thấp, nhƣ là Botryococcus braunii Một số loài vi tảo khác... thống sản xuất sinh khối tảo dễ dàng thích nghi ở các quy mô và kỹ thuật khác nhau [83] Vi c nuôi thu sinh khối vi tảo không đòi hỏi nhiều diện tích nhƣ khi trồng các - loại cây lấy dầu khác [15], và năng suất sinh khối vi tảo cũng không phụ - thuộc vào thời tiết hay ảnh hƣởng của môi trƣờng [43] Biodiesel sản xuất từ vi tảo không làm ảnh hƣởng đến vi c sản xuất thực phẩm và các sản phẩm khác từ thực... sức sinh sản cao, lƣợng sinh khối trong ngày lớn, năng suất lipid của loài này có giá trị cao đáng kể Vì vậy có thể xem Nannochloropsis oculata là một loài vi tảo rất có tiềm năng trong vi c sản xuất biodiesel 2.2 Một số nghiên cứu về ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng lên sự tích lũy lipid ở vi tảo Năng suất dầu của vi tảo là khối lƣợng dầu đƣợc sản xuất trên mỗi đơn vị thể tích canh trƣờng vi tảo mỗi... học giàu lipid để sản xuất biodiesel đạt hiệu quả cao đang thu hút rất nhiều sự quan tâm Các vi sinh vật có chất dầu đƣợc kỳ vọng nhờ có chu kỳ sinh trƣởng ngắn, hàm lƣợng lipid cao và dễ dàng đƣợc cải tạo giống bởi các phƣơng tiện công nghệ sinh học Vài loài vi tảo đƣợc liệt vào nhóm vi sinh vật giàu chất dầu phù hợp với nhu cầu sản xuất lipid [15] Vi tảo đƣợc xem là đối tƣợng tiềm năng để sản xuất nhiên... lƣu ý khi lựa chọn các loài vi tảo vì sẽ ảnh hƣởng đáng kể đến đặc tính của biodiesel đƣợc sản xuất từ lipid của chúng Thành phần lipid trong vi tảo gồm có các acid béo bão hòa và chƣa bão hòa, chứa 12-22 nguyên tử carbon, và một số thuộc họ ω3 và ω6 [80] Bảng 2 1: Hàm lƣợng và năng suất lipid của các loài tảo khác nhau [80] Các loài vi tảo nƣớc mặn và nƣớc ngọt Hàm lƣợng lipid (% sinh khối khô) Sinh... trong tế bào vi tảo [56, 22] 24 3 NUÔI N OCULATA SẢN XUẤT BIODIESEL 3 NUÔI VI TẢO NANNOCHLOROPSIS OCULATA THU LIPID NHẰM SẢN XUẤT BIODIESEL 3.1 Nannochloropsis oculata 3.1.1 Phân loại Nguồn gốc: thuật ngữ Nannochloris bắt nguồn từ chữ Nannochlorid, vì vậy thể chính xác là Nannochloridopsis Và Nannochloropsis là một cụm từ vi t tắt từ thuật ngữ trên [32] Nannochloropsis oculata thuộc vào lớp tảo Eustigmatophyceae,... tƣởng để sản xuất biodiesel Một số ester khác nhƣ methyl palmitoleic cũng có những ƣu điểm, khi so với methyl oleate thì trội hơn về nhiệt độ đông đặc thấp [26] Bảng 1 1: Các acid béo thƣờng có trong các nguồn nguyên liệu dùng sản xuất biodiesel [26] 1.4 Các nguồn nguyên liệu giàu lipid phục vụ cho vi c sản xuất biodiesel và tiềm năng của vi tảo Thông thƣờng, biodiesel chủ yếu đƣợc sản xuất từ dầu của... sinh để sản xuất ra ethanol và biodiesel Sản phẩm từ vi tảo có các đặc tính tƣơng tự nhƣ các sản phẩm từ dầu thực vật và dầu cá, vì vậy, nó có thể thay thế đƣợc cho dầu mỏ [67] 1.3 Nguyên tắc điều chế và nhu cầu về lipid trong sản xuất biodiesel Biodiesel là hỗn hợp các ester giữa acid béo và alkyl thu đƣợc thông qua quá trình chuyển vị ester của dầu thực vật hay mỡ động vật Nguồn nguyên liệu lipid dầu... BIODIESEL - - Các phần sinh khối vi tảo còn dƣ lại sau quá trình trích ly dầu có thể đƣợc dùng nhƣ nguồn thức ăn cho gia súc, hoặc làm phân bón, hoặc qua quá trình lên men tạo các sản phẩm ethanol hay methane [43] Toàn bộ quá trình từ vi c nuôi thu sinh khối có hàm lƣợng lipid cao đến sản xuất biodiesel từ dầu vi tảo đều đã đƣợc nghiên cứu Ở điều kiện phòng thí nghiệm, hàm lƣợng lipid lý tƣởng có thể đạt... 15.5, 12.7, 21.4 và 21.7% DW, P . 6/2010 ii LỜI CÁM ƠN Đồ án môn học Sản xuất biodiesel từ vi tảo: Kỹ thuật nuôi cấy vi tảo thu lipid đƣợc thực hiện từ tháng 2 đến tháng 7/2010. Trong suốt. cầu về lipid trong sản xuất biodiesel ........... 7 1.4. Các nguồn nguyên liệu giàu lipid phục vụ cho vi c sản xuất biodiesel và tiềm năng của vi tảo ........................................................................................