3.2.1.1. Nghiên cứu lựa chọn dung môi thích hợp
Sử dụng vi tảo là nguồn nguyên liệu để tổng hợp ra các loại nhiên liệu sinh học thay thế cho các dạng năng lượng hóa thạch đang là đề tài được các quốc gia trên thế giới đặc biệt quan tâm và nghiên cứu. Quá trình tổng hợp nhiên liệu sinh học gồm nhiều bước, trong đó bước chiết tách lipid là bước rất quan trọng và nhiều nghiên cứu về chiết tách cũng đã đề cập đến bước này. Trong các nghiên cứu đã được công bố thì dung môi cloroform+ metanol của Folch và Bligh, Dyer cho hiệu suất chiết tách cao nhất [89]. Nhưng do dung môi này được U.S.EPA (Ủy ban bảo vệ môi trường của Mỹ) xếp vào danh mục B2 những hóa chất độc hại, có nguy cơ gây ung thư và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng [89].Vì vậy trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành trên những dung môi thay thế khác ít độc hại hơn, với mục đích tìm ra được dung môi tốt nhất có thể thay thế cho cloroform + metanol. Lipid bao gồm các axit béo tự do, các tri-glyxerit, được biết đây là thành phần có giá trị nhất của vi tảo, chứa năng lượng trên một đơn vị khối lượng gần bằng với nhiên liệu hóa thạch. Để hiệu suất chiết tách cao thì sự tương thích giữa dung môi và lipid là yếu tố quyết định, sự tương thích này được đánh giá dựa trên các thông số sau: momen lưỡng cực (The dipole moment), thông số hòa tan (solubility parameter), độ phân cực (Polarity index) [31].
Chúng tôi đã tiến hành lựa chọn và đánh giá 11 mẫu dung môi dưới đây ở cùng điều kiện: nhiệt độ, khối lượng vi tảo khô, lượng dung môi, áp suất, thời gian trích ly, tốc độ khuấy như sau: 100g vi tảo khô Botryococcussp, 400 ml dung môi, nhiệt độ 60 0C, trích ly tại áp suất khí quyển, thời gian trích ly 10 giờ, tốc độ khuấy 400 vòng/phút.
Hiệu suất chiết tách (% khối lượng dầu trên khối lượng vi tảo khô) của các loại dung môi khác nhau được đưa trong bảng sau
Bảng 3.11. Hiệu suất chiết tách dầu với các loại dung môi khác nhau
67
Hiệu suất
chiết tách (%) 4,1 11,3 12,6 8.2 18,2 16,5 37,4 31,7 15,2 29,3 14,3
Hình 3.26. Hiệu suất thu dầu với các loại dung môi khác nhau
Chú thích:
1: Toluen; 2: n-heptan; 3: n-hexan; 4: iso-propanol; 5: etanol; 6: metanol; 7: n- hexan/etanol (2/1); 8: n-hexan/metanol (2/1); 9: n-hexan/iso-propanol (2/1); 10: n- heptan/etanol (2/1); 11:n-heptan/iso-propanol (2/1)
Từ kết quả bảng 3.11 và hình 3.26ta có thể thấy dung môi 1 (toluen) cho hiệu quả tách dầu thấp nhất 4,1%, tiếp theo là dung môi 4 (isopropanol): 8,2% . Các dung môi 2 (heptan), 3 (hexan) cho hiệu suất cao hơn lần lượt là 11,3% và 12,6% nhưng vẫn thấp hơn dung môi 6 (metanol): 16,5% và dung môi 5 (etanol): 18,3 %. Khi hỗn hợp 2 dung môi phân cực và không phân cực để tiến hành trích ly thì hiệu suất tách dầu có cao hơn, thấp nhất là hỗn hợp 11 (heptan/iso-propanol): 14,3%, rồi đến hỗn hợp 9 ( hexan/iso-propanol): 15,2%. Hỗn hợp 10 ( heptan/etanol) và 8 (hexan/metanol) cho hiệu suất lần lượt là 29,3% và 31,7%, nhưng cao nhất là hỗn hợp 7 (n-hexan/etanol) cho hiệu suất: 37,4%.
Bảng 3.12. Đặc tính hóa học của các dung môi [54]
Dung môi Moment lưỡng cực
(Debye) (*)
Thông số hòa tan (J/cm3)1/2 (**) Độ phân cực (***) Hexan 0 14.71 0 Iso-propanol 1,615 22,81 3,9 Metanol 1,621 30,23 5,1 4.1 11.3 12.6 8.2 18.2 16.5 37.4 31.7 15.2 29.3 14.3 0 5 10 15 20 25 30 35 40 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Hi ệu su ất thu d ầu (% ) Dung môi
68
Etanol 1,55 26,12 5,2
Heptan 0 - 0
*Moment lưỡng cực là đại lượng đo tính có cực của phân tử.
**Thông số hòa tan thể hiện mối quan hệ về nôi năng của dung môi và chất tan ***Độ phân cực (Polarity index) là đại lượng tương đối chỉ mức độ tương tác của dung môi với vô số các chất tan có cực khác nhau.
Dung môi 1 (toluen) cho hiệu suất thấp nhất vì toluen là hydrocacbon thơm không phân cực, khả năng tách các chất béo phân cực rất kém, đồng thời tách hydrocacbon dạng mạch thẳng cũng kém hơn so với n-hexan và n-heptan.
Từ bảng 3.12 ta thấy hexan, heptan là dung môi không phân cực có momen lưỡng cực và độ phân cực đều bằng 0 là dung môi phù hợp để trích ly hydrocacbon và các triglyxerit phân cực thấp [100]. Nhưng để có thể tương tác và trích ly với các phân tử lipid trung hòa là không dễ dàng vì các phân tử lipid trung hòa ở dạng mixen cản trở quá trình trích ly. Do đó cần sự xuất hiện của phân tử rượu để đẩy nhanh quá trình phá vỡ cấu trúc mixen này. Vì vậy sử dụng dung môi 4 (heptan), 3 (hexan) cho hiệu suất thấp. Trong đó dung môi heptan cho hiệu suất thấp hơn hexan dù các các đặc tính hóa học tương đương vì heptan có cấu tạo phân tử lớn hơn hexan, khả năng thẩm thấu qua màng tế bào kém hơn, nên hiệu suất thấp hơn.
Trong các phân tử rượu iso-propanol, metanol, etanol thì iso-propanol cho hiệu suất thấp nhất do khả năng hòa tan lại kém hơn, và khả năng phá vỡ màng tế bào rất yếu [71] nên hiệu suất trích ly thấp hơn khi sử dụng etanol và metanol. Còn giữa etanol và metanol dù metanol có moment lưỡng cực (1,621 Debye) và thông số hòa tan (30,23 (J/cm3
)1/2) cao hơn etanol (moment lưỡng cực 1.55 Debye, thông số hòa tan 26,12 (J/cm3
)1/2) nhưng độ phân cực của etanol (5,2) cao hơn metanol (5,1) nên hiệu suất trích ly dùng dung môi etanol cao hơn metanol [89] [1]. Ngoài ra cũng theo [89] nếu chỉ sử dụng một loại rượu như metanol, etanol, iso-propanol thì chiết tách được ít lipid, nhưng lại nhiều các chất không phải lipid (non-lipid) như protein, polisaccarit (polysaccharidies).
Như vậy khi sử dụng dung môi hỗn hợp thì có thể kết hợp đặc tính của cả hai loại dung môi nhằm tách cả những chất phân cực và không phân cực trong tế bào vi tảo, và hiệu quả của quá trình trích ly sẽ đạt cao hơn so với khi sử dụng từng dung môi riêng biệt, có thể được giải thích không phải chỉ qua các yếu tố tương thích giữa dung môi và chất hòa tan mà còn do phân tử rượu hỗ trợ việc phá vỡ cấu trúc bền vững của lipid, giúp việc trích ly dễ dàng hơn. Theo tài liệu [54] để trích ly với các phân tử lipid trung hòa cần phân tử rượu phá vỡ cấu trúc mixen trước khi được hexan hòa tan, còn đối với các phân tử lipid phân cực thì hầu hết chúng đều liên kết với các phân tử protein ở màng tế bào chất bằng liên kết hydrogen hoặc liên kết tĩnh điện. Chúng ta cũng cần phải có thêm dung môi phân cực (như rượu) để phá hủy liên kết phức tạp của lipid và protein, trước khi chúng được hòa tan bởi dung môi.
69
Với các hỗn hợp dung môi khảo sát thì hỗn hợp của iso-propanol cho hiệu suất trích ly thấp nhất do độ phân cực, thông số hòa tan và khả năng phá vỡ màng tế bào, phá vỡ liên kết hydro của iso-propanol rất kém. Theo thực nghiệm thì hỗn hợp hexan+ etanol cho hiệu suất trích ly cao nhất. Ngoài ra, hexan là dung môi không phân cực còn có thể chiết tách các phân tử axit béo mạch dài, còn các phân tử rượu sẽ để trích ly các axit béo mạch ngắn [91]. Như vậy, sự kết hợp của hexan và etanol không chỉ mang lại hiệu suất chiết tách cao mà lại ít ô nhiễm môi trường, etanol lại có nguồn gốc sinh học, thân thiện môi trường, không độc hại, không phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu hóa thạch.
Từ kết quả nghiên cứu trên chúng tôi đã quyết định lựa chọn dung môi hexan+etanol để tiếp tục nghiên cứu tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình chiết tách.
3.2.1.2. Khảo sát các điều kiện thích hợp cho quá trình chiết tách sử dụng dung môi hexan/etanol
a. Tỉ lệ n-hexan theo etanol
Khi sử dụng dung môi hỗn hợp giữa hexan và etanol, ngoài việc tận dụng được ưu điểm của cả hai loại dung môi này nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình chiết tách thì tỷ lệ hexan/etanol sẽ có ảnh hưởng lớn tới hiệu suất tách dầu. Chúng tôi tiếp tục tiến hành thay đổi tỉ lệ dung môi n-hexan/etanol theo các tỉ lệ cho trong bảng 3.13 để khảo sát tìm tỉ lệ tối ưu nhất. Các điều kiện chiết tách khác giữ không đổi: 100 g vi tảo khô/300 ml dung môi, nhiệt độ trích ly 55 0
C, tốc độ khuấy 350 vòng/phút, thời gian 8 giờ. Kết quả khảo sát được thể hiện trong bảng 3.13 và hình 3.27.
Bảng 3.13. Sự phụ thuộc của hiệu suất trích ly vào tỉ lệ n-hexan/etanol
Hexan/etanol 1/1 1,5/1 2/1 2,5/1 3/1
70
Hình 3.27. Sự phụ thuộc hiệu suất trích ly dầu vào tỷ lệ hexan/etanol
Dung môi etanol cho hiệu suất tách cao hơn dung môi hexan trong cùng điều kiện chiết tách. Mỗi dung môi thể hiện vai trò khác nhau trong quá trình trích ly các chất ra khỏi sinh khối tảo. Khi lượng hexan/etanol cao (3/1; 2,5/1) thì hiệu quả tách tương đối thấp. Điều này có thể được giải thích là do lượng etanol thấp nên khó tách triệt để các chất phân cực, đồng thời thiếu etanol sẽ thiếu tác nhân phá vỡ cấu trúc mixen của lipid, nên việc trích ly gặp khó khăn, hiệu suất thấp. Ngược lại, khi lượng etanol nhiều hơn, hexan thấp hơn thì lại khó tách triệt để các chất không hoặc ít phân cực hơn. Thực tế nghiên cứu chỉ ra rằng, tỷ lệ dung môi thích hợp là 2/1. Đây là tỷ lệ tối ưu để có thể tách một cách đồng thời các hydrocacbon cũng như các axit béo, các triglyxerit trong dầu tảo.
b. Nhiệt độ trích ly
Để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly tới quá trình trích ly dầu vi tảo chúng tôi giữ nguyên các thông số khác, chỉ thay đổi nhiệt độ của quá trình. Sử dụng 100 g vi tảo khô/300 ml dung môi, dung môi hexan/etanol tỉ lệ 2/1, tốc độ khuấy 350 vòng/phút, nhiệt độ 40; 50; 60; 70; 800
C, thời gian 8 giờ.
Kết quả được đưa ra trong bảng 3.14 và hình 3.28 dưới đây.
Bảng 3.14. Sự phụ thuộc của hiệu suất trích ly vào nhiệt độ
Nhiệt độ 40°C 50°C 60°C 70°C 80°C
Hiệu suất (%) 28,50 32,14 35,36 25,12 22,24
Hình 3.28. Sự phụ thuộc hiệu suất trích ly dầu vào nhiệt độ
Nhiệt độ chiết tách là yếu tố quan trọng thúc đẩy quá trình trích ly và giảm thời gian chiết tách [91]. Kết quả trên cho thấy khi tăng nhiệt độ trích ly từ 40°C lên 60°C, hiệu suất tách dầu tăng lên đáng kể vì khi nhiệt độ tăng, hệ số khuếch tán của dung môi vào trong
71
màng tế bào tăng, đồng thời cũng thúc đẩy quá trình phá vỡ liên kết của lipid với protein trong tế bào, nâng cao khả năng hoà tan của các chất trong dung môi, tăng tốc độ hoà tan của chúng, từ đó tăng hiệu quả của quá trình trích ly và rút ngắn thời gian trích ly [91]. Khi nhiệt độ tăng tới 70- 80°C thì hiệu suất tách dầu lại giảm xuống bởi ở các nhiệt độ này dung môi đã sôi và bay hơi rất mạnh, dù có sinh hàn ngược hồi lưu dung môi nhưng vẫn không đảm bảo hiệu suất của quá trình trích ly. Bên cạnh đó, khi trích ly ở nhiệt độ cao sẽ gây tốn kém năng lượng, và sẽ làm phân hủy các hợp chất lipid dễ phân hủy nhiệt.
Vì vậy nhiệt độ trích ly 60 0C là nhiệt độ tối ưu.
c. Tốc độ khuấy
Tốc độ khuấy là yếu tố thúc đẩy quá trình trích ly và giảm thời gian chiết tách [31]. Để khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến hiệu suất quá trình, chúng tôi tiến hành thay đổi tốc độ khuấy, còn các điều kiện khác giữ nguyên không đổi. Sử dụng 100 g vi tảo khô/300 ml dung môi, dung môi hexan/etanol tỉ lệ 2/1, nhiệt độ 60 0C, thời gian 8 giờ, tốc độ khuấy 200; 300; 400; 500; 600 vòng/phút.
Kết quả nghiên cứu được đưa ra trong bảng và hình dưới đây.
Bảng 3.15. Sự phụ thuộc của hiệu suất trích ly vào tốc độ khuấy
Tôc độ khuấy
(vòng/phút) 200 300 400 500 600
Hiệu suất,% 20,45 29,87 35,84 34,72 33,03
Hình 3.29. Sự phụ thuộc hiệu suất trích ly dầu vào tốc độ khuấy
Khuấy trộn giúp cho quá trình phân tán nhiệt đều hơn trong hỗn hợp dung môi và vi tảo khô, tránh hiện tượng quá nhiệt cục bộ làm cháy tảo hoặc oxi hóa các hợp chất hữu cơ.
72
Dựa vào bảng 3.15 và hình 3.29 ta nhận thấy, tốc độ khuấy nhỏ hơn 400 vòng/phút thì hiệu suất trich ly thấp vì vi tảo không phân tán đều trong dung môi, vón cục lại nên gây khó khăn cho dung môi tiếp xúc với các hạt vi tảo, dẫn đến khó phá vỡ màng tế bào và dung môi không thể khuếch tán vào trong để trích ly chất. Còn khi tốc độ khuấy lớn hơn 400 vòng/phút thì quá trình phân tán vi tảo, hạn chế vón cục nhưng tốn kém năng lượng và hiệu suất giảm nhẹ do dung môi bay hơi mạnh.
Vậy tốc độ khuấy tối ưu là 400 vòng/phút
d. Thời gian trích ly
Sau khi khảo sát để tìm được nhiệt độ, tốc độ khuấy cũng như hỗn hợp dung môi thích hợp, chúng tôi tiếp tục tiến hành khảo sát yếu tố thời gian các yếu tố khác giữ nguyên không đổi để tìm thời gian trích ly tối ưu. Khối lượng vi tảo khô 100 gam, thế tích dung môi 300ml, tỉ lệ thể tích hexan/etanol 2/1, nhiệt độ trích ly 600C, tốc độ khuấy 400 vòng/phút, thời gian trích ly 4; 6; 8; 10; 12 giờ.
Kết quả khảo sát được thể hiện trong bảng 3.16 và hình 3.30.
Bảng 3.16. Sự phụ thuộc của hiệu suất trích ly vào thời gian
Thời gian trích ly (h) 4 6 8 10 12
Hiệu suất, % 16,13 24,52 34,52 36,46 36,51
Hình 3.30. Sự phụ thuộc hiệu suất trích ly dầu vào thời gian trích ly
Khi tăng thời gian trích ly hiệu quả của quá trình tăng dần lên. Khoảng thời gian từ 4-8 h, hiệu suất của quá trình tăng lên nhanh bởi trong khoảng thời gian đầu, khi nồng độ các chất trong dung môi còn thấp thì tốc độ hoà tan các chất vào trong dung môi chiết còn
73
cao [91], hiệu suất tách tương ứng tăng từ 16,13% lên 24,52% và 34,52%. Sau 8 tới 10 giờ chiết, nồng độ các chất trong dịch chiết lớn, tốc độ hoà tan chậm, hiệu suất tách tăng từ 34,52% lên 36,46%. Khi thời gian tách là 12 giờ thì hiệu suất tách vẫn không tăng lên bởi hầu hết các chất có khả năng hoà tan vào dung môi chiết đã hoà tan hoàn toàn, và như vậy, thời gian tách tăng lên nữa thì hiệu quả tách vẫn không tăng lên, tiêu hao năng lượng, tốn kém, lãng phí. Qua đây có thể kết luận thời gian chiết tách tối ưu là 10 giờ.
e. Tỷ lệ dung môi/vi tảo khô
Nghiên cứu tỉ lệ tối ưu dung môi/vi tảo khô quyết định tính kinh tế của quá trình là chủ yếu. Ta tiến hành thay đổi tỉ lệ dung môi/vi tảo khô còn các thông số khác giữ không đổi 100g vi tảo, dung môi hexan/etanol = 2/1, thể tích dung môi: 300, 400, 500, 600 ml, nhiệt độ 60 0C, tốc độ khuấy 400 vòng/phút, thời gian 10 giờ.
Kết quả khảo sát được thể hiện trong bảng 3.17 và hình 3.31.
Dựa vào kết quả trên ta có thể thấy rằng khi tăng lượng dung môi thì hiệu suất trích ly tăng. Khi tỉ lệ dung môi/ vi tảo là 3 thì hiệu suất chỉ đạt 27,42% do không đủ lượng dung môi cho quá trình khuếch tán, hòa tan lipid. Còn khi tăng tỉ lệ lên 5 và 6 thì không làm tăng hiệu suất của quá trình, lại gây lãng phí, và phải tăng thiết bị trích ly.
Như vậy tỉ lệ dung môi/vi tảo thích hợp là 4. Hiệu suất trích ly tại điều kiện tối ưu tìm ra là 37,36%.
Bảng 3.17. Sự phụ thuộc hiệu suất trích ly vào tỉ lệ dung môi/vi tảo
Tỉ lệ dung môi, ml/vi tảo, g 3 4 5 6
Hiệu suất, % 29,42 37,36 37,36 37,36
74
f. Thu hồi, tái sử dụng dung môi
Nghiên cứu việc tái sử dụng dung môi là cần thiết vì điều này vừa giúp tiết kiệm dung môi, giảm chi phí vừa không thải ra môi trường một lượng lớn hóa chất gây ô nhiễm