Việc phát triển công nghệ nuôi trồng vi tảo, đòi hỏi phải giải quyết hàng loạt các vấn đề về sinh học của chủng tảo được chọn, các thông số hóa lý của môi trường, dinh dưỡng, thủy động lực học, các kỹ thuật khuấy, bổ sung CO2, tách, lọc, sấy sinh khối … Điều này liên quan mật thiết tới việc áp dụng các hệ thống nuôi trồng khác nhau.
Có thể nuôi trồng công nghiệp vi tảo theo phương pháp quảng canh hoặc thâm canh, trong hệ thống kín hoặc hở, với tảo sạch vi khuẩn hoặc không. Rất khó đánh giá được phương pháp nào là ưu việt nhất vì việc chọn hệ thống sản xuất phụ thuộc phần lớn vào các loài tảo và sản phẩm cần khai thác. Người ta dùng phương pháp nuôi
CO2 hoặc HCO3 - Khoáng chất Nước Ánh sáng Nhiệt độ (20-40oC) Tảo giống Guồng Lọc
Li tâm cô bớt nước
Sấy
Đóng gói tảo khô Chdụng trực tiếpế biến hoặc sử
Thu hồi chất
khoáng còn lại Môi trường
quảng canh để sản xuất sinh khối tảo Chlorella, Spirulina, và Scenedesmus với mục đích nhận protein đơn bào và thức ăn bổ dưỡng, sản xuất Dunaliella để nhận β – caroten. Phương pháp nuôi trồng này là đơn giản và rẻ nhất nhưng phải ứng dụng với môi trường nuôi có chọn lọc. Ví dụ Dunaliella salina sinh trưởng trong môi trường có nồng độ muối tới hơn 20% trong khi tảo Spirulina platensis chịu được pH cao hơn 9.
Khi tiến hành thiết kế bể nuôi tảo, người ta phải cân nhắc tới một số yếu tố sau: - Độ sâu tối ưu của dịch tảo có tính tới mức độ ánh sáng mặt trời xuyên xuống - Tốc độ khuấy phù hợp với nhu cầu năng lượng. khuấy sục môi trường nhằm khử các không gian chết trong bể và giữ tế bào luôn ở dạng huyền phù mà không làm ảnh hưởng tới hoạt tính sinh lý của tảo.
- Vật liệu xây dựng bể.
Hệ thống nuôi trồng đại tà vi tảo được chia thành 5 loại (Borowitzka, 1991) [1]
2.3.2.1. Hệ thống bể nông (shallow ponds)
Ưu điểm là vốn đầu tư xây dựng và kinh phí vận hành thấp. nhược điểm cơ bản của hệ thống là năng suất thấp và khả năng sản xuất không ổn định, độ tin cậy thấp. Hệ thống đòi hỏi diện tích đất lớn. Một số ao nông, diện tích rộng hiện nay đang được dùng như dạng ao ổn định để xử lý nước thải. Trong hệ thống này, sinh khối tảo chỉ được coi như sản phẩm thứ cấp [1]
2.3.2.2 Hệ thống bể dài (Rayceways) Là dạng bể thông dụng,
ngoài trời và dùng cho nuôi quảng canh. Hệ thống được đưa vào sử dụng trong những năm 1960. Thông thường hai đầu bể được vuốt tròn để giản trở lực khi dòng huyền phù vận động tuần hoàn. Lúc đầu, nhiều
dạng thiết kế sử dụng bơm đẩy tạo vận tốc của dòng chảy lên tới 30 cm/s. Trong những năm 1970, dạng guồng (paddlewheel) đã được đưa vào sử dụng khá hiệu quả vì tiêu tốn năng lượng ít hơn. Đôi khi người ta sử dụng phương pháp thổi khí nhờ máy nén khí để tạo d ảy. Các bể có thể có thàn chung để giảm chi phí xây dựng.
Điển hình của dạng bể nảy là dùng cho sản xuất tảo Spirulina tại nhiều nơi trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Tại Bình Thuận, dạng bể này được ứng dụng với hệ thống bơm khuấy trục vít Savonius chạy bằng năng lượng gió.
Cần lưu ý thêm là hệ thống cần đầu tư tương đối cao và co chi phí vận hành lớn nếu muốn có sinh khối chất lượng cao. Ưu điểm là năng suất sinh khối chấp nhận được và hệ thống có tính ổn định cao. [1]
2.3.2.3. Hệ thống nghiêng (Cascade) Trong trường hợp này, dung dịch huyền phù được vận chuyển trên bề mặt bể nghiêng 30 và tuần hoàn nhờ bơm đặt ở phần thấp nhất. Kiểu bể này do Shetlik (Tiệp Khắc cũ) thiết kế và ứng dụng thành công tại Bungari với quy mô gần 5000 m2 để sản xuất tảo lục thuộc chi Chlorella và Scenedesmus.
Dung dịch tảo vận hành trên bề mặt
nghiêng và phải vượt qua nhiều thanh chắn nhỏ, nằm ngang để tối ưu hóa cho việc trao đổi khí và ánh sáng. Mật độ tảo có thể đạt tới 3gr/lít.
Ưu điểm cơ bản của hệ thống là năng suất sinh khối cao và khá ổn định. Tuy vậy, hệ thống chỉ giới hạn cho việc nuôi trồng vi tảo lục và đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu cũng như vận hành cao. [1]
2.3.2.4. Hệ thống bể phản ứng quang sinh dạng ống (tubular photobioreactor)
Các bể này được thiết kế thành công nhất tại Anh và Pháp. Đây là dạng hệ thống kín. Về cơ bản, hệ thống bể bao gồm:
Một bể phản ứng dạng ống được thiết kế bằng vật liệu cho ánh sáng xuyên qua
Hình 2.9. Mô hình bể nghiêng
kiếu shetlik [1]
Hình 2.10. Mô hình bể phản ứng
Một tháp bổ sung CO2
Thiết bị bơm tạo dòng tuần hoàn của dịch huyền phù tảo. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ưu điểm chính của hệ thống này là giảm bốc hơi nước và giảm khả năng bị lây nhiễm tảo khác. Nhược điểm của hệ thống là đầu tư cao, không tận dụng được triệt để ánh sáng tự nhiên và có nguy cơ bị đốt nóng vào mùa hè.Mặc dù có một số ưu điểm quan trọng, hệ thống này cần hoàn thiện một số khâu sau:
Chọn loại bơm sao cho không làm thương tổn tới tế bào tảo Nồng độ O2 cao trong bể kín sẽ ức chế quang hợp của tảo. Chọn phương pháp để giảm chi phí vận hành tháp bổ sung CO2
Ví dụ điển hình của hệ thống này là cơ sở sản xuất porphyridium tại Caradache, Pháp [1]
2.3.2.5. Hệ thống bể lên men
Đây cũng là bể kín cần đầu tư ban đầu và kinh phí vận hành lớn. Về nguyên tắc, hệ thống giống như các bể lên men vi sinh vật nhưng phải được trang bị thêm thiết bị chiếu sáng cho tảo quang hợp. Nhiều nước sử dụng hệ thống này kèm theo thiết bi điều chỉnh tự động các thông số
môi trường thông qua một máy vi tính. Vi tảo nuôi trồng trong hệ thống này là sạch thuần khiết. [1]
2.3.3. Tách sinh khối
Thu hoạch tảo là thao tác ảnh hưởng lớn đến giá thành sản xuất. cho đến nay, nhiều phương pháp thu sinh khối đã được ứng dụng như li tâm, kết lắng hóa học, kết lắng bằng điện trường, tự kết lắng, lọc trọng trường, lọc chân không … [1]
2.3.3.1. phương pháp ly tâm
Hình 2.11. Mô hình sản xuất tảo sạch vi khuẩn
năng lượng của phương pháp thu hoạch này là khá lớn (khoảng 1kwh/m3) khiến việc sử dụng nó chỉ khả thi trong những cơ sở sản xuất cho ra các sản phẩm chất lượng cao. [1]
2.3.3.2. Phương pháp lọc
Là phương pháp khả thi cho thu hoạch nhiều loài tảo khác nhau. Vật liệu dùng cho lọc cơ học là cát mịn, sợi cellulose … tốc độ lọc chậm và màng lọc hay bị bít tắc do chính sinh khối tảo và vi sinh vật khiến phương pháp này cần lượng nước khá lớn để rửa thường xuyên. Trong các phương pháp lọc khác nhau thì lọc nén áp suất có triển vọng hơn cả do tốc độ nhanh và khả thi cho sản xuất lớn vì giá thành không quá cao.
Nhiều màng lọc đặc biệt vận hành theo kiểu màng rung, màng xoay, màng nghiêng và màng vi lỗ đã được thử nghiệm để tách sinh khối tảo khỏi môi trường. Phương pháp có ưu điểm là tốc độ nhanh và sinh khối rất sạch. Nhược điểm chính của phương pháp này là màng hay bị bít tắc và sơi tảo bị gãy sẽ có nguy cơ làm tăng thêm các chất hữu cơ trong môi trường.
Những năm gần đây, một số cơ sở sản xuất tảo sử dụng thiết bị của hãng Waco (Canada) để tách Spirulina khỏi pha lỏng. Thiết bị kết hợp kỹ thuật chân không với màng lọc rung. Tuy vậy, một số tế bào tảo bị phá hủy khi qua thiết bị sẽ làm ảnh hưởng xấu tới chất lượng dịch hoàn lưu. Những tảo đơn bào (Dunaliella, Chlorella, Scenedesmus …) thường đòi hỏi thu hoạch bằng ly tâm, lọc hoặc bằng phương pháp tạo bông. [1]
2.3.3.3. Phương pháp tạo bông
- Tự kết lắng :
Hiện tượng tự kết lắng xảy ra khi pH tăng; khi tế bào lắng xuống cùng với Ca2+, Mg2+ và muối phosphate hoặc carbonat. Mặt khác, đây cũng là hậu quả của sự tương tác giữa tảo và vi khuẩn hoặc giữa tảo và các polyme hữu cơ trong môi trường. Ví dụ: tảo Scenedesmus sinh trưởng tối ưu trong pH trung tính sẽ dễ dàng bị kết lắng khi ta đưa pH lên 8.5
Kết lắng bằng các chất hóa học:
Những chất được coi là gây hiệu ứng tạo bông tốt đối với vi tảo là sunphat nhôm, Ca(OH)2, sunphat sắt, clorua sắt và một số polyme khác. Yếu điểm của phương
pháp này là sinh khối tảo sau khi thu hoạch sẽ chứa một lượng hóa chất không mong muốn và bản thân phương pháp sẽ làm ô nhiễm môi trường nuôi trồng nếu sau thu hoạch môi trường được hoàn lưu. [1]
2.3.4. Sấy sinh khối
Sau khi tách tảo khỏi môi trường và cô đặc sơ bộ, phải tiến hành ngay việc sấy để giữ sinh khối khỏi bị vi sinh vật hủy hoại. Trong sản xuất tảo hiện nay, người ta sử dụng nhiều phương pháp sấy.
Bảng 2.2. Một số phương pháp sấy sinh khối tảo [1]
Phương pháp Ưu và nhược điểm Đối tượng Ưu điểm Nhược điểm
Sấy tiếp xúc (sấy hình
trống) Nhanh, hiệu quả Giá thành cao
Chlorella,
Scenedesmus, Spirulina Phơi nắng Đầu tư thấp Chậm, phụ
thuộc thời tiết (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chlorella,
Scenedesmus, Spirulina Sấy mặt trời sử dụng
hiệu ứng lồng kính
Hiệu quả hơn phương pháp 2
Phụ thuộc thời tiết
Chlorella,
Scenedesmus, Spirulina
Sấy phun khô Nhanh, hiệu quả Chi phí cao
Chlorella, Scenedesmus,
Spirulina, Dunaliella Cô chân không Hiệu quả Vốn đầu tư lớn Spirulina
Sấy đông cô Đảm bảo chất lượng
Chậm, chi phí cao
Chlorella,
Scenedesmus, Spirulina
Việc sấy sinh khối chiếm tỉ lệ chi phí khá cao của quá trình sản xuất tảo. Các phương pháp sấy được đề xuất phụ thuộc nguồn vốn đầu tư, nhu cầu năng lượng và có ảnh hưởng rõ rệt đến chất lượng sản phẩm, đặc biệt đối với tảo lục có thành tế bào rất chắc. [1]
Cho sản phẩm bột rất đồng đều nhưng chi phí cao. Việc bổ sung một số chất chống ô xy hóa vào dịch tảo trước khi sấy phun có thể giữ nguyên chất lượng sắc tố và vitamin của sinh khối. Tuy vậy, khả năng tiêu hóa của tảo lục sấy phun khô chỉ đạt 50% so với 80% khi tảo này được sấy tiếp xúc. Tuy nhiên phương pháp sấy tiếp xúc làm biến tính protein so với sấy phun. [1]
2.3.4.2 Sấy mặt trời:
Đây là phương pháp sấy rẻ nhất. Tính toán cho thấy để làm khô lớp sinh khối tảo dày 0.75 cm cần ít nhất 1 ngày. Vì tốc độ sấy khô rất chậm và phụ thuộc thời tiết nên phương pháp tỏ ra không hiệu quả khi áp dụng cho sản xuất lớn. [1]
2.3.4.3. Phương pháp sấy đông khô
Phương pháp này tỏ ra hiệu quả trong việc ổn định thành phần sinh hóa của tảo nhưng không có triển vọng được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ sản xuất đại trà vi tảo.[1]
2.4. Sơ lược về nhiên liệu sinh học 2.4.1. Định nghĩa 2.4.1. Định nghĩa
Thuật ngữ nhiên liệu sinh học (biofuels) bao gồm các nguồn năng lượng được sản xuất từ nhiều loại sản phẩm nông nghiệp khác nhau như thân, cành, vỏ, quả, cây, các sản phẩm dư thừa khi chế biến nông, lâm sản, gỗ củi, phân gia súc, nước thải và bã phế thải hữu cơ công nghiệp, rác thải...
2.4.2. Phân loại nhiên liệu sinh học
Hiện có 3 dạng năng lượng sinh học chủ yếu là ethanol sinh học, khí sinh học và diesel sinh học.
- Cồn sinh học (bioethanol) là cồn được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, cellulose, lignocellulose. Việc sản xuất cồn sinh học từ các nguồn tinh bột hoặc các cây thực phẩm được cho là không bền vững do ảnh hưởng tới an ninh lương thực. Việc sản xuất cồn sinh học từ sinh khối và sinh khối phế thải nông nghiệp không ảnh hưởng đến an ninh lương thực là hướng đi nhiều triển vọng. Tuy nhiên, tại thời điểm hiện tại (2010) công nghệ sản xuất cồn sinh học từ các nguồn lignocellulose chỉ đạt được hiệu suất thấp và giá thành còn cao. Theo ước tính, sau khoảng 7 – 10 năm, công nghệ này sẽ được hoàn thiện, đáp ứng được nhu cầu sản xuất và thương mại.
- Khí sinh học (Biogas): được tạo ra sau quá trình ủ lên men các vật liệu hữu cơ. Sản phẩm tạo thành ở dạng k hí (methane và đồng đẳng khác) có thể dùng làm nhiên liệu đốt cháy thay cho gas từ sản phẩm dầu mỏ. Sản xuất khí sinh học đã được phát triển từ khá lâu và có nhiều mô hình triển khai rộng rãi.
- Diesel sinh học (Biodiesel): được dẫn xuất từ các loại dầu sinh học (thường được thực hiện thông qua quá trình tranester hóa bằng cách cho phản ứng với các loại rượu phổ biến nhất là methanol. Diesel sinh học có thể sử dụng thay thế cho diesel.
2.4.3. Biodiesel
2.4.3.1. Biodiesel là gì ?
Biodiesel hay diesel sinh họ c là một loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Theo tiêu chuẩn ASTM thì Biodiesel được định nghĩa:“là các mono alkyl Ester của các acid mạch dài có nguồn gốc từ các lipit có thể tái tạo lại như:dầu thực vật, mỡ động vật, được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel”. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bản chất của Biodiesel là sản phẩm ester hóa giữa methanol hoặc ethanol và acid béo tự do trong dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Tùy thuộc vào loại dầu và loại rượu sử dụng mà alkyl ester có tên khác nhau:
- Nếu đi từ dầu cây đậu nành (soybean) và Methanol thì ta thu được SME (soy methyl Esters). Đây là loại Esters thông dụng nhất được sử dụng tại Mỹ.
- Nếu đi từ dầu cây cải dầu (rapeseed) và Methanol thì ta thu được RME (rapeseed methyl Esters). Đây là loại Esters thông dụng nhất được sử dụng ở châu Âu.
2.4.3.2. Lịch sử phát triển của Biodiesel
Biodiesel bắt đầu được sản xuất khoảng giữa năm 1800, trong thời điểm đó người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu Glycerol ứng dụng làm xà phòng và thu được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl Ester gọi chung là Biodiessel.
Ngày 10/08/1893 lần đầu tiên Rudolf Diesel đã sử dụng Biodiesel do ông sáng chế để chạy máy. Năm 1912, ông đã dự báo: “Hiện nay, việc dùng dầu thực vật cho
nhiên liệu động cơ có thể không quan trọng, nhưng trong tương lai, những loại dầu như thế chắc chắn sẽ có giá trị không thua gì các sản phẩm nhiên liệu từ dầu mỏ và than đá” ối cảnh nguồn tài nguyên dầu mỏ đang cạn kiệt và những tác động
Biodiesel đang ngày càng khẳng định vị trí là nguồn nhiên liệu thay thế khả thi. Để tưởng nhớ nguời đã có công đầu tiên đoán được giá trị to lớn của Biodiesel, Nation Board Biodiesel đã quyết định lấy ngày 10 tháng 8 hằng năm bắt đầu từ năm 2002 làm ngày Diesel sinh học Quốc tế (International Biodiesel Day).
- Năm 1900 tại Hội chợ thế giới tổ chức tại Pari, Diesel đã biểu diễn động cơ dùng dầu biodiesel chế biến từ dầu Phụng (lạc).
- Trong những năm của thập kỷ 90, Pháp đã triển khai sản xuất Biodiesel từ dầu hạt cải. Và được dùng ở dạng B5 (5% Biodiesel với 95% Diesel) và B30 (30% Biodiesel trộn với 70% Diesel).
2.4.3.3. Ưu và nhược điểm của Biodiesel - Ưu điểm: - Ưu điểm:
+ Về mặt môi trường
Giảm lượng phát thải khí CO2, do đó giảm được lượng khí thải gây ra hiệu ứng nhà kính.
Không có hoặc chứa rật ít các hợp chất của lưu huỳnh (nhỏ hơn 0.001% so với đến 0.2% trong dầu Diesel)
Hàm lượng các hợp chất khác trong khói thải như: CO, SOx, HC chưa cháy, bồ hóng giảm đáng kể.
Không chứa HC thơm nên không gây ung thư
Có khả năng tự phân hủy và không độc (phân hủy nhanh hơn Diesel 4 lần, phân hủy từ 85% đến 88% trong nước sau 28 ngày)
Giảm ô nhiễm môi trường nước và đất Giảm tiêu dùng các sản phẩm dầu mỏ