Thành phần các chất hữu cơ và vô cơ của sinh khối vi tảo là một trong những thông số quan trọng để đánh giá loài vi tảo nào thích hợp nhất cho các mục đích nhất định nào đó. Chẳng hạn, chúng ta biết rằng biodiesel được sản xuất từ dầu,
và một loài vi tảo nào đó có chứa hàm lượng protein rất cao trong khi hàm lượng lipid thấp thì sẽ không phù hợp để làm nguyên liệu cho sản xuất biodiesel. Trường hợp ngược lại, một loài vi tảo có chứa hàm lượng dầu cao sẽ là đối tượng tiềm năng cho mục đích làm nguyên liệu sản xuất biodiesel.
Xuất phát từ nhận định trên, chúng tôi đã tiến hành phân tích thành phần các chất hữu cơ và vô cơ có chứa trong sinh khối của 7 loài vi tảo biển nghiên cứu. Kết quả phân tích được thể hiện ở bảng 5. Kết quả ở bảng 5 cho thấy hầu hết sinh khối của cả 7 loài vi tảo biển được sử dụng trong nghiên cứu này đều chứa hàm lượng protein cao, rất giàu khoáng đa và vi lượng, đặc biệt hàm lượng 4 nguyên tố kim loại nặng như Pb, Cd, As và Hg đều dưới ngưỡng tiêu chuẩn chất lượng của Việt Nam cho phép sử dụng trong thực phẩm. Điều này cho thấy với điều kiện nuôi trồng của chúng tôi, sinh khối tảo có chất lượng bảo đảm ngoài việc sử dụng làm nguyên liệu cho NLSH còn có thể được sử dụng cho các mục đích khác (chẳng hạn như khai thác sinh khối tảo như làm thức ăn tươi sống cho người và động vật nuôi…).
TT Chỉ tiêu phân tích I. galbana N. oculata C. muelleri Tetraselmis sp. D. teriolecta Chlorella sp. C. salina 1 Protein 4,23 5,03 4,56 5,73 6,04 7,34 4,82 2 Ẩm (%) 89,968 87,046 87,035 84,103 76,863 74,411 91,047 3 PTS (%) 0,075 0,104 0,107 0,232 0,136 0,139 0,091 4 NTS (%) 0,676 0,805 0,729 0,917 0,966 1,182 0,771 5 Xơ (%) 0,64 0,71 0,81 0,57 0,878 2,583 1,32 6 Hydratcacbon (%) 2,071 3,565 4,326 5,231 11,708 9,875 3,008 7 Tro (550oC) (%) 3,436 1,854 3,583 3,071 4,391 4,326 0,428 8 B (mg/kg) 0,102 0,096 0,092 0,115 0,114 0,096 0,102 9 I (mg/kg) 451,52 502,67 318,78 340,05 184,85 80,48 123,61 10 K (mg/kg) 1557,87 1333,08 1608,07 2047,78 0,161 0,153 0,197 11 Na (mg/kg) 7595,16 4482,80 6697,57 6485,88 0,674 0,585 0,959 12 Ca (mg/kg) 534,33 461,873 689,402 839,913 0,137 0,206 179,19 13 Mg (mg/kg) 1858,94 1670,30 2353,96 2786,39 0,212 0,224 0,101 14 Fe (mg/kg) 158,839 112,188 71,226 150,706 116,206 98,447 74,88 15 Mn (mg/kg) 9,463 9,463 21,635 21,635 15,283 13,981 5,49 16 Mo (mg/kg) 0,088 0,078 0,108 0,082 0,108 0,092 0,114 17 Co (mg/kg) 0,426 0,561 0,847 0,847 1,504 2,661 1,411 18 Cu (mg/kg) 2,806 3,912 1,326 4,331 3,610 3,364 2,65 19 Zn (mg/kg) 1,549 1,474 1,496 3,512 17,496 13,716 25,45 20 Sr (mg/kg) 145,533 16,376 38,410 11,057 0,574 0,699 3,535 21 Cr (mg/kg) 0,621 0,301 0,298 0,311 0,559 0,495 3,41 22 Pb (mg/kg) 0,079 0,403 0,166 0,467 0,21 0,19 0,045 23 Cd (mg/kg) 0,018 0,098 0,043 0,092 0,056 0,072 0,026 24 As (mg/kg) 0,017 0,015 0,037 0,016 0,035 0,028 0,075 25 Hg (mg/kg) 0,022 0,012 0,019 0,025 0,020 0,018 0,031
Lipid tổng số và thành phần acid béo là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất đối với các nguyên liệu được sử dụng để sản xuất biodiesel nói chung và đối với nguyên liệu là tảo nói riêng. Để sản xuất biodiesel, thành phần acid béo của các nguyên liệu dầu/mỡ phải có chứa hàm lượng thích hợp các acid béo no và không no. Khi đó, phản ứng chuyển vị ester mới có thể xảy ra hoàn toàn và tạo được sản phẩm là biodiesel. Khác với hầu hết các loại dầu thực vật, dầu tảo thường chứa hàm lượng cao các acid béo không bão hòa đa nối đôi với 4 liên kết đôi hoặc hơn. Do đó, rất nhiều loài vi tảo có thành phần dầu không phù hợp để chuyển hóa tạo biodiesel nếu như không trải qua một số bước biến đổi nhất định (Chisti, 2007). Xuất phát từ thực tế này, chúng tôi đã tiến hành phân tích hàm lượng lipid tổng số và xác định thành phần acid béo có chứa trong sinh khối của 7 loài vi tảo biển nghiên cứu để chọn ra được một số loài vi tảo có thành phần dầu phù hợp làm nguyên liệu cho chuyển hóa. Kết quả phân tích được trình bày ở bảng 6.
Kết quả chỉ ra trong bảng 6 cho thấy trong số 7 loài VTB nêu trên thì sinh khối của 3 loài N. oculata, Tetraselimis sp. và Chlorella sp. có thành phần acid béo phù hợp cho mục đích dùng làm nguyên liệu để sản xuất biodiesel với tổng hàm lượng các acid béo no chiếm khá cao (46,514; 47,275 và 54,533% so với acid béo tổng số - TFA, tương ứng với từng loài), trong đó chủ yếu là các acid béo có mạch carbon dưới 20. Hàm lượng lipid tổng số của 3 loài này cũng đạt giá trị cao nhất (lần lượt là 4,5; 4,8 và 4,6 % TLK). Sinh khối của tảo C. salina chứa hàm lượng các acid béo no cao gần gấp đôi các acid béo không no (61,884% so với 38,144% TFA). Tuy nhiên hàm lượng lipid tổng số của tảo này lại thấp (chỉ chiếm 1,38% TLK). Do đó nếu so với 3 loài N. oculata, Tetraselimis sp. và Chlorella sp. thì năng suất dầu tính trên cùng một lượng sinh khối của tảo C. salina lại thấp hơn.
Ngoài ra, so với 2 loài N. oculata và Tetraselimis sp. thì Chlorella sp. lại là đối tượng có thành phần acid béo phù hợp hơn cả cho mục đích sản xuất biodiesel
chứa nhiều loại acid béo có mạch carbon ngắn (từ C4 đến C14) rất phù hợp để chuyển hóa. Thực tế cho thấy các acid béo có mạch carbon dài thường bị đứt gãy trong quá trình bảo quản nguyên liệu cũng như trong quá trình chuyển hóa sản xuất biodiesel và trong quá trình vận chuyển, bảo quản nhiên liệu. Do đó, xu hướng thường được các nhà nghiên cứu cũng như các nhà sản xuất lựa chọn đó là tìm ra các loại nguyên liệu lipid có thành phần chứa chủ yếu là các acid béo có mạch carbon dưới 18.
Mặt khác, trong số các loài VTB nêu trên thì theo công bố của nhiều tác giả, 3 loài Nannochloropsis oculata, Tetraselmis sp. và Chlorella sp. ngoài phương thức sinh trưởng quang tự dưỡng còn có thể được nuôi trồng theo phương phức dị dưỡng cho các mục đích khác nhau (John và cs., 1996; Xu và cs., 2004; Han và cs., 2006; Yanna và cs., 2009). Hiện nay, xu hướng nuôi trồng vi tảo giàu lipid làm nguyên liệu cho sản xuất NLSH theo phương pháp dị dưỡng bằng các hệ thống bình lên men ở các quy mô khác nhau đang hứa hẹn một tiềm năng to lớn, góp phần quan trọng trong việc giải quyết vấn đề nguyên liệu cho sản xuất NLSH nói chung và biodiesel nói riêng. Nuôi cấy vi tảo dị dưỡng ngoài việc làm tăng đáng kể năng suất sinh khối còn có thể được điều khiển để định hướng tổng hợp ưu thế các thành phần mong muốn thông qua việc khống chế thành phần môi trường nuôi và các điều kiện sinh trưởng của tảo. Nuôi cấy tảo dị dưỡng cũng được coi là một trong những biện pháp hiệu quả để góp phần giảm giá thành sản xuất NLSH, từ đó có thể từng bước canh trạnh được với nhiên liệu được sản xuất từ các loại nguyên liệu truyền thống khác.
Như vậy, qua việc so sánh đặc điểm của quá trình sinh trưởng kết hợp với phân tích thành phần lipid và hàm lượng các acid béo có chứa trong sinh khối của 7 loài VTB nghiên cứu, chúng tôi đã bước đầu chọn ra được 3 đối tượng vi tảo nêu trên có thể thích hợp làm nguyên liệu để sản xuất biodiesel.
Bảng 6. Lipid tổng số và thành phần acid béo có trong sinh khối của 7 loài vi tảo biển nghiên cứu
STT
Acid béo Tên khoa học Tên thường
Hàm lượng (% TFA)
I. galbana N. oculata C. muelleri Tetraselmis sp. Chlorella sp. Dunaliela teriolecta C. salina 1 C4:0 Butanoic acid 0,251
2 C10:0 Decanoic acid Capric 3,688 0,480 3,937 1,542 0,134
3 C12:0 Dodecanoic acid Lauric 2,436 2,140 1,223 0,072
4 C14:0 Tetradecanoic acid Myristic 7,936 1,015 8,292 0,798 8,508
5 C15:0 0,399
6 C15:1(n-5) 10- Pentadecenoic acid - 1,036
7 C16:0 Hexadecanoic acid Palmitic 12,236 39,245 12,246 34,850 33,729 25,982 11,361
8 C16:1(n-7) 9- Hexadecanoic acid Palmitoleic 19,485 4,155 19,547 2,619 3,737 0,938 3,741
9 C16:1(n-9) 11- Hexadecanoic acid Palmitoleic 9,238 2,342 3,783
10 C17:0 Heptadecanoic acid Margric 3,366 3,305 3,535 1,485 4,054 5,754 0,589
11 C17:1(n-7) 10- Heptadecenoic acid - 4,864 4,797 5,092 2,560 9,263
12 C18:0 Octadecanoic acid Stearic 4,519 2,469 4,647 6,256 1,485 2,394
13 C18: 1n-7 7- Octadecenoic acid - 5,305
14 C18:1(n-9) 9- Octadecenoic acid Oleic 1,801 1,758 1,791 2,056 17,827 18,85 13,609
15 C18:2(n-6-t) - Linoleic 6,018 20,977 4,913 5,752 21,585 12,68 18,33 16 C18:4(n-3) 9,12,15,17-Octadecatrienoic acid 17,985 13,892 17 C18:5(n-3) 0,772 0,13 18 C18:3(n-6) 6,9,12-Octadecatrienoic acid - 3,672 0,186 1,492 19 C18:3(n-3) 9,12,15-Octadecatrienoic acid - 15,208 21,027 15,321 35,031 0,344
20 C19:0 0,463
21 C20:0 Eicosanoic acid Archidic 5,076 4,572 1,919 0,166 2,247 14,893
22 C20:2 0,383
23 C20:4(n-6) 5,8,11,4- Eicosatetraenoic acid Arachidonic
acid AA 2,526 2,647 1,633 24 C20:5(n-3) 5,8,11,14,17-Eicosapentaenoic acid EPA 10,841 11,320 2,327 25 C21:1n-9 26 C22:0 27 C22: 4n-6 11,13,16,19 - Docosatrienoic acid 28 C22:5n-6 7,9,13,16,19- Docosatrienoic acid 0,728
29 C22:6n-3 Docosahexaenoic acid DHA
6,309
Tổng các acid béo no 39,257 46,514 39,369 47,275 54,533 33,983 61,884
Tổng các acid béo không no 60,743 53,486 60,631 52,725 45,467 66,017 38,144
3.6. Nuôi thu sinh khối tảo làm nguyên liệu sản xuất biodiesel
Trong số 3 loài VTB được đánh giá là có khả năng sinh trưởng tốt và có thành phần acid béo phù hợp nhất cho chuyển hóa tạo biodiesel, do hạn chế về thời gian nên trong khuôn khổ của luận văn này, chúng tôi đã chọn Chlorella sp. để nuôi thu sinh khối làm nguyên liệu cho thí nghiệm chuyển hóa tạo biodiesel ở quy mô phòng thí nghiệm. Hình 22 minh họa quá trình nhân nuôi sinh khối tảo Chlorella sp. ở quy mô pilot.
So với nuôi trồng ở quy mô phòng thí nghiệm (từ 100 đến 1000 mL) thì nuôi sinh khối tảo ở quy mô lớn (trong trường hợp này là quy mô 10 lít), MĐTB thường thấp hơn nhiều. Đối với Chlorella sp., MĐTB cực đại trong các bình 10 lít đạt trung bình khoảng 20 x 106TB/mL sau 7 đến 10 ngày nuôi cấy. Năng suất sinh khối đạt trung bình khoảng 4 g/Lít.
Sinh khối Chlorella sp. sau giai đoạn nuôi trồng được thu hoạch bằng phương pháp kết tủa sử dụng phèn chua nồng độ 0,04% (hình 23-A). Sau khi kết tủa, sinh khối được ly tâm và loại muối để sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình chuyển hóa (hình 23-B).
3.7. Chuyển hóa sinh khối tảo thành biodiesel bằng phƣơng pháp trực tiếp tiếp
Thông thường, việc sản xuất biodiesel từ tảo theo các phương pháp truyền thống được tiến hành bằng cách tách chiết dầu tảo khỏi sinh khối, sau đó dầu tảo được sử dụng cho phản ứng chuyển hóa tạo biodiesel (Miao và cs., 2006; Liu và cs., 2007). Tuy nhiên, để giảm bớt chi phí của công đoạn tách chiết, biodiesel được sản xuất theo phương pháp methyl hóa trực tiếp từ sinh khối chứa dầu cũng đã được tiến hành ở một số loài tảo (Lewis và cs., 2000) và nấm (Liu và cs., 2007). Phương pháp chuyển hóa trực tiếp cũng rút ngắn được thời gian một cách đáng kể và tránh được việc mất mát lipid trong quá trình tách chiết. Nhờ đó, hiệu suất chuyển hóa đạt được cao hơn so với phương pháp truyền thống.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng sinh khối tảo Chlorella sp. để làm nguyên liệu chuyển hóa tạo biodiesel. Sinh khối tảo phải ở dạng bột khô vì nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng việc sử dụng sinh khối tươi để chuyển hóa làm giảm đáng kể hiệu suất biodiesel thu được. Nguyên nhân là do thành phần nước chứa trong nguyên liệu thường làm giảm tác dụng của chất xúc tác. Đặc biệt trong một số trường hợp (ví dụ như sử dụng chất xúc tác kiềm), sự có mặt của nước trong
Hình 23. A-Thu sinh khối Chlorella sp. bằng phƣơng pháp kết tủa ở quy mô 10 lít B- Sinh khối Chlorella sp. sau khi đã loại muối
B A
hỗn hợp phản ứng sẽ gây ra sự xà phòng hóa. Xà phòng sẽ làm giảm đáng kể tác dụng của chất xúc tác và làm tăng độ nhớt của dung dịch, tạo ra hỗn hợp dạng gel nên rất khó để phân tách các sản phẩm của phản ứng chuyển hóa (biodiesel, glycerol) (Hideki và cs., 2001; Michael, 2009; Ehimen và cs., 2010).
Trong số các loại chất xúc tác thường được sử dụng để sản xuất biodiesel (bao gồm xúc tác kiềm, acid, enzyme lipase) thì xúc tác kiềm thường được sử dụng rộng rãi vì giá thành rẻ. Tuy nhiên, đối với các loại nguyên liệu có chứa hàm lượng acid béo tự do (FFA) cao như đối với dầu tảo thì việc sử dụng xúc tác kiềm là không phù hợp vì sẽ gây ra sự xà phòng hóa. Do đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng chất xúc tác là acid sulphuric (H2SO4). Các acid vô cơ (như H2SO4, HCl…) có tinh chất trơ đối với FFA nên phù hợp đối với các nguyên liệu có chứa hàm lượng FFA cao (trên 0,5% w/w tính theo khối lượng dầu) (Ehimen và cs., 2010).
Sau quá trình phản ứng ở quy mô phòng thí nghiệm, chúng tôi đã thu được sản phẩm biodiesel ở dạng thô có màu xanh sáng (hình 24). Thí nghiệm được lặp lại 3 lần để kiểm chứng. Hình 24 minh họa các bước rửa để thu hồi sản phẩm biodiesel từ hỗn hợp sau phản ứng.
s
3.8. Đánh giá hiệu suất của quá trình chuyển hóa và chất lƣợng của sản phẩm biodiesel phẩm biodiesel
3.8.1. Hiệu suất của quá trình chuyển hóa
Hiệu suất của quá trình chuyển hóa được tính dựa trên khối lượng sản phẩm biodiesel (FAME) thu được so với khối lượng sinh khối tảo khô được sử dụng làm nguyên liệu. Kết quả chúng tôi thu được hiệu suất chuyển hóa biodiesel đạt khoảng 27%. Hiệu suất này khá thấp so với nhiều tài liệu đã công bố về biodiesel được sản xuất từ vi tảo. Chẳng hạn khi sử dụng một loài tảo Chlorella nước ngọt (với hàm lượng lipid tổng số chiếm trên 27% sinh khối khô) làm nguyên liệu theo cùng một
Hình 24. Các bƣớc thu hồi sản phẩm biodiesel
Lọc bỏ sinh khối Tách lớp trong phễu chiết
Lớp kỵ nước chứa hexan + FAME + Glycerides Lớp nước chứa Glycerol+ H2SO4 +methanol dư Hỗn hợp sau phản ứng Sản phẩm cuối cùng (FAME, biodiesel)
Loại bỏ hexan bằng máy cô quay chân không
Rửa lớp hexan chứa FAME bằng nước cất
quy trình tương tự, Ehimen và cs. (2010) đã thu được hiệu suất biodiesel đạt từ 70 - 80%. Điều này cho thấy rõ nguyên nhân đầu tiên ảnh hưởng đến hiệu suất sản phẩm biodiesel chính là hàm lượng dầu có chứa trong nguyên liệu sinh khối. Mặt khác, hàm lượng dầu trong sinh khối tảo không chỉ phụ thuộc vào loài mà còn chịu ảnh hưởng đáng kể bởi các điều kiện nuôi trồng. Nguyên liệu sinh khối tảo chúng tôi sử dụng trong nghiên cứu này có hàm lượng lipid tổng số chỉ khoảng 4,6% sinh khối khô. Do đó, kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy từ sinh khối vi tảo biển
Chlorella sp. của Việt Nam có thể sử dụng được để chuyển hóa tạo biodiesel song đây mới chỉ là các kết quả bước đầu. Cần phải tiến hành các nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa được các điều kiên nuôi trồng cũng như quy trình chuyển hóa nhằm nâng cao năng suất sinh khối, hàm lượng dầu trong sinh khối cũng như hiệu suất của sản phẩm biodiesel.
3.8.2. Chất lượng của sản phẩm biodiesel
Biodiesel nói chung và biodiesel từ tảo nói riêng sau khi sản xuất ra muốn trở thành nhiên liệu phải đáp ứng được một số tiêu chuẩn nhất định. Chẳng hạn như ở Mỹ có tiêu chuẩn ASTM Biodiesel Standard D6751. Ở Châu Âu có hai loại tiêu chuẩn: Standard EN 14214 đối với biodiesel dùng cho vận tải và Standard EN 14213 đối với dầu đốt (Knothe, 2006). Ở Việt Nam tiêu chuẩn TCVN 7717: 2007 đối với diesel sinh học gốc (B100) cũng đã được công bố. Nói chung, để có thể được sử dụng làm nhiên liệu, biodiesel phải đáp ứng được hơn 20 chỉ tiêu như hàm lượng ester, khối lượng riêng, điểm chớp cháy, độ nhớt, hàm lượng lưu huỳnh, trị số cetane, chỉ số iod, độ ổn định oxy hóa v.v… đều phải nằm trong ngưỡng cho phép. Tuy nhiên, trong giới hạn của luận văn này, chúng tôi chỉ có thể tiến hành xác định được một số chỉ tiêu đơn giản để bước đầu đánh giá chất lượng của sản phẩm biodiesel được tạo ra trong điều kiện phòng thí nghiệm của chúng tôi, bao gồm: chỉ số iod, khối lượng riêng và ngoại quan. Các chỉ tiêu này được đánh giá dựa trên