Tính đến thời điểm năm 2007 lượng khí thải CO2 đã lên tới 30 tỉ tấn và lượng khí nhà kính không ngừng gia tăng do các nước phát triển tiêu thụ năng lượng ngày càng nhiều. Khi đốt 1 nguyên tử C hóa thạch đồng nghĩa sinh ra 1 phân tử CO2. Việc đốt than sinh ra nhiệt với phản ứng sau:
C + O2 CO2 + ∆ H (375 BTU/mol)
Thông thường khi đốt than, CO2 chiếm khoảng 12 % khí thải. Cứ 1 tấn C trong than thì sinh ra khoảng 4 tấn CO2. Đã có nhiều nỗ lực nhằm giảm khí thải CO2 từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch, đó là các phương pháp sau:
+ Phương pháp hấp thu:
Phương pháp hấp thụ được sử dụng nhiều trong việc khử SO2, trong khí thải do đốt than, dầu và từ lò nấu kim loại; khử hơi H2SO4 từ công nghiệp sản xuất hoá chất; khử hơi H2S từ công nghiệp sản xuất khí thiên nhiên và lọc dầu; Khí Clo từ sản xuất hoá chất; các halogen, CO2, NO2 và bụi từ các quá trình công nghệ khác; HCl, NH3 từ quá trình mạ kim loại…
+ Phương pháp hấp phụ rắn
Quá trình hấp phụ là quá trình hút chọn lựa các cấu tử trong pha khí hay pha lỏng lên bề mặt chất rắn. Có rất nhiều chất hấp thụ rắn khác nhau. Amine và những chất hóa học khác như Na2CO3 có thể được cố định lên bề mặt của chất rắn để tạo thành một chất hấp phụ có thể phản ứng với CO2 . Than hoạt tính, các ống nano carbon và zeolit (tự nhiên và nhân tạo) là các dạng chất hấp phụ rắn khác [3].
+Phương pháp sử dụng các chất dung môi
Sau khi dung môi phản ứng với CO2, nó được đốt nóng để giải phóng khí CO2 và dung môi tái sinh. Có một số loại dung môi khác nhau mà người ta có thể sử dụng để thu CO2 từ khí thải. Chất Amine là dung môi đầu tiên được sử dụng để loại bỏ những khí axit
có trong khí thải. Sử dụng Ammonia (NH3) để tách CO2 khỏi khí thải cũng là công nghệ đầy triển vọng.
+Công nghệ thu hồi CO2 bằng kĩ thuật màng
Những màng lọc bằng gốm hoặc kim loại có cấu trúc lỗ để tạo lưới phân tử có kích cỡ khác nhau. Nhìn chung các màng lọc hiện nay chưa đủ khả năng để tách khí CO2
hiệu quả khỏi các khí khác mà cần có những nghiên cứu phát triển cải tiến hơn nữa [8]. +Công nghệ thu hồi CO2 bằng enzyme của vi khuẩn biến đổi gen
Người ta đã sử dụng kỹ thuật gen để biến đổi E.coli để vi khuẩn này sản sinh ra loại enzym biến CO2 thành bicarbonate. Enzym này chính là cốt lõi của công nghệ lò phản ứng sinh học, có khả năng tăng quy mô để thu hồi lượng CO2 phát thải từ các nhà máy nhiệt điện [44].
+Công nghệ thu khí CO2 bằng màng ion lỏng
Trong vài năm qua, việc kiểm nghiệm các chất lỏng ion cho thấy chúng là dung môi rất hiệu quả để hòa tan CO2. Phương pháp này được đánh giá là giải pháp sạch, bền vững và khả thi hơn những phương pháp hiện có [51].
+Sử dụng các vật liệu khác nhau để loại bỏ khí thải đồng hành và giữ lại CO2
Khí thải đốt than có thành phần chủ yếu là CO2, NOx, SO2, HC, CO và các hạt bụi lơ lửng cỡ vài micromét (PM). Viện khoa học vật liệu nghiên cứu và chế tạo thiết bị sử dụng các bộ xúc tác có cấu trúc tổ ong và hấp thụ để giảm thiểu khí đồng hành NOx, SO2. HC, CO tạo ra nguồn cung cấp khí CO2 tương đối sạch. Các vật liệu xúc tác được lựa chọn chế tạo trên nền oxit kim loại cấu trúc nano để đảm bảo hiệu quả cao của quá trình xúc tác trong không gian nhỏ gọn. Khí NOx, HC, CO được chuyển hóa về CO2, H2O và N theo các phản ứng oxy hóa khử [5].
3.1. Tận dụng nguồn CO2 từ khí thải để sản xuất tảo 3.1.Tảo Spirulina platensis
3.1.1. Lịch sử phát hiện và sử dụng Spirulina
Spirulina là sinh vật sống nguyên thủy cách đây khoảng 3,5 tỉ năm, được cho là có khả năng sử dụng nitơ tan trong nước biển làm nguồn dinh dưỡng cho sự tăng trưởng và sinh sản. Vào thế kỷ 16, ngư dân người Aztecs sống trong thung lũng Mexico, sử dụng lưới có lỗ nhỏ để thu lượm một loại thực phẩm mới, màu xanh gọi là techuitlatl từ các
phá và làm những chiếc bánh màu xanh lam-lục từ đó. Người Kanembu sử dụng túi vải để phơi tảo lam trên cát của hồ Chad dưới ánh nắng mặt trời.
Loài tảo này do tiến sĩ Clement người Pháp tình cờ phát hiện vào những năm 1960 khi đến hồ Tchad ở Trung Phi. Tên Spirulina do gốc từ Latin và Anh ngữ là “Spiral”,có nghĩa là “xoắn”. Trong các hồ tảo sông tự nhiên hay nhân tạo, với mắt thường đó là một hồ nước xanh lục hay xanh lam tuyệt đẹp dưới ánh nắng mặt trời. Tảo là một loại thần dược điều trị bệnh suy dinh dưỡng và một số bệnh khác. Mỗi năm có khoảng 3000 tấn tảo được xuất khẩu, nước tiêu thụ mạnh nhất là đại lục Trung Hoa, tiếp theo là Mỹ. Ngày nay, tảo Spirullina đã được nuôi trồng nhiều trên các nước như: Hoa Kỳ, Thái Lan, Ấn Độ, Nhật Bản, Hồng Kông và Việt Nam.[5]
Ở Việt Nam, tảo Spirulina được đưa vào từ 1985. Trong những năm 1985-1995 đã có những nghiên cứu thuộc lĩnh vực công nghệ sinh học cấp nhà nước như nghiên cứu của GS.TS. Nguyễn Hữu Thước và cộng sự (Viện Công Nghệ Sinh Học thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) với đề tài “Công nghiệp nuôi trồng và sử dụng tảo
Spirulina”.
Trong khi không một loài vi sinh vật nào mang lại hứa hẹn về nguồn protein giá rẻ, Spirulina vẫn tiếp tục được nghiên cứu và gia tăng sản xuất, điều này phản ánh nhận thức đúng đắn về giá trị dinh dưỡng của Spirulina. Nhiều tổ chức sức khỏe, tổ chức xã hội ở nhiều nước trên thế giới công nhận Spirulina là thức ăn bổ dưỡng và nó còn được gọi là thực phẩm của tương lai (Food of future). Theo Hills (1980) thì tảo Spirulina là
một loại thức ăn cao cấp và an toàn đã được các bác sĩ Nhật Bản dùng để điều trị một số bệnh hiểm nghèo như tiểu đường, ung thư, viêm gan.
Hình 1.10. Tảo Spirulina Platensis
3.1.1.2. Phân loại học
Mang nhiều tên gọi khác nhau như Spirulina, Arthrospira và là một chủ đề được thảo luận nhiều từ trước đến nay, nhất là khi cái tên “tảo” được nhắc đến lần đầu tiên. Năm 1852, việc phân loại học đầu tiên được viết bởi Stizenberger. Ông đưa ra tên loài mới là Arthrospira dựa vào cấu trúc chứa vách ngăn, đa bào, dạng xoắn. Gomont đã khẳng định những nghiên cứa của Stizenberger vào năm 1892, đồng thời Gomont bổ sung thêm loài không có vách ngăn là Spirulina và loài có vách ngăn là Arthrospira. Như vậy, tên được công nhận là Arthrospira, nhưng trong những hoạt động khảo sát và nghiên cứu Arthrospira được gọi là Spirulina, do đó tên Spirulina được sử dụng phổ biến cho đến nay thay cho tên Arthrospira. Spirulina (Arthrospira) maxima và Spirulina (Arthrospira) platensis là hai chi quan trọng nhất trong loài, chúng được phân biệt do sự
khác nhau về hình dạng sợi, không bào, sự bao phủ bên ngoài do vỏ hay màng nhầy chiếm ưu thế.
Cho đến năm 1962, Spirulina chính thức được xếp vào giới prokaryote do không có màng phospholipidic và màng nhân. Theo Giáo sư Nguyễn Lân Dũng và cộng sự
lam (Cyanobacteria) thường được gọi là Tảo lam (Cyanophyta hay blue algae) hay Tảo lam lục (Blue green algae). Vi khuẩn lam có khả năng tự dưỡng quang năng nhờ chứa sắc tố quang hợp là chất diệp lục a. Quá trình quang hợp của vi khuẩn lam là quá trình phosphoryl hóa quang hợp phi tuần hoàn, có giải phóng oxy như ở cây xanh [28].
Loài Spirulina (Arthrospira) platensis thuộc: Chi Spirulina (Arthrospira)
Họ Oscillatoriceae Bộ Oscillatoriales Lớp Cyanophyceae Ngành Cyanophyta
3.1.1.3. Phân bố
Spirulina được tìm thấy ở đất, đầm lầy, nước ngọt, nước lợ, nước ấm, nước biển.
Môi trường có độ mặn và kiềm cao rất thích hợp cho sản xuất Spirulina, nhất là những
nơi nhiều ánh nắng mặt trời, vùng cao so với mặt nước biển và có khí hậu nhiệt đới.
Spirulina trong tự nhiên sống ở các hồ chứa nước giàu bicacbonat (HCO3), pH biến động từ 8,5 – 11. Ở các vùng nước cạn, xung quanh rìa hồ hay kênh bị ô nhiễm thường bị bao phủ bởi lớp dày tảo lam dạng sợi bám, trong đó có tảo Spirullina.
Trên thế giới
Phân bố nhiều ở Bắc và Nam Châu Phi, Bắc và Nam Châu Mỹ, Nam và Trung Châu Á, những hồ giàu bicacbonat như Lake Texcoco. Ngoài ra có hồ lớn nhất nuôi
Spirulina ở miền trung châu Phi chạy quanh Lakes Chad và Niger, phía đông châu Phi
chạy dọc theo vịnh Great Rift, nông trại Hawwai (Hoa Kỳ), tại Chenhai (Trung Quốc)…
Ở Việt Nam
Phân bố ở các Thủy vực khác nhau như sông, ao, hồ, ruộng lúa…và được nuôi trồng ở: công ty cổ phần nước khoáng Vĩnh Hảo (Bình Thuận) và một số cơ sở ở Bình Chánh và TP.Hồ Chí Minh [50].