Thạc Sĩ Nghiên cứu ly trích dầu từ tảo Chlorella vulgaris định hướng sản xuất Biodiesel

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỮU CƠ
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
NĂM – 2010

MỤC LỤC
Danh mục các hình ảnh
Danh mục các sơ đồ và bảng biểu
Danh mục các từ viết tắt và kí hiệu

MỞ ĐẦU
Chương I: TỔNG QUAN
I.1. TỔNG QUAN VỀ DẦU DIESEL . . 1
I.1.1. Nguồn gốc và tính chất của dầu diesel 1
I.1.2. Những hạn chế của năng lượng diesel 1
I.1.3. Nhiên liệu có khả năng thay thế dầu diesel . 2
I.1.3.1. Nhiên liệu có nguồn gốc sinh khối 2
I.1.3.2. Nhiên liệu có nguồn gốc từ khí . 2
I.1.3.3. Sử dụng trực tiếp dầu thực vật làm nhiên liệu 3
I.2. BIODIESEL 4
I.2.1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng biodiesel trên thế giới 4
I.2.2. Tính chất hóa lý của biodiesel . 8
I.2.3. Ưu điểm của biodiesel so với dầu diesel . 10
I.2.3.1. Về môi trường . 10
I.2.3.2. Về kỹ thuật 11
I.2.3.3. Về kinh tế 11
I.2.4. Nghiên cứu về biodiesel ở Việt Nam 12
I.2.5. Điều chế biodiesel . 14
I.3. ĐẶC ĐIỂM VỀ TẢO LỤC CHLORELLA VULGARIS 18
I.3.1. Giới thiệu về tảo Chlorella . 18
I.3.2. Hình thái và các đặc điểm sinh học về ngành tảo lục . 19
I.3.3. Thành phần hóa học 20
I.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của tảo . 22
I.3.4.1. pH 22
I.3.4.2. Các chất dinh dưỡng/môi trường nuôi 23
I.3.4.3. Nhiệt độ . 23
I.3.4.4. Khuấy sục môi trường nuôi (chế độ sục khuấy) . 23
I.3.4.5. Ánh sáng 23
I.3.4.6. Các yếu tố sinh học . 24
I.3.5. Các phương pháp nuôi tảo 24
I.3.6. Định lượng sinh khối tảo . 27
I.3.7. Tách sinh khối tảo . 27
I.3.8. Sấy sinh khối tảo . 28
I.3.9. Một số kết quả nuôi tảo sản xuất biodiesel ở Đại học
Nông Lâm TP.HCM . 28
I.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIẾT TÁCH DẦU TỪ TẢO 28
I.4.1. Phương pháp ép . 28
I.4.2. Phương pháp chiết xuất sử dụng chất lỏng siêu tới hạn 29
I.4.3. Chiết dầu bằng phương pháp ly trích 29
I.4.3.1. Ý nghĩa của phương pháp ly trích dầu thực vật 30
I.4.3.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp ly trích . 30
I.4.3.3. Những nhân tố ảnh hưởng đến vận tốc và độ kiệt dầu khi ly trích 31
I.4.3.4. Dung môi dùng để ly trích 32
I.4.3.5. Phương pháp soxhlet . 32
I.4.3.6. Phương pháp ngấm kiệt . 33
I.4.3.7. Phương pháp chiết ngâm dầm . 33
I.5. VAI TRÒ CỦA SIÊU ÂM TRONG LY TRÍCH 33
I.5.1. Nguyên tắc . 33
I.5.2. Hiện tượng tạo bọt và vỡ bọt 34
I.6. TỔNG QUAN VỀ CHLOROPHYLL, CÁC DẪN XUẤT CỦA CHLOROPHYLL VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LOẠI BỎ CHÚNG 34
I.6.1. Chlorophyll và các dẫn xuất của chlorophyll 34
I.6.2. Các phương pháp loại bỏ chlorophyll và các dẫn xuất
của chlorophyll . 36
I.6.2.1. Phương pháp hóa lý . 36
I.5.2.2. Phương pháp hóa học 36
I.5.2.3. Phương pháp sinh học . 36
I.5.3. Cơ chế loại bỏ chlorophyll bằng phương pháp hóa học . 36
I.5.4. Các phương pháp phân tích chlorophyll . 37
I.5.4.1. Phương pháp chuẩn độ 37
I.5.4.2. Phương pháp quang phổ . 37

Chương II: THỰC NGHIỆM
II.1. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
II.2. NGUYÊN LIỆU, THIẾT BỊ, HÓA CHẤT . 40
II.2.1. Nguyên liệu 40
II.2.2. Thiết bị và dụng cụ 40
II.2.3. Hóa chất thí nghiệm . 41
II.3. THỰC HIỆN NUÔI CẤY TẢO
II.4. LY TRÍCH DẦU . 42
II.4.1. Ly trích bằng phương pháp chiết soxhlet 42
II.4.2. Ly trích bằng phương pháp ngâm dầm 43
II.4.3. Ly trích bằng phương pháp ngâm dầm với sự hỗ trợ của siêu âm . 44
II.5. KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP TINH CHẾ DẦU . 44
II.5.1. Tinh chế dầu thô bằng phương pháp sắc ký cột silicagel 44
II.5.2. Tinh chế dầu bằng phương pháp đất sét 44
II.5.3. Tinh chế dầu bằng hỗn hợp acid H3PO4/H2SO4 45
II.6. KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA DẦU TẢO 46
II.7. TỔNG HỢP DẦU BIODIESEL . 47

Chương III: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
III.1. LY TRÍCH DẦU 49
III.1.1. Phương pháp chiết soxhlet . 49
III.1.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của các loại dung môi 49
III.1.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm nguyên liệu . 50
III.1.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ly trích 51
III.1.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng tảo khô 52
III.1.2. Phương pháp ngâm dầm bằng etanol 53
III.1.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ tảo/etanol 96 % lên hiệu suất ly trích dầu 53
III.1.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ nước/etanol lên hiệu suất ly trích dầu . 54
III.1.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy từ . 56
III.1.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ tảo/n-hexan lên hiệu suất ly trích dầu 57
III.1.2.5. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm dầm 58
III.1.3. Phương pháp ngâm dầm có sự hỗ trợ của siêu âm . 59
III.1.4. Tổng kết các phương pháp ly trích dầu 60
III.2. TINH CHẾ DẦU 61
III.2.1. Tinh chế bằng phương pháp sắc ký cột silicagel 61
III.2.2.Tinh chế bằng phương pháp hấp phụ đất sét . 62
III.2.3. Tinh chế bằng phương pháp acid H3PO4/H2SO4 63
III.2.4. Tinh chế bằng phương pháp sắc ký cột silicagel
rồi dùng hỗn hợp acid H3PO4/H2SO4 . 63
III.2.5. Tinh chế bằng phương pháp hấp phụ đất sét rồi dùng hỗn hợp acid H3PO4/H2SO4 . 64
III.2.6. Tổng kết các phương pháp tinh chế dầu . 65
III.3. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA DẦU TẢO . 66
III.3.1. Chỉ số acid 66
III.3.2. Chỉ số savon hóa . 66
III.3.3. Chỉ số iod 67
III.3.4. Tỷ trọng 67
III.3.5. Độ nhớt . 67
III.3.6. Thành phần acid béo . 67
III.4. TỔNG HỢP DẦU BIODIESEL . 69
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
IV.1. KẾT LUẬN . 72
IV.2. KIẾN NGHỊ 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình I.1. Tảo Chlorella vulgaris nhìn dưới kính hiển vi. 19
Hình I.2. Thiết bị nuôi sản xuất sinh khối tảo trong ống xoắn ở Úc. 25
Hình I.3. Sự ly trích dầu trong tảo dưới kính phóng đại. 30
Hình I.4. Cấu tạo thiết bị chiết soxhlet. 32
Hình I.5. Cấu trúc phân tử chlorophyll. 35
Hình I.6. Sự thoái biến của chlorophyll và các dẫn xuất của chlorophyll. 36
Hình III.1. Ảnh hưởng của dung môi lên hiệu suất ly trích dầu bằng phương pháp soxhlet. 49
Hình III.2. Ảnh hưởng của độ ẩm lên khối lượng và hiệu suất ly trích dầu. 50
Hình III.3. Ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất ly trích dầu. 51
Hình III.4. Ảnh hưởng của khối lượng tảo khô lên hiệu suất ly trích dầu. 53
Hình III.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ tảo/etanol 96 % lên hiệu suất trích dầu. 54
Hình III.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ nước/etanol lên hiệu suất ly trích dầu. 55
Hình III.7. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy từ lên khối lượng và hiệu suất ly trích dầu. 56
Hình III.8. Ảnh hưởng của tỷ lệ tảo/n-hexan lên hiệu suất ly trích dầu. 57
Hình III.9. Ảnh hưởng của thời gian ngâm dầm lên hiệu suất ly trích dầu. 58
Hình III.10. Ảnh hưởng của thời gian lên khối lượng và hiệu suất ly trích dầu trong điều kiện ngâm dầm có hỗ trợ của siêu âm. 59
Hình III.11. Tổng kết các phương pháp ly trích. 60
Hình III.12. Đồ thị hiệu suất các phương pháp tinh chế dầu. 65

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ VÀ BẢNG BIỂU


Sơ đồ I. Phản ứng transester hóa dầu thực vật. 5
Sơ đồ II.1. Quy trình ly trích dầu bằng phương pháp chiết soxhlet. 42
Sơ đồ II.2. Quy trình ly trích dầu bằng phương pháp ngâm dầm. 43
Sơ đồ II.3. Quy trình tinh chế dầu bằng hỗn hợp acid H3PO4/H2SO4 45
Sơ đồ II.4. Quy trình phản ứng tổng hợp biodiesel từ dầu tảo. 47
Bảng I.1. Sản lượng tiêu thụ biodiesel ở một số nước. 7
Bảng I.2. Tiêu chuẩn ở một số nước về biodiesel. 9
Bảng I.3. Độ nhớt, tỷ trọng và điểm chớp cháy của metil ester một số dầu thực vật. 9
Bảng I.4. So sánh giá thành của dầu diesel và biodiesel. 12
Bảng I.5. So sánh xúc tác kiềm và enzym trong phản ứng biodiesel. 18
Bảng I.6. Thành phần hóa học chứa trong tảo Chlorella vulgaris. 20
Bảng I.7. Thành phần hóa học có trong một số loại tảo. 21
Bảng I.8. Một số loại acid béo chính có trong một số loại tảo. 22
Bảng I.9. Tóm tắt ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp nuôi tảo. 26
Bảng I.10. Một số phương pháp sấy sinh khối tảo. 28
Bảng I.11. Hệ số hấp thu riêng trung bình ε của chlorophyll A, chlorophyll B, pheophytin A, pheophytin B tại các bước sóng phân tích. 38
Bảng III.1. Kết quả khảo sát hàm lượng dầu theo loại dung môi sử dụng. 49
Bảng III.2. Kết quả khảo sát hàm lượng dầu theo độ ẩm. 50
Bảng III.3. Kết quả khảo sát hàm lượng dầu theo thời gian ly trích. 51
Bảng III.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng tảo khô lên hiệu suất ly trích dầu. 52
Bảng III.5. Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ tảo/etanol 96 % lên hiệu suất ly trích dầu. 54
Bảng III.6. Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ nước/etanol lên hiệu suất ly trích dầu. 55
Bảng III.7. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy lên hiệu suất ly trích dầu. 56
Bảng III.8. Kết quả ảnh hưởng tỷ lệ tảo khô/n-hexan lên hiệu suất ly trích dầu. 57
Bảng III.9. Kết quả ảnh hưởng của thời gian ngâm dầm lên hiệu suất ly trích dầu. 58
Bảng III.10. Kết quả ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất ly trích dầu trong điều kiện có siêu âm. 59
Bảng III.11. So sánh kết quả các phương pháp ly trích. 60
Bảng III.12. Kết quả tinh chế dầu bằng phương pháp sắc ký cột. 61
Bảng III.13. Tinh chế dầu bằng phương pháp đất sét. 62
Bảng III.14. Kết quả tinh chế dầu bằng phương pháp acid. 63
Bảng III.15. Kết quả tinh chế dầu bằng phương pháp sắc ký cột silicagel – acid H3PO4/H2SO4. 64
Bảng III.16. Kết quả tinh chế dầu bằng đất sét - hỗn hợp acid H3PO4/H2SO4. 65
Bảng III.17. Kết quả tổng kết các phương pháp tinh chế dầu. 65
Bảng III.18. Kết quả chỉ số acid của dầu tảo. 66
Bảng III.19. Kết quả chỉ số savon hóa của dầu tảo. 66
Bảng III.20. Kết quả chỉ số iod của dầu tảo. 67
Bảng III.21. Thành phần acid béo của dầu. 68
Bảng III.22. Kết quả thành phần metyl ester của biodiesel từ tảo. 70



MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển vượt bậc không ngừng của khoa học kỹ thuật, không những các nước tiên tiến mà các nước đang phát triển cũng rất quan tâm đến vấn đề ô nhiễm không khí và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống. Nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần. Bên cạnh đó, đốt nhiên liệu dầu mỏ còn sinh ra khí CO2 gây nên vấn đề môi trường. Ngày nay, một số dạng năng lượng và nhiên liệu thay thế đã được sử dụng thực tế tại một số nước. Việc tìm kiếm các loại nhiên liệu, năng lượng sạch không những giải quyết được vần đề ô nhiễm
không khí mà còn có thể chủ động được các nguồn nhiên liệu, hạn chế sự phụ thuộc vào các biến động trên thế giới. Do vậy, dùng nhiên liệu sinh học để thay thế nhiên liệu dầu mỏ là vấn đề cấp thiết, góp phần đa dạng hóa và tạo ra nguồn năng lượng sạch trong tương lai. Đây là vấn đề đòi hỏi nhân loại ra sức tìm hiểu nghiên cứu để đưa ra giải pháp tốt nhất.

Theo dự báo của các chuyên gia trong lĩnh vực xăng dầu thì trong 10 đến 20 năm nữa, có ít nhất khoảng 60 % xe hơi trên thế giới sẽ vận hành qua việc sử dụng loại nhiên liệu sinh học thay cho xăng, dầu: các nguồn nhiên liệu không thể tái tạo đang cạn kiệt. Các nguồn nhiên liệu chế biến diesel sinh học hay còn gọi là biodiesel tại Việt Nam là rất phong phú. Biodiesel có thể tạo ra từ các nguồn nguyên liệu khác nhau bao gồm dầu thực vật, chất béo động vật và dầu mỡ thải bỏ từ nhà hàng

Những năm gần đây, các loài tảo đã thu hút sự chú ý ngày càng cao của các nhà khoa học, công nghệ và thương mại do những ưu thế của cá thể này so với thực vật bậc cao như: sự phát triển đơn giản, vòng đời ngắn, năng suất cao, hệ số sử dụng năng lượng ánh sáng cao, thành phần sinh hóa dễ được điều khiển tùy điều kiện nuôi cấy và nhờ kỹ thuật di truyền, nuôi trồng đơn giản, thích hợp với quy mô sản xuất công nghiệp. Do đó tiềm năng về việc sản xuất biodiesel nhằm thay thế cho nhiên liệu truyền thống trong tương lai là rất lớn nhằm tạo ra nguồn năng lượng xanh, sạch đối với môi trường. Hiện tại, các nhà nghiên cứu đang nuôi trồng thử nghiệm các giống tảo dành riêng cho công nghệ này và đã cho kết quả ban đầu. Hàm lượng dầu từ 6 % đã tăng lên 10 %. Một số giống tảo có hàm lượng
dầu cao đã được nghiên cứu và cải tạo cho phù hợp với điều kiện tự nhiên, trong đó tảo Chlorella đang được chú ý đến. Theo các nhà chuyên môn, Việt Nam có thuận lợi về khí hậu và địa lý nên việc phát triển công nghệ này là rất khả thi. Với giá thành thấp, công nghệ này sẽ giúp đất nước bảo đảm được an ninh năng lượng cũng như bảo vệ môi trường. Nếu hàm lượng dầu trong tảo đạt 57 % thì giá thành
sản xuất biodiesel chỉ bằng giá dầu mỏ hiện nay. Tảo có vòng đời rất ngắn (chỉ vài ngày) nên nhanh cho thu hoạch. Song trở ngại chính của việc sử dụng biodiesel rộng rãi chính là giá thành. Các nghiên cứu đang suy tính phương thức để trồng đủ và đúng giống tảo cũng như phương pháp chiết xuất dầu một cách hiệu quả nhất.

Hiện tại, tảo Chlorella vulgaris là một trong những giống được quan tâm để tiến hành sản xuất biodiesel. Ở Việt Nam nguồn nguyên liệu tảo khá đa dạng và phong phú, chủ yếu dùng làm thực phẩm. Tuy nhiên thông tin về sản xuất biodiesel từ tảo ở Việt Nam chưa có nhiều. Do vậy, chúng tôi tiến hành thực hiện nghiên cứu bước đầu trong phòng thí nghiệm: ly trích dầu từ tảo Chlorella vulgaris nhằm làm nguyên liệu cho việc sản xuất biodiesel. Với hy vọng tạo ra một hướng nghiên cứu mới khả thi về nguồn nhiên liệu xanh, sạch trong tương lai.