Thạc Sĩ Nghiên cứu sản xuất Diesel sinh học từ vi tảo biển Chlorella vulgaris và Tetraselmis convolutae ở qu

MỞ ĐẦU
Ô nhiễm môi trường và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống đang là vấn đề
mang tính toàn cầu, thu hút sự quan tâm của mọi quốc gia trên thế giới. Nguồn nhiên
liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần. 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. Chính vì vậy, việc sử dụng nhiên liệu sinh học để
thay thế nhiên liệu dầu mỏ là một vấn đề cấp thiết cần tập trung nghiên cứu và giải
quyết; góp phần đa dạng hóa và tạo ra nguồn năng lượng sạch trong tương lai.
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 bằng nhiên liệu sinh học
thay cho xăng, dầu là các nguồn nhiên liệu không thể tái tạo đang cạn kiệt. 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 chúng so với các cây
có dầu như: sự phát triển đơn giản; vòng đời ngắn; năng suất cao; hệ số sử dụng năng
lượng ánh sáng cao; thành phần dầu dễ được điều khiển tùy theo điều kiện nuôi cấy
và nhờ áp dụng các 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 từ nguồn nguyên liệu
sinh khối tảo 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 Luận văn thạc sỹ 2014 Lương Hồng Hạnh

4

nghiên cứu đang nuôi trồng thử nghiệm các giống tảo dành riêng cho công nghệ này
và đã được một số cho kết quả ban đầu như hàm lượng dầu tảo đã tăng từ 6 % 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
có tảo Chlorella và Tetraselmis đang được chú ý quan tâm đặc biệt do chúng có khả
năng nuôi trồng trên quy mô lớn, thành phần axit béo rất phù hợp và dễ biến đổi dưới
các điều kiện nuôi trồng khác nhau cũng như cho chuyển hóa biodiesel có hiệu xuất
cao.
Theo các nhà chuyên môn, Việt Nam có thuận lợi về khí hậu và địa lý với
nguồn tảo rất đa dạng với nhiều loài mang tính đặc hữu rất tiềm năng cho làm nguyên
liệu để sản xuất biodiesel. Song trở ngại chính của việc sử dụng biodiesel rộng rãi
chính là giá thành sản phẩm. Cần có những nghiên cứu nhằm tìm ra được các phương
thức để nuôi trồng đủ được sinh khối tảo đã được lựa chọn làm nguyên liệu cho sản
xuất biodiesel với hiệu xuất chuyển hóa biodiesel có hiệu quả cao.
Ở Việt Nam nguồn nguyên liệu tảo khá đa dạng và phong phú, chủ yếu được
sử dụng làm thực phẩm chức năng cho người và động vật nuôi, làm thức ăn không
thể thiếu cho một số đói tượng nuôi trồng thủy sản ở giai đạn ấu trùng . Tuy nhiên,
thông tin khoa học về sản xuất biodiesel từ tảo ở Việt Nam hiện chưa có nhiều. Do
đó, chúng tôi mong muốn được tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu sản xuất
diesel sinh học từ vi tảo biển Chlorella vulgaris và Tetraselmis convolutae ở quy
mô phòng thí nghiệm” với mục tiêu là có được quy trình chuyển hóa diesel sinh
học chất lượng cao từ sinh khối các loài vi tảo này dưới điều kiện phòng thí
nghiệm nhằm có được các cơ sở khoa học cho việc sản xuất biodiesel xanh, sạch
và thân thiện với môi trường trong tương lai ở Việt Nam. Luận văn thạc sỹ 2014 Lương Hồng Hạnh

5

Công việc được thực hiện tại phòng Công nghệ Tảo, Viện Công nghệ sinh học,
Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam.













Luận văn thạc sỹ 2014 Lương Hồng Hạnh

6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1. Nhiên liệu sinh học
Thuật ngữ nhiên liệu sinh học (NLSH; biofuel) được đưa ra vào cuối những
năm 1980 để chỉ các loại nhiên liệu có khả năng tái tạo. Chúng không có nguồn gốc
từ dầu mỏ, vì vậy chúng được coi là loại nhiên liệu thay thế dầu mỏ. NLSH thường
được sản xuất từ sinh khối (biomass) chủ yếu là các sản phẩm của nông nghiệp.
NLSH được coi là nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường và có tiềm năng thay
thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch trong tương lai (Sudarsan and Anupama, 2006).
NLSH bao gồm cả nhiên liệu dạng khí và dạng lỏng. NLSH dạng lỏng bao
gồm ethanol sinh học (bioethanol), methanol sinh học (biomethanol), diesel sinh học
(diesel sinh học); dạng khí gồm hydro sinh học (biohydro) và methane sinh học
(biomethane) (Đoàn Thị Thái Yên và cs., 2010).
1.1. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất
NLSH thế hệ thứ nhất được sản xuất chủ yếu từ các loại cây lương thực, thực
phẩm như đậu tương, hạt cải dầu, dầu cọ Nhược điểm của việc sử dụng các nguồn
nguyên liệu này là làm giảm tính đa dạng sinh học, tiêu tốn nhiều nước và tăng khí
thải nhà kính. Nhiều báo cáo khoa học đã công bố rằng, khi đốt cháy nhiên liệu thế hệ
thứ nhất sẽ làm phát thải khí nitơ oxít gây ô nhiễm không khí. Ngoài ra, các kỹ thuật
canh tác được áp dụng để trồng cây nguyên liệu cũng gây ra nhiều tác động xấu đến
môi trường do sự sói mòn đất và dư lượng của thuốc trừ sâu, phân bón. Một vấn đề
lớn khác mà việc sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất còn phải đối mặt đó là
an ninh lương thực. Các loại cây lương thực được trồng với mục đích sản xuất nhiên
liệu thay vì sản xuất thực phẩm cho con người. Kết quả dẫn đến sự cạnh tranh về sản Luận văn thạc sỹ 2014 Lương Hồng Hạnh

7

lượng, giá cả giữa nguồn nhiên liệu và lương thực. Chính vì vậy, với những nhược
điểm nêu trên, việc sản xuất NLSH thế hệ thứ nhất ở quy mô lớn là chưa khả thi
(Lang và cs., 2001).
1.2. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai
NLSH thế hệ thứ 2 sử dụng các nguồn nguyên liệu phế thải của nông nghiệp như
gốc, lá và vỏ khô của các cây lương thực hay các cây nguyên liệu được trồng trên đất
bạc màu, bỏ hoang (NLSH được sản xuất từ cellulose), ví dụ như cây cỏ ngọt
(sweetgrass), cây cọc rào (jatropha) (Naik và cs., 2010). Một số sản phẩm của NLSH
thế hệ thứ 2 gồm bio-hydrogen, biomethanol, butanol và isobutanol, Fischer Tropsch
Mặc dù nguyên liệu thô cho sản xuất NLSH thế hệ 2 rất phong phú và không đe dọa
đến vấn đề an ninh lương thực nhưng hiện nay, việc sản xuất NLSH thế hệ thứ 2 vẫn
chưa được thương mại hóa do quá trình chuyển hóa nhiên liệu có giá thành cao và
phải đối mặt với nhiều thách thức về mặt kỹ thuật.
1.3. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba
(Rittmann, 2008),
(Naik 2
(Schenk và cs., 2008)
năm (Dismuskes -
(Chisti
(Sheehan và cs., 1998). Tuy nhiên, trở
ngại lớn nhất hiện nay đối với NLSH thế hệ thứ ba là công nghệ sản xuất sinh khối Luận văn thạc sỹ 2014 Lương Hồng Hạnh

8

tảo có hàm lượng dầu cao với giá thành rẻ, cạnh tranh được với các nguồn nguyên
liệu truyền thống khác cũng như giá thành của việc chuyển hóa dầu tảo thành diesel
sinh học. Hiện nay, sản xuất NLSH từ tảo có chi phí cao hơn nhiều so với sản xuất từ
dầu mỏ (Wen and Johnoson, 2009).
2. Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam và trên thế giới
2.1. Tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam
Trong xu thế chung của thế giới hiện nay coi NLSH là một giải pháp năng lượng sạch
và an toàn cho giảm thiểu ô nhiễm, vấn đề NLSH ở Việt Nam cũng đang ngày càng được
Nhà nước và các nhà khoa học quan tâm và đầu tư nghiên cứu. Ví dụ như, Chính phủ đã ban
hành định hướng phát triển và sử dụng năng lượng giai đoạn 2006-2015 và tầm nhìn đến
2025, bao gồm phát triển điện, than, dầu khí, năng lượng nguyên tử, năng lượng tái tạo,
NLSH Ngày 20.11.2007, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định số 177/2007/QĐ- TTg
phê duyệt “Đề án phát triển NLSH đến năm 2015, tầm nhìn 2025”, trong đó đưa ra mục tiêu
đến năm 2010 sản xuất 100.000 tấn xăng E5/năm (pha khoảng 5% ethanol) và 50.000 tấn
B5/năm (pha khoảng 5% diesel sinh học), bảo đảm 0,4% nhu cầu nhiên liệu cả nước và đến
năm 2025 sẽ có sản lượng hai loại sản phẩm này đủ đáp ứng 5% nhu cầu thị trường nội địa.
Tháng 6/2010, Quốc hội cũng đã thông qua Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả,
trong đó đề cập nhiều đến vấn đề sử dụng năng lượng tái tạo. Sự ra đời của đề án và đặc biệt
việc ban hành Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là căn cứ pháp luật quan trọng
để Việt Nam bước vào một hành trình mới về sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học (http:
//daibieunhandan.vn/default.aspx?tabid=148&NewsId=201888).
Thủ tướng chính phủ vừa đưa ra quyết định từ ngày 1/12/2014 xăng được sản xuất,
phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên địa
bàn 7 tỉnh, thành phố: Hà Nội, Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng
Ngãi, Bà Rịa –Vũng Tàu là xăng E5. Trên toàn quốc, từ ngày 1/12/2015, xăng để sử
dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ là xăng E5. Đối với xăng E10, từ Luận văn thạc sỹ 2014 Lương Hồng Hạnh

9

ngày 1/12/2016, xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương
tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên địa bàn 7 tỉnh, thành phố: Hà Nội, Hồ Chí Minh,
Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà Rịa –Vũng Tàu và từ ngày
1/12/2017 xăng E10 sẽ được sử dụng trên phạm vi toàn quốc
(https://www.pvoil.com.vn/vi-VN/cac-bai-viet-ve-xang-sinh-hoc-e5/tu-nam-2015-
tieu-thu-xang-e5-tren-toan-quoc/284/708).
2.2. Tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới
Hiện nay nhiều quốc gia trên thế giới đang khai thác và sử dụng NLSH ở các mức độ
khác nhau. Năm 2006, toàn thế giới đã sản xuất khoảng 50 tỷ lít ethanol (75% dùng làm
nhiên liệu) so với năm 2003 là 38 tỷ lít, dự kiến cho năm 2012 là khoảng 80 tỷ lít.
Brasil: là quốc gia đầu tiên sử dụng ethanol làm nhiên liệu ở quy mô công nghiệp từ
năm 1970, với loại xăng E25 (pha khoảng 25% ethanol), mỗi năm tiết kiệm được trên 2 tỷ
USD. Và cũng là nước đi đầu trên thế giới trong việc sản xuất Bio-ethanol nhiên liệu từ mật
rỉ. Trong năm 2004 đến năm 2007, Brasil đã sản xuất được 20,5 tỷ lít, chiếm 34% sản lượng
bio-ethanol toàn thế giới. Nhóm các nước nhập khẩu bio-ethanol nhiên liệu từ Brasil là Mỹ,
Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật Bản, Thụy Điển và Hà Lan.
Mỹ: hiện nay là quốc gia sản xuất ethanol lớn nhất trên thế giới (năm 2006 đạt gần 19
tỷ lít, trong đó 15 tỷ lít dùng làm nhiên liệu-chiếm khoảng 3% thị trường xăng). Theo
chương trình phát triển năng lượng quốc gia, Mỹ sẽ sản xuất 25,7 tỷ lit bio-ethanol vào năm
2010. Năm 2012 sẽ cung cấp trên 28 tỷ lít ethanol và diesel sinh học, chiếm 3,5% lượng
xăng dầu sử dụng.
EU: Năm 2006, sản lượng bio-ethanol của EU là 341.250.000 lit, trong đó Pháp là
quốc gia sản xuất bio-ethanol nhiên liệu lớn nhất Châu Âu (114 triệu lit, chiếm 33%), Tây
Ban Nha 47,8 triệu lit (chiếm14%) và Đức 44,4 triệu lit (chiếm 13%).
Trung Quốc: Để đối phó với sự thiếu hụt năng lượng, Trung Quốc một mặt đầu tư lớn
ra ngoài lãnh thổ để khai thác dầu mỏ, mặt khác tập trung khai thác, sử dụng năng lượng tái Luận văn thạc sỹ 2014 Lương Hồng Hạnh

10

tạo, đầu tư nghiên cứu về NLSH. Đầu năm 2003, xăng E10 (10% ethanol và 90% xăng) đã
chính thức được sử dụng ở 5 thành phố lớn và sắp tới sẽ mở rộng thêm tại 9 tỉnh đông dân
cư khác. Dự kiến, ethanol nhiên liệu sẽ tăng trên 2 tỷ lít vào năm 2010, khoảng 10 tỷ lít vào
năm 2020 (năm 2005 là 1,2 tỷ lít).
Ấn Độ: là quốc gia đứng thứ 2 ở Châu Á về sản xuất bio-ethanol sau Trung Quốc.
Năm 2005 sản lượng Bio-ethanol của Ấn Độ là 1,7 tỷ lit, trong đó 200 triệu lít là bio-ethanol
nhiên liệu.
Thái Lan: là quốc gia Đông Nam Á đi tiên phong trong việc sản xuất bio-ethanol.
Năm 2007,Thái Lan có 9 nhà máy sản xuất bio-ethanol nhiên liệu với tổng công suất lên tới
400 triệu lit/năm, trong khi đó chỉ có duy nhất nhà máy Thai Nguan sản xuất bioethanol từ
sắn lát. Dự kiến đến năm 2011, Thái Lan sẽ sản xuất khoảng 1 tỷ lit bio-ethanol nhiên liệu.
Malaysia: đến năm 2015 sẽ có 5 nhà máy sản xuất diesel sinh học từ dầu cọ, với tổng
công suất gần 1 triệu tấn để sử dụng trong nước và xuất khẩu sang Châu Âu (Kansedo và
cs., 2009).
Inđônêxia: phấn đấu đến năm 2015 sẽ sử dụng B5 đại trà trong cả nước. Ngoài dầu cọ,
sẽ đầu tư trồng 10 triệu ha cây cọc rào (Jatropha curcas) lấy dầu sản xuất diesel sinh học.
Côlômbia: đã ban hành đạo luật bắt buộc các đô thị trên 500.000 dân phải sử dụng
E10.
Achentina: đã phê duyệt Luật NLSH (tháng 4/2006) và quy định năm 2010 các nhà
máy lọc dầu pha 5% ethanol và 5% diesel sinh học trong xăng, dầu để bán trên thị trường.
Costa Rica, Philippines và các quốc gia thuộc châu Âu . đều có lộ trình sử dụng diesel sinh
học.
3. Các phương pháp sản xuất diesel sinh học
Một số phương pháp sản xuất diesel sinh học như nhiệt phân, microemulsion (vi
nhũ hóa), chuyển vị ester, trong đó phản ứng chuyển vị ester là phương pháp phổ Luận văn thạc sỹ 2014 Lương Hồng Hạnh

11

biến nhất. Phương trình chuyển hóa diesel sinh học cơ bản như sau (Fukuda và cs.,
2001):







Dies
. Ví dụ
về phản ứng chuyển vị ester sử dụng chất xúc tác NaOH như sau:
+ Phản ứng 1: Tạo Alkoxide:


Trong môi trường có nước, alkoxide phân ly tạo CH 3 O
-
và Na
+
, CH 3 O
-
tiếp tục
thực hiện phản ứng tiếp theo.
+ Phản ứng 2: Tạo Triglyceride amion
CH 3 + NaOH CH 3 -Na + H 2 O
Xúc tác
t o Luận văn thạc sỹ 2014 Lương Hồng Hạnh

12



+ Phản ứng 3: Tạo diglyceride và CH 3 O
-
tiếp tục cho các phản ứng dây chuyền
tiếp theo để tạo ra monoglyceride và cuối cùng là methyl ester.

Như vậy: trong quá trình này cứ 01 phân tử triglyceride tác dụng với 03 phân tử
CH 3 OH tạo ra 01 phân tử glycerol và 03 phân tử methyl ester.
Chất xúc tác của phản ứng chuyển vị ester có thể là kiềm, axit hoặc enzym.
Các chất xúc tác kiềm phổ biến nhất là NaOH, KOH. Một số chất xúc tác kiềm khác
bao gồm cacbonate, methoxide, sodium ethoxide, sodium propoxide và sodium
butoxide. Phản ứng chuyển vị ester sử dụng chất xúc tác kiềm có ưu điểm là tốc độ
chuyển hóa cao dưới điều kiện nhiệt độ thấp, và thời gian phản ứng ngắn. Tuy nhiên Luận văn thạc sỹ 2014 Lương Hồng Hạnh

13

nhược điểm của phương pháp này là sự tạo thành xà phòng từ phản ứng xà phòng
hóa, đặc biệt đối với các nguyên liệu có hàm lượng axit béo tự do cao và hàm lượng
nước cao thì ảnh hưởng của phản ứng xà phòng hóa đến quá trình chuyển hóa diesel
sinh học càng lớn. Các chất xúc tác axit được sử dụng phổ biến là axit sulphuric, HCl,
axit sulfonic. Phản ứng chuyển vị ester sử dụng chất xúc tác axit có hiệu suất cao và
khắc phục được nhược điểm tạo thành xà phòng, tuy nhiên tốc độ phản ứng lại chậm
và đòi hỏi nhiệt độ phản ứng cao hơn. Phản ứng ester hóa sử dụng chất xúc tác enzym
(như lipase) có ưu điểm là hiệu suất cao, không tạo thành xà phòng như khi xúc tác
bằng kiềm, phản ứng không bị ức chế bởi nước như khi xúc tác bằng axit, có thể ester
hóa cả triglyceride và axit béo tự do trong một bước, không cần bước rửa, tỷ lệ
rượu/dầu thấp hơn so với khi sử dụng chất xúc hóa học. Tuy nhiên, phản ứng ester
hóa sử dụng chất xúc tác enzym đòi hỏi thời gian phản ứng lâu hơn, hàm lượng chất
xúc tác, giá thành sản xuất cao hơn.
Phản ứng chuyển vị ester cũng có thể xảy ra dưới điều kiện nhiệt độ cao, áp
suất cao (trên 240 0 C, trên 8 Mpa) và không cần chất xúc tác. Phản ứng này đạt cân
bằng rất nhanh (120-240s) và đạt hiệu suất cao hơn so với các phương pháp truyền
thống. Tuy nhiên phương pháp này không có hiệu quả về mặt kinh tế và không an
toàn (Ehimen và cs., 2010).
4. Tiêu chuẩn chất lượng của diesel sinh học
Diesel sinh học có một số tính chất như ít độc, sự đốt cháy của nó tốt hơn dầu
thô và không gây hiệu ứng nhà kính, có thể được sử dụng trực tiếp cho những động
cơ diesel hiện nay mà không cần sửa đổi chúng và còn có thể pha trộn diesel sinh học
với diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ với các tỷ lệ khác nhau. Để thương mại hóa được
thì diesel sinh học cần phải đáp ứng được các tiêu chuẩn đang áp dụng trên thế giới.
Ở Mỹ đã sử dụng tiêu chuẩn ASTM Diesel sinh học Standard D6751 (Knothe, 2006). Luận văn thạc sỹ 2014 Lương Hồng Hạnh

14

Ở châu Âu (EU) thì đã có các tiêu chuẩn riêng biệt dành cho diesel sinh học dùng cho
vận tải (tiêu chuẩn Standard EN 14214) và được dùng như dầu đốt nóng (tiêu chuẩn
Standard EN 14213) (Knothe, 2006). Ở Việt Nam, tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7717:
2007 Nhiên liệu diesel sinh học gốc (B100) đã được công bố áp dụng. Một số đặc
điểm chính của diesel sinh học được quy định như sau:
- Điểm chớp cháy: là nhiệt độ thấp nhất đã hiệu chỉnh về áp suất 101,3 kPa
(760 mmHg, 1 atmosphere), tại đó ngọn lửa đưa vào làm hơi nhiên liệu bùng cháy
dưới điều kiện xác định của phép thử. Nhiệt độ chớp cháy xác định xu hướng hình
thành hỗn hợp có thể cháy với không khí dưới điều kiện thí nghiệm, nó là một trong
các chỉ tiêu để đánh giá mức độ dễ bắt cháy của nhiên liệu cũng như “thời gian cảm
ứng” trong động cơ. Nhiệt độ chớp cháy có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình vận
chuyển và tồn chứa nhiên liệu. Nhiệt độ chớp cháy quá thấp rất dễ gây cháy nổ. Nó
cũng là dấu hiệu cho thấy nhiên liệu đã bị lẫn với các loại khác có độ bay hơi cao
hơn. Nhiệt độ chớp cháy hầu như không có ý nghĩa đối với chất lượng của nhiên liệu
khi đánh giá trên góc độ tính năng kỹ thuật của các thiết bị sử dụng nó. Đối với các
sản phẩm dầu mỏ thì nhiệt độ chớp cháy khác nhau. Xăng có nhiệt độ chớp cháy
khoảng 40
0
C, diesel có nhiệt độ chớp cháy khoảng 35-80
0
C (trung bình là 60
0
C),
nhiệt độ cho động cơ phản lực có nhiệt độ chớp cháy trong khoảng 28-60
0
C (trung
bình là 40
0 C), phân đoạn dầu nhờn có nhiệt độ chớp cháy 120-325
0 C. Đối với sản
phẩm là diesel sinh học, nhiệt độ chớp cháy theo tiêu chuẩn Viêt Nam ≥ 130 0
C, theo
tiêu chuẩn Mỹ và Châu Âu là ≥ 93 0
C.
- Trị số axit: là lượng bazo, tính bằng miligam kali hydroxit trên một gam mẫu
cần để chuẩn độ một mẫu trong dung môi đến điểm cuối xác định (tức là số mg KOH
cần thiết để trung hòa hết lượng axit có trong một gam mẫu). Trị số axit của diesel
sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam, Mỹ và Châu Âu đều có giá trị cực đại là 0,50 mg Luận văn thạc sỹ 2014 Lương Hồng Hạnh

15

KOH/g. Trị số axit là thước đo đánh giá hàm lượng các hợp chất vô cơ và axit tổng
của nhiên liệu. Tuy nhiên do sự đa dạng của các sản phẩm oxi hóa làm ảnh hưởng tới
trị số axit và các axit hữu cơ lại rất khác nhau về tính chất ăn mòn cho nên trị số axit
không được dùng để phán đoán tính ăn mòn của dầu trong điều kiện sử dụng (không
có mối liên hệ chung nào giữa trị số axit và xu hướng ăn mòn của dầu đối với kim
loại). Trị số axit được sử dụng để kiểm soát chất lượng của nhiên liệu, nó cũng đôi
khi được sử dụng như là một phép đo sự giảm chất lượng của chất bôi trơn sau một
thời gian sử dụng.
- Độ ăn mòn đồng: Phép thử ăn mòn mảnh đồng nhằm xác định có tính chất
định tính độ ăn mòn của nhiên liệu đối với các chi tiết chế tạo từ đồng, hợp kim
đồng-thiếc và hợp kim đồng-kẽm. Độ ăn mòn đồng của nhiên liệu diesel sinh học
theo tiêu chuẩn Việt Nam là loại No1, theo tiêu chuẩn Mỹ và Châu Âu cực đại là
No3.
- Chỉ số iot: là số gam iot cần thiết để phản ứng với 100 gam mẫu FAME
(fatty acid mthely ester). Chỉ số iot đặc trưng cho mức chưa no của mẫu diesel sinh
học. Mẫu càng nhiều nối đôi thì chỉ số iot càng lớn và ngược lại. Chỉ số iot cao liên
quan đến sự polymer hóa của nhiên liệu (đông đặc) dẫn đến làm tắc nghẽn ống dẫn.
Chỉ số iot của diesel sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam, Mỹ và Châu Âu đều cực đại
là 120.
- Trị số xêtan: là thông số đặc trưng cho khả năng tự bắt cháy của nhiên liệu
diesel, có được bằng cách so sánh nó với các nhiên liệu chuẩn trong thử nghiệm trên
động cơ tiêu chuẩn. Trị số xetan cung cấp dữ liệu về đặc tính tự cháy của nhiên liệu
diesel trong động cơ nén tự cháy. Trị số xetan cao quá sẽ lãng phí nhiên liệu vì một
số thành phần ở nhiệt độ cao trong xilanh sẽ phân hủy thành cacbon tự do (tạo muội)
trước khi cháy. Trị số xetan thấp quá sẽ xảy ra cháy kích nổ, do có nhiều thành phần Luận văn thạc sỹ 2014 Lương Hồng Hạnh

16

khó bị oxy hóa đòi hỏi phải phun rất nhiều nhiên liệu vào xilanh mới xảy ra quá trình
tự cháy, dẫn đến lượng nhiên liệu bị đốt cháy nhiều hơn yêu cầu, nhiệt lượng sinh ra
rất lớn gây tăng mạnh áp suất, động cơ bị rung giật Trị số xetan của diesel sinh
học theo tiêu chuẩn Việt Nam, Mỹ và Châu Âu tối thiểu là 47.
- Tro sulphat: là lượng cặn còn lại khi mẫu đã được cacbon hóa và được xử lý
tiếp tục với axit sunphuric và nung đến khối lượng không đổi. Hàm lượng tro sunphat
được dùng để biết nồng độ các phụ gia chứa kim loại đã biết trong dầu mới. Khi
không có photpho thì bari, canxi, magie, natri và kali sẽ biến đổi thành các muối
sulphat, thiếc và kẽm biến đổi sang dạng oxit của chúng. Hàm lượng tro của diesel
sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam cực đại là 0,020 % khối lượng (tương đương với
các tiêu chuẩn của Mỹ, Châu Âu).
- Độ nhớt động học: là một đại lượng vật lý đặc trưng cho trở lực do ma sát
nội tại sinh ra giữa các phân tử khi chúng có sự chuyển động trượt lên nhau. Vì vậy
độ nhớt có liên quan đến khả năng thực hiện các quá trình bơm, vận chuyển chất lỏng
trong các hệ đường ống, thực hiện các quá trình phun, bay hơi của nhiên liệu trong
buồng cháy, đồng thời có liên quan đến khả năng bôi trơn của các phân đoạn khi sử
dụng làm dầu nhờn. Độ nhớt của nhiên liệu rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến khả
năng bơm và phun nhiên liệu vào buồng đốt. Độ nhớt của nhiên liệu có ảnh hưởng
đến kích thước và hình dạng của kim phun. Nhiên liệu có độ nhớt quá cao rất khó
nguyên tử hóa, các tia nhiên liệu không mịn và khó phân tán đều trong buồng đốt.
Kết quả là làm giảm hiệu suất và công suất động cơ. Đối với các động cơ nhỏ, các tia
nhiên liệu có thể chạm vào thành xylanh, cuốn đi lớp dầu bôi trơn và làm tăng độ lẫn
nhiên liệu trong dầu nhờn. Hiện tượng các chi tiết bị ăn mòn nhanh chính là do
nguyên nhân này. Nhiên liệu có độ nhớt quá thấp khi được phun vào xylanh sẽ tạo
thành các hạt quá mịn, không thể tới được các vùng xa kim phun và do đó hỗn hợp Luận văn thạc sỹ 2014 Lương Hồng Hạnh

17

nhiên liệu-không khí tạo thành trong xylanh không đồng nhất, nhiên liệu cháy không
đều, công suất giảm. Nhiên liệu có độ nhớt quá thấp có thể gây ra hiện tượng rò rỉ tại
bơm, làm sai lệch kết quả đong đếm dẫn đến thay đổi tỷ lệ pha trộn không khí-nhiên
liệu. Độ nhớt động học của diesel sinh học ở 40 0 C theo tiêu chuẩn Việt Nam là 1,9 –
6,0 (mm
2 /s) (tương đương với tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu).
- Lưu huỳnh: Lưu huỳnh tồn tại trong nhiên liệu dưới nhiều dạng khác nhau,
thông thường là dưới dạng các hợp chất sulfua, disulfua hay dưới dạng dị vòng. Khi
bị đốt cháy lưu huỳnh sẽ chuyển thành SO 2 , khí này cùng với khói thải sẽ được thoát
ra ngoài, trong thời gian này chúng có thể tiếp xúc với oxi để chuyển một phần thành
khí SO 3 . Khi nhiệt độ của dòng khí thải xuống thấp thì các khí này sẽ kết hợp với hơi
nước để tạo thành các axit tương ứng, đó chính là các axit vô cơ có độ ăn mòn kim
loại rất lớn. Chính vì vậy, sự có mặt của lưu huỳnh là một trong những chỉ tiêu đánh
giá chất lượng của các sản phẩm dầu nói chung và diesel sinh học nói riêng. Hàm
lượng lưu huỳnh trong sản phẩm diesel sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam cực đại là
0,05 % khối lượng (tương đương với tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu).
- Độ ổn định oxi hóa: Quá trình oxi hóa gây ra những hợp chất không tan
trong nhiên liệu, đó là cặn. Quá trình oxi hóa là một dạng làm hỏng tính chất hóa học
của nhiên liệu. Độ bền của nhiên liệu đối với quá trình oxi hóa là một đặc trưng quan
trọng, nó là cơ sở để đánh giá tuổi thọ tương đối của nhiên liệu. Theo tiêu chuẩn Việt
Nam, độ ổn định oxi hóa tại 110
0
C tối thiểu là 6 giờ, theo tiêu chuẩn của Mỹ và Châu
Âu là min 3 giờ.
- Trọng lượng riêng: là khối lượng của chất lỏng trên một đơn vị thể tích chất
lỏng ở 15 0 C và 101,325 kPa, đơn vị đo lường tiêu chuẩn là kg/m 3 . Việc xác định
chính xác trọng lượng riêng của nhiên liệu rất cần thiết cho việc chuyển đổi thể tích
đã đo ở nhiệt độ thực tế về thể tích hoặc khối lượng ở nhiệt độ đối chứng tiêu chuẩn Luận văn thạc sỹ 2014 Lương Hồng Hạnh

18

trong quá trình bảo quản vận chuyển. Trọng lượng riêng của diesel sinh học phụ
thuộc vào thành phần axit béo trong hỗn hợp ester và độ tinh sạch của nhiên liệu. Do
đó nó là yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của diesel sinh học. Tuy nhiên, tính chất
này không phải là một chỉ dẫn chắc chắn về chất lượng của dầu nếu không kết hợp
các tính chất khác. Khối lượng riêng tại 15 0 C của diesel được quy định theo tiêu
chuẩn Việt Nam là 860 – 900 kg/m
3
(tương đương với các tiêu chuẩn của Mỹ và
Châu Âu).
- Nước và cặn: Một lượng đáng kể nước và cặn trong nhiên liệu sẽ gây khó
khăn trong việc bảo quản nhiên liệu, gây trục trặc trong hệ thống nhiên liệu của lò
hay động cơ. Việc tích tụ cặn trong các bình chứa và các màng lọc, sẽ làm tắc dòng
chảy của nhiên liệu từ bình chứa tới buồng đốt. Nước trong các nhiên liệu cất trung
bình có thể gây ăn mòn các bình chứa và thiết bị, nếu có mặt chất tẩy rửa có thể làm
xuất hiện nhũ hay vẫn đục. Ngoài ra, nước còn làm cho vi sinh vật phát triển tại bề
mặt tiếp xúc nhiên liệu. Vì vậy, hàm lượng nước và cặn là một trong những chỉ tiêu
ảnh hưởng đến chất lượng của nhiên liệu. Theo tiêu chuẩn Việt Nam, hàm lượng
nước và cặn trong sản phẩm diesel sinh học cực đại là 0,050% thể tích (tương đương
với các tiêu chuẩn của Mỹ, Châu Âu).
- Hàm lượng ester và methyl ester của axit linoleic: Hàm lượng ester là một
chỉ tiêu quan trọng liên quan trực tiếp đến chất lượng của nhiên liệu diesel sinh học.
Hàm lượng ester của diesel sinh học theo tiêu chuẩn Việt Nam tối thiểu là 96,5% khối
lượng (phù hợp với tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu).
- Hàm lượng glycerin tổng số và tự do: Hàm lượng glycerin tự do và liên kết
phản ánh chất lượng của diesel sinh học. Hàm lượng glycerin tự do cao có thể gây
khó khăn trong quá trình bảo quản hoặc trong hệ thống nhiên liệu do sự phân tách của
glycerin. Hàm lượng glycerin tổng số cao có thể dẫn đến làm tắc nghẽn vòi phun, tạo Luận văn thạc sỹ 2014 Lương Hồng Hạnh

19

cặn ở vòi phun, piston, van. Hàm lượng glycerin tự do theo tiêu chuẩn Việt Nam là
max 0,020% khối lượng, glycerin tổng cực đại là 0,240% khối lượng (tương đương
với các tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu).
- Điểm vẩn đục: là một chỉ tiêu quan trọng, nó xác định nhiệt độ tại đó các
tinh thể sáp xuất hiện trong nhiên liệu ở điều kiện thử nghiệm xác định, tại nhiệt độ
đó tinh thể sáp bắt đầu kết tủa khỏi nhiên liệu khi sử dụng. Các thiết bị máy móc, xe
có thể phải làm việc ở điều kiện nhiệt độ thấp. Nếu điểm vẩn đục không thích hợp thì
thành phần sáp trong nhiên liệu dễ bị kết tủa, cản trở quá trình phun nhiên liệu vào
động cơ để đốt.
5. Tiềm năng sản xuất diesel sinh học từ vi tảo
Hiện nay, sinh khối tảo được khai thác chủ yếu làm thực phẩm chức năng cho
người và động vật nuôi trong nuôi trồng thủy sản, khai thác các chất có hoạt tính sinh
học như (Đặng Diễm Hồng và cs., 2006). Ngoài ra, tảo còn được sử dụng để tạo ra
năng lượng theo nhiều cách khác nhau. Một trong những con đường hiệu quả nhất là
sử dụng dầu tảo để sản xuất diesel sinh học. Sinh khối tảo chứa ba thành phần chính:
carbohydrate, protein và lipit. Phần lớn lipit do vi tảo sản xuất ra tồn tại ở dạng
tricylglycerol - là dạng thích hợp để sản xuất diesel sinh học. Vi tảo có tốc độ sinh
trưởng nhanh hơn so với các loại thực vật cạn. Chúng thường có khả năng nhân đôi
trong vòng 24 giờ. Trong suốt pha sinh trưởng, một số loài vi tảo có thể nhân đôi
trong vòng 3,5 giờ (Chisti, 2007). Hàm lượng dầu ở vi tảo thường dao động trong
khoảng 20 đến 50% so với sinh khối khô (Bảng 1). Ngoài ra, một số chủng vi tảo có
thể chứa hàm lượng dầu cao đến khoảng 80% (Metting, 1996). Thực tế, vi tảo là đối
tượng cho năng suất thu hoạch dầu cao nhất dùng làm nguyên liệu để sản xuất NLSH.
Lượng dầu do vi tảo sản xuất ra có thể cao gấp 250 lần so với đậu tương trên mỗi
mẫu Anh (khoảng 0,4 ha), gấp từ 7 đến 31 lần so với cọ. Mặt khác, dầu tảo lại dễ Luận văn thạc sỹ 2014 Lương Hồng Hạnh

20

dàng tách chiết nếu sử dụng phương pháp phù hợp. Do đó, chỉ có sử dụng tảo để sản
xuất ra NLSH mới tạo ra được nguồn nhiên liệu đủ đáp ứng cho nhu cầu năng lượng
của thế giới trong tương lai và thay thế hoàn toàn nguồn năng lượng từ dầu mỏ
(Sharif and Aishah, 2008).

Bảng 1.1: Hàm lượng dầu ở một số loài vi tảo (Chisti, 2007)
Vi tảo Hàm lượng dầu (% khối lượng
khô)
Botryococcus braunii 25-75
Chlorella sp. 28-32
Crypthecodinium cohnii 20
Cylindrotheca sp. 16-37
Nitzschia sp. 45-47
Phaeodactylum tricornutum 20-30
Schirochytrium sp. 50-77
Tetraselmis suecia 15-23

5.1. Nuôi trồng vi tảo
Để sản xuất diesel sinh học từ vi tảo đòi hỏi cần phải có một lượng lớn sinh
khối tảo. Hầu hết các loài tảo là sinh vật quang tự dưỡng bắt buộc nên chúng cần phải
có ánh sáng và nguồn carbon để sinh trưởng. Mô hình nuôi trồng này được gọi là
quang tự dưỡng (photoautotrophic). Tuy nhiên, một số loài tảo lại có khả năng sinh
trưởng trong tối và sử dụng các nguồn carbon hữu cơ như glucose, acetate làm
nguồn cacbon và năng lượng, đây là hình thức sinh trưởng dị dưỡng. Do chi phí để