Sản xuất biodiesel từ vi tảo: Kỹ thuật nuôi cấy vi tảo thu lipid

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC ------------------oOo------------------- ĐỒ ÁN MÔN HỌC SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ VI TẢO: KỸ THUẬT NUÔI CẤY VI TẢO THU LIPID SVTH: BÙI NGỌC ĐOAN CHIÊU MSSV: 60604048 GVHD: KS. HUỲNH NGUYỄN ANH KHOA Tp HCM, Tháng 6/2010 ii LỜI CÁM ƠN Đồ án môn học Sản xuất biodiesel từ vi tảo: Kỹ thuật nuôi cấy vi tảo thu lipid đƣợc thực hiện từ tháng 2 đến tháng 7/2010. Trong suốt quá trình đó, để hoàn tất tốt các nội dung nghiên cứu, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình và cởi mở. Em xin đƣợc gửi đến: KS. HUỲNH NGUYỄN ANH KHOA, là cán bộ trực tiếp hƣớng dẫn em làm đồ án này, lời cảm ơn sâu sắc và chân thành. Chính nhờ sự hƣớng dẫn tận tình về mặt kiến thức và giúp đỡ về mặt tài liệu học thuật của thầy, em đã hoàn thành tốt các nội dung đề ra. TS. NGUYỄN THỊ HUYỀN, là cán bộ làm việc tại phòng 117B2, lòng biết ơn tri ân. Cô đã luôn tạo không khí thoải mái khi em vào phòng trao đổi học tập, điều đó có tác dụng động viên em rất nhiều. Tập thể quý thầy cô thuộc bộ môn Công nghệ sinh học nói riêng và khoa Kỹ thuật hóa học nói chung lòng biết ơn thật nhiều. Thầy cô là những ngƣời đã cung cấp các kiến thức cơ sở cũng nhƣ chuyên ngành cho em trong suốt quá trình lâu dài làm nền tảng cho những nghiên cứu về sau. iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN Thực trạng ô nhiễm môi trƣờng và sự thiếu hụt nguồn năng lƣợng trong tƣơng lai chính là mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia hiện nay, và biodiesel đƣợc xem là một giải pháp khả thi nhằm thay thế cho nguồn nhiên liệu diesel dầu hỏa sử dụng cho các phƣơng tiện giao thông vận tải lẫn trong công nghiệp. Trong khi các nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel thông thƣờng: dầu thực vật, mỡ động vật và nguồn dầu mỡ phế thải đều tỏ ra không thể đáp ứng nhu cầu biodiesel trên toàn thế giới, vi tảo lại thể hiện là một đối tƣợng rất tiềm năng cho lĩnh vực này nhờ vào khả năng sản xuất sinh khối lớn và nguồn lipid thu nhận từ các loài vi tảo cũng khá phù hợp để điều chế biodiesel. Tình hình nghiên cứu và áp dụng nuôi cấy vi tảo trên quy mô lớn ngày càng phổ biến trong nhiều lĩnh vực nhƣ: sản xuất thực phẩm chức năng và xử lý môi trƣờng, do đó việc ứng dụng nuôi cấy vi tảo trên các môi trƣờng sửa đổi để nâng cao năng suất lipid phục vụ sản xuất biodiesel là hoàn toàn có khả thi. Nghiên cứu các đặc điểm sinh lý và sinh hóa của loài vi tảo Nannochloropsis oculata có thể dự đoán đƣợc đây là một loài vi tảo rất phù hợp với mục tiêu sản xuất biodiesel: năng suất sinh khối cao trong môi trƣờng quang tự dƣỡng, hàm lƣợng lipid nhiều và thành phần lipid dễ điều chỉnh theo điều kiện nuôi cấy. Từ đó đề xuất khảo sát các yếu tố môi trƣờng nhằm nuôi cấy Nannochloropsis oculata thu lipid với năng suất cao: môi trƣờng f/2, độ mặn trong khoảng 22-49g NaCl/L, nhiệt độ môi trƣờng 25-27 0 C, chiếu sáng bằng đèn huỳnh quang ít tỏa nhiệt 400-500µmol/m2s, hạn chế nồng độ nitrogen và phosphorus. iv ABSTRACT Pollution and limitation of energy are the most important concerns of nations, and biodiesel is considered such as a possible solution to replace petroleum diesel, which is used for transportation and industry. While plant oil, animal fat and waste oil which are common for biodiesel production cannot satisfy biodiesel demand all over the world, microalgae express to be an essential candidate for this task due to high yield of biomass and compatible lipid component for biodiesel production. Researchs and applications in microalgae culturing on large scale become more and more common in many fields: functional food production and environment treatment, so using modified medium culture to improve lipid content in microalgae cells is really feasible. Studying in physiological and biochemical characteristics of Nannochloropsis oculata gives suggestion that N. oculata should be a suitable source for biodiesel production: produces high yield of biomass in autotrophic culture, accumulates high lipid content and easily be controlled lipid composition under different conditions. Hence some nutriments factors, temperature and light regimes are proposed to grow N. oculata with high lipid productivity: f/2 medium, salinity at 22-49g NaCl/L, temperature at 25-27 0 C, irradiance at 400-500µmol/m 2 s with cool white fluorescent tubes, limited nitrogen and phosphorus concentrations. v MỤC LỤC Đề mục Trang LỜI CÁM ƠN .....................................................................................................ii TÓM TẮT ĐỒ ÁN ............................................................................................ iii MỤC LỤC .......................................................................................................... v DANH SÁCH BẢNG ....................................................................................... vii DANH SÁCH HÌNH .......................................................................................... ix DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. x 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL ................................................................... 1 1.1. Định nghĩa các dạng năng lƣợng và biodiesel ......................................... 1 1.1.1. Năng lƣợng không tái sinh ............................................................... 1 1.1.2. Năng lƣợng tái sinh ......................................................................... 2 1.2. Tầm quan trọng của biodiesel và khả năng thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch ......................................................................................................... 4 1.3. Nguyên tắc điều chế và nhu cầu về lipid trong sản xuất biodiesel ........... 7 1.4. Các nguồn nguyên liệu giàu lipid phục vụ cho việc sản xuất biodiesel và tiềm năng của vi tảo ........................................................................................ 9 2. NĂNG SUẤT LIPID VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA MÔI TRƢỜNG LÊN SỰ TÍCH LŨY LIPID CỦA MỘT SỐ LOÀI VI TẢO ........................................ 15 2.1. Các loại vi tảo có chứa nhiều lipid ........................................................ 15 2.2. Một số nghiên cứu về ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng lên sự tích lũy lipid ở vi tảo ............................................................................................ 16 2.2.1. Yếu tố nhiệt độ .............................................................................. 16 2.2.2. Yếu tố thành phần môi trƣờng ....................................................... 19 3. NUÔI VI TẢO NANNOCHLOROPSIS OCULATA THU LIPID NHẰM SẢN XUẤT BIODIESEL ................................................................................ 25 3.1. Nannochloropsis oculata ...................................................................... 25 3.1.1. Phân loại ........................................................................................ 25 3.1.2. Đặc điểm hình thái......................................................................... 25 vi 3.1.3. Đặc điểm sinh lý ............................................................................ 26 3.1.4. Đặc điểm sinh hóa ......................................................................... 26 3.2. Đề xuất mô hình thí nghiệm nghiên cứu sự tích lũy lipid theo điều kiện môi trƣờng ở Nannochloropsis oculata ......................................................... 27 3.2.1. Yếu tố nhiệt độ .............................................................................. 27 3.2.2. Yếu tố ánh sáng ............................................................................. 32 3.2.3. Yếu tố độ mặn ............................................................................... 36 3.2.4. Yếu tố thành phần môi trƣờng ....................................................... 38 4. KẾT LUẬN.................................................................................................. 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 51 vii DANH SÁCH BẢNG Bảng 1. 1: Các acid béo thƣờng có trong các nguồn nguyên liệu dùng sản xuất biodiesel .............................................................................................................. 9 Bảng 1. 2: So sánh vi tảo với các nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel ............ 11 Bảng 1. 3: So sánh các thuộc tính giữa dầu từ vi tảo, diesel thông thƣờng và tiêu chuẩn ASTM biodiesel [28]............................................................................... 12 Bảng 2. 1: Hàm lƣợng và năng suất lipid của các loài tảo khác nhau ................. 15 Bảng 2. 2: Sự sinh trƣởng và sản xuất lipid của C. vulgaris tại các nhiệt độ khác nhau [5] ............................................................................................................. 17 Bảng 2. 3: Năng suất sinh khối và năng suất lipid của Botryococcus braunii, Chlorella vulgaris và Scenedesmus sp. khi nuôi ở 10% CO2 trong 14 ngày ....... 20 Bảng 2. 4: Thành phần các acid béo của Botryococcus braunii, Chlorella vulgaris và Scenedesmus sp. khi nuôi cấy ở 10% CO2 trong 14 ngày................. 21 Bảng 2. 5: Tham số sinh trƣởng và sự sản xuất lipid của C. vulgaris ở các nồng độ NaNO3 khác nhau ......................................................................................... 23 Bảng 3. 1: Sự sinh trƣởng và sản xuất lipid của N. oculata tại các nhiệt độ khác nhau .................................................................................................................. 28 Bảng 3. 2: Thành phần acid béo (%w/w acid béo tổng) của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nhiệt độ khác nhau ........................................................ 30 Bảng 3. 3: Sản lƣợng sinh khối và thành phần hợp chất hóa sinh của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nhiệt độ khác nhau ....................... 31 Bảng 3. 4: Sản lƣợng sinh khối và hàm lƣợng lipid của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các độ mặn khác nhau ............................................................... 36 Bảng 3. 5: Thành phần acid béo (%w/w TFA) của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các độ mặn khác nhau ........................................................................ 37 Bảng 3. 6: Năng suất sinh khối và lipid của N. oculata trong hệ thống nuôi cấy bán liên tục với các hàm lƣợng CO2 khác nhau .................................................. 41 Bảng 3. 7: Tham số sinh trƣởng và sự sản xuất lipid của N. oculata ở các nồng độ NaNO3 khác nhau .............................................................................................. 42 Bảng 3. 8: Sản lƣợng sinh khối và thành phần hợp chất hóa sinh của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nồng độ NaNO3 khác nhau .......... 44 viii Bảng 3. 9: Thành phần acid béo (%w/w TFA) của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nồng độ NaNO3 khác nhau .......................................................... 44 Bảng 3. 10: Sản lƣợng sinh khối và thành phần hợp chất hóa sinh của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nồng độ NaH2PO4 khác nhau ....... 46 Bảng 3. 11: Thành phần acid béo (%w/w TFA) của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nồng độ NaH2PO4 khác nhau .............................................. 47 ix DANH SÁCH HÌNH Hình 1. 1: Sự hình thành các lớp nhiên liệu hóa thạch ......................................... 1 Hình 1. 2: Các dạng năng lƣợng tái sinh .............................................................. 2 Hình 1. 3: Bảng thống kê sử dụng các nguồn năng lƣợng .................................... 3 Hình 1. 4: Phản ứng chuyển vị ester .................................................................... 7 Hình 2. 1: Phần trăm các loại FAME trên tổng lƣợng FAME (g/100gFAME) của C. vulgaris tại các nhiệt độ sinh trƣởng khác nhau ................................................. 17 Hình 2. 2: Phần trăm các loại FAME trên tổng lƣợng FAME (g/100gFAME) của C. vulgaris tại các nồng độ NaNO3 khác nhau........................................................ 23 Hình 3. 1: Thành phần acid béo các lipid chính trong Nannochloropsis sp. ....... 27 Hình 3. 2: Phần trăm các loại acid béo methyl ester trên tổng lƣợng acid béo methyl ester (g/100gFAME) của N. oculata tại các nhiệt độ khác nhau ................. 29 Hình 3. 3: Ảnh hƣởng của mức độ chiếu sáng trên sự sinh trƣởng của tế bào và hàm lƣợng chlorophyll a đối với Nannochloropsis sp. ...................................... 33 Hình 3. 4: Sự phân phối các acid béo chính trong Nannochloropsis sp. đƣợc nuôi cấy theo mẻ dƣới ảnh hƣởng của mức độ chiếu sáng ......................................... 33 Hình 3. 5: Thành phần acid béo của Nannochloropsis sp. khi nuôi cấy trong điều kiện ổn định liên tục tại ba mức độ chiếu sáng................................................... 35 Hình 3. 6: Ảnh hƣởng nồng độ khí CO2 lên sự sinh trƣởng của N. oculata ........ 39 Hình 3. 7: Sự sinh trƣởng của N. oculata khi nuôi cấy bán liên tục trong môi trƣờng sục khí có chứa 2%, 5%, 10%, 15% CO2 ............................................... 40 Hình 3. 8: Phần trăm các loại FAME trên tổng lƣợng FAME (g/100gFAME) của N. oculata tại các nồng độ NaNO3 khác nhau ......................................................... 43 x DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT DW: dry weight khối lƣợng khô FAME: fatty acid methyl ester ester của acid béo và methyl f/2AW: f/2 artificial seawater môi trƣờng f/2 nƣớc biển nhân tạo EPA: eicosapentaenoic acid acid ω3 (C20:5) PUFA: polyunsatured fatty acid acid béo chƣa no mang nhiều nối đôi TFA: total fatty acid hàm lƣợng acid béo tổng v/v: volume/volume thể tích/thể tích vvh: volume/ volume/hour thể tích/thể tích/giờ vvm: volume/ volume/minute thể tích/thể tích/phút w/w: weight/weight khối lƣợng/khối lƣợng 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL 1 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL 1.1. Định nghĩa các dạng năng lƣợng và biodiesel 1.1.1. Năng lƣợng không tái sinh Nguồn năng lƣợng không tái sinh là những nguồn năng lƣợng thiên nhiên mà con ngƣời không có khả năng can thiệp vào sự hình thành cũng nhƣ quá trình tích lũy. Đó là dạng năng lƣợng không thể phục hồi, không thể tái tạo, hay không thể tái sử dụng. Tuy nhiên dạng năng lƣợng này đang đƣợc sử dụng trên phạm vi rộng lớn khắp toàn cầu, và cho thấy rằng không thể đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng của con ngƣời trong tƣơng lai. Năng lƣợng không tái sinh đƣợc chia thành hai nhóm: năng lƣợng hóa thạch và năng lƣợng hạt nhân. - Năng lượng hóa thạch: là dạng năng lƣợng đƣợc hình thành dựa trên các quá trình địa chất dài hàng triệu năm xảy ra đối với xác động thực vật, nhƣ một dạng hóa thạch. Bao gồm than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên. Do quá trình hình thành lâu dài nhƣ vậy, nên khi bị con ngƣời khai thác hết sẽ không có khả năng phục hồi đƣợc. Một trong số các nhiên liệu hóa thạch ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi là diesel. Diesel là một loại nhiên liệu lỏng, là sản phẩm thuộc phân đoạn nhẹ của quá trình chƣng cất trực tiếp dầu mỏ với khoảng nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển từ 250 đến 3500C (cao hơn dầu hỏa và xăng) bao gồm các hydrocarbon khác nhau từ C14 đến C20. Nhiên liệu diesel đƣợc sử dụng chủ yếu cho động cơ diesel và một phần đƣợc sử dụng trong các tuabin cơ khí. Hình 1. 1: Sự hình thành các lớp nhiên liệu hóa thạch 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL 2 - Năng lượng hạt nhân: là dạng năng lƣợng đƣợc hình thành do khả năng phóng xạ của một vài nguyên tố. Có hai kiểu phản ứng hình thành nên năng lƣợng hạt nhân, đó là phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch. 1.1.2. Năng lƣợng tái sinh Năng lƣợng tái sinh là dạng năng lƣợng thu đƣợc từ các nguồn mà con ngƣời xem là vô hạn. Sự vô hạn ở đây ngoài ý nghĩa nhiều đến mức không thể cạn kiệt, nên đƣợc hiểu theo nghĩa rộng hơn đó là có khả năng tái tạo trong một thời gian ngắn và liên tục. Dạng năng lƣợng này bao gồm: - Năng lƣợng mặt trời - Năng lƣợng gió - Năng lƣợng sóng - Năng lƣợng thủy triều - Năng lƣợng địa nhiệt - Năng lƣợng sinh khối Hình 1. 2: Các dạng năng lƣợng tái sinh Nguồn năng lƣợng tái sinh đang đƣợc sử dụng nhiều nhất là thủy năng. Song, nguồn năng lƣợng sinh khối cũng là một trong những nguồn đƣợc con ngƣời khai thác và sử dụng hiệu quả. Sinh khối đƣợc xem là nguồn năng lƣợng lớn thứ tƣ, ƣớc tính chiếm khoảng 14-15% tổng lƣợng năng lƣợng tiêu thụ trên 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL 3 thế giới. Ở các nƣớc đang phát triển, sinh khối thƣờng là nguồn năng lƣợng lớn nhất, trung bình đóng góp khoảng 35% trong tổng cung cấp năng lƣợng. Vì vậy, trong chiến lƣợc sử dụng các nguồn năng lƣợng cách hiệu quả thì năng lƣợng sinh khối luôn đƣợc xem là ƣu tiên hàng đầu và mang tính quyết định trong việc đáp ứng nhu cầu năng lƣợng của thế giới trong tƣơng lai [1]. Hiện nay, theo thuật ngữ về nhiên liệu, thì sinh khối (biomass) đƣợc xem là nhiên liệu ở dạng rắn, nhiên liệu sinh học (biofuel) là những nhiên liệu dƣới dạng lỏng thu nhận từ sinh khối và cuối cùng khí sinh học (biogas) là sản phẩm của quá trình phân giải yếm khí các chất hữu cơ [1]. Hai dạng nhiên liệu sinh học phổ biến nhất đó là biodiesel và bio-ethanol, là hai dạng nhiên liệu tƣơng ứng có thể thay thế đƣợc cho diesel và gasoline mà không cần cải tiến nhiều hoặc không cần cải tiến động cơ các phƣơng tiện giao thông cũng nhƣ máy móc sản xuất. Chúng đƣợc sản xuất chủ yếu từ sinh khối hay các nguồn năng lƣợng tái sinh khác và góp phần giảm thiểu khí thải từ việc đốt cháy nhiên liệu so với nhiên liệu hóa thạch tính trên cùng một đơn vị hiệu suất [80]. - Định nghĩa Biodiesel Biodiesel là hỗn hợp các alkyl monoesters thu nhận đƣợc từ quá trình chuyển vị ester dầu thực vật và mỡ động vật [80], có khả năng thay thế cho diesel từ dầu mỏ. Hình 1. 3: Bảng thống kê sử dụng các nguồn năng lƣợng 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL 4 1.2. Tầm quan trọng của biodiesel và khả năng thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch Gần đây, con ngƣời đang quan tâm đến hai vấn đề quan trọng, đó là môi trƣờng và sự khủng hoảng năng lƣợng. Đối với môi trƣờng, sự nóng dần lên của trái đất chính là tâm điểm. Mọi ngƣời đều biết rằng sử dụng nhiên liệu hóa thạch chính là nguyên nhân gây ra sự nóng dần lên của toàn cầu, vì vậy nguồn năng lƣợng sạch và có khả năng tái sinh sản xuất từ sinh khối nhằm thay thế cho nhiên liệu hóa thạch là rất cấp thiết để giảm thải CO2. Ngoài ra, sự khủng hoảng năng lƣợng khiến cho giá dầu thô trên thế giới ngày càng tăng, ảnh hƣởng đến tình hình năng lƣợng sử dụng trong gia đình cũng nhƣ trong khu vực [67]. Xét trên lĩnh vực môi trƣờng, giao thông vận tải và sản xuất công nghiệp là những nguồn thải chủ yếu của con ngƣời. Khảo sát tại liên minh Châu Âu, ngƣời ta nhận thấy có đến 20% khí thải nhà kính là do giao thông vận tải và 60% khí thải nhà kính xuất phát từ các khu công nghiệp [20]. Nông nghiệp là nguồn thải lớn thứ ba, tƣơng ứng khoảng 9% khí thải nhà kính, trong đó quan trọng nhất là các khí nitrous oxide N2O và khí methane CH4 [21]. Theo dự đoán, sự phát triển của các nền kinh tế mới đang tăng trƣởng nhƣ Ấn Độ và Trung Quốc sẽ làm gia tăng sự tiêu thụ năng lƣợng trên toàn cầu, dẫn đến thêm nhiều mối nguy hại cho môi trƣờng [35]. Khí nhà kính không chỉ góp phần gây ra hiện tƣợng nóng dần lên của trái đất mà còn gây ra nhiều ảnh hƣớng khác tới môi trƣờng và đời sống nhân loại. Các đại dƣơng hấp thụ khoảng một phần ba lƣợng CO2 thải ra mỗi năm do các hoạt động của con ngƣời. Khi nồng độ CO2 tăng lên trong không khí, lƣợng hòa tan trong nƣớc biển cũng tăng, dẫn đến giảm pH và nƣớc biển có tính acid hơn. Sự giảm pH là một điều kiện bất lợi có thể gây ra những hủy hoại nhanh chóng đối với các rặng san hô cũng nhƣ sự đa dạng sinh