Nghiên cứu chuyển hóa dầu đậu nành tạo biodiesel xúc tác bởi enzyme nano từ tính lipase

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

NGUYỄN VƢƠNG HOÀI THƢ

NGHIÊN CỨU CHUYỂN HÓA DẦU ĐẬU NÀNH

TẠO BIODIESEL XÚC TÁC BỞI ENZYME NANO

TỪ TÍNH LIPASE

Chuyên ngành: Hóa Hữu Cơ

Mã số: 8440114

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

ĐÀ NẴNG – Năm 2018

Công trình đƣợc hoàn thành tại

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN BÁ TRUNG

Phản biện 1: NGUYỄN TRẦN NGUYÊN

Phản biện 2: TS. DẶNG QUANG VINH

Luận văn sẽ đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

hóa học họp tại Trƣờng Đại học Sƣ phạm vào ngày …...… tháng …...…

năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trƣờng Đại học Sƣ phạm

ĐÀ NẴNG – Năm 2018

1

LỜI MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các nền kinh tế

trên thế giới, các nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày càng bị cạn kiệt,

đặc biệt là các nguồn nhiên liệu hóa thạch, trong đó có dầu mỏ do

nhu cầu sử dụng ngày càng tăng và tính năng dễ dùng của nó. Để giải

quyết vấn đề đó, các nhà khoa học đang nỗ lực nghiên cứu tìm ra các

nguồn năng lƣợng khác thay thế với tiêu chí nguồn nguyên liệu cung

cấp phong phú, dễ tái tạo và ít gây ô nhiễm môi trƣờng. Biodiesel là

một trong những lựa chọn tiềm năng để thay thế cho dầu diesel có

nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch do nó có nhiều tính chất tƣơng tự,

nhƣng cũng sở hữu nhiều ƣu điểm vƣợt trội. Nguồn nguyên liệu để

sản xuất biodiesel chủ yếu dựa vào dầu, mỡ phi thực phẩm, vì vậy

sản phẩm biodiesel tạo thành dễ bị phân hủy hoàn toàn khi đốt cháy,

ít phát thải khí độc. Chính vì vậy, việc sử dụng nguyên liệu sinh học

biodiesel để thay thế dầu diesel hóa thạch không chỉ mang lại lợi ích

kinh tế, mà còn góp phần bảo vệ môi trƣờng, đảm bảo sự phát triển

bền vững trong tƣơng lai.

Lipase là một trong những enzyme quan trọng có nhiều ứng

dụng trong thực tiễn với nguồn cung cấp phong phú có trong tự

nhiên và đã đƣợc sử dụng rộng rãi làm xúc tác cho nhiều phản ứng

khác nhau nhƣ phản ứng thuỷ phân chất béo, chuyển hóa ester và

phản ứng alcoholysis [28], [36] . Vì vậy, enzyme lipase đã và đang

đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất hoá

chất, dƣợc phẩm, chế biến thực phẩm … Enzyme lipase ở dạng hòa

tan (dạng tự do) rất dễ bị bất hoạt trong và sau quá trình phản ứng do

các yếu tố vật lý và các tác nhân hóa học; ngoài ra, việc tách enzyme

lipase ra khỏi hỗn hợp sản phẩm và tái sử dụng cho các lần sau là

không thể thực hiện đƣợc. Để khắc phục điều đó, enzyme lipase

thƣờng đƣợc cố định trên bề mặt chất mang vô cơ hoặc hữu cơ với

mục tiêu cải thiện độ hoạt động ổn định trong các điều kiện phản ứng

2

khác nhau, dễ dàng tách loại để thu hồi và tái sử dụng [12], [14],

[25].

Trong số các chất mang vô cơ và hữu cơ đƣợc sử dụng để cố

định enzyme nhƣ các polymer hữu cơ, phyllosilicates [15],

polypropylene xốp [27], mesoporous silica [20], silica zeolites [17],

vật liệu nano từ tính trên cơ sở Fe3O4NP biến tính thể hiện những ƣu

điểm nổi bật hơn cả, đáp ứng các yêu cầu khắt khe để làm chất mang

xúc tác enzyme, cụ thể nhƣ sau: (1) độ bền đƣợc duy trì khi có

phƣơng pháp biến tính phù hợp; (2) độ tƣơng thích sinh học cao nên

hạn chế tối đa việc giảm hoặc mất hoạt tính của các enzyme sau khi

cố định;

(3) diện tích bề mặt riêng lớn nên tăng cƣờng khả năng chất

chứa enzyme và cải thiện tƣơng tác giữa enzyme và cơ chất; (4) tính

chất siêu thuận từ của vật liệu Fe3O4NP, giúp cho việc thu hồi xúc

tác sau phản ứng dễ dàng để tái sử dụng [11], [31].

Trong công trình này, chúng tôi nghiên cứu phản ứng este

chéo hóa dầu thực vật xúc tác bởi enzyme nano từ tính Fe3O4NP –

Chitosan – Lipase (Fe3O4NP – CS – LP), từ đó đề xuất phƣơng pháp

cố định enzyme lipase làm xúc tác cho phản ứng este chéo hóa dầu

thực vật trong công nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học biodiesel.Với

những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU CHUYỂN

HÓA DẦU ĐẬU NÀNH TẠO BIODIESEL XÚC TÁC BỞI

ENZYME NANO TỪ TÍNH LIPASE” làm đề tài luận văn.

2. Mục đích nghiên cứu

Đánh giá hoạt tính của hệ xúc tác Fe3O4NP – Chitosan –

Lipase trong phản ứng ester hóa chéo dầu thực vật, từ đó đề xuất

phƣơng pháp cố định enzyme lên vật liệu từ tính Fe3O4NP.

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

3.1. Đối tƣợng nghiên cứu

Phản ứng ester hóa chéo dầu thực vật bằng hệ xúc tác

Fe3O4NP – Chitosan – Lipase.

3.2. Phạm vi nghiên cứu

3

Điều kiện gắn kết có hiệu quả enzyme Lipase lên bề mặt hạt

nano sắt từ biến tính bằng Chitosan và đánh giá hoạt tính xúc tác của

Fe3O4NP-Chitosan-Lipase đến quá trình ester hóa chéo dầu thực vật.

Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình chuyển hoá dầu nành tạo

biodiesel xúc tác bởi Fe3O4NP – Chitosan – Lipase.

Đánh giá các chỉ tiêu hóa lí khi phối trộn Biodiesel thành

phẩm với nhiên liệu diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu

+ Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết

Thu thập, tổng hợp các tài liệu có liên quan đến lĩnh vực

nghiên cứu của đề tài.

+ Phƣơng pháp hoá học

Phƣơng pháp đồng kết tủa để điều chế Fe3O4NP từ hỗn hợp

muối Fe2+ và Fe3+

.

+ Phƣơng pháp phân tích vật lý

Phân tích các đặc trƣng của vật liệu đã tổng hợp:

- Chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

- Nhiễu xạ tia X (XRD)

- Phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDX)

- Đo đƣờng cong từ trễ và phổ hồng ngoại IR

- Đo GCMS

- Đo độ nhớt động học theo tiêu chuẩn ASTM D 445

- Đo thành phần cất theo tiêu chuẩn ASTM D 86

- Đo hàm lƣợng lƣu huỳnh theo tiêu chuẩn ASTM D5453

- Đo khối lƣợng riêng theo tiêu chuẩn ASTM D-4052

5. Bố cục luận văn

Luận văn gồm có 3 phần:

Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Chƣơng 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN

CỨU

Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Tổng quan về nano oxit sắt từ (Fe3O4NPs)

1.1.1. Giới thiệu về vật liệu từ tính

a. Vật liệu từ tính

Vật liệu từ tính là vật liệu mà dƣới tác dụng của từ trƣờng

ngoài có thể bị từ hóa, nghĩa là có tính chất từ đặc trƣng [10; 30].

b. Hạt nano oxit sắt từ (Fe3O4)

Tinh thể Fe3O4 tồn tại tính dị hƣớng từ, tính chất khác nhau

theo các phƣơng khác nhau [19].

1.1.2. Đặc tính đặc biệt của các hạt nano từ tính

a. Cấu trúc đơn domain

b. Tính chất siêu thuận từ

c. Diện tích bề mặt lớn

d. Độ tương thích sinh học

1.1.3. Các phương pháp tổng hợp các hạt nano oxit sắt từ

a. Phương pháp nghiền

b. Phương pháp vi nhũ tương

c. Phương pháp đồng kết tủa từ dung dịch

d. Phương pháp nhiệt phân

e. Phương pháp hóa siêu âm

1.1.4. Vật liệu nano từ tính làm chất mang xúc tác

a. Bảo vệ bằng cách bao bọc lớp phủ là hợp chất hữu cơ

b. Bảo vệ bằng cách bao bọc bằng lớp phủ là hợp chất vô cơ

1.1.5. Ứng dụng của vật liệu nano từ tính

a. Trong lĩnh vực y sinh

b. Xử lí môi trường

1.2. Tổng quan về enzyme Lipase

1.2.1. Giới thiệu về enzyme Lipase

a. Tổng quan

b. Cấu trúc enzyme

5

c. Nguồn thu nhận lipase

1.2.2. Ứng dụng

Enzyme lipase đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ:

công nghiệp thực phẩm, sinh dƣợc và y tế, công nghiệp thuộc da,…

1.3. Cố định enzyme lên các hạt oxit sắt từ

Để mở rộng phạm vi giới hạn về nhiệt độ và pH hoạt động,

cũng nhƣ thu hồi tái sử dụng.

1.3.1. Định nghĩa enzyme cố định

Enzyme cố định là những enzyme bị giữ, hoặc đƣợc cố định

trong một vùng, một khoang nhất định, không bị hòa tan trong các

điều kiện bình thƣờng, vẫn giữ đƣợc hoạt động xúc tác [38].

1.3.2. Ưu – nhược điểm của enzyme cố định

a. Ưu điểm

- Có thể sử dụng lặp lại nhiều lần một lƣợng enzyme xác định.

- Mở rộng giới hạn pH và nhiệt độ hoạt động.

- Dễ dàng ngừng phản ứng bằng cách tách loại enzyme khỏi hỗn hợp.

b. Nhược điểm

- Sự có mặt của chất mang có thể làm giảm hoạt tính của enzyme.

1.3.3. Tính chất của chế phẩm enzyme cố định

Tính chất của enzyme không tan phụ thuộc vào phƣơng pháp

cố định và bản chất của chất mang [38]. Cụ thể nhƣ sau:

a. Hoạt độ riêng: thấp hơn ở dạng hòa tan

b. Hằng số Km

Km của enzyme không tan cao hơn của ở dạng hòa tan

c. Độ bền của enzyme cố định

Có thể không thay đổi hoặc tăng lên; giá trị pH tối ƣu của

enzyme cố định có thể thay đổi đến 2 đơn vị so với enzyme tự do,

nhiệt độ hoạt động đƣợc mở rộng so với enzyme tự do.

1.3.4. Phương pháp cố định enzyme

a. Phương pháp hấp phụ

b. Bọc enzyme trong các nang

6

c. Giữ enzyme trong gel

d. Tạo liên kết chéo giữa các phân tử enzyme

e. Gắn enzyme vào chất mang rắn bằng liên kết cộng hoá trị

1.3.5. Cố định enzyme trên vật liệu nano

Hai phƣơng pháp phổ biến có thể đƣợc sử dụng là cố định

bằng lực hấp phụ vật lý và cố định bằng liên kết cộng hóa trị.

1.3.6. Cố định enzyme lên các hạt nano oxit sắt từ

Việc cố định enzyme lên bề mặt vật liệu Fe3O4NP có nhiều

ƣu điểm hơn so với các vật liệu khác do:

- Tính tƣơng thích sinh học của hạt Fe3O4NP

- Diện tích bề mặt của Fe3O4NP lớn

- Tính ƣa nƣớc của Fe3O4NP

- Tính chất siêu thuận từ

1.3.7. Cố định enzyme Lipase trên các hạt Fe3O4NP

1.4. Chế tạo Biodiesel thông qua phản ứng ester chéo hóa dầu

thực vật xúc tác bởi enzyme cố định Lipase

1.4.1. Biodiesel và công nghệ chế tạo

a. Giới thiệu biodiesel

b. Ưu, nhược điểm biodiesel

* Ƣu điểm

Về mặt môi trường

 Giảm ô nhiễm môi trƣờng và có lợi cho sức khoẻ con ngƣời.

 Giảm sự tiêu dùng các sản phẩm dầu mỏ.

Về mặt kỹ thuật

 Biodiesel rất linh động có thể trộn với diesel theo bất kì tỉ lệ nào.

 Biodiesel có điểm chớp cháy cao hơn diesel, đốt cháy hoàn toàn.

 Thành phần có chứa oxi, giảm ma sát nên có tính bôi trơn tốt.

Về mặt kinh tế

 Tận dụng dầu phế thải, mỡ động vật, các loại dầu khác.

 Hạn chế nhập khẩu nhiên liệu diesel, góp phần tiết kiệm.

7

* Nhƣợc điểm

- Biodiesel có nhiệt độ đông đặc cao hơn và nhiệt trị thấp hơn diesel

- Biodiesel dễ bị ôxy hóa do đặc điểm thành phần hóa học

c. Nguồn nguyên cho sản xuất biodiesel tại Việt Nam

Nguồn nguyên liệu để sản xuất biodiesel ở Việt Nam hiện

nay là mỡ cá Basa, dầu ăn phế thải, dầu phi thực phẩm Jatropha, tảo.

d. Xúc tác trong chuyển hóa thực vật tạo biodiesel

Các xúc tác truyền thống là axit hoặc kiềm. Ngoài ra, còn hệ

xúc tác rắn dị thể, cùng với xúc tác nano enzyme.

e. Yêu cầu kỹ thuật của diesel sinh học gốc

CHƢƠNG 2

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị

2.1.1. Hóa chất

2.1.2. Dụng cụ thiết bị

2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu

Sơ đồ tổng hợp Fe3O4NPs-CS-Lipase đƣợc trình bày ở hình 2.7.

Hình 2.7. Sơ đồ quy trình tổng hợp hệ xúc tác Fe3O4NPs-CS-Lipase

8

2.2.1. Tổng hợp hạt nano oxit sắt từ (Fe3O4NPs)

Hỗn hợp dung dịch FeSO4 và Fe2(SO4)3 (tỉ lệ mol Fe2+ : Fe3+

= 1 : 2) đƣợc cho vào bình cầu ba cổ, khuấy đều liên tục ở nhiệt độ

phòng. Cho từ từ từng giọt dung dịch NH3 25% vào hỗn hợp trên cho

đến khi dung dịch chuyển sang màu đen. Gia nhiệt dung dịch ở 800C

trong 2 giờ. Thí nghiệm đƣợc tiến hành trong môi trƣờng khí Argon.

Sản phẩm Fe3O4NP đƣợc để nguội đến nhiệt độ phòng, thu hồi bằng

từ trƣờng ngoài, rửa bằng nƣớc cất đến pH trung tính, cuối cùng rửa

3 lần bằng ethanol. Sản phẩm Fe3O4NP cuối cùng đƣợc sấy ở 600C

trong tủ sấy chân không trong 3 giờ, lƣu giữ ở nhiệt độ phòng đến

khi sử dụng.

2.2.2. Tổng hợp vật liệu nano từ tính Fe3O4NPs - CS

Hòa tan 0,5 gam chitosan trong 50ml trong dung dịch axit

acetic 1%, khuấy từ trong 30 phút ở nhiệt độ phòng cho đến khi

chitosan tan hoàn toàn. Cho Fe3O4NP vào dung dịch chitosan 1% đã

chuẩn bị trên, thêm tiếp vào 2ml dung dịch glutaraldehyde 10%, tiếp

tục khuấy trong 1 giờ, hỗn hợp đƣợc già hóa trong 2 giờ tiếp theo.

Thu hồi Fe3O4NPs-chitosan bằng từ trƣờng ngoài, loại bỏ chitosan

dƣ bằng cách rửa nhiều lần với nƣớc cất đến pH trung tính.

2.2.3. Cố định enzyme lipase lên nano từ tính Fe3O4NPs-CS

Tiến hành cho Fe3O4NPs-CS vào dung dịch glutaraldehyde

10% đƣợc pha trong trong đệm phosphate (pH = 7,5), khuấy ở nhiệt

độ phòng trong 5 giờ, thu hồi sản phẩm Fe3O4NPs-CS bằng từ trƣờng

ngoài, rửa nhiều lần bằng nƣớc để loại bỏ glutaraldehyde dƣ.

Chất mang Fe3O4NPs-Chitosan-glutaraldehyde (Fe3O4NPs￾CS-GA) đƣợc cho vào 20ml dung dịch enzyme lipase pha trong đệm

phosphate pH = 7,5 (d = 2g/l). Khuấy từ ở nhiệt độ phòng trong 3

giờ. Sản phẩm enzyme cố định đƣợc tách bằng từ trƣờng ngoài và

rửa nhiều lần với đệm phosphate. Sấy khô sản phẩm thu đƣợc ở nhiệt

độ 400C trong tủ sấy chân không và bảo quản ở nhiệt độ 4

oC.

9

2.2.4. Phản ứng este chéo hóa dầu thực vật với methanol xúc tác

bởi enzyme lipase cố định tạo biodiesel

a. Phản ứng este chéo hóa dầu thực vật xúc tác bởi enzyme

lipase cố định

Hình 2.8. Sơ đồ quy trình phản ứng este chéo hóa dầu thực vật xúc

tác bởi Fe3O4NPs – CS – Lipase

b. Tối ưu hóa phản ứng este chéo hóa dầu thực vật xúc tác bởi

enzyme Fe3O4NPs-CS-lipase tạo Biodiesel

Khảo sát ảnh hƣởng của các yếu tố sau đến hiệu suất chuyển hóa

- Ảnh hƣởng của phƣơng pháp cho methanol vào hệ phản ứng

- Ảnh hƣởng của tỉ lệ số mol dầu: methanol;

- Ảnh hƣởng của nhiệt độ

- Ảnh hƣởng của dung môi

Hiệu suất của quá trình chuyển hóa dầu thành biodiesel đƣợc

tính theo công thức:

V1 = Vsản phẩm sau phản ứng * % methyl ester có trong sản phẩm

trong đó: V1: thể tích methyl ester nguyên chất có trong sản phẩm.

10

Phƣơng trình hồi quy mô tả sự phụ thuộc của độ nhớt vào %

methyl ester đƣợc xác định là y= - 0,1013x + 15.542 với hệ số tƣơng

quan R

2

= 0,9997.

trong đó: x là % metyl este ; y là độ nhớt động học của hỗn hợp (

mm2

/s)

Từ phƣơng trình hồi quy này, cho phép ta xác định % methyl

ester có trong sản phẩm biodiesel đã chuyển hóa từ dầu, từ đó có thể

tính đƣợc hiệu suất chuyển hóa.

c. Đánh giá hiệu quả tái sử dụng xúc tác enzyme Fe3O4NPs￾CS-lipase

Thu hồi xúc tác enzyme sau phản ứng, sau đó hoạt hóa trở

lại trong dung dịch đệm phosphate. Xúc tác sau hoạt hóa đƣợc sử

dụng cho các lần phản ứng kế tiếp.

2.2.5. Phân tích đặc trưng vật liệu và thành phần hóa học trong

sản phẩm phản ứng ester chéo hóa

- Chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

- Nhiễu xạ tia X (XRD)

- Phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDX)

- Đo đƣờng cong từ trễ và phổ hồng ngoại IR

- Đo GCMS

2.2.6. Điều chế sản phẩm phối trộn biodiesel thành phẩm với nhiên

liệu diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ và đánh giá các chỉ tiêu hóa lý

về sản phẩm phối trộn biodiesel

Phối trộn biodiesel thành phẩm với nhiên liệu diesel có

nguồn gốc từ dầu mỏ theo các tỷ lệ 0%, 2%, 4%, 6%, 8% và 10%

biodiesel về thể tích. Hỗn hợp đƣợc khuấy đều, thu đƣợc các mẫu

biodiesel blend tƣơng ứng là B0, B2, B4, B6, B8, B10.

Tiến hành đánh giá các chỉ tiêu hóa lí theo yêu cầu kỹ thuật

về nhiên liệu diesel TCVN 5689: 2013 nhƣ trình bày ở hình 2.10