Nghiên cứu sàng lọc các loài vi tảo biển quang tự dưỡng có hàm lượng lipid cao, thành phần acid béo phù hợp sử dụng làm nguyên liệu sản xuất diesel sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT

-----------***----------

NGUYỄN THỊ MINH THANH

NGHIÊN CỨU SÀNG LỌC CÁC LOÀI VI TẢO

BIỂN QUANG TỰ DƯỠNG CÓ HÀM LƯỢNG

LIPID CAO, THÀNH PHẦN ACID BÉO PHÙ HỢP

SỬ DỤNG LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT

DIESEL SINH HỌC

Chuyên ngành: Hoá sinh Thực nghiệm

Mã số: 60. 42. 30

LUẬN VĂN THẠC SỸ SINH HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS. Đặng Diễm Hồng

Hà Nội, tháng 12 năm 2010

1Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1

Luận văn Thạc sỹ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

NLSH Nhiên liệu sinh học

NTTS Nuôi trồng thủy sản

MĐTB Mật độ tế bào

VTB Vi tảo biển

OD Optical Density (Mật độ quang học)

Cs. Cộng sự

FAME Fatty acid methyl ester

GC Gas chromatography

FFA Free Fatty Acid

ASTM American Standard Test Method

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TLK Trọng lượng khô

DHA Docosahexaenoic Acid

DPA Docosapentaenoic Acid

EPA Eicosapentaenoic Acid

Mha Million ha (triệu hecta)

TFA Total fatty acid (acid béo tổng số)

2Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

5

Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1. Năng suất dầu của một số nguồn nguyên liệu dùng cho sản xuất biodiesel.............17

Bảng 2. Hàm lượng dầu ở một số loài vi tảo............................................................ 20

Bảng 3. Địa điểm phân lập 7 loài vi tảo biển được sử dụng cho sàng lọc................. 43

Bảng 4. Tác dụng kết tủa sinh khối tảo bằng hóa chất ở các nồng độ khác nhau...... 67

Bảng 5. Thành phần hóa học có chứa trong sinh khối của 7 loài VTB nghiên cứu... 71

Bảng 6. Lipid tổng số và thành phần acid béo có trong sinh khối của 7 loài vi tảo

biển nghiên cứu ........................................................................................ 74

Bảng 7. Một số đặc điểm của sản phẩm biodiesel.................................................... 81

Bảng 8. Thành phần FAME của sản phẩm biodiesel................................................ 82

3Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

6

Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1. Cây cải dầu (canola)................................................................................... 11

Hình 2. Phản ứng chuyển vị ester tạo methyl-ester (biodiesel) ................................ 15

Hình 3. Tảo lớn (a) và vi tảo (b).............................................................................. 18

Hình 4. Cấu trúc phân tử triglycerol........................................................................ 19

Hình 5. Hệ thống bể hở (A) và Photobioreactor (B)................................................ 27

Hình 6. Sản phẩm biodiesel của Công ty Minh Tú .................................................. 34

Hình 7. Cây Jatropha curcas .................................................................................. 35

Hình 8. Tháp chưng cất cồn tinh khiết từ cồn công nghiệp tại Trung tâm Nghiên

cứu công nghệ lọc hóa dầu Đại học Bách khoa TP.HCM ............................ 36

Hình 9. Một số điểm bán xăng E5: A-tại Hà Nội và B-tại Thành phố Hồ Chí Minh .36

Hình 10. Sơ đồ quy trình chuyển hóa tạo biodiesel từ sinh khối tảo ........................ 51

Hình 11. Sinh trưởng của tảo N. oculata trong các thể tích bình khác nhau......................54

Hình 12. Sinh trưởng của tảo Tetraselmis sp. trong các thể tích bình khác nhau...... 55

Hình 13. Sinh trưởng của tảo Chlorella sp. trong các thể tích bình khác nhau......... 56

Hình 14. Sinh trưởng của tảo I. galbana trong các thể tích bình khác nhau ............. 57

Hình 15. Sinh trưởng của tảo C.muelleri trong các thể tích bình khác nhau............. 58

Hình 16. Sinh trưởng của tảo C. salina trong các thể tích bình khác nhau ............... 59

Hình 17. Sinh trưởng của tảo D. tertiolecta trong các thể tích bình khác nhau ........ 60

Hình 18 . 7 loài vi tảo biển nghiên cứu.................................................................... 61

Hình 19. Đồ thị tương quan giữa mật độ tế bào và OD của 7 loài vi tảo biển .......... 64

4Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

7

Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

Hình 20. Hệ thống nuôi trồng các loài vi tảo biển quang tự dưỡng ở các quy mô

bình từ 250 mL đến bình 10 lít................................................................. 65

Hình 21. Kết tủa sinh khối tảo bằng phương pháp hóa học...................................... 68

Hình 22. Nhân nuôi sinh khối Chlorella sp. ở quy mô pilot .................................... 76

Hình 23. A-Thu sinh khối Chlorella sp. bằng phương pháp kết tủa ở quy mô 10 lít

B- Sinh khối Chlorella sp. sau khi đã loại muối ...................................... 77

Hình 24. Các bước thu hồi sản phẩm biodiesel........................................................ 79

Hình 25. Sắc ký đồ thành phần FAME của sản phẩm biodiesel............................... 83

5Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2

Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

MỤC LỤC

Trang

CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................................................. 1

DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ 5

DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... 6

MỞ ĐẦU .................................................................................................8

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..............................................10

1.1. Khái quát chung về nhiên liệu sinh học, hiện trạng và xu thế phát triển..... 10

1.2. Diesel sinh học - Bản chất hóa học và cơ chế phản ứng ................................ 13

1.3. Diesel sinh học từ tảo - NLSH thế hệ thứ ba.................................................. 16

1.3.1. Khái quát về các loại nguyên liệu truyền thống dùng để sản xuất biodiesel ... 16

1.3.2. Vai trò và tiềm năng của vi tảo trong lĩnh vực NLSH ..................................... 18

1.3.3. Sản xuất biodiesel từ sinh khối vi tảo ............................................................ 23

1.4. Sản xuất sinh khối vi tảo làm nguyên liệu cho NLSH................................... 25

1.5. Tình hình sản xuất và sử dụng NLSH trên thế giới ...................................... 28

1.5.1.Tình hình sản xuất và sử dụng NLSH nói chung .................................... 28

1.5.2. Tình hình sản xuất và sử dụng NLSH từ tảo............................................... 30

1.6. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng NLSH ở Việt Nam................................. 32

1.6.1. Tiềm năng sản xuất NLSH ở Việt Nam .......................................................... 32

1.6.2. Những nghiên cứu và thử nghiệm về NLSH ở Việt Nam ................................. 34

1.6.3. Chính sách phát triển NLSH ở Việt Nam........................................................ 38

1.6.4. Tình hình nghiên cứu, nuôi trồng và ứng dụng vi tảo biển ở Việt Nam........... 39

6Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

3

Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......43

2.1. VẬT LIỆU, HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ ............................................. 43

2.1.1. Các chủng vi tảo biển đƣợc sử dụng cho quá trình nghiên cứu sàng lọc .. 43

2.1.2. Môi trƣờng nuôi cấy .................................................................................... 43

2.1.3. Hóa chất và thiết bị...................................................................................... 44

2.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................ 45

2.2.1. Phƣơng pháp nuôi trồng vi tảo biển quang tự dƣỡng ................................ 45

2.2.2. Phƣơng pháp xác định sinh trƣởng của tảo................................................ 46

2.2.2.1. Phương pháp xác định mật độ tế bào bằng buồng đếm Burker – Turk ........ 46

2.2.2.2. Phương pháp đo mật độ quang học (OD).................................................... 46

2.2.3. Phƣơng pháp thu hoạch sinh khối tảo bằng hóa chất tạo kết tủa ............. 47

2.2.4. Phƣơng pháp phân tích thành phần hóa học của sinh khối tảo................. 48

2.2.5. Phƣơng pháp phân tích lipid tổng số và thành phần acid béo................... 48

2.2.5.1. Phân tích lipid tổng số ................................................................................ 48

2.2.5.2. Phân tích thành phần acid béo.................................................................... 49

2.2.6. Phƣơng pháp chuyển hóa tạo biodiesel từ sinh khối tảo............................ 49

2.2.6.1. Chuẩn bị nguyên liệu .................................................................................. 49

2.2.6.2. Tạo biodiesel bằng phương pháp chuyển hóa trực tiếp (in situ

transesterification) ................................................................................................ 50

2.2.7. Xác định hiệu suất của quá trình chuyển hóa và thành phần FAME

của sản phẩm biodiesel.......................................................................................... 51

2.2.8. Phƣơng pháp xác định chỉ số iod ................................................................ 52

2.2.9. Phƣơng pháp xác định trọng lƣợng riêng bằng tỷ trọng kế....................... 53

7Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

4

Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................54

3.1. Nghiên cứu sinh trƣởng của vi tảo biển quang tự dƣỡng ............................. 54

3.2. Xác định mối tƣơng quan giữa MĐTB và OD .............................................. 62

3.3. Kết tủa sinh khối tảo bằng phƣơng pháp hóa học ........................................ 66

3.4. Thành phần hóa học của sinh khối vi tảo ...................................................... 69

3.5. Hàm lƣợng lipid tổng số và thành phần acid béo.......................................... 72

3.6. Nuôi thu sinh khối tảo làm nguyên liệu sản xuất biodiesel ........................... 76

3.7. Chuyển hóa sinh khối tảo thành biodiesel bằng phƣơng pháp trực tiếp...... 77

3.8. Đánh giá hiệu suất của quá trình chuyển hóa và chất lƣợng của sản phẩm

biodiesel.................................................................................................................. 79

3.8.1. Hiệu suất của quá trình chuyển hóa............................................................... 79

3.8.2. Chất lượng của sản phẩm biodiesel ............................................................... 80

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................84

KẾT LUẬN................................................................................................... 84

KIẾN NGHỊ.................................................................................................. 85

CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................87

TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................89

PHỤ LỤC ............................................................................................101

8Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

8

Luận văn Thạc sĩ năm 2010 Nguyễn Thị Minh Thanh

MỞ ĐẦU

Hầu hết mọi hoạt động của xã hội chúng ta ngày nay - trực tiếp hay gián tiếp

- đều dựa vào nguồn năng lượng dầu mỏ. Việc phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn năng

lượng này có thể dẫn đến sự khủng hoảng về năng lượng và kéo theo nó là các vấn

đề về kinh tế, chính trị, xã hội … khác, đặc biệt là tình trạng ô nhiễm môi trường.

Để giảm thiểu những tác động tiêu cực của việc lệ thuộc vào các nguồn năng lượng

truyền thống vốn đã bắt đầu cạn kiệt và không có khả năng tái sinh, con người đã và

đang bắt tay vào tìm kiếm các nguồn nhiên liệu thay thế. Việc tìm kiếm đủ nguồn

năng lượng sạch cho tương lai là một trong những thách thức lớn nhất đối với xã

hội loài người và nó liên quan mật thiết tới sự ổn định của các quốc gia, sự phát

triển kinh tế và chất lượng cuộc sống của con người trên phạm vi toàn thế giới.

Để giải quyết vấn đề này, nhiều quốc gia đã khai thác các nguồn năng lượng

từ thủy điện, điện hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng mặt trời… Tuy nhiên, các

nguồn năng lượng này không thể đáp ứng đủ nhu cầu của thế giới. Một nguồn năng

lượng khác đang được đặc biệt quan tâm, đó là nhiên liệu sinh học (NLSH). Trong

số các loại NLSH thì diesel sinh học (biodiesel) được nghiên cứu nhiều hơn cả vì nó

được cho là nguồn nhiên liệu chính và duy nhất có thể thay thế hoàn toàn diesel có

nguồn gốc từ dầu mỏ. Trong số các nguồn nguyên liệu được sử dụng để sản xuất

NLSH nói chung và biodiesel nói riêng thì tảo được coi là đối tượng tiềm năng nhất

vì tảo có rất nhiều lợi thế mà các nguồn nguyên liệu khác không có được. Tảo nói

chung và vi tảo nói riêng đã được biết đến là nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất

biodiesel vì chứa hàm lượng dầu cao và sức sản xuất sinh khối lớn. Việc sản xuất đủ

sinh khối tảo giàu lipid làm nguyên liệu cho sản xuất biodiesel là vấn đề mấu chốt

trong hướng nghiên cứu sử dụng tảo để sản xuất NLSH.

Tuy nhiên, không phải tất cả các loài tảo đều có thể nuôi trồng thu sinh khối

sản xuất biodiesel cho hiệu quả cao. Vì vậy, để góp phần sàng lọc các loài tảo của

Việt Nam có tiềm năng làm nguyên liệu cho sản xuất NLSH, chúng tôi đã tiến hành

thực hiện đề tài “Nghiên cứu sàng lọc các loài vi tảo biển quang tự dưỡng có hàm

9Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn