Sản xuất Biodiesel từ vi tảo: Kỹ thuật nuôi cấy vi tảo thu Lipid

Thông tin tài liệu

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG 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 được 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 được rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình và cởi mở. Em xin được gửi đến: KS. HUỲNH NGUYỄN ANH KHOA, là cán bộ trực tiếp hướng dẫn em làm đồ án này, lờ i cảm ơn sâu sắc và chân thành. Chính nhờ sự hướng 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 th ầy 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 người đã cung cấp các kiến thức cơ sở cũng như 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 trường và sự thiếu hụt nguồn năng lượng trong tương lai chính là mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia hiện nay, và biodiesel được xem là một giải pháp khả thi nhằm thay thế cho nguồn nhiên liệu diesel dầu hỏa sử dụng cho các phương tiện giao thông vận tải lẫn trong công nghiệp. Trong khi các nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel thông thường: dầu thực vật, mỡ động v ật 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 tượng 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 như: sản xuất thực phẩm chức năng và xử lý môi trường, do đó việc ứng dụng nuôi cấy vi tảo trên các môi trường 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 được đây là một loài vi tảo rất phù hợp với mục tiêu s ản xuất biodiesel: năng suất sinh khối cao trong môi trường quang tự dưỡng, hàm lượng lipid nhiều và thành phần lipid dễ điều chỉnh theo điều kiện nuôi cấy. Từ đó đề xuất khảo sát các yếu tố môi trường nhằm nuôi cấy Nannochloropsis oculata thu lipid với năng suất cao: môi trường f/2, độ mặn trong khoảng 22-49g NaCl/L, nhiệt độ môi trường 25-27 0 C, chiếu sáng bằng đèn huỳnh quang ít tỏa nhiệt 400-500µmol/m 2 s, 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 lượng và biodiesel 1 1.1.1. Năng lượng không tái sinh 1 1.1.2. Năng lượng 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 HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG 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 hưởng của điều kiện môi trường 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 trường 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 trường 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 trường 38 4. KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 vii DANH SÁCH BẢNG Bảng 1. 1: Các acid béo thường 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 thường và tiêu chuẩn ASTM biodiesel [28] 12 Bảng 2. 1: Hàm lượng và năng suất lipid của các loài tảo khác nhau 15 Bảng 2. 2: Sự sinh trưởng 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% CO 2 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% CO 2 trong 14 ngày 21 Bảng 2. 5: Tham số sinh trưởng và sự sản xuất lipid của C. vulgaris ở các nồng độ NaNO 3 khác nhau 23 Bảng 3. 1: Sự sinh trưởng 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 lượng 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 lượng sinh khối và hàm lượng 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 lượng CO 2 khác nhau 41 Bảng 3. 7: Tham số sinh trưởng và sự sản xuất lipid của N. oculata ở các nồng độ NaNO 3 khác nhau 42 Bảng 3. 8: Sản lượng sinh khối và thành phần hợp chất hóa sinh của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nồng độ NaNO 3 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 NaNO 3 khác nhau 44 Bảng 3. 10: Sản lượng sinh khối và thành phần hợp chất hóa sinh của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nồng độ NaH 2 PO 4 khác nhau 46 Bảng 3. 11: Thành phần acid béo (%w/w TFA) của Nannochloropsis sp. vào ngày thứ 10 tại các nồng độ NaH 2 PO 4 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 lượng tái sinh 2 Hình 1. 3: Bảng thống kê sử dụng các nguồn năng lượng 3 Hình 1. 4: Phản ứng chuyển vị ester 7 Hình 2. 1: Phần trăm các loại FAME trên tổng lượng FAME (g/100g FAME ) của C. vulgaris tại các nhiệt độ sinh trưởng khác nhau 17 Hình 2. 2: Phần trăm các loại FAME trên tổng lượng FAME (g/100g FAME ) của C. vulgaris tại các nồng độ NaNO 3 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 lượng acid béo methyl ester (g/100g FAME ) của N. oculata tại các nhiệt độ khác nhau 29 Hình 3. 3: Ảnh hưởng của mức độ chiếu sáng trên sự sinh trưởng của tế bào và hàm lượng chlorophyll a đối với Nannochloropsis sp. 33 Hình 3. 4: Sự phân phối các acid béo chính trong Nannochloropsis sp. được nuôi cấy theo mẻ dưới ảnh hưởng 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 hưởng nồng độ khí CO 2 lên sự sinh trưởng của N. oculata 39 Hình 3. 7: Sự sinh trưởng của N. oculata khi nuôi cấy bán liên tục trong môi trường sục khí có chứa 2%, 5%, 10%, 15% CO 2 40 Hình 3. 8: Phần trăm các loại FAME trên tổng lượng FAME (g/100g FAME ) của N. oculata tại các nồng độ NaNO 3 khác nhau 43 x DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT DW: dry weight khối lượng khô FAME: fatty acid methyl ester ester của acid béo và methyl f/2AW: f/2 artificial seawater môi trường f/2 nước biển nhân tạo EPA: eicosapentaenoic acid acid ω3 (C20:5) PUFA: polyunsatured fatty acid acid béo chưa no mang nhiều nối đôi TFA: total fatty acid hàm lượng 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 lượng/khối lượng [...]... biodiesel từ dầu vi tảo đều đã được nghiên cứu Ở điều kiện phòng thí nghiệm, hàm lượng lipid lý tưởng có thể đạt tới 5660% trên tổng sinh khối khô nhờ vào kỹ thu t di truyền hoặc kỹ thu t nuôi dị dưỡng Những tiến bộ kỹ thu t cho thấy rằng trong tương lai vi c sản xuất biodiesel từ vi tảo có thể được thực hiện trên quy mô công nghiệp [28] 14 2 NUÔI VI TẢO SẢN XUẤT BIODIESEL 2 NĂNG SUẤT LIPID VÀ ẢNH HƯỞNG... [43] Nuôi cấy vi tảo không cần dùng các loại thu c xịt cỏ hay thu c trừ sâu [43] 13 1 TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL - - Các phần sinh khối vi tảo còn dư lại sau quá trình trích ly dầu có thể được dùng như nguồn thức ăn cho gia súc, hoặc làm phân bón, hoặc qua quá trình lên men tạo các sản phẩm ethanol hay methane [43] Toàn bộ quá trình từ vi c nuôi thu sinh khối có hàm lượng lipid cao đến sản xuất biodiesel từ. .. 21.7% DW, P . and industry. While plant oil, animal fat and waste oil which are common for biodiesel production cannot satisfy biodiesel demand all over the world,. important concerns of nations, and biodiesel is considered such as a possible solution to replace petroleum diesel, which is used for transportation and

Ngày đăng: 05/03/2014, 08:58

Xem thêm: Sản xuất Biodiesel từ vi tảo: Kỹ thuật nuôi cấy vi tảo thu Lipid, Sản xuất Biodiesel từ vi tảo: Kỹ thuật nuôi cấy vi tảo thu Lipid