- NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP BIODIESEL TỪ CHẤT BÉO NẤM NEM Y. - LYPOLITICA PO1G BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẬN TỚI HẠN. - lipolytica Po1g, phương pháp cận tới hạn.. - Việc tìm ra nguồn nguyên liệu rẻ tiền và phương pháp tổng hợp hiệu quả fatty acid methyl ester (FAME, còn gọi là diesel sinh học) ngày càng được chú trọng vì thế nghiên cứu này trình bày khả năng sử dụng bã mía thủy phân để nuôi cấy nấm men Yarrowia lipolytica Po1g sản xuất chất béo nhằm sử dụng để tổng hợp FAME. - Phương pháp cận tới hạn được sử dụng để chuyển hóa chất béo từ Y. - Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chuyển hóa như nhiệt độ, thời gian, hàm lượng methanol, hàm lượng nước và nồng độ xúc tác được tiến hành khảo sát. - Kết quả cho thấy rằng các yếu tố này ảnh hưởng đáng kể đến độ chuyển hóa chất béo thành FAME. - Điều kiện thích hợp cho phản ứng tổng hợp là nhiệt độ 175°C, thời gian 4 giờ, tỉ lệ chất béo: methanol 1:25 g/g, và tỉ lệ chất béo:. - H 2 O 1:0.05 g/g tương ứng với độ chuyển hóa FAME là 90.15%.. - Những nghiên cứu cho thấy các vi sinh vật cho dầu có khả năng tích lũy chất béo nội bào từ sự trao đổi chất của các nguồn carbon khác nhau và hàm lượng chất béo tích lũy có thể lên đến khoảng 87% trọng lượng khô. - Ngoài ra, việc sử dụng dầu đơn bào để sản xuất biodiesel còn có một số thuận lợi so với việc sử dụng các nguồn nguyên liệu khác như không bị ảnh hưởng theo mùa hay thời tiết, có thành phần của chất béo tương tự như các loại dầu ăn được, có thể được sản xuất (nuôi cấy) từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau với thời gian sản xuất ngắn, dễ dàng mở rộng ra quy mô công nghiệp (Shahidi, 2005).. - Nấm men Y. - Chất béo trung tính thu được từ Y. - lipolytica Po1g là nguồn nguyên liệu tiềm năng để chuyển hóa thành biodiesel vì chúng chứa một lượng lớn các acid béo tự do. - Tuy nhiên, chất béo từ nấm men cho dầu chỉ có thể cạnh tranh với các nguồn chất béo thương mại khác nếu được sản xuất từ nguyên liệu rẻ hơn nguồn truyền thống.. - Thành phần hóa học chủ yếu của biodiesel (diesel sinh học) là methyl ester của các acid béo.. - Biodiesel được sản xuất từ quá trình chuyển hóa ester giữa các glyceride (mono-, di, tri-glyceride) hoặc quá trình ester hóa của các acid béo tự do có trong dầu thực vật mỡ động vật dưới sự xúc tác của acid hoặc base (Balat, 2007). - Tuy nhiên, các loại xúc tác hiện nay thường gặp phải những khó khăn như: xúc tác đồng thể dạng base gây ra phản ứng xà phòng hóa nếu nguyên liệu chứa acid béo tự do dẫn đến hạn chế trong việc chọn lựa nguồn nguyên liệu. - Để khắc phục những bất lợi trên, một phương pháp mới đã được nghiên cứu và bước đầu đạt được những thành công trong việc khắc phục những khuyết điểm của xúc tác, chính là tiến hành phản ứng transester hóa ở điều kiện cận tới hạn. - Mục tiêu của nghiên cứu này là tìm ra điều kiện thích hợp cho phản ứng tạo thành biodiesel từ chất béo của nấm men Yarrowia lipolytica Po1g ở điều kiện cận tới hạn. - 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu và hóa chất. - Hình 1: (i) nuôi cấy và thu chất béo từ nấm men. - (ii) chuyển hóa chất béo thành biodiesel bằng phương pháp cận tới hạn.. - Biodiesel, FFA, acylglycerides và thành phần khác. - Khảo sát hàm lượng methanol. - Khảo sát nhiệt độ. - Khảo sát hàm lượng nước Chất béo từ. - Phản ứng tổng hợp. - Hình 2: Sơ đồ thiết bị phản ứng: (1) nguồn nitơ, (2) van khí, (3) buồng phản ứng, (4) điện trở gia nhiệt, (5) khuấy từ, (6) van an toàn, (P) áp kế, và (T) nhiệt kế. - Sinh khối sau đó được trích ly bằng phương pháp Soxhlet với hỗn hợp hexane: methanol tỉ lệ 2:. - Hỗn hợp được cô quay bằng thiết bị Model R205 (Buchi, Thụy sĩ) nhằm loại bỏ dung môi để thu chất béo.. - Biodiesel được tổng hợp từ chất béo bằng phương pháp dung môi cận tới hạn, sử dụng thiết bị được mô tả trong Hình 2. - Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chuyển hóa chất béo thành biodiesel như nhiệt độ, thời gian, tỉ lệ chất béo:methanol, tỉ lệ chất béo:nước và hàm lượng xúc tác được tiến hành khảo sát. - Sau khi phản ứng hỗn hợp được làm nguội, phân tách và tiến hành phân tích đánh giá và xác định độ chuyển hóa.. - 2.3 Phương pháp phân tích 2.3.1 Xác định hàm lượng nấm men. - Nồng độ đường tổng trong sản phẩm thủy phân được xác định theo phương pháp DNS (Miller 1959. - Thành phần đường D-glucose, D-xylose and L-arabinose và các chất ức chế được phân tích bằng HPLC với detector ELSD và cột Zorbax NH 2. - 2.3.3 Đánh giá thành phần hóa học biodiesel Nguyên liệu và sản phẩm phản ứng được phân tích định tính và định lượng dựa trên máy sắc kí khí GC2010 Plus (Shimadzu, Japan) được trang bị đầu dò FID và cột phân tách B-5HT (dài 15 m, đường kính 0.32 mm và bề dày lớp film 0.1 mm, Agilent, Palo Alto, California). - 3.1 Hàm lượng và thành phần đường thu. - acid H 2 SO 4 3%, ở nhiệt độ 90 ° C trong 6 giờ với tỉ lệ bã mía/dung dịch acid là 1:25 (g/mL). - xác định bằng phương pháp DNS và kết quả là 30 g/L. - Thành phần các đường khử chủ yếu trong dung dịch thủy phân được xác định bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao và kết quả được trình bày trong Bảng 1. - Sau khi khử độc bằng phương pháp vôi hóa nồng độ đường tuy có giảm nhưng không đáng kể.. - Bảng 1: Thành phần dung dịch bã mía thủy phân trước và sau khi khử độc Nồng độ (g/L). - 3.2 Chất béo thu được từ tế bào nấm men Nấm men từ môi trường YPDA được tiền nuôi cấy sơ bộ trong môi trường gồm D-glucose (20 g/l), peptone 10 (g/l), yeast extract 10 (g/l) ở nhiệt độ 26 ° C, trong tủ nuôi cấy vi sinh JSSR 1000C với tốc độ lắc 160 vòng/phút, trong 24 giờ.. - Sau 4 ngày nuôi cấy sinh khối thu được với hàm lượng 13.67 g/L trong đó chất béo chiếm 46.48%. - Thành phần chất béo thu được từ sinh khối nấm men nuôi cấy trong môi trường bã mía được xác định bằng phương pháp sắc ký khí. - Chất béo thô thu được sau khi trích ly nấm nem bằng dung môi sẽ được xử lý để loại bỏ các sáp và gum. - Việc loại bỏ các sáp và gum bên cạnh giúp hạn chế sự ảnh hưởng của các thành phần này trong quá trình phân tích ngoài ra còn giúp bảo vệ cột sắc ký. - Kết quả tính toán cho thấy rằng thành phần chất béo thô thu được bao gồm: 51.45 wt.% các chất béo phân cực (gum, chủ yếu là các phospholipid- thành phần cơ bản cấu tạo nên màng tế bào nấm men), 5.80 wt.% sáp và phần còn lại 42.85 wt.% là các chất béo trung tính. - Chất béo trung tính này được đem phân tích sắc kí khí và kết quả được trình bày trong Bảng 2. - Trong đó, 82.53% của chất béo trung tính là các acid béo ở dạng tự do. - triglyceride (1.90%) và các thành phần khác (5.32%).. - Bảng 2: Thành phần cơ bản của dầu (chất béo) đã loại wax và gum. - Thành phần % khối lượng. - Thành phần khác . - Có thể nói đây là thành phần cơ bản trong chất béo của nấm men Y. - eicosenoic acid (4.87%) và một số thành phần vi lượng khác. - Với thành phần mạch carbon phân bố từ C16 đến C20 và trên 97%. - Từ điều này có thể kết luận rằng nguồn chất béo trung tính trong nấm men là một trong những nguồn chất béo lý tưởng cho sản xuất diesel sinh học.. - Bảng 3: Thành phần mạch carbon cấu trúc nên chất béo của nấm men. - 3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu suất chuyển hóa chất béo thành FAME. - Để khảo sát hiệu suất chuyển hóa chất béo thành FAME, nhiệt độ phản ứng được thay đổi từ 150-200°C, thời gian phản ứng là 2 giờ, tỉ lệ chất béo:nước là 1:0.05 g/g, và tỉ lệ chất béo:methanol là 1:30 g/g. - Kết quả được trình bày trong Bảng 4 và cho thấy rằng hiệu suất chuyển hóa FAME có xu hướng tăng theo nhiệt độ và đạt giá trị cao nhất ở nhiệt độ 175°C. - suất phản ứng thấp (1.57 MPa) nên các cấu tử trong hỗn hợp chưa được tiếp xúc tốt với nhau, vì vậy hiệu suất tạo thành FAME còn thấp. - Tuy nhiên, khi tăng nhiệt độ lên 200°C, chuyển động của các thành phần trong hỗn hợp trở nên hỗn loạn hơn, glycerol vừa tạo thành có thể hòa tan làm giảm lượng tác chất methanol, thúc đẩy phản ứng theo chiều nghịch. - Do đó, hiệu suất chuyển hóa chất béo FAME ở 200°C có xu hướng giảm.. - Bảng 4: Thành phần hỗn hợp sau khi phản ứng ở các nhiệt độ khác nhau Nhiệt độ. - phản ứng. - Thành phần (diện tích peak,. - 3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng methanol lên hiệu suất chuyển hóa chất béo thành FAME. - Ảnh hưởng của hàm lượng methanol đến hiệu suất chuyển hóa FAME được tiến hành khảo sát với các tỉ lệ chất béo:methanol, thay đổi từ 1:10 đến 1:40 g/g, tương ứng với điều kiện tỉ lệ chất béo: nước là 1:0.05 g/g, nhiệt độ 175°C, và thời gian phản ứng là 4 giờ. - Kết quả khảo sát được trình bày trong Bảng 5 và cho thấy rằng để tăng hiệu suất chuyển hóa chất béo thành biodiesel cần phải. - HIệu suất chuyển hóa tăng khi tăng hàm lượng methanol.. - Hơn 87% chất béo được chuyển sang FAME khi tỉ lệ là 1:25 g/g. - Kết quả này cũng phù hợp với nghiên cứu của Demirbas, khi tỉ lệ giữa methanol và chất béo cao thì sản phẩm sẽ tạo được một lượng lớn ester trong thời gian ngắn ở điều kiện siêu tới hạn (Demirbas, 2009). - Tuy nhiên, khi tỉ lệ chất béo: methanol tăng lên cao hơn 1:30 g/g thì hiệu suất chuyển hóa có xu hướng giảm.. - Bảng 5: Thành phần hỗn hợp sau khi phản ứng với tỉ lệ chất béo:methanol khác nhau Chất béo:. - FFA FAME MAG DAG TAG Thành phần khác. - 3.5 Ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất chuyển hóa chất béo thành FAME. - Ảnh hưởng của thời gian phản ứng lên hiệu suất chuyển hóa được khảo sát trong khoảng từ 2–. - 8 giờ, tương ứng với nhiệt độ phản ứng 175°C, tỉ lệ chất béo: nước là 1:0.05 g/g, tỉ lệ chất béo:. - Kết quả được trình bày trong Bảng 6 cho thấy độ chuyển hóa FAME tăng khi. - Tuy nhiên, khi thời gian phản ứng tăng lên 6 và 8 giờ thì độ chuyển hóa không tăng mà có xu hướng giảm nhẹ. - Như vậy, có thể nói rằng 4 giờ là khoảng thời gian tối ưu cho phản ứng tổng hợp FAME. - Vì phản ứng transester hóa là thuận nghịch và thời gian dài ở nhiệt độ cao có thể tạo ra sản phẩm phụ không mong muốn.. - Bảng 6: Thành phần hỗn hợp khi thời gian phản ứng là khác nhau Thời gian phản. - ứng, giờ Thành phần (diện tích peak,. - 3.6 Ảnh hưởng của hàm lượng nước lên hiệu suất chuyển hóa chất béo thành FAME. - Phản ứng tổng hợp biodiesel được thực hiện với tỉ lệ chất béo và nước khác nhau và 1:0.05 g/g) ở nhiệt độ 175°C, tỉ lệ chất béo:. - chuyển hóa FAME tăng. - Hơn 45% FAME được tạo thành khi tỉ lệ giữa chất béo và nước là 1:1. - Hiệu suất chuyển hóa tăng lên khoảng từ 67% đến hơn 90% khi tỉ lệ giữa chất béo: nước giảm từ 1:0.1 đến 1:0.05 (Bảng 7). - Điều này cũng phù hợp với phản ứng thuận nghịch, khi tăng hàm lượng nước thì phản ứng có xu hướng dịch chuyển theo chiều ngược lại.. - Bảng 7: Thành phần hỗn hợp sau phản ứng khi thay đổi hàm lượng nước Chất béo:. - H 2 O, g/g Thành phần (diện tích peak,. - Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng bã mía là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho việc nuôi cấy và sản xuất chất béo từ vi sinh vật. - Bằng việc ứng dụng phương pháp cận tới hạn để tổng hợp FAME (hay còn gọi là diesel sinh học) thấy rằng các yếu tố như nhiệt độ, thời gian, hàm lượng methanol, hàm lượng nước và hàm lượng xúc tác ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất chuyển hóa chất béo thành FAME.. - Điều kiện thích hợp cho phản ứng tổng hợp biodiesel là nhiệt độ 175°C, thời gian 4 giờ, tỉ lệ chất béo:methanol 1:25 g/g và tỉ lệ chất béo: nước 1:0.05 g/g. - industrialization."