Diesel sinh học từ tảo - NLSH thế hệ thứ 3 - Những tiềm năng và thách thức

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

Tảo là nhóm thực vật bậc thấp sống ở môi trường nước (nước ngọt, nước lợ, nước mặn), có khả năng quang hợp, hấp thụ ánh sáng và biến đổi năng lượng ánh sáng, nước, CO₂ thành sinh khối, đồng thời giải phóng O₂. Hiệu suất của quá trình chuyển đổi này rất cao. Chính vì vậy, thời gian nhân đôi thế hệ ở tảo có thể chỉ vài giờ. Ngoài ra, trong quá trình quang hợp, tảo còn sản xuất ra dầu. Trên cùng một đơn vị diện tích, lượng dầu mà tảo tạo ra nhiều gấp 30 lần dầu đậu nành. Tảo bao gồm: vi tảo (microalgae) và tảo lớn (macroalgae, seaweed). Tảo lớn là các tảo đa bào, có kích thước lớn, có thể đạt đến chiều dài 100 feet (3048cm). Trái lại, vi tảo có kích thước hiển vi, đơn bào hoặc đa bào, thường sống ở dạng huyền phù trong nước (Zhiyou và cs., 2009).

Hình minh họa vi tảo (a – Nannochloropsis; b-Tetraselmis)

Vi tảo từ lâu đã được xem là nguồn tiềm năng để sản xuất biodiesel vì sinh khối tảo có chứa hàm lượng dầu cao (Gouveia và cs., 2009) có thể thay thế dầu mỏ nhưng lại thân thiện với môi trường.

]So với các loài thực vật ở cạn - thường phát triển theo mùa và lượng dầu chỉ chứa tối đa khoảng 5% so với trọng lượng khô thì trên cùng một đơn vị diện tích, vi tảo sinh trưởng nhanh hơn và tạo ra lượng dầu cao hơn nhiều (bảng 1) và hàm lượng dầu trong tảo có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi thành phần môi trường nuôi (Naik và cs., 2006) như bổ sung khí CO₂ trong quá trình nuôi trồng chúng hoặc sử dụng các môi trường giàu chất hữu cơ (như nước thải giàu nitơ, phospho…) (Demirbas,  2010).

Hiện nay, sinh khối tảo được khai thác chủ yếu làm thực phẩm chức năng cho người và động vật nuôi, trong nuôi trồng thủy sản (NTTS)…và gần đây còn được sử dụng để tạo ra năng lượng theo nhiều cách khác nhau như biodiesel, khí hydro dưới các điều kiện nuôi cấy đặc biệt hoặc có thể dùng để đốt giống như gỗ để tạo ra nhiệt và điện (Zhiyou và cs., 2009). Từ vi tảo còn có thể tạo ra khí methane bằng con đường lên men kỵ khí sinh khối vi tảo (Spolaore và cs., 2006) v.v…

Phần lớn lipit do vi tảo sản xuất ra tồn tại ở dạng tricylglyceride - thích hợp cho sản xuất biodiesel. Vi tảo là đối tượng chính trong lĩnh vực sản xuất NLSH từ tảo. Vi tảo có tốc độ sinh trưởng rất nhanh so với các loại thực vật sống cạn (Chisti, 2007). Hàm lượng dầu ở vi tảo thường dao động trong khoảng 20 đến 50% so với trọng lượng khô (bảng 2) cá biệt có thể đến khoảng 80% ở một vài chủng/loài (Metting, 1996). Lượng dầu do vi tảo sản xuất ra có thể cao gấp 250 lần so với đậu tương trên mỗi mẫu Anh (khoảng 0,4 ha), gấp từ 7 đến 31 lần so với cọ mà lại dễ dàng tách chiết nếu sử dụng phương pháp phù hợp. Do đó, tảo là nguồn tiềm năng cho sản xuất NLSH mới trong tương lai và có thể thay thế năng lượng từ dầu mỏ (Sharif and Aishah, 2008).

Bảng 2. Hàm lượng dầu ở một số loài vi tảo (Chisti, 2007)

Nuôi trồng tảo làm nguyên liệu để sản xuất NLSH vừa tạo ra nguồn năng lượng tái sinh vừa làm sạch môi trường nếu sử dụng nguồn nước thải để nuôi trồng (Hammouda và cs., 1995; Mallick, 2002; Munoz và cs., 2006; Schenk và cs., 2008). Tảo có thể loại bỏ một cách hiệu quả các thành phần N, P và kim loại nặng như As, Cd, Cr…trong nước thải (Sawayama và cs., 1995; Kong và cs., 2007). Trong khi xử lý nước thải đòi hỏi chi phí và công nghệ đắt tiền thì việc sử dụng nước thải như là nguồn dinh dưỡng để nuôi trồng tảo sẽ đem lại nhiều lợi ích về kinh tế và môi trường (Yanqun và cs., 2008).

Khả năng cố định CO₂ của tảo làm giảm đáng kể lượng CO­₂ trong khí quyển. Năng suất thu hoạch sinh khối tảo hàng năm ở các vùng cận nhiệt đới có thể đạt đến 40 tấn/ha (sinh khối khô) và cao hơn nếu bổ sung nguồn CO₂ (Klass, 1998). Các hệ thống nuôi cấy đơn giản cũng có thể sản xuất ra khoảng 100g sinh khối tảo khô/m²/ngày (Patil và cs., 2005). Ngoài ra, vi tảo có khả năng thích nghi dễ dàng với các điều kiện sống khác nhau nên tránh được sự cạnh tranh quỹ đất (Chisti (2008) và có thể sử dụng 2/3 diện tích bề mặt trái đất là nước để nuôi trồng tảo.

Ngoài các loài tảo quang tự dưỡng, một số loài vi tảo còn có khả năng sinh trưởng dị dưỡng sử dụng nguồn carbon hữu cơ (Vishwanath và cs., 2008). Do đó, vấn đề đặt ra là phải tìm kiếm được nguồn carbon hữu cơ thay thế rẻ tiền hơn đi đôi với công nghệ sản xuất phù hợp và tối ưu để có thể khai thác được tối đa những lợi thế của vi tảo sinh trưởng dị dưỡng. Bằng cách thay đổi các điều kiện nuôi cấy hoặc biến đổi về mặt di truyền, một số loài vi tảo quang tự dưỡng có thể sinh trưởng ở điều kiện dị dưỡng. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh, tảo sinh trưởng dị dưỡng có khả năng tích lũy hàm lượng dầu cao gấp nhiều lần so với tảo quang tự dưỡng (Kulkarni and Dalai, 2006). Có khoảng 300 loài vi tảo được xem là nguồn tiềm năng để sản xuất NLSH (Ladygina và cs., 2006; Gouveia and Oliveira, 2009; Li và cs., 2008; Riesing, 2006). Khả năng sản xuất sinh khối của vi tảo được đánh giá là cao gấp 50 lần so với cỏ switchgrass (Demirbas, 2009; Patil và cs., 2008).

Vấn đề sản xuất biodiesel từ sinh khối vi tảo

Để sản xuất NLSH nói chung và biodiesel nói riêng có thể sử dụng cả vi tảo và tảo lớn. Tuy nhiên, các loại tảo lớn thường ít được sử dụng để sản xuất biodiesel trong khi vi tảo lại được đánh giá là đối tượng thích hợp và có tiềm năng hơn. Hàm lượng dầu ở vi tảo cao hơn so với tảo lớn, đồng thời vi tảo cũng có tốc độ sinh trưởng nhanh hơn và dễ thích nghi hơn với điều kiện sống.

Quá trình sản xuất biodiesel từ tảo bao gồm một số bước: Sau giai đoạn nuôi trồng, các tế bào tảo phải được làm khô trước khi thực hiện phản ứng chuyển hóa. Các công bố cho thấy có hai phương pháp chuyển hóa: phương pháp hai giai đoạn và một giai đoạn. Đối với phương pháp hai giai đoạn, dầu tảo sau khi tách chiết được cho phản ứng với methanol có mặt chất xúc tác, khi đó quá trình sản xuất biodiesel tương tự như đối với dầu thực vật. Đối với phương pháp một giai đoạn (methyl hóa trực tiếp) thì dung môi có tác dụng chiết lipid (chloroform, hexan, ether…), methanol để methyl hóa acid béo và chất xúc tác được bổ sung cùng một lúc và hiệu suất của quá trình ester hóa cũng cao hơn so với phương pháp hai giai đoạn (Liu and Zhao, 2007).

Tuy nhiên hiện nay, các quy trình sản xuất biodiesel từ tảo vẫn còn có những điểm chưa tối ưu làm cho biodiesel sản xuất ra có giá thành cao do đòi hỏi nguồn năng lượng đầu vào để nuôi trồng và thu hoạch sinh khối vi tảo (Reijnders, 2008; Chisti, 2008; Tsukahara and Sawayama, 2005). Trong khi giới khoa học vẫn còn tranh cãi về yếu tố giá cả thì đã có một số công ty như Aurora Biofuels®, Valcent Inc®, and Solazyme® vẫn sử dụng tảo để sản xuất NLSH và thu lợi nhuận trên quy mô nhỏ (Yanqun và cs., 2008).

Ngoài ra, còn có hạn chế khác do các bước tách chiết lipid từ sinh khối tảo trước khi ester hóa lipid tạo biodiesel chủ yếu dựa trên phương pháp cơ bản của Bligh và Dyer đã công bố từ năm 1959 (Lewis and Nichols, 2000). Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, lipid ở tảo rất khó được tách chiết bằng các phương pháp này (Ahlgren, 1991) và dầu vi tảo lại chứa khá nhiều axit béo không bão hòa đa nối đôi (Belarbi và cs., 2000) như EPA (acid eicosapentaenoic - C20:5n-3) và DHA. Các axit béo và methyl ester của acid béo (FAME) chứa nhiều liên kết đôi thường dễ bị oxi hóa trong quá trình bảo quản, làm giảm khả năng ứng dụng so với biodiesel từ dầu thực vật.

Có ba điểm hạn chế chính đối với biodiesel sản xuất từ tảo về mặt ý nghĩa kinh tế như: sự tạp nhiễm các loài không mong muốn trong giai đoạn nuôi trồng, chi phí cao để thu hoạch sinh khối tảo và năng suất thu hoạch dầu còn thấp (Michael, 2009). Tuy nhiên, phần nào có thể khắc phục các hạn chế trên bằng cách sử dụng các hệ thống bể phản ứng quang sinh học hoặc các hệ thống lên men đối với tảo dị dưỡng; tăng hàm lượng lipid trong tế bào tảo bằng các phương pháp điều khiển quá trình trao đổi chất; sử dụng kỹ thuật di truyền để tạo ra các giống tảo tiềm năng; giảm chi phí thu hoạch sinh khối tảo bằng cách tăng năng suất sinh khối hoặc áp dụng phương pháp nuôi trồng đơn giản, rẻ tiền, tận dụng các nguồn dinh dưỡng sẵn có; Đối với các loại dầu tảo có thành phần axit béo không phù hợp cho chuyển hóa thì có thể được khắc phục nhờ quá trình hydro hóa dầu (Jang và cs., 2005; Dijkstra, 2006) v.v…

Tóm lại, những thuận lợi và khó khăn của nguồn nguyên liệu vi tảo được chỉ ra trên đây đã cho thấy vấn đề xây dựng được quy trình công nghệ sản xuất biodiesel phù hợp với yêu cầu thực tế là rất cần thiết. Hơn nữa, việc phân lập và lựa chọn được các chủng giống vi tảo bản địa phù hợp với quy mô nuôi trồng trên quy mô lớn cũng như có hàm lượng lipid cao, thành phần axit béo phù hợp cho chuyển hoá cao biodiesel là những vấn đề cần được tập trung nghiên cứu.

Vấn đề sản xuất sinh khối vi tảo làm nguyên liệu cho NLSH

Để sản xuất đủ sinh khối tảo có thể lựa chọn hình thức nuôi cấy quang tự dưỡng hoặc dị dưỡng (Grobbelaar, 2004; Molina và cs. 1999; Chisti, 2007). Các bể hở (open ponds) và hệ thống bể phản ứng quang sinh khép kín (closed photobioreactors) có thể sử dụng cho nuôi trồng vi tảo quang tự dưỡng (Michael, 2009; Patil và cs., 2005) với những ưu và nhược điểm riêng. Ưu điểm của nuôi trong bể hở là có lợi về mặt kinh tế nhưng lại hạn chế vì tốn diện tích đất, nước và cần phải có những điều kiện khí hậu nhất định, dễ nhiễm tạp. Trái lại, ưu điểm photobioreactor kín là có thể khép kín môi trường nuôi, điều khiển được các yếu tố môi trường, giảm tạp nhiễm. Mặc dù giá thành lắp đặt hệ thống là đắt xong sức sản xuất sinh khối tảo, mật độ tế bào ở hệ thống kín cao gấp 13 và 30 lần so với hệ thống hở (Chisti, 2007). Sinh khối tảo được sản xuất ở hệ thống kín hay hở đều không ảnh hưởng đến quá trình thu nhận dầu và chuyển chúng thành diesel sinh học. Sức sản xuất sinh khối cao nhất ở bể hở đạt đến khoảng 24 gam sinh khối khô/m²/ngày (Weisz, 2004) và cá biệt 100 gam sinh khối khô/m²/ngày đã thu được trong các hệ thống nuôi kín 300 lít đơn giản (Patil và cs., 2005) trong điều kiện bão hòa ánh sáng. Tridici (1999) đã nghiên cứu sản xuất sinh khối tảo trong các hệ thống photobioreactor với các kiểu dáng khác nhau đã được thiết kế trong đó, dạng ống tỏ ra là có hiệu quả cao nhất (Vishwanath và cs., 2008).  

Hình minh họa nuôi trồng vi tảo (a – Hệ thống kín; b-Hệ thống bể hở)

Nâng cao giá trị kinh tế của dầu vi tảo

Như trên đã nói, giá thành của diesel được sản xuất từ vi tảo phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu tố: Chi phí sản xuất sinh khối (hệ thống kín có hiệu quả cao hơn so với hệ thống hở) và chuyển hóa dầu tảo thành diesel và có thể giảm được về cơ bản nếu sử dụng chiến lược gia hoá các sản phẩm thu được, nâng cao tốc độ sinh trưởng và hàm lượng dầu của vi tảo thông qua việc áp dụng các kỹ thuật di truyền và sử dụng các photobioreactor hiện đại.

Nâng cao một số đặc điểm sinh học tảo

 Kỹ thuật di truyền có thể được sử dụng để giải quyết một số vấn đề chính như sau (León-Bañares và cs., 2004; Roessler và cs, 1994; Dunahay và cs., 1996): Tăng hiệu quả quang tổng hợp để có thể tăng sinh khối tảo vào ban ngày; Tăng tốc độ sinh trưởng của tảo; Tăng thành phần dầu trong sinh khối tảo nuôi được; Nâng cao tính chống chịu với nhiệt độ để giảm chi phí cho việc làm lạnh vào ban đêm (nhằm giảm quá trình hô hấp vào ban đêm); Loại bỏ hoặc giảm ngưỡng bão hòa ánh sáng. Khi đó, tảo có thể sinh trưởng tốt ngay cả khi được chiếu ánh sáng có cường độ rất cao; Giảm quá trình quang ức chế đã gây ra giảm tốc độ sinh trưởng vào giữa trưa trong ngày ở những vùng nhiệt đới, nóng cao; Giảm khả năng nhạy cảm với oxi để làm giảm quá trình oxy hóa quang hợp làm tổn hại đến các thành phần tế bào tảo.

Ngoài ra, các nghiên cứu cơ bản cũng cần phải được tiến hành để xác định được các yếu tố sinh lý, sinh hóa và các yếu tố môi trường tác động đến sự tích lũy dầu trong sinh khối tảo. Việc ổn định được đặc điểm di truyền của các chủng đã được cải biến bằng kỹ thuật di truyền cũng như các phương pháp sản xuất cũng cần phải được nghiên cứu.

Thạc sỹ Bùi Đình Lãm