Xây dựng quy trình chuyển hóa dầu béo thành nhiên liệu sinh học

Biodiezen còn được gọi Diezen sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diezen nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Biodiezen, hay nhiên liệu sinh học nói chung, là một loại năng lượng sạch. Về phương diện hóa học thì diezen sinh học là methyl, ethyl ester của những acid béo.Chúng không độc và dễ phân giải trong tự nhiên. Diezen sinh học có thể thay thế hoàn toàn dầu diezen trong các động cơ đốt trong (B100) hoặc pha với diezen dầu mỏ ở 1 tỉ lệ nhất định. Biodiezen chứa một lượng cực nhỏ lưu huỳnh, 11% oxy, nên cháy sạch hơn, phân huỷ sinh học nhanh, ít gây ô nhiễm nguồn nước và đất. So với việc sử dụng xăng dầu thì làm giảm được 70% khí CO ₂và gần 30% khí độc hại.

Ngày nay, khi nguồn dầu mỏ đang dần cạn kiệt, cùng với tình hình ô nhiễm môi trường nặng nề do hiệu ứng nhà kính thì Biodiezen là sự thay thế đầy tiềm năng cho diezen nhờ những tính chất tương tự và những ưu điểm vượt trội của nó. Chính vì vậy, sau khi nghiên cứu tách chiết lipit (dầu béo), xác định hàm lượng thành phần các axit béo và phân tích các chỉ số hóa lý đánh giá chất lượng dầu, xây dựng tiêu chuẩn cơ sở dầu béo của 3 mẫu hạt thực vật của các loài: Sở, Lai, Trôm, các nhà khoa học thuộc Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật đã bước đầu nghiên cứu quy trình ester hóa dầu béo thành diezen sinh học để định hướng khai thác có hiệu quả nguồn dầu hạt và nâng cao giá trị sử dụng nguồn lợi từ tài nguyên thực vật Việt Nam.

Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

Từ kết quả điều tra đánh giá khả năng phát triển cũng như kết quả khảo sát hàm lượng - thành phần dầu béo và axit béo của ba loài thực vật Trôm, Sở, Lai cho dầu béo ở miền Bắc, các nhà khoa học lựa chọn dầu Lai để nghiên cứu quy trình sản xuất diezel sinh học. Cây Lai là cây gỗ lâu năm, mọc hoang và được trồng ở các tỉnh miền núi, trung du miền Bắc nước ta, dễ phát triển. Tỉ lệ dầu trong hạt 68,93%, thành phần chủ yếu trong dầu là: axit palmitic, oleic, linoleic và linolenic.

Biodiezen có thể sản xuất từ dầu thực vật bằng phương pháp chiết, chuyển hóa este các chất béo thành FAMEs, làm tăng khả năng hòa tan cũng như tính axit bằng methanol. Thông thường, quá trình chuyển hóa dầu thành biodiezen thông qua một loạt các bước bao gồm chuẩn bị dịch chiết dầu hạt với các dung môi hóa học và sau đó là sự biến đổi từ dầu béo thành biodiezen dưới tác dụng của xúc tác (Chisti, 2007). Các metyl este của axit béo (FAMEs) bao gồm các photpholipit cực, axit béo tự do và triglycerit trong hạt Lai được tăng độ lỏng cùng khả năng bay hơi, trong khi giảm độ phân cực của các phân tử có năng lượng cao ở điều kiện tới hạn. Điều này thực hiện được  với việc hóa lỏng trực tiếp và chuyển hóa dầu lai thành biodiezen chỉ trong một bước, với methanol tới hạn cùng với sự có mặt của nitrơ, và tối ưu hóa các thông số của quá trình ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa este bằng cách sử dụng phương pháp màng cảm ứng (RSM).

Phương pháp màng cảm ứng (RSM) được dùng để phân tích sự ảnh hưởng của các yếu tố đến sự chuyển hóa FAMEs, bao gồm: tỉ lệ dầu lai trên methanol, nhiệt độ phản ứng và thời gian phản ứng. Các mẫu nhiên liệu thu được được đem phân tích trên ATR-FTIR và GC-MS.

Thực nghiệm và kết quả

Các mẫu hạt Lai được lựa chọn đạt tiêu chuẩn, đem xay nhỏ trong máy xay rồi chiết với dung môi hữu cơ: n-hecxan. Ở đây, các nhà khoa học tiến hành chiết 5kg hạt Lai bằng dung môi n-hexan , trên dụng cụ chuyên dụng Twisselmanntrong 6 giờ theo phương pháp tiêu chuẩn quốc tế ISO/DIS 659: 1988. Dịch chiết thu được đem cất loại dung môi trên máy quay cất chân không BUCHI, hệ điều chỉnh tự động, Switzerland. Kết quả thu được 3000g dầu Lai.

Sau đó, lấy 10mg dầu Lai đem metyl hóa để phân tích thành phần và hàm lượng axit béo có mặt trong dầu theo phương pháp ISO/FDIS 5509:1998.

Hàm lượng axit béo trong dầu Lai

Trong dầu hạt Lai có chứa các axit béo không no khá cao: 89,79% (axit oleic: 22,46%, axit linoleic: 43,01% và axit linolenic: 24,32%); tổng các axit béo no thấp: 10,21% (axit palmatic: 6,33% và stearic: 3,88%). Các axit béo và methyl ester của chúng chứa nhiều liên kết đôi thường rất dễ bị oxi hóa trong quá trình bảo quản, do đó làm giảm khả năng sử dụng của các loại dầu này. Chính vì vậy, để có thể sử dụng làm nguồn cung cấp dầu tiềm năng cho sản xuất biodiezel thì một trong những vấn đề mấu chốt là phải chuyển hóa dầu béo thành FAME bằng cách loại bỏ các axit béo đa nối trong dầu Lai.

Hàm lượng axit béo trong sản phẩm FAME dầu Lai sau khi chuyển hoá este

Sản phẩm chuyển hóa của dầu Lai thành FAME thu được có thành phần axit béo phù hợp làm nguyên liệu sản xuất diezen sinh học với tổng hàm lượng các axit béo no là 41,80% và các axit béo không no là 49,76%. Thành phần chính của sản phẩm sau chuyển hoá bao gồm: Methyl caproate (7,75%); Methyl palmitate (36,64%); Methyl stearate (4,07%); Methyl oleate (36,53%); Methyl linoleate (12%).

Khác với nhiên liệu hóa thạch, nhiên liệu sinh học là loại năng lượng tái tạo được. Nhiên liệu sinh học ngày càng đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của mỗi quốc gia, góp phần vào an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường và giảm biến đổi khí hậu. Sản phẩm thu được của đề tài đã góp phần tạo ra nguồn nguyên liệu cho công nghiệp nhiên liệu sinh học từ một số loài thực vật cho dầu béo sẵn có ở Việt Nam.