Nghiên cứu sản xuất Biodiesel từ mỡ cá basa

ơ Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng ii Luận văn đính kèm sau đây, với tựa đề tài: “Nghiên cứu sản xuất biodiesel từ mỡ cá basa” do sinh viên Dương Minh Rạng thực hiện và báo cáo đã được hội đồng chấm luận văn thông qua. Giáo viên hướng dẫn Giáo viên phản biện Văn Minh Nhựt Nguyễn Thị Thu Thủy Trần Lê Quân Ngọc Cần thơ, ngày Tháng năm 2007 Chủ tịch hội đồng NGUYỄN VĂN MƯỜI Luận văn Tốt nghiệp khóa 28- 2007 Trường Đại học Cần Thơ Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng iii LỜI CẢM ƠN Trong 15 tuần thực hiện đề tài mặc dù gặp rất nhiều khó khăn nhưng đề tài cũng đã hoàn tất đúng thời hạn. Đó là nhờ rất nhiều sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình. Chân thành cảm ơn thầy Văn Minh Nhựt và cô Nguyễn Thị Thu Thủy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em. Cảm ơn quí Thầy Cô Bộ Môn Công Nghệ Thực Phẩm đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình tiến hành thí nghiệm. Cảm ơn các bạn lớp CNTP K28 đã trao đổi và giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Luận văn Tốt nghiệp khóa 28- 2007 Trường Đại học Cần Thơ Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng iv TÓM LƯỢC Nhiên liệu sinh học nói chung và biodiesel nói riêng đã được con người nghiên cứu, sản xuất và sử dụng từ rất lâu. Có rất nhiều phương pháp để sản xuất biodiesel, trong đó chuyển ester hóa là phương pháp thành công và được áp dụng rộng rãi nhất. Ngày nay, để tiếp tục con đường phát triển sản phẩm biodiesel nhiều qui trình đang được xây dựng và hoàn thiện. Mục tiêu của đề tài là tìm ra điều kiện tối ưu trên qui trình 2 giai đoạn để sản xuất biodiesel với hiệu suất cao nhất từ mỡ cá basa. Có rất nhiều nhân tố tác động đến hiệu suất thu hồi. Xét mức độ tác động của từng nhân tố mà cố định hay biến đổi. Cố định các yếu tố: lượng nguyên liệu, lượng xúc tác, tốc độ khuấy, thời gian phản ứng…Thực hiện bố trí khối hoàn toàn ngẫu nhiên 3 nhân tố: nhiệt độ, tỉ lệ methanol/mỡ, loại xúc tác với các mức độ của từng nhân tố như sau: - Nhiệt độ: 55oC, 60oC , 65oC - Tỉ lệ methanol/mỡ: 1,8:10; 1,9:10; 2:10 - Loại xúc tác: NaOH, KOH Sau 15 tuần tiến hành thí nghiệm thu được kết quả như sau: - Khi sản xuất biodiesel bằng bằng phương pháp chuyển este hóa theo qui trình hai giai đoạn với xúc tác NaOH, tiến hành thí nghiệm chuyển ester ở nhiệt độ 55oC, lượng methanol dùng cho 1 lít mỡ nguyên liệu là 180 ml (tỉ lệ 1,8:10) cho hiệu suất phản ứng cao, sản phẩm thu được có độ nhớt và chỉ số acid đạt yêu cầu. - Đối với quy trình sản xuất tương tự, sử dụng xúc tác KOH, điều kiện thí nghiệm cho kết quả tốt nhất (hiệu suất phản ứng cao, sản phẩm thu được có độ nhớt và chỉ số acid đạt yêu cầu) là: nhiệt độ 65oC, tỉ lệ methanol : mỡ nguyên liệu 2:10. - Khi so sánh các chỉ tiêu sản phẩm thu được ứng với 2 loại xúc tác khác nhau, cho thấy: sử dụng xúc tác KOH cho sản phẩm với hiệu suất cao hơn. Luận văn Tốt nghiệp khóa 28- 2007 Trường Đại học Cần Thơ Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng v MỤC LỤC TRANG Chương I ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................... i 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................1 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ........................................................................1 Chương II LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU.............................................................2 2.1 BIODIESEL.................................................................................................2 2.1.1 Khái niệm..............................................................................................2 2.1.2 Vai trò của biodiesel .............................................................................2 2.1.3 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel ...............................................3 2.1.4 Tiêu chuẩn của nhiên liệu biodiesel .......................................................6 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ BIODIESEL.........................................7 2.2.1 Phương pháp cracking ..........................................................................7 2.2.2 Phương pháp nhũ tương hóa .................................................................7 2.2.3 Phương pháp chuyển ester hóa .............................................................8 2.3 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ MỠ CÁ BASA BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ESTE HOÁ.........................................................10 2.3.1 Nguyên liệu: mỡ cá basa......................................................................10 2.3.2 Cơ sở lý thuyết:………………………………………………………..11 2.3.4 Qui trình sản xuất tham khảo:…………………………………………14 CHƯƠNG III PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...........17 3.1 PHƯƠNG TIỆN THÍ NGHIỆM.................................................................17 3.1.1 Nguyên liệu.........................................................................................17 3.1.2 Hoá chất ..............................................................................................17 3.1.3 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm ............................................................17 3.2 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM................................................................17 3.2.1 Mục tiêu thí nghiệm ............................................................................17 3.2.2 Nội dung thí nghiệm............................................................................17 Chương IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................21 4.1 SẢN XUẤT BIODIESEL SỬ DỤNG XÚC TÁC NaOH ..........................21 4.1.1 Ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng đến hiệu suất sản xuất biodiesel .....................................................................................................................21 4.1.2 Ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng đến một số chỉ tiêu chất lượng của biodiesel ............................................................................................................. 22 4.2 SẢN XUẤT BIODIESEL SỬ DỤNG XÚC TÁC KOH........................................ 22 4.2.1 Ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng đến hiệu suất sản xuất biodiesel .....................................................................................................................23 4.2.2 Ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng đến một số chỉ tiêu chất lượng của biodiesel ........................................................................................................25 4.3 THẢO LUẬN CHUNG.............................................................................26 4.3.1 Ảnh hưởng của loại xúc tác đến hiệu suất thu hồi ................................26 4.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ, tỉ lệ methanol/mỡ đến hiệu suất phản ứng ...26 Chương V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................29 5.1 KẾT LUẬN................................................................................................29 5.2 KIẾN NGHỊ ............................................................................................ 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 32 Luận văn Tốt nghiệp khóa 28- 2007 Trường Đại học Cần Thơ Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng vi DANH SÁCH HÌNH Trang Hình 1: Mẫu biodiesel.........................................................................................2 Hình 2: Biodiesel sẽ song hành cùng diesel? (Ảnh minh họa) .............................5 Hình 3: Mỡ nguyên liệu đã qua sơ chế ..............................................................10 Hình 4: Phễu chiết chứa sản phẩm sau khi tách lớp ................................................15 Hình 5: Rửa sản phẩm.......................................................................................16 Hình 6: Khuấy từ gia nhiệt ................................................................................17 Hình 7: Đồ thị biểu diễn hiệu suất phản ứng theo các nghiệm thức ..........................22 Hình 8: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất phản ứng theo các nghiệm thức ..................................................................................................................24 Hình 9: Lắng và tách lắng .................................................................................28 Hình 10: Sản phẩm biodiesel ............................................................................28 Hình 11: Glycerin và tạp chất ............................................................................28 DANH SÁCH BẢNG Bảng 1: Tiêu chí chuẩn của dầu biodiesel theo ASTM 6751................................6 Bảng 2: Thành phần acid béo của mỡ cá basa ...................................................11 Bảng 3: Hiệu suất của quá trình sản xuất biodiesel sử dụng xúc tác NaOH .......21 Bảng 4: Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng biodiesel ......................................22 Bảng 5: Hiệu suất của quá trình sản xuất biodiesel sử dụng xúc tác KOH… … 24 Bảng 6: Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng biodiesel ......................................25 Bảng 7: Kết quả phân tích một số chỉ tiêu biodiesel ..........................................26 Bảng 8: Ảnh hưởng của loại xúc tác sử dụng lên hiệu suất phản ứng tạo biodiesel .........................................................................................................................26 Bảng 9: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu suất phản ứng tạo biodiesel ..............26 Bảng 10: Ảnh hưởng của tỉ lệ methanol/mỡ lên hiệu suất phản ứng tạo biodiesel ...........................................................................................................................26 Luận văn Tốt nghiệp khóa 28- 2007 Trường Đại học Cần Thơ Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng 1 CHƯƠNG I ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, vấn đề an ninh năng lượng là vấn đề có tính chiến lược của các quốc gia trên thế giới khi nguồn nhiên liệu hoá thạch đang ngày càng cạn kiệt dưới nhu cầu tiêu thụ rất lớn của con người. Theo dự báo của thế giới nguồn nhiên liệu truyền thống sẽ cạn kiệt vào những năm 2050-2060. Bên cạnh đó, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch gây tác động lớn đến môi trường toàn cầu như gây ra hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng dần lên, thải ra môi trường khí gây ô nhiễm mạnh như: CO, SOx, hydrocarbon thơm… Chính vì vậy, việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế năng lượng truyền thống đi từ nguyên liệu hóa thạch ngày càng trở nên cấp thiết. Một trong những nhiên liệu thay thế hiện nay đang được thế giới tập trung nghiên cứu và bước đầu sử dụng là nhiên liệu biodiesel. Biodiesel là nhiên liệu có nguồn gốc sinh học, nhiên liệu sạch được sản xuất từ các loại dầu thực vật, mỡ động vật, thậm chí từ các loại dầu thải,…Việc sản xuất và sử dụng biodiesel ở mỗi quốc gia phụ thuộc rất lớn vào nguồn nguyên liệu này. Việt Nam được đánh giá là một quốc gia đầy tiềm năng sản xuất biodiesel với nguồn nguyên liệu phong phú, đăc biệt là mỡ cá tra, cá basa. Mỗi năm đồng bằng sông Cửu Long tiêu thụ khoảng 400.000 tấn cá basa, cá tra nguyên liệu. Trong đó, mỡ cá khoảng 60.000 tấn (chiếm 15%), số lượng này càng ngày càng nhiều theo từng năm nhưng tình hình tiêu thụ rất yếu, giá thành thấp. Do đó việc “Nghiên cứu sản xuất biodiesel từ mỡ cá basa” là một trong những biện pháp góp phần giải quyết các vấn đề nêu trên. 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu sản xuất biodiesel từ mỡ cá basa với hiệu suất cao nhất bằng phương pháp chuyển ester hoá với xúc tác base bằng phương sản xuất hai giai đoạn. Luận văn Tốt nghiệp khóa 28- 2007 Trường Đại học Cần Thơ Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng 2 CHƯƠNG II LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.1 BIODIESEL 2.1.1 Khái niệm Biodiesel (Hình 1) còn gọi là diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Biodiesel, hay nhiên liệu sinh học nói chung là một loại nhiên liệu sạch, về phương diện hoá học thì biodiesel là methyl, ethyl ester của những acid béo. Chúng không độc và dễ phân giải trong thiên nhiên. 2.1.2 Vai trò của biodiesel Hình 1: Mẫu biodiesel i. Ưu điểm của biodiesel so với diesel Biodiesel là nhiên liệu sạch: giảm ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính, là chất không độc: - Biodiesel cháy sạch hơn 75% so với diesel thông thường . - Biodiesel làm giảm đến 90% hàm lượng hydrocacbon không cháy; giảm 50% CO trong khí thải. - Thành phần khí thải SO2 bị loại bỏ hoàn toàn khi động cơ sử dụng biodiesel - Khả năng phá hủy tầng ôzon của khí thải biodiesel giảm 50% so với nhiên liệu diesel. - Biodiesel sử dụng trực tiếp, kéo dài tuổi thọ cho động cơ. Biodiesel có thể dùng cho bất kì loại động cơ dầu hiện hành nào mà không phải thay đổi cấu tạo của động cơ đó. Biodiesel bôi trơn tốt hơn diesel (chỉ cần hoà trộn 1% biodiesel vào dầu diesel đã có thể tăng khả năng bôi trơn động cơ từ 40-60%). ii. Vai trò của biodiesel - Tạo một loại nhiên liệu mới cho các động cơ diesel. Biodiesel có giá thành thấp hơn diesel. Luận văn Tốt nghiệp khóa 28- 2007 Trường Đại học Cần Thơ Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng 3 - Tận dụng nguồn phế phẩm hoặc các nguyên liệu có giá trị thấp từ đó nâng cao giá trị kinh tế của chúng. - Giảm thiểu vấn đề ô nhiễm môi trường. - Giúp phát triển nông ngư nghiệp, sản xuất ra nguồn nguyên liệu cho việc sản xuất biodiesel. 2.1.3 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel Nhiên liệu diesel sinh học đã có lịch sử trên 100 năm. Dầu lạc là dạng đầu tiên của nhiên liệu này được Rudolf Diesel sử dụng để chạy động cơ diesel đầu tiên do ông chế tạo vào năm 1893. Năm 1900 tại Hội chợ thế giới tổ chức tại Pari, Diesel đã biểu diễn động cơ dùng dầu biodiesel chế biến từ dầu phụng (lạc). Tuy nhiên, phải đến những năm 80 của thế kỷ 20, biodiesel mới được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi. Trong những năm của thập niên 90, Pháp đã triển khai sản xuất biodiesel từ dầu hạt cải và được dùng ở dạng B5 (5% Bio-Diesel với 95% Diesel) và B30 (30% Bio-Diesel với 70% Diesel). Châu Âu đi tiên phong trong lĩnh vực này vì đa số các nước đó không có nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ. Việt Nam đã bắt đầu nghiên cứu biodiesel cách đây 20 năm. Việc điều chế và thử nghiệm biodiesel bắt đầu năm 1980. Trong khoảng 5 năm gần đây việc nghiên cứu và sản xuất bodiesel được chú ý nhiều theo phương pháp chuyển ester hóa. i. Trên thế giới Hiện nay trên thế giới có khoảng 50 nước đang nghiên cứu và sử dụng biodiesel. Thị trường biodiesel đang tăng trưởng nhanh theo cấp số nhân. Các nước APEC đã chọn nhiên liệu sinh học thay thế cho nhiên liệu khoáng sản. Theo dự báo của các chuyên gia đến năm 2025 thế giới sẽ sử dụng 12% nhiên liệu sinh học trong toàn bộ nhu cầu năng lượng. Tại châu Âu từ năm 1992 đã bắt đầu sản xuất biodiesel ở qui mô công nghiệp. Hiện nay có trên 40 nhà máy lớn với công suất vài trăm nghìn tấn/năm, những nhà máy này tập trung ở Đức, Áo, Italia, Pháp, Thuỵ Điển… Năm 2004 toàn bộ nhiên liệu diesel trên thị trường đều chứa từ 2% đến 5% biodiesel, dự tính sẽ tăng thị phần biodiesel từ 2% năm 2005 lên 5,75% năm 2010 (tương đương 7 triệu tấn biodesel), đến năm 2020 đạt 20%. ( Braxin là nước sản xuất nhiên liệu sinh học hàng đầu thế giới. Một nửa sản lượng mía đường của nước này cung cấp hơn 40% nhiên liệu cho giao thông vận tải dạng phi diesel. Luận văn Tốt nghiệp khóa 28- 2007 Trường Đại học Cần Thơ Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng 4 Tại Hoa Kỳ, diesel được bán trên thị trường chứa 20% biodiesel (gọi là B20). Năm 1992, hội đồng biodiesel quốc gia được thành lập nhằm phối hợp thực hiện các chương trình kỹ thuật và điều phối BDF (Biodiesel fuel). Tháng 3/2002, bang Minnesota ban hành đạo luật qui định toàn bộ nhiên liệu diesel trên thị trường phải chứa ít nhất 2% biodiesel. Viện nghiên cứu, sản xuất, kinh doanh và thử nghiệm BDF được phát triển rộng khắp ở nhiều bang như: California, Nevada, Idaho, Alaska, Missouri… Năm 2001, ASTM (American Society for Testing Materials) hoàn chỉnh bộ tiêu chuẩn D – 6751 cho nhiên liệu B20. Hiện nay, có trên 100 công sở và tập đoàn lớn đăng kí sử dụng BDF cho các phương tiện công cộng như Bộ Quốc Phòng, Hải Quân, Bộ Năng Lượng, Bưu Điện, Bộ Giao Thông, và các Sở giáo dục… Ngoài ra, Mỹ đã thông qua đạo luật chiến lược năng lượng, quyết định thay thế 10% dầu diesel (DO - Diesel Oil) bằng BDF vào năm 2000, và đến năm 2010 sẽ là 30%. Châu Đại Dương: Australia đang sản xuất biodiesel theo tiêu chuẩn EU từ dầu ăn phế thải. Hiện nước này đang tiêu thụ khoảng trên 100.000 tấn BDF từ nguồn dầu phế thải. Tại Châu Á, nghiên cứu về BDF phát triển mạnh ở Trung Quốc, Nhật Bản, Hồng Kông, Ấn Độ. Ấn Độ là nước tiêu thụ DO lớn (40 triệu tấn/năm) đã có kế hoạch phát triển các đồn điền trồng cây jatropha ở những vùng đất khô cằn chỉ để cung cấp nguyên liệu sản xuất BDF. Jatropha là loại cây lâu năm và chịu hạn tốt, theo tính toán từ năm thứ hai bắt đầu cho hạt và năm thứ năm cho sản lượng ổn định 1 – 2 tấn biodiesel/hecta/năm. Tuân thủ nghị định thư Kyoto, nhằm thực hiện nghĩa vụ giảm 6% khí thải CO2, từ năm 1995 Nhật đẩy mạnh nghiên cứu sản xuất và từ năm 1997 đưa nhiên liệu BDF vào phương tiện giao thông nội thành. Một nhà máy công suất 200 nghìn/tấn/năm được xây dựng để xử lý dầu thực vật phế thải của vùng Tokyo. Thành phố Tokyo đã sử dụng cho xe tải và toàn bộ xe bus với hàm lượng 20% BDF + 80% DO. Nhật Bản cũng là nước đầu tiên nghiên cứu việc áp dụng kỹ thuật môi trường tới hạn và kỹ thuật siêu âm vào điều chế BDF. Mối quan tâm của Nhật tập trung vào dầu cọ, dầu canola, dầu hướng dương. Trung Quốc, Hồng Kông cũng đã thử nghiệm sử dụng BDF cho xe tải, xe bus. BDF ở đây được điều chế chủ yếu từ dầu và mỡ thải. Ngoài ra, các nước Đông Nam Á như: Malaisia, Thái Lan, Philippines… cũng bắt đầu quan tâm đến sản xuất biodiesel, đặc biệt là từ dầu cọ (Malaisia, Thái Lan) và dầu dừa (Philippines). Luận văn Tốt nghiệp khóa 28- 2007 Trường Đại học Cần Thơ Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng 5 ii. Việt Nam Việc nghiên cứu và sản xuất biodiesel đang nhận được sự quan tâm đặc biệt của nhiều doanh nghiệp khu vực phía nam. Tại nhiều tỉnh, thành phố như: An Giang, Bến Tre, TP Hồ Chí Minh, Bà Rịa-Vũng Tàu… đã tiến hành sản xuất thử biodiesel thành công dựa trên các dây chuyền và công nghệ tự nghiên cứu, lắp đặt. Công ty cổ phần xuất nhập khẩu thuỷ sản An Giang (Agifish) đang sử dụng hệ thống pilot sản xuất biodiesel với công suất 180 tấn/tháng. Agifish đang chuẩn bị mở rộng sản xuất biodiesel chính thức bằng một dây chuyền thiết bị giá trị 3,8 triệu USD. Trung tâm tư vấn công nghệ và môi trường (CTA) đang sản xuất biodiesel với công suất 100000 tấn/tháng, một số dây chuyền sản xuất khác như dây chuyền tại khu công nghiệp Trà Nóc công suất 30 tấn/ngày… Nhiều dự án sản xuất biodiesel đang triển khai, lắp đặt: trung tâm lọc hóa dầu TP Hồ Chí Minh đang lắp đặt dây chuyền với công suất 2 tấn/ngày với tổng vốn đầu tư 9,7 tỷ đồng. Một số doanh nghiệp khác tự nghiên cứu chế tạo các thiết bị sản xuất biodiesel từ nguyên liệu sinh học và sẵn sàng tham gia vào các dự án sản xuất loại nhiên liệu mới đầy tiềm năng này (Hình minh họa- hình 2) Do tình hình sản xuất biodiesel trong giai đoạn nghiên cứu và thí nghiệm nên việc tiêu thụ chưa có những thông tin cụ thể. Sài Gòn Petro đảm nhận tổ chức tiêu thụ 30 tấn/ngày vào đầu năm 2007. Nhưng đã có nhiều dự án và định hướng tốt đẹp. Hình Hình 2: Biodiesel sẽ song hành cùng diesel? (Ảnh minh hoạ) Luận văn Tốt nghiệp khóa 28- 2007 Trường Đại học Cần Thơ Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng 6 2.1.4 Tiêu chuẩn của nhiên liệu biodiesel Tiêu chí chuẩn của Hoa Kỳ về chất lượng biodiesel trên thị trường được trình bày ở bảng 1. Bảng 1: Tiêu chí chuẩn của dầu biodiesel theo ASTM D-6751 (www.biofuels.arc.ab.ca) Hàm lượng nước và tạp chất: giúp đánh giá độ tinh khiết của nhiên liệu. Đối với nhiên liệu B100, sự hiện diện của nước có thể là nguyên nhân gây nên hiện tượng thủy phân ester, làm lượng acid tự do tăng. Mặt khác, sự hiện diện của nước trong biodiesel có thể tạo điều kiện cho sự phát triển của vi sinh vật trong bồn chứa nhiên liệu. Chỉ số acid: là số mg KOH cần thiết để trung hòa acid béo tự do có trong 1 gam nhiên liệu. Chỉ số acid giúp đánh giá trực tiếp lượng acid tự do có trong dầu. Acid tự do sẽ làm ăn mòn động cơ và giúp đánh giá sự hiện diện của nước trong nhiên liệu. Đây là chỉ số cần phải được kiểm tra thường xuyên trong quá trình bảo quản biodiesel. Ăn mòn lá đồng: Là chỉ tiêu giúp đánh giá mức độ ăn mòn tấm đồng của nhiên liệu và dung môi hiện diện. Chỉ tiêu này giúp kiểm tra sự hiện diện của acid trong nhiên liệu. Sơ lược về chỉ số cetan: Trong sản xuất biodiesel thì độ nhớt và chỉ số cetane được quan tâm hàng đầu. Đặc tính Giới hạn cho phép Đơn vị Điểm chớp cháy ≥ 130 oC Hàm lượng nước và tạp chất ≤ 0,05 % Độ nhớt 1,9 ÷ 6 mm2/s Tro sulphat ≤ 0,02 wt.% Hàm lượng lưu huỳnh ≤ 0,05 wt.% Ăn mòn lá đồng ≤ 3 Chỉ số cetan ≥ 47 Điểm sương Theo yêu cầu oC Cặn carbon ≤ 0,05 wt.% Chỉ số acid ≤ 0,8 mg KOH/g Glycerin tự do 0,02 wt.% Glycerin tổng số 0,24 wt.% Hàm lượng photpho 0,001 wt.% Nhiệt độ chưng cất ≤ 360o oC Luận văn Tốt nghiệp khóa 28- 2007 Trường Đại học Cần Thơ Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng 7 Chỉ số cetane hay CN là sự đo lường chất lượng cháy của nguyên liệu diesel dẫn đến quá trình đốt nén. Chỉ số cetane thường là sự đo lường duy trì sự cháy của một nguyên liệu, thời gian bắt đầu nạp và đốt nguyên liệu. Thông thường động cơ diesel chạy tốt với CN từ 40 – 55. Nếu chỉ số cetance cao sẽ duy trì sự cháy ngắn. Không có lợi ích khi sử dụng nhiên liệu mà chỉ số cetane cao hơn mức qui định của nhà chế tạo động cơ. Nhiên liệu diesel mà chỉ số cetane thấp hơn mức tối thiểu mà động cơ đòi hỏi sẽ gây tiếng ầm ỉ trong động cơ, khởi động khó khăn hơn đặc biệt ở thời tiết lạnh và ở độ cao. Nhiên liệu có chỉ số cetane thấp làm tăng chất lắng, chất cặn dầu trong động cơ, kết quả phun nhiều khói, làm tiêu hao lượng nhiên liệu và hao mòn động cơ. 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ BIODIESEL Người ta thường dùng dầu thực vật và mỡ động vật để điều chế biodiesel. Đối với dầu thực vật, cần áp dụng phương pháp xử lý dầu để tính chất của nó gần giống với nhiên liệu diesel. Sự khác nhau cơ bản của dầu thực vật so với nhiên liệu diesel chính là độ nhớt. Ảnh hưởng của độ nhớt cao làm cho hệ thống cấp nhiên liệu của động cơ hoạt động không bình thường, nên chất lượng của quá trình phun và cháy kém hơn. Do chất lượng của quá trình phun và cháy kém nên các chỉ tiêu của động cơ diesel sẽ giảm đi khi sử dụng dầu thực vật. Vì lý do trên, trong số các giải pháp xử lý dầu thực vật để tính chất của nó gần với nhiên liệu diesel thì các phương pháp làm giảm độ nhớt được quan tâm trước tiên. Đối với mỡ động vật phương pháp và quá trình xử lí tương tự dầu thực vật. 2.2.1 Phương pháp cracking Quá trình cracking nguyên liệu sản xuất biodiesel gần giống với quá trình cracking dầu mỏ. Nguyên tắc cơ bản của quá trình là cắt ngắn mạch hydrocarbon bằng tác dụng của nhiệt và chất xúc tác thích hợp. Sản phẩm của quá trình cracking thông thường bao gồm: khí, xăng, nhiên liệu DO và một số sản phẩm phụ khác. Phương pháp này có nhược điểm là tốn năng lượng, khó thực hiện ở quy mô nhỏ và sản phẩm gồm nhiều loại nhiên liệu. 2.2.2 Phương pháp nhũ tương hóa Với thiết bị tạo nhũ có thể tạo ra hệ nhũ tương (nguyên liệu - rượu) trong đó các hạt rượu có kích thước hạt khoảng 150 µm được phân bố đều trong nhũ tương. Luận văn Tốt nghiệp khóa 28- 2007 Trường Đại học Cần Thơ Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng 8 Nhược điểm: khó khăn trong việc tạo nhũ và duy trì nhũ, lọc nhiên liệu; mặt khác, do rượu bay hơi (nhiệt độ hóa hơi của rượu thấp) nên làm cản trở hoạt động bình thường của hệ thống nhiên liệu của động cơ. 2.2.3 Phương pháp chuyển ester hóa Là phương pháp không phức tạp, có thể thực hiện với quy mô nhỏ với điều kiện cần có các hiểu biết cơ bản về phản ứng este hóa. Cho nguyên liệu dầu thực vật hoặc mỡ động vật phản ứng chuyển ester với methanol hoặc ethanol ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thích hợp. Khi đó sản phẩm tạoi thành là các ester có phân tử lượng thấp và độ nhớt thấp hơn so với nguyên liệu ban đầu. Trong các phương pháp trên, phản ứng chuyển ester hóa là lựa chọn tối ưu do quá trình phản ứng tương đối đơn giản và tạo ra sản phẩm ester có tính chất hóa lý gần giống nhiên liệu diesel. Hơn nữa, các ester có thể được đốt cháy trực tiếp trong buồng đốt của động cơ và khả năng hình thành cặn thấp. i. Các kỹ thuật thực hiện phản ứng chuyển ester hóa Phản ứng chuyển ester hóa thường được tiến hành bằng những phương pháp sau đây: - Phương pháp khuấy gia nhiệt Còn được gọi là phương pháp cổ điển. Người ta sử dụng máy khuấy cơ học hay máy khuấy từ có gia nhiệt để khuấy trộn hỗn hợp tạo diện tích tiếp xúc tốt giữa hai pha, đồng thời cung cấp nhiệt cho quá trình phản ứng. Phương pháp này dễ thực hiện, có thể đạt phản ứng hoàn toàn nhưng đòi hỏi thời gian khá dài. - Phương pháp siêu âm Trong những nghiên cứu gần đây, phương pháp siêu âm thường được áp dụng cho phản ứng chuyển ester hóa vì có ưu điểm là rút ngắn thời gian phản ứng đồng thời độ chuyển hóa phản ứng tương đối cao. - Phương pháp vi sóng Phương pháp vi sóng áp dụng cho phản ứng chuyển ester hóa cho độ chuyển hóa cao và thời gian phản ứng ngắn. - Phản ứng chuyển ester hóa trong môi trường alcol tới hạn Một trong những nghiên cứu mới về biodiesel trong thời gian gần đây tập trung vào phương pháp điều chế không xúc tác trong môi trường alcol siêu tới hạn. Luận văn Tốt nghiệp khóa 28- 2007 Trường Đại học Cần Thơ Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng 9 Đối với phản ứng chuyển ester hóa thông thường, người ta phải giải quyết hai vấn đề: thời gian phản ứng và thời gian tách biodiesel (loại xúc tác và xà phòng ra khỏi sản phẩm). Trong phương pháp dùng alcol siêu tới hạn không có xúc tác, những vấn đề trên không xảy ra. Phản ứng chuyển ester hóa dầu hạt cải trong methanol siêu tới hạn cho độ chuyển hóa hơn 95% trong vòng 4 phút. Điều kiện tối ưu là nhiệt độ 350oC, áp suất 30 Mpa, tỉ lệ methanol : dầu = 42 : 1. Năm 2003, nhóm tác giả Y.Warabi thuộc đại học Kyoto nghiên cứu phản ứng chuyển esterhóa triglyxerit và axit béo với methanol siêu tới hạn (300oC), kết quả nhận được phản ứng hoàn toàn sau 14 phút. Thổ Nhĩ Kì cũng dùng phương pháp này để tổng hợp biodiesel từ dầu thực vật với methanol. Tuy vậy, phương pháp này không phù hợp với điều kiện Việt Nam hiện nay do rất đắt tiền. ii. Xúc tác sử dụng trong phản ứng chuyển ester hóa Phản ứng chuyển ester hóa thường sử dụng các loại xúc tác axit, base, enzym và cả một số base hữu cơ. - Xúc tác axit Thường sử dụng các axit Brưnsted như H2SO4, HCl và acid sulfonic (axit p- toluensulfonic). Phản ứng chuyển ester hóa xúc tác axit cho độ chuyển hóa các alkil este cao. Tuy nhiên phản ứng xảy ra chậm, thời gian phản ứng là hơn 3 giờ để đạt đến độ chuyển hóa hoàn toàn. Phản ứng chọn lọc đòi hỏi nhiệt độ cao trên 100 0C. Ngoài ra xúc tác acid có giá thành khá cao và còn gây ăn mòn thiết bị phản ứng, đây cũng là nguyên nhân làm cho loại xúc tác này không được sử dụng trong công nghiệp. Thường chỉ dùng xúc tác acid khi dầu thực vật có hàm lượng acid tự do cao. - Xúc tác base Phản ứng chuyển ester hóa xúc tác base diễn ra nhanh hơn phản ứng xúc tác axit. Vì lý do này, cùng với việc xúc tác base ít ăn mòn thiết bị hơn axit nên loại xúc tác base rất được ưa chuộng trong công nghiệp. Các loại xúc tác thường được sử dụng như alkoxit kim loại kiềm, các hydroxit cũng như các muối carbonat của kali và natri. - Xúc tác enzym Do tính sẵn có và sự thân thiện môi trường, các enzym thủy giải ngày càng được ứng dụng rộng rải trong tổng hợp hữu cơ. Chúng có tính chọn lọc cao, tương đối ổn định. Luận văn Tốt nghiệp khóa 28- 2007 Trường Đại học Cần Thơ Chuyên ngành Công nghệ thực phẩm – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng 10 Mặc dù phản ứng chuyển ester hóa xúc tác lipase chưa được đưa vào sản xuất công nghiệp, những nghiên cứu về xúc tác enzym vẫn được phát triển mạnh mẽ. Điểm chủ yếu của những công trình này là tối ưu hóa các điều kiện phản ứng (dung môi, nhiệt dộ, pH, cơ chế sinh ra enzym…) để thiết lập những đặc tính phù hợp để áp dụng vào sản xuất. Tuy nhiên, hiệu suất phản ứng vẫn chưa hiệu quả bằng phản ứng chuyển ester hóa xúc tác base và thời gian phản ứng kéo dài (hàng chục giờ). - Xúc tác base không ion Trong những nghiên cứu ban đầu, một số base hữu cơ đã được phát triển và sử dụng làm xúc tác cho phản ứng chuyển ester hóa dầu thực vật. 2.3 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ MỠ CÁ BASA BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ESTE HOÁ 2.3.1 Nguyên liệu: mỡ cá basa Cá basa có buồng mỡ rất lớn, chiếm khoảng 25% khối lượng cá. Lượng mỡ cá basa thu hồi từ các cơ sở chế biến thủy sản hàng năm 4.000 – 5.000 tấn mỡ cá. Cho tới nay lượng mỡ này chưa được chế biến công nghiệp, chưa tinh luyện nên chưa đạt tiêu chuẩn dầu mỡ thực phẩm (chủ yếu là chiên mỡ cá, bằng gia nhiệt trực tiếp thành dạng lỏng, sau đó đem trộn với mỡ heo bán cho tư nhân rồi đem bán ở vùng cao,._.