ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM HÓA HỌC
----------

KHẢO SÁT HOẠT TÍNH LIPASE
VÀ PHẢN ỨNG TRANSESTE HÓA XÚC TÁC
ENZYM CALLERA TRANS LJP30070
TRÊN NGUỒN DẦU ĂN ĐÃ QUA SỬ DỤNG
Luận văn tốt nghiệp
Ngành: Sư phạm Hóa học

Giáo viên hướng dẫn
TS. Phan Thị Bích Trâm

Sinh viên thực hiện
Võ Thị Tú Nhi
Lớp: Sư phạm Hóa học Khóa 36
MSSV: 2102183

Cần Thơ, 2014


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm luận văn tôi đã học tập và tích lũy được nhiều kiến thức,
kinh nghiệm bổ ích làm hành trang vững chắc giúp tôi bước trên con đường sắp tới.

Để đạt được những kết quả như ngày hôm nay ngoài nỗ lực bản thân; tôi còn nhận
được sự động viên, giúp đỡ của gia đình, thầy cô, bạn bè vào những lúc khó khăn. Vì
thế, tôi xin dành trang đầu tiên này để gởi lời cám ơn chân thành đến:
- Cô Phan Thị Bích Trâm đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, động viên và
tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành tốt luận văn này.
- Cô Phan Thị Ngọc Mai, thầy Nguyễn Mộng Hoàng và thầy Nguyễn Điền Trung
đã truyền đạt và chỉ bảo tôi nhiều kinh nghiệm trong quá trình nghiên cứu.
- Tất cả các thầy cô Bộ môn Sư phạm Hóa học–Khoa Sư Phạm, Trường Đại học
Cần Thơ đã giúp đỡ cũng như đóng góp những ý kiến giúp luận văn của tôi được hoàn
thiện hơn.
- Gia đình, bạn bè luôn hỗ trợ, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực
hiện đề tài.
Xin chân thành cám ơn!

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

i


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
----------  ----------

.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

ii


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm


NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
----------  ----------

..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................

SVTH: Võ Thị Tú Nhi


iii


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ...............................................................ii
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN ................................................................ iii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................viii
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. x
Chương 1 PHẦN MỞ ĐẦU ....................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu đề tài .................................................................................................. 2
1.3. Nội dung nghiên cứu ......................................................................................... 2
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 3
2.1

Enzym lipase ................................................................................................. 3

2.1.1

Định nghĩa ............................................................................................. 3

2.1.2


Cấu trúc lipase ....................................................................................... 3

2.1.3

Cơ chế phản ứng của lipase [14],[15] ..................................................... 4

2.1.4

Nguồn thu nhận lipase............................................................................ 4

2.1.5 Ứng dụng lipase [19] .................................................................................. 5
2.1.6

Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính lipase ............................................. 6

2.1.6.1 pH ...................................................................................................... 6
2.1.6.2 Nhiệt độ ............................................................................................. 7
2.1.6.3 Chất hoạt hóa ..................................................................................... 7
2.1.6.4 Chất kìm hãm ..................................................................................... 7
2.1.6.5 Nồng độ enzym/cơ chất ...................................................................... 7
2.2

Biodiesel (BDF) ............................................................................................ 8

2.2.1

Khái niệm .............................................................................................. 8

SVTH: Võ Thị Tú Nhi


iv


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

2.2.2

Ưu và nhược điểm của BDF ................................................................... 8

2.2.3

Các phương pháp điều chế BDF ............................................................. 9

2.2.3.1 Phương pháp sấy nóng ....................................................................... 9
2.2.3.2 Phương pháp pha loãng ...................................................................... 9
2.2.3.3 Phương pháp Crackinh ..................................................................... 10
2.2.3.4 Phương pháp nhũ tương hóa ............................................................. 10
2.2.3.5 Phương pháp transester hóa .............................................................. 10
2.2.4

Các phương pháp thực hiện phản ứng transester hóa điều chế BDF ..... 11

2.2.4.1 Phương pháp hóa học (khuấy – gia nhiệt) ......................................... 11
2.2.4.2 Phương pháp siêu âm ....................................................................... 11
2.2.4.3 Phương pháp vi sóng ........................................................................ 11
2.2.4.4 Phản ứng transester hóa môi trường siêu tới hạn ............................... 12
2.2.5 Các loại xúc tác trong phản ứng transester hóa ......................................... 12
2.2.5.1 Xúc tác bazơ ..................................................................................... 12

2.2.5.2 Xúc tác axit ........................................................................................ 12
2.2.5.3 Xúc tác enzym ................................................................................... 13
2.2.5.4 Xúc tác dị thể .................................................................................... 13
2.2.6

Tình hình nghiên cứu và sản xuất BDF trên thế giới và trong nước ...... 13

2.2.6.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất BDF trên thế giới ......................... 13
2.2.6.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất BDF trong nước ........................... 14
2.3

Phản ứng transester hóa xúc tác enzym lipase ............................................. 14

2.3.1 Cơ chế phản ứng transester hóa ............................................................... 14
2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng transester hóa xúc tác enzym
lipase …………. ................................................................................................ 16
2.3.2.1 Nhiệt độ ........................................................................................... 16
2.3.2.2 Tỉ lệ mol metanol/dầu ....................................................................... 16
2.3.2.3 Tỉ lệ enzym/cơ chất .......................................................................... 17
2.3.2.4

Hàm lượng nước ............................................................................. 17

2.3.2.5 Thời gian phản ứng .......................................................................... 17
SVTH: Võ Thị Tú Nhi

v


Luận văn tốt nghiệp

2.4

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

Dầu ăn đã qua sử dụng ................................................................................ 17

2.4.1

Nguồn thu nhận.................................................................................... 17

2.4.2

Thành phần hóa học của dầu ăn đã qua sử dụng ................................... 18

2.4.3

Tính chất của dầu ăn đã qua sử dụng .................................................... 18

2.4.4

Ưu và nhược điểm của dầu ăn đã qua sử dụng để sản xuất BDF ........... 19

2.5

Sắc ký lớp mỏng ........................................................................................ 20

Chương 3 THỰC NGHIỆM .................................................................................... 22
3.1

Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và trang thiết bị .......................................... 22


3.1.1

Nguyên liệu ......................................................................................... 22

3.1.2

Hóa chất............................................................................................... 22

3.1.3

Dụng cụ và thiết bị ............................................................................... 22

3.2

Khảo sát thành phần nguyên liệu ................................................................. 22

3.2.1

Xác định chỉ số axit.............................................................................. 22

3.2.2

Xác định chỉ số xà phòng ..................................................................... 23

3.2.3

Xác định hàm lượng protein của enzym ............................................... 24

3.3


Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính enzym ................................................. 25

3.3.1

Phương pháp xác định hoạt tính lipase ................................................. 25

3.3.2

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính lipase.............................. 27

3.3.2.1 Ảnh hưởng của pH ........................................................................... 27
3.3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ..................................................................... 27
3.3.2.3 Ảnh hưởng của độ bền nhiệt ............................................................... 28
3.3.2.4 Ảnh hưởng của dung môi (metanol và etanol) .................................... 28
3.4 Khảo sát phản ứng transester hóa xúc tác enzym lipase ................................... 29
3.4.1

Quy trình thực hiện .............................................................................. 29

3.4.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng transeste hóa xúc tác
enzym lipase ...................................................................................................... 30
3.4.2.1

Nhiệt độ ........................................................................................... 30

3.4.2.2 Tỉ lệ % (v/w) enzym/dầu .................................................................. 30

SVTH: Võ Thị Tú Nhi


vi


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

3.4.2.3 Tỉ lệ mol metanol/dầu ....................................................................... 31
3.4.2.4 Thời gian phản ứng .......................................................................... 31
3.5

Kiểm tra độ sạch của BDF bằng sắc ký bản mỏng ....................................... 32

Phần 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................................... 33
4.1

Thành phần nguyên liệu .............................................................................. 33

4.1.1

Chỉ số axit và chỉ số xà phòng .............................................................. 33

4.1.2

Hàm lượng protein của enzym ............................................................. 34

4.2

Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính enzym lipase ............. 35


4.2.1

Ảnh hưởng của pH ............................................................................... 35

4.2.2

Ảnh hưởng của nhiệt độ ....................................................................... 36

4.2.3

Ảnh hưởng của độ bền nhiệt theo thời gian .......................................... 37

4.2.4

Ảnh hưởng của metanol và etanol ........................................................ 38

4.3

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng transester hóa ......... 39

4.3.1

Nhiệt độ ............................................................................................... 39

4.3.2

Tỉ lệ mol metanol/dầu .......................................................................... 40

4.3.3


Lượng enzym xúc tác .......................................................................... 42

4.3.4

Thời gian phản ứng .............................................................................. 44

4.4

Kết luận và kiến nghị .................................................................................. 46

4.4.1

Kết luận ............................................................................................... 46

4.4.2

Kiến nghị ............................................................................................. 46

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

vii


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Một số ứng dụng của lipase ........................................................................ 5
Bảng 3.1 Xây dựng đường chuẩn ............................................................................. 25

Bảng 4.1 Chỉ số axit và chỉ số xà phòng của dầu ..................................................... 33
Bảng 4.2 Hàm lượng protein của enzym Callera Trans LJP30070 ........................... 34

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

viii


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Mô hình enzym lipase ................................................................................... 3
Hình 2.2 Phản ứng thủy phân triglyxerit của lipase ..................................................... 4
Hình 2.3 Phản ứng tổng hợp ester của lipase .............................................................. 4
Hình 2.4 Cơ chế xúc tác của enzym lipase trong phản ứng transester hóa ................. 15
Hình 3.1 Sắc ký bản mỏng mỡ cá và sắc ký bản mỏng metyl este ............................. 32
Hình 4.1 Đường chuẩn Albumin ............................................................................... 34
Hình 4.2 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của pH đến hoạt tính lipase ........................ 35
Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính của lipase .......... 36
Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn độ bền nhiệt theo thời gian của lipase ............................... 37
Hình 4.5 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của metanol và etanol đến hoạt tính enzym lipase
.................................................................................................................................. 38
Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng ............... 39
Hình 4.7 Sắc ký bản mỏng sản phẩm metyl este ở các nhiệt độ khác nhau ................ 40
Hình 4.8 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ mol metanol/dầu đến hiệu suất chuyển
hóa metyl este............................................................................................................ 41
Hình 4.9 Sắc ký bản mỏng sản phẩm metyl este ở các tỉ lệ mol metanol/dầu khác nhau
.................................................................................................................................. 41

Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của lượng enzym đến hiệu suất chuyển hóa ... 42
metyl este .................................................................................................................. 42
Hình 4.11 Sắc ký bản mỏng sản phẩm metyl este ở các lượng enzym khác nhau ....... 43
Hình 4.12 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất chuyển
hóa metyl este............................................................................................................ 44
Hình 4. 13 Sắc ký bản mỏng sản phẩm metyl este ở các thời gian phản ứng khác nhau
.............................................................................................................................................44

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

ix


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Asp : Acid aspartic
BDF : Biodiesel
BSA : bovine serum albumin (albumin huyết thanh bò)
DO : diesel
FAME : Fatty Acid Metyl ester (metyl este)
FFA : Free Fatty Acid
Glu : Glutamin acid residue
Gly : Glycine residue
His : Histidine residue
HPLC: High Performance Liquid Chromatography ( Phương pháp sắc ký lỏng hiệu
năng cao)

OD : optical density (mật độ quang)
Ser : Serine residue

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

x


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỀ TÀI
Đề tài nghiên cứu nhằm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính lipase trên
nguồn dầu ăn đã qua sử dụng với xúc tác là enzym Callera Trans LJP30070. Trên cơ
sở đó thực hiện phản ứng transeste hóa điều chế Biodiesel từ nguồn dầu ăn đã qua sử
dụng xúc tác enzym đạt hiệu quả cao nhất. Kết quả đề tài đã xác định được enzym
Callera Trans LJP30070 hoạt động tối ưu với cơ chất là nguồn dầu ăn đã qua sử dụng
trong khoảng pH 7÷8, nhiệt độ tối ưu là 70oC, độ bền nhiệt trong khoảng 50÷55oC và
enzym bị giảm hoạt tính dưới tác dụng của cả metanol và etanol. Khi thực hiện phản
ứng transeste hóa nguồn dầu ăn đã qua sử dụng với xúc tác enzym Callera Trans
LJP30070 ở nhiệt độ 40oC, tỉ lệ mol metanol/dầu là 6:1, lượng enzym là 3% trong thời
gian phản ứng là 36 giờ thì hiệu suất chuyển hóa metyl este khá cao và sản phẩm thu
được tương đối sạch. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển hóa lại thấp hơn hiệu suất ở nhiệt độ
40oC trong 24 giờ khoảng 3,98%.

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

xi



Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

Chương 1 PHẦN MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Năng lượng và môi trường sống từ lâu đã trở thành một nhân tố tác động trực
tiếp đến sự phát triển kinh tế và xã hội của hầu hết các quốc gia. Trong các nguồn
năng lượng hiện nay thì năng lượng hóa thạch vẫn là nguồn năng lượng chủ yếu trong
phát triển kinh tế xã hội loài người. Tuy nhiên, với sự phát triển ồ ạt của công nghiệp
hóa, hiện đại hóa như ngày nay thì nguồn năng lượng hóa thạch sẽ ngày càng cạn kiệt.
Không những thế việc khai thác và sử dụng năng lượng hóa thạch còn gây ra những
tác động xấu đến môi trường như hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm môi trường… Vì vậy,
việc tìm ra một nguồn năng lượng mới thân thiện với môi trường để thay thế cho
nguồn năng lượng hóa thạch là hết sức cần thiết.[8]
Hiện nay, trên thế giới đã và đang có nhiều công trình nghiên cứu về nguồn năng
lượng tái sinh như năng lượng Mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng
lượng từ sinh khối… để thay thế cho năng lượng hóa thạch. Trong đó đáng chú ý là
nguồn năng lượng từ sinh khối mà đặc biệt là Biodiesel (BDF) hay còn gọi là diesel
sinh học. Đây là một loại nhiên liệu xanh thân thiện với môi trường và có thể được sản
xuất từ các nguồn nguyên liệu sẵn có như dầu thực vật, mỡ động vật, các phế phẩm
nông nghiệp (rơm, cà phê,…)…
Việt Nam là một nước nông nghiệp có nguồn sinh khối dồi dào nên các nhà khoa
học nước ta đã và đang bắt tay vào việc nghiên cứu các phương pháp điều chế
Biodiesel từ các nguồn nguyên liệu có sẵn này và thu được nhiều kết quả khả quan.
Hơn nữa, Biodiesel có thể được điều chế từ dầu mỡ động thực vật nên nếu ta vận dụng
nguồn dầu ăn đã qua sử dụng để tổng hợp BDF thì sẽ giảm được chi phí sản xuất và
giảm lượng dầu thải gây ô nhiễm môi trường. Đã có nhiều công trình nghiên cứu việc
điều chế biodesel từ nguồn dầu ăn đã qua sử dụng bằng nhiều phương pháp khác nhau

[10]. Trong đó phương pháp được sử dung phổ biến nhất là phương pháp transester
hóa với nhiều loại xúc tác như bazơ, axit, enzym… Trong đó, việc thực hiện phản ứng
transester hóa xúc tác enzym vẫn còn khá mới. Việc sử dụng xúc tác sinh học so với

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

1


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

xúc tác hóa học có nhiều ưu điểm hơn như điều kiện phản ứng ôn hòa, không có phản
ứng phụ, việc tách pha và thu hồi glyxerol dễ dàng, hiệu xuất phản ứng cao, xúc tác có
thể tái sử dụng nhiều lần… Với những ưu điểm trên thì việc sử dụng enzym lipase để
xúc tác cho phản ứng transester hóa để điều chế Biodiesel là hết sức cần thiết. Chính
vì vậy mà đề tài “Khảo sát hoạt tính enzym lipase và phản ứng transester hóa với xúc
tác Callera Trans LJP30070 trên nguồn dầu ăn đã qua sử dụng” được thực hiện.
1.2. Mục tiêu đề tài
Xác định các điều kiện tối ưu về hoạt tính của enzym Callera Trans LJP30070
trên nguồn dầu ăn đã qua sử dụng, trên cơ sở đó khảo sát các điều kiện để thực hiện
phản ứng transester hóa xúc tác enzym Callera Trans LJP30070 đạt hiệu suất cao nhất.
1.3. Nội dung nghiên cứu
1. Khảo sát nguồn nguyên liệu và các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính enzym
lipase Callera Trans LJP30070 trên nguồn dầu ăn đã qua sử dụng.
2. Khảo sát phản ứng transester hóa xúc tác enzym lipase trên nguồn dầu ăn đã
qua sử dụng để điều chế Biodiesel.

SVTH: Võ Thị Tú Nhi


2


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Enzym lipase
2.1.1 Định nghĩa
Lipase (triacylglycerol acylhydrolase EC.3.1.1.3) là enzym xúc tác thủy phân
triglyxerit thành điglyxerit, monoglyxerit hoặc glyxerol và các axit béo tiếp diện phân
pha dầu nước. Chúng hiện diện rông rãi trong tự nhiên (chiếm 5% trong thị phần
enzym thế giới, chỉ đứng sau rotease và cacbohydrat).[17]
2.1.2 Cấu trúc lipase

Hình 2.1 Mô hình enzym lipase
Cấu trúc chung enzym lipase gồm một phiến β ở giữa các nhóm serin hoạt động.
Trung tâm hoạt động là bộ ba Ser, His và Asp (hoặc Glu). Trên serin là một khe kỵ
nước được hình thành sau hoạt hóa. Cấu trúc ba chiều của lipase đều theo một kiểu
chung, trong nếp gấp α, β của enzym có 8 liên kết β song song, chủ yếu được bao
quanh bởi xoắn α. Ngoại trừ các điểm chung về khả năng xúc tác thông dụng thì lipase
từ những nguồn khác nhau có rất ít điểm chung ở cấp độ axit amin. Trong hầu hết cấu

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

3



Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

trúc lipase, đầu serin hoạt động trong chuỗi pentapeptit có trình tự Gly–X1–Ser–X2 –
Gly [10],[17]
2.1.3 Cơ chế phản ứng của lipase [14],[15]
Lipase xúc tác cho nhiều phản ứng hóa học khác nhau, trong đó được quan tâm
nhiều nhất là phản ứng thủy phân và phản ứng tổng hợp este.
Triglyxerit
COOR1
COOR2

Monoglyxerit

Diglyxerit
COOH
lipase

COOR3

COOR2

COOH
lipase

COOR3

COOH


lipase

COOH
COOH

COOR3
R2COOH
Axit béo

R1COOH
Axit béo

Glyxerol
COOH

R3COOH
Axit béo

Hình 2.2 Phản ứng thủy phân triglyxerit của lipase
R1COOH + R2OH

lipase

R1COOR2 + H2O

Hình 2.3 Phản ứng tổng hợp ester của lipase
Lipase không tan trong các dung môi không phân cực (dầu) mà chỉ tan trong
nước và các dung môi phân cực. Do đó, lipase chỉ hoạt động ở bề mặt phân cách hai
pha dầu-nước, nên lượng dầu tồn tại ở mặt phân cách sẽ quyết định hoạt tính lipase.
Để khắc phục hiện tượng này người ta có thể tăng diện tích tiếp xúc bằng cách tạo thể

nhũ tương dầu bởi sự khuấy động mạnh với tác nhân nhũ hóa thích hợp.
2.1.4 Nguồn thu nhận lipase
2.1.4.1 Từ động vật [6],[14]
Nguồn lipase từ động vật được biết đến sớm nhất. Khá phổ biến là lipase từ tuyến
tụy của bò, cừu và lợn. Những enzym tuyến tụy này được tiết ra ở tá trạng, xúc tác cho
sự thủy phân triglyxerit. Lipase tuyến tụy có thể thủy phân hoàn toàn triglyxerit, phân
tử lượng khoảng 45-50 kDa, không có hoặc có rất ít phospholipids và được hoạt hóa ở
bề mặt phân chia pha dầu nước, nhưng lại bị ức chế bởi muối mật.

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

4


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

2.1.4.2 Từ thực vật [14],[23]
Ở thực vật, lipase được tìm thấy ở mô dự trữ của các hạt có dầu như: hạt đậu
nành, đậu phộng và hạt của các cây cải dầu, cây bông…các lipase được hình thành
trong quá trình nảy mầm của hạt.
2.1.4.3 Từ vi sinh vật [21],[24]
Lipase từ vi sinh vật có những ưu điểm hơn hẳn lipase từ động vật và thực vật vì
thế được quan tâm và sản xuất nhiều nhất. Do vi sinh vật có khả năng tổng hợp một
lượng enzym lớn trong khoảng thời gian ngắn, hoạt tính của enzym cao hơn hoạt tính
của enzym được tổng hợp từ động, thực vật. Lipase thu nhận từ vi sinh vật bao gồm vi
khuẩn, nấm men, nấm mốc,…
Lipase từ vi khuẩn được nghiên cứu khá sớm và đầy đủ. Vi khuẩn được sử dụng
trong quá trình tổng hợp lipase thường là Acromobacter sp., Alcaligenes sp.,

Arthrobacter sp., Pseudomonas sp.,Chromobacterium sp.,…
Lipase từ nấm men có nhiều ưu điểm về tính ổn định theo pH và nhiệt độ, tính
đặc hiệu với cơ chất và khả năng hoạt động trong dung môi hữu cơ. Lipase thương
mại thường được sản xuất bởi Aspergillus niger, Candida cylindracea, Hummicola
lanuginosa, Mucor miehei, Rhizopus arrhizus, Rhizopus delemar,…
Lipase từ nấm mốc tìm thấy ở một số loài như Aspergillus, Rhizopus (tách từ quả
dừa), Rhizopus oryzae (phân lập từ dầu dừa), …
2.1.5 Ứng dụng lipase [19]
Lipase được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Một số ứng dụng của
lipase được tổng hợp trong bảng sau:
Bảng 2.1 Một số ứng dụng của lipase
Ngành công
nghiệp
Chất tẩy rửa

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

Phản ứng

Sản phẩm hoặc ứng dụng

Thủy phân chất béo

Loại vết dầu mỡ trên vải

5


Luận văn tốt nghiệp


Sữa và thực phẩm
từ sữa

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm
Thủy phân chất béo, làm
chin phô mai, thay đổi thành

Tăng cường hợp chất tạo hương
vị cho sữa, phô mai và bơ

phần bơ sữa.

Bánh kẹo

Cải thiện mùi vị

Thức uống

Kéo dài thời gian bảo quản

Tăng cường hương vị

Nước sốt

Cải thiện chất lượng

Thực phẩm dinh
dưỡng
Thịt cá


Thức uống
Mayonnaise, dressing whippings

Chuyển hóa ester

Thực phẩm dinh dưỡng

Cải thiện mùi vị

Sản phẩm thịt cá loại mỡ
Bơ ca cao, margarine, acid béo,

Dầu béo

Chuyển hóa ester, thủy phân

Hóa chất

Phản ứng tổng hợp đặc hiệu

Hợp chất vòng chiral, hóa chất

Dược phẩm

Chuyển hóa ester, thủy phân

Hỗ trợ tiêu hóa, trao đổi chất

glyxerol, mono và điglyxerit


Mỹ phẩm

Tổng hợp

Thuộc da

Thủy phân

Sản phẩm thuộc da

Giấy

Thủy phân

Giầy chất lượng cao

2.1.6

Chất nhũ hóa, chất làm ẩm

Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính lipase
2.1.6.1

pH

pH môi trường ảnh hưởng đến mức độ ion hóa của cơ chất, phức chất enzym-cơ
chất, độ bền và hoạt tính enzym. Phần lớn enzym hoạt động mạnh ở pH trung tính
(6÷8). Một số khác hoạt động ở pH axit (1,5÷2) hay pH kiềm (9,5÷10). Mỗi enzym có
một giới hạn pH cho hoạt động xúc tác. Giá trị pH mà tại đó khả năng hoạt động của
enzym cao nhất được gọi là pH tối ưu. Ngoài pH tối ưu, tốc độ phản ứng của enzym

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

6


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

giảm đi nhanh chóng. Giá trị pH tối ưu của enzym không cố định mà phụ thuộc vào
nhiều yếu tố khác như bản chất và nồng độ cơ chất, tính chất dung dịch đệm, nhiệt độ.
2.1.6.2

Nhiệt độ

Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng của enzym. Tốc độ phản ứng của
enzym không phải lúc nào cũng tỷ lệ thuận với nhiệt độ phản ứng. Nhiệt độ tương ứng
với tốc độ phản ứng enzym cao nhất được gọi là nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ tối ưu của
enzym phụ thuộc nhiều vào sự có mặt của cơ chất, pH, lực ion của môi trường. Phần
lớn enzym hoạt động mạnh nhất ở nhiệt độ 35oC÷50oC. Nếu đưa nhiệt độ cao hơn mức
nhiệt độ tối ưu hoạt tính enzym sẽ giảm. Khi đó enzym không có khả năng phục hồi
lại hoạt tính. Ngược lại, ở nhiệt độ 0oC enzym bị hạn chế hoạt động rất mạnh nhưng
khi nâng nhiệt độ lên từ từ thì hoạt tính enzym sẽ tăng dần đến mức tối ưu.
2.1.6.3

Chất hoạt hóa

Chất hoạt hóa là chất làm tăng hoạt tính xúc tác của enzym nên làm tăng tốc độ
phản ứng. Chất hoạt hóa thường là:



Các chất hữu cơ phức tạp (cenzyme, vitamin) như NAD+, NADP+,…



Các ion kim loại như K+, Na+, Mg2+, Ca2+,…
2.1.6.4

Chất kìm hãm

Chất kìm hãm là chất làm giảm hoạt tính xúc tác của enzym, nên làm giảm tốc
độ phản ứng. Các chất kìm hãm có bản chất hóa học khác nhau có thể là ion kim loại,
phân tử vô cơ, hữu cơ và protein. Có 2 loại chất kìm hãm: chất kìm hãm cạnh tranh và
chất kìm hãm không cạnh tranh.
2.1.6.5

Nồng độ enzym/cơ chất

Khi nồng độ cơ chất còn ở mức thấp, tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ cơ
chất. Khi nồng độ cơ chất tiến tới giá trị cực đại thì tốc độ phản ứng phụ thuộc vào
nồng độ enzym.
Khi lượng cơ chất đầy đủ, tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ enzym. Nồng
độ enzym càng lớn bao nhiêu thì lượng cơ chất biến đổi càng nhiều bấy nhiêu.

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

7


Luận văn tốt nghiệp


GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

2.2 Biodiesel (BDF)
2.2.1

Khái niệm

Biodiesel (BDF) hay Diesel sinh học là thuật ngữ dùng để chỉ loại nhiên liệu
dùng cho động cơ diesel được sản xuất từ dầu mỡ động, thực vật. Về phương diện hóa
học thì BDF là các ankyl este, thông dụng nhất là metyl este, thường được điều chế
bằng phản ứng transeste chuyển đổi hay este hóa của các triglyxerit, axit tự do với
ancol bậc nhất no đơn chức mạch từ C1-C4 [8]
Nhiên liệu sinh học là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường và có
thể sản xuất từ các nguồn nguyên liệu có sẵn, nên nhiên liệu sinh học đang là giải pháp
của nhiều quốc gia trong việc tìm kiếm nguồn năng lượng mới.
2.2.2 Ưu và nhược điểm của BDF [4],[11],[13]


Ưu điểm
 Về môi trường

- Giảm lượng khí thải CO2, CO, NOx,… hạn chế tình trạng ô nhiễm.
- Khi cháy ít gây ra khí thải độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe.
- Có khả năng phân hủy và không độc (phân hủy nhanh hơn diesel 4 lần, phân
hủy từ 85÷88% trong nước sau 28 ngày).
 Về kỹ thuật
- Chỉ số cetan cao hơn diesel.
- Hạn chế việc ăn mòn thiết bị và tạo cặn trong buồng đốt.
- BDF có điểm chớp cháy cao hơn DO, đốt cháy an toàn và an toàn trong quá

trình vận chuyển, sử dụng.
- BDF có tính bôi trơn tốt.
- BDF có tính năng tương tự DO và rất linh động nên khi sử dụng BDF để pha
trộn với DO thì không cần cải tiến chi tiết động cơ (riêng đối với các hệ thống ống
dẫn, bồn chứa làm bằng nhựa thì thay bằng vật liệu kim loại).

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

8


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

 Về kinh tế
- Thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển do việc sản xuất BDF sử dụng các sản
phẩm thải của ngành nông nghiệp. Ngoài ra, BDF có thể được tổng hợp từ các loại cây
có dầu do đó thúc đẩy việc phát triển nền nông nghiệp trồng trọt các loại cây có dầu tại
các vùng trung du, miền núi.
- Hạn chế việc nhập khẩu nhiên liệu diesel tiết kiệm ngân sách quốc gia.


Nhược điểm

- Điểm đông đặc và điểm chảy cao gây khó khăn cho việc sử dụng BDF ở những
vùng khí hậu lạnh. Tuy nhiên đối với các nước nhiệt đới như Việt Nam thì ảnh hưởng
này không đáng kể.
- BDF có giá trị nhiệt lượng thấp hơn DO.
- Một số nghiên cứu gần đây cho biết khả năng ăn mòn thiết bị của dầu BDF cao

hơn so với dầu DO.
- Giá thành BDF gần bằng với giá thành DO.
- BDF không bền, dễ bị oxy hóa gây khó khăn trong việc bảo quản lâu dài.
2.2.3 Các phương pháp điều chế BDF [8],[14],[18]
2.2.3.1

Phương pháp sấy nóng

Phương pháp sấy nóng hạ độ nhớt của dầu và mỡ tương đương với độ nhớt của
dầu DO bằng cách gia nhiệt. Tuy nhiên vào mùa đông dầu mỡ bị đông đặc gây khó
khăn cho người sử dụng vì phải đốt nóng dầu mỡ trước khi sử dụng. Vì thế, phương
pháp sấy nóng ít được sử dụng.
2.2.3.2

Phương pháp pha loãng

Dầu thực vật và mỡ có độ nhớt cao nên không thể sử dụng trực tiếp làm nhiên
liệu. Vì vậy, người ta tiến hành pha trộn dầu, mỡ với nhiên liệu DO để tạo một nhiên
liệu mới có độ nhớt phù hợp. Tuy nhiên, khi tỉ lệ dầu thực vật và mỡ lớn hơn 50% thì
hỗn hợp nhiên liệu thu được vẫn có độ nhớt lớn hơn nhiên liệu DO. Một số nghiên cứu

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

9


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm


cho thấy rằng khi tỉ lệ dầu thực vật và mỡ là 10% thì hỗn hợp nhiên liệu tạo thành có
độ nhớt gần bằng với nhiên liệu DO và cho hiệu quả sử dụng tốt cho động cơ Diesel.
2.2.3.3

Phương pháp Cracking

Quá trình Cracking dầu, mỡ cũng gần giống với quá trình Cracking dầu mỏ. Khi
tiến hành Cracking dầu mỡ dưới tác dụng của nhiệt và chất xúc tác thích hợp thì mạch
hidrocacbon bị cắt ngắn. Sản phẩm thu được là khí (90% hidrocacbon), xăng (chỉ số
octan 86, d=0,75g/cm3), nhiên liệu DO (d=0,82g/cm3) và một số sản phẩm phụ khác.
Tuy nhiên, khi thực hiện phản ứng Cracking dầu mỡ thì cần cung cấp một lượng nhiệt
lớn, thiết bị đắt tiền và sản phẩm thu được gồm nhiều dạng nên phương pháp này ít
được sử dụng.
2.2.3.4

Phương pháp nhũ tương hóa

Một phương pháp khác để giảm độ nhớt của dầu, mỡ là phương pháp nhũ tương
hóa bằng các dung môi ancol như metanol, etanol và 1-butanol. Hệ nhũ tương tạo
thành có độ nhớt tương đương nhiên liệu diesel, tỉ lệ ancol càng lớn thì độ nhớt nhũ
tương càng nhỏ. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp nhũ tương hóa là việc tạo
và duy trì nhũ, lọc nhiên liệu và do ancol có nhiệt độ sôi thấp nên dễ bay hơi cản trở
quá trình làm việc của động cơ.
2.2.3.5

Phương pháp transester hóa

Phản ứng transester hóa là phản ứng chuyển hóa các phân tử triglixerit thành các
ankyl este của axit béo mạch dài bằng các ancol no, đơn chức mạch ngắn như metanol,
etanol… Phản ứng transester hóa có thể được xúc tác bằng nhiều loại xúc tác khác

nhau như bazơ, axit và enzym. Transester hóa là phản ứng gồm nhiều phản ứng thuận
nghịch nối tiếp nhau. Trong đó, các phân tử triglixerit lần lượt được chuyển hóa thành
điglixerit, monoglixerit và cuối cùng là glyxerol.
Transester hóa được lựa chọn là phương pháp để tổng hợp BDF vì nhiều ưu
điểm:

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

10


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

- Tính chất của ankyl este gần giống với nhiên liệu diesel, mặc khác metyl hay
etyl este của các axit béo có thể cháy trong các động cơ diesel mà không cần cải tiến
động cơ và không tạo cặn lắng.
- Quy trình thực hiện phản ứng đơn giản nên có thể sử dụng trong quy mô công
nghiệp.
- Phụ phẩm glyxerol có nhiều ứng dụng trong công nghiệp.
Tuy nhiên metanol được sử dụng phổ biến hơn etanol vì metanol dễ thu hồi và
tái sử dụng hơn etanol vì nó không tạo hỗn hợp đẳng phí với nước (trong khi etanol lại
tạo hỗn hợp đẳng phí với nước). Vì vậy, Biodiesel thường là metyl este được tổng hợp
bằng phản ứng transester hóa triglixerit với metanol.
2.2.4

Các phương pháp thực hiện phản ứng transester hóa điều chế

BDF[8],[10],[18]

2.2.4.1

Phương pháp hóa học (khuấy–gia nhiệt)

Phương pháp khuấy-gia nhiệt sử dụng máy khuấy cơ học hay máy khuấy có gia
nhiệt để khuấy trộn hỗn hợp phản ứng, tăng điều kiện tiếp xúc giữa hai pha (dầu, mỡ
và ancol) để thực hiện phản ứng transester hóa. Phương pháp này đơn giản, dễ thực
hiện nếu xúc tác tốt có thể đạt độ chuyển hóa cao. Tuy nhiên, thực hiện phản ứng
transester hóa bằng phương pháp hóa học tốn nhiều thời gian.
2.2.4.2

Phương pháp siêu âm

Phương pháp siêu âm gần đây được sử dụng nhiều trong việc điều chế Biodiesel
do thời gian phản ứng được rút ngăn hơn so với phương pháp khuấy-gia nhiệt và độ
chuyển hóa của phản ứng cũng tương đối cao.
2.2.4.3

Phương pháp vi sóng

Phương pháp vi sóng sử dụng vi sóng (sóng điện từ lan truyền với vận tốc ánh
sáng, có bước sóng trong khoảng 1cm đến 1m) để cung cấp nhiệt cho phản ứng. Vi
sóng xuyên thấu vật chất, làm vật chất nóng từ bên trong thay vì làm nóng từ bên
ngoài đối với các phương pháp làm nóng thông thường. Sử dụng phương pháp vi sóng

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

11



Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

để thực hiện phản ứng transester hóa cũng cho độ chuyển hóa cao và thời gian phản
ứng ngắn.
2.2.4.4

Phản ứng transester hóa môi trường siêu tới hạn

Trong môi trường siêu tới hạn dầu thực vật và mỡ có thể hòa tan một phần hay
hoàn toàn ancol do đó thời gian phản ứng transester hóa dầu thực vật và mỡ với ancol
được rút ngắn. Đối với các phương pháp tổng hợp BDF truyền thống thì hàm lượng
nước và axit béo có tác hại rất lớn nhưng trong phương pháp siêu tới hạn thì nước và
axit béo lại ảnh hưởng tích cực đến hiệu suất phản ứng. Tuy nhiên, phản ứng transester
hóa trong môi trường siêu tới hạn cần sử dụng các thiết bị hiện đại, chi phí cao vì vậy
phương pháp này ít được sử dụng hơn so với các phương pháp truyền thống.
2.2.5 Các loại xúc tác trong phản ứng transester hóa
2.2.5.1 Xúc tác bazơ [10]
Các xúc tác bazơ thường được sử dụng thường là natri hydroxyt (NaOH), kali
hydroxyt (KOH). Bazơ được sử dụng khá phổ biến để xúc tác phản ứng transester hóa
dầu thực vật, mỡ động vật vì nhiều lý do như: thời gian phản ứng ngắn (30÷90 phút),
hiệu suất cao (90÷98%) và nhiệt độ phản ứng tương đối thấp. Tuy nhiên, một hạn chế
của việc sử dụng xúc tác kiềm là khi sử dụng với nguồn nguyên liệu có hàm lượng axit
béo tự do (FFA) cao và có lẫn nước thì hiệu suất phản ứng và độ tinh khiết của sản
phẩm thấp. Chính vì dầu ăn đã qua sử dụng có hàm lượng FFA cao nên xúc tác bazơ ít
được sử dụng trong việc tổng hợp BDF bằng phản ứng transester hóa sử dụng nguồn
dầu ăn đã qua sử dụng.
2.2.5.2 Xúc tác axit[18]
Axit thường được sử dụng trong phản ứng transester hóa như axit sunfuric

(H2SO4), axit clohiđric (HCl). Một ưu điểm của xúc tác axit so với xúc tác bazơ là có
thể sử dụng với nguồn nguyên liệu có hàm lượng FFA cao. Tuy nhiên, phản ứng
transester hóa xúc tác axit lại không được sử dụng phổ biến trong sản xuất công
nghiệp vì thời gian phản ứng chậm (3÷18 giờ), nhiệt độ phản ứng cao (55÷100oC),

SVTH: Võ Thị Tú Nhi

12


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: TS. Phan Thị Bích Trâm

lượng ancol sử dụng nhiều. Không những thế việc sử dụng xúc tác axit ở nhiệt độ cao
và thời gian phản ứng dài sẽ ăn mòn thiết bị.
2.2.5.3 Xúc tác enzym[14]
Trong những năm gần đây, phản ứng transester hóa điều chế BDF từ các nguồn
dầu mỡ bằng xúc tác enzym lipase được nghiên cứu rất nhiều. Xúc tác enzym không
bị ảnh hưởng bởi hàm lượng axit béo tự do trong nguyên liệu vì vậy hạn chế được tạo
việc hình thành xà phòng trong quá trình phản ứng làm cho quá trình tách và lọc sản
phẩm dễ dàng, hạn chế chất thải rắn gây ô nhiễm môi trường. Mặt khác, so với xúc tác
hóa học thì phản ứng transester hóa xúc tác enzym xảy ra ôn hòa hơn, nhiệt độ phản
ứng thấp (35÷55oC), việc tách pha và thu hồi glyxerol dễ dàng, xúc tác có thể tái sử
dụng nhiều lần. Tuy nhiên, phản ứng xúc tác enzym xảy ra với tốc độ khá chậm, khi
hàm lượng ancol cao có thể gây bất hoạt enzym, enzym có tính chọn lọc cao và giá
thành enzym cao hơn so với các loại xúc tác hóa học vì thế xúc tác enzym ít được sử
dụng trong sản xuất công nghiệp.
2.2.5.4 Xúc tác dị thể [2]
Để khắc phục các hạn chế của xúc tác đồng thể, các nhà khoa học đang có xu

hướng dị thể hóa xúc tác. Các xúc tác dị thể thường là các hợp chất của kim loại kiềm
hay kiềm thổ mang trên chất mang rắn như Na2CO3/MgO, Na2SiO3/SiO2, Na2CO3/ɤAl2O3,… Các loại xúc tác này có độ chuyển hóa cao (trên 90%), hạn chế quá trình tạo
xà phòng, xúc tác có giá thành rẻ và có thể tái sử dụng, việc tách lọc sản phẩm dễ
dàng… Vì vậy, trong công nghiệp tổng hợp BDF bằng phản ứng transester hóa xúc tác
đồng thể đang dần được thay thế bằng xúc tác dị thể.
2.2.6

Tình hình nghiên cứu và sản xuất BDF trên thế giới và trong nước
2.2.6.1

Tình hình nghiên cứu và sản xuất BDF trên thế giới [22]

Nhằm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và để ổn định nguồn cung
ứng, các quốc gia trên thế giới đã đặt ra mục tiêu chú trọng phát triển nhiên liệu sinh
học . Trong các loại nhiên liệu sinh học thì BDF là nhiên liệu được sản xuất nhiều nhất
(chiếm 82% tổng số nhiên liệu sinh học). Hiện nay, EU và Hoa kỳ dẫn đầu về năng
SVTH: Võ Thị Tú Nhi

13