Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Công nghệ nhiên liệu sinh học Ethanol xenlulô (27/06/2017)

Ethanol xenlulô là nhiên liệu sinh học tiên tiến gần với yêu cầu nhất. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai này được lấy từ nhiều loại nguyên liệu sinh khối lignoxenlulôse bao gồm chất thải nông nghiệp và lâm nghiệp (như thân cây ngô, rơm rạ, rơm lúa mì, và bã mía), cây năng lượng không làm thực phẩm (cỏ và cây như cỏ, cây dương, và miscanthus), và chất thải rắn đô thị. Sinh khối lignoxenlulô gồm phức hợp xenlulô, hemixenlulô, lignin và polyme, là các loại khó phá vỡ hơn nhiều so với hạt ngô.

Hiện trạng: Các công nghệ biến đổi sinh khối cơ bản - sinh hóa và nhiệt hóa - đã có trong nhiều thập kỷ, và các nhà nghiên cứu đã đạt được tiến bộ đáng kể trong việc giảm chi phí trong mười năm qua. Các quá trình sinh hóa (dựa trên đường) sử dụng axit hoặc thủy phân enzym của lignoxenlulô để tạo ra các loại đường như glucose và xylose, sau đó lên men thành ethanol xenlulô. Các quá trình nhiệt hóa sử dụng khí hóa để chuyển đổi nguyên liệu thành khí tổng hợp, sau đó lên men hoặc xúc tác chuyển đổi khí tổng hợp thànht ethanol xenlulô và các sản phẩm có giá trị khác. Từ năm 2004, nhiều loại nhà máy ethanol xenlulô khác nhau đã hoạt động trên thế giới, nhưng các nhà phát triển vẫn chưa tìm ra phương pháp tiếp cận và các nguyên liệu thành công nhất ở quy mô thương mại. Nghiên cứu và phát triển lớn tập trung nâng cao hiệu quả của các quá trình nhiều bước. Đối với quá trình sinh hóa, các nhà nghiên cứu đang tìm cách cải thiện quá trình tiền xử lý để phá vỡ hemixenlulô thành đường lên men. Hiện đã có các phức hợp enzym cellulase phá vỡ thành tế bào thực vật nhưng chi phí vẫn hơn khoảng mười lần so các enzym để sản xuất ethanol từ ngô. Các nhà nghiên cứu cũng đang sửa chỉnh các nấm men đặc biệt có thể lên men các loại đường khó chuyển hóa C5 và C6 từ xenlulô để sản xuất ethanol. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã phát hiện vi khuẩn có thể phá vỡ xenlulô và lên men đường trong quy trình một bước - loại bỏ được bước tiền xử lý tốn kém. Những đột phá trong tương lai là kết quả của những nỗ lực này có thể dẫn đến khả năng các nhà sinh học phân tử thay đổi mã di truyền của các vi sinh vật để cải thiện hoạt động của enzym và các chức năng khác.

Nhân giống cây trồng và công nghệ sinh học cũng mang đến nhiều lợi ích lớn như cải thiện hiệu suất sinh khối, giảm sự không đồng đều chất lượng của các nguyên liệu, tăng hiệu suất của các nguyên liệu sinh khối trong các quy trình biến đối cuối nguồn. Các chuyên gia nghiên cứu của công ty Agrivida (Hoa Kỳ) và Syngenta International AG (Thụy Sỹ) đã đưa được các enzym phân hủy màng tế bào vào các bộ gen của thực vật. Các enzym này chỉ hoạt động dưới các điều kiện xử lý nhiên liệu sinh học và kích hoạt quá trình thủy phân polysaccharides thực vật từ trong sinh khối biến đổi gen, làm giảm đáng kể nhu cầu tiền xử lý enzym tốn kém. Công ty Ceres (Hoa Kỳ) đang tiến hành phát triển các loại hạt giống và tính năng chpo cây trồng năng lượng sinh khối cao và đã xác định được hàng trăm gen mục tiêu cho các tính năng như sản lượng sinh khối cao, cấu trúc cây, chịu được các tác động môi trường, sử dụng hiệu quả nguồn ni-tơ trong đất, chống bệnh. Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Khoa học năng lượng sinh học (Hoa Kỳ) đã tìm ra loại gen kiểm soát khả năng sản sinh ethanol trong vi sinh vật, cho phép các nhà khoa học có thể thay đổi gen trong các cây làm sinh khối để sản xuất nhiều ethanol hơn.

Viễn cảnh: Các công ty sản xuất ethanol xenlulô cho biết họ đã sẵn sàng xây dựng ít nhất một chục cơ sở quy mô thương mại và có thể cung cấp vài trăm triệu lít ethanol xenlulô trong những năm tới. Tuy nhiên việc cung cấp tài chính cho các nhà máy mới đầy rủi ro là một rào cản lớn. Chính phủ và các nghiên cứu khác cho thấy chi phí sản xuất ban đầu sẽ cao hơn đáng kể so với chi phí để sản xuất ethanol từ ngô, ngay cả khi giá ngô ở mức cao lịch sử. Tuy nhiên, một hoặc nhiều nước phát triển sớm có thể có thể sản xuất ethanol xenlulô thành công. Các làn sóng các nhà máy thương mại sắp tới sẽ cung cấp thông tin giá trị và có thể đặt nền móng cho một ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học phát triển.

Các nhà phát triển nhiên liệu sinh học từ xenlulô thành công cũng sẽ cần phải xây dựng các chuỗi cung ứng khu vực mới, trong đó tất cả các bộ phận cần thiết kết hợp với nhau một cách hiệu quả - thu hồi sinh khối từ các cánh đồng, rừng; tạo ra, lưu trữ và cung cấp nguyên liệu sinh khối chất lượng cao cho các nhà máy chế biến sinh học; và chuyển đổi sinh khối thành các sản phẩm năng lượng sinh học. Một nghiên cứu mới đây của Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng cho thấy Hoa Kỳ có thừa sinh khối lignoxenlulô từ rừng và các nguồn nông nghiệp - một tỷ tấn sinh khối khô - thay thế cho 30% xăng dầu tiêu thụ vào năm 2030.

Nhiều nhà phát triển nhiên liệu sinh học xenlulô đã hợp tác với các công ty công nghiệp lớn để giúp đẩy nhanh thương mại hóa các công nghệ mới. Các công ty dầu mỏ có một mối quan hệ tự nhiên về kinh doanh nhiên liệu sinh học, bao gồm các thông tin làm thế nào để quản lý các dự án thương mại có quy mô lớn và sản phẩm và thị trường nhiên liệu giao thông ở quy mô lớn. Royal Dutch Shell là nhà đầu tư dài hạn ở Iogen Corp, sản xuất ethanol xenlulô từ chất thải nông nghiệp tại một nhà máy lớn ở Canada. Shell cũng có quan tâm đến công ty phát triển chất xúc tác sinh học Codexis ở California, tập trung vào nghiên cứu các enzym mạnh hơn có thể chuyển đổi nhanh hơn sinh khối thành nhiên liệu.

Nguồn: Vista.gov.vn