Tài liệu Ứng dụng của vi sinh vật trong sản xuất xăng sinh học

  • Số trang: 21 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 164 |
  • Lượt tải: 0
trancongdua

Đã đăng 1751 tài liệu

Mô tả:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG CỦA VI SINH VẬT TRONG SẢN XUẤT XĂNG SINH HỌC VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí Mở đầu Theo thống kê của Vụ Môi trường - Bộ GTVT, hiện nay, tại các đô thị của Việt Nam, phương tiện đi lại chủ yếu vẫn là mô tô, xe gắn máy. Riêng ở TP.HCM, số hộ gia đình có xe gắn máy chiếm đến 98% và tại Hà Nội con số đó là trên 87% tổng lưu lượng xe hoạt động trong nội thành. Tính chung cả nước hiện có khoảng trên 27 triệu xe gắn máy, hơn một triệu ô tô cá nhân. Hai loại phương tiện nói trên, gồm nhiều chủng loại đã qua nhiều năm sử dụng nên có chất lượng kỹ thuật thấp, mức tiêu hao nhiên liệu cao và nồng độ chất độc hại trong khí xả cao. Khói thải từ các phương tiện này góp đến 70% ô nhiễm ở các thành phố. Khi mà Hà Nội, TPHCM và nhiều đô thị ngập trong khói xăng thải ra từ hàng chục triệu ô tô, xe máy thì xăng sinh học xuất hiện với ưu điểm, tiện ích vượt trội so với các loại xăng thường. Chính những yếu tố tiện ích đó đã thu hút được sự quan tâm của người tiêu dùng và toàn xã hội... I. Sơ lược về vi sinh vật 1. Khái niệm: - Vi sinh vật là những sinh vật đơn bào có kích thước nhỏ, không quan sát được bằng mắt thường mà phải sử dụng kính hiển vi. Nó bao gồm cả virus, vi khuẩn, archaea, vi nấm, vi tảo, động vật nguyên sinh... Hình 1: Một số vi sinh vật 2. Đặc điểm chung: 2.1. Kích thước nhỏ bé - Các Vi sinh vật có kích thước rất bé, đo bằng đơn vị nanomét (1nm = 10-9 m) như các vi rút hoặc micromet (1μm = 10-6 m) như các vi khuẩn, vi nấm. - Kích thước càng bé thì diện tích bề mặt của vi sinh vật trong 1 đơn vị thể tích càng lớn. 2.2. Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh - Tuy vi sinh vật có kích thước rất nhỏ bé nhưng chúng lại có năng lực hấp thu và chuyển hoá vượt xa các sinh vật khác. Chẳng hạn 1 vi khuẩn lắctic (Lactobacillus) VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí trong 1 giờ có thể phân giải được một lượng đường lactose lớn hơn 100 - 10 000 lần so với khối lượng của chúng, tốc độ tổng hợp protein của nấm men cao gấp 1000 lần so với đậu tương và gấp 100 000 lần so với trâu bò. Hình 2: Lactobacillus qua kính hiển vi điện tử 2.3. Khả năng sinh sản nhanh - So với các sinh vật khác thì vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng và sinh sôi nảy nở cực kỳ lớn. VD: Trong nồi lên men với các điều kiện nuôi cấy thích hợp từ 1 tế bào có thể tạo ra sau 24 giờ khoảng 100 000 000 - 1 000 000 000 tế bào. - Đây là đặc điểm quan trọng được con người lợi dụng để sản xuất nhiều sản phẩm hữu ích như rượu, bia, tương chao, mỳ chính, các chất kháng sinh.. 2.4. Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị - Năng lực thích ứng của vi sinh vật vượt rất xa so với động vật và thực vật. Trong quá trình tiến hoá lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hoà trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện sống rất bất lợi. Người ta nhận thấy số lượng enzim thích ứng chiếm tới 10% lượng chứa protein trong tế bào vi sinh vật. - Phần lớn vi sinh vật có thể giữ nguyên sức sống ở nhiệt độ của nitơ lỏng o (-196 C), thậm chí ở nhiệt độ của hydro lỏng (- 253oC). Một số vi sinh vật có thể sinh trưởng ở nhiệt độ 250oC, lạnh đến 0-5oC, mặn với nồng độ 32% NaCl (muối ăn), ngọt đến nồng độ mật ong, pH thấp đến 0,5 (vi khuẩn Thiobacillus thioxydans) hoặc cao đến 10,7 (vi khuẩn Thiobacillus denitrificans), áp suất cao đến trên 1103 atm. - Ở nơi sâu nhất trong đại dương (11034 m) nơi có áp lực tới 1103,4 atm vẫn thấy có vi sinh vật sinh sống. Nhiều vi sinh vật thích nghi với điều kiện sống hoàn toàn thiếu oxy (vi sinh vật kị khí bắt buộc - Obligate anaerobes). - Vi sinh vật đa số là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống... do đó rất dễ dàng phát sinh biến dị. Tần số biến dị -5 -10 thường ở mức 10 -10 . Chỉ sau một thời gian ngắn đã có thể tạo ra một số lượng rất lớn các cá thể biến dị ở các thế hệ sau. Những biến dị có ích sẽ đưa lại hiệu quả rất lớn trong sản xuất. 2.5. Phân bố rộng, chủng loại nhiều - Vi sinh vật phân bố ở khắp mọi nơi trên trái đất. Chúng có mặt trên cơ thể người, động vật, thực vật, trong đất, trong nước, trong không khí, trên mọi đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi đến núi cao, từ nước ngọt, nước ngầm cho đến nước biển ... VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí - Vi sinh vật tham gia tích cực vào việc thực hiện các vòng tuần hoàn sinh - địa - hoá học (biogeochemical cycles) như vòng tuần hoàn Cacbon, vòng tuần hoàn Nitơ, vòng tuần hoàn Photpho, vòng tuần hoàn Lưu huỳnh, ... - Trong đường ruột của người thường có không dưới 100 - 400 loài sinh vật khác nhau, chúng chiếm tới 1/3 khối lượng khô của phân. Chiếm số lượng cao nhất trong đường ruột của người là vi khuẩn Bacteroides fragilis, chúng đạt tới số lượng 1010 - 1011/g phân (gấp 100 - 1000 lần số lượng vi khuẩn Escherichia coli). - Ở độ sâu 10.000 m của Đông Thái Bình Dương, nơi hoàn toàn tối tăm, lạnh lẽo thậm chí nơi có áp suất rất cao người ta vẫn phát hiện thấy có khoảng 1 triệu - 10 tỉ vi khuẩn/ml (chủ yếu là vi khuẩn lưu huỳnh). - Hầu như không có hợp chất cacbon nào (trừ kim cương, đá graphít...) mà không là thức ăn của những nhóm vi sinh vật nào đó (kể cả dầu mỏ, khí thiên nhiên, formol...). Vi sinh vật có rất phong phú các kiểu dinh dưỡng khác nhau. 2.6. Là sinh vật xuất hiện đầu tiên trên trái đất - Trái đất hình thành cách đây 4,6 tỷ năm nhưng cho đến nay mới chỉ tìm thấy dấu vết của sự sống từ cách đây 3,5 tỷ năm. Đó là các vi sinh vật hoá thạch còn để lại vết tích trong các tầng đá cổ. Vi sinh vật hoá thạch cổ xưa nhất đã được phát hiện là những dạng rất giống với Vi khuẩn lam ngày nay. Chúng có dạng đa bào đơn giản, nối thành sợi dài đến vài chục mm với đường kính khoảng 1-2 mm và có thành tế bào khá dày. - Dựa vào đặc điểm cấu tạo tế bào, người ta chia ra làm 3 nhóm lớn: + Nhóm chưa có cấu tạo tế bào bao gồm các loại virus. + Nhóm có cấu tạo tế bào nhưng chưa có cấu trúc nhân rõ ràng (cấu trúc nhân nguyên thủy) gọi là nhóm Procaryotes, bao gồm vi khuẩn, xạ khuẩn và tảo lam. +Nhóm có cấu tạo tế bào, có cấu trúc nhân phức tạp gọi là Eukaryotes bao gồm nấm men, nấm sợi (gọi chung là vi nấm) một số động vật nguyên sinh và tảo đơn bào. 3. Vai trò của vi sinh vật: - Trong tự nhiên: Tích cực: + Vi sinh vật là mắt xích quan trọng trong các chu trình chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tự nhiên. + Tham gia vào việc gìn giữ tính bền vững của hệ sinh thái và bảo vệ môi trường. Tiêu cực: + Gây bệnh cho người, động – thực vật. + Là nguyên nhân gây hư hỏng thực phẩm. - Trong nghiên cứu di truyền: Là đối tượng lí tưởng trong công nghệ di truyền, công nghệ sinh học… - Bảo vệ môi trường: Vi sinh vật tham gia tích cực vào quá trình phân giải các phế thải nông nghiệp, phế thải công nghiệp, rác sinh hoạt … 4. Tầm quan trọng: - Vi sinh vật sống trong đất và trong nước tham gia tích cực vào quá trình phân giải các xác hữu cơ biến chúng thành CO2 và các hợp chất vô cơ khác dùng làm thức ăn cho cây trồng. Các vi sinh vật cố định nitơ thực hiện việc biến khí nitơ (N2) trong không khí thành hợp chất nitơ (NH3, NH4+) cung cấp cho cây cối. Vi sinh vật có khả VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí năng phân giải các hợp chất khó tan chứa P, K, S và tạo ra các vòng tuần hoàn trong tự nhiên. Vi sinh vật còn tham gia vào quá trình hình thành chất mùn. - Vi sinh vật có vai trò quan trọng trong năng lượng (sinh khối hoá thạch như dầu hoả, khí đốt, than đá). Trong các nguồn năng lượng mà con người hy vọng sẽ khai thác mạnh mẽ trong tương lai có năng lượng thu từ sinh khối. Sinh khối là khối lượng chất sống của sinh vật. - Vi sinh vật là lực lượng sản xuất trực tiếp của ngành công nghiệp lên men bởi chúng có thể sản sinh ra rất nhiều sản phẩm trao đổi chất khác nhau (các loại axit, enzim, rượu, các chất kháng sinh, các axit amin, các vitamin...). - Trong công nghiệp tuyển khoáng, nhiều chủng vi sinh vật đã được sử dụng để hoà tan các kim loại quý từ các quặng nghèo hoặc từ các bãi chứa xỉ quặng. - Vi sinh vật có hại thường gây bệnh cho người, cho gia súc, gia cầm, tôm cá và cây trồng. Chúng làm hư hao hoặc biến chất lương thực, thực phẩm, vật liệu, hàng hoá. Chúng sản sinh các độc tố trong đó có những độc tố hết sức nguy hiễm. Chỉ riêng sự tấn công của virut HIV cũng đủ gây ra ở 50 triệu người nhiễm HIV. Cuối thế kỷ XX khoảng 30 triệu người nhiễm.  Các loại vi sinh vật - Các VSV hiếu khí: Bacillus mycoides – là loại trực khuẩn có kích thước rất lớn; Bacillus mensentericus và Bacillus megatherium – có khả năng tạo ra protease rất mạnh, khi phân giải tạo nhiều H2S; Bacillus subtilis – có khả năng phân giải protein rất mạnh, phân bố rộng trong tự nhiên; Bacillus cereus – tạo ra bào tử, có khả năng phát triển ở nhiệt độ cao; Psedudomonas fluorescens – trực khuẩn tạo bào tử, có khả năng di động nhờ chùm tiêm mao, có khả năng tạo sắc tố màu lục… - Các VSV yếm khí: Clostridium putrifidicum – có khả năng tạo bào tử, bào tử này rất bền nhiệt; Clostridium sporogenses – có khả năng chuyển động vào tạo bào tử…. - Các VSV tùy nghi: Proteus vulgaris – là loại trực khuẩn có kích thước rất nhỏ, chúng có tiêm mao nên có khả năng vận chuyển, có khả năng sinh tổng hợp proteas cao; Bacillus coli – không có khả năng tạo bào tử, không có năng phân giải protein nguyên thể mà chỉ có khả năng phân giải các peptit ngắn hoặc các sản phẩm trung gian của quá trình phân giải protein….. II. Tổng quan về xăng sinh học 1.Khái niệm và lịch sử của xăng sinh học Xăng sinh học - Nhiên liệu sinh học (Biofuel hay Agrofuel) là loại chất đốt tái tạo sản xuất từ nguyên liệu động thực vật gọi là sinh khối (biomass). Gọi là “tái tạo” (renewable) vì chất đốt cơ bản Carbon (C) nằm trong chu trình lục hoá (photosynthesis) ngắn hạn, đốt nhiên liệu sinh học phát thải khí CO2, rồi thực vật canh tác hấp thụ lại CO2 đó, để tạo thành sinh khối chế biến nhiên liệu sinh học, trên lý thuyết coi như không làm gia tăng CO2 trong khí quyển. Nhiên liệu sinh học có thể ở thể rắn như củi, than củi (than đá thuộc loại cổ sinh, không tái tạo); thể lỏng (như xăng-sinh học, diesel-sinh học); hay thể khí như khí methane-sinh học (sản xuất từ lò ủ chất phế thải). Nhiên liệu ở thể lỏng được ưa chuộng hơn vì có độ tinh khiết cao, chứa nhiều năng lượng, dễ dàng chuyên chở, dễ tồn trữ và bơm vào bình nhiên liệu của xe. Xăng sinh học đề cập trong bài này gồm VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí xăng-ethanol (E) và diesel-sinh học (ở Việt nam gọi là B), tương ứng với xăng cổ sinh biến chế từ dầu mỏ là xăng (gasoline) và diesel. - Khuynh hướng sản xuất xăng sinh học đang trên đà phát triển, vì nhiều lý do:  giá xăng cổ sinh ngày càng mắc;  trữ lượng dầu hoả ở các mỏ dầu có giới hạn và sẽ kiệt quệ trong tương lai (khoảng năm 2100);  nhiều quốc gia muốn tuỳ thuộc ít vào việc nhập cảng nhiên liệu cổ sinh trong khi quốc gia họ có khả năng sản xuất nhiên liệu thay thế, và  bị áp lực chính trị phải giảm lượng khí CO2 sa thải để phù hợp với Thoả hiệp Kyoto (1997) quy định. Nhưng sản xuất và sử dụng xăng sinh học có phải là một biện pháp hữu hiệu để cứu vãn tai hoạ khí hậu toàn cầu không? Lịch sử - Nhiên liệu sinh học ở thể rắn (gỗ, củi, than củi, phế thải thực và động vật, v.v.) đã được loài người sử dụng từ khi khám phá ra lửa. Khi phát minh ra động cơ hơi nước (steam engine) và máy phát điện, nhiên liệu sinh học thể rắn (gỗ) được sử dụng một thời để phát triển kỹ nghệ ở thế kỷ 18 và 19, và gây nhiều ô nhiễm. Ở Việt Nam, xe lưả chạy bằng việc đốt gỗ cho tới khoảng 1956 mới được thay thế bằng động cơ diesel. Ngày nay có khoảng 2 tỷ dân đốt nhiên liệu sinh học ở thể rắn như gỗ, củi, trấu, mạt cưa, rơm rạ, lá khô, v.v. Mặc dầu chứa carbon tái tạo, nhưng cho nhiều khói, tro bụi, bù hóng nên làm ô nhiễm môi trường. - Động cơ nổ đầu tiên trên thế giới do Nikolaus August Otto (người Đức) thiết kế sử dụng nhiên liệu sinh học thể lỏng là rượu cồn – ethanol, Rudolf Diesel (người Đức) phát minh động cơ Diesel thiết kế chạy bằng dầu đậu phộng (groundnut oil), và Henry Ford (Mỹ) thiết kế xe hơi chạy bằng dầu thực vật (từ 1903 đến 1926) chế biến từ dầu chứa trong hạt và thân cây cần sa (hemp - Cannabis sativa). - Từ khi khám phá ra nhiên liệu cổ sinh (than đá, dầu hoả, khí đốt) thì ngành kỹ nghệ sử dụng nhiên liệu cổ sinh, vì có hiệu quả kinh tế hơn. Tuy nhiên mỗi khi có chiến tranh, bị địch phong toả khó chuyển vận dầu, hay thế giới có khủng hoảng chính trị, kinh tế, và để không tuỳ thuộc vào dầu hoả nhập cảng (từ Trung Đông), khuynh huớng sử dụng xăng sinh học lại bộc phát trong những thời kỳ này. Chẳng hạn, Đức và Anh Quốc sản xuất xăng sinh học từ khoai tây và lúa mì trong thời kỳ Đệ nhị Thế Chiến. Khủng hoảng xăng dầu năm 1972 do khối OPEC gây ra, làm một số quốc gia có chủ trương tự túc nhiên liệu bằng cách sản xuất xăng sinh học từ tiềm năng nông nghiệp đồ sộ của mình. Brazil tiêu biểu cho chính sách này. - Kể từ 2000, các quốc gia trên thế giới lần lượt thật sự tuân thủ Thoả hiệp Rio de Janeiro (1992), rồi Kyoto (1997), tìm kỹ thuật hạn chế phát thải khí nhà kính (CO2, methane, N2O, v.v.) của nhiên liệu cổ sinh, thay thế bằng năng lượng xanh (green energy như năng lượng mặt trời, gió, thuỷ điện, v.v.), nên nhiên liệu sinh học đang trên đà bộc phát. 2. Các loại xăng sinh học thông dụng hiện nay Xăng-Ethanol (E) thông dụng nhất hiện nay trên thế giới vì dễ dàng biến chế từ đường (mía, củ cải đường, sorgho-đường) và tinh bột ( ngũ cốc, khoai tây, khoai mì). - Ethanol (C2H5OH) 99.9% có thể chạy động cơ xe hơi chạy bằng xăng. Khi cháy, một phân tử ethanol sinh một nhiệt lượng 1409 kJ. Tuy nhiên, Ethanol chứa 33% năng VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí lượng ít hơn xăng cổ sinh, nên cần nhiều ethanol hơn để xe chạy cùng một đoạn đường. Vì vậy, xe phải có bình chứa nhiên liệu lớn hơn. Thông thường, máy xe hơi chạy hiệu nghiệm với E15 (xăng pha 15% ethanol). Xăng chứa ethanol chứa nhiều octane hơn xăng thường nên động cơ mau nóng hơn, máy cũng mau hao mòn hơn, nhất là các vòng đệm cao su. Bất lợi của Ethanol là hút ẩm nên xăng-ethanol có chứa nhiều nước, làm máy khó “đề”, làm rỉ sét kim loại, hư mòn chất nhựa (plastic), nên đòi hỏi phải thay đổi vật liệu làm động cơ, phải bảo trì xe thường xuyên. Bồn chứa ethanol cũng phải làm từ kim loại đặc biệt, việc chuyên chở cũng khó khăn hơn xăng thường (bồn đặc biệt, đắt hơn, khoảng £120,000/xe bồn xăng ở Anh – USD 200,000), nên cuối cùng tổn phí cao (tại Anh, tổn phí sản xuất khoảng 35 pence/lít – 60 cents/lít). Nói tóm lại, nếu tính từ lúc canh tác cây, phân bón, thuốc sát trùng, tưới nước, thu hoạch, lên men, chưng cất cho tới khi sử dụng, biến cải xe hơi, v.v. thì chạy xe bằng xăng-ethanol tốn kém hơn chạy bằng xăng thường. - Ngày nay mọi hiệu xe hơi đều có thể chạy xăng-ethanol E10 (xăng thường pha 10% ethanol), tuy nhiên để bảo đảm máy móc, khuyến cáo nên dùng xăng-ethanol E5 (Xăng pha 5% ethanol). Một vài loại động cơ xe hơi cải biến sử dụng xăng-ethanol E85 như ở Brazil. Cách đây một năm (2007), các trạm bán xăng thuộc một hệ thống siêu thị lớn ở Anh đã lầm lẫn bơm xăng-ethanol E85 vào các trạm bán xăng thông thường, làm cháy hỏng máy mấy ngàn chiếc xe hơi và phải bồi thường cho khách hàng. - Xăng pha với ethanol thải ít khí nhà kính hơn xăng thường. Chẳng hạng E85 phát thải 1 ppm khí NO2 trong khi xăng cổ sinh thải 9 ppm. Nguy cơ bị ung thư ít hơn khi hít phải khí thải của xăng cổ sinh. Butanol (C4H10O) cho nhiều năng lượng hơn ethanol và có thể đổ thẳng vào bình xăng xe mà không cần biến chế gì thêm. Chế biến từ dầu mỏ, hay từ lên men nguyên liệu sinh khối do vi khuẩn Clostridium acetobutylicum. Methanol (CH3OH), còn gọi methyl-alcohol được điều chế từ khí methane (CH4) của khí đốt của mỏ dầu. Methanol cũng được biến chế từ chất hữu cơ động thực vật qua phương pháp đun trong bình kín (không có oxy và hơi nước) ở nhiệt độ cao (pyrolysis). Diesel sinh học: - Theo phòng thí nghiệm Năng Lượng Tái Tạo Hoa Kỳ (U.S. National Renewable Energy), đốt diesel-sinh học thải 50% carbon monoxide (CO) và 78% carbon dioxide (CO2) ít hơn diesel. Cũng không có sa thải Sulphur SO2. Diesel-sinh học có những đặc tính vật lý tương tự diesel, thành phần hoá học chánh là acít béo - Fatty acid methyl (hay ethyl) ester. Diesel-sinh học chứa ít năng lượng hơn, nhiệt độ bắt cháy là 150°C, trong khi diesel là 70°C. - Dầu thực vật khi hun nóng thì trở nên lỏng, nhờn hơn, nên có thể chạy máy diesel. Dầu thực vật trích từ các thực vật chứa nhiều dầu như hột cải dầu (Oil seed rape), dừa dầu (oil palm), dừa (coconut), đậu nành (soyabean), đậu phộng (groundnut), bông vải (cotton), hạt cao su (rubber), hướng dương (sunflower), cây và hột cần sa (hemp, Cannabis sativa), v.v. Tảo và trái dầu lai (Jatropha curcas) là những nguồn dầu thực vật quan trọng mới ngày nay. VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí - Thông thường, để cho động cơ an toàn, diesel-sinh học được pha với diesel. Tuy nhiên, các loại dầu ăn tinh khiết bán trên thị trường, hay đã sử dụng, đều có thể thay thế diesel để chạy động cơ diesel loại củ (chỉ cần thay thế bộ phận bơm injection). Hiện nay nhiều loại xe hơi hiện đại có động cơ chạy được với dầu ăn nguyên chất, hay diesel-sinh học 100%. Chẳng hạn, động cơ xe hơi MAN B &W Diesel, Wartsila và Deutz AG có thể chạy từ dầu ăn nguyên chất. Dầu đã sử dụng (từ trong các tiệm Fast Food) chỉ cần lọc cặn và loại phần nước (do thức ăn chiên xâm nhập) thì chạy được xe hơi. Xe Đức Volkswagen cũng chạy được với diesel-sinh học 100%. Tuy nhiên, các hãng làm xe hơi khuyến cáo là nên pha 15% diesel-sinh học với 85% diesel để xe ít bị hao mòn. Các nước Âu Châu hiện nay bán diesel pha 5% diesel-sinh học ở mọi trạm xăng. - Ở Hoa Kỳ, hơn 80% xe vận tải và xe bus đều chạy bằng diesel-sinh học, và càng ngày sử dụng diesel-sinh học càng gia tăng, 25 triệu gallons năm 2004, 78 triệu gallons năm 2005, và khoảng 1 tỷ gallons vào 2007. Xe chở hàng và xe bus ở Âu châu đều chạy bằng diesel-sinh học. 3. Nguồn nguyên liệu chế biến xăng sinh học - Tất cả thực vật lục hoá đều có thể biến chế thành xăng sinh học. Cây nông phẩm chứa đường gồm mía, củ cải đường; nông phẩm chứa tinh bột gồm hạt ngũ cốc như lúa mì, lúa, bắp, sorgho, v.v.; củ như khoai tây, khoai mì, khoai lang. Mía có hiệu quả kinh tế nhất vì cho năng suất thân (khoảng 170-200 t/ha ở Brazil, 80100 t/ha ở Úc, Việt Nam khoảng 35-50 t/ha), biến chế ethanol thẳng từ nước ép, bã mía dùng làm năng lượng chạy máy ép và chưng cất ethanol. Mía sản xuất trung bình 15,500 lít ethanol/ha/năm, và cứ 1 tấn chất khô mía sản xuất được 438 lít ethanol. Brazil sản xuất ethanol chính từ mía.  Nông phẩm chứa dầu như đậu nành (sản xuất 379 kg dầu/ha/năm, hay 450 lít dầu/ha/năm), đậu phộng (sản xuất 887 kg dầu/ha/năm), hột-cải-dầu (hột chứa 55% dầu; sản xuất 999 kg dầu/ ha/năm, hay 1,188 lít/ha/năm), hạt bắp (140 lít dầu/ha/năm), v.v.  Cây kỹ nghệ cho dầu như dừa dầu (oil palm, sản xuất 7,061 kg dầu/ha/năm), dừa (coconut, sản xuất 2,260 kg dầu/ha/năm), cây dầu lai (Jatropha curcas, sản xuất 1,588 kg dầu/ha/năm), thầu dầu (castor bean, sản xuất 1,188 kg dầu/ha/năm), hướng dương (sunflower, sản xuất 801 kg dầu/ha/năm, hay 954 l/ha/năm), safflower (556 l/ha/năm), v.v.  Thực vật hoang dại: tảo (algae) nước ngọt, tảo biển, lục bình (Eichornia crassipes), cỏ Vetiver, cỏ voi (elephant grass, Pennisetum purpureum, sản xuất 13,700 lít ethanol/ha/năm), lác (Cyperus), cỏ tranh (Imperata cylindrica), v.v.  Phó sản thực vật từ sản xuất cây nông phẩm và cây kỹ nghệ: rơm rạ, bã mía, thân, gỗ, mạt cưa, trấu, hột cao su (sản xuất 217 kg dầu/ha/năm), hạt bông vải (sản xuất 273 kg dầu/ha/năm.  Giấy phế thải: 1 tấn giấy cũ sản xuất khoảng 416 lít ethanol.  Rác thành phố: 1 tấn rác sản xuất khoảng 227 lít ethanol.  Uế thải chuồng trại gia súc: phân chuồng (tạo methane-sinh học rồi chế methanol). 4. Ưu nhược điểm của xăng sinh học VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí  Ưu điểm: * NLSH có thể giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đắt đỏ, đang cạn kiệt: - Do NLSH có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch sử dụng trong các phương tiện giao thông và các thiết bị năng lượng, triển vọng của loại nhiên liệu này là sáng sủa, đây là loại nhiên liệu bền vững thay cho các nguồn năng lượng hóa thạch đắt đỏ đang bị cạn kiệt. - Loại nhiên liệu này có thể xuất hiện trong một phạm vi nhất định, nhưng vẫn không khắc phục được tình trạng “đói nhiên liệu” đang gia tăng hiện nay trên thế giới. * NLSH có thể giải quyết các vấn đề biến đổi khí hậu: - Các cây trồng nông nghiệp và các nguyên liệu sinh khối khác được coi là các nguyên liệu góp phần làm trung hòa cácbon bởi chu kỳ sống thực tế của nó, thực vật thu cácbon điôxit thông qua quá trình quang hợp.Tuy nhiên, các nguyên liệu đầu vào sử dụng trong quá trình sản xuất NLSH được coi là nguyên liệu tái tạo và có khả năng làm giảm phát thải khí nhà kính (GHG). - Tuy nhiên, cho dù các nhiên liệu đầu vào tự chúng có khả năng trung hòa cácbon, thì quá trình chuyển đổi các vật liệu thô thành NLSH có thể gây phát thải cácbon vào khí quyển. Vì vậy, NLSH phải góp phần vào giảm phát thải các bon, chúng phải được chứng minh giảm thải thực sự GHG trong tất cả chu trình sản xuất và sử dụng NLSH. * NLSH có thể tăng cường an ninh năng lượng quốc gia: - Sự phụ thuộc vào dầu nhập khẩu có thể không những làm suy kiệt dự trữ ngoại tệ của quốc gia, mà còn tạo ra sự mất ổn định về an ninh năng lượng của quốc gia đó. Từ khi NLSH được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu bản địa của nhiều nước châu Á, loại nhiên liệu này có vai trò là nhiên liệu thay thế cho các nhiên liệu hóa thạch có thể giảm sự phụ thuộc nhập khẩu dầu và tăng cường an ninh năng lượng quốc gia. - Tuy nhiên, điều quan tâm là một số nước đang bị lôi cuốn bởi nhiều hứa hẹn về an ninh năng lượng hơn và họ tiếp tục bỏ chi phí để đảm bảo an ninh của các nhu cầu khác nữa như an ninh lương thực, an ninh về nguồn cung cấp nước và không quan tâm tới việc bảo vệ các nguồn tài nguyên thiên nhiên như rừng tự nhiên và sự đa dạng sinh học của chúng. * NLSH có thể hình thành sự tham gia của các xí nghiệp nhỏ và vừa(SMEs): - Khác với nhiên liệu dầu và khí, thậm chí là than cần phải xây dựng cơ sở hạ tầng lớn để khai thác và xử lý, với sự tham gia của các tập đoàn lớn và các công ty đa quốc gia, việc sản xuất NLSH sẽ không đòi hỏi đầu tư và xây dựng các nhà máy xử lý tổng hợp lớn. Vì vậy, đầu tư và quy trình sản xuất NLSH có thể nằm trong phạm vi SMEs có thể chấp nhận được. Dựa vào nguyên liệu đầu vào và khả năng đầu ra, công suất của các nhà máy sản xuất NLSH có thể thiết kế phù hợp với yêu cầu đặc thù. Các hoạt động sản xuất NLSH dựa vào các nguyên liệu nông nghiệp hoặc các hệ thống modul VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí có thể được thực hiện để sản xuất NLSH phục vụ cho tiêu thụ cục bộ của các thiết bị có động cơ tại các trang trại. Đầu tư cho NLSH có thể mở ra các cơ hội tham gia của các công ty trong nước. * NLSH có thể đóng góp vào phát triển kinh tế- xã hội của các cộng đồng địa phương và các ngành kinh tế đang phát triển: - Vai trò của ngành nông nghiệp trang trại trong dây chuyền sản xuất NLSH sẽ mở ra cơ hội cho các cộng đồng địa phương kết hợp hoạt động và thu được các lợi ích nhất định để có thể tạo ra phát triển kinh tế-xã hội. Việc trồng rừng, kích thích và thu hoạch nhiên liệu đầu vào như cây mía, ngô, sắn và dầu cọ đòi hỏi phải tăng lực lượng lao động và các công việc thủ công. Việc mở rộng sản xuất nông nghiệp do tăng nhu cầu các nguyên liệu thô cho sản xuất NLSH có thể tạo ra việc làm mới và thu nhập nhiều hơn cho nông dân. Tạo cơ hội việc làm trong sản xuất NLSH là rất lớn. Ví dụ sản xuất NLSH từ cây Jatropha Curcas (cây dầu mè) làm nhiên liệu đầu vào được trồng như loại cây trồng chyên dụng để sản xuất diezel sinh học, một diện tích cây mè 10000 ha có thể thu được 30 triệu lít dầu diezel sinh học/năm có thể tạo ra 4000 việc làm trực tiếp. - Xét về góc độ tạo việc làm trực tiếp của các thành viên trong hộ gia đình, cho thấy tác động của ngành công nghiệp này đối với cộng đồng địa phương là rất to lớn. - Việc tạo ra việc làm mới và các doanh nghiệp có thể tạo ra các hoạt động khác đem lại các lợi ích kinh tế-xã hội khác nữa cho cộng đồng. Nhiều hoạt động kinh tế xuất hiện sẽ tạo ra lợi nhuận cho các chủ doanh nghiệp tại địa phương. Cơ sở hạ tầng hoàn chỉnh có thể tạo ra đường xá mới hoặc được nâng cấp, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển các nhiên liệu đầu vào phục vụ cho sản xuất. Kỹ năng làm việc của nhiều công nhân làm việc trong các dự án được nâng cao, tăng năng lực của các thành viên trong cộng đồng. Hơn nữa, lợi ích kinh tế mà các cộng đồng được hưởng có thể lan tỏa và tạo ra các lợi ích xã hội khác nữa, như các dịch vụ chăm sóc sức khỏe, giáo dục, phúc lợi xã hội và các dịch vụ công cộng…. - Bằng việc quản lý phù hợp, an toàn và linh hoạt trong các điều kiện văn hóa, nhân khẩu học và nhân chủng học tại địa phương, sản xuất NLSH có khả năng tạo ra phát triển kinh tế-xã hội tốt hơn đối với cộng đồng và đặc biệt là đóng góp vào công cuộc giảm đói nghèo.  Nhược điểm: - Mặc dù xăng sinh học thải ít khí nhà kính hơn xăng cổ sinh, tường trình của Viện Nghiên Cứu EMPA Thuỵ Sĩ cũng cho biết là có 12 loại xăng sinh học có ảnh hưởng xấu trầm trọng vào môi sinh thế giới hơn xăng cổ sinh, trong số đó là ethanol biến chế từ bắp của Hoa Kỳ, từ mía của Brazil, diesel sinh học từ đậu nành của Brazil và từ dừa dầu của Mã Lai và Indonesia. - Nhà khoa học được giải thưởng Nobel là Paul Crutzen cho biết lượng khí N2O thải từ đốt xăng sinh học chế từ dầu cải, dừa dầu và bắp góp phần vào gia tăng nhiệt toàn cầu còn mãnh liệt hơn đốt nhiên liệu cổ sinh, bởi vì xăng sinh học thật sự thải vào VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí không khí nhiều khí nhà kiếng hơn xăng cổ sinh. Nếu chỉ tính từ việc đốt xăng thì xăng sinh học quả thật cho ít khí nhà kiếng, nhưng nếu tính từ lúc sửa soạn đất đai, canh tác, phân bón, thuốc sát trùng, tưới nước, thâu hoạch, chế biến v.v. để thành xăng sinh học, tất cả các khâu này đều cần rất nhiều năng lượng lấy từ nhiên liệu cổ sinh, thì sử dụng xăng sinh học, vừa đắt tiền hơn, vừa sa thải nhiều khí nhà kính hơn xăng cổ sinh, chưa kể tai hại thảm khốc vào môi sinh khi phá thêm rừng Amazon của Nam Mỷ (để trồng thêm mía và đậu nành), rừng nhiệt đới ở Đông Nam Á (để trồng dừa dầu) và Phi châu (bắp, sorgho), khai khẩn đất than bùn ở Âu Châu (củ cải đường). Chẳng hạn, để sản xuất ethanol từ bắp ở Hoa Kỳ, người ta tính rằng cần tới 35 % năng lượng nhiều hơn (kể từ khi gieo đến khi thành ethanol) số năng lượng mà ethanol cho ra khi đốt. Trung bình, để sản xuất được 1 lít ethanol 95% từ bắp thì cần 1.1 lít xăng cổ sinh để canh tác và biến chế. Tuy nhiên, số năng lượng để sản xuất ethanol từ bắp này, thay vì lấy từ nhiên liệu cổ sinh, nay có thể lấy từ nguồn năng lượng tái tạo khác như mặt trời, gió, hay sinh khối v.v. Ngoài ra, hiệu quả năng lượng chạy động cơ của diesel sinh học biến chế từ hạt hướng dương chỉ bằng 46% tổng năng lượng để tạo ra (kể từ lúc gieo trồng). Năng lượng chế tạo ra diesel sinh học từ đậu nành (kể từ gieo trồng) cao gấp 3.2 lần năng lượng cần để khai thác xăng cổ sinh. Đại học Princeton (Hoa Kỳ) cũng cho biết thay vì tiết kiệm 20% khí CO2 thải vào khí quyển, canh tác bắp và phương pháp biến chế xăng-ethanol hiện nay thật sự làm gia tăng gấp đôi khí nhà kính (Science, 2008, Vol. 319, No. 5867, trang 1238-1240). - Xăng sinh học cạnh tranh với nông phẩm của người và gia súc, làm giá nông phẩm gia tăng trên thị trường thế giới hiện nay (khoảng 50% so với 3 năm trước đây), làm ảnh hưởng đến chăn nuôi gia súc và tôm cá, làm cạn kiệt kho thực phẩm an toàn của thế giới. Để có lợi nhuận nhiều, nông dân ở Hoa Kỳ và Âu châu chuyển hướng giảm diện tích lúa mạch (barley, làm rượu bia, không lợi để làm ethanol), đồng cỏ để trồng bắp, lúa mì, củ cải đường. Ngoài ra, vì để sản xuất xăng sinh học các quốc gia giàu đã giảm viện trợ nông phẩm thặng dư cho các nước nghèo đói. Chẳng hạn, trung bình hàng năm Anh quốc sản xuất thặng dư 3.5 triệu tấn lúa mì, số lượng này đủ tạo xăngethanol cung ứng 3.5% xăng tiêu thụ ở Anh quốc. Thay vì số lúa mì này bán cho chính phủ trong chương trình viện trợ dân nghèo ở Phi Châu như trước kia, nông dân bán cho các công ty sản xuất xăng-ethanol. Chương trình viện trợ nông phẩm thặng dư của Hoa Kỳ PL 480 (Thực phẩm cho Hoà bình, Food for Peace) cho các quốc gia nghèo cũng bị ảnh hưởng tương tự. - Gia tăng phá rừng. Hiện nay, khoảng 12 triệu ha – tức khoảng 1% diện tích canh tác toàn thế giới – được dùng sản xuất xăng-sinh học: mía và bắp để biến chế ethanol; dầu hạt cải (oil seed rape) và dừa dầu (oil palm) để biến chế diesel-sinh học. Năng lượng dùng canh tác phải tính từ lúc cày xới, máy gieo hạt, phân bón, thuốc sát trùng, tưới nước, máy thâu hoạch, phơi sấy khô, lên men, chưng cất v.v. Tổng số năng lượng này cao hơn năng lượng sinh ra từ xăng-sinh học. Ngoài ra, khi phá rừng, cày xới đất, chất hữu cơ trong đất bị thiêu huỷ và lượng CO2 thải vào khí quyển rất lớn. - Nghiên cứu của Đại Học Minnesota (Hoa Kỳ) cho biết phá rừng nhiệt đới (như Brazil, Malaysia, Indonesia hiện nay), biến cải đất than bùn và đồng cỏ (như Hoa Kỳ và Âu Châu hiện nay) để canh tác cho mục tiêu xăng sinh học sẽ là một tai hoạ cho thế VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí giới, vì sẽ sa thải CO2 vào khí quyển từ 17 đến 420 lần nhiều hơn số lượng của số xăng cổ sinh tương đương sa thải. Các nghiên cứu gần đây cho biết cứ mỗi ha rừng nhiệt đới bị phá huỷ để trồng dừa dầu hay bắp hay đậu nành, khoảng 700 tấn CO2 phóng thích vào không khí, và lượng CO2 tiết kiệm được từ sử dụng xăng sinh học chỉ là một phần nhỏ, phải mất 300 đến 400 năm mới huề vốn CO2 này (Science, 2008, Vol. 319, No 5867, trang 1235-1238). - Thế giới sẽ không còn đất để sản xuất nông phẩm, bởi vì, giả sử rằng Hoa Kỳ muốn tự túc bằng sử dụng hoàn toàn xăng-sinh học, thì cần phải sử dụng 75% diện tích canh tác của toàn thế giới để canh tác mới đủ xăng sinh học cho Hoa Kỳ. - Vì vậy, sản xuất xăng sinh học từ sản phẩm lương thực của con người và gia súc, chuyển hướng lấy đất màu mỡ vốn trồng cây lương thực, việc phá rừng, phá đồng cỏ, cải tạo đất than bùn để canh tác sản xuất nguyên liệu biến chế xăng-sinh học, dùng nhiên liệu cổ sinh để canh tác và biến chế xăng sinh học sẽ là tai hoạ cho nhân loại chứ không phải là vị cứu tinh để thoát khỏi ám ảnh hâm nóng toàn cầu. - Xăng sinh học thật sự là vị cứu tinh nếu được biến chế từ các phế thải rác rến thành phố, dư thừa thực vật (rơm, rạ,..), phó sản của nhà máy (mạt cưa, trấu, bã mía...), từ thực vật hoang dại, hay thực vật được canh tác trên vùng đất biên tế không thích ứng cho cây lương thực. Năng lượng để sản xuất và biến chế xăng sinh học cũng phải “xanh”. III. Các phương pháp chế biến xăng sinh học - Trên nguyên tắc, bất cứ chất vật liệu sinh học nào chứa nhiều Carbon, hoặc dưới dạng đường, tinh bột, cellulose đều có thể chế biến thành ethanol, hoặc chứa nhiều acid béo thì chế biến diesel-sinh học được. Thông thường nhất là từ thực vật có khả năng lục hoá – biến CO2 của khí quyển thành chất đường, tinh bột, cellulose, rồi protides, lipids, v.v. Trung bình cứ mỗi phân tử CO2 cây hấp thụ và biến chế qua lục hoá thành sinh khối chứa 114 kilocalories. Khó khăn kỹ thuật hiện tại là làm sao biến toàn thể năng lượng C chứa trong sinh khối thành xăng-sinh học. Với kỹ thuật hiện nay (cổ điển), có 2 phương thức hữu hiệu:  Cho lên men (nhờ men và enzymes trong điều kiện yếm khí) chất đường (từ mía, củ cải đường, v.v.), tinh bột [từ hạt ngũ cốc (bắp, lúa, lúa mì, v.v.) và củ (khoai tây, khoai mì, v.v.)], hay cellulose để tạo ra rượu Ethanol (C2H5OH), Propanol [CH3CH2CH2OH; (CH3)2CHOH] và Butanol (C4H10O).  Trích dầu từ thực vật giàu chất dầu, hay mở từ động vật (ép với áp suất cao và nhiệt, hay bằng dung môi, hay phối hợp cả hai). - Về phương diện kỹ thuật (và kinh tế), chia làm 3 loại nguyên liệu:  Công nghệ xăng sinh học thế hệ 1: chế biến từ đường (mía, củ cải đường, sorgho-đường) và tinh bột của nông phẩm (từ hạt của bắp, lúa mì, lúa, v.v., hay từ củ như khoai tây, khoai mì, v.v.) để tạo ethanol; hay từ dầu (của hạt dừa dầu, đậu nành, đậu phộng, v.v.) để biến chế diesel-sinh học. Kỹ thuật đơn giản và kinh tế nhất.  Công nghệ xăng sinh học thế hệ 2: từ cellulose, chất xơ của dư thừa thực vật (rơm, rạ, thân bắp, gỗ, mạt cưa, bã mía, v.v.), hay thực vật hoang (non-crop) (như cỏ voi, vetiver, lục bình). Chẳng hạn, một ha mía cho khoảng 25 tấn bã mía (bagasse, xác mía sau khi ép), và mỗi tấn bã mía sản xuất 285 lít ethanol. VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí Kỹ thuật hiện nay chưa hoàn hảo, hiệu năng còn kém, con men chưa hữu hiệu và giá đắt, chỉ một phần cellulose và lignin biến thành ethanol, nên giá thành sản xuất còn cao.  Công nghệ xăng sinh học thế hệ 3: từ tảo (algae), kỹ thuật đang phát triển. 1. Biến chế từ đường. - Kỹ thuật dễ dàng, hiệu năng cao, và ít tổn phí nhất là cho lên men (yếm khí) từ đường, hay nước mật (molasse), hay trực tiếp từ nước mía ép, hay nước củ cải đường ép, như theo lối thủ công hay công nghiệp xưa nay. Ngày nay đã tuyển chọn được nhiều dòng men hữu hiệu, biến đường thành nhiều rượu hơn. Mặc dù tổn phí biến chế thấp, nhưng đường và cả phụ phẩm nước mật là thức ăn của người và gia súc, có giá cao, nên ethanol biến chế từ đường có giá thành cao hơn ethanol sản xuất từ tinh bột. Theo lý thuyết, cứ 1 tấn đường sucrose sản xuất được 678 lít ethanol, tuy nhiên hiệu năng cao nhất hiện nay là 587 lít. 1 tấn đường đen cho 562 lít ethanol, 1 tấn đường cát cho 587 lít. Thân mía chứa khoảng 10-15% đường sucrose, thân cây sorgho-đường khoảng 15-23% sucrose, còn củ cải đường khoảng 16-18% sucrose. Trung bình, tại các nhà máy đường ở Hoa Kỳ, cứ sản xuất 100 kg đường thì cho ra 25 lít nước mật (molasse), nước mật có độ đường 49.2%. - Tại Hoa Kỳ, trung bình cứ 1 tấn mía (thân) sản xuất được 81 lít ethanol, 1 tấn nước mật (molasse) cho 289 lít ethanol. Năng suất mía trung bình toàn quốc ở Hoa Kỳ là 65 tấn/ha, cho khoảng 3.90 tấn đường. Riêng tại Hawaii năng suất tới 170 tấn thân mía/ha (vì mùa trồng dài hơn). Với các giống mía “cải biến di truyền” (GM, genetically modified) tại Brazil, năng suất tới 240 tấn mía/ha, với độ đường 14.6%. Năng suất mía tại Việt Nam khoảng 35 đến 50 tấn mía/ha. Trung bình 1 ha mía tại Brazil sản xuất được 5,600 lít ethanol, 1 ha củ cải đường tại Pháp sản xuất 6,700 lít ethanol, và 1 ha bắp ở Hoa Kỳ sản xuất 3,000 lít ethanol. Năng suất mía và đường ở Brazil tăng gấp đôi trong thời gian 30 năm 1975-2005, nhờ trồng giống cải thiện, nhất là các giống mía “cải biến di truyền” ngày nay. - VD: Sản xuất ethanol từ rỉ đường bao gồm các công đoạn sau: • Chuẩn bị dịch đường lên men • Gây men giống • Lên men • Chưng cất và tinh chế + Rỉ đường nguyên với hàm lượng chất khô hòa tan 55÷80% khối lượng (tương đương 80 ÷ 900 Bx). Khi nồng Bx quá cao thì độ nhớt lớn, xử lý không tốt, quá trình lên men kém hiệu quả do đó cần tiến hành pha loãng. Tuy nhiên nếu pha loãng quá nhiều, nồng độ Bx thấp sẽ tốn nhiều năng lượng. Do đó trước tiên rỉ đường sẽ được pha loãng đến độ Brix thích hợp (khoảng 45-500 Bx) và điều chỉnh pH. Sau đó tiến hành lên men, chuyển hóa đường thành cồn. Dịch đi ra khỏi thùng lên men gọi là dấm chín có nồng độ cồn thấp được chuyển qua khu chưng cất bao gồm chưng cất thô và chưng cất tinh để nâng độ cồn lên và thu cồn thành phẩm. Nếu sản xuất cồn nhiên liệu thì phải có thêm công đoạn tách nước làm khan cồn. VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí 2. Biến chế từ tinh bột. - Để biến chế ethanol từ tinh bột, tinh bột trước hết phải được điều chế thành đường, rồi từ đó mới lên men rượu. Hạt bắp chứa khoảng 70-72% tinh bột, hạt sorgho khoảng 68-70%, gạo 70-80%. Muốn vậy, hạt ngũ cốc được xay nghiền thành bột, pha với nước, nấu ở 70°C (để biến thành đường) rồi nấu chín ở 100-110°C (vừa diệt trùng vừa thêm đường), để nguội rồi trộn men, cho lên men 48 giờ ở nhiệt độ 36°C. Men dùng thường là vi nấm Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus oryzae, Mucor, Rhizopus, vi khuẩn Zymomonas mobilis. Sau đó, dùng máy ly tâm tách rời chất hèm để làm thức ăn gia súc. Phần chất lỏng, có độ cồn (rượu) 5-15%, được chưng cất ở lò chưng nhiều tầng để tăng độ cồn. Để đạt độ cồn 99.9%, trước đây dùng benzene và cyclohexane (đắt tiền, không tái sử dụng được, và độc gây bệnh) để loại nước. Kỹ thuật ngày nay dùng “chất sàng phân tử” (molecular sieve như silica gel, zeolite, hút thấm nước nhưng không hút rượu, vì rượu có phân tử lớn hơn) thay thế, rẻ tiền và hiệu quả hơn. Việt nam có mỏ Zeolite (một loại sét) ở vùng Lâm Đồng. - Một kỹ thuật mới được áp dụng hiệu quả hơn, không cần phải nấu tinh bột (tiết kiệm năng lượng) là sử dụng một loại men (yeast) mới, giúp lên men biến tinh bột thành đường ở nhiệt độ 32°C. - Trung bình, cứ 1 tấn bắp sản xuất được 409 lít ethanol. Hình 3: Một số vi sinh vật phân giải tinh bột VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí 3. Biến chế từ chất xơ. - Nói chung đó là cellulose, hemicellulose, lignin trong thân lá, rơm rạ, trấu, gỗ, v.v. Cellulose là đường polysaccharide, có công thức (C6H10O5)n, mà số n biến thiên từ 7,000 đến trên 15,000 phân tử glucose. Hemicellulose cũng là đường polysaccharides chứa khoảng 200 đơn vị đường, là thành phần của màng tế bào thực vật. Cây thực vật chứa khoảng 33% cellulose, gỗ khoảng 50%, riêng sợi bông vải (cotton) 90%. Động vật ăn cỏ, mối (termite) tiêu hoá được cellulose nhờ vi sinh vật sống cọng sinh trong bao tử (như Cellulomonas), một số vi khuẩn có khả năng biến cellulose ra đường, nhờ chúng sản xuất enzyme cellulase biến cellulose ra đường. - Vì vậy, để biến cellulose thành rượu, bắt chước theo bộ tiêu hoá của động vật ăn cỏ và mối, trước hết phải biến hoá cellulose ra đường đơn giản như hexose, pentose, bằng thuỷ phân (hydrolysis) nhờ một số acid (như trong dịch vị) và enzyme cellulase. Hemicellulose tương đối dễ dàng biến thành đường chứa 5C như Xylose (C5H10O5), nhưng xylose không biến chế thành ethanol được. Cũng vậy, với kỹ thuật hiện tại, chưa có cách biến lignin ra ethanol. Vì vậy trước tiên phải loại lignin và hemicellulose, chỉ còn lại thành phần cellulose. Loại lignin bằng sulfuric acid đậm đặc, hay bằng đun sôi trong nước với sodium carbonate, hay butanol. Cellulose sau đó cho lên men với cellulase ở nhiệt độ khoảng 71°C trong vài ngày để biến thành đường. - Hiện tại, sản xuất enzyme cellulase để biến cellulose thành đường khá phức tạp, tốn kém, chiếm khoảng 40% chi phí sản xuất rượu vì gồm 3 loại cellulases: VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí  Endo-p-glucanase, 1,4-ß-D-glucan glucanohydrolase, CMCase, phá huỷ các cầu của chuỗi cellulose để biến thành đường glucose và oligo-saccharide.  Exo-P-glucanase, 1,4-ß - D-glucan cellobiohydrolase, Avicelase, C1: biến thành đường cellobiose (C12).  ß-glucosidase, cellobiase: thuỷ phân đường cellobiose thành glucose. - Vi nấm Trichoderma sản xuất nhiều endo-ß-glucanase và exo-ß-glucanase, nhưng rất ít ß-glucosidase, ngược lại Aspergillus sản xuất nhiều endo-ß-glucanase và ßglucosidase, nhưng ít exo-ß- glucanase. Vì vậy, muốn có nhiều hiệu quả phải tuyển chọn nhiều dòng nấm. Kết quả cho biết dòng nấm Trichoderma reesei QM-9414 có hiệu quả tốt nhất trong việc biến cellulose thành đường. Trong số dòng này, tuyển chon lại thành dòng KY-746. Phương pháp sản xuất enzyme cellulase từ men Trichoderma reesei dòng KY-746 hữu hiệu và tương đối rẻ tiền và được sử dụng hiện nay. Ngày nay nhiều công ty sản xuất men rượu dùng kỹ thuật “cải biến di truyền” tạo được nhiều dòng men sản xuất enzyme cellulase, xylanase và hemicellulase. - Nguyên liệu chứa nhiều thành phần cellulose như bã mía (41% là cellulose), rơm lúa (35%), gỗ (40-50%) được thái nhỏ trước khi khử với NaOH (nồng độ khoảng 1 – 1.2 N) ở nhiệt độ 45°C trong 24 giờ, tiếp theo là rửa trong nước ấm để loại chất lignin. Dung dịch cellulose được cho lên men với Trichoderma reesei để biến cellulose thành đường. - Hiệu năng biến chế thành rượu ethanol từ chất xơ còn kém, chưa có hiệu quả kinh tế nhiều ở kỹ thuật hiện nay, vì sản xuất cellulase còn rất mắc, thời gian lên men lâu nên dễ bị nhiễm trùng làm hư cả bồn lên men. - Để tăng hiệu quả lên men biến các thành phần cellulose, lignin trong nguyên liệu thực vật thành xăng-sinh học, các nhà vi sinh học đã thành công cấy vào bộ máy di truyền (genome) của vi khuẩn Escherichia coli thêm 2 gen của vi khuẩn Zymomonas mobilis để giúp lên men chất đường và tinh bột thành ethanol, và một gen của vi khuẩn Acinetobacter baylyi để biến chất dầu trong thực vật thành diesel-sinh học. - Với kỹ thuật hiện tại, biến rơm rạ của lúa và ngũ cốc ra xăng sinh học chưa kinh tế. Các nhà khoa học Đài Loan thành công trong phòng thí nghiệm biến chế ethanol từ rơm lúa, cứ mỗi 10 kg rơm rạ lúa biến chế được 2 lít alcohol 99.5% để pha làm xăng sinh học (Taipei Times, 19/2/2008), nhưng phải mất vài năm nữa mới có thể sản xuất thương mại quy mô. Các nghiên cứu ở Trung quốc cho thấy xăng sinh học sản xuất từ rơm rạ mắc hơn xăng cổ sinh khoảng 250 USD/tấn. Ngày 14/1/2008, hãng General Motors của Hoa Kỳ tuyên bố hợp tác với đại công ty sản xuất ethanol Coskata để bắt đầu sản xuất quy mô ethanol từ thân bắp vào cuối năm 2008, và kể từ 2011 sẽ sản xuất 50 – 100 triệu gallons/năm, với giá 1 USD/gallon. - VD: QT biến rơm rạ của lúa và ngũ cốc ra xăng sinh học VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí Escherichia coli Acinetobacter baumannii Hình 4: Một số vi sinh vật phân giải chất xơ Trichoderma.reesei VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí 4. Biến chế diesel-sinh học - Diesel-sinh học được chế chế biến từ dầu thực vật hay từ mỡ động vật bằng phương pháp ester hoá. Dầu thực vật (hay mở) được trộn với sodium hydroxide (NaOH) và methanol (hay ethanol), cùng chất xúc tác (catalyst), phản ứng hoá học xảy ra, cho diesel-sinh học và glycerol. 1 phần glycerol được sinh ra khi tạo được 10 phần dieselsinh học. Trước đây, chất xúc tác lấy từ hoá chất của kỹ nghệ lọc dầu hoả, hay Acid sulphuric (đắt tiền và không tái tạo được). Ngày nay, đã khám phá thêm nhiều chất xúc tác mới hữu hiệu, rẻ tiền biến dầu thành nhiều diesel-sinh học hơn. 5. Điều chế Methanol - Điều chế rượu methanol từ khí methane (CH4) của khí đốt dầu hoả hay methane-sinh học. Một cách tổng quát, tất cả nguyên liệu sinh khối (biomas) đều chứa các nguyên tố chính Carbon (C), Hydrogen (H), Oxy (O), Nitrogen (N), Sulfur (S). - Lên men yếm khí trong lò ủ, chất hữu cơ huỷ hoại thành khí methane (CH4): CHONS + H2O  CH4 + CO2 + H2 + H2O + NH4 + HS + Khí methane sản xuất từ lò ủ yếm khí chiếm khoảng 65% và CO2 khoảng 35% thể tích. Sau đó, methane được tổng hợp thành ethanol, hay methanol. - Trong sản xuất kỹ nghệ, khí methane phản ứng với hơi nước ở áp suất 10-20 atmospheres (1-2 MPa) và 850°C với Nickel làm chất xúc tác sẽ cho ra Hydrogen và Carbon monoxide: CH4+ H2O → CO + 3 H2 VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí + Với một chất xúc tác khác (gồm hợp chất đồng, oxyd kẽm và nhôm), ở áp suất 50100 atmospheres (5-10 MPa) và 250°C, tổng hợp Hydrogen và Carbon monoxide tạo thành methanol: CO + 2 H2 → CH3OH Với kỹ thuật này cũng sản xuất được khí Hydrogen rẻ tiền, cũng là một nhiên liệu thể khí. - Một phương pháp khác là công nghệ khí hoá (gasification), phân hủy nhiệt nhiên liệu khối rắn để tạo ra nhiên liệu khí, dựa trên biến đổi plasma. Đun chất hữu cơ ở nhiệt độ rất cao, trong điều kiện không có oxy, để phá huỷ các “cầu nối” (bond) của phân tử hữu cơ thành “khí tổng hợp” (synthesis gas, syngas), rồi dùng các khí này biến chế ethanol hay diesel-sinh học. Trong trường hợp rác gia cư, dùng nhiệt độ cao (250°C) với áp suất thật cao (40 MPa hay 400 atmospheres) đủ để sản xuất khí tổng hợp. Chẳng hạn, cứ mỗi 10 kg vỏ bánh xe hơi cũ tạo được 15.4 lít ethanol. - Một khám phá mới của Đại học Arkansas (Hoa Kỳ) cho biết vi khuẩn kỵ khí Clostridium ljungdahlii trong bao tử gà có thể biến khí chứa 1C như methane (CH4), Carbon monoxide (CO) của lò ủ yếm khí thành methanol. Clostridium IV. VIỆT NAM VÀ XĂNG SINH HỌC. - Trong thời kỳ Đệ nhị thế chiến, xe hơi ở Việt Nam chạy ethanol chế biến từ gạo. Mặc dầu có nhiều mỏ dầu với trữ lượng rất khổng lồ (khoảng 600 triệu barrel ước tính năm 2006, 1 barrel » 159 lít), nhưng Việt Nam phải nhập cảng xăng và diesel cho xe cộ và kỹ nghệ còn phôi thai của mình. Chẳng hạn năm 2005, Việt Nam khai thác được 32,4 triệu tấn than và 18,5 triệu tấn dầu thô, nhưng đã phải nhập 11,45 triệu tấn xăng và diesel. - Trước trào lưu sử dụng xăng sinh họccủa thế giới, Việt nam cũng đã bị lôi cuốn theo trào lưu này. Từ cả chục năm nay, báo chí trong nước cũng thường đề cập đến việc phát triển xăng sinh họctrên thế giới, nhất là khi giá cả xăng dầu tăng vọt. Tháng 7/2006 tại Sài Gòn, và tháng 10/2007 tại Hà Nội, hàng trăm nhà khoa học và kinh doanh ở Việt Nam hội thảo chung quanh vấn đề xăng-sinh học. Qua các cuộc hội thảo này và báo chí trong nước vào thời điểm này thì chính phủ Việt Nam chưa chuẩn bị gì cho chiến lược, ngoài một số cá nhân chuyên gia và nhà kinh doanh có tầm nhìn xa, chạy trước thời cuộc. Chẳng hạn, về nguyên liệu thì bàn về sử dụng lúa gạo, mía VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí đường, để tạo ethanol; cây dầu lai (miền Bắc gọi là cây dầu mè – Jatropha curcas), mở cá ba sa (khoảng 40,000 tấn/năm). - Hội thảo cũng cho biết 3 lý do chính chưa phát triển ngành xăng sinh họclà:  Số lượng nguyên liệu sản xuất xăng sinh họclà tinh bột ngũ cốc, mật rỉ đường và mở cá ba sa còn hạn chế.  Chưa có đầu tư thích đáng vì chưa có hổ trợ của chính phủ.  Chính phủ chưa có chính sách. Chung qui, các nhà khoa học và nhà kinh doanh đang mong chờ chính phủ ban hành chính sách và luật lệ rõ ràng. Các công ty mía đường (như Lam Sơn ở Thanh Hoá), Sài Gòn Petro, Công ty Rượu Bình Tây, Công ty Chí Hùng, v.v. cũng đã có dự án sản xuất ethanol làm nhiên liệu, khi chánh phủ phất cờ cho phép. Tuy nhiên, hiện nay chưa có một nhà kinh doanh nào dám bỏ tiền vào nghiên cứu và đầu tư khi chính phủ chưa có chính sách quy định, chưa có phối hợp ăn khớp giữ các Bộ, thủ tục nhiêu khê: thủ tục đất đai canh tác thì quản lý bởi Bộ Nông nghiệp; quy định tiêu chuẩn sản xuất pha chế xăng sinh họcthì quản lý bởi Bộ Khoa học-Công nghệ; và sử dụng xăng dầu phải có ý kiếng của Bộ Giao thông-Vận tải, v.v. Theo báo “Khoa Học Phổ Thông” ngày 14/12/2006, thì “Bộ Công nghiệp VN đang xây dựng đề án “Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2020”, theo đó “Giai đoạn 2011-2015, sẽ phát triển mạnh sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế nhiên liệu truyền thống, mở rộng quy mô sản xuất và mạng lưới phân phối phục vụ cho giao thông và các ngành sản xuất công nghiệp khác. Đến năm 2020, công nghệ sản xuất sinh học ở VN sẽ đạt trình độ tiên tiến trên thế giới, với sản lượng đạt khoảng 5 tỷ lít xăng E10 và 500 triệu lít dầu biodiesel B10/năm” Ngày 20/11/2007, Thủ tướng chính phủ đã ký phê duyệt “Đề án phát triển nhiên-liệusinh-học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” trong đó đặt mục tiêu đến năm 2015, sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn, đáp ứng 20% nhu cầu xăng dầu của cả nước bằng xăng E5 (pha 5% cồn) và dầu B5 (Diesel pha 5% dầu sinh học), và đến năm 2025, đạt 1.8 triệu tấn, đáp ứng 100% nhu cầu của cả nước bằng xăng dầu pha nhiên liệu sinh học trên. Và khoảng thời gian từ nay đến 2010 là nghiên cứu và ban hành luật lệ liên quan đến sản xuất và sử dụng xăng-sinh học. Việt Nam với đất hẹp (diện tích canh tác khoảng 9.3 triệu ha), dân đông (85 triệu năm 2007, trung bình mỗi đầu người 0.11 ha), lại nghèo (GDP trung bình toàn dân là US$726/đầu người năm 2006, của nông dân chỉ khoảng 1/2), vùng sản xuất nông nghiệp chính là đồng bằng Cửu Long và Sông Hồng đã quá tải. Đất canh tác hiện nay phải tiếp tục sản xuất nông phẩm thiết yếu cho đời sống người dân (chánh yếu là lúa, hoa màu phụ, cây kỹ nghệ) để tự túc và xuất cảng. - Vì vậy Việt Nam phải tìm nguồn nguyên liệu thực vật nào để sản xuất xăng sinh học mà:  Không tranh giành đất đai với canh tác hoa màu, chăn nuôi gia súc, nuôi cá tôm hiện tại,  Không được phá thêm rừng,  Thích hợp trên diện tích đất bỏ hoang cằn cổi, sa mạc hoá, tổng cộng khoảng 10 triệu ha, gồm đất đồi trọc ở Miền Bắc (4.77 triệu ha), Bắc Trung Việt (1.9 triệu ha), phía Nam Trung Việt (1.63 triệu ha), và Tây nguyên (1.05 triệu ha),  Có hiệu quả kinh tế cao.  Tăng lợi tức, giúp xoá đói giảm nghèo cho nông dân. VnDoc - Tải tài liệu, văn bản pháp luật, biểu mẫu miễn phí
- Xem thêm -