Bộ môn Công nghệ Sinh học – Thực phẩm

1. Giới thiệu về nhiên liệu sinh học [8]
Trong số các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang sử dụng hiện nay, nhiên liệu sinh học đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩu nhiên liệu, do các lợi ích của nó.
Theo tính toán của các chuyên gia kinh tế năng lượng, dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm khoảng 60-80% cán cân năng lượng thế giới. Với tốc độ tiêu thụ như hiện nay và trữ lượng dầu mỏ hiện có, nguồn năng lượng này sẽ nhanh chóng bị cạn kiệt trong vòng 40-50 năm nữa. Diễn biến phức tạp của giá xăng dầu gần đây là do nhu cầu dầu thô ngày càng lớn và những bất ổn chính trị tại những nước sản xuất dầu mỏ. Để đối phó tình hình đó, cần tìm ra các nguồn năng lượng thay thế, ưu tiên hàng đầu cho các nguồn năng lượng tái sinh và thân thiện với môi trường.
Trong số các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang sử dụng hiện nay (năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân,…), năng lượng sinh học đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩu nhiên liệu, do các lợi ích của nó như: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, tận dụng nguồn nguyên liệu tại chỗ, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, không cần thay đổi cấu trúc động cơ cũng như cơ sở hạ tầng hiện có và giá thành cạnh tranh so với xăng dầu.
Nhiên liệu sinh học đã xuất hiện từ lâu, tuy nhiên mới được quan tâm trong các thập kỷ gần đây do ảnh hưởng của hiệu ứng nhà kính trên toàn cầu. Trước năm 2006, sản lượng nhiên liệu sinh học tăng trưởng chậm. Tuy nhiên, sản lượng nhiên liệu sinh học trên toàn thế giới đến giai đoạn 2006 - 2016 đã tăng từ khoảng 30 triệu tấn/năm lên khoảng 80 triệu tấn/năm [1].
Đến nay, nhiên liệu sinh học đóng góp vào cân bằng năng lượng toàn cầu khoảng 0,6%. Có 2 nguyên nhân chính dẫn đến nhiên liệu sinh học tăng trưởng chậm: thứ nhất là cho đến cách đây vài thập kỷ, nhiên liệu khoáng vẫn được sử dụng do chưa ý thức được biến đổi khí hậu gây ra bởi phát thải carbon dioxide; thứ hai là giá thành sản xuất nhiên liệu sinh học chưa cạnh tranh được với sản phẩm dầu mỏ. Giá dầu mỏ không ổn định, khó dự báo làm cho chính sách của các công ty năng lượng không nhất quán trong đầu tư. Những yếu tố quan trọng nhất quyết định giá thành là nguồn nguyên liệu và công nghệ chế biến.
Dựa vào nguồn nguyên liệu sinh khối, nhiên liệu sinh học được chia thành các thế hệ khác nhau, gồm thế hệ thứ nhất, thứ hai và thứ ba. Thế hệ thứ nhất - nguồn carbon cho nhiên liệu sinh học là đường, chất béo hoặc tinh bột được chiết xuất trực tiếp từ thực vật là những cây trồng cạnh tranh hoặc có khả năng cạnh tranh với cây lương thực. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai có nguồn gốc từ cellulose, hemicellulose, lignin hoặc pectin, ví dụ, phế thải hoặc phế phẩm trong nông - lâm nghiệp, hoặc các nguyên liệu thực vật được trồng không nhằm làm lương thực (rừng trồng ngắn ngày, một số loại cỏ…). Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba có nguồn gốc từ sinh vật thủy sinh tự nhiên (các loại tảo) hình thành nhờ ánh sáng, carbon dioxide và các chất dinh dưỡng được bổ sung vào môi trường sinh trưởng. Joshua Kagan [2] đã phân tích nhược điểm của nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất và thứ hai, đồng thời cho rằng nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba và thứ tư, đặc biệt là thế hệ thứ tư, có đủ điều kiện để trở thành nguồn năng lượng chủ đạo thay thế nhiên liệu hóa thạch. Theo Joshua Kagan, các nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất và thứ hai (ethanol và biodiesel) có một số hạn chế nhất định, không thể thay thế dầu mỏ. Các nguyên liệu ban đầu để sản xuất nhiên liệu sinh học của 2 thế hệ trên, đặc biệt là thế hệ thứ nhất (ngô, mía, sắn, dầu đậu tương, dầu hạt cải, dầu hướng dương, dầu cọ…) cạnh tranh với cây lương thực về đất đai, phân bón và nước, đặc biệt khi dân số thế giới ngày càng tăng còn diện tích đất canh tác và nguồn nước ngọt ngày càng suy giảm. Các nhiên liệu này không thể sử dụng cho động cơ không chuyển đổi cũng như động cơ phản lực nếu vượt quá tỷ lệ pha trộn nhất định. Với chủ trương sản xuất 15 tỷ gallon ethanol để pha xăng sinh học vào năm 2015, Mỹ phải sử dụng 30% sản lượng ngô nhưng cũng chỉ bảo đảm được 6% nhu cầu xăng cho giao thông vận tải.

Hình 1. Sự phát triển của biofuel: 1) Thế hệ thứ nhất (cây trồng): củ cải đường, dầu cọ, hạt cải dầu; 2) Thế hệ thứ hai (các chất tạo thớ gỗ): gỗ, rơm, rác thải; 3) Thế hệ thứ ba (biển): rong biển (đại tảo), vi tảo; 4) Thế hệ thứ tư (những đột phá trong công nghệ: chuyển hóa quang năng thành nhiên liệu, khí thải thành nhiên liệu, các loại tảo tiên tiến [9].

Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ tư không xác định theo nguồn nguyên liệu sản xuất mà dựa vào tính chất đặc thù là gần như không chứa oxy (cũng như các nguyên tố độc hại khác) nên được xếp vào loại tiên tiến. Như vậy, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ tư được hiểu là các nhiên liệu tổng hợp hoặc được sản xuất bởi các quá trình chuyển hóa các loại sinh khối khác nhau như: khí hóa, nhiệt phân, tổng hợp Fischer-Tropsch… Các nhiên liệu này được sử dụng trực tiếp không cần thay đổi động cơ và cơ sở hạ tầng (gọi là “drop-in fuel”) nhờ các đặc trưng hóa học giống các sản phẩm dầu mỏ, thậm chí tốt hơn.
2. Nhiên liệu sinh học tiên tiến:
Nhiên liệu sinh học tiên tiến (advanced biofuels) hay nhiên liệu sinh học bền vững (sustainable biofuels) không nhất thiết chỉ gồm các nhiên liệu có các tính chất tiên tiến (không chứa oxy) mà các khái niệm này còn được dùng để chỉ các loại nhiên liệu sinh học sau: thuộc thế hệ thứ hai; phát thải khí CO2 thấp; (giảm hiệu ứng nhà kính GHG và không ảnh hưởng đến sản xuất lương thực. Như vậy, các tiêu chí để một loại nhiên liệu sinh học được coi là tiên tiến gồm: loại nguyên liệu sinh khối, công nghệ chuyển hóa được sử dụng và tính chất của các phân tử nhiên liệu được hình thành. Tùy vào mục đích sử dụng, các công ty/tổ chức khác nhau có thể dựa vào tất cả hoặc một trong các tiêu chí trên để xét một nhiên liệu sinh học có phải là tiên tiến hay không. Các cách phân loại khác nhau do sự đa dạng và các quy trình sản xuất nhiên liệu sinh học đang được triển khai để đạt được tiêu chuẩn về sự bền vững (sustainability) và chất lượng nhiên liệu, cũng như để đáp ứng nhu cầu sử dụng cho vận tải đường bộ, hàng không và hàng hải. Trên thực tế, nhiên liệu sinh học có thể được tiếp thị với các tên gọi là nhiên liệu tốt, nhiên liệu tái tạo, nhiên liệu bền vững hay nhiên liệu thế hệ kế tiếp (next generation).
Thuật ngữ nhiên liệu sinh học tiên tiến được áp dụng cho nhiên liệu sinh học sản xuất từ lignocellulose hoặc sinh khối cellulose, gồm một dãy các phân tử thực vật/vật liệu chứa cellulose với lượng lignin khác nhau, độ dài chuỗi và mức độ trùng hợp khác nhau. Trong thực tế, có một số vật liệu cellulose dễ bị phá vỡ để tạo thành các hợp chất (đường thực vật) giúp dễ dàng chuyển hóa thành các phân tử nhiên liệu, các cellulose phức tạp hơn (“gỗ hóa” hơn) sẽ khó bị phá vỡ và tốn kém chi phí hơn khi sản xuất nhiên liệu sinh học lỏng. Vì vậy, thuật ngữ nhiên liệu sinh học tiên tiến thường được sử dụng để mô tả như sau:
Nhiên liệu sinh học sản xuất theo quy trình tiên tiến từ các nguyên liệu phi thực phẩm (phế thải, phế phẩm nông - lâm nghiệp, “cây năng lượng”, tảo). Sản phẩm cuối tương đương với nhiên liệu sản xuất bởi công nghệ thế hệ đầu tiên (ethanol hoặc FAME) hoặc một loại nhiên liệu sinh học tiên tiến khác (ví dụ, bioDME hoặc biokerosene). Những nhiên liệu sinh học thế hệ tiếp theo được coi là bền vững hơn do nguồn nguyên liệu và quy trình chế biến được sử dụng đã tạo ra mức giảm GHG lớn hơn và không cạnh tranh với cây lương thực.

Sản lượng nhiên liệu sinh học giai đoạn 2008 – 2022 [8]

Nhiên liệu sinh học có các tính chất tiên tiến như dầu thực vật được xử lý bằng hydro (HVO), xăng sinh học, nhiên liệu phản lực sinh học, biobutanol... Các nhiên liệu này khá tương thích với cơ sở hạ tầng hiện có hoặc có ưu việt kỹ thuật trong phân phối và sử dụng nhiên liệu. Tuy nhiên, nhiên liệu sinh học với các tính chất hoàn thiện hơn cũng có thể được sản xuất từ các nguyên liệu khá đa dạng (từ các cây có dầu hoặc đường thực vật).
Như vậy, nhiên liệu sinh học tiên tiến được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu bền vững, từ các loại cây trồng không phải là lương thực hoặc các phế phẩm như cây có dầu trồng trên đất nghèo dinh dưỡng (marginal), hoặc dầu ăn đã qua sử dụng, mỡ động vật thông qua công nghệ thế hệ thứ nhất cũng có thể được gọi là nhiên liệu sinh học thế hệ kế tiếp hoặc bền vững, đôi khi được xếp vào nhóm nhiên liệu sinh học tiên tiến mặc dù công nghệ chế biến không tiên tiến. Điểm đáng lưu ý là các quy trình sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến thuộc nhóm xử lý các dầu thực vật bằng hydro cung cấp trên 80% sản lượng các nhiên liệu sinh học tiên tiến. So với nhiên liệu sinh học truyền thống, nhiên liệu sinh học tiên tiến có hiệu quả giảm phát thải CO2 cao hơn, khoảng 60 - 90%.
3. Công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học qua các thế hệ [8]
a. Thế hệ thứ 1:
Nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên được làm từ các loại cây trồng có hàm lượng đường và tinh bột cao (sản xuất gasohol), dầu thực vật hoặc mỡ động vật (sản xuất Biodiesel). Tinh bột từ các loại ngũ cốc được chuyển hóa thành đường rồi lên men thành Bioethanol. Trong khi đó, dầu thực vật (được ép từ các loại cây có dầu ) hoặc mỡ động vật được trộn với ethanol (hoặc methanol) có sự hiện diện của chất xúc tác sẽ sinh ra Biodiesel và glycerine bằng phản ứng chuyển hóa este.
b. Thế hệ thứ 2:
Nhiên liệu sinh học thế hệ 1 bị hạn chế bởi khả năng mở rộng diện tích đất trồng trọt hiện nay để trồng các loại cây thích hợp là có hạn và các công nghệ truyền thống sử dụng để chuyển đổi các nguồn nguyên liệu này thành nhiên liệu sinh học còn bị hạn chế bởi hiệu quả và phương pháp xử lý.
Vì vậy người ta đã hướng tới nhiên liệu sinh học thế hệ 2. Loại nhiên liệu sinh học này được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh khối, qua nghiền sấy rồi lên men thành nhiên liệu sinh học. Các nguyên liệu này được gọi là “sinh khối xenluloza” có nguồn gốc từ chất thải nông nghiệp, chất thải rừng, chất thải rắn đô thị, các sản phẩm phụ từ quá trình chế biến thực phẩm hoặc loại cỏ sinh trưởng nhanh như rơm, rạ, bã mía, vỏ trấu, cỏ…

Hình 2. Năng lượng sinh khối tiềm năm ở Việt Nam [10]

c. Thế hệ thứ 3:
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba được chế tạo từ các loài vi tảo trong nước, trên đất ẩm, sinh ra nhiều năng lượng (7-30 lần) hơn nhiên liệu sinh học thế hệ trước trên cùng diện tích trồng. Sản lượng dầu trên một diện tích 0,4 ha tảo là từ 20.000 lít/năm đến 80.000 lít/năm. Ngoài ra, loài tảo bị thoái hóa sinh học không làm hư hại môi trường xung quanh. Theo ước tính của Bộ Năng Lượng Mỹ, nước này cần một diện tích đất đai lớn độ 38.849 km2 để trồng loại tảo thay thế tất cả nhu cầu dầu hỏa hiện nay trong nước.

Hình 3. Nguồn cung cấp dầu hoàn hảo: năng suất cao, thân thiện với môi trường và ít chiếm diện tích đất trồng là ba yếu tố khiến dầu tảo trở thành nguồn nhiên liệu sinh học hấp dẫn. [10]

d. Thế hệ thứ 4:
⦁ Chuyển hóa hóa – sinh
- Ethanol từ cellulose: Ethanol được sản xuất bằng quá trình thủy phân và lên men các phế thải nông nghiệp chứa lignocellulose (như rơm rạ, thân ngô…), từ cỏ năng lượng hoặc các cây năng lượng khác. Sản phẩm cuối cùng cũng giống như bioethanol thông thường, dùng để pha trộn với xăng. 
- Biobutanol: Biobutanol là alcohol, có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho các phương tiện vận tải. So với ethanol, butanol tương thích hơn với cơ sở hạ tầng và động cơ nhiên liệu hiện có. Các kỹ thuật lên men mới đang được phát triển để chuyển hóa đường thành butanol bằng cách sử dụng các dòng men biến tính.
- Nhiên liệu sinh học từ tảo (Algal biofuels): Nhiên liệu sinh học có thể được sản xuất từ tảo vĩ mô (tảo biển) và vi tảo thông qua các quy trình công nghệ. Nhiều dự án và nhà máy thí điểm đang xác định loại tảo tốt nhất và các công nghệ sản xuất tối ưu nhất để sử dụng. Tuy nhiên, công nghệ nuôi trồng tảo khá phức tạp và chưa phát triển để sản xuất lớn với giá thành tốt như các nhiên liệu sinh học tiên tiến khác. 

Hình 4. Phòng thí nghiệm Quốc gia Pacific Northwest (Mỹ) tìm ra phương pháp sản xuất dầu từ tảo ướt. [10]

⦁ Chuyển hóa hóa học: Khí hóa và chuyển hóa xúc tác
- Chuyển sinh khối thành sản phẩm lỏng - Biomass to Liquid (BtL): Đây là cách thức phổ biến để chuyển hóa nguyên liệu khoáng (than, dầu, khí) thành các hợp chất hóa học khác nhau làm nguyên liệu trung gian cho tổng hợp các sản phẩm cuối cùng, kể cả nhiên liệu. Vì vậy, công nghệ quy trình áp dụng cho nguyên liệu sinh khối không có khác biệt so với quy trình kinh điển trong công nghiệp hóa chất, nghĩa là quá trình khí hóa (gasification) tạo ra carbon monoxide và hydro (khí tổng hợp) từ các nguồn sinh khối khác nhau, bao gồm phế liệu - phế thải nông - lâm nghiệp, hoặc các cây năng lượng. Quá trình được tiến hành ở nhiệt độ cao.
- BioDME (Bio-dimethyl ether): Đây là một trong những cách sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối thông qua quá trình khí hóa rồi tiếp tục chuyển hóa khí tổng hợp thành methanol. Như vậy, BioDME có thể được sản xuất thông qua quá trình dehydrate hóa methanol hoặc tổng hợp trực tiếp từ khí tổng hợp.
- Khí tự nhiên sinh tổng hợp (Biosynthetic Natural Gas - BioSNG): Sản phẩm của quá trình khí hóa sinh khối cũng có thể được tiếp tục xử lý và nâng cấp để được sử dụng tương tự như biomethane (biogas) được sản xuất thông qua quá trình lên men hiếm khí. Khí tổng hợp cũng có thể chuyển hóa thành nhiên liệu lỏng.
- Biohydro: Hydro có thể được sản xuất từ sinh khối bằng nhiều cách (đốt trực tiếp, chế tạo pin nhiên liệu). Quy trình sản xuất hydro thông qua quá trình khí hóa dưới điều kiện nhiệt độ cao (đến 700oC) và áp suất tới hạn HyPro-RING [3] cho thấy nếu giá khí thiên nhiên ở mức 4,5USD/GJ, biohydro có khả năng cạnh tranh với hydro được sản xuất từ khí thiên nhiên khi quy mô sản xuất đạt và vượt qua giới hạn nhất định.
- Các loại dầu thực vật được xử lý bằng hydro/hydro hóa các ester và acid béo (HEFA): Sản phẩm của các quá trình này là những hydrocarbon mạch thẳng (nếu thực hiện quá trình hydro - đồng phân hóa thì sẽ nhận được hỗn hợp hydrocarbon mạch thẳng và mạch nhánh) nhưng không chứa các hydrocarbon thơm; các hợp chất chứa lưu huỳnh và oxy và có trị số cetane cao, có thể được sử dụng làm nhiên liệu hàng không. 
⦁ Chuyển hóa hóa học: Nhiệt phân nhanh và chuyển hóa xúc tác
- Dầu sinh học (Bio-oil): Là cách chuyển hóa sinh khối thành hóa phẩm và nhiên liệu mới được quan tâm trong thời gian gần đây. Dầu sinh học được sản xuất bằng quá trình nhiệt phân nhanh (Fast Pyrolysis/Rapid Thermal Pyrolysis - RTP). Quá trình nhiệt phân nhanh xảy ra trong thời gian rất ngắn (chỉ 1 - 2 giây) ở nhiệt độ khoảng 500oC có thể có chất xúc tác hoặc không, được tiến hành trong các loại bình phản ứng khác nhau.
- Hydro-deoxy hóa dầu sinh học (Hydrodeoxygenation of Bio-oil): Là quá trình loại bỏ oxy (một phần hoặc tất cả trong các phân tử dầu sinh học) bằng phản ứng hydro hóa. Giai đoạn RTP được tiến hành ở nhiệt độ tương đối thấp (dưới 500oC), áp suất khí quyển, có thể không cần chất xúc tác, tuy nhiên, với sự có mặt của các chất xúc tác thì quá trình hydro-deoxy hóa tiếp theo sẽ diễn ra thuận lợi hơn, với hiệu suất cao hơn [5].
4. Kết luận:
Nhiên liệu sinh học tiên tiến được sản xuất từ vật liệu cellulose và lignocellulose như phế phẩm và phế thải nông lâm nghiệp, hoặc cây năng lượng. Mục đích của việc phát triển cây năng lượng là sản xuất nhiều nhiên liệu hơn cho mỗi đơn vị đất sử dụng, đồng thời tiêu tốn ít hóa chất và năng lượng hơn trong sản xuất và thu hoạch nhưng cần đạt được năng suất cao nhất có thể về nhiệt trị được tạo ra trên một hecta đất sử dụng. Phương án tối ưu là trồng cây năng lượng trên đất nghèo dinh dưỡng (marginal), không cạnh tranh trực tiếp với đất cho cây lương thực. Ở châu Âu, tính khả dụng của các nguồn nguyên liệu sinh khối đang được đánh giá nhằm cân đối hóa nhu cầu cạnh tranh từ các ngành khác nhau để tối đa hóa hiệu quả của chuỗi cung ứng sinh khối. Đồng thời, cần hoàn thiện hệ thống logistics trong khâu cung cấp nguyên liệu; giá thành và tính bền vững của nguyên liệu phải luôn được quan tâm bảo đảm. Như vậy, để sử dụng tối ưu các nguồn nguyên liệu sinh khối, các quốc gia (hoặc khu vực, ví dụ EU) cần cách tiếp cận có điều phối chung để sử dụng các nguyên liệu thích hợp nhất cho sản xuất nhiên liệu với hiệu quả sử dụng cao nhất.
Tài liệu tham khảo
1. BP. BP statistical review of world energy. 2017.
2. Joshua Kagan. Third and fourth generations biofuels: Technologies, markets & economics through 2015. GreenTech Market Research. www.greentechmedia.com. 2010.
3. Meng Ni, Dennis Y.C.Leung, Michael K.H.Leung, K.Sumathy. An overview of hydrogen production from biomass. Fuel Processing Technology. 2006; 87(5): p. 461- 472.
4. A.V.Bridgwater. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading. Biomass and Bioenergy. 2012; 38: p. 68 - 94.
5. Yuxin Wang, Tao He, Kaituo Liu, Jinhu Wu, Yunming Fang. From biomass to advanced bio-fuel by catalytic pyrolysis/hydro-processing: hydrodeoxygenation of bio-oil derived from biomass catalytic pyrolysis. Bioresources Technology. 2012; 108: p. 280 - 284.
6. Phan Minh Quoc Binh, Duong Thanh Long, Nguyen Dinh Viet, Tran Binh Trong, Nguyen Huynh Hung My, Nguyen Huu Luong, Nguyen Anh Duc, Luu Cam Loc. Evaluation of the production potential of bio-oil from Vietnamese biomass resources by fast pyrolysis. Biomass and Bioenergy Journal. 2014; 62: p. 74 - 81.
7. Yongchun Hong, Alyssa Hensley, Jean- Sabin McEwen, Yong Wang. Perspective on catalytic hydrodeoxygenation of biomass pyrolysis oils: Essential roles of Fe-Based catalysts. Catalysis Letters. 2016; 146 (9): p. 1621 - 1633.
8. https://khcncongthuong.vn
9. https://khoahocphattrien.vn
10. https://cesti.gov.vn
ThS. Huỳnh Đặng Hà Uyên (Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại học Văn Hiến)