Mía tạo ra nhiều dầu diesel sinh học hơn đậu tương với chi phí thấp hơn

Thứ tư - 22/09/2021 22:47 802 0

Năng lượng sinh học từ cây trồng là một giải pháp thay thế bền vững cho nhiên liệu hóa thạch. Các loại cây trồng mới như mía có thể tạo ra lượng nhiên liệu trên mỗi mẫu Anh nhiều hơn gấp nhiều lần so với đậu tương. Tuy nhiên, việc xử lý cây trồng vẫn còn nhiều thách thức để khai thác nhiên liệu một cách hiệu quả.

Mía tạo ra nhiều dầu diesel sinh học hơn đậu tương với chi phí thấp hơn

Bốn nghiên cứu mới của Đại học Illinois khám phá các phương pháp tiền xử lý không dùng hóa chất, phát triển các phương pháp tạo kiểu hình và tính khả thi về kinh tế của việc sản xuất nhiên liệu từ mía trong các tình huống khác nhau.
Các nghiên cứu này là một phần của dự án ROGUE (Dầu tái tạo được tạo ra bằng năng lượng siêu hiệu quả) tập trung vào việc tích lũy triacylglyceride (TAGs) trong kỹ thuật sinh học trong lá và thân của cây mía, cho phép sản xuất nhiều dầu thực vật công nghiệp hơn trên mỗi mẫu Anh so với trước đây.
Vijay Singh, Giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Nông nghiệp và Sinh học (ABE) tại Đại học Illinois, nói: “Năng suất của những loại cây phi lương thực này rất cao trên một đơn vị diện tích đất. Đậu tương là cây trồng truyền thống được sử dụng cho dầu diesel sinh học, nhưng chúng ta có thể thu được năng suất cao hơn, nhiều dầu hơn và sau đó là nhiều nhiên liệu sinh học hơn từ cây mía”.
Đồng tác giả nghiên cứu Deepak Kumar, trợ lý giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Hóa học tại trường Khoa học Môi trường và Lâm nghiệp, Đại học Bang New York giải thích: Sản xuất nhiên liệu sinh học từ cây trồng liên quan đến việc phá vỡ vật liệu xen-lu-lô và chiết xuất dầu. Bước đầu tiên là chiết xuất nước ép. Quá trình này để lại bã mía, một nguyên liệu xen-lu-lô-za mà bạn có thể xử lý để sản xuất đường và sau đó lên men thành cồn sinh học. Ông cho biết thêm: “Một trong những điều quan trọng trong quá trình xử lý bất kỳ sinh khối nào là bước tiền xử lý. Bạn cần phải phá vỡ cấu trúc bền vững của vật liệu, để các en-zim có thể tiếp cận với xen-lu-lô. Vì cây mía là một loại cây trồng tương đối mới, nên có rất ít nghiên cứu về việc tiền xử lý và phân hủy bã mía này để tạo ra đường và chuyển đổi những loại đường đó thành nhiên liệu sinh học”.
Quá trình tiền xử lý cũng tạo ra một số hợp chất không mong muốn, chúng ức chế các en-zim chuyển hóa đường thành nhiên liệu sinh học. Các nhà nghiên cứu của Đại học Illinois đã nghiên cứu các phương pháp tiền xử lý tốt nhất để tối đa hóa sự phân hủy trong khi giảm thiểu việc sản xuất các chất ức chế. Thông thường, quá trình tiền xử lý sử dụng các hóa chất như axit sulfuric để phân hủy sinh khối ở nhiệt độ và áp suất cao.
Kumar giải thích: “Chúng tôi sử dụng phương pháp không sử dụng hóa chất, giúp thân thiện với môi trường hơn. Hơn nữa, các hóa chất có thể làm thay đổi cấu trúc hoặc chất lượng dầu trong sinh khối”.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm phương pháp này bằng cách sử dụng 9 sự kết hợp khác nhau giữa nhiệt độ và khoảng thời gian. Họ có thể đạt được hơn 90% sự chuyển hóa xen-lu-lô ở điều kiện tối ưu, tương đương với kết quả từ các phương pháp tiền xử lý hóa học.
Nghiên cứu thứ hai được xây dựng dựa trên những kết quả đó để nghiên cứu sâu hơn mối quan hệ giữa nhiệt độ, sản xuất chất ức chế và thu hồi đường. Shraddha Maitra cho biết: Chúng tôi đã xử lý trước sinh khối xen-lu-lô qua nhiều nhiệt độ khác nhau để tối ưu hóa điều kiện tạo ra chất ức chế tối thiểu mà không ảnh hưởng đến việc thu hồi đường. Sau đó, chúng tôi thêm bước nghiền đông lạnh vào quy trình. Trong quá trình nghiền đông lạnh, bạn xử lý bã mía bằng nitơ lỏng, làm cho nó rất giòn, do đó khi nghiền các vết nứt sinh khối dễ dàng giải phóng đường. Điều này càng làm tăng khả năng thu hồi đường, chủ yếu là đường pen-tô-za, khoảng 10% so với các quy trình tinh chế khác.
Các ngành công nghiệp khác sử dụng các phương pháp tương tự, ví dụ đối với gia vị và tinh dầu, trong đó điều quan trọng là phải giữ được chất lượng của sản phẩm. Nhưng việc áp dụng chúng vào sản xuất nhiên liệu sinh học là điều mới mẻ.
Trong nghiên cứu thứ ba, Maitra và các đồng tác giả của cô đã nghiên cứu công nghệ cộng hưởng từ hạt nhân miền thời gian (NMR) để xác định độ ổn định và sự phục hồi của li-pít bằng cách theo dõi những thay đổi về tổng số, liên kết và li-pít tự do sau các quy trình tiền xử lý nguyên liệu vật lý và hóa học khác nhau.
Nghiên cứu thứ tư của nhóm nghiên cứu đã khảo sát tính khả thi về kinh tế - kỹ thuật ở quy mô thương mại của nhà máy lọc sinh học dựa trên năng lượng được thiết kế. Họ đã sử dụng mô hình máy tính để mô phỏng quá trình sản xuất theo hai kịch bản khác nhau nhằm xác định vốn đầu tư, chi phí sản xuất và sản lượng so với dầu diesel sinh học làm từ đậu tương.
Kumar, tác giả chính của nghiên cứu cho biết: Mặc dù vốn đầu tư cao hơn so với dầu diesel sinh học từ đậu tương, nhưng chi phí sản xuất lại thấp hơn (66 - 90 cent/lít) so với đậu tương (91 cent/lít). Đối với kịch bản đầu tiên, chế biến mía đường có lợi nhuận thấp hơn một chút so với diesel sinh học đậu tương.
Giám đốc ROGUE Steve Long cho biết: “Sản xuất năng lượng từ mía hấp dẫn ở khả năng phát triển trên một vùng địa lý rộng lớn hơn nhiều so với vùng đông nam Hoa Kỳ. Là một cây lâu năm, mía phù hợp với đất có thể bị tàn phá do canh tác cây hàng năm. Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy tiềm năng sản xuất 7,5 thùng dầu diesel trên mỗi mẫu đất hàng năm. Cùng với các sản phẩm khác, điều này sẽ có lợi hơn đáng kể so với hầu hết việc sử dụng đất hiện tại, đồng thời có tiềm năng đóng góp lớn vào mục tiêu quốc gia của Hoa Kỳ là đạt được mức phát thải khí nhà kính ròng bằng 0 vào năm 2050”.

Tác giả bài viết: Hồng Vân