Trừu tượng
Ethanol được sản xuất từ các nguồn dựa trên sinh học khác nhau (ethanol sinh học) đã được chú ý cao gần đây do tiềm năng cắt giảm lượng khí thải carbon dioxide ròng trong khi giảm sự phụ thuộc của thế giới vào nhiên liệu hóa thạch. Sản lượng ethanol toàn cầu đã tăng hơn 6 lần từ 18 tỷ lít vào đầu thế kỷ này lên 110 tỷ lít vào năm 2019, chỉ giảm xuống còn 98,6 tỷ lít vào năm 2020 do đại dịch. Mía và ngô đã được sử dụng làm nguyên liệu chính cho sản xuất ethanol. Sinh khối lignocellulosic gần đây đã được coi là một nguyên liệu tiềm năng khác do tình trạng cạnh tranh phi thực phẩm và sự sẵn có của nó với số lượng rất lớn. Bài viết này xem xét những phát triển gần đây và tình trạng hiện tại của sản xuất ethanol thương mại trên toàn thế giới với trọng tâm là các khía cạnh công nghệ. Đánh giá bao gồm các quy trình sản xuất ethanol được sử dụng cho từng loại nguyên liệu, cả hiện đang được thực hiện ở quy mô thương mại và vẫn đang được phát triển, và xu hướng sản xuất hiện tại ở các khu vực và quốc gia khác nhau trên thế giới.
1. Giới thiệu
Ethanol (C2H6O) là một loại rượu lỏng đơn giản được hình thành từ quá trình lên men đường trong tự nhiên của chúng hoặc có nguồn gốc từ các loại ngũ cốc giàu tinh bột hoặc nguyên liệu lignocellulo. Ethanol còn được gọi là rượu ethyl, rượu ngũ cốc, hoặc đơn giản là rượu, và được sử dụng làm chất khử trùng, dung môi hữu cơ, nguyên liệu hóa học và nhiên liệu lỏng vận chuyển. Ethanol được sản xuất ở nhiều quốc gia khác nhau trên thế giới và lượng toàn cầu của nó đã thay đổi từ 110 tỷ lít vào năm 2019 lên 98,6 tỷ lít vào năm 2020 do đại dịch [1,2]. Khi ethanol được pha trộn với 95% xăng, nó có thể giảm khoảng 90% CO2 và 60-80% SO2 [3]. Điều này giúp thế giới giải quyết một số vấn đề ô nhiễm không khí, giảm mức độ khí nhà kính đang gây ra biến đổi khí hậu và duy trì an ninh môi trường. Hiện nay, ethanol được sản xuất thương mại từ nhiều loại nguyên liệu thông qua quá trình lên men trong đó men Saccharomyces cerevisiae được sử dụng để lên men các loại đường có nguồn gốc từ tinh bột trong ngô và các loại ngũ cốc khác hoặc những loại đã có trong mía và củ cải đường [4].
Dầu thô và khí đốt tự nhiên theo truyền thống là nguyên liệu chính để sản xuất nhiên liệu và hóa chất công nghiệp. Tuy nhiên, sự phụ thuộc của con người vào nhiên liệu hóa thạch đã trở thành một vấn đề quan trọng trên toàn thế giới và điều cần thiết là phải khám phá các nguồn bền vững và thay thế mới để giải quyết các vấn đề môi trường của thế giới [5]. Ethanol là một nguồn nhiên liệu sinh học quan trọng và việc phát triển và thực hiện ethanol nằm trong phạm vi kinh tế sinh học tuần hoàn vì nhiên liệu sinh học có thể thay thế carbon hóa thạch bằng carbon sinh học trong sinh khối từ nông nghiệp, lâm nghiệp và chất thải đô thị. Về tính bền vững của sản xuất ethanol sinh học so với nhiên liệu hóa thạch, phát triển ethanol là một cách tiếp cận bổ sung và dựa trên các nguồn tài nguyên được cải thiện với hiệu quả sinh thái cao hơn và giảm dấu chân khí nhà kính [6]. Hơn nữa, sự gia tăng nhiên liệu lỏng cung cấp nhu cầu năng lượng liên quan đến các mối quan tâm về kinh tế và môi trường làm cho ethanol trở thành một lựa chọn năng lượng thay thế tốt cho nhiều quốc gia.
Thông thường có ba nhóm vật liệu có thể được sử dụng để sản xuất ethanol, đó là: (a) nguyên liệu có chứa một lượng đáng kể đường dễ lên men, (b) tinh bột và fructans, và (c) nguyên liệu xenlulo. Tuy nhiên, các cuộc thảo luận chuyên sâu về các nguyên liệu khác nhau liên quan đến công nghệ sản xuất và sự phát triển hiện tại của ethanol trên toàn thế giới vẫn còn thiếu. Mục tiêu chính của tổng quan này là điều tra sự phát triển gần đây của sản xuất ethanol ở các nước có mức sản lượng ethanol đáng kể. Đánh giá cũng xem xét các công nghệ hiện tại để sản xuất ethanol và những công nghệ đang được phát triển theo hướng triển khai thương mại.
2. Công nghệ sản xuất
Ba loại nguyên liệu có thể được sử dụng để sản xuất ethanol. Chúng bao gồm nguyên liệu có đường (mía, củ cải đường), nguyên liệu có nguồn gốc tinh bột (ngô, lúa mạch, lúa mì, các loại ngũ cốc khác) và nguyên liệu lignocellulosic (dư lượng nông nghiệp, tàn dư rừng, cây trồng năng lượng chuyên dụng, chất thải rắn đô thị). Ethanol được sản xuất từ nguyên liệu có đường và tinh bột được gọi là ethanol thế hệ đầu tiên trong khi ethanol được sản xuất từ nguyên liệu sinh khối được gọi là ethanol thế hệ thứ hai.
2.1. Nguyên liệu làm từ đường
Nước ép chiết xuất từ mía đã được sử dụng để sản xuất ethanol. Một phần nước ép được sử dụng để sản xuất đường trong một nhà máy sản xuất đường liền kề và phần còn lại được sử dụng để sản xuất ethanol như trường hợp của Brazil, nhà sản xuất ethanol lớn thứ hai trên thế giới. Chiết xuất nước trái cây có thể được thực hiện thông qua nghiền (máy cuộn) hoặc khuếch tán (bộ khuếch tán). Quyết định sản xuất đường và / hoặc ethanol được đưa ra bởi các nhà máy riêng lẻ từ khi thu hoạch đến khi thu hoạch. Đây là một vấn đề rất quan trọng vì một khi các đơn vị sản xuất điều chỉnh nhà máy của họ để sản xuất một tỷ lệ đường / ethanol nhất định trong một năm nhất định, rất khó thay đổi trong mùa thu hoạch [7]. Bã mía, là cặn rắn thu được sau khi chiết xuất nước ép, đã được đốt cháy để tạo ra năng lượng cho các mục đích sử dụng bên trong, nhưng cũng có tiềm năng làm nguyên liệu lignocellulosic để sản xuất ethanol bổ sung. Mật đường, là sản phẩm phụ của chế biến mía, cũng có thể được sử dụng để sản xuất ethanol.
Thông thường, mía chứa 12-17% tổng lượng đường trên cơ sở trọng lượng ướt với độ ẩm 68-72%. Khoảng 90% lượng đường là sucrose với glucose và fructose tạo nên sự cân bằng. Tất cả ba loại đường này đều có thể dễ dàng lên men bởi men S. cerevisiae để sản xuất ethanol. Trong quá trình lên men, nấm men tạo ra enzyme invertase và sử dụng nó để chuyển đổi sucrose thành glucose và fructose. Sản xuất ethanol của S. cerevisiae được thực hiện thông qua con đường glycolytic (còn được gọi là con đường Embden-Meyerhof-Parnas hoặc EMP). Ở dạng đơn giản nhất, sản xuất ethanol từ glucose có thể được biểu thị bằng phương trình sau:
K6H12O6 + 2P + 2 ADP → 2 K2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2
glucose → 2 ethanol + 2 carbon dioxide + năng lượng
Theo phương trình trên, năng suất lý thuyết tối đa của ethanol được sản xuất từ 1 g glucose là 0, 511 g ethanol. Trong thực tế, người ta quan sát thấy rằng năng suất thực tế luôn thấp hơn vì không phải tất cả glucose tiêu thụ đều được chuyển thành ethanol [8].
Quá trình lên men có thể là lô / lô hoặc liên tục. Quy trình lô Melle-Boinot, được phát triển vào những năm 1930, được sử dụng phổ biến nhất. Đặc điểm chính của nó là tái chế toàn bộ men, thông thường bằng cách ly tâm. Mật độ men rất cao (10-14% w / v), thu được bằng cách tái chế men, cho phép giảm tăng trưởng, năng suất ethanol cao và thời gian lên men rất ngắn (6-10 giờ). Quá trình liên tục với tái chế tế bào được phát triển vào những năm 1980 để thay thế quy trình hàng loạt [9]. Tuy nhiên, phần lớn các nhà máy thương mại ở Brazil vẫn sử dụng quy trình lô / lô cho ăn. Ethanol được sản xuất được thu hồi bằng cách chưng cất, sau đó là sàng phân tử hoặc công nghệ khử nước khác để sản xuất ethanol khan (>99,5%). Dòng chảy ra ở dưới cùng của các cột chưng cất được gọi là vinasse. Vinasse thường được rải trên các cánh đồng mía để sử dụng làm nước tưới và phân bón. Tuy nhiên, thực tế này có thể gây ô nhiễm môi trường trên diện rộng do hàm lượng hữu cơ cao, màu tối, chất rắn hòa tan và các hợp chất khác độc hại trong một số điều kiện nhất định. Các phương pháp xử lý vinasse trước khi xử lý đã được phát triển [10].
Củ cải đường được trồng ở những vùng có khí hậu ôn đới và là một trong những nguyên liệu chính được sử dụng để sản xuất ethanol ở châu Âu. Củ cải đường có rễ hình nón, màu trắng và thịt, đóng vai trò là nơi chứa đường. Rễ chứa khoảng 75% nước và từ 15% đến 21% tổng lượng đường (cơ sở trọng lượng ướt). Do sự tương đồng về thành phần hóa học của dung dịch đường chiết xuất từ mía và củ cải đường, những dung dịch thu được từ củ cải đường cũng có thể được lên men thành ethanol bằng men công nghiệp với hiệu quả cao. Các quá trình lên men rất giống nhau trong cả hai trường hợp. Tương tự như mía, sản xuất ethanol từ củ cải đường có thể được tích hợp với sản xuất đường.
2.2. Nguyên liệu làm từ tinh bột
Ngô được sử dụng gần như độc quyền để sản xuất ethanol ở Hoa Kỳ, nơi ethanol được sản xuất từ ngô bằng quy trình xay ướt hoặc xay khô. Hoa Kỳ là nhà sản xuất ethanol lớn nhất thế giới, nơi phần lớn các nhà máy ethanol thương mại sử dụng quy trình nghiền khô. Ethanol cũng có thể được sản xuất từ các loại ngũ cốc khác bằng quy trình nghiền khô.
Trong quá trình xay khô, sau khi nghiền, nước và α-amylase chịu nhiệt được thêm vào ngô xay. Trong bước tiếp theo, được gọi là tiền hóa lỏng, bùn sau đó được đưa lên đến 60–70 °C (nấu ấm) hoặc 80–90 °C (nấu nóng). Bùn, được gọi là hỗn hợp ngô, được giữ ở nhiệt độ này trong khoảng 30 phút45 phút. Sự sưng và hydrat hóa của các hạt tinh bột gây ra sự gia tăng đáng kể độ nhớt bùn và mất độ kết tinh của các cấu trúc hạt. Trong bước tiếp theo, được gọi là hóa lỏng, hỗn hợp được duy trì ở 85–95 °C trong một khoảng thời gian hoặc buộc qua bếp phản lực liên tục ở 140–150 °C. Khi kết thúc quá trình hóa lỏng, tinh bột được thủy phân thành dextrin chuỗi ngắn (hai đến bốn đơn vị glucose). Nhiệt độ của hỗn hợp được hạ xuống 32 ° C và độ pH được điều chỉnh xuống khoảng 4,5. Hỗn hợp sau đó được đặt trong một chất lên men. Glucoamylase và nuôi cấy nấm men từ bể nhân giống nấm men cũng được thêm vào. Urê có thể được thêm vào như một nguồn nitơ. Quá trình kết hợp thủy phân enzyme và lên men được gọi là đường hóa và lên men đồng thời (SSF). SSF là một quy trình hàng loạt thường được chạy trong khoảng 50–60 giờ. Nồng độ ethanol cuối cùng là khoảng 15% (v / v). Các công thức glucoamylase thương mại thường được sử dụng cũng chứa protease. Những enzyme này phá vỡ các nguồn nitơ hữu cơ trong bùn ngô và giải phóng các chất dinh dưỡng bổ sung, giúp cải thiện hiệu quả lên men và năng suất ethanol. Ethanol được sản xuất được thu hồi bằng cách chưng cất sau đó là sàng phân tử như mô tả trước đây. Dòng dưới cùng từ các cột chưng cất được gọi là tĩnh vật. Dòng suối này được sấy khô đến độ ẩm khoảng 10% để sản xuất máy chưng cất ngũ cốc khô với chất hòa tan (DDGS), được bán hoặc sử dụng làm thức ăn chăn nuôi. DDGS là đồng sản phẩm quan trọng nhất trong nhà máy ethanol xay khô. Các sản phẩm phụ khác là carbon dioxide được sản xuất trong quá trình lên men và dầu ngô. Quá trình xay khô được thể hiện trong Hình 1.
Hình 1. Quy trình xay khô để sản xuất ethanol từ ngô.
Trong quá trình xay ướt, hạt ngô được ngâm trong nước có chứa 0,1 đến 0,2% SO2 ở 52 ° C (125 ° F) trong 24 đến 40 giờ. Sau bước được gọi là ngâm này, các hạt mềm sau đó được nghiền nhẹ nhàng để phá vỡ hạt nhân. Các vi trùng ít đậm đặc hơn, chứa khoảng 40 đến 50% dầu, được thu hồi trong hệ thống hydrocyclone và chế biến thành các sản phẩm phụ giá trị gia tăng. Sau khi vi trùng được loại bỏ, bùn được nghiền thêm để nới lỏng tinh bột và gluten từ các chất xơ còn lại. Bùn được sàng lọc để loại bỏ sợi, sau đó được rửa sạch và ép đến độ ẩm khoảng 60%. Nước từ bậc dốc, được gọi là nước dốc nhẹ (LSW), được tập trung trong các thiết bị bay hơi để tạo ra nước dốc nặng (HSW). HSW được sấy khô cùng với chất xơ thu hồi và sản phẩm thu được và được bán cho ngành chăn nuôi dưới dạng thức ăn gluten ngô, thường chứa khoảng 21% protein. Sau khi loại bỏ chất xơ, gluten, nhẹ hơn, được tách ra khỏi tinh bột trong máy ly tâm. Gluten thu hồi được cô đặc từ, làm lạnh đến 35 ° C và được lọc trên bộ lọc chân không quay để tạo ra một chiếc bánh gluten có độ ẩm 60%. Bánh được sấy khô đến độ ẩm 10% để tạo ra bột gluten ngô. Sản phẩm thức ăn này chứa ít nhất 60% protein và 1% chất béo, và tới 3% chất xơ. Nó được sử dụng trong thức ăn gia cầm vì hàm lượng protein và xanthophyll cao và hàm lượng chất xơ thấp.
Tinh bột được rửa sạch và chế biến qua hàng loạt lên đến 14 hydrocyclone để loại bỏ tạp chất. Sản phẩm cuối cùng, là 99,5% tinh bột nguyên chất, sau đó được sử dụng để lên men ethanol trong các nhà máy chuyên dụng hoặc chế biến thêm để sản xuất tinh bột biến tính, xi-rô ngô (CS) và xi-rô ngô fructose cao (HFCS) trong các nhà máy tích hợp. Quá trình phay ướt được thể hiện trong Hình 2.
Hình 2. Quy trình xay ướt để sản xuất ethanol từ ngô.
Quá trình thủy phân tinh bột để tạo ra glucose có thể được biểu thị bằng phương trình sau:
(C6H10O5)n + n H2O → n C6H12O6
trong đó n là số dư lượng glucose trong phân tử tinh bột.
Trong một phân tử tinh bột, n là một số rất lớn. Năng suất lý thuyết hoặc hệ số chuyển đổi cho glucose là 1,11 g glucose / g tinh bột. Ngoài ra, năng suất lý thuyết cho ethanol là 0,57 g ethanol / g tinh bột.
Tại Hoa Kỳ, người ta thường chấp nhận rằng một giạ ngô (56 lbs hoặc 25,4 kg) độ ẩm khoảng 15% được xử lý bằng quy trình xay khô sẽ tạo ra 2,9 gallon (11,0 L) ethanol biến tính, 15,2 lbs (6,9 kg) máy chưng cất, ngũ cốc, thức ăn chăn nuôi (độ ẩm 10%), 0,8 lbs (0,36 kg) máy chưng cất, dầu ngô và 1,1 lbs (0,5 kg) carbon dioxide bị thu giữ [11].
Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để cải thiện sản xuất ethanol với trọng tâm là quá trình xay khô. Những cải tiến này được thảo luận ngắn gọn dưới đây. Syngenta đã phát triển các giống ngô lai Enogen® có chứa α-amylase, giúp giảm độ nhớt của ngô nghiền và giảm / loại bỏ nhu cầu bổ sung α-amylase bên ngoài [12].
- Lallemand, phối hợp với các công ty khác, đã phát triển TransFerm Yield + S. cerevisiae, sản xuất glucoamylase cần thiết cho quá trình thủy phân tinh bột và cải thiện năng suất ethanol lên đến 4% do giảm 30% tổng hợp glycerol. Nồng độ glycerol giảm dự kiến sẽ không có ảnh hưởng xấu đến khả năng chịu đựng nấm men của stress thẩm thấu do ethanol gây ra [13]. Chủng mới hơn, TransFerm CV5, là một chủng nấm men biến đổi gen tạo ra hàm lượng glucoamylase và biểu hiện trehalase cao, có thể đáp ứng từ 80% đến 100% các enzyme cần thiết trong quá trình lên men [14].®
- Novozymes đã phát triển Innova Drive S. cerevisiae sản xuất glucoamylase, có thể chịu được 98 ° F (36,7 ° C), tải rắn 37% và 6 g / L axit hữu cơ [15]. Các chủng khác của dòng sản phẩm Innova cũng đã được phát triển với khả năng chịu nhiệt được cải thiện (lên đến 40 ° C) và khả năng chống lại hàm lượng chất rắn cao và nồng độ glucose, ethanol và axit hữu cơ cao [16].
Một số công ty, bao gồm Poet (trước đây là Broin), Cereal Process Technologies (CPT), Buhler, Renessen và FWS Technologies, đã phát triển các quy trình phân đoạn khô. Tất cả các quy trình phân đoạn ngô khô về cơ bản là tương tự nhau. Trước quá trình xay khô thông thường, ngô được nghiền và sau đó được phân đoạn thành các phần có thể lên men và không lên men. Chỉ có phần lên men được sử dụng trong quá trình nghiền khô để sản xuất ethanol. Các phân đoạn không thể lên men được phân tách bằng nhiều phương pháp khác nhau và được thu hồi dưới dạng đồng sản phẩm cám và mầm, được bán để sử dụng trong thức ăn chăn nuôi. DDGS thu được sau khi thu hồi ethanol có hàm lượng protein cao hơn, nhưng hàm lượng dầu và chất xơ thấp hơn so với sản phẩm thu được trong quy trình xay khô truyền thống mà không phân đoạn ngô [8].
- D3MAX đã phát triển một quy trình chuyển đổi chất xơ ngô và tinh bột chưa chuyển đổi trong quá trình chưng cất thành ethanol bổ sung. Quy trình D3MAX là một quá trình "bắt vít", có nghĩa là nó có thể được thêm vào một nhà máy ethanol xay khô hiện có. Bước quan trọng của quá trình này là tiền xử lý bánh ướt thu được bằng cách ly tâm chưng cất bằng axit loãng. Bánh ướt được xử lý trước sau đó được thủy phân và lên men enzyme, sử dụng men biến đổi gen có khả năng sử dụng cả glucose và xylose để sản xuất ethanol [17].
- Các nhà chế biến ngô hạt Quad (QCCP) đã phát triển quy trình Cellerate, đây cũng là một quy trình bắt vít. Quá trình này rất giống với quy trình D3MAX, ngoại trừ toàn bộ quá trình chưng cất thay vì bánh ướt được xử lý trước bằng axit loãng trước khi thủy phân và lên men enzyme. Nó đã được báo cáo rằng khi ngô Enogen được sử dụng (phối hợp với Syngenta), so với quy trình xay khô truyền thống sử dụng ngô thông thường, quy trình Cellerate dẫn đến tăng 6% năng suất ethanol, tăng 15% thông lượng và giảm 20% tiêu thụ năng lượng, và sản xuất 1,6 lbs (0,73 kg) dầu ngô mỗi giạ cộng với DDGS với protein cao hơn và chất xơ thấp hơn [18].®
- Edeniq đã phát triển quy trình Intellulose bằng cách sử dụng hỗn hợp enzyme độc quyền của họ để sản xuất ethanol từ tinh bột và sợi chưa được chuyển đổi trước đó. Nó đã được báo cáo rằng công nghệ này dẫn đến sự gia tăng 2-4,5% trong sản xuất ethanol. Edeniq cũng đã phát triển một kỹ thuật phân tích để đo trực tiếp sản xuất ethanol từ các phân đoạn lignocellulosic trong hạt ngô [19,20].®
2.3. Nguyên liệu Lignocellulosic
Nguyên liệu lignocellulosic còn được gọi là sinh khối lignocellulosic hoặc đơn giản là sinh khối. Trong đánh giá này, thuật ngữ sinh khối được sử dụng. Sinh khối bao gồm ba thành phần chính, đó là cellulose, hemicellulose và lignin. Các thành phần của nguyên liệu sinh khối đại diện và sản lượng ethanol lý thuyết bằng cách chuyển đổi sinh hóa được tóm tắt trong Bảng 1.
Có hai lựa chọn để chuyển đổi sinh khối thành ethanol. Trong lựa chọn đầu tiên, cellulose và hemicellulose được thủy phân thành đường lên men, sau đó được lên men để sản xuất ethanol. Trong lựa chọn thứ hai, sinh khối được thực hiện thông qua một quá trình gọi là khí hóa. Trong quá trình này, sinh khối được làm nóng mà không có oxy hoặc với oxy thấp hơn đáng kể so với mức bình thường cần thiết để đốt cháy hoàn toàn. Sản phẩm là một loại khí chủ yếu là CO và H2. Sản phẩm khí được gọi là khí tổng hợp hoặc khí tổng hợp, có thể được chuyển đổi thành ethanol thông qua quá trình lên men hoặc xúc tác hóa học. Tùy chọn đầu tiên thường được gọi là nền tảng đường và tùy chọn thứ hai là nền tảng syngas.
Trong nền tảng đường, chỉ có các thành phần carbohydrate của sinh khối được sử dụng để sản xuất ethanol, trong khi lignin được coi là chất thải và thường được đốt cháy để tạo ra năng lượng. Trong nền tảng syngas, cả ba thành phần đều được sử dụng để sản xuất ethanol. Các bước chính của nền tảng đường và nền tảng syngas được thể hiện trong Hình 3 và Hình 4, tương ứng.
Hình 3. Nền tảng đường để sản xuất ethanol từ sinh khối.
Hình 4. Nền tảng khí tổng hợp để sản xuất ethanol từ sinh khối.
Thủy phân cellulose và hemicellulose để tạo ra đường lên men cho quá trình lên men ethanol có thể được thực hiện với hóa chất hoặc enzyme. Các hóa chất được sử dụng để thủy phân cellulose và hemicellulose bao gồm H2SO4 đậm đặc (>70%), được sử dụng trong quá trình Arkenol [21] và quy trình Biosulfurol [22], chất lỏng siêu tới hạn, được sử dụng trong quy trình Renmatix [23] và γ-valerolactone (GVL), được sử dụng trong quy trình GlucanBio [24].
Khi H2SO4 đậm đặc được sử dụng để thủy phân, sản phẩm đường là hỗn hợp glucose và xylose trong khi trong hai trường hợp khác, hai dòng riêng biệt chứa chủ yếu là glucose và xylose, tương ứng, được hình thành. Sự phân đoạn của hai phân đoạn carbohydrate sẽ cho phép sử dụng dòng đường C6 để sản xuất ethanol bởi các chủng S. ceresiae bản địa và dòng đường C5 để sản xuất các đồng sản phẩm có giá trị cao hơn như xylitol và astaxanthin [25].
Do cấu trúc cứng nhắc của sinh khối, cản trở các cuộc tấn công enzyme, một quá trình gọi là tiền xử lý là cần thiết trước khi các thành phần cellulose và hemicellulose của sinh khối có thể bị thủy phân hiệu quả bởi các enzyme. Trong quá trình tiền xử lý, cấu trúc cứng nhắc của sinh khối được mở ra và các vùng vô định hình được tạo ra. Kết quả của quá trình tiền xử lý là cải thiện tốc độ thủy phân enzyme tiếp theo và tăng năng suất của các loại đường lên men. Các hóa chất và thuốc thử khác nhau đã được sử dụng để nghiên cứu và phát triển quá trình tiền xử lý sinh khối. Một số hóa chất và thuốc thử này cùng với chất nền tương ứng của chúng được tóm tắt trong Bảng 2.
Trong số nhiều quá trình tiền xử lý chưa có người chiến thắng rõ ràng. Tuy nhiên, việc sử dụng hơi nước quá nóng dường như là một yêu thích. Nó đã được sử dụng trong quy trình Inbicon thương mại để tiền xử lý rơm lúa mì [46]) và gần đây hơn trong nhà máy ethanol xenlulo Clariant ở Podari, Romania [47]. Các quá trình tiền xử lý đã được xem xét kỹ lưỡng trong một số đánh giá [8,48,49,50]. Các loại đường lên men thu được trong quá trình thủy phân enzyme của cellulose và hemicellulose bao gồm chủ yếu là glucose và xylose, cộng với arabinose, galactose và mannose với số lượng nhỏ hơn đáng kể. Vì nấm men S. cerevisiae không thể chuyển hóa các loại đường năm carbon như xylose, các chủng biến đổi gen có khả năng sử dụng cả glucose và xylose để sản xuất ethanol đã được phát triển cho các ứng dụng thương mại [51].
Nhiều loại khí hóa thương mại phù hợp cho khí hóa sinh khối. Các tạp chất và hợp chất ức chế trong khí tổng hợp được sản xuất phải được loại bỏ trước khi khí tổng hợp có thể được sử dụng để sản xuất ethanol trong quá trình vi sinh vật hoặc xúc tác. Khí hóa sinh khối đã được xem xét chi tiết bởi Ciliberti et al. [52]. Các vi sinh vật được coi là ứng cử viên hứa hẹn nhất cho quá trình lên men ethanol syngas thương mại bao gồm Clostridium ljungdahlii, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxydivorans, Clostridium coskatii, Clostridium autoethanogenum và Alkalibaculum bacchi. Một số loài này chỉ sản xuất ethanol và axit axetic, trong khi những loài khác có thể sản xuất các sản phẩm bổ sung, bao gồm axit butyric, butanol và 2, 3-butanediol như đã đề cập trước đây.
Một trong những vấn đề chính của sản xuất ethanol từ sinh khối thông qua quá trình lên men, trong nền tảng đường hoặc nền tảng khí tổng hợp, là nồng độ ethanol cuối cùng có thể đạt được thấp. Vì rất có thể ethanol được sản xuất sẽ được thu hồi bằng cách chưng cất, đây là một quá trình rất tốn năng lượng, nồng độ ethanol tối thiểu chấp nhận được trong đầu vào cho thiết bị chưng cất là 50 g / L [8].
3. Sản xuất ethanol toàn cầu
Người ta ước tính rằng hiện tại 60% ethanol được sản xuất từ ngô, 25% từ mía, 3% từ lúa mì, 2% từ mật đường và phần còn lại từ các loại ngũ cốc khác, sắn và củ cải đường. Sản lượng ethanol nhiên liệu thế giới hàng năm trong ba năm qua cùng với sản xuất của từng quốc gia đóng góp ít nhất 1% tổng sản lượng được tóm tắt trong Bảng 3. Như đã chỉ ra trong Bảng 3, năm nhà sản xuất ethanol hàng đầu trước đại dịch COVID-19 là Hoa Kỳ, Brazil, Liên minh châu Âu (EU), Trung Quốc và Canada. Năm 2020, Ấn Độ sản xuất ethanol nhiều hơn Canada một chút nhưng thứ hạng của bốn nhà sản xuất ethanol hàng đầu không thay đổi.
Số lượng nhà máy sản xuất, loại nhà máy, nguyên liệu và đồng sản phẩm của ngành ethanol ở năm quốc gia / khu vực sản xuất ethanol hàng đầu được tóm tắt trong Bảng 4. Trong bảng này, tất cả dữ liệu là cho năm 2020. Trường hợp của Hoa Kỳ cần một lời giải thích. Một số nhà máy ethanol xay ngô khô ở Hoa Kỳ đã sử dụng quy trình bắt vít như quy trình D3MAX hoặc QCCP đã thảo luận trước đây để chuyển đổi sợi ngô, tức là nguyên liệu sinh khối và tinh bột ngô không chuyển đổi thành ethanol bổ sung. Số lượng ethanol được sản xuất từ mỗi nguyên liệu trong các quy trình này không thể được xác định riêng biệt. Do đó, tất cả ethanol được sản xuất trong các nhà máy này được liệt kê trong sản xuất ethanol ngô. Ngoài ra, một số nhà máy thỉnh thoảng sử dụng một lượng nhỏ hạt lúa miến để trộn với ngô. Số lượng hạt lúa miến được sử dụng không được biết đến. Do đó, tất cả các nguyên liệu dựa trên tinh bột được liệt kê dưới ngô.
Sản xuất ethanol từ các quốc gia riêng lẻ có sản lượng ethanol hàng năm đáng kể được xem xét trong các phần sau.
3.1. Bắc Mỹ
3.1.1.
Tại Hoa Kỳ, ethanol được sản xuất từ ngô đạt 6,5 tỷ gallon (24,6 tỷ L) vào năm 2007 và năm 2012 tổng số này tăng gấp đôi lên khoảng 13,2 tỷ gallon (50,0 tỷ L). Năm 2018, Hoa Kỳ đã xuất khẩu tổng cộng 6,5 tỷ L ethanol, mở rộng tỷ trọng xuất khẩu ethanol thế giới lên 61%. Hầu hết ethanol được sản xuất tại Hoa Kỳ là từ cây trồng dựa trên tinh bột bằng công nghệ chế biến khô hoặc ướt. Năm 2020, có 208 nhà máy sản xuất ethanol tại Hoa Kỳ với tổng công suất lắp đặt là 17,44 tỷ gallon mỗi năm (66,0 tỷ L mỗi năm). Tổng sản lượng vào năm 2020 là 13.8 tỷ gallon (52.2 tỷ L), giảm 12.7% so với tổng sản lượng 15.8 tỷ gallon (59.8 tỷ L) trong năm trước [11,59]. Sản lượng ethanol giảm chủ yếu do nhu cầu nhiên liệu vận tải giảm, đây là hậu quả trực tiếp của đại dịch COVID-19. Trong khi một số nhà máy đã bị đóng cửa, một số nhà máy đã sửa đổi quy trình sản xuất để sản xuất một sản phẩm ethanol phù hợp để sử dụng trong nước rửa tay để đối phó với suy thoái kinh tế. Dự kiến, sản lượng ethanol sẽ tăng trở lại vào năm 2021. Các đồng sản phẩm ethanol được tạo ra vào năm 2020 bao gồm 29,4 triệu tấn ngũ cốc chưng cất, 3,1 triệu tấn thức ăn gluten ngô, 0,6 triệu tấn bột gluten ngô, 1,5 triệu tấn dầu ngô và 2,1 triệu tấn CO2 thu được. Ngô là nguyên liệu chính, chiếm 93,2% tổng sản lượng ethanol vào năm 2020. Các nguyên liệu khác bao gồm lúa miến, chất xơ ngô, đường thải, tinh bột thải và sinh khối lignocellulo. Sự quan tâm đến sinh khối như một nguyên liệu tiềm năng để sản xuất ethanol tiếp tục mạnh mẽ. Bất chấp những thất bại trước đó của các tập đoàn lớn như Poet và DuPont, New Energy Blue đã công bố vào tháng 7/2021 kế hoạch xây dựng một nhà máy lọc sinh học ethanol quy mô đầy đủ, sẽ tiêu thụ 250.000 tấn dư lượng nông nghiệp mỗi năm được tạo ra tại địa phương để sản xuất ethanol. Nhà máy được đề xuất sẽ sử dụng quy trình Inbicon, cũng sẽ sản xuất đồng sản phẩm lignin để sử dụng làm nhiên liệu sinh học rắn và chất kết dính tự nhiên và có thể là xylitol như một hóa chất đặc biệt với các ứng dụng thực phẩm tiềm năng [60,61].
3.1.2. Canada
Canada là nước nhập khẩu ròng ethanol vì khối lượng tiêu thụ ở Canada thường vượt quá ethanol mà quốc gia này sản xuất. Năm 1980, Canada chỉ sản xuất 8000 L nhưng năm 2010 sản lượng ethanol hàng năm của Canada đạt 1,9 tỷ L. Năm 2019, tiêu thụ ethanol ở Canada đạt 3,33 tỷ L so với 2 tỷ L trong sản xuất. Tuy nhiên, sản xuất ethanol ở Canada đã tăng trưởng trong những năm gần đây phần lớn là do những thay đổi trong nguyên liệu và tăng công suất tại các cơ sở ethanol hiện có ở Canada.
Năm 2020, Canada được xếp hạng là nhà sản xuất ethanol lớn thứ sáu trên thế giới. Sản xuất ethanol ở Canada chiếm 1,6% tổng sản lượng toàn cầu. Hai nguyên liệu chính được sử dụng để sản xuất ethanol là ngô và lúa mì, đóng góp lần lượt 1534,3 triệu L và 360,7 triệu L [59]. Lúa mạch mùa đông đã được coi là một nguyên liệu tiềm năng để sản xuất ethanol. Tuy nhiên, loại hạt này chưa được sử dụng trong bất kỳ nhà máy sản xuất ethanol thương mại nào.
3.2. Nam Mỹ
3.2.1. Brazil
Brazil tiếp tục là nhà sản xuất ethanol lớn thứ hai trên thế giới. Năm 2019, sản lượng ethanol của Brazil bao gồm ethanol khan và hydrous lên tới hơn 35,3 triệu M3, tăng gần 7% so với năm 2018. Đây là khối lượng ethanol nhiên liệu cao nhất mà Brazil đã sản xuất trong thập kỷ qua. Ở Brazil, bã mía thường được sử dụng làm nhiên liệu lò hơi để sản xuất năng lượng cung cấp cho các nhà máy đường. Điều này được thực hiện để giảm thiểu chi phí năng lượng và cũng là một giải pháp thay thế cho việc sử dụng sinh khối còn sót lại.
Năm 2020, sản lượng ethanol ở Brazil chiếm 26,7% tổng sản lượng ethanol toàn cầu [53]. Có 360 nhà máy ethanol thế hệ đầu tiên (mía, ngô) ở Brazil vào năm 2020 với tổng công suất bảng tên là 42.800 triệu L. Tuy nhiên, chỉ có 67% công suất được sử dụng. Có ba nhà máy sử dụng nguyên liệu lignocellulosic với tổng công suất bảng tên là 127 triệu L. Năm 2020, các nhà máy ethanol thế hệ thứ 2 này chỉ hoạt động với 25% công suất. Các nguyên liệu đầu vào bao gồm mía (326,6 triệu tấn), ngô (6,0 triệu tấn) và bã mía (178.000 tấn). Tổng sản lượng ethanol năm 2020 là 31,35 tỷ L, trong đó có 32 triệu L được sản xuất từ nguyên liệu lignocellulosic (bã mía). Sản lượng ethanol năm 2020 thấp hơn khoảng 16% so với năm trước (37,38 tỷ L). Sản lượng ethanol giảm trong năm 2020 chủ yếu là do sự chuyển hướng của nước mía sang sản xuất đường nhiều hơn trong các nhà máy đường-ethanol. Các sản phẩm phụ bao gồm 120,1 triệu tấn bã mía, 1,88 triệu tấn DDGS và 108.000 tấn dầu ngô. Nguyên liệu truyền thống để sản xuất ethanol thế hệ đầu tiên ở Brazil là mía. Tuy nhiên, ngô đã trở thành một nguyên liệu quan trọng và việc sử dụng nó để sản xuất ethanol đã dần đạt được chỗ đứng. Năm 2020, 2,5 tỷ L ethanol được sản xuất từ ngô, cao hơn 1,17 triệu L so với năm trước. Liên minh Quốc gia Ethanol ngô (UNEM) dự đoán sản lượng ethanol ngô sẽ đạt 8 tỷ L vào năm 2028. Hiện tại có 11 nhà máy ethanol ngô, bao gồm chín loại cây đầy đủ (chỉ ngô) và 2 loại cây uốn cong (ngô và mía). Hai nhà máy đầy đủ và một nhà máy uốn cong hiện đang được xây dựng [55].
3.2.2. Argentina
Năm 2020, Argentina đứng thứ 8 trên thế giới với đóng góp 1,0% vào tổng sản lượng ethanol toàn cầu [53]. Có 22 nhà máy ethanol với tổng công suất bảng tên là 1580 triệu L mỗi năm. Tuy nhiên, các nhà máy ethanol chỉ hoạt động với 55,1% công suất. Ngô và mật mía được sử dụng làm nguyên liệu lần lượt là 1,09 triệu tấn và 1,70 triệu tấn. Tổng sản lượng ethanol là 870 triệu lít, thấp hơn đáng kể so với tổng sản lượng trong năm trước (1073 triệu L). Đồng sản phẩm DDGS cũng được sản xuất ở mức 345.000 tấn [62].
3.2.3. Colombia
Colombia được xếp hạng thứ 13 trên thế giới vào năm 2020 với đóng góp 0,44% vào tổng sản lượng ethanol toàn cầu [60]. Nước này có sáu nhà máy ethanol, sử dụng mía làm nguyên liệu duy nhất. Tổng dung tích bảng tên của các nhà máy là 540 triệu lít. Các nhà máy này chỉ hoạt động với 73,1% công suất vào năm 2020. Tổng sản lượng ethanol năm 2020 là 395 triệu lít với 1,34 triệu tấn bã mía đồng sản phẩm. Năm trong số sáu nhà máy ethanol được liên kết trực tiếp với các nhà máy sản xuất đường. Bã mía thu được sau khi chiết xuất nước trái cây được sử dụng để tạo ra năng lượng để sử dụng nội bộ trong các nhà máy này. Hầu hết các nhà máy ethanol ở Colombia đều tự cung cấp năng lượng và thậm chí tạo ra năng lượng dư thừa để bán cho lưới điện quốc gia [63].
3.3. Châu Âu
Liên minh
châu Âu Tổng sản lượng ethanol ở EU vào năm 2020 là 4,8% tổng sản lượng toàn cầu [53]. Các nguyên liệu chính được sử dụng để sản xuất ethanol là củ cải đường (7,45 triệu tấn), ngô (6,35 triệu tấn) và lúa mì (2,64 triệu tấn). Các nguyên liệu thế hệ đầu tiên khác là triticale (1,04 triệu tấn), lúa mạch đen (520.000 tấn) và lúa mạch (450.000 triệu tấn). Lúa mì chủ yếu được sử dụng ở Bỉ, Đức, Pháp và Anh. Ngô là nguyên liệu ưa thích ở Hungary, nơi ngô có sẵn dồi dào, và ở Hà Lan, Tây Ban Nha và Anh, nơi phần lớn ngô đến từ Ukraine để cung cấp nguyên liệu cho các nhà máy ethanol, nằm gần cảng biển. Các nhà máy ethanol nội địa ở Tây Ban Nha đã sử dụng kết hợp ngô và lúa mạch làm nguyên liệu. Củ cải đường và các dẫn xuất của chúng được sử dụng để sản xuất ethanol ở Pháp, Đức, Anh, Cộng hòa Séc, Bỉ và Áo. Việc sử dụng nguyên liệu lignocellulosic vào năm 2020 đã tăng gấp đôi lên 200.000 tấn so với năm trước. Có 57 nhà máy ethanol thế hệ đầu tiên với tổng công suất 8,15 tỷ L, được vận hành với 58% công suất. Ngoài ra còn có 3 nhà máy ethanol lignocellulosic với tổng công suất bảng tên 90 triệu L. Tuy nhiên, các nhà máy ethanol thế hệ thứ hai này chỉ hoạt động với 28% công suất. Năm nhà máy ethanol lignocellulosic khác đang được xây dựng ở Phần Lan (mùn cưa, 10 triệu L mỗi năm), Ý (sinh khối, 28 triệu L mỗi năm), Áo (đường gỗ, 30 triệu L mỗi năm), Romania (rơm lúa mì, 65 triệu L mỗi năm) và Bulgaria (ngô, 50 triệu L mỗi năm). Tất cả các nhà máy này dự kiến sẽ sớm đi vào hoạt động. Sản lượng ethanol ở EU năm 2020 là 5,47 tỷ L. Do đại dịch COVID-19, tiêu thụ ethanol ở EU đã giảm 10,1%. Tuy nhiên, con số này vẫn thấp hơn một chút so với mức giảm 13,0% tiêu thụ xăng dầu. Theo Báo cáo thường niên về nhiên liệu sinh học của Liên minh châu Âu năm 2021, các đồng sản phẩm bao gồm 3,33 triệu tấn DDGS và 188.000 tấn dầu ngô [56].
3.4. Châu Á và phần còn lại của thế giới
3.4.1. Việt Nam
là một quốc gia dựa vào nông nghiệp và có nguồn tài nguyên thiên nhiên dồi dào để phát triển năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, tốc độ phát triển năng lượng tái tạo trong đó có sản xuất ethanol vẫn chưa nhanh do các rào cản như quy mô nền kinh tế đất nước còn nhỏ, thiếu năng lực tài chính, công nghệ tiên tiến và nguồn nhân lực. Các rào cản thể chế như cơ chế kiểm soát thị trường và chính sách hỗ trợ không ổn định cũng hạn chế sự phát triển của ngành năng lượng tái tạo [64].
Về phát triển ethanol, do kinh tế phát triển, Việt Nam đã tiêu thụ rất nhiều xăng dầu trong những năm gần đây. Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) ước tính tiêu thụ xăng của Việt Nam trong những năm gần đây đã tăng khoảng 4-5% mỗi năm. Trong quý I/2020, Việt Nam đã chi khoảng 2,5 tỷ USD để nhập khẩu dầu thô và các sản phẩm dầu mỏ, trong đó có ethanol, ngoài sản xuất [65]. Kể từ năm 2007, các quy định hỗ trợ ethanol đã dần tăng lên, tuy nhiên, việc thương mại hóa và bán xăng pha trộn ethanol 5% (E5) đã bị đẩy lùi sang năm 2018 do người tiêu dùng thiếu hiểu biết về lợi ích môi trường của xăng pha trộn ethanol, cùng với một số tin đồn và huyền thoại dai dẳng rằng việc sử dụng ethanol có thể gây hại cho động cơ xe.
3.4.2. Hàn Quốc
Hàn Quốc là nước phát thải CO2 đứng thứ 7 trên thế giới và tương tự như các quốc gia khác lo ngại về lượng khí thải CO2 cao và sự phụ thuộc vào dầu thô nhập khẩu. Tất cả lượng dầu Hàn Quốc tiêu thụ đều được nhập khẩu từ nước ngoài. Hàn Quốc là nhà nhập khẩu ethanol chính của Hoa Kỳ, với tổng khối lượng 263,84 triệu L (tương đương 24,7 triệu giạ ngô) trong năm 2017-2018. Vào giữa những năm 1990, việc sản xuất ethanol để sử dụng nhiên liệu ở Hàn Quốc sử dụng sắn nhập khẩu làm nguyên liệu đã được bắt đầu. Bộ Kinh tế tri thức Hàn Quốc (KMKE) đã công bố kế hoạch hành động nhằm tăng cường sử dụng nhiên liệu sinh học trong lĩnh vực giao thông vận tải từ 0,2 tỷ L năm 2008 lên 5 tỷ L vào năm 2030 [66].
3.4.3. Trung Quốc
Từ năm 2004 đến năm 2016, Trung Quốc sản xuất ethanol với tỷ lệ sản xuất tăng trung bình hàng năm là 16,8%. Năm 2017, Trung Quốc có sản lượng ethanol là 2,8 triệu tấn. Năm 2018, Trung Quốc đã sản xuất 6,6 triệu tấn, trở thành quốc gia / khu vực sản xuất ethanol lớn thứ tư trên thế giới, sau Hoa Kỳ, Brazil và EU. Trung Quốc đặt ra chính sách rằng nguồn cung cấp xăng trên cả nước phải được pha trộn với ethanol vào năm 2020. Theo một nguồn tin, Trung Quốc đặt mục tiêu có 15 triệu tấn vào năm 2020, gần gấp ba lần năng lực sản xuất ethanol hiện tại, để theo kịp nhu cầu ngày càng tăng về nhiên liệu sạch hơn [57]. Mục tiêu này sẽ vượt quá năng lực sản xuất trong nước ước tính của Trung Quốc và nước này sẽ cần nhập khẩu ethanol từ nước ngoài như Mỹ và Brazil. Ngô là nguyên liệu chính của Trung Quốc, hiện chiếm 64% tổng sản lượng sản xuất ethanol của Trung Quốc [67].
3.4.4. Ấn Độ
Ấn Độ đứng thứ 6 trong số các nhà sản xuất ethanol hàng đầu thế giới. Năm 2020, Ấn Độ vẫn là một trong những nhà nhập khẩu ethanol lớn nhất của Mỹ, với thị phần 99%. Với chiến lược "tự phục hồi" của Thủ tướng Modi, Ấn Độ đặt mục tiêu đầy tham vọng E-20 vào năm 2025 trong khi vẫn giữ được mục tiêu trước mắt là E-10 vào năm 2022. Ấn Độ có tổng công suất ethanol được lắp đặt là 5 tỷ L, trong đó các nhà máy chưng cất mật đường chiếm 4,2 tỷ L, tương đương 85% tổng công suất sản xuất, trong khi các nhà máy chưng cất ngũ cốc chiếm 750 triệu L (tương đương 15%).
Trước đây, ethanol ở Ấn Độ chỉ có thể được sản xuất từ mật đường hoặc nước đường. Tuy nhiên, ethanol hiện có của Ấn Độ được sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu như ngũ cốc (gạo, lúa mì, lúa mạch, ngô và lúa miến). Năm 2020, ước tính có khoảng 2,98 tỷ L ethanol được sản xuất từ mật rỉ. Năm 2021, sản lượng ethanol của Ấn Độ được dự báo ở mức 3,17 tỷ L, cao hơn 7% so với năm 2020 do sản lượng mía dư thừa và tỷ lệ pha trộn ethanol trung bình năm 2021 trong xăng của Ấn Độ ước tính ở mức 7,5%, do nỗ lực của chính phủ nhằm chuyển hướng nhiều nguyên liệu hơn sang ethanol [68].
3.4.5. Thái Lan
Thái Lan là nhà sản xuất ethanol lớn thứ 7 trên thế giới. Thái Lan tiêu thụ 1500 triệu L ethanol vào năm 2020. Kế hoạch phát triển năng lượng thay thế (AEDP) 20 năm của Thái Lan giai đoạn 2018-2037 đặt mục tiêu 2,0 tỷ L ethanol vào năm 2021 và 2,7 tỷ L cho tiêu thụ ethanol vào năm 2037. Mật mía là nguyên liệu chính để sản xuất ethanol ở Thái Lan. Nguồn cung mật mía ở Thái Lan đã bị thắt chặt do sản lượng mía giảm trong hai năm liên tiếp. Nhu cầu ethanol chủ yếu dự kiến sẽ được đáp ứng bởi ethanol gốc sắn ở Thái Lan [69].
3.4.6. Úc
Tiêu thụ ethanol của Australia được dự báo sẽ duy trì ổn định trong năm 2020 chỉ bằng 1,4% lượng xăng tiêu thụ. Ethanol ở Úc chủ yếu được sản xuất làm nhiên liệu sinh học cho xe chở khách và thương mại và cũng cho đồ uống có cồn, hóa chất công nghiệp và dung môi được sử dụng trong các ứng dụng dược phẩm và mỹ phẩm. Mặc dù có sẵn nguyên liệu lớn, khối lượng sản xuất ethanol của Úc vẫn còn nhỏ vì không có chương trình ethanol nhiên liệu trên toàn quốc. Ở Úc chỉ có hai tiểu bang, đó là New South Wales và Queensland, có nhiệm vụ với chương trình ethanol nhiên liệu và có mức tiêu thụ nhiên liệu pha trộn ethanol cao nhất.
Tại New South Wales, Manildra là nhà sản xuất ethanol lớn nhất với công suất hơn 300 triệu L. Trong nhà máy này, tinh bột mì được chế biến thông qua một quá trình tích hợp tách gluten và xử lý tinh bột còn lại thành một loạt các loại tinh bột thực phẩm và công nghiệp, xi-rô glucose và các sản phẩm ethanol. Tại Queensland, một nhà máy tại Dalby sản xuất ethanol từ nguyên liệu làm từ tinh bột được điều hành bởi United Petroleum. Nhà máy lọc sinh học này với công suất 80 triệu L ethanol cấp nhiên liệu nằm trong vùng trồng lúa miến ở Darling Downs và xử lý tới 0,2 triệu tấn hạt lúa miến mỗi năm từ những người trồng địa phương. Với công suất tối đa, nhà máy lọc sinh học cũng có thể sản xuất 830.000 tấn hạt chưng cất ướt, được sử dụng để bổ sung thức ăn chăn nuôi [70].
3.4.7. Zimbabwe và các nước
châu Phi khác Zimbabwe đã áp dụng các quy định pha trộn xăng ethanol. Hai nhà máy ethanol ở Zimbabwe, cụ thể là Triangle Sugar và Hippo Valley, đã được lắp đặt. Năm 2010, nhà máy Triangle nối lại sản xuất ethanol sau khi tân trang nhà máy ethanol với công suất 27 triệu L mỗi năm. Chính phủ Zimbabwe cũng khởi xướng dự án đường / ethanol sinh học Chisumbanje với mục đích sử dụng 10.000 ha mía cho dự án này. Vào tháng 3 năm 2012, chủ sở hữu của dự án này đã tạm dừng sản xuất vì nhà máy đã hết chỗ lưu trữ. Tại Zimbabwe, một số công ty dầu mỏ chỉ bán E10 tại một vài trạm nạp của họ [71].
Ở các nước châu Phi khác, phụ gia chì vẫn được sử dụng nhiều trong xăng và nơi chi phí sản xuất mía cao, ethanol có thể là nguồn octan rẻ tiền trong xăng. Người ta ước tính rằng ở châu Phi, để thay thế tất cả chì được sử dụng trong xăng châu Phi, điều này sẽ đòi hỏi châu Phi phải sản xuất khoảng 20% lượng ethanol hiện đang được sản xuất ở Brazil và sẽ yêu cầu chuyển một số sản xuất đường sang sản xuất ethanol. Các quốc gia châu Phi có thể thay thế chì bằng ethanol bằng cách sử dụng chủ yếu sản xuất mật rỉ phụ phẩm của họ bao gồm Zimbabwe, Kenya, Ai Cập, Zaire, Zambia, Sudan, Swaziland và Mauritius ở quy mô khiêm tốn hơn [72].
4. Thảo luận
Trong vài thập kỷ qua, ethanol đã nổi lên để trở thành một nhiên liệu lỏng vận chuyển quan trọng. Ethanol ngô ở Hoa Kỳ và ethanol mía ở Brazil đã đạt được vị trí là một ngành công nghiệp trưởng thành. Sự quan tâm mạnh mẽ đến ethanol từ các nguồn bền vững đã dẫn đến sự phát triển của công nghệ xử lý sản xuất ethanol từ sinh khối. Nghiên cứu trong lĩnh vực này đã dẫn đến nhiều thành tựu công nghệ và thay đổi của ngành công nghiệp sản phẩm sinh học. Một ví dụ là sự phát triển của các quy trình tiền xử lý sinh khối, đã được cải thiện để chuyển trọng tâm vào phần cellulose trong sinh khối để bao gồm việc sử dụng hemicellulose. Trong những phát triển ban đầu của quá trình tiền xử lý, lignin được coi là chất thải, được đốt để cung cấp năng lượng nhiệt cần thiết trong một nhà máy ethanol sinh khối. Nghiên cứu về quy trình chuyển đổi lignin thành các sản phẩm có giá trị cao đã thay đổi quan điểm này và lignin hiện được coi là đồng sản phẩm của sản xuất ethanol sinh khối. Một ví dụ khác là sự phát triển của các sản phẩm cellulase và xylanase thương mại hiệu quả hơn nhiều. Mặc dù có một số thất bại của các nhà máy sản xuất ethanol sinh khối, những nhà máy khác vẫn tiếp tục được xây dựng với kiến thức kỹ thuật được cải thiện và chiến lược sản xuất tốt hơn. Người ta dự đoán rằng ngành công nghiệp ethanol thế hệ thứ hai cuối cùng sẽ xuất hiện và thiết lập chính nó tương tự như ethanol thế hệ đầu tiên dựa trên nguyên liệu dựa trên tinh bột và đường.
5. Kết luận và dự báo xu hướng toàn cầu
Như đã thảo luận trước đây, ethanol ngô ở Hoa Kỳ và ethanol mía ở Brazil đã được thực hành thương mại trong nhiều năm và do đó có rất ít chỗ cho nghiên cứu để cải thiện đáng kể công nghệ. Tuy nhiên, trong lĩnh vực ethanol sinh khối, vẫn còn cơ hội nghiên cứu để cải tiến công nghệ và đưa nó đến gần hơn với thành công thương mại. Một lĩnh vực cần nghiên cứu thêm là phát triển các đồng sản phẩm có giá trị cao có thể được sản xuất từ đường C5 và các quy trình sản xuất chúng. Ví dụ về các sản phẩm này là xylitol và astaxanthin, trong số những sản phẩm khác. Một lĩnh vực khác vẫn cung cấp nhiều cơ hội nghiên cứu là sử dụng lignin. Tương tự như trường hợp của đường C5, lignin có thể được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất các sản phẩm đồng giá trị cao và phát triển các quy trình sản xuất của chúng vẫn đòi hỏi những nỗ lực nghiên cứu đáng kể.
Mời đối tác xem các hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
