Sự tiến hóa của sinh khối và các thế hệ của nó
Nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng cao và sự cạn kiệt của các kho dự trữ nhiên liệu hóa thạch đã thúc đẩy sự quan tâm ngày càng tăng đối với sinh khối và các thế hệ của nó, đặc biệt là nhiên liệu sinh học trong thập kỷ qua.
Nhưng quan trọng hơn, cùng với những khám phá và đột phá mới trong thế kỷ 20, con người cũng bắt đầu phải đối mặt với một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất của thế giới - biến đổi khí hậu.
Trong phần lớn thế kỷ đó, nghiên cứu về sinh khối gần như đi theo giá dầu hóa thạch. Và đã có mối quan tâm ngày càng tăng về tác động môi trường của việc sử dụng nhiên liệu lỏng trong năm thập kỷ qua.
Ví dụ, hơn 8 tỷ lít xăng được tiêu thụ để làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông mỗi năm ở Canada. Điều này và mối quan tâm đáng báo động về lượng khí thải carbon đã dẫn đến sự chú ý nhiều hơn đến việc sử dụng nhiên liệu sinh học. Việc sử dụng chúng thường trở thành một lựa chọn thân thiện với môi trường hơn vì cân bằng carbon của chúng gần như trung tính trong khi các nhiên liệu có nguồn gốc từ hóa thạch như dầu diesel hoặc xăng lại gây hại cho hành tinh.
Bài viết này sẽ theo dõi quá trình tiến hóa của sinh khối và ba thế hệ của nó, thảo luận về các thuộc tính chính cũng như các lợi ích và ưu điểm chính của chúng.
Nhưng trước tiên, chúng ta hãy định nghĩa sinh khối là gì và tại sao thế giới phải chuyển sang sử dụng nó làm nhiên liệu sinh học.
Sinh khối là gì?
Sinh khối là vật liệu hữu cơ tái tạo, nghĩa là nó có nguồn gốc từ các sinh vật sống như thực vật và động vật. Nó vẫn là nguồn nhiên liệu quan trọng ở nhiều quốc gia và là nguồn tiêu thụ năng lượng hàng năm lớn nhất tại Hoa Kỳ cho đến giữa những năm 1800.
Sinh khối luôn là nguồn năng lượng đáng tin cậy đã được thu hẹp lại thành các nguồn carbon tái tạo.
Ethanol là một trong những nhiên liệu sinh học nổi tiếng nhất ở Hoa Kỳ trong khi các loại nhiên liệu khác, ví dụ như biodiesel, cũng được sử dụng ở các quốc gia khác như Châu Á và Châu Âu.
Vào đầu thế kỷ 19, etanol được gọi là dầu hỏa cho đến khi được thử nghiệm và thấy hữu ích cho động cơ đốt trong. Ethanol đã dần thay thế dầu cá voi sau đó được thay thế bằng dầu chưng cất từ dầu mỏ để thắp sáng. Vào cuối thế kỷ, ethanol đã được đưa vào lĩnh vực vận tải.
Vào đầu thế kỷ 20, các sản phẩm có nguồn gốc từ hóa thạch đã thay thế ethanol cho đến tận ngày nay. Nhưng với vấn đề ngày càng trầm trọng về dầu hóa thạch làm nóng hành tinh, sinh khối bắt đầu trở thành trung tâm của sản xuất năng lượng.
Và mặc dù có nhiều cách để tạo ra năng lượng sạch từ các nguồn tái tạo khác, sinh khối vẫn rất quan trọng vì những nguồn khác không tạo ra nhiên liệu lỏng có thể cung cấp nhiên liệu cho phương tiện vận tải. Tuy nhiên, có một điều là việc chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu sinh học đặt ra một thách thức lớn. Và thành phần hóa học của sinh khối càng phức tạp thì quá trình chuyển đổi càng tốn kém.
Hoa Kỳ là nước đi đầu trong thị trường nhiên liệu sinh học, đặt mục tiêu thay thế 20% nhiên liệu hóa thạch bằng nhiên liệu sinh học vào năm 2022.
Dựa trên phương pháp sản xuất và nguyên liệu đầu vào cụ thể được sử dụng, sinh khối được chia thành ba loại, còn được gọi là thế hệ.
Sinh khối thế hệ đầu tiên
Sinh khối thế hệ đầu tiên là từ các loại cây trồng có thể ăn được như ngô và mía, và thường liên quan đến việc sản xuất ethanol và biodiesel.
Đường C6, được lên men bằng nấm men truyền thống hoặc GMO, là nguyên liệu thô hoặc nguyên liệu chính được sử dụng để sản xuất ethanol. Nguyên liệu thô phổ biến được sử dụng để sản xuất bioethanol là mía và ngô. Các loại cây lương thực khác được sử dụng hoặc được coi là để sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên bao gồm lúa mạch, váng sữa và chất thải khoai tây.
Bioethanol từ mía
Mía là nguyên liệu thô phổ biến để sản xuất nhiên liệu sinh học và quy trình sản xuất bioethanol khá đơn giản. Cây được nghiền trong nước để chiết xuất sucrose, sau đó được tinh chế để sản xuất ethanol hoặc đường thô.
Sau đây là quy trình được minh họa trong nghiên cứu của Harcum và Caldwell, 2020.
Sản xuất ethanol từ mía
Brazil là một trong những quốc gia tiêu thụ bioethanol lớn nhất từ mía.
Với quy trình chuyển đổi đơn giản, sản xuất ethanol từ sinh khối mía có lợi cho người sản xuất. Tuy nhiên, giá đường tăng cao lại tạo ra vấn đề cho thị trường bioethanol.
Khi chi phí sản xuất đường thô rẻ hơn sản xuất ethanol, thị trường đã chọn tập trung vào đường thô. Sản xuất đường thô từ mía có lợi nhuận cao hơn sản xuất ethanol.
Nhưng tất cả là nhờ ngô, sản xuất bioethanol vẫn khả thi.
Bioethanol từ ngô
Ngô là một nguồn chính khác để sản xuất nhiên liệu sinh học. Loại cây trồng phổ biến này cần thủy phân tinh bột sơ bộ để chiết xuất đường từ ngô, sau đó lên men để sản xuất ethanol.
Tin tốt là chi phí cho enzyme được sử dụng trong quá trình thủy phân không quá đắt. Và giá trị của thị trường ngô rất lớn, khiến ngô không phải là vấn đề khi là nguồn sinh khối để sản xuất ethanol. Chưa kể đến các sản phẩm phụ của quy trình này cũng là một sản phẩm có giá trị được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi.
Sản xuất biodiesel
Bên cạnh ethanol, biodiesel là nhiên liệu sinh học duy nhất khác có thể mở rộng quy mô thương mại. Không giống như quá trình đơn giản trong quá trình sản xuất bioethanol, quá trình sản xuất biodiesel khá khác biệt vì đây là một quá trình hóa học.
Tất nhiên, nó cũng sử dụng sinh khối chủ yếu từ hạt và cây có dầu. Tuy nhiên, bản thân quá trình sản xuất phần lớn dựa vào việc tách dầu sinh học theo phương pháp hóa học để chuyển đổi chúng thành nhiên liệu sinh học.
Quá trình được gọi là quá trình chuyển este liên quan đến việc phá vỡ các liên kết liên kết các axit béo chuỗi dài với glycerol, sau đó được thay thế bằng methanol.
Sản xuất biodiesel cũng cần methanol và giá của nó là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến quá trình sản xuất. Điều này có nghĩa là việc sử dụng các nguồn ít tốn kém hơn như dầu đã qua sử dụng hoặc dầu từ các loại cây không ăn được trở nên quan trọng hơn.
Nhược điểm của sinh khối thế hệ đầu tiên
Sản xuất bioethanol từ mía hoặc ngô và biodiesel từ dầu ăn phụ thuộc vào giá cả trên thị trường quốc tế. Các nguyên liệu đầu vào này cũng góp phần vào sự biến động giá lương thực bằng cách cạnh tranh với sản xuất lương thực.
Như đã đề cập trước đó, mía là nguyên liệu thô có giá trị để sản xuất đường. Vì vậy, việc biến nó thành nguyên liệu để sản xuất bioethanol sẽ cạnh tranh với sản xuất đường.
Tương tự như trường hợp của ngô, loại cây thậm chí còn được ưa chuộng hơn để sản xuất nhiều loại thực phẩm. Ở Hoa Kỳ, ngô là loại cây trồng chính để sản xuất ngũ cốc, đồ ăn nhẹ, v.v.
Hơn nữa, các quy trình liên quan đến sản xuất cả bioethanol và biodiesel đều có thể gây ra tác động tiêu cực đến môi trường.
Ví dụ, Cơ quan Năng lượng Quốc tế dự đoán rằng diện tích đất cần thiết để sản xuất nhiên liệu sinh học từ cây lương thực sẽ tăng gấp 3 đến 4 lần trên toàn cầu trong những thập kỷ tới. Sự thay đổi trong việc sử dụng đất thậm chí còn nhanh hơn ở Bắc Mỹ và Châu Âu, góp phần gây ra thêm lo ngại về nạn phá rừng.
Thêm vào đó là việc sử dụng nhiều nước để sản xuất nhiên liệu sinh học. Trên thực tế, tình trạng khan hiếm nước, thay vì đất đai, sẽ là yếu tố hạn chế chính trong việc sản xuất nhiên liệu sinh học trong nhiều tình huống.
Khoảng 70% lượng nước ngọt được sử dụng trên toàn thế giới là cho mục đích nông nghiệp, trong khi sản xuất 50 triệu gallon ethanol/năm sử dụng khoảng 200 triệu gallon nước mỗi năm.
Điều đó có nghĩa là sản xuất nhiều nhiên liệu sinh học hơn sẽ cần nhiều nước hơn, góp phần gây ra tình trạng thiếu nước toàn cầu mà thế giới đang phải đối mặt. Những tác động tiêu cực này và các tác động tiêu cực khác khiến các nhà sản xuất nhiên liệu sinh học chú ý đến sinh khối thế hệ tiếp theo.
Sinh khối thế hệ thứ hai
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai có nguồn gốc từ nhiều loại nguyên liệu, đặc biệt là từ sinh khối lignocellulose không phải thực phẩm. Các nguồn sinh khối để sản xuất loại nhiên liệu sinh học này có ba loại:
Đồng nhất, ví dụ như dăm gỗ trắng
Bán đồng nhất, ví dụ như phế thải nông nghiệp và rừng
Không đồng nhất, bao gồm nguyên liệu có giá trị thấp như chất thải rắn đô thị
Điều khiến thế hệ sinh khối này hấp dẫn hơn thế hệ trước là chi phí nguyên liệu thô thấp hơn. Xét cho cùng, giá cả là động lực lớn nhất để sản xuất. Thêm vào đó, chúng không cạnh tranh với sản xuất cây lương thực.
Tuy nhiên, có một điều đáng lưu ý. Sinh khối thế hệ thứ hai thường phức tạp hơn để chuyển đổi và đòi hỏi công nghệ tiên tiến.
Có thể chuyển đổi thế hệ nhiên liệu sinh học này thông qua hai con đường khác nhau: sinh học và nhiệt. Sơ đồ đơn giản về các con đường sản xuất này được thể hiện trong sơ đồ bên dưới.
Sơ đồ đơn giản hóa cho các con đường "sinh học" và "nhiệt" để chuyển đổi sinh khối lignocellulose thành nhiên liệu sinh học. Nguồn: Lee và Lavoie, 2013.
Sản xuất sinh khối nhiệt
Như tên gọi, sinh khối được đun nóng bằng chất oxy hóa, nếu cần, để chuyển đổi thành sản phẩm mong muốn. Đặc biệt, để tạo ra than sinh học, sinh khối trải qua quá trình đốt (nung ở nhiệt độ thấp - 250°C đến 350°C).
Ở nhiệt độ cao, 550°C đến 750°C, quá trình chuyển đổi sinh khối diễn ra trong một quá trình gọi là nhiệt phân với sản phẩm chính là dầu sinh học. Trong khi ở nhiệt độ cao hơn nhiều, khí tổng hợp chủ yếu được sản xuất thông qua quá trình khí hóa, với dầu sinh học và than sinh học là sản phẩm phụ.
Than sinh học, một loại nhiên liệu sinh học rắn, gần đây đang thu hút được nhiều sự chú ý do đặc tính khử cacbon của nó. Và ở một số nơi trên thế giới, sinh khối lignocellulose không đắt, khiến việc sản xuất than sinh học thậm chí còn có lợi nhuận hơn.
Nhưng các loại sinh khối đồng nhất và đắt tiền nhất không phải là ứng cử viên tốt cho công nghệ chuyển đổi hiện có. Có một số hạn chế về mặt kỹ thuật và kinh tế để mở rộng quy mô các quy trình nhiệt sử dụng loại sinh khối này.
Đây là nơi các nguồn sinh khối bán đồng nhất và không đồng nhất sẽ phù hợp hơn.
Sản xuất sinh khối "sinh học"
Con đường này tương tự như quy trình nghiền bột giấy trong đó xenlulo được chiết xuất từ sinh khối lignocellulose. Nhưng quy trình này đi kèm với một thách thức về mặt công nghệ: nó phải sản xuất xenlulo tinh khiết nhất trong khi loại bỏ chất ức chế mà không sử dụng quá nhiều năng lượng hoặc nhiều hóa chất.
Tin tốt là có một giải pháp thay thế giúp quá trình này ít tốn kém hơn, chẳng hạn như sử dụng lignin và hemicellulose.
Đặc biệt, lignin đang thu hút rất nhiều sự chú ý gần đây. Là loại polyme tự nhiên phổ biến thứ hai được tìm thấy trong gỗ và thực vật, nó cung cấp nhiều lợi thế. Nó có thể được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học, chất sinh hóa và các sản phẩm sinh học khác. Ngành công nghiệp giấy và bột giấy đang sử dụng nó làm nhiên liệu, cung cấp nguồn carbon thấp để cung cấp năng lượng cho ngành này.
Ngoài việc là nguồn nhiên liệu sinh học tốt, lignin còn rất tốt để sản xuất hóa chất có giá trị cao cũng như chất kết dính do các monome thơm của nó. Các chuyên gia trong ngành cho biết sinh khối thế hệ thứ hai này có thể mở ra một thị trường mới cho nhựa sinh học và chất kết dính sinh học.
Ngay cả ngành xây dựng cũng thấy lignin là một giải pháp thay thế tốt cho bitum làm chất kết dính nhựa đường. Bitum sinh học gốc lignin có thể làm giảm lượng khí thải làm nóng hành tinh của nhựa đường. Để biết thêm về nguồn sinh khối này, hãy đọc bài viết này.
Sinh khối thế hệ thứ ba
Mặc dù lignin có nhiều lợi ích và ứng dụng, sinh khối tảo, còn được gọi là nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba hoặc "dầu", cho thấy tiềm năng lớn hơn. Nhiên liệu sinh học này có nguồn gốc từ tảo, có năng suất sinh trưởng rất đặc biệt so với lignin. Cao hơn khoảng 10 lần so với nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai.
Ngoài việc phát triển nhanh, tảo cần ít đất hơn và có thể phát triển ở những vùng không canh tác được. Chưa kể đến việc đại dương đủ rộng để nuôi tảo và các nguồn sinh khối dưới nước khác.
Tảo có thể sản xuất đủ loại nhiên liệu sinh học như etanol, butanol, biodiesel, propanol và xăng.
Sản xuất nhiên liệu sinh học từ tảo về cơ bản dựa vào hàm lượng lipid của vi khuẩn. Vì vậy, các loài có hàm lượng lipid cao và năng suất cao được chọn cho mục đích này như Chlorella.
Tảo hoặc vi tảo cũng rất có khả năng thu giữ CO2 từ khí thải hoặc không khí để quang hợp. Trong điều kiện phát triển phù hợp, tảo có thể thu giữ CO2 tới 99%.
Không có gì ngạc nhiên khi một số công ty khởi nghiệp đang đổ tiền và kiến thức của mình vào việc nghiên cứu và nuôi trồng tảo và các sinh khối dưới nước khác cho công nghệ thu giữ carbon của họ. Họ đã khai thác sức mạnh của tảo như một phương pháp giá cả phải chăng để khóa chặt carbon ở quy mô gigaton.
Hơn nữa, một công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Puerto Rico đã thu thập rong biển (sargassum) và biến nó thành các sản phẩm có giá trị cao, trung hòa carbon. Chúng bao gồm chất kích thích sinh học, chất nhũ hóa cho mỹ phẩm và dược phẩm, cũng như da sinh học cho quần áo và thời trang.
Tuy nhiên, giống như nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất và thứ hai, có một số thách thức cản trở việc mở rộng quy mô sinh khối tảo.
Mối quan tâm về công nghệ tập trung nhiều hơn vào việc phát triển quy trình phù hợp có thể chiết xuất lipid từ sinh khối dưới nước. Ngoài ra còn có một số quy trình trước đó cần thiết trước khi chiết xuất như lọc để tách nước tảo.
Hơn nữa, sản xuất tảo trong nhiên liệu quy mô công nghiệp đòi hỏi khối lượng nước lớn, đây là một vấn đề lớn đối với nhiều quốc gia. Ví dụ, Canada sẽ thấy đây là một thách thức lớn khi nhiệt độ có thể âm.
Không phải một trong hai, mà có thể là cùng nhau
Rõ ràng, mỗi thế hệ sinh khối đều có ưu và nhược điểm riêng cần cân nhắc.
Nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên đã được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới, mặc dù chúng cạnh tranh với sản xuất lương thực để sử dụng làm nguyên liệu đầu vào và đất canh tác.
Điều này thúc đẩy sự quan tâm đến sinh khối thế hệ thứ hai, nơi đầu vào ít tốn kém hơn vì chúng chủ yếu là chất thải từ nông nghiệp, rừng và đô thị. Nhưng thành phần của chúng phức tạp hơn và cần các quy trình tiên tiến hơn, do đó việc mở rộng quy mô sản xuất tỏ ra khó khăn.
Cuối cùng, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba từ tảo giải quyết các vấn đề về nguyên liệu đầu vào vì chúng có thể sản xuất sinh khối nhanh hơn nhiều, đòi hỏi ít đất hơn. Tuy nhiên, công nghệ có sẵn để tăng cường sản xuất vẫn còn ở giai đoạn đầu, cần được nghiên cứu, phát triển và đầu tư thêm.
Cuối cùng, thế giới không có lựa chọn nào khác ngoài việc lựa chọn những cách xanh hơn để cung cấp nhiên liệu cho xe cộ và những thứ mà con người sử dụng. Điều này khiến nhiên liệu sinh học trở thành tương lai và việc sản xuất chúng có thể không phụ thuộc vào một thế hệ mà là sự kết hợp của cả ba thế hệ.
