Vi khuẩn ăn CO2 biến khói ống khói thành nhiên liệu bền vững
Tác giả: Jesper Bruun Petersen, Đại học Aarhus
“Trong tương lai không phát thải ròng, chúng ta cần sử dụng công nghệ tái chế CO2 mà chúng ta thu được thay vì tiếp tục khai thác thêm từ lòng đất”, Amalie Kirstine Hessellund Nielsen, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Sinh học và Hóa học (bên trái) cho biết. Bên phải là Tiến sĩ sau tiến sĩ Mads Ujarak Sieborg. Nguồn: Đại học Aarhus / Peer Klercke
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một công nghệ đột phá sử dụng vi sinh vật để chuyển đổi khí thải CO2 công nghiệp thành các sản phẩm hữu ích như nhiên liệu và hóa chất.
Phương pháp này, khác với phương pháp thu giữ carbon truyền thống, cho phép sử dụng trực tiếp carbon thu được, mang lại giải pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn cho khí thải công nghiệp. Với công nghệ này, các ngành công nghiệp có thể sản xuất ra các chất có giá trị như mêtan và axit axetic, mở đường cho một tương lai xanh hơn với sự phụ thuộc ít hơn vào nhiên liệu hóa thạch.
Công nghệ chuyển đổi CO2 mang tính cách mạng
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Aarhus (AU) đã phát triển công nghệ đột phá sử dụng vi sinh vật để chuyển đổi CO2 từ khí thải thành các nguồn tài nguyên có giá trị, chẳng hạn như nhiên liệu và hóa chất dùng trong công nghiệp.
Không giống như phương pháp thu giữ và lưu trữ carbon (CCS) truyền thống, vốn giữ lại CO2 và lưu trữ dưới dạng chất rắn dưới lòng đất, phương pháp cải tiến này biến CO2 thành nguyên liệu thô cho các ứng dụng mới. Những phát hiện này gần đây đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.
"Trong tương lai không phát thải ròng, chúng ta cần sử dụng công nghệ tái chế CO2 mà chúng ta thu được thay vì tiếp tục khai thác thêm từ lòng đất", Amalie Kirstine Hessellund Nielsen, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học, đồng thời là một trong những tác giả chính của nghiên cứu, giải thích.
Tích hợp sinh học trong quá trình giảm CO2
Trên toàn cầu, CO2 từ khí thải là tác nhân lớn nhất gây ra nồng độ khí nhà kính cao hơn trong khí quyển. Đây cũng là một trong những nguồn điểm có vấn đề nhất cần loại bỏ, vì CO2 trong khí thải từ ống khói công nghiệp, ví dụ, được trộn lẫn với các loại khí khác và do đó khó loại bỏ mà không phải chịu thêm chi phí lớn.
Công nghệ mới này dựa trên công nghệ thu giữ và sử dụng carbon (CCU), trong đó cái gọi là công nghệ rửa amin loại bỏ CO2 khỏi khí thải bằng các hóa chất liên kết CO2. Trong công nghệ thu giữ carbon thông thường, carbon được tách khỏi các hóa chất ở nhiệt độ cao trong một mạch kín. CO2 cô đặc sau đó có thể được tinh chế thêm trong các quy trình đòi hỏi khắt khe khác.
Công nghệ thay thế do các nhà nghiên cứu từ AU đề xuất là một hình thức thu giữ và sử dụng carbon tích hợp sinh học mới (BICCU), theo đó carbon được tái sử dụng trực tiếp trong mạch, tránh được nhiều bước quy trình trung gian thông thường. Các nhà nghiên cứu tại AU sử dụng các vi sinh vật vừa loại bỏ vừa chuyển đổi CO2 khỏi khí thải trực tiếp trong bộ phận thu giữ thay vì phải sử dụng nhiệt độ cao.
HỘP THÔNG TIN
Thu giữ carbon thường là hệ thống hai cột. Khí thải chạy qua cột đầu tiên trước khi thoát ra khỏi ống khói. Cột được đổ đầy các hóa chất đặc biệt để thu giữ CO2 ở dạng lỏng – được gọi là quá trình rửa amin.
Sau đó, các hóa chất và CO2 được bơm vào cột thứ hai, được đun nóng đến 120-140 độ C, giải phóng CO2 một lần nữa để sau đó có thể nén và lưu trữ.
Trong hệ thống CCU, cột đầu tiên giống hệt với quá trình thu giữ CO2 thông thường, nhưng ở cột thứ hai, các vi sinh vật và hydro được thêm vào và một quá trình sinh học bắt đầu, trong đó các vi sinh vật tách carbon và sử dụng nó trong quá trình trao đổi chất. Kết quả là một sản phẩm cuối cùng phụ thuộc vào các vi sinh vật được sử dụng, nhưng được điều chỉnh để sử dụng trong các ngành công nghiệp thâm dụng carbon.
Một giải pháp thay thế là chiết xuất carbon cần thiết cho ngành công nghiệp từ lòng đất dưới dạng dầu hóa thạch và khí tự nhiên.
“Các vi sinh vật cực kỳ chuyên biệt trong quá trình hấp thụ và chuyển đổi CO2 và chúng đã tinh chỉnh quá trình này trong hàng tỷ năm. Chúng tôi khai thác điều này trong các lò phản ứng sinh học của mình. Vì vậy, thay vì sử dụng nhiệt, chúng tôi bổ sung các vi sinh vật có thể chiết xuất CO2 từ các hóa chất khác, cho phép chúng tôi tiết kiệm tiền hóa đơn tiền sưởi ấm", Mads Ujarak Sieborg, một tiến sĩ sau tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học và là tác giả chính của nghiên cứu mới cho biết.
Các vi sinh vật hấp thụ carbon thông qua quá trình trao đổi chất của chúng và chuyển đổi thành các sản phẩm khác, chẳng hạn như mêtan, có thể được tái sử dụng trực tiếp trong công nghiệp
"Những gì thoát ra từ các vi sinh vật là khí thiên nhiên xanh hoặc axit axetic hoặc các khối xây dựng hóa học khác mà các ngành công nghiệp có thể sử dụng thay vì chiết xuất carbon từ lòng đất", Mads Ujarak Sieborg nói tiếp.
Ứng dụng thực tế và tiềm năng trong tương lai
Cho đến nay, thu giữ carbon vẫn là một công nghệ mới mà không nhiều ngành công nghiệp áp dụng. Các nhà máy khí sinh học đã bắt đầu thu giữ CO2 từ quá trình sản xuất của họ, vì tỷ lệ CO2 cao trong khí thải - lên tới 50%. Tuy nhiên, trong khói ống khói thông thường từ các, tỷ lệ CO2 ít hơn nhiều, khoảng 5-10 phần trăm.
Việc triển khai thu giữ carbon bị hạn chế rất nhiều vì quá trình gia nhiệt để tách carbon khỏi hóa chất rất tốn kém. Lượng năng lượng tiêu tốn chiếm khoảng 30 phần trăm tổng năng lượng mà nhà máy điện sản xuất.
Do đó, các nhà nghiên cứu hy vọng rằng phương pháp vi sinh có thể tạo ra động lực lớn hơn cho việc thu giữ carbon, vì chi phí thấp hơn nhiều và vì CO2 được chuyển đổi thành các sản phẩm mới cùng lúc khi nó được thu giữ:
“Quá trình sinh học hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn nhiều và vi khuẩn của chúng tôi có khả năng chống lại các khí khác trong khí thải. Nhưng vi sinh vật cần hydro cho quá trình của chúng, mà chúng tôi có được thông qua quá trình điện phân. Hydro là yếu tố hạn chế trong hệ thống hiện nay, vì vậy vẫn còn một số thách thức trước khi chúng tôi có công nghệ hoàn thiện, nhưng cũng có giải pháp cho các vấn đề. Chúng tôi đã có nhiều loại lò phản ứng khác nhau để thử nghiệm - chủ yếu là vấn đề lắp ráp hệ thống đúng cách”, Amalie Kirstine Hessellund Nielsen cho biết.
Bà tiếp tục:
“CCU là một yếu tố nhỏ nhưng cần thiết để đạt được mục tiêu chuyển đổi xanh của ngành công nghiệp và mục tiêu phát thải ròng bằng 0, theo đó lượng khí thải nhà kính và việc loại bỏ các khí này được cân bằng. Tuy nhiên, công nghệ này không thể thay thế các nguồn năng lượng tái tạo, vốn vẫn là công cụ quan trọng nhất trong quá trình chuyển đổi xanh”.
Tài liệu tham khảo: “Thu hồi và sử dụng carbon tích hợp sinh học: tại giao diện giữa hóa học thu hồi và giảm CO2 của vi khuẩn cổ” của Mads Ujarak Sieborg, Amalie Kirstine Hessellund Nielsen, Lars Ditlev Mørck Ottosen, Kim Daasbjerg và Michael Vedel Wegener Kofoed, ngày 29 tháng 8 năm 2024, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-024-51700-3
