Xăng sinh học Phần I

Chia sẻ: Nguyen Phuonganh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

329
lượt xem 144
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Xăng sinh học Nhiên-liệu-sinh-học (Biofuel hay Agrofuel) là loại chất đốt tái tạo sản xuất từ nguyên liệu động thực vật gọi là sinhkhối (biomass). Gọi là “tái tạo” (renewable) vì chất đốt cơ bản Carbon (C) nằm trong chu trình lục-hoá (photosynthesis) ngắn hạn - đốt nhiên-liệusinh-học sa thải khí CO2, rồi thực vật canh tác hấp thụ lại CO2 đó, để tạo thành sinhkhối chế biến nhiên-liệu-sinh-học - trên lý thuyết coi như không làm gia tăng CO2 trong khí quyển. ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Xăng sinh học Phần I

Xăng sinh học Phần I Xăng sinh học Nhiên-liệu-sinh-học (Biofuel hay Agrofuel) là loại chất đốt tái tạo sản xuất từ nguyên liệu động thực vật gọi là sinh- khối (biomass). Gọi là “tái tạo” (renewable) vì chất đốt cơ bản Carbon (C) nằm trong chu trình lục-hoá (photosynthesis) ngắn hạn - đốt nhiên-liệu- sinh-học sa thải khí CO2, rồi thực vật canh tác hấp thụ lại CO2 đó, để tạo thành sinh- khối chế biến nhiên-liệu-sinh-học - trên lý
thuyết coi như không làm gia tăng CO2 trong khí quyển. Nhiên-liệu-sinh-học có thể ở thể rắn như củi, than củi (than-đá thuộc loại cổ sinh, không tái tạo); thể lỏng (như xăng-sinh-học, diesel-sinh-học); hay thể khí như khí methane-sinh-học (sản xuất từ lò ủ chất phế thải). Nhiên liệu ở thể lỏng được ưa chuộng hơn vì có độ tinh khiết cao, chứa nhiều năng lượng, dễ dàng chuyên chở, dễ tồn trữ và bơm vào bình nhiên liệu của xe. Xăng-sinh-học đề cập trong bài này gồm xăng-ethanol (E) và diesel-sinh-học (ở Việt nam gọi là B), tương ứng với xăng-cổ-sinh biến chế từ dầu mỏ là xăng (gasoline) và diesel. Khuynh hướng sản xuất xăng-sinh-học đang trên đà phát triển, vì nhiều lý do: (i) giá xăng-cổ-sinh ngày càng mắc; (ii) trữ lượng dầu hoả ở các mỏ dầu có giới hạn và sẽ kiệt quệ trong tương lai (khoảng năm 2100); (iii) nhiều quốc gia muốn tuỳ thuộc ít vào
việc nhập cảng nhiên liệu cổ sinh trong khi quốc gia họ có khả năng sản xuất nhiên liệu thay thế, và (iv) bị áp lực chính trị phải giảm lượng khí CO2 sa thải để phù hợp với Thoả hiệp Kyoto (1997) quy định. Nhưng sản xuất và sử dụng xăng-sinh-học có phải là một biện pháp hữu hiệu để cứu vãn tai hoạ khí hậu toàn cầu không? LỊCH SỬ Nhiên-liệu-sinh-học ở thể rắn (gỗ, củi, than củi, phế thải thực và động vật, v.v.) đã được loài người sử dụng từ khi khám phá ra lửa. Khi phát minh ra động-cơ-hơi- nước (steam engine) và máy-phát-điện, nhiên-liệu-sinh-học thể rắn (gỗ) được sử dụng một thời để phát triển kỹ nghệ ở thế kỷ 18 và 19, và gây nhiều ô nhiễm. Ở Việt Nam, xe lưả chạy bằng đốt gỗ cho tới khoảng 1956, mới thay thế bằng động cơ diesel. Ngày nay có khoảng 2 tỷ dân đốt
nhiên-liệu-sinh-học ở thể rắn như gỗ, củi, trấu, mạt cưa, rơm rạ, lá khô, v.v. Mặc dầu chứa carbon-tái-tạo, nhưng cho nhiều khói, tro bụi, bù hóng nên làm ô nhiễm môi trường. Động cơ nổ đầu tiên trên thế giới do Nikolaus August Otto (người Đức) thiết kế sử dụng nhiên-liệu-sinh-học thể lỏng là rượu cồn – ethanol, Rudolf Diesel (người Đức) phát minh động cơ Diesel thiết kế chạy bằng dầu-đậu-phộng (groundnut oil), và Henry Ford (Mỹ) thiết kế xe hơi chạy bằng dầu-thực-vật (từ 1903 đến 1926) chế biến từ dầu chứa trong hạt và thân cây cần sa (hemp - Cannabis sativa). Từ khi khám phá ra nhiên-liệu-cổ-sinh (than đá, dầu hoả, khí đốt) thì ngành kỹ nghệ sử dụng nhiên-liệu-cổ-sinh, vì có hiệu quả kinh tế hơn. Tuy nhiên mỗi khi có chiến tranh, bị địch phong toả khó chuyển vận dầu, hay thế giới có khủng hoảng chính trị, kinh tế, và để không tuỳ
thuộc vào dầu hoả nhập cảng (từ Trung Đông), khuynh huớng sử dụng xăng-sinh- học lại bộc phát trong những thời kỳ này. Chẳng hạn, Đức và Anh Quốc sản xuất xăng-sinh-học từ khoai tây và lúa mì trong thời kỳ Đệ nhị Thế Chiến. Khủng hoảng xăng dầu năm 1972 do khối OPEC gây ra, làm một số quốc gia có chủ trương tự túc nhiên liệu bằng cách sản xuất xăng-sinh- học từ tiềm năng nông nghiệp đồ sộ của mình. Brazil tiêu biểu cho chính sách này. Kể từ 2000, các quốc gia trên thế giới lần lượt thật sự tuân thủ Thoả hiệp Rio de Janeiro (1992), rồi Kyoto (1997), tìm kỹ thuật hạn chế sa thải khí nhà kiếngg (CO2, methane, N2O, v.v.) của nhiên-liệu-cổ- sinh, thay thế bằng năng-lượng-xanh (green energy như năng lượng mặt trời, gió, thuỷ điện, v.v.), nên nhiên-liệu-sinh- học đang trên đà bộc phát. XĂNG-SINH-HỌC Xăng-Ethanol (E) thông dụng nhất hiện
nay trên thế giới vì dễ dàng biến chế từ đường (sugar - của mía, củ cải đường, sorgho-đường) và tinh bột (starch – của ngũ cốc, khoai tây, khoai mì). Ethanol (C2H5OH) 99.9% có thể chạy động cơ xe-hơi-chạy-bằng-xăng. Khi cháy, một phân tử ethanol sinh một nhiệt lượng 1409 kJ. Tuy nhiên, Ethanol chứa 33% năng lượng ít hơn xăng-cổ-sinh, nên cần nhiều ethanol hơn để xe chạy cùng một đoạn đường. Vì vậy, xe phải có bình chứa nhiên liệu lớn hơn. Thông thường, máy xe hơi chạy hiệu nghiệm với E15 (xăng pha 15% ethanol). Xăng-chứa-ethanol chứa nhiều octane hơn xăng thường nên động cơ mau nóng hơn, máy cũng mau hao mòn hơn, nhất là các vòng đệm cao su. Bất lợi của Ethanol là hút ẩm nên xăng-ethanol có chứa nhiều nước, làm máy khó “đề”, làm rỉ sét kim loại, hư mòn chất nhựa (plastic), nên đòi hỏi phải thay đổi vật liệu làm động cơ, phải bảo trì xe thường xuyên. Bồn
chứa ethanol cũng phải làm từ kim loại đặc biệt, việc chuyên chở cũng khó khăn hơn xăng thường (bồn đặc biệt, đắt hơn, khoảng £120,000/xe bồn xăng ở Anh – USD 200,000), nên cuối cùng tổn phí cao (tại Anh, tổn phí sản xuất khoảng 35 pence/lít – 60 cents/lít). Nói tóm lại, nếu tính từ lúc canh tác cây, phân bón, thuốc sát trùng, tưới nước, thâu hoạch, lên men, chưng cất cho tới khi sử dụng, biến cải xe hơi, v.v. thì chạy xe bằng xăng-ethanol tốn kém hơn chạy bằng xăng thường. Ngày nay mọi hiệu xe hơi đều có thể chạy xăng-ethanol E10 (xăng thường pha 10% ethanol), tuy nhiên để bảo đảm máy móc, khuyến cáo nên dùng xăng-ethanol E5 (Xăng pha 5% ethanol). Một vài loại động cơ xe hơi cải biến sử dụng xăng-ethanol E85 như ở Brazil. Cách đây một năm (2007), các trạm bán xăng thuộc một hệ thống siêu thị lớn ở Anh đã lầm lẫn bơm xăng-ethanol E85 vào các trạm bán xăng
thông thường, làm cháy hỏng máy mấy ngàn chiếc xe hơi và phải bồi thường cho khách hàng. Xăng pha với ethanol thải ít khí nhà kiếngg hơn xăng thường. Chẳng hạng E85 sa thải 1 ppm khí NO2 trong khi xăng-cổ- sinh thải 9 ppm. Nguy cơ bị ung thư ít hơn khi thở phải khí sa thải của xăng-sinh-học. Butanol (C4H10O) cho nhiều năng lượng hơn ethanol và có thể đổ thẳng vào bình xăng xe mà không cần biến chế gì thêm. Chế biến từ dầu mỏ, hay từ lên men nguyên liệu sinh-khối do vi khuẩn Clostridium acetobutylicum. Methanol (CH3OH), còn gọi methyl- alcohol được điều chế từ khí methane (CH4) của khí đốt của mỏ dầu. Methanol cũng được biến chế từ chất hữu cơ động thực vật qua phương pháp đun trong bình kín (không có oxy và hơi nước) ở nhiệt độ cao (pyrolysis). Diesel-sinh-học: Theo phòng thí nghiệm
Năng Lượng Tái Tạo Hoa Kỳ (U.S. National Renewable Energy), đốt diesel- sinh-học thải 50% carbon monoxide (CO) và 78% carbon dioxide (CO2) ít hơn diesel. Cũng không có sa thải Sulphur SO2. Diesel-sinh-học có những đặc tính vật lý tương tự diesel, thành phần hoá học chánh là acít béo - Fatty acid methyl (hay ethyl) ester. Diesel-sinh-học chứa ít năng lượng hơn, nhiệt độ bắt cháy là 150°C, trong khi diesel là 70°C. Dầu-thực-vật khi hun nóng thì trở nên lỏng, nhờn hơn, nên có thể chạy máy diesel. Dầu-thực-vật trích từ các thực vật chứa nhiều dầu như hột cải-dầu (Oil seed rape), dừa dầu (oil palm), dừa (coconut), đậu nành (soyabean), đậu phộng (groundnut), bông vải (cotton), hạt cao su (rubber), hướng dương (sunflower), cây và hột cần sa (hemp,Cannabis sativa), v.v. Tảo và trái dầu-lai (Jatropha curcas) là những nguồn dầu-thực-vật quan trọng mới
ngày nay. Thông thường, để cho động cơ an toàn, diesel-sinh-học được pha với diesel. Tuy nhiên, các loại dầu ăn tinh khiết bán trên thị trường, hay đã sử dụng, đều có thể thay thế diesel để chạy động cơ diesel loại củ (chỉ cần thay thế bộ phận bơm injection). Hiện nay nhiều loại xe hơi hiện đại có động cơ chạy được với dầu-ăn nguyên chất, hay diesel-sinh-học 100%. Chẳng hạn, động cơ xe hơi MAN B &W Diesel, Wartsila và Deutz AG có thể chạy từ dầu ăn nguyên chất. Dầu đã sử dụng (từ trong các tiệm Fast Food) chỉ cần lọc cặn và loại phần nước (do thức chiên xâm nhập) thì chạy được xe hơi. Xe Đức Volkswagen cũng chạy được với diesel-sinh-học 100%. Tuy nhiên, các hãng làm xe hơi khuyến cáo là nên pha 15% diesel-sinh-học với 85% diesel để xe ít bị hao mòn. Các nước Âu Châu hiện nay bán diesel pha 5% diesel-sinh-học ở mọi trạm xăng.
Ở Hoa Kỳ, hơn 80% xe vận tải và xe bus đều chạy bằng diesel-sinh-học, và càng ngày sử dụng diesel-sinh-học càng gia tăng, 25 triệu gallons năm 2004, 78 triệu gallons năm 2005, và khoảng 1 tỷ gallons vào 2007. Xe chở hàng và xe bus ở Âu châu đều chạy bằng diesel-sinh-học. PHƯƠNG PHÁP BIẾN CHẾ XĂNG- SINH-HỌC Trên nguyên tắc, bất cứ chất vật liệu sinh học nào chứa nhiều Carbon, hoặc dưới dạng đường, tinh bột, cellulose đều có thể chế biến thành ethanol, hoặc chứa nhiều acid béo thì chế biến diesel-sinh-học được. Thông thường nhất là từ thực vật có khả năng lục hoá – biến CO2 của khí quyển thành chất đường, tinh bột, cellulose, rồi protides, lipids, v.v. Trung bình cứ mỗi phân tử CO2 cây hấp thụ và biến chế qua lục hoá thành sinh-khối chứa 114 kilocalories. Khó khăn kỹ thuật hiện tại là làm sao biến toàn thể năng lượng C chứa
trong sinh-khối thành xăng-sinh-học. Với kỹ thuật hiện nay (cổ điển), có 2 phương thức hữu hiệu: (i) Cho lên men (nhờ men và enzymes trong điều kiện yếm khí) chất đường (từ mía, củ cải đường, v.v.), tinh bột [từ hạt ngũ cốc (bắp, lúa, lúa mì, v.v.) và củ (khoai tây, khoai mì, v.v.)], hay cellulose để tạo ra rượu Ethanol (CH3OH), Propanol [CH3CH2CH2OH; (CH3)2CHOH] và Butanol (C4H10O). (ii) Trích dầu từ thực vật giàu chất dầu, hay mở từ động vật (ép với áp suất cao và nhiệt, hay bằng dung môi, hay phối hợp cả hai). Về phương diện kỹ thuật (và kinh tế), chia làm 3 loại nguyên liệu: Công nghệ xăng-sinh-học thế hệ 1: chế biến từ đường (mía, củ cải đường, sorgho- đường) và tinh bột của nông phẩm (từ hạt của bắp, lúa mì, lúa, v.v., hay từ củ như khoai tây, khoai mì, v.v.) để tạo
ethanol; hay từ dầu(của hạt dừa-dầu, đậu nành, đậu phộng, v.v.) để biến chế diesel- sinh-học. Kỹ thuật đơn giản và kinh tế nhất. Công nghệ xăng-sinh-học thế hệ 2: từ cellulose, chất xơ của dư thừa thực vật (rơm, rạ, thân bắp, gỗ, mạt cưa, bã mía, v.v.), hay thực-vật-hoang (non-crop) (như cỏ voi, vetiver, lục bình). Chẳng hạn, một ha mía cho khoảng 25 tấn bã mía (bagasse, xác mía sau khi ép), và mỗi tấn bã mía sản xuất 285 lít ethanol. Kỹ thuật hiện nay chưa hoàn hảo, hiệu năng còn kém, con men chưa hữu hiệu và giá đắt, chỉ một phần cellulose và lignin biến thành ethanol, nên giá thành sản xuất còn cao. Công nghệ xăng-sinh-học thế hệ 3: từ tảo (algae), kỹ thuật đang phát triển. Biến chế Ethanol Biến chế từ đường. Kỹ thuật dễ dàng, hiệu năng cao, và ít tổn
phí nhất là cho lên men (yếm khí) từ đường, hay nước mật (molasse), hay trực tiếp từ nước mía ép, hay nước củ-cải đường ép, như theo lối thủ công hay công nghiệp xưa nay. Ngày nay đã tuyển chọn được nhiều dòng men hữu hiệu, biến đường thành nhiều rượu hơn. Mặc dầu tổn phí biến chế thấp, nhưng đường, và cả phụ phẩm nước mật, là thức ăn của người và gia súc, có giá cao, nên ethanol biến chế từ đường có giá thành cao hơn ethanol sản xuất từ tinh bột. Theo lý thuyết, cứ 1 tấn đường sucrose sản xuất được 678 lít ethanol, tuy nhiên hiệu năng cao nhất hiện nay là 587 lít. 1 tấn đường đen cho 562 lít ethanol, 1 tấn đường cát cho 587 lít. Thân mía chứa khoảng 10-15% đường sucrose, thân cây sorgho-đường khoảng 15-23% sucrose, còn củ-cải-đường khoảng 16-18% sucrose. Trung bình, tại các nhà máy đường ở Hoa Kỳ, cứ sản xuất 100 kg đường thì cho ra 25 lít nước mật
(molasse), nước mật có độ đường 49.2%. Tại Hoa Kỳ, trung bình cứ 1 tấn mía (thân) sản xuất được 81 lít ethanol, 1 tấn nước mật (molasse) cho 289 lít ethanol. Năng suất mía trung bình toàn quốc ở Hoa Kỳ là 65 tấn/ha, cho khoảng 3.90 tấn đường. Riêng tại Hawaii năng suất tới 170 tấn thân mía/ha (vì mùa trồng dài hơn). Với các giống mía “di-truyền-biến-cải” (GM, genetically modified) tại Brazil, năng suất tới 240 tấn mía/ha, với độ đường 14.6%. năng suất mía tại Việt Nam khoảng 35 đến 50 tấn mía/ha. Trung bình 1 ha mía tại Brazil sản xuất được 5,600 lít ethanol, 1 ha củ cải đường tại Pháp sản xuất 6,700 lít ethanol, và 1 ha bắp ở Hoa Kỳ sản xuất 3,000 lít ethanol. năng suất mía và đường ở Brazil tăng gấp đôi trong thời gian 30 năm 1975-2005, nhờ trồng giống cải thiện, nhất là các giống mía “biến-cải-di-truyền” ngày nay. Biến chế từ tinh bột.
Để biến chế ethanol từ tinh bột, tinh bột trước hết phải được điều chế thành đường, rồi từ đó mới lên men rượu. Hạt bắp chứa khoảng 70-72% tinh bột, hạt sorgho khoảng 68-70%, gạo 70-80%. Muốn vậy, hạt ngũ cốc được xay nghiền thành bột, pha với nước, nấu ở 70°C (để biến thành đường) rồi nấu chín ở 100-110°C (vừa diệt trùng vừa thêm đường), để nguội rồi trộn men, cho lên men 48 giờ ở nhiệt độ 36°C. Men dùng thường là vi nấmSaccharomyces cerevisiae, Aspergillus oryzae, Mucor, Rhizopus, vi khuẩnZymomonas mobilis. Sau đó, dùng máy ly tâm tách rời chất hèm để làm thức ăn gia súc. Phần chất lỏng, có độ cồn (rượu) 5-15%, được chưng cất ở lò chưng nhiều tầng để tăng độ cồn. Để đạt độ cồn 99.9%, trước đây dùng benzene và cyclohexane (đắt tiền, không tái sử dụng được, và độc gây bịnh) để loại nước. Kỹ
thuật ngày nay dùng “chất sàng phân tử” (molecular sieve, như silica gel, zeolite, hút thấm nước nhưng không hút rượu, vì rượu có phân tử lớn hơn) thay thế, rẻ tiền và hiệu quả hơn. Việt nam có mỏ Zeolite (một loại sét) ở vùng Lâm Đồng. Một kỹ thuật mới được áp dụng hiệu quả hơn, không cần phải nấu tinh bột (tiết kiệm năng lượng) là sử dụng một loại men (yeast) mới, giúp lên men biến tinh bột thành đường ở nhiệt độ 32°C. Trung bình, cứ 1 tấn bắp sản xuất được 409 lít ethanol. Biến chế từ chất xơ. Nói chung đó là cellulose, hemicellulose, lignin trong thân lá, rơm rạ, trấu, gỗ, v.v. Cellulose là đường polysaccharide, có công thức (C6H10O5)n, mà số n biến thiên từ 7,000 đến trên 15,000 phân tử glucose. Hemicellulose cũng là đường polysaccharides chứa khoảng 200 đơn vị đường, là thành phần của màng tế bào thực
vật. Cây thực vật chứa khoảng 33% cellulose, gỗ khoảng 50%, riêng sợi bông vải (cotton) 90%. Động vật ăn cỏ, mối (termite) tiêu hoá được cellulose nhờ vi- sinh-vật sống cọng sinh trong bao tử (nhưCellulomonas), một số vi khuẩn có khả năng biến cellulose ra đường, nhờ chúng sản xuất enzyme cellulase biến cellulose ra đường. Vì vậy, để biến cellulose thành rượu, bắt chước theo bộ tiêu hoá của động vật ăn cỏ và mối, trước hết phải biến hoá cellulose ra đường đơn giản như hexose, pentose, bằng thuỷ phân (hydrolysis) nhờ một số acid (như trong dịch vị) và enzyme cellulase. Hemicellulose tương đối dễ dàng biến thành đường-chứa-5C như Xylose (C5H10O5), nhưng xylose không biến chế thành ethanol được. Cũng vậy, với kỹ thuật hiện tại, chưa có cách biến lignin ra ethanol. Vì vậy trước tiên phải loại lignin và hemicellulose, chỉ còn lại
thành phần cellulose. Loại lignin bằng sulfuric acid đậm đặc, hay bằng đun sôi trong nước với sodium carbonate, hay butanol. Cellulose sau đó cho lên men với cellulase ở nhiệt độ khoảng 71°C trong vài ngày để biến thành đường. Hiện tại, sản xuất enzyme cellulase để biến cellulose thành đường khá phức tạp, tốn kém, chiếm khoảng 40% chi phí sản xuất rượu vì gồm 3 loại cellulases: (i) Endo-p-glucanase, 1,4-ß-D-glucan glucanohydrolase, CMCase, phá huỷ các cầu của chuỗi cellulose để biến thành đường glucose và oligo-saccharide. (ii) Exo-P-glucanase, 1,4-ß - D-glucan cellobiohydrolase, Avicelase, C1: biến thành đường cellobiose (C12). (iii) ß-glucosidase, cellobiase: thuỷ phân đường cellobiose thành glucose. Vi nấm Trichoderma sản xuất nhiều endo-ß-glucanase và exo-ß-glucanase, nhưng rất ít ß-glucosidase, ngược
lại Aspergillus sản xuất nhiều endo-ß- glucanase và ß-glucosidase, nhưng ít exo- ß- glucanase. Vì vậy, muốn có nhiều hiệu quả phải tuyển chọn nhiều dòng nấm. Kết quả cho biết dòng nấm Trichoderma reesei QM-9414 có hiệu quả tốt nhất trong việc biến cellulose thành đường. Trong số dòng này, tuyển chon lại thành dòng KY- 746. Phương pháp sản xuất enzyme cellulase từ men Trichoderma reeseidòng KY-746 hữu hiệu và tương đối rẻ tiền và được sử dụng hiện nay. Ngày nay nhiều công ty sản xuất men rượu dùng kỹ thuật “biến-cải-di-truyền” tạo được nhiều dòng men sản xuất enzyme cellulase, xylanase và hemicellulase. Nguyên liệu chứa nhiều thành phần cellulose như bã mía (41% là cellulose), rơm lúa (35%), gỗ (40-50%) được thái nhỏ trước khi khử với NaOH (nồng độ khoảng 1 – 1.2 N) ở nhiệt độ 45°C trong 24 giờ, tiếp theo là rửa trong nước ấm để loại chất