Xăng sinh học Phần I pot

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 CO 2 , rồi thực vật canh tác hấp thụ lại CO 2 đó, để tạo thành sinh- khối chế biến nhiên-liệu-sinh-học - trên lý thuyết coi như không làm gia tăng CO 2 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 li ệu 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 lư ợng 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 li ệu 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 lư ợng khí CO 2 sa thải để phù hợp với Thoả hiệp Kyoto (1997) quy định. Nhưng sản xuất v à sử dụng xăng-sinh-học có phải là m ột 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 r ạ, lá khô, v.v. Mặc dầu chứa carbon-tái-tạo, nhưng cho nhi ều khói, tro bụi, bù hóng nên làm ô nhiễm môi trường. Động cơ nổ đầu tiên trên thế giới do Nikolaus August Otto (ngư ời 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 v à 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 (CO 2 , methane, N 2 O, 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 (C 2 H 5 OH) 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 m òn 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 đ ộng 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 t ốn 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 NO 2 trong khi xăng-cổ- sinh thải 9 ppm. Nguy cơ bị ung th ư ít hơn khi thở phải khí sa thải của xăng-sinh-học. Butanol (C 4 H 10 O) 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 (CH 3 OH), còn gọi methyl- alcohol được điều chế từ khí methane (CH 4 ) 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 (CO 2 ) ít hơn diesel. Cũng không có sa thải Sulphur SO 2 . 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 d ương (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 s ử 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 lo ại phần nước (do thức chiên xâm nhập) thì chạy được xe hơi. Xe Đức Volkswagen cũng chạy được với diesel-sinh-h ọc 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. [...]... vật thành xăng- sinh- học, các nhà vi sinh học đã thành công cấy vào bộ máy di truyền (genome) của vi khuẩn Escherichia coli thêm 2 gen của vi khuẩn Zymomonas mobilisđể giúp lên men chất đường và tinh bột thành ethanol, và một gen của vi khuẩnAcinetobacter baylyi để biến chất dầu trong thực vật thành diesel -sinh- học V i kỹ thuật hiện t i, biến rơm rạ của lúa và ngũ cốc ra xăng- sinh- học chưa kinh tế Các... (catalyst), phản ứng hoá học xảy ra, cho diesel -sinh- học và glycerol 1 phần glycerol được sinh ra khi tạo được 10 phần diesel -sinh- học Trước đây, chất xúc tác lấy từ hoá chất của kỹ nghệ lọc dầu hoả, hay Acid sulphuric (đắt tiền và không t i tạo được) Ngày nay, đã khám phá thêm nhiều chất xúc tác m i hữu hiệu, rẻ tiền biến dầu thành nhiều diesel -sinh- học hơn i u chế Methanol i u chế rượu methanol từ... hơn 80% xe vận t i 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 XĂNGSINH-HỌC Trên nguyên tắc, bất cứ chất vật liệu sinh học nào chứa nhiều Carbon, hoặc dư i dạng đường, tinh bột, cellulose... xăng- sinh- học chưa kinh tế Các nhà khoa học Đ i Loan thành công trong phòng thí nghiệm biến chế ethanol từ rơm lúa, cứ m i 10 kg rơm rạ lúa biến chế được 2 lít alcohol 99.5% để pha làm xăng- sinh- học (Taipei Times, 19/2/2008), nhưng ph i mất v i năm nữa m i có thể sản xuất thương m i quy mô Các nghiên cứu ở Trung quốc cho thấy xăng- sinh- học sản xuất từ rơm rạ mắc hơn xăng- cổ -sinh khoảng 250 USD/tấn Ngày 14/1/2008,... vậy trước tiên ph i lo i lignin và hemicellulose, chỉ còn l i thành phần cellulose Lo i lignin bằng sulfuric acid đậm đặc, hay bằng đun s i trong nước v i sodium carbonate, hay butanol Cellulose sau đó cho lên men v i cellulase ở nhiệt độ khoảng 71°C trong v i ngày để biến thành đường Hiện t i, sản xuất enzyme cellulase để biến cellulose thành đường khá phức tạp, tốn kém, chiếm khoảng 40% chi phí sản... 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, r i protides, lipids, v.v Trung bình cứ m i phân tử CO2 cây hấp thụ và biến chế qua lục hoá thành sinh- kh i chứa 114 kilocalories Khó khăn kỹ thuật hiện t i là làm sao biến toàn thể năng lượng... cũng là một nhiên-liệuthể khí Một phương pháp khác là công-nghệ-khíhoá (gasification), phân hủy nhiệt nhiên liệu kh i rắn để tạo ra nhiên liệu khí, dựa trên biến đ i plasma Đun chất hữu cơ ở nhiệt độ rất cao, trong i u kiện không có oxy, để phá huỷ các “cầu n i (bond) của phân tử hữu cơ thành “khí-tổng-hợp” (synthesis gas, syngas), r i dùng các khí này biến chế ethanol hay diesel -sinh- học Trong trường... trong th i gian 30 năm 1975-2005, nhờ trồng giống c i thiện, nhất là các giống mía “biến-c i- di-truyền” ngày nay Biến chế từ tinh bột Để biến chế ethanol từ tinh bột, tinh bột trước hết ph i được i u chế thành đường, r i từ đó m i 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 v i nước, nấu ở 70°C (để biến thành... để lo i chất lignin Dung dịch cellulose được cho lên men v i Trichoderma reesei để biến cellulose thành đường Hiệu năng biến chế thành rượu ethanol từ chất xơ còn kém, chưa có hiệu quả kinh tế nhiều ở kỹ thuật hiện nay, vì sản xuất cellulase còn rất mắc, th i gian lên men lâu nên dễ bị nhiễm trùng làm hư cả bồn lên men Để tăng hiệu quả lên men biến các thành phần cellulose, lignin trong nguyên liệu thực... rượu vì gồm 3 lo i cellulases: (i) Endo-p-glucanase, 1,4-ß-D-glucan glucanohydrolase, CMCase, phá huỷ các cầu của chu i 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 . Xăng sinh học Phần I Xăng sinh học Nhiên-liệu -sinh- học (Biofuel hay Agrofuel) là lo i chất đốt t i tạo sản xuất từ nguyên liệu động thực vật g i là sinh- kh i (biomass). G i là. sinh- kh i chế biến nhiên-liệu -sinh- học - trên lý thuyết coi như không làm gia tăng CO 2 trong khí quyển. Nhiên-liệu -sinh- học có thể ở thể rắn như c i, than c i (than-đá thuộc lo i cổ sinh, . ứng v i 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