Công nghệ sinh học là việc ứng dụng các cá thể, hệ thống hoặc quá trình sinh học vào việc sx và phục vụ đời sống. Ứng dụng : chuyển đổi gen manh tính trạng tốt vào giống cây trồng và pp chọn giống truyền thống; tạo giống đồng hợp tử thông qua túi phấn ; ứng dụng kỹ thuật tái tổ hợp DNA ; kích thích đa dạng di truyền ; tạo ra những chế phẩm sinh học bảo vệ cây trồng, vật nuôi…
Trang 11 Công nghệ sinh học và vai trò của nó trong CNSH nông nghiệp
Công nghệ sinh học là việc ứng dụng các cá thể, hệ thống hoặc quá trình sinh học vào việc sx và phục vụ đời sống
Ứng dụng : chuyển đổi gen manh tính trạng tốt vào giống cây trồng và pp chọn giống truyền thống; tạo giống đồng hợp tử thông qua túi phấn ; ứng dụng kỹ thuật tái tổ hợp DNA ; kích thích đa dạng di truyền ; tạo ra những chế phẩm sinh học bảo
vệ cây trồng, vật nuôi…
2 Năng lượng tái tạo được và ứng dụng cho phát triển
Năng lượng tái tạo là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của
con người là vô hạn nhưnăng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (năng lượng Mặt Trời) hoặc năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục ( năng lượng sinh khối)
Ứng dụng : Đun nước nóng, phát điện bằng năng lượng tái tạo (mặt trời, thủy triều, địa nhiệt ), nhiên liệu động cơ
3 Nhiên liệu sinh học và tiềm năng của nó
Nhiên liệu sinh học : là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn
gốc động thực vật như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, ), ngũ cốc ,chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân, ), sản phẩm thải trong CN (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải ) NLSH gồm : diesel dinh học, khí sinh học, xăng sinh học và nguyên liệu rắn
Tiềm năng : Vn có tiềm năng về năng lượng xăng dầu sinh học Nhiều loại cây
như ngô, mía, sắn có thể sản xuất cồn sinh học và tình hình đất đai Vn cho phép hình thành các vùng sản xuất tập trung Còn mỡ cá, dầu thải công nghiệp là nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học Ước tính VN có thể sx 5tr l cồn sinh học và 500tr l diesel sinh học nếu có sữ quy hoạch và thực hiện vùng nguyên liệu theo hướng sử dụng đất triệt để và thay đổi giống cây trồng hợp lý
4 Ô nhiễm môi trường đất và biện pháp xử lý
Đất ô nhiễm bị gây ra bởi sự có mặt của hóa chất xenobiotic (sản phẩm của con
người) hoặc do các sự thay đổi trong môi trường đất tự nhiên Nó được đặc trưng gây nên bởi các hoạt động công nghiệp, các hóa chất nông nghiệp, hoặc do vứt rác thảikhông đúng nơi quy định Các hóa chất phổ biến bao gồm hydrocacbon dầu, hydrocacbon thơm nhiều vòng (như là naphthalene and benzo(a)pyrene), dung môi, thuốc trừ sâu, chì, và các kim loại nặng Mức độ ô nhiễm có mối tương quan với mức độ công nghiệp hóa và cường độ sử dụng hóa chất
Biện pháp xử lý :
Trang 2+ Xử lý tại chỗ :bay hơi, ngâm chiết, thực vật…
+Loại bỏ nguồn gây ô nhiễm
+Điều tra và phân tích đất
+ Làm sách hóa đồng ruộng
+Thay đổi cây trồng và lợi dụng hấp thu sinh vật
+ đầu tư xây dựng hệ thống thu gom, phân loia5 và xử lý CTR
+ Hạn chế sử dụng hóa chất, sử dụng đúng cách
+ Tuyên truyền và thực hiện luật môi trường
5 Các biện pháp ứng phó trong xử lý dầu tràn
Việc ngăn, quây dầu tràn có thể được tiến hành bằng các công cụ kỹ thuật cao hoặc đơn giản như sử dụng phao quây dầu chuyên dùng hoặc dùng tre nứa kết thành phao ngăn dầu lan tràn, sau đó nhanh chóng thu gom bằng mọi cách, từ bơm hút cho đến vớt thủ công; có thể dùng rơm rạ hoặc các loại vật liệu xốp dễ ngấm dầu thả xuống nước cho dầu thấm vào, sau đó vớt lên gom giữ vào nơi an toàn
Trường hợp tràn dầu ngoài khơi, xa bờ, có thể xem xét dùng chất phân tán dầu nhằm ngăn không cho dầu có khả năng loang vào gây ô nhiễm đến bờ, bởi những khu vực này thường là các khu vực nhạy cảm, là nơi sinh sống của các loại động thực vật, các khu bảo tồn thiên nhiên ven biển, các khu rừng ngập mặn cần được
ưu tiên bảo vệ
Khi dầu đã lan và dạt vào bờ, cần nhanh chóng và bằng mọi biện pháp, mọi phương tiện, từ thô sơ (như xẻng, xô, chậu ) cho tới hiện đại (như xe hút nước, bơm dầu, xe ủi, ô tô tải ) tổ chức thu gom váng dầu , cặn dầu
Váng dầu, cặn dầu và các vật liệu bám dầu (như đất, cát, cành cây, rác bám dầu v.v ) cần gom về một nơi, ngăn quây cách ly không cho thấm ra môi trường xung quanh và sẽ được cơ quan chuyên môn hướng dẫn xử lý
Ngoài các biện pháp cần thiết khẩn cấp nêu trên, các nước tiên tiến đã sử dụng
các công cụ hỗ trợ để giúp công tác khắc phục sự cố tràn dâu có hiệu quả hơn
như: sử dụng vệ tinh để theo dõi các vệt dầu loang theo hướng gió hoặc thủy triều
để có biện pháp xử lý kịp thời Dùng các loại tàu và phao chuyên dụng để rải chất phân tán hoặc ngăn chặn các vết dầu loang giúp cho việc thu gom được dễ dàng Ngoài các hóa chất phân tán, một biện pháp khác là dùng các vi sinh vật hoặc các tác nhân sinh học nhằm phân tán hoặc phân hủy dầu.
Trang 35.Mối tương quan giữa CNSH và các ngành khoa học khác
6.Ứng dụng công nghệ sinh học trong CP
7.Ứng dụng CNSH trong sản xuất và sử dung nhiên liệu
Nhiên liệu sinh học gồm : thế hệ 1, 2 và 3
+Thế hệ 1: là thế hệ đầu tiên, được sản xuất từ thực vật và dầu mỡ động vật
+ Thế hệ 2: Nhiên liệu được tạo thành từ nguyên liệu sinh khối, qua nghiền sấy rồi phân hủy nhiệt – tổng hợp hóa học thành nhiên liệu sinh học
+Thế hệ 3 : Nhiên liệu được tạo ra bởi 1 loại vi tảo trong nước, trong đất âm, sinh
ra năng lượng lớn hơn 7-30 thế hệ trước trên cùng diện tích đất trồng
Tuy nhiên do thế hệ 1 ảnh hưởng đến vấn đề an ninh lương thực và thế hệ 3 còn chưa ngiên cứu để ứng dụng rộng nên hầu hết hiện nay sử dụng thế hệ 2
Thế hệ 2 được tổng hợp bởi 3 con đường chính:
+ Thủy phân sinh học sinh khối tạo đường tan và tách lignin sau đó thông qua quá trình lên men dùng xúc tác enzim chuyển hóa thành nhiên liệu
+Lỏng hóa sinh khối tạo dầu sinh học tiếp theo là chuyển chất xúc tác, dehydro hóa- oxy hóa tạo nhiên liệu
+Khí hóa sinh khối tạo khí tổng hợp và qua tổng hợp Fischer tao nhiên liệu
Để đảm bào an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường và thúc đẩy kinh tế phát triển tại các vùng sâu, vùng xa nước ta đang đẩy mạnh việc sử dụng nhiên liệu sinh học trong sản xuất và đời sống nhằm thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống
8 Vai trò CNSH trong các hệ thống xử lý nước thải
Phương pháp xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hoà tan có trong nước thải cũng như một số chất ô nhiễm vô cơ khác như H2S, sunfit, ammonia, nitơ… dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật
để phân huỷ chất hữu cơ gây ô nhiễm Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể chia làm 2 loại:
+Phương pháp kỵ khí sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy;
+Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hoá sinh hoá
Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hoà tan, cả chất keo và các chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giai đoạn chính như sau:
+Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật;
Trang 4+Khuyếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào;
+Chuyển hoá các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp
tế bào mới
Tốc độ quá trình oxy hoá sinh hoá phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử
lý Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hoá là chế độ thuỷ động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và nguyên tố vi lượng
9 Vai trò CNSH trong xử lý chất thải
Chất thải gồm có hữu cơ, vô cơ, sinh học và khí Các quá trình xử lý sinh học chất thải do con người thực hiện chính là sự bắt chước những gì diễn ra trong tự nhiên
*Chất thải hữu cơ được xử lý dựa vào hoạt động phân huỷ của vi sinh vật nhằm phân hủy chất hữu cơ của rác Để đạt hiệu quả cao và triệt để, cần phải tạo các
điều kiện tối ưu cho những vi sinh vật tham gia phân huỷ và tách chất thải hữu cơ
ra khỏi hỗn hợp rác
Các pp xử lý :
+Phương pháp kỵ khí sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy
+Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục
* Việc xử lý kim loại (vô cơ ) = vật liệu sinh học thường qua 2 dạng : khử độc tính của kim loại và phục hồi kim loại có giá trị cao
Các pp xử lý:
+ Hấp thu sinh học
+ Lắng ngoại bào
10.Các giai đoạn phân hủy kỵ khí chất thải
Quá trình phân huỷ kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hoá phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm và phản ứng trung gian Ta có thể biểu diễn đơn giản như sau: Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + tế bào mới
Quá trình phân huỷ kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Thuỷ phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử;
- Giai đoạn 2: Acid hoá;
- Giai đoạn 3: Acetate hoá;
Trang 5- Giai đoạn 4: Methane hoá.
Các chất thải hữu cơ chứa nhiều chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,… trong giai đoạn thuỷ phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn, dễ phân huỷ hơn Các phản ứng thuỷ phân
sẽ chuyển hoá protein thành amino acids, carbohydrates thành đường đơn, và chất béo thành các acid béo
Trong giai đoạn acid hoá, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hoá thành acetic acid, H2 và CO2 Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid, propionic acid và lactic acid Bên cạnh đó, CO2 và H2O, methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch carbohydrates Vi sinh vật chuyển hoá methane chỉ có thể phân huỷ một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines và CO Các phương trình phản ứng xảy ra như sau:
4H2 + CO2 => CH4 + 2H2O
4HCOOH => CH4 + CO2 + 2H2O
CH3COOH => CH4 + CO2
4CH3OH => 3CH4 + CO2 + 2H2O
4(CH3)3N + H2O => 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3
Tuỳ theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành:
· Xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình tiếp xúc kỵ khí, quá trình xử lý bùn kỵ khí với dòng nước đi từ dưới lên
· Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình lọc kỵ khí
11 So sánh thiết kế truyền thống và thiết kế công nghệ sạch
Các vấn đề Thiết kế truyền thống Thiết kế công nghệ sạch
Phát triển bền vững Không tốt Tốt
Trang 611.Ứng dụng công nghệ sạch và định hướng phát triển
Ngày nay, công nghệ sinh học đang được ứng dụng vào trong rất nhiều các lĩnh vực của cuộc sống: công nghiệp, nông nghiệp, y học Bằng những kiến thức sinh học về thực vật, động vật, nấm, vi khuẩn, và sử dụng "công nghệ DNA tái tổ hợp" những nhà khoa học đang cố gắng tạo ra những cây trồng, vật nuôi có năng suất và chất lượng cao, những loại thực phẩm, dược phẩm phục vụ cho việc chữa bệnh cho con người và công nghệ tế bào và kĩ thuật chuyển gen hiện nay rất phát triển ở Việt Nam
Công nghệ sinh học là một lĩnh vực khá rộng và tham gia vào khá nhiều khâu trong các lĩnh vực khác:
+Tin sinh học là một lĩnh vực đa ngành trong đó giải quyết vấn đề sinh học bằng cách sử dụng các kỹ thuật tính toán, và làm cho tổ chức nhanh chóng và phân tích
dữ liệu sinh học có thể như cấu trúc gen, chức năng gen,
+ Công nghệ sinh học lam là 1 thuật ngữ được sử dụng để mô tả các ứng ụng công nghệ sinh học trong hàng hải và thủy sản
+ Công nghệ sinh học đỏ là ứng dụng của công nghệ sinh học trong y dược như :sản xuất kháng sinh, chữa bệnh qua gen
+ Công nghệ sinh học trắng là công nghệ sinh học công nghiệp như : nuôi cấy vi sinh vật hữu ích, dùng enzyme trong sản xuất để tăng hiệu quả sản xuất
Định hướng phát triển :
- Phát triển và ứng dụng công nghệ sinh học vào các ngành sản xuất sao cho ngày càng tiết kiệm tài nguyên, hiệu suất cao và hiệu quả tốt, giải quyết các vấn đề về môi trường (tái tạo và tiềm kiếm tài nguyên, ô nhiễm môi trường )…
12.Công nghệ sinh học trong kiểm soát côn trùng và sâu bệnh
Các ưu diểm của chế phẩm sinh học trong kiểm soát côn trùng và sâu bệnh :
+ không gây ảnh hưởng tiêu cực đến con người, vây trồng và môi trường
+ cân bằng hệ sinh thái
+ tăng độ phì cho đất,tăng sức đề kháng cho cây trồng, đồng hóa chất dinh dưỡng
và làm tăng năng suất
+ góp phần phân hủy, chuyển hóa các chất hữu cơ bền vững, phế thải nông nghiệp, công nghiệp…
Một số ứng dụng :
+ chuyển gen, phân tích gen…làm nên giống cây trồng mới với sức đề kháng cao ít
bị sâu bệnh ảnh hưởng với năng suất cao
+ sử dụng các vi sinh vật, các thiên địch kiềm chế dịch hại
Trang 7+ trực tiếp sử dụng các chế phẩm sinh học (từ nấm, tuyến trùng, vi sinh ) để tiêu
diệt côn trùng và bệnh hại một cách triệt để trong thời gian hợp lý mà không ảnh hưởng xấu đến môi trường đất, năng suất và hệ sinh thái
13.Công nghệ sinh học trong sản xuất phân bón cho nông nghiệp
Dựa vào nguyồn nguyên liệu sẵn có cộng với các ứng dụng từ công nghệ sinh học
ta có thể làm ra các loại phân bón có hiệu quả không thua so với phân bón hóa học cho các loại cây trồng và đất
+ sản xuất phân bón rễ (làm từ rơm rạ, vỏ cà phê, thân bắp…) với vi sinh vật bacillus, lactobacillus, trichoderma
+ sản xuất phân bón chứa đạm cao (làm từ thân lạc, đậu nành, bèo hoa dâu ) với vi sinh vật phân giải lân hữu cơ (bacillus sp và pseudomonas sp) và vô cơ ( họ vi khuẩn bacillus , nấm penicillin, bột apatit…)
+ sản xuất phân hữu cơ sinh học ( làm từ vỏ giáp xác, rong, tảo, sinh khối giàu protein ) với vi sinh vật( bacillus sp, pseudomonas, lactobacillus ) và enzyme ( protease, amylase, xelluase )
14.Ứng dụng CNSH trong sản xuất phân bón từ rác thải sinh hoạt
Hiện nay xử lý rác thải sinh hoạt đang là 1 vấn đề lớn của các quốc gia trên thế giới Sản xuất compost là giải pháp, có một vài ngoại lệ, thích hợp nhất cho nguồn nguyên liệu hạn chế nhưng có sẵn ở các nước đang phát triển Một đặc điểm làm cho sản xuất compost đặc biệt phù hợp là khả năng thích nghi cao với nhiều tình huống khác nhau, một phần bởi vì những yêu cầu cần thiết cho quá trình sản xuất compost có thể linh động thay đổi
Giải pháp sản xuất compost đã tận dụng được nhiều lợi ích của hệ thống sinh học: giảm chi phí cho trang thiết bị và chi phí vận hành, thân thiện với môi trường và tạo ra được 1 sản phẩm có ích
Có 2 phương pháp để làm compost :
+Sử dụng trùng đất : sử dụng trùng đất làm công cụ chính để phân giải chất hữu cơ
có trong rác thải sinh hoạt thành compost Ích lợi : giảm kích thước hạt, sản phẩm chất lượng cao (giàu nitơ), tăng sự trao đổi cacbon và dinh dưỡng
+ Thêm vi sinh vật để thúc đẩy quá trình phân hủy chất hữu cơ trong rác thải sinh hoạt thành compost Ích lợi : hiệu suất cao, thời gian ngắn, tăng sự trao đổi chất
15 Ứng dụng CNSH trong xử lý khí CO 2
16.Nhiên liệu sinh học và tiềm năng
Trong số các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang sử dụng hiện nay (năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân,…), năng lượng sinh học đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩu nhiên liệu, do các lợi ích của nó như: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, tận dụng nguồn nguyên liệu tại chỗ, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, không cần thay
Trang 8đổi cấu trúc động cơ cũng như cơ sở hạ tầng hiện có và giá thành cạnh tranh so với xăng-dầu
NLSH là những nhiên liệu có nguồn gốc từ các vật liệu sinh khối như củi, gỗ, rơm, trấu, phân và mỡ động vật nhưng đây chỉ là những dạng nhiên liệu thô NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm: các loại cồn sản xuất bằng công nghệ sinh học để sản xuất ra Gasohol (Methanol, Ethanol, Buthanol, nhiên liệu tổng hợp Fischer Tropsch); các loại dầu sinh học để sản xuất diesel sinh học (dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật) Hay nói cách khác; NLSH là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật (sinh học) Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, ), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương ), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân, ), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải ),
Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng tái tạo phân bổ rộng khắp trên toàn quốc Sinh khối từ các sản phẩm hay chất thải nông nghiệp có sản lượng tương đương 10 triệu tấn dầu/năm Tiềm năng khí sinh học xấp xỉ 10 tỉ m3 năm có thể thu được từ rác, phân động vật và chất thải nông nghiệp Tiềm năng kỹ thuật của thuỷ điện nhỏ (<30MW) hơn 4,000MW Nguồn năng lượng mặt trời phong phú với bức xạ nắng trung bình là 5kWh/m2/ngày phân bổ trên khắp đất nước Vị trí địa lý của Việt Nam với hơn 3,400km đường bờ biển cũng giúp Việt Nam có tiềm năng rất lớn về năng lượng gió với tiềm năng ước tính khoảng 500-1000 kWh/m2 /năm
17.Khí sinh học và sản xuất khí sinh học
Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ trong môi trường yếm khí Thành phần chính của Biogas là CH4 (50-60%) và CO2 (>30%) còn lại là các chất khác như hơi nước N2, O2, H2S, CO, … được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20-40ºC, do đó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sử dụng tạo nên hỗn hợp nổ với không khí Khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết trong động
cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc Hơi nước có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ
lệ không khí/nhiên liệu của Biogas
Khí sinh học được tạo ra nhờ quá trình ủ lên men các chất hữu cơ như phân động vật, thức ăn thừa, nước thải cống rãnh, phế thải nông nghiệp Khí sinh học cung cấp điện năng, chất đốt, nhiên liệu cho xe cộ, … Bã thải của quá trình phân hủy được dùng làm thức ăn cho vật nuôi, dùng làm phân trộn, phân bón hay chất dinh dưỡng cho cây trồng
18.Ứng dụng CNSH trong phục hồi tài nguyên thiên nhiên