Có 2 nguồn lignocellulose được sử dụng đó là:
Từ phế thải nông nghiệp: rơm rạ; phế thải từ cây ngơ; phê thải ngành cơng nghiệp giấy, gỗ; bã mía, …
Từ lâm nghiệp: các loại gỗ, vỏ cây, các loại cỏ.
Bảng 1.7: Trữ lượng ethanol được sản xuất từ nguồn sinh khối lignocellulose Nguồn Nguồn
lignocellulose
Khu vực sản xuất Sản lượng (triệu tấn/năm)
Trữ lượng ethanol (lít/tấn) Thân cây ngơ Asia, Europe, America 409,5 274,4 Rơm lúa mì Asia, Australia, America,
Europe
702,9 257,4 Bã mía Asia, America 564,4 314,2 Chất thải rắn Worldwide (173 quốc gia) 500-1500 170-486 (Shi et al., 2009)
1.4.3 Ethanol sinh học thế hệ thứ ba
Có thể nói ngun liệu từ tảo - chính là ethanol sinh học thế hệ thứ ba.
Việc dùng tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học thay thế dầu mỏ giống như một mũi tên bắn trúng hai đích: vừa tạo ra năng lượng vừa góp phần làm sạch mơi trường. Mỗi tế bào tảo là một nhà máy sinh học nhỏ, sử dụng quá trình quang hợp để chuyển hóa CO2 và ánh sáng mặt trời thành năng lượng dự trữ trong tế bào và tạo ra các sản phẩm thứ cấp có giá trị cao. Hoạt động chuyển đổi của chúng hiệu quả đến mức sinh khối có thể tăng gấp nhiều lần trong một ngày. Ngồi ra, trong q trình quang hợp, tảo cịn sản xuất ra dầu ngay trong tế bào của chúng. Trên cùng một đơn vị diện tích, lượng dầu mà tảo tạo ra nhiều gấp 30 lần lượng dầu từ đậu nành. Đồng thời tảo có thể tăng khả năng sản xuất dầu bằng cách bổ sung khí CO2 trong q trình ni trồng chúng hoặc sử dụng các mơi trường giàu chất hữu cơ (như nước thải) để nuôi trồng. Điều này vừa tạo ra NLSH, vừa làm giảm lượng CO2 cũng như làm sạch mơi trường
(Bùi Đình Lãm, 2014. Nhiên liệu sinh học, hiện trạng và xu thế phát triển. http://tuaf.edu.vn/khoacnsh/bai-viet/nhien-lieu-sinh-hoc-hien-trang-va-xu-the-phat-trien- 4533.htmL, truy cập 08/12/2015).
1.4.4 Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới
Ethanol nhiên liệu là cồn tuyệt đối (hay cịn gọi là cồn khan, có độ cồn 99,7 – 100 %), được sản xuất từ cồn cơng nghiệp (có hàm lượng ethanol 92 – 96 %). Trên thế giới, việc nghiên cứu sử dụng ethanol để thay thế chất phụ gia MTBE trong xăng dầu đã được tiến hành trong nhiều năm qua. Ở Mỹ, Chính phủ nước này cơng bố cấm sử dụng MTBE vào đầu năm 2003, do nhiều cơng trình nghiên cứu về sự ơ nhiễm nguồn nước, mơi
20
trường khơng khí, sức khỏe con người của việc sử dụng MTBE. Ethanol nhiên liệu được đặc biệt chú ý ở các nước có nền nơng nghiệp phát triển và là mục tiêu hướng tới của đa số quốc gia có nhu cầu tiêu thụ năng lượng lớn. Chương trình ethanol nhiên liệu được nhiều nước quan tâm, đầu tư xây dựng chiến lược để phát triển các nhà máy sản xuất ethanol từ các loại ngũ cốc như: ngơ, sắn, mía đường.... để đáp ứng nhu cầu cung cấp nhiên liệu tái tạo trong tương lai. Đây là chương trình phát triển nơng nghiệp nơng thơn, nhằm khai thác tiềm năng sẵn có về lao động, đất đai, nguồn nơng sản ở mỗi quốc gia.
Theo Petrovietnam, hiện nay, 47 % ethanol nhiên liệu trên thế giới được sản xuất từ mía đường và 53 % được sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột. Năm 2003, tồn thế giới đã sản xuất được 38,5 tỷ lít Etanol nhiên liệu (trong đó châu Mỹ chiếm khoảng 70 %, châu Á 17 %, châu Âu 10 %), trong đó 70 % được dùng làm nhiên liệu, 30 % được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, y tế, hoá chất. Đến năm 2007, lượng ethanol nhiên liệu sản xuất đã tăng lên 56 tỷ lít, trong đó tỷ lệ sử dụng làm nhiên liệu tăng lên 75 %. Dự báo đến năm 2012 (khi Nghị định thư Kyoto có hiệu lực), lượng ethanol nhiên liệu thế giới sẽ tăng lên 81,9 tỷ lít và tỷ lệ sử dụng làm nhiên liệu tăng lên tới 85 %.
Trên thế giới, Brazil, Mỹ và Trung Quốc là 3 quốc gia đứng đầu về sản xuất và sử dụng Etanol nhiên liệu. Trong khu vực Đông Nam Á, Thái Lan là quốc gia phát triển rất nhanh về sản xuất và sử dụng xăng pha cồn sản xuất từ phế phẩm của sắn, hạt ngô, cây ngơ, đường, bã mía.
Brazil: Là quốc gia sản xuất và sử dụng cồn nhiên liệu lớn nhất thế giới. Hiện có trên 60.000 đồn điền trồng mía với 6,5 triệu hecta và trên 500 nhà máy sản xuất đường, cồn chủ yếu dùng trong nước và xuất khẩu (tương đương với 220.000 thùng dầu/ngày) hàng năm tiết kiệm được trên 2 tỷ USD chi cho việc nhập dầu. Cả nước có trên 3 triệu ơtơ sử dụng hồn tồn cồn khan làm nhiên liệu và 17 triệu ôtô sử dụng xăng pha 24 % cồn. Ngành cơng nghiệp mía - đường - cồn và các ngành liên quan của Braxin hàng năm có doanh thu khoảng 8,3 tỷ USD, giải quyết việc làm cho trên 1 triệu lao động. Từ năm 1975, Chính phủ Braxin đã thực thi chương trình mang tên Proalcool mà sau này trở thành mẫu hình được nhiều quốc gia học tập để phát triển nhiên liệu sinh học (Đỗ Huy
Định, 2003; Pessoa et al., 2005). Năm 2004, Braxin sản xuất cồn ở mức kỷ lục với 15,2
tỷ lít, tăng 3,4 % so với năm 2003, năm 2009, sản lượng này lên tới 19,8 tỷ lít (Bảng 1.8).
Bảng 1.8 Dự tính sản lượng ethanol tồn cầu từ năm 2011 đến năm 2016 Dự tính sản lượng ethanol tồn cầu 2011 – 2016 (Triệu Gallons)
Năm 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Mỹ 14.401 13.768 13.293 14.313 14.807 15.329 Brazil 5.573 5.577 6.267 6.190 7.093 7.295 Liên minh Châu Âu 1.167 1.139 1.371 1.445 1.387 1.377 Trung Quốc 554 555 696 635 813 845
21 Thái Lan 310 334 322 Argentina 160 211 264 Ấn Độ 545 155 211 225 Các nước khác 727 865 391 490 Thế giới 22.404 21.812 23.429 24.570 25.682 26.583
(Renewable Fuels Association.
http://www.ethanolrfa.org/resources/industry/statistics/#1460745351689-ce62f81b-
29be. Truy cập ngày 4/4/2017).
Mỹ: Là quốc gia tiêu thụ hàng năm 25 % năng lượng trên thế giới (trong khi chỉ có 6 % trữ lượng dầu mỏ), hơn 60 % dầu mỏ phải nhập từ bên ngoài. Sự thâm hụt cán cân thương mại năng lượng lên đến trên 80 tỷ USD. Năm 1998, Tổng thống Mỹ B. Clinton đã ký sắc lệnh 13101 về sử dụng sản phẩm sinh học thay thế một phần dầu mỏ. Năm 2004, Mỹ đã sản xuất trên 13 triệu m3 cồn. Tương lai, Mỹ có thể vượt Braxin, nước sản xuất ethanol lớn nhất trên thế giới hiện nay (vào năm 2004), do lệnh cấm sử dụng MTBE (vào năm 2003) sẽ làm tăng mạnh nhu cầu đối với ethanol nhiên liệu ở Mỹ. Trung Quốc: Là quốc gia sản xuất và sử dụng cồn nhiên liệu lớn thứ 3 sau Braxin và Mỹ. Năm 2004, nước này đã đưa vào hoạt động nhà máy sản xuất cồn lớn nhất thế giới với công suất 600.000 tấn/năm tại Cát Lâm (mỗi năm tiêu thụ 1,9 triệu tấn ngô làm nguyên liệu), tăng sản lượng cồn ethanol cả nước trên 3,5 triệu m3. Từ tháng 6/2002, nước này đã quyết định sử dụng xăng pha 10 % cồn khan (E - 10) ở 5 thành phố và đến cuối năm 2006 sẽ tăng thêm 27 thành phố đông dân khác.
Thái Lan: Cũng là một trong những quốc gia tích cực đầu tư vào nhiên liệu sinh học. Đến năm 2004, nước này đã sản xuất trên 280.000 m3 cồn, đầu tư thêm 20 nhà máy để năm 2015 có trên 2,5 tỉ lit cồn dùng làm nhiên liệu. Chính phủ nước này có kế hoạch tăng sản lượng ethanol nhiên liệu lên tới 650 triệu lít vào năm 2003 từ nguyên liệu chính là sắn, ngơ, mía đường.
Tây Ban Nha: Trở thành nhà sản xuất ethanol sinh học lớn nhất ở châu Âu vào năm 2004, khi nhà máy thứ 3 và là nhà máy lớn nhất của nước này đi vào hoạt động vào năm 2004.
Ấn Độ: Là nước thứ 3 trong khu vực châu Á bắt đầu sản xuất ethanol nhiên liệu. Ấn Độ đã sử dụng xăng pha 5 % cồn ở 9 bang và 4 tiểu vùng từ ngày 1/1/2003, các bang còn lại sử dụng ở giai đoạn 2, giai đoạn 3 sẽ tăng 10 % cồn pha trong xăng. Hiện nay, công nghiệp ethanol của nước này mới đạt 1,8 tỷ lít. Ấn Độ phụ thuộc chủ yếu vào lượng dầu nhập khẩu, năm 2001, lượng dầu nhập khẩu là 75 triệu tấn, trị giá 17,5 tỷ USD, cho thấy nhu cầu về ethanol nhiên liệu là rất lớn. Số liệu của tiến sĩ Christoph Beng trong báo cáo "Công nghiệp sản xuất ethanol thế giới năm 2001" cho biết: Tổng nhu cầu ethanol nhiên liệu của ấn Độ ước tính khoảng 3,2 tỷ lít/ năm. Nhu cầu ethanol tăng cao dẫn đến hình thành thị trường xuất nhập khẩu ethanol nhiên liệu giữa các nước. Một số nước công nghiệp như Nhật bản, Hàn quốc… phải nhập khẩu lượng lớn ethanol từ một
22
số quốc gia sản xuất cồn nhiên liệu. Theo dự tính, từ năm 2008 đến năm 2012 sản lượng ethanol trên tồn cầu tăng từ 61 đến 82 tỉ lít.
1.4.5 Sản xuất và nghiên cứu ethanol ở Việt Nam
Ở Việt Nam, cồn được sản xuất chủ yếu từ nguồn nguyên liệu rỉ mía đường. Mỗi năm tổng công suất sản xuất cồn trên cả nước đều tăng tập trung ở 3 nhà máy lớn có cơng suất từ 15.000 – 30.000 lít/ngày là nhà máy đường Hiệp Hồ, Lam Sơn, nhà máy bia rượu Bình Tây… và hàng trăm cơ sở sản xuất có quy mơ nhỏ lẻ với cơng suất từ 3.000 đến 5.000 lít/ngày. Sản lượng cồn Việt Nam hiện nay cịn rất nhỏ, cơng suất sản xuất của mỗi nhà máy cũng nhỏ, các đơn vị sản xuất cồn đang gặp nhiều khó khăn do nguồn nguyên liệu không ổn định, công nghệ sản xuất lạc hậu, tốn nhiều chi phí sản xuất nên sản phẩm khơng có sức cạnh tranh.
Do nhu cầu thị trường tiêu thụ cồn trong nước ngày càng tăng, các đơn vị sản xuất cồn trong nước đẩy mạnh sản xuất, đồng thời mở rộng thêm nhiều nhà máy mới (Cơng ty cổ phần mía đường Biên Hồ đầu tư xây dựng nhà máy công suất 50.000 tấn/năm, Công ty Đồng Xanh đầu tư xây dựng nhà máy cơng suất 60.000 lít/ngày, Cơng ty CP Cồn sinh học Việt Nam đầu tư nhà máy 66.000 m3/năm tại Đắc Lắc, BIDV đầu tư nhà máy công suất 100.000 tấn/năm tại Quảng Nam… Dự án đầu tư xây dựng Nhà máy sản xuất Bioethanol khu vực phía Bắc do PVB làm Chủ đầu tư là dự án nằm trong Đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Việt Nam đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg ngày 20/11/2007. Đây là nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học đầu tiên được xây dựng ở miền Bắc Việt Nam có quy mơ đầu tư lớn, cơng nghệ tiên tiến, thiết bị hiện đại với tổng mức đầu tư khoảng 80 triệu USD, công suất 100.000 m3 ethanol/năm, tại huyện Tam Nông, tỉnh Phú Thọ, sử dụng nguyên liệu sắn, mía để sản xuất ethanol.
Ở nước ta, giới khoa học đã quan tâm nghiên cứu nhiên liệu sinh học hơn một thập kỷ qua như các cơ quan thuộc ngành GTVT, công nghiệp, năng lượng, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các trường đại học… Tháng 6.2004, Công ty Phát triển Phụ gia và Sản phẩm Dầu mỏ (APP) đã dự thảo "Đề án phát triển nhiên liệu sinh học ở Việt Nam" (xăng/diesel pha cồn ethanol và diesel sinh học) gửi Chính phủ và một số bộ/ngành. Dự án đề nghị thực hiện trong 2 giai đoạn: giai đoạn I (2006 - 2010) hồn thiện cơng nghệ pha chế thử nghiệm và xây dựng mơ hình đầu tư thấp kết hợp sản xuất cồn khan với pha chế sử dụng sản phẩm quy mô 100.000 m3 xăng pha cồn/năm thay thế một phần xăng khoáng (thực hiện ở các đơ thị đơng dân cư như thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội...), xây dựng chính sách để phát triển vùng nguyên liệu sản xuất cồn sử dụng làm nhiên liệu; giai đoạn II (2010-2020) với mục tiêu pha chế khoảng 2 triệu m3 nhiên liệu thay thế đáp ứng khoảng 15 % lượng xăng dầu thiếu hụt, xây dựng quy hoạch để phát triển lớn hơn cho các năm tiếp theo. Bộ Cơng nghiệp cũng đang hồn tất "Đề án quốc gia về nhiên liệu sinh học" giai đoạn 2006 - 2020 để trình Chính phủ (Nguyễn Ninh, 1992; Võ Hồng Nhân và Trần Tuấn Đức, 1993).
23
Ngày 6/4/2005, Sở Khoa học và Công nghệ (KH-CN) TP.HCM đã đồng ý hỗ trợ 30.000 USD như là kinh phí ban đầu cho nhóm nghiên cứu đề tài nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực Biomass giai đoạn 2005 – 2007. Nhóm nghiên cứu đề tài Biomass, xử lý phế phẩm nông nghiệp, do TS. Phan Đình Tuấn, trường ĐH Bách khoa TP.HCM phụ trách. Biomass là đề tài của nghiên cứu công nghệ xử lý các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp như rơm, rạ, trấu… nhằm sản xuất Bio-ethanol (cồn nguyên liệu), tiến tới xây dựng mơ hình “Thị trấn Biomass” tại Việt Nam. Theo kế họach, nhóm nghiên cứu chương trình Biomass sẽ phải xây dựng cơ sở dữ liệu về việc sản xuất và sử dụng biomass tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, TP.HCM nhằm phục vụ cho việc thiết kế mơ hình “Thị trấn Biomass”. Ngồi ra, nhóm nghiên cứu phải nghiên cứu hai công nghệ: công nghệ thuỷ nhiệt xử lý phế liệu rơm rạ - trấu phục vụ cho việc lên men sản xuất ethanol - cồn nhiên liệu, và cơng nghệ xử lý khí độc H2S trong biogas trước khi đưa vào sử dụng.
Đã có khá nhiều thành tựu trong công nghệ sản xuất cồn tuyệt đối. Trong số những thành quả đạt được phải ghi nhận những đóng góp của nhóm nghiên cứu do ThS. Vũ Bá Minh, Ðại Học Bách Khoa TP HCM. Hồ Chí Minh thực hiện từ những năm 1983 với cơng nghệ “Chưng cất trích ly để sản xuất cồn tuyệt đối” hoặc nhóm nghiên cứu do TS. Vũ Đào Thắng, Khoa Cơng nghệ Hố học, Đại học Bách khoa Hà Nội chủ trì trong cơng nghệ sản xuất cồn tuyệt đối và cồn làm khô nhiên liệu. Bằng phương pháp sử dụng chất hấp phụ chọn lọc, tại Bộ mơn Hóa - Khoa Cơng nghệ Hóa học - Trường đại học Bách khoa Hà Nội đã thiết lập được công nghệ và dây chuyền sản xuất cồn tuyệt đối đạt nồng độ 99,5 %, cơng suất 50 lít/ ngày. Đây là một công nghệ đơn giản, thiết bị được chế tạo trong nước, nguyên liệu tự nhiên sẵn có, giá thành thấp. Sản phẩm của cơng nghệ này sử dụng tốt trong các phịng thí nghiệm, làm dung mơi pha sơn, vecni và đặc biệt sử dụng làm nhiên liệu rất tốt cho sản xuất xăng sạch và điêzen sạch. Ngồi ra Bộ mơn Hóa, Trường đại học Bách khoa Hà Nội đã hồn thiện cơng nghệ sản xuất cồn khơ từ năm 2002 ở quy mô công nghiệp, năng suất 300 kg/ca. Như vậy để có được cồn tuyệt đối từ cồn 96% là việc hoàn toàn khả thi tại Việt Nam.
Trong những năm 2001-2004 PGS. TS. Ngô Tiến Hiển và ThS. Nguyễn Thúy Hường đã phụ trách đề tài nhánh cấp nhà nước về sản xuất cồn nhiên liệu từ nguyên liệu rỉ đường trong khuôn khổ đề tài KC.07.14 “Nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ và thiết bị chế biến một số nông sản với quy mô vừa và nhỏ” do TS. Vũ Thị Đào (Viện công nghiệp thực phẩm) làm chủ nhiệm. Thành quả là nhóm đề tài đã tìm được phương pháp khử độc hiệu quả dịch rỉ đường, lựa chọn được chủng giống nấm men và điều kiện lên men thích hợp, chế tạo và đưa vào vận hành hệ thống lên men liên tục dịch rỉ đường cho sản xuất cồn với nồng độ cồn trong dấm sau lên men là 11,5%. Mơ hình này đã được triển khai vào sản xuất tại Cơng ty Đường Hịa Bình với hệ thống lên men quy mơ 50 m3.
24
Tương tự như vậy, đề tài “Nghiên cứu tạo chế phẩm enzyme tái tổ hợp thủy phân lignocellulose phục vụ sản xuất cồn nhiên liệu” KC.04.22/06-10 do PGS. TS. Tô Kim Anh, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội làm chủ nhiệm. Kết quả nghiên cứu của đề tài hứa hẹn tạo ra những enzyme có khả năng ứng dụng cao trong thủy phân cơ chất lignocellulose.
1.5 TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT LÊN MEN TẠOETHANOL