1.3. Khả năng sản xuất Butanol từ nguyên liệu sinh học
1.3.1. Tình hình sản xuất Butanol sinh học
Butanol hoặc rượu butylic có công thức phân tử C4H9OH, có 4 đồng phân.
n-Butanol isoButanol sec-Butanol tert-Butanol Hình 1. 2. Các đồng phân của butanol
Do có sự khác nhau về cấu trúc nên giữa các đồng phân có sự khác nhau về các tính chất đặc biệt là nhiệt độ sôi.
Bảng 1.1: Nhiệt độ sôi và RON của các đồng phân của Butanol n-Butanol isoButanol sec-Butanol tert-Butanol Nhiệt độ sôi 117.2 °C 108 °C 99 °C 82 °C
RON 94-96 105
Công thức C4H9OH, tức là có cùng nhóm chức OH như Ethanol nhưng số nhóm CH2 nhiều hơn gấp 3 lần nên thuộc loại rượu mạnh. Tuy có cùng nhóm chức OH nhưng chứa cấu trúc mạch cacbon dài hơn và có nhiều nhánh nên Butanol ít hoặc khó hòa vào nước so với Ethanol. Cũng giống như Ethanol, Butanol thu được thông qua tổng hợp hóa học gọi là Butanol tổng hợp, được dùng chủ yếu như một dung môi trong công nghiệp, còn nếu thu được bằng con đường sinh học thì gọi là Butanol sinh học, được dùng như nhiên liệu. Butanol sinh học có nhiều ưu điểm hơn Ethanol sinh học, mạch phân tử của nó gồm 4 nguyên tử cacbon, dài hơn so với Ethanol hay mEthanol nên tính phân cực của nó yếu, dễ tan lẫn vào xăng, máy móc ít nguy cơ bị ăn mòn do tính không hút nước; không tan lẫn vào nước nên dễ chưng cất đạt độ tinh khiết tuyệt đối; mật độ năng lượng cao hơn Ethanol sinh học 25%, gần bằng mật độ năng lượng của xăng chế biến từ dầu mỏ; chỉ số octan cao xấp xỉ chỉ số octan của xăng trung bình (RON92) nên khi sử dụng không phải hoán cải động cơ chạy xăng thông thường; có áp suất hơi thấp hơn nhiều so với xăng cũng như Ethanol sinh học nên ít bị hao hụt do bay hơi trong quá trình tàng trữ, vận chuyển, phân phối và an toàn khi sử dụng. Do những ưu việt nói trên nên hiện nay Butanol sinh học được coi là chọn lựa ưu tiên làm nhiên liệu thay thế xăng sản xuất từ dầu mỏ. Ngoài ra Ethanol sinh học và Butanol sinh học còn được chọn làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu (fuel cell) dùng trong giao thông vận tải thay cho hydrogen, tuy nhiên phải dùng bộ tái tạo ra hydrogen (hydrogen reformer) ngay trong xe để có hydrogen trước khi cung cấp cho pin nhiên liệu. Lượng khí CO2 do pin thải ra trong trường hợp này chính là lượng CO2 trong khí quyển được
thực vật hấp thụ trong quá trình quang hợp trước đó nên có thể xem như cân bằng về CO2 trong môi trường, không có phát thải thêm.
Khả năng sản xuất Butanol [6]:
+ Sản xuất Butanol có thể tận dụng cơ sở hạ tầng hiện hành của sản xuất Ethanol.
Quy trình hóa dầu oxo (quá trình hydroformyl hóa) mang tính khả thi cao nhất để sản xuất Butanol rẻ tiền hơn từ các nguồn sinh khối khác nhau.
Hình 1. 3. Công nghệ sản xuất Butanol
Lên men tạo Butanol khác với lên men tạo Ethanol chủ yếu là tác nhân. Quá trình lên men tạo Butanol dùng vi khuẩn, còn quá trình lên men tạo Ethanol chủ yếu là nấm men. Lên men Butanol tốn ít năng lượng hơn nhưng sơ đồ phân tích sản phẩm phức tạp hơn. Hiện trên thế giới có rất nhiều cơ sở hạ tầng và nhiều nhà máy sản xuất Ethanol đi từ đường mía và cỏ. Cải tiến khu vực chưng cất của nhà máy (chủ yếu liên quan đến cụm nạp liệu, lên men, phân tích ban đầu, xử lý sản phẩm phụ, và ngoài nhà máy) để có thể sản xuất Butanol. Do vậy, các nhà máy sản xuất Ethanol có thể nhanh chóng chuyển đổi và đáp ứng yêu cầu sản xuất Butanol trước khi gặp phải nguy cơ khủng hoảng tăng vọt về nhu cầu nhiên liệu Ethanol.
Cách đây vài năm, các nhà sản xuất, liên doanh đã tuyên bố về những khởi sự của họ trong phát triển thêm cơ sở hạ tầng cho ngành vi sinh để sản xuất trong quy mô
phòng thí nghiệm rồi sản xuất thử cũng như thương mại hóa sản xuất và rao bán các nhà máy sản xuất Butanol sinh học ở Trung Quốc. Một dự án liên doanh giữa BP và Dupont về sản xuất Butanol sinh học theo quy trình ABE tại Trung Quốc đã được thực hiện đang mang nhiều triển vọng thúc đẩy thị trường tiêu thụ nguồn nhiên liệu mới này.
Theo sơ đồ ở hình 1.4 cho ta thấy được các phương pháp có thể sản xuất Butanol hiện nay. Trong đó cách dễ sản xuất nhất là đem đường lên men trực tiếp. Nếu là tinh bột thì phải sử dụng một số men để chuyển hóa rồi mới lên men được. Riêng đối với các hạt rắn như hạt ngũ cốc ta phải đem đi nghiền, nấu, thủy phân đem đi đường hóa rồi mới có thể lên men. Đối với các quá trình sinh khối thì cenlulo và hemicellulo sẽ được thủy phân nhờ acid hoặc men tạo ra đường gluco và fructo, riêng cenlulo chỉ tạo ra fructo, các đường này được đem đi đường hóa rồi lên men tạo Butanol.
Hình 1. 4. Sơ đồ các công nghệ sản xuất Butanol sinh học
Một nhóm nghiên cứu viên thuộc Viện Khoa học và Kỹ thuật công nghiệp tiên tiến quốc gia của Nhật Bản (JAIST) đã phát triển một kỹ thuật tinh lọc Butanol sinh học mới, giúp tăng độ đậm đặc của dung dịch lên tới 82% (% khối lượng Butanol) và từ đó, giảm đáng kể tổng số năng lượng cần thiết cho quy trình loại bỏ nước trong dung dịch Butanol [6].
Butanol sinh học (hay xăng sinh học) là một trong số những loại nhiên liệu lỏng thế hệ tiếp theo thay thế cho các sản phẩm hóa dầu đang được sử dụng hiện nay.
Butanol sinh học được chiết xuất từ đường lên men với số lượng lớn trong sinh khối xenluloza (từ gỗ), với mức calori cao hơn (34 MJ/kg) so với Ethanol (C2H5OH - 27 MJ/kg). Quá trình lên men đường dưới tác động của vi khuẩn tạo ra một dung dịch chứa nước với độ tập trung Butanol thấp (khoảng 0,5 - 1,5%). Khi độ tập trung này tăng lên, các vi khuẩn sẽ chuyển sang trạng thái “ngủ đông” và quá trình sản xuất bị dừng lại. Do vậy, cần phải tách nước ra để thu được dung dịch có độ tập trung Butanol lớn. Chưng cất là một kỹ thuật đơn giản giúp thực hiện phân tách Butanol. Tuy nhiên, số năng lượng cần sử dụng để tạo ra dung dịch chứa 99,9% Butanol từ dung dịch 1%
là 37 MJ/kg, nhiều hơn 3 MJ/kg so với mức calorie của Butanol. Do đó, kỹ thuật trên không thể áp dụng được trong trường hợp này. Giải pháp thay thế hiện đang được nghiên cứu là phân tích bằng cách thoát hơi nước qua màng (pervaporation) bằng gốm silic có hoặc không phủ bột silicalite. Phương pháp này cho phép đạt được độ tập trung Butanol trong dung dịch lên tới 37% đối với gôm không phủ bột và 53% với gôm phủ bột. Dung dịch này sau đó sẽ được cho bay hơi lần nữa cho tới khi đạt mức tập trung tối đa. Tuy vậy, nếu độ tập trung thấp hơn mức 80% thì dung dịch sẽ bị phân tích một cách tự nhiên thành 2 pha lỏng xếp chồng lên nhau, trong đó pha trong chứa 8%
Butanol và pha ngoài 80%. Do vậy, cần xử lý riêng biệt 2 pha theo quy trình sau: Để khắc phục tình trạng chia pha nói trên, AIST đã phát triển một loại màng phân tích mới bằng chất liệu silicalite với lớp gôm silic làm nền, cho phép thu được dung dịch tập trung 82% chỉ qua 1 lần bay hơi (hình vẽ). Do vậy, tổng mức năng lượng cần để sản xuất Butanol tinh khiết chỉ còn 4,3 MJ/kg (13% lượng calorie của Butanol), thấp hơn 50 và 70% so với các quy trình sử dụng gôm silic phủ và không phủ bột silicalite [6].