MỞ ĐẦU Thế giới đang trong nhu cầu cấp bách về các nguồn nhiên liệu mới cho giao thông vận tải, nhằm giải quyết các vấn đề quan trọng về chiến lược kinh tế và môi trường. Mặc dù các sản phẩm từ dầu mỏ vẫn đang là nguồn cung cấp nhiên liệu chính nhưng các nghiên cứu gần đây cho thấy việc sử dụng dầu mỏ hiện nay đã đạt gần mức một nữa trữ lượng dầu mỏ còn lại trên thế giới. Từ đó, cho thấy rõ khả năng hiện tại của nguồn nguyên liệu này sẽ không theo kịp với nhu cầu trong tương lai. Sự phát triển ngày càng nhanh của các nước như Trung Quốc, Ấn Độ cũng như các nước đang phát triển kéo theo lượng dầu mỏ sử dụng ngày càng lớn.
Trên tất cả các vấn đề này, xăng dầu góp phần to lớn đến sự phát thải khí CO2- tác nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính, làm ảnh hưởng đến sự biến đổi khí hậu. Trong những năm gần đây, cùng với dầu diesel sinh học, ethanol sinh học (bioethanol) đã trở thành nguồn nhiên liệu có triển vọng nhất hiện nay và được xem là sự thay thế khả thi cho nhiên liệu giao thông từ hóa thạch ở Châu Âu, Mỹ và khắp nơi trên thế giới. Bioethanol được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc thực vật, có khả năng tái sinh và trung tính về carbon. Điều này tạo nên một lợi thế rõ ràng hơn so với nhiên liệu hóa thạch, khi chỉ thải ra CO2 và các loại khí độc hại khác.
Bên cạnh việc sản xuất bioethanol từ nguồn tinh bột và đường, nhiều quốc gia trên thế giới đang nghiên cứu và phát triển kỹ thuật mới để sản xuất bioethanol từ nguồn lignocellulose, như bã mía, rơm rạ, bã sắn, lõi bắp… Lignocellulose là nguồn nguyên liệu phổ biến nhất trên thế giới, được thải ra từ phế liệu nông nghiệp và lâm nghiệp. Do đó, chúng là nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, giúp giảm giá thành ethanol khá nhiều. Đề tài “Sản xuất bioethanol từ nguyên liệu lõi bắp” được thực hiện dựa trên cơ sở đó, nhằm chỉ ra tầm quan trọng của quá trình tiền xử lý lõi bắp, thảo luận về -1- sự cần thiết phải tiến hành công nghệ này để sản xuất nhiên liệu chi phí thấp thông qua xử lý sinh khối theo hướng sinh học. Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu điều kiện sản xuất thích hợp nhất trong quá trình chuyển hóa từ nguyên liệu lõi bắp cho đến sản phẩm bioethanol.
Các nội dung của đề tài: Nghiên cứu ba quá trình tiền xử lý và chọn được phương pháp tốt nhất đối với nguyên liệu lõi bắp. Khảo sát các điều kiện thủy phân lõi bắp sau tiền xử lý bằng enzyme thương phẩm. Khảo sát các điều kiện lên men nhằm thu được năng suất bioethanol cao nhất. -2- CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới và trong nước 2.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất trên thế giới Việc nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học đã trở thành xu thế phát triển tất yếu ở nhiều quốc gia trên thế giới, để dần thay thế cho xăng dầu trong thế kỷ mới.
Tại hội nghị quốc tế về năng lượng do APEC tổ chức từ ngày 27-29 tháng 4 năm 2005 tại Canada, nhiên liệu sinh học đã được chọn để sử dụng cho ngành năng lượng cũng như giao thông vận tải của các nước OPEC trong lộ trình sản xuất nhiên liệu thay thế xăng dầu. Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đảm bảo an ninh năng lượng lâu dài và phát triển bền vững, nhiều quốc gia trong vòng 2-3 thập kỷ qua đã tập trung nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học, thay thế một phần xăng dầu và tiến tới xây dựng ngành “xăng dầu sạch”. Sản lượng (triệu gallons) Hình 2.1: Sản lượng ethanol trên thế giới qua các năm [20] Brazil là quốc gia đi tiên phong trong việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế. Từ năm 1970, để đối phó với cuộc khủng hoảng dầu mỏ, chương trình quốc gia Pro-alcohol ra đời.
Ban đầu pha 5% ethanol trong xăng để tăng trị số -3- Octan, ngày nay đã pha đến 25%. Các phương tiện vận tải của Brazil có thể dùng xăng, ethanol độc lập hoặc dùng hỗn hợp xăng ethanol. Hàng năm sản xuất 13-14 triệu m3 ethanol dùng trong nước và xuất khẩu. Tại Mỹ, chính phủ đã áp dụng nhiều chính sách như giảm thuế 0.5 USD/galon nhiên liệu sinh học, giảm thuế sau nhập khẩu, hỗ trợ các nhà sản xuất nhỏ.
Kết quả là trong năm 2005, Mỹ đã sản xuất được 15 triệu m3 nhiên liệu sinh học. Hiện 30% xăng tại Mỹ được pha nhiên liệu sinh học. Các nhà khoa học của Mỹ vừa tuyên bố đã nghiên cứu thành công quy trình kỹ thuật sản xuất bioethanol với khối lượng lớn nhưng không cần dùng nguyên liệu là những loại cây lương thực mà là từ cỏ, thậm chí từ những bãi phế liệu. Tại trường đại học Michigan, quy trình AFEX (quy trình nổ sợi bằng ammonia) đã được cấp bằng sáng chế về xử lý sơ bộ phế thải của ngô trước khi chuyển hóa thành bioethanol có thể giúp làm giảm chi phí sản xuất nhiên liệu sinh học từ cellulose.
Quy trình dựa trên cơ sở sử dụng ammonia để phân hủy cellulose và hemicellulose trong thực vật với hiệu quả cao hơn 75% so với khi chỉ sử dụng các enzyme truyền thống. Nghiên cứu cho biết, ta có thể sử dụng quy trình AFEX để xử lý sơ bộ phế thải của cây ngô (lõi, thân cây và lá ngô), thủy phân và lên men để tạo ra ethanol mà không cần bổ sung các thành phần dinh dưỡng vào phối liệu lên men [4]. Ấn Độ là quốc gia bắt buộc sử dụng thí điểm xăng chứa 5% ethanol tại 9 bang và 4 tiểu vùng kể từ năm 2003. Các bang còn lại sẽ sử dụng xăng pha ethanol ở giai đoạn 2.
Quyết định này thể hiện nỗ lực của Chính phủ Ấn Độ nhằm giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ nhập từ nước ngoài (1 triệu thùng/ngày) và đem lại lợi ích cho ngành trồng mía (diện tích mía 4. Thái Lan đã thành lập Ủy ban quốc gia về ethanol nhiên liệu để chỉ đạo thực hiện, thúc đẩy chủ trương phát triển nhiên liệu sinh học. Dự án Hoàng gia sản xuất xăng pha ethanol được triển khai từ năm 1985 với sự tham gia của các trường đại học, viện nghiên cứu và các doanh nghiệp. Để phục vụ cho chương trình sản xuất và sử dụng ethanol là nhiên liệu sinh học, các chính sách nhằm tăng cường diện tích trồng mía và sắn đã được ban hành.
Niên vụ 2002-2003, Thái Lan có khoảng 20 -4- triệu tấn sắn tươi. Thái Lan đang phấn đấu đến năm 2015 sử dụng trên 2.5 triệu m3 ethanol chiếm khoảng 10% lượng xăng dầu trong nước.2 Các nghiên cứu bước đầu về nhiên liệu sinh học trong nước Việt Nam là một nước được thiên nhiên ưu đãi, hội đủ các nguồn tài nguyên năng lượng. Tuy nhiên, khả năng khai thác, chế biến và sử dụng nguồn tài nguyên năng lượng còn hạn chế. Nhiều công trình nghiên cứu về nhiên liệu sinh học đã được tiến hành: sản xuất diesel từ đậu tương, vừng, dầu phế thải; sản xuất ethanol từ mật rỉ, mía, ngô, lúa, sắn,… Việc nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sạch sử dụng cho giao thông vận tải đã được giao cho một số cơ quan như Petrolimex, Petro Việt Nam, Đại học Kĩ thuật Đà Nẵng… Bộ Khoa Học và Công Nghệ đã giao cho Công ty APP chủ trì đề tài cấp nhà nước: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học pha ethanol và một số hợp chất có nguồn gốc từ thực vật”.
Công ty đã nghiên cứu thành công trong phòng thí nghiệm và đang thử nghiệm cho các phương tiện giao thông trên quy mô lớn. Nhiều đơn vị trong đó có APP, Sài Gòn Petro, Công ty mía đường Lam Sơn đã lên kế hoạch pha chế thử nghiệm và tiến tới sản xuất ethanol ở mô quy phù hợp và đưa vào sử dụng. Tổng công ty xăng dầu Việt Nam (Petrolimex) đã phối hợp với các trường đại học lớn như Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Bách Khoa TP. HCM tiến hành nhiều nghiên cứu về việc sử dụng nhiên liệu sinh học, trong đó chứng minh việc sử dụng xăng pha ethanol thay thế xăng thông thường tốt hơn cho động cơ xăng.
Đi tiên phong trong việc xây dựng và phân phối nhiên liệu sinh học là Tổng công ty Dầu Việt Nam (PVOil). Trung tâm khuyến nông tỉnh Đồng Nai phối hợp với Đại học Nông Lâm TP. HCM đã chuyển giao công nghệ sản xuất bioethanol từ trái điều phế phẩm cho 120 hộ trồng điều ở huyện Cẩm Mỹ để sản xuất bioethanol vào năm 2008. Theo công nghệ này, mỗi tấn trái điều sau khi lấy hạt đưa vào xử lý chưng cất sẽ thu được 80 lít bioethanol 80%.3 Tình hình sản xuất bioethanol trong nước Từ năm 2005 trở đi, hàng loạt các nhà máy sản xuất ethanol được xây dựng.
Công ty TNHH Sơn Hà xây dựng nhà máy công suất 300 triệu lít/năm tại Hậu Giang. Công ty đường Biên Hòa và công ty Fair Energy Asia Ltd - Singapore đã hợp tác đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất ethanol với công suất 50000 tấn/năm. Nhà máy xây dựng tại cụm công nghiệp phía tây Vàm Cỏ Đông, tỉnh Tây Ninh. Công ty cổ phần Sinh học Việt Nam đang xây dựng nhà máy sản xuất ethanol từ khoai mì với công suất khoảng 66 triệu lít/năm tại tỉnh Đăklăk.
Để đảm bảo nguồn nguyên liệu ổn định, công ty đã có kế hoạch triển khai trồng cây tinh bột Tiboca trên 4000 ha đất dự án. Nhà máy sản xuất bioethanol đã được xây dựng tại tỉnh Bình Phước với công suất gần 100 triệu lít/năm, từ nguyên liệu sản xuất từ sắn lát và tinh bột. Sản phẩm thu được với độ tinh khiết 99. Nhà máy được đầu tư bởi liên doanh giữa PVOil và ITOCHU, hình thành Công ty TNHH Nhiên liệu Sinh học Phương Đông (OBF) và đang đi vào hoạt động.
Cuối năm 2010, nhà máy sản xuất bioethanol tại khu kinh tế Dung Quất đã được đầu tư xây dựng bởi Tổng công ty dịch vụ dầu khí (Petrosetco), BSR, PVFC hình thành Công ty cổ phần Nhiên liệu sinh học Dầu khí Việt Nam (PCB). Nhà máy được xây dựng trên diện tích từ 30-50 ha, sản xuất bioethanol 99.8% (thể tích), công suất 150 triệu lít/năm với nguồn nguyên liệu sắn lát. PVB (Công ty cổ phần Hóa dầu và Nhiên liệu sinh học Dầu khí) đã đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất bioethanol tại tỉnh Phú Thọ với tổng vốn đầu tư khoảng 80 triệu USD. Công suất nhà máy khoảng 100 triệu lít/năm, sản xuất từ nguồn nguyên liệu sắn lát và cây mía.
Nhà máy đã đi vào hoạt động vào cuối năm 2011.