Ngày nay sự phát triển của các quốc gia trên thế giới đang phải đối mặt với những thách thức hết sức to lớn đó là đảm bảo an ninh lương thực và an ninh năng lượng cho quá trình phát triển đồng thời giảm thiểu các tác hại tiêu cực tới môi trường trên phạm vi toàn cầu do chính các hoạt động phát triển kinh tế mang lại đặc biệt là việc khai thác và sử dụng tài nguyên thiên nhiên với tốc độ quá cao, vượt quá khả năng tái tạo của thiên nhiên. Để giải quyết những thách thức này, nhiều quốc gia trên thế giới đã đề ra chiến lược phát triển các loại năng lượng sạch có khả năng tái tạo được trong đó có nhiên liệu sinh học. Trong thời gian gần đây, ethanol sinh học – một loại nhiên liệu sinh học được sản xuất ở quy mô công nghiệp đang ngày càng trở nên quan trọng trong việc góp phần giải quyết tình trạng khủng hoảng nhiên liệu và bảo vệ môi trường trên toàn thế giới, và đang được sử dụng rộng rãi tại hơn 60 quốc gia và vùng lãnh thổ ở khắp các châu lục.

Trên thế giới, Ethanol nhiên liệu hiện nay chủ yếu được sản xuất từ nguyên liệu là nguồn sinh khối chứa tinh bột hoặc đường như lúa mỳ, ngô, sắn, mía đường,... và được gọi là ethanol nhiên liệu thế hệ thứ nhất. Việc sử dụng các loại nguyên liệu nói trên xét về lâu dài sẽ ảnh hưởng tới an ninh lương thực trên phạm vi khu vực và toàn cầu. Chính vì lẽ đó, nhiều nhà khoa học, nhiều cơ sở nghiên cứu, tập đoàn công nghiệp đã đầu tư nghiên cứu phát triển công nghệ sản xuất ethanol nhiên liệu từ những loại sinh khối rẻ tiền, dễ kiếm và không phải là lương thực cho người hoặcthức ăn cho vật nuôi như rơm, rạ, gỗ,... Ethanol sản xuất từ những loại nguyên liệu này được gọi là ethanol nhiên liệu thế hệ thứ hai. Trong thực tế, ethanol được sản xuất bằng con đường lên men dịch gỗ thủy phân bằng a-xít mạnh đã có từ rất sớm. Tuy nhiên công nghệ này có nhược điểm rất lớn đó là sử dụng a-xít mạnh để làm tác nhân thủy phân khiến cho chất thải sản xuất có tác hại rất lớn tới môi trường. Vì vậy, công nghệ này hiện nay không còn được sử dụng nữa vì chi phí để xử lý chất thải quá cao. Để khắc phục tồn tại của công nghệ này, nhiều nghiên cứu, thử nghiệm đã được triển khai theo hướng kết hợp hóa học và cơ học trong giai đoạn tiền xử lý sinh khối trước khi thực hiện quá trình thủy phân bằng nhiều loại enzyme có hoạt tính cao và lên men dịch đường sau thủy phân bằng các chủng nấm men đã được chọn lọc phù hợp để cho hiệu suất lên men cao. Nhờ có quá trình nghiền cơ học của thiết bị nghiền đặt biệt và sử dụng áp suất cao lên tới 75bar kết hợp với các enzyme thế hệ mới, người ta có thể giảm được một lượng đáng kể khi thực hiện sản xuất ethanol từ rơm lúa mỳ mà ví dụ điển hình là mô hình pilot của công ty Abengoa đặt tại nhà máy ở Salamanca, Tây Ban Nha với công suất đạt 5triệu lít ethanol/năm. Công nghệ mới của Công ty Abengoa tuy đã giảm được việc sử dụng a-xít mạnh (H₂SO₄) nhờ dụng các enzyme thủy phân thế hệ mới nhưng vẫn đòi hỏi sử dụng áp suất rất cao và hệ thống nghiền đặc biệt khiến cho chi phí năng lượng trên một đơn vị sản phẩm còn khá cao. Mặt khác, việc sử dụng giải pháp nghiền và tiền xử lý tại áp suất cao với a-xít loãng làm cho sản phẩm trung gian là hỗn hợp của cellulose, hemicellulose và lignin rất khó phân riêng gây khó khăn cho quá trình thủy phân và quá trình lên men, đồng thời tạo ra nhiều chất thải. Chính vì lẽ đó, công nghệ này mới chỉ dừng ở quy mô pilot mà chưa thể đưa ra sản xuất lớn đại trà.

Cùng đi theo hướng nghiên cứu sử dụng nguyên liệu sinh khối rẻ tiền như rơm rạ, Công ty Chempolis, Phần Lan đưa ra giải pháp và thử nghiệm thành công quy mô pilot sử dụng dung môi đặc hiệu để phá vỡ cấu trúc sinh khối và tách cellulose riêng ra khỏi sinh khối, hemicellulose và lignin trong sinh khối sẽ được phân riêng và sử dụng để đốt lò hơi hoặc sử dụng cho các mục đích khác.

Theo công nghệ này rơm, rạ, bã mía,... được cắt ngắn theo kích thước phù hợp được ngâm trong dung môi đặc hiệu theo tỷ lệ nhất định. Cellulose có trong sinh khối được tách riêng nhờ tác dụng của dung môi đặc hiệu có độ sạch cao sẽ dễ dàng được thủy phân bằng enzyme thành các đường có khả năng lên men cung cấp cho quá trình lên men chuyển hóa thành ethanol. Vì cellulose đã được làm sạch cho nên hiệu quả sử dụng enzyme trong quá trình thủy phân cũng được nâng lên rõ rệt giúp giảm chi phí sản xuất một cách đáng kể. Lượng dịch còn lại sau khi tách cellulose bao gồm dung môi, lignin, hemicellulose sẽ được đưa sang thiết bị bốc hơi thu hồi dung môi để sử dụng lại. Đây chính là điểm khác biệt của giải pháp do Công ty Chempolis đưa ra so với các công nghệ sử dụng a-xít sunphuric đó là lượng chất thải ra môi trường rất thấp và không phải tốn chi phí cho hóa chất để trung hòa. Hỗn hợp bùn gồm Lignin và hemicellulose sau khi đã thu hồi dung môi được sấy khô, đóng viên sử dụng để đốt lò hơi hoặc máy phát điện cung cấp cho nhà máy. Về nguyên tắc, công nghệ này cũng cho phép tách hemicellulose ra khỏi lignin để làm nguyên liệu lên men hoặc chế biến thành các sản phẩm khác. Trong quá trình rửa cellulose và bốc hơi thu hồi dung môi, công nghệ của Chempolis còn thu được các sản phẩm trung gian khác như Furfural và a-xít Acetic.

Đánh giá toàn bộ công nghệ của Chempolis có thể thấy toàn bộ vật chất có trong sinh khối sẽ được sử dụng; Lượng dung môi đặc hiệu sử dụng trong quá trình cũng được tuần hoàn tái sử dụng; Việc sử dụng bùn lignin để làm nhiên liệu đảm bảo dây chuyền không cần hoặc sử dụng rất ít năng lượng cung cấp từ bên ngoài đồng thời lượng chất thải của quá trình vô cùng nhỏ; lượng enzyme sử dụng trong toàn bộ quá trình cũng được giảm xuống mức thấp nhất.

Như vậy, ngành công nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học sẽ phát triển bền vững nhờ việc áp dụng các công nghệ mới theo hướng thân thiện với môi trường, sử dụng các nguồn sinh khối rẻ tiền làm nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu./.

   TS. Nguyễn Phú Cường

                                                                        Phó Vụ trưởng Vụ KHCN Bộ Công Thương