Lời mở đầu
Giải pháp nhiên liệu sinh học (2-butanol) thay thế nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn là điều cần thiết trong khi nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn. Khi mà Quý 1 Năm 2022 đã đánh dấu một cột mốc lịch sử:
Giá nhiên liệu hóa thạch (cụ thể là dầu thô tăng mức kỉ lục – chạm mức gần 140$/thùng. Tức khoảng 3tr201 ngàn đồng/thùng.) đã tăng trung bình 60% trong vòng 1 năm trở lại đây.
Việc tìm ra giải pháp thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch đang là ưu tiên hàng đầu của các nước phát triển. Đặc biệt là Mỹ và các nước Châu Âu thuộc khối liên minh NATO. khi mà nguồn cung khí đốt của các nước này hoàn toàn phụ thuộc vào Nga. (Mát-xco-va chiếm 40% tổng lượng khí đốt xuất sang các nước Châu Âu).
Ethanol đã chiếm mọi sự chú ý của ngành nhiên liệu sinh học trong vài năm qua.
Cuộc khủng hoảng năng lượng đã tạo ra nhu cầu mạnh mẽ cho việc phát triển các nguồn năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Bên cạnh năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời và năng lượng gió, một trong những giải pháp thay thế đó là sản xuất nhiên liệu sinh học từ thực vật, vi khuẩn lam hoặc vi tảo nhân chuẩn.
Pin năng lượng được coi là giải pháp thay thế tốt nhất cho lĩnh vực giao thông vận tải. Tuy nhiên cần xác định rõ thời gian cần để chuyển đổi hoàn toàn từ nhiên liệu hóa thạch sang pin nhiên liệu. thêm vào vấn đề vận tải bằng đường biển hay hàng không là hoàn toàn chưa khả quan. Nhiên liệu sinh học cung cấp giải pháp ngắn và trung hạn cho quá trình giải đáp “Tìm nguồn cung cấp nhiên liệu thay thế nhiên liệu hóa thạch”.
Lợi ích của việc sử dụng cồn ethanol:
- Một lợi ích đặc biệt hứa hẹn của nhiên liệu sinh học là thay thế nhiên liệu hóa thạch. Trong lĩnh vực nhiên liệu cho phương tiện giao thông, vận tải.
- Cung cấp giải pháp tạm thời ngắn hạn trong việc giảm phụ thuộc vào nguồn cung khí đốt. bằng việc pha tỉ lệ % nhiên liệu sinh học vào nhiên liệu xăng giúp giảm thiểu lượng nhiên liệu hóa thạch tiêu thụ.
- Có thể thay thế hoàn toàn xăng trong một số ngành công nghiệp như in ấn, pha sơn,.
- cồn sinh học Ethanol có thể được pha trộn với hoặc thậm chí thay thế xăng và dầu diesel. Sử dụng cồn sinh học làm nhiên liệu lỏng có thể giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và phát thải khí nhà kính. Cũng như giảm quá trình axit hóa, phú dưỡng và sương mù quang hóa liên quan đến sử dụng xăng.
Butanol đạt thành tựu lớn trong lĩnh vực nghiên cứu nhiên liệu sinh học:
Tuy nhiên, ethanol chỉ có thể được sử dụng như một chất phụ gia ở nồng độ tương đối thấp. Thực tế đã cho thấy nhiên liệu hóa thạch vẫn không thể thay thế bằng ethanol khi các chỉ số nghiệm thu được có sự chênh lệch đáng kể.
Bài viết: Giải pháp “nhiên liệu sinh học ethanol” liệu có đủ khả năng thay thế xăng E95?
- dự trữ nhiều năng lượng hơn trên một lít.
- Ít ăn mòn đường ống hơn.
- Dễ tách khỏi nước và có thể hòa vào xăng ở nồng độ cao hơn trước khi động cơ xe bị hỏng.
- Butanol có các đặc điểm tương tự như xăng và có thể cung cấp oxygenat thay thế cho etanol trong nhiên liệu pha trộn.
Một số phương pháp sản xuất 2-butanol chủ yếu
- Thông qua con đường công nghệ sinh học: sử dụng các vi sinh vật như clostridia,
- Bằng con đường hóa học: sử dụng dầu mỏ.
- Butanol có thể được chiết xuất từ các sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất ethanol.
Gần đây, người ta quan tâm đến khả năng ghép xúc tác của ethanol sinh học thành butanol trên các phản ứng dị nguyên khác nhau. Phản ứng này có tiềm năng rất lớn và có thể là một bước tiến để khắc phục những nhược điểm của cồn sinh học ethanol như một loại nhiên liệu vận chuyển bền vững
Bài báo này tóm tắt các nghiên cứu mới nhất về tổng hợp butanol. Trong quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học theo các cách công nghệ sinh học và hóa học khác nhau. Nó cũng so sánh tiềm năng và hạn chế của các phương pháp này.
1. Sản xuất butanol bằng các hợp chất vô cơ
Hiện nay, hầu hết butanol được sản xuất (với chi phí 7,0-8,4 tỷ đô la mỗi năm) bằng cách tổng hợp. Thông qua các quá trình hóa học dựa trên tổng hợp oxo, tổng hợp Reppe hoặc hydro hóa crotonaldehyde.
Tuy nhiên, vì lý do kinh tế. Các sản phẩm thu được bằng các phương pháp này hiện chưa thể được coi là để sử dụng làm thành phần nhiên liệu thay thế.
2. Sản xuất 2-butanol từ phụ phẩm trong quá trình sản xuất ethanol
Một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn khác là dựa trên quá trình lên men. Sử dụng các nguồn nhiên liệu sinh học khác nhau và tận dụng vi khuẩn Gram dương là Clostridium spp.
Con đường này tạo ra hỗn hợp bao gồm: axeton – butanol – etanol viết tắt là ABE.
Tuy nhiên, ABE lại bị hạn chế bởi chi phí nhiên liệu lên men cao (cụ thể là các sản phẩm có nguồn gốc tinh bột). Thêm vào đó, quá trình ức chế bởi butanol và bởi nồng độ butanol thu được là thấp trong hỗn hợp sản phẩm ABE. Cũng như chi phí xử lý đầu vào nhiên liệu cao.
3. Sản xuất butanol từ phụ phẩm nông nghiệp
Một cách khác đó là sử dụng chế phẩm từ nông nghiệp. Bằng cách tận dụng lại các chế phẩm từ ngành nông nghiệp. Giải pháp này được đánh giá là hiệu quả về mặt kinh tế để sản xuất nhiên liệu sinh học butanol
Mỗi năm, hơn 40 triệu tấn nguyên liệu thực vật không ăn được được sản xuất, phần lớn trong số đó bị loại bỏ (vỏ cây, thân cây ngô, mùn cưa từ ngành công nghiệp gỗ,.). Phụ phẩm nông nghiệp cung cấp một giải pháp hiệu quả về mặt kinh tế để sản xuất nhiên liệu sinh học.
Các nguồn sinh khối dồi dào và đầy hứa hẹn bao gồm rơm lúa mì, râu ngô, cỏ switchgrass, cây salix, cây vân sam, cây lanh, cây gai dầu, cây dương, thân cỏ linh lăng và lõi ngô,. Phế liệu hữu cơ từ các bộ phận không ăn được của cây và chất thải chế biến thực phẩm.
4. Sản xuất butanol từ chế phẩm gỗ
Bằng cách biến các chế phẩm từ ngành công nghiệp gỗ như mùn cưa,. Thành nhiên liệu sinh học hiện nay cũng đang được ưu tiên. Tuy nhiên, sinh khối lignocellulosic không thể chuyển đổi trực tiếp thành nhiên liệu. Xử lý hóa lý bổ sung là bắt buộc.
Các phương pháp tiêu chuẩn là tiền xử lý bằng axit loãng và tiền xử lý bằng phương pháp nổ nước (chênh lệch áp xuất hơi nước).
Thủy phân bằng enzyme được coi là một lựa chọn thân thiện hơn với môi trường. Với tiềm năng lớn trong việc chuyển đổi lignocellulose thành nhiên liệu sinh học.
Tuy nhiên, cần một lượng lớn xenlulozơ (thành phần chủ yếu có trong thân cây gỗ) trong quá trình thủy phân. Điều này làm tăng đáng kể chi phí đường hóa.
Gần đây. Với sự tiên bộ về khoa học và kĩ thuật các nhà máy mới đã áp dụng các quy trình mới và hiệu quả hơn về chi phí để phân hủy cellulose và hemicellulose thành đường cấu thành.
Cụ thể, trong sản xuất quy mô phòng thí nghiệm. Đạt 70–90% sản lượng cacbohydrat hòa tan đã thu được từ thân cây ngô, gỗ cứng và gỗ mềm sau khi xử lý bằng hỗn hợp dung môi gồm:
- γ-valerolactone (GVL) có nguồn gốc sinh khối
- nước và axit loãng (0,05% (w / v)
- H2SO4)
Sau khi tiền xử lý. Sinh khối lignoxenluloza có thể được chuyển hóa bằng cách đường hóa thành một hỗn hợp đường đơn. Chủ yếu là đường pentoza, hexoza và disaccarit thích hợp hơn cho các quá trình biến đổi tiếp theo.
Bảng chỉ số phân tích dưới đây cho thấy butanol khả quan hơn ethanol trên con đường trở thành nhiên liệu sinh học thay thế xăng:
Tương lai của butanol trong con đường trở thành nhiên liệu sinh học thay thế xăng:
Hình ảnh một nhà máy sản xuất butanol từ chế phẩm sinh học
Mặc dù khả quan là vậy. Tuy nhiên, hiện tại isobutanol không được sử dụng làm nhiên liệu. Thay vào đó, Gevo đang bán phần lớn sản lượng của mình cho tập đoàn hóa chất khổng lồ Sasol của Nam Phi. (Butanol được sử dụng đa dạng trong sơn, dung môi và nhựa và là điểm khởi đầu để tổng hợp các hóa chất phức tạp hơn).
Chiến lược kinh doanh này đã được áp dụng bởi nhiều công ty sinh học tổng hợp khác.Thay vì cố gắng cạnh tranh trong thị trường nhiên liệu giá rẻ. Họ bán các sản phẩm sinh học của mình cho các nhà sản xuất hóa chất.
#nguồn: Butanol Synthesis Routes for Biofuel Production: Trends and Perspectives
