So sánh hiệu quả sử dụng của sắn và bã mía trong sản xuất nhiên liệu ethanol

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu đang diễn biến phức tạp, việc tìm kiếm và phát triển các nguồn nhiên liệu sinh học thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đang trở thành một cuộc đua công nghệ sôi động. Tại Colombia, một quốc gia với tiềm năng nông nghiệp to lớn, nhóm nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Colombia (Universidad Nacional de Colombia) đã tiến hành một nghiên cứu chuyên sâu, đặt hai ứng cử viên sáng giá lên bàn cân: Sắn và Bã mía. Đâu sẽ là chìa khóa cho tương lai năng lượng xanh?

Hình 1. Sắn được đánh giá là một nguồn nguyên liệu quan trọng để sản xuất Ethanol.
Nguồn: Ngọc Hùng – Trung tâm NCTN Nông Nghiệp Hưng Lộc.

Sắn là ứng cử viên sáng giá từ nhóm cây lương thực

Nghiên cứu của nhóm tác giả Yessica Chacón Pérez và cộng sự bắt đầu với cây sắn, một loại cây trồng quen thuộc ở vùng nhiệt đới. Củ sắn chứa một lượng lớn tinh bột, nguồn cung cấp đường phù hợp để lên men thành ethanol. Quá trình này, còn được gọi là sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất, khá đơn giản và đã được ứng dụng rộng rãi. Tinh bột từ sắn được giải phóng thông qua quá trình nghiền, nấu chín và sử dụng enzyme (như α-amylase và amyloglucosidase) để chuyển hóa thành đường. Nước ép đường này sau đó được lên men bởi nấm men Saccharomyces cerevisiae để tạo ra ethanol.

Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng, chi phí sản xuất ethanol từ sắn tương đối thấp, đặc biệt là khi áp dụng các công nghệ tiên tiến như quá trình đường hóa và lên men đồng thời (SSF). Tuy nhiên, một câu hỏi lớn được đặt ra: Việc sử dụng sắn, một loại cây lương thực quan trọng, để sản xuất nhiên liệu liệu có đe dọa đến an ninh lương thực? Mặc dù ở một số quốc gia có sản lượng sắn vượt trội, đây có thể là một giải pháp khả thi, nhưng ở những nơi sản lượng chưa cao, việc cân nhắc giữa "thực phẩm" và "nhiên liệu" vẫn là một bài toán hóc búa.

Hình 2. Sơ đồ quy trình sản xuất ethanol từ sắn.
Ghi chú: Hình chữ nhật thể hiện nguyên liệu thô (màu xanh lam), sản phẩm trung gian (màu tím), sản phẩm chính (màu xanh lá cây) và sản phẩm phụ (màu đỏ).

Bã mía là phế phẩm của ngành công nghiệp đường

Để tránh cuộc tranh luận về an ninh lương thực, nhóm nghiên cứu chuyển hướng sang bã mía, một nguồn phế phẩm khổng lồ từ ngành công nghiệp sản xuất đường. Bã mía thuộc nhóm sinh khối lignocellulose, đại diện cho thế hệ nhiên liệu sinh học thứ hai. Điểm mạnh của bã mía là nguồn cung dồi dào, rẻ tiền và không cạnh tranh với lương thực. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất nằm ở cấu trúc phức tạp của nó. Bã mía được tạo thành từ cellulose, hemicellulose và lignin liên kết chặt chẽ với nhau, tạo thành một hệ thống kiên cố bảo vệ đường bên trong.

Để phá được hệ thống này, nghiên cứu chỉ ra rằng cần phải sử dụng các phương pháp tiền xử lý mạnh mẽ, ví dụ như sử dụng axit sulfuric loãng ở nhiệt độ cao (160°C). Quá trình này không chỉ tiêu tốn nhiều năng lượng mà còn tạo ra các chất độc hại (như furfural, HMF) gây ức chế quá trình lên men tiếp theo. Việc loại bỏ các chất độc này (bằng vôi tôi - Canxi Hydroxide) lại làm tăng thêm một bước xử lý, kéo theo chi phí vận hành và lượng chất thải gia tăng. Thêm vào đó, việc đầu tư các thiết bị chịu được môi trường axit ăn mòn cũng là một gánh nặng tài chính không nhỏ.

Hình 3. Sơ đồ quy trình sản xuất ethanol từ bã mía.
Ghi chú: Hình chữ nhật thể hiện nguyên liệu thô (màu xanh lam), sản phẩm trung gian (màu tím), sản phẩm chính (màu xanh lá cây) và sản phẩm phụ (màu đỏ).

Sự cân bằng giữa Kinh Tế - Môi Trường

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành đánh giá toàn diện cả về mặt kinh tế (sử dụng phần mềm Aspen Plus và Aspen Process Economic Analyzer) và môi trường (sử dụng phần mềm WAR GUI của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ - EPA).

Về mặt kinh tế, mặc dù chi phí nguyên liệu của bã mía rẻ hơn, nhưng chi phí sản xuất ethanol từ bã mía lại cao hơn so với sắn. Nguyên nhân chính là do chi phí năng lượng (để đun nóng, xử lý hóa chất) và chi phí khấu hao thiết bị (do phải sử dụng thiết bị chuyên dụng chịu ăn mòn) trong giai đoạn tiền xử lý bã mía là quá lớn. Ngược lại, quy trình sản xuất từ sắn đơn giản hơn, tốn ít năng lượng hơn và biên lợi nhuận cao hơn (65.16% so với 47.66% của bã mía).

Về mặt môi trường, nghiên cứu cho thấy, quá trình sản xuất ethanol từ bã mía sinh ra lượng chất thải lớn hơn nhiều so với sắn, đặc biệt là lượng bã thải (stillage) và khí thải CO2. Các hóa chất sử dụng trong giai đoạn tiền xử lý và giải độc bã mía góp phần làm tăng đáng kể tác động tiêu cực đến môi trường, đặc biệt là tiềm năng gây axit hóa.

Hình 4. Đánh giá tác động đến môi trường trên mỗi kg ethanol được sản xuất từ sắn và bã mía.

Từ kết quả nghiên cứu, có thể kết luận rằng trong bối cảnh công nghệ hiện tại ở Colombia, việc sử dụng sắn để sản xuất nhiên liệu sinh học đang mang lại hiệu quả kinh tế và thân thiện với môi trường hơn so với bã mía. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là chúng ta bỏ qua tiềm năng của bã mía. Việc phụ thuộc vào sắn có thể gây ra những rủi ro về an ninh lương thực trong dài hạn. Hơn nữa, lượng bã mía khổng lồ (hơn 150 triệu tấn mỗi năm trên toàn cầu) vẫn đang là một nguồn năng lượng tái tạo bị bỏ ngỏ.

Nghiên cứu của nhóm tác giả Đại học Quốc gia Colombia đã gửi đi một thông điệp rõ ràng: Để bã mía thực sự trở thành nguồn nhiên liệu của tương lai, chúng ta cần đầu tư nghiên cứu và phát triển các công nghệ tiền xử lý mới. Các công nghệ này phải đáp ứng tiêu chí: tiêu tốn ít năng lượng, sử dụng ít hóa chất độc hại và có thể bẻ gãy cấu trúc lignocellulose một cách hiệu quả hơn. Khi bài toán công nghệ này được giải quyết, bã mía và các loại sinh khối lignocellulose khác sẽ không chỉ giải quyết vấn đề rác thải nông nghiệp mà còn mở ra một kỷ nguyên năng lượng xanh, bền vững thực sự, không làm tổn hại đến an ninh lương thực toàn cầu.

Nguyễn Ngọc Hùng theo Plant science research and practices.