Xăng-sinh-học
Trần Đăng Hồng, PhD
Nhiên-liệu-sinh-học (Biofuel hay Agrofuel) là loại chất đốt tái tạo sản xuất từ nguyên liệu động thực vật gọi là sinh-khối (biomass). Gọi là “tái tạo” (renewable) vì chất đốt cơ bản Carbon (C) nằm trong chu trình lục-hoá (photosynthesis) ngắn hạn - đốt nhiên-liệu-sinh-học sa thải khí CO2, rồi thực vật canh tác hấp thụ lại CO2 đó, để tạo thành sinh-khối chế biến nhiên-liệu-sinh-học - trên lý thuyết coi như không làm gia tăng CO2 trong khí quyển. Nhiên-liệu-sinh-học có thể ở thể rắn như củi, than củi (than-đá thuộc loại cổ sinh, không tái tạo); thể lỏng (như xăng-sinh-học, diesel-sinh-học); hay thể khí như khí methane-sinh-học (sản xuất từ lò ủ chất phế thải). Nhiên liệu ở thể lỏng được ưa chuộng hơn vì có độ tinh khiết cao, chứa nhiều năng lượng, dể dàng chuyên chở, dể tồn trử và bơm vào bình nhiên liệu của xe. Xăng-sinh-học đề cập trong bài này gồm xăng-ethanol (E) và diesel-sinh-học (ở Việt nam gọi là B), tương ứng với xăng-cổ-sinh biến chế từ dầu mỏ là xăng (gasoline) và diesel.
Khuynh hướng sản xuất xăng-sinh-học đang trên đà phát triển, vì nhiều lý do: (i) giá xăng-cổ-sinh ngày càng mắc; (ii) trử lượng dầu hoả ở các mỏ dầu có giới hạn và sẽ kiệt quệ trong tương lai (khoảng năm 2100); (iii) nhiều quốc gia muốn tuỳ thuộc ít vào việc nhập cảng nhiên liệu cổ sinh trong khi quốc gia họ có khả năng sản xuất nhiên liệu thay thế, và (iv) bị áp lực chính trị phải giảm lượng khí CO2 sa thải để phù hợp với Thoả hiệp Kyoto (1997) quy định. Nhưng sản xuất và sử dụng xăng-sinh-học có phải là một biện pháp hửu hiệu để cứu vản tai hoạ khí hậu toàn cầu không?
LỊCH SỬ
Nhiên-liệu-sinh-học ở thể rắn (gổ, củi, than củi, phế thải thực và động vật, v.v.) đã được loài người sử dụng từ khi khám phá ra lửa. Khi phát minh ra động-cơ-hơi-nước (steam engine) và máy-phát-điện, nhiên-liệu-sinh-học thể rắn (gổ) được sử dụng một thời để phát triển kỹ nghệ ở thế kỷ 18 và 19, và gây nhiều ô nhiểm. Ở Việt Nam, xe lưả chạy bằng đốt gổ cho tới khoảng 1956, mới thay thế bằng động cơ diesel. Ngày nay có khoảng 2 tỷ dân đốt nhiên-liệu-sinh-học ở thể rắn như gổ, củi, trấu, mạc cưa, rơm rạ, lá khô, v.v. Mặc dầu chứa carbon-tái-tạo, nhưng cho nhiều khói, tro bụi, bù hóng nên làm ô nhiểm môi trường.
Động cơ nổ đầu tiên trên thế giới do Nikolaus August Otto (người Đức) thiết kế sử dụng nhiên-liệu-sinh-học thể lỏng là rượu cồn – ethanol, Rudolf Diesel (người Đức) phát minh động cơ Diesel thiết kế chạy bằng dầu-đậu-phộng (groundnut oil), và Henry Ford (Mỹ) thiết kế xe hơi chạy bằng dầu-thực-vật (từ 1903 đến 1926) chế biến từ dầu chứa trong hạt và thân cây cần sa (hemp - Cannabis sativa).
Từ khi khám phá ra nhiên-liệu-cổ-sinh (than đá, dầu hoả, khí đốt) thì ngành kỹ nghệ sử dụng nhiên-liệu-cổ-sinh, vì có hiệu quả kinh tế hơn. Tuy nhiên mỗi khi có chiến tranh, bị địch phong toả khó chuyển vận dầu, hay thế giới có khủng hoảng chính trị, kinh tế, và để không tuỳ thuộc vào dầu hoả nhập cảng (từ Trung Đông), khuynh huớng sử dụng xăng-sinh-học lại bột phát trong những thời kỳ này. Chẳng hạn, Đức và Anh Quốc sản xuất xăng-sinh-học từ khoai tây và lúa mì trong thời kỳ Đệ nhị Thế Chiến. Khủng hoảng xăng dầu năm 1972 do khối OPEC gây ra, làm một số quốc gia có chủ trương tự túc nhiên liệu bằng cách sản xuất xăng-sinh-học từ tiềm năng nông nghiệp đồ sộ của mình. Brazil tiêu biểu cho chính sách này.
Kể từ 2000, các quốc gia trên thế giới lần lượt thật sự tuân thủ Thoả hiệp Rio de Janeiro (1992), rồi Kyoto (1997), tìm kỹ thuật hạn chế sa thải khí nhà kiến (CO2, methane, N2O, v.v.) của nhiên-liệu-cổ-sinh, thay thế bằng năng-lượng-xanh (green energy như năng lượng mặt trời, gió, thuỷ điện, v.v.), nên nhiên-liệu-sinh-học đang trên đà bột phát.
XĂNG-SINH-HỌC
Xăng-Ethanol (E) thông dụng nhất hiện nay trên thế giới vì dể dàng biến chế từ đường (sugar - của mía, củ cải đường, sorgho-đường) và tinh bột (starch – của ngủ cốc, khoai tây, khoai mì).
Ethanol (C2H5OH) 99.9% có thể chạy động cơ xe-hơi-chạy-bằng-xăng. Khi cháy, một phân tử ethanol sinh một nhiệt lượng 1409 kJ. Tuy nhiên, Ethanol chứa 33% năng lượng ít hơn xăng-cổ-sinh, nên cần nhiều ethanol hơn để xe chạy cùng một đoạn đường. Vì vậy, xe phải có bình chứa nhiên liệu lớn hơn. Thông thường, máy xe hơi chạy hiệu nghiệm với E15 (xăng pha 15% ethanol). Xăng-chứa-ethanol chứa nhiều octane hơn xăng thường nên động cơ mau nóng hơn, máy cũng mau hao mòn hơn, nhất là các vòng đệm cao su. Bất lợi của Ethanol là hút ẩm nên xăng-ethanol có chứa nhiều nước, làm máy khó “đề”, làm rỉ sét kim loại, hư mòn chất nhựa (plastic), nên đòi hỏi phải thay đổi vật liệu làm động cơ, phải bảo trì xe thường xuyên. Bồn chứa ethanol cũng phải làm từ kim loại đặc biệt, việc chuyên chở cũng khó khăn hơn xăng thường (bồn đặc biệt, đắc hơn, khoảng £120,000/xe bồn xăng ở Anh – USD 200,000), nên cuối cùng tổn phí cao (tại Anh, tổn phí sản xuất khoảng 35 pence/lít – 60 cents/lít). Nói tóm lại, nếu tính từ lúc canh tác cây, phân bón, thuốc sát trùng, tưới nước, thâu hoạch, lên men, chưng cất cho tới khi sử dụng, biến cải xe hơi, v.v. thì chạy xe bằng xăng-ethanol tốn kém hơn chạy bằng xăng thường.
Ngày nay mọi hiệu xe hơi đều có thể chạy xăng-ethanol E10 (xăng thường pha 10% ethanol), tuy nhiên để bảo đảm máy móc, khuyến cáo nên dùng xăng-ethanol E5 (Xăng pha 5% ethanol). Một vài loại động cơ xe hơi cải biến sử dụng xăng-ethanol E85 như ở Brazil. Cách đây một năm (2007), các trạm bán xăng thuộc một hệ thống siêu thị lớn ở Anh đã lầm lẩn bơm xăng-ethanol E85 vào các trạm bán xăng thông thường, làm cháy hỏng máy mấy ngàn chiếc xe hơi và phải bồi thường cho khách hàng.
Xăng pha với ethanol thải ít khí nhà kiến hơn xăng thường. Chẳng hạng E85 sa thải 1 ppm khí NO2 trong khi xăng-cổ-sinh thải 9 ppm. Nguy cơ bị ung thư ít hơn khi thở phải khí sa thải của xăng-sinh-học.
Butanol (C4H10O) cho nhiều năng lượng hơn ethanol và có thể đổ thẳng vào bình xăng xe mà không cần biến chế gì thêm. Chế biến từ dầu mỏ, hay từ lên men nguyên liệu sinh-khối do vi khuẩn Clostridium acetobutylicum.
Methanol (CH3OH), còn gọi methyl-alcohol được điều chế từ khí methane (CH4) của khí đốt của mỏ dầu. Methanol cũng được biến chế từ chất hửu cơ động thực vật qua phương pháp đun trong bình kín (không có oxy và hơi nước) ở nhiệt độ cao (pyrolysis).
Diesel-sinh-học: Theo phòng thí nghiệm Năng Lượng Tái Tạo Hoa Kỳ (U.S. National Renewable Energy), đốt diesel-sinh-học thải 50% carbon monoxide (CO) và 78% carbon dioxide (CO2) ít hơn diesel. Cũng không có sa thải Sulphur SO2. Diesel-sinh-học có những đặc tính vật lý tương tự diesel, thành phần hoá học chánh là acít béo - Fatty acid methyl (hay ethyl) ester. Diesel-sinh-học chứa ít năng lượng hơn, nhiệt độ bắt cháy là 150°C, trong khi diesel là 70°C.
Dầu-thực-vật khi hun nóng thì trở nên lỏng, nhờn hơn, nên có thể chạy máy diesel. Dầu-thực-vật trích từ các thực vật chứa nhiều dầu như hột cải-dầu (Oil seed rape), dừa dầu (oil palm), dừa (coconut), đậu nành (soyabean), đậu phộng (groundnut), bông vải (cotton), hạt cao su (rubber), hướng dương (sunflower), cây và hột cần sa (hemp, Cannabis sativa), v.v. Tảo và trái dầu-lai (Jatropha curcas) là những nguồn dầu-thực-vật quan trọng mới ngày nay.
Thông thường, để cho động cơ an toàn, diesel-sinh-học được pha với diesel. Tuy nhiên, các loại dầu ăn tinh khiết bán trên thị trường, hay đã sử dụng, đều có thể thay thế diesel để chạy động cơ diesel loại củ (chỉ cần thay thế bộ phận bơm injection). Hiện nay nhiều loại xe hơi hiện đại có động cơ chạy được với dầu-ăn nguyên chất, hay diesel-sinh-học 100%. Chẳng hạn, động cơ xe hơi MAN B &W Diesel, Wartsila và Deutz AG có thể chạy từ dầu ăn nguyên chất. Dầu đã sử dụng (từ trong các tiệm Fast Food) chỉ cần lọc cặn và loại phần nước (do thức chiên xâm nhập) thì chạy được xe hơi. Xe Đức Volkswagen cũng chạy được với diesel-sinh-học 100%. Tuy nhiên, các hảng làm xe hơi khuyến cáo là nên pha 15% diesel-sinh-học với 85% diesel để xe ít bị hao mòn. Các nước Âu Châu hiện nay bán diesel pha 5% diesel-sinh-học ở mọi trạm xăng.
Ở Hoa Kỳ, hơn 80% xe vận tải và xe bus đều chạy bằng diesel-sinh-học, và càng ngày sử dụng diesel-sinh-học càng gia tăng, 25 triệu gallons năm 2004, 78 triệu gallons năm 2005, và khoảng 1 tỷ gallons vào 2007. Xe chở hàng và xe bus ở Âu châu đều chạy bằng diesel-sinh-học.
PHƯƠNG PHÁP BIẾN CHẾ XĂNG-SINH-HỌC
Trên nguyên tắc, bất cứ chất vật liệu sinh học nào chứa nhiều Carbon, hoặc dưới dạng đường, tinh bột, cellulose đều có thể chế biến thành ethanol, hoặc chứa nhiều acit béo thì chế biến diesel-sinh-học được. Thông thường nhất là từ thực vật có khả năng lục hoá – biến CO2 của khí quyển thành chất đường, tinh bột, cellulose, rồi protides, lipids, v.v. Trung bình cứ mỗi phân tử CO2 cây hấp thụ và biến chế qua lục hoá thành sinh-khối chứa 114 kilocalories. Khó khăn kỹ thuật hiện tại là làm sao biến toàn thể năng lượng C chứa trong sinh-khối thành xăng-sinh-học. Với kỹ thuật hiện nay (cổ điển), có 2 phương thức hửu hiệu:
(i) Cho lên men (nhờ men và enzymes trong điều kiện yếm khí) chất đường (từ mía, củ cải đường, v.v.), tinh bột [từ hạt ngủ cốc (bắp, lúa, lúa mì, v.v.) và củ (khoai tây, khoai mì, v.v.)], hay cellulose để tạo ra rượu Ethanol (CH3OH), Propanol [CH3CH2CH2OH; (CH3)2CHOH] và Butanol (C4H10O).
(ii) Trích dầu từ thực vật giàu chất dầu, hay mở từ động vật (ép với áp suất cao và nhiệt, hay bằng dung môi, hay phối hợp cả hai).
Về phương diện kỹ thuật (và kinh tế), chia làm 3 loại nguyên liệu:
Công nghệ xăng-sinh-học thế hệ 1: chế biến từ đường (mía, củ cải đường, sorgho-đường) và tinh bột của nông phẩm (từ hạt của bắp, lúa mì, lúa, v.v., hay từ củ như khoai tây, khoai mì, v.v.) để tạo ethanol; hay từ dầu (của hạt dừa-dầu, đậu nành, đậu phộng, v.v.) để biến chế diesel-sinh-học. Kỹ thuật đơn giản và kinh tế nhất.
Công nghệ xăng-sinh-học thế hệ 2: từ cellulose, chất xơ của dư thừa thực vật (rơm, rạ, thân bắp, gổ, mạt cưa, bả mía, v.v.), hay thực-vật-hoang (non-crop) (như cỏ voi, vetiver, lục bình). Chẳng hạn, một ha mía cho khoảng 25 tấn bả mía (bagasse, xác mía sau khi ép), và mỗi tấn bả mía sản xuất 285 lít ethanol. Kỹ thuật hiện nay chưa hoàn hảo, hiệu năng còn kém, con men chưa hửu hiệu và giá đắt, chỉ một phần cellulose và lignin biến thành ethanol, nên giá thành sản xuất còn cao.
Công nghệ xăng-sinh-học thế hệ 3: từ tảo (algae), kỹ thuật đang phát triển.
Biến chế Ethanol
Biến chế từ đường. Kỹ thuật dể dàng, hiệu năng cao, và ít tổn phí nhất là cho lên men (yếm khí) từ đường, hay nước mật (molasse), hay trực tiếp từ nước mía ép, hay nước củ-cải đường ép, như theo lối thủ công hay công nghiệp xưa nay. Ngày nay đã tuyển chọn được nhiều dòng men hửu hiệu, biến đường thành nhiều rượu hơn. Mặc dầu tổn phí biến chế thấp, nhưng đường, và cả phụ phẩm nước mật, là thức ăn của người và gia súc, có giá cao, nên ethanol biến chế từ đường có giá thành cao hơn ethanol sản xuất từ tinh bột. Theo lý thuyết, cứ 1 tấn đường sucrose sản xuất được 678 lít ethanol, tuy nhiên hiệu năng cao nhất hiện nay là 587 lít. 1 tấn đường đen cho 562 lít ethanol, 1 tấn đường cát cho 587 lít. Thân mía chứa khoảng 10-15% đường sucrose, thân cây sorgho-đường khoảng 15-23% sucrose, còn củ-cải-đường khoảng 16-18% sucrose. Trung bình, tại các nhà máy đường ở Hoa Kỳ, cứ sản xuất 100 kg đường thì cho ra 25 lít nước mật (molasse), nước mật có độ đường 49.2%.
Tại Hoa Kỳ, trung bình cứ 1 tấn mía (thân) sản xuất được 81 lít ethanol, 1 tấn nước mật (molasse) cho 289 lít ethanol. Năng xuất mía trung bình toàn quốc ở Hoa Kỳ là 65 tấn/ha, cho khoảng 3.90 tấn đường. Riêng tại Hawaii năng xuất tới 170 tấn thân mía/ha (vì mùa trồng dài hơn). Với các giống mía “di-truyền-biến-cải” (GM, genetically modified) tại Brazil, năng xuất tới 240 tấn mía/ha, với độ đường 14.6%. Năng xuất mía tại Việt Nam khoảng 35 đến 50 tấn mía/ha. Trung bình 1 ha mía tại Brazil sản xuất được 5,600 lít ethanol, 1 ha củ-cải-đường tại Pháp sản xuất 6,700 lít ethanol, và 1 ha bắp ở Hoa Kỳ sản xuất 3,000 lít ethanol. Năng xuất mía và đường ở Brazil tăng gấp đôi trong thời gian 30 năm 1975-2005, nhờ trồng giống cải thiện, nhất là các giống mía “biến-cải-di-truyền” ngày nay.
Biến chế từ tinh bột. Để biến chế ethanol từ tinh bột, tinh bột trước hết phải được điều chế thành đường, rồi từ đó mới lên men rượu. Hạt bắp chứa khoảng 70-72% tinh bột, hạt sorgho khoảng 68-70%, gạo 70-80%. Muốn vậy, hạt ngủ được xay nghiền thành bột, pha với nước, nấu ở 70°C (để biến thành đường) rồi nấu chín ở 100-110°C (vừa diệt trùng vừa thêm đường), để nguội rồi trộn men, cho lên men 48 giờ ở nhiệt độ 36°C. Men dùng thường là vi nấm Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus oryzae, Mucor, Rhizopus, vi khuẩn Zymomonas mobilis. Sau đó, dùng máy ly tâm tách rời chất hèm để làm thức ăn gia súc. Phần chất lỏng, có độ cồn (rượu) 5-15%, được chưng cất ở lò chưng nhiều tầng để tăng độ cồn. Để đạt độ cồn 99.9%, trước đây dùng benzene và cyclohexane (đắc tiền, không tái sử dụng được, và độc gây bịnh) để loại nước. Kỹ thuật ngày nay dùng “chất sàng phân tử” (molecular sieve, như silica gel, zeolite, hút thấm nước nhưng không hút rượu, vì rượu có phân tử lớn hơn) thay thế, rẻ tiền và hiệu quả hơn. Việt nam có mỏ Zeolite (một loại sét) ở vùng Lâm Đồng.
Một kỹ thuật mới được áp dụng hiệu quả hơn, không cần phải nấu tinh bột (tiết kiệm năng lượng) là sử dụng một loại men (yeast) mới, giúp lên men biến tinh bột thành đường ở nhiệt độ 32°C.
Trung bình, cứ 1 tấn bắp sản xuất được 409 lít ethanol.
Biến chế từ chất xơ. Nói chung đó là cellulose, hemicellulose, lignin trong thân lá, rơm rạ, trấu, gổ, v.v. Cellulose là đường polysaccharide, có công thức (C6H10O5)n, mà số n biến thiên từ 7,000 đến trên 15,000 phân tử glucose. Hemicellulose cũng là đường polysaccharides chứa khoảng 200 đơn vị đường, là thành phần của màng tế bào thực vật. Cây thực vật chứa khoảng 33% cellulose, gổ khoảng 50%, riêng sợi bông vải (cotton) 90%. Động vật ăn cỏ, mối (termite) tiêu hoá được cellulose nhờ vi-sinh-vật sống cọng sinh trong bao tử (như Cellulomonas), một số vi khuẩn có khả năng biến cellulose ra đường, nhờ chúng sản xuất enzyme cellulase biến cellulose ra đường.
Vì vậy, để biến cellulose thành rượu, bắt chước theo bộ tiêu hoá của động vật ăn cỏ và mối, trước hết phải biến hoá cellulose ra đường đơn giản như hexose, pentose, bằng thuỷ phân (hydrolysis) nhờ một số acid (như trong dịch vị) và enzyme cellulase. Hemicellulose tương đối dể dàng biến thành đường-chứa-5C như Xylose (C5H10O5), nhưng xylose không biến chế thành ethanol được. Cũng vậy, với kỹ thuật hiện tại, chưa có cách biến lignin ra ethanol. Vì vậy trước tiên phải loại lignin và hemicellulose, chỉ còn lại thành phần cellulose. Loại lignin bằng sulfuric acid đậm đặc, hay bằng đun sôi trong nước với sodium carbonate, hay butanol. Cellulose sau đó cho lên men với cellulase ở nhiệt độ khoảng 71°C trong vài ngày để biến thành đường.
Hiện tại, sản xuất enzyme cellulase để biến cellulose thành đường khá phức tạp, tốn kém, chiếm khoảng 40% chi phí sản xuất rượu vì gồm 3 loại cellulases:
(i) Endo-p-glucanase, 1,4-ß-D-glucan glucanohydrolase, CMCase, phá huỷ các cầu của chuổi cellulose để biến thành đường glucose và oligo-saccharide.
(ii) Exo-P-glucanase, 1,4-ß - D-glucan cellobiohydrolase, Avicelase, C1: biến thành đường cellobiose (C12).
(iii) ß-glucosidase, cellobiase: thuỷ phân đường cellobiose thành glucose.
Vi nấm Trichoderma sản xuất nhiều endo-ß-glucanase và exo-ß-glucanase, nhưng rất ít ß-glucosidase, ngược lại Aspergillus sản xuất nhiều endo-ß-glucanase và ß-glucosidase, nhưng ít exo-ß- glucanase. Vì vậy, muốn có nhiều hiệu quả phải tuyển chọn nhiều dòng nấm. Kết quả cho biết dòng nấm Trichoderma reesei QM-9414 có hiệu quả tốt nhất trong việc biến cellulose thành đường. Trong số dòng này, tuyển chon lại thành dòng KY-746. Phương pháp sản xuất enzyme cellulase từ men Trichoderma reesei dòng KY-746 hửu hiệu và tương đối rẻ tiền và được sử dụng hiện nay. Ngày nay nhiều công ty sản xuất men rượu dùng kỷ thuật “biến-cải-di-truyền” tạo được nhiều dòng men sản xuất enzyme cellulase, xylanase và hemicellulase.
Nguyên liệu chứa nhiều thành phần cellulose như bả mía (41% là cellulose), rơm lúa (35%), gổ (40-50%) được thái nhỏ trước khi khử với NaOH (nồng độ khoảng 1 – 1.2 N) ở nhiệt độ 45°C trong 24 giờ, tiếp theo là rửa trong nước ấm để loại chất lignin. Dung dịch cellulose được cho lên men với Trichoderma reesei để biến cellulose thành đường.
Hiệu năng biến chế thành rượu ethanol từ chất xơ còn kém, chưa có hiệu quả kinh tế nhiều ở kỹ thuật hiện nay, vì sản xuất cellulase còn rất mắc, thời gian lên men lâu nên dể bị nhiểm trùng làm hư cả bồn lên men.
Để tăng hiệu quả lên men biến các thành phần cellulose, lignin trong nguyên liệu thực vật thành xăng-sinh-học, các nhà vi sinh học đã thành công cấy vào bộ máy di truyền (genome) của vi khuẩn Escherichia colithêm 2 gen của vi khuẩn Zymomonas mobilis để giúp lên men chất đường và tinh bột thành ethanol, và một gen của vi khuẩn Acinetobacter baylyi để biến chất dầu trong thực vật thành diesel-sinh-học.
Với kỹ thuật hiện tại, biến rơm rạ của lúa và ngủ cốc ra xăng-sinh-học chưa kinh tế. Các nhà khoa học Đài Loanthành công trong phòng thí nghiệm biến chế ethanol từ rơm lúa, cứ mỗi 10 kg rơm rạ lúa biến chế được 2 lít alcohol 99.5% để pha làm xăng-sinh-học (Taipei Times, 19/2/2008), nhưng phải mất vài năm nữa mới có thể sản xuất thương mại quy mô. Các nghiên cứu ở Trung quốc cho thấy xăng-sinh-học sản xuất từ rơm rạ mắc hơn xăng-cổ-sinh khoảng 250 USD/tấn. Ngày 14/1/2008, hảng General Motors của Hoa Kỳ tuyên bố hợp tác với đại công ty sản xuất ethanol Coskata để bắt đầu sản xuất quy mô ethanol từ thân bắp vào cuối năm 2008, và kể từ 2011 sẽ sản xuất 50 – 100 triệu gallons/năm, với giá 1 USD/gallon.
Biến chế diesel-sinh-học
Diesel-sinh-học được chế chế biến từ dầu-thực-vật hay từ mở-động-vật bằng phương pháp ester-hoá. Dầu-thực-vật (hay mở) được trộn với sodium hydroxide (NaOH) và methanol (hay ethanol), cùng chất xúc tác (catalyst), phản ứng hoá học xảy ra, cho diesel-sinh-học và glycerol. 1 phần glycerol được sinh ra khi tạo được 10 phần diesel-sinh-học. Trước đây, chất xúc tác lấy từ hoá chất của kỹ nghệ lọc dầu hoả, hay Acit sulphuric (đắt tiền và không tái tạo được). Ngày nay, đã khám phá thêm nhiều chất xúc tác mới hửu hiệu, rẻ tiền biến dầu thành nhiều diesel-sinh-học hơn.
Điều chế Methanol
Điều chế rượu methanol từ khí methane (CH4) của khí đốt dầu hoả hay methane-sinh-học. Một cách tổng quát, tất cả nguyên liệu sinh-khối (biomas) đều chứa các nguyên tố chính Carbon (C), Hydrogen (H), Oxy (O), Nitrogen (N), Sulfur (S).
Lên men yếm khí trong lò ủ, chất hửu cơ huỷ hoại thành khí methane (CH4):
CHONS + H2O ® CH4 + CO2 + H2 + H2O + NH4 + HS
Khí methane sản xuất từ lò ủ yếm khí chiếm khoảng 65% và CO2 khoảng 35% thể tích. Sau đó, methane được tổng hợp thành ethanol, hay methanol.
Trong sản xuất kỹ nghệ, khí methane phản ứng với hơi nước ở áp suất 10-20 atmospheres (1-2 MPa) và 850°C với Nickel làm chất xúc tác sẽ cho ra Hydrogen và Carbon monoxide:
CH4+ H2O → CO + 3 H2
Với một chất xúc tác khác (gồm hợp chất đồng, oxit kẻm và nhôm), ở áp suất 50-100 atmospheres (5-10 MPa) và 250°C, tổng hợp Hydrogen và Carbon monoxide tạo thành methanol:
CO + 2 H2 → CH3OH
Với kỹ thuật này cũng sản xuất được khí Hydrogen rẻ tiền, cũng là một nhiên-liệu-thể khí.
Một phương pháp khác là công-nghệ-khí-hoá (gasification), phân hủy nhiệt nhiên liệu khối rắn để tạo ra nhiên liệu khí, dựa trên biến đổi plasma. Đun chất hửu cơ ở nhiệt độ rất cao, trong điều kiện không có oxy, để phá huỷ các “cầu nối” (bond) của phân tử hửu cơ thành “khí-tổng-hợp” (synthesis gas, syngas), rồi dùng các khí này biến chế ethanol hay diesel-sinh-học. Trong trường hợp rác-gia-cư, dùng nhiệt độ cao (250°C) với áp suất thật cao (40 MPa hay 400 atmospheres) đủ để sản xuất khí-tổng-hợp. Chẳng hạn, cứ mỗi 10 kg vỏ-bánh-xe-hơi củ tạo được 15.4 lít ethanol.
Một khám phá mới của Đại học Arkansas (Hoa Kỳ) cho biết vi khuẩn kỵ khí Clostridium ljungdahlii trong bao tử gà có thể biến khí chứa 1 C như methane (CH4), Carbon monoxide (CO) của lò ủ yếm khí thành methanol.
NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT XĂNG-SINH-HỌC
Tất cả thực vật lục hoá đều có thể biến chế thành xăng-sinh-học.
Cây nông phẩm chứa đường gồm mía, củ cải đường, sorgho-đường; nông phẩm chứa tinh bột gồm hạt ngủ cốc như lúa mì, lúa, bắp, sorgho, v.v.; củ như khoai tây, khoai mì, khoai lang.
Mía có hiệu quả kinh tế nhất vì cho năng xuất thân (khoảng 170-200 t/ha ở Brazil, 80-100 t/ha ở Úc, Việt Nam khoảng 35-50 t/ha), biến chế ethanol thẳng từ nước ép, bả mía dùng làm năng lượng chạy máy ép và chưng cất ethanol. Mía sản xuất trung bình 15,500 lít ethanol/ha/năm, và cứ 1 tấn chất khô mía sản xuất được 438 lít ethanol. Brazil sản xuất ethanol chính từ mía. Sorgho-đường hiện được ưa chuộng hơn mía ở một số vùng nhiệt đới khô hạn, có hiệu quả kinh tế hơn mía. Sorgho-đường canh tác ở Hoa Kỳ cho 28,500 lít ethanol/ha/vụ-4-tháng.
Nông phẩm chứa dầu như đậu nành (sản xuất 379 kg dầu/ha/năm, hay 450 lít dầu/ha/năm), đậu phộng (sản xuất 887 kg dầu/ha/năm), hột-cải-dầu (hột chứa 55% dầu; sản xuất 999 kg dầu/ ha/năm, hay 1,188 lít/ha/năm), hạt bắp (140 lít dầu/ha/năm), v.v.
Cây kỹ nghệ cho dầu như dừa-dầu (oil palm, sản xuất 7,061 kg dầu/ha/năm), dừa (coconut, sản xuất 2,260 kg dầu/ha/năm), cây dầu-lai (Jatropha curcas, sản xuất 1,588 kg dầu/ha/năm), thầu dầu (castor bean, sản xuất 1,188 kg dầu/ha/năm), hướng dương (sunflower, sản xuất 801 kg dầu/ha/năm, hay 954 l/ha/năm), safflower (556 l/ha/năm), v.v.
Thực vật hoang dại: tảo (algae) nước ngọt, tảo biển, lục bình (Eichornia crassipes), cỏ Vetiver, cỏ voi (elephant grass, Pennisetum purpureum, sản xuất 13,700 lít ethanol/ha/năm), lác (Cyperus), cỏ tranh (Imperata cylindrica), v.v.
Phó sản thực vật từ sản xuất cây nông phẩm và cây kỹ nghệ: rơm rạ, bả mía, thân, gổ, mạt cưa, trấu, hột cao su (sản xuất 217 kg dầu/ha/năm), hạt bông vải (sản xuất 273 kg dầu/ha/năm.
Giấy phế thải: 1 tấn giấy củ sản xuất khoảng 416 lít ethanol.
Rác thành phố: 1 tấn rác sản xuất khoảng 227 lít ethanol.
Uế thải chuồng trại gia súc: phân chuồng (tạo methane-sinh-học rồi chế methanol).
HIỆN TRẠNG XĂNG-SINH-HỌC TRÊN THẾ GIỚI
Mặc dầu xăng-sinh-học đắc hơn xăng-cổ-sinh, mọi quốc gia trên thế giới đều dần dần chuyển hướng đến sử dụng xăng-sinh-học, vì lý do chính trị muốn ít tuỳ thuộc vào Trung Đông, vì tuân thủ theo quy ước Kyoto giảm sa thải khí nhà kiến và sức ép của giới môi sinh, đồng thời phát triển nông nghiệp tạo công ăn việc làm cho vùng thôn quê.
Brazil: Bắt nguồn từ khủng hoảng dầu hoả 1972, Brazil có kế hoạch sản xuất xăng-sinh-học, và hiện nay dẫn đầu thế giới về sản xuất và sử dụng xăng-ethanol và diesel-sinh-học. Hiện tại (2006) Brazil đã có trên 325 nhà máy ethanol, và khoảng 60 nhà máy khác đang xây cất, để sản xuất xăng-ethanol từ mía (đường, nước mật, bả mía), và bắp. Để sản xuất diesel-sinh-học từ hạt cải-dầu và đậu nành, hiện có 10 nhà máy, và 40 nhà máy khác đang xây cất.
Năm 2005, Brazil sản xuất 16 tỷ lít ethanol, chiếm 1/3 sản xuất toàn cầu. Năm 2006, Brazil sản xuất được 17.8 tỷ lít ethanol, dự trù sẽ sản xuất 38 tỷ lít vào năm 2013. Chính phủ Brazil mới đây ra chỉ tiêu 2% diesel-sinh-học cho 2008, và 5% cho năm 2013.
Ngày nay, diện tích trồng mía ở Brazil là 10.3 triệu ha, một nửa sản lượng mía dùng sản xuất xăng-ethanol, nửa kia dùng sản xuất đường. Tiên đoán là Brazil sẽ canh tác 30 triệu ha mía năm 2020. Vì lợi nhuận khổng lồ, các công ty tiếp tục phá rừng Amazon để canh tác mía, bắp, đậu nành cho mục tiêu xăng-sinh-học vừa tiêu thụ trong nước vừa xuất cảng. Giá xăng-ethanol được bán bằng nửa giá xăng thường tại Brazil.
Hoa Kỳ: Hoa kỳ sản xuất Ethanol từ hạt bắp, hạt sorgho và thân cây sorgho-đường, và củ cải-đường. Khoảng 17% sản lượng bắp sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ dùng để sản xuất ethanol. Hoa Kỳ đặt chỉ tiêu sản xuất E10 để cung cấp 46% nhiên liệu cho xe hơi năm 2010, và 100% xe hơi vào 2012. Hảng General Motor đang thực hiện dự án sản xuất E85 từ cellulose (thân bắp), và hiện có khoảng hơn 4 triệu xe hơi chạy bằng E85. Hảng Coskata đang có 2 nhà máy lớn sản xuất xăng-ethanol. Hiện tại nông dân Hoa Kỳ chuyển hướng sản xuất lúa mì và bắp cho xăng-sinh-học, vì vậy số lượng xuất cảng hạt ngủ cốc giảm từ nhiều năm nay, làm giá nông phẩm thế giới gia tăng Vì giá cả xăng-sinh-học còn cao hơn xăng thường, chính phủ Mỹ phải trợ cấp, khoảng 1.9 USD cho mỗi gallon (=3.78 lít) xăng-sinh-học, trợ cấp tổng cộng khoảng 7 tỷ USD/năm.
Canada:Chỉ tiêu cho năm 2010 là 45% toàn quốc tiêu thụ xăng E 10.
Âu Châu: Cộng-đồng Âu châu (EU) ra biểu quyết chung là mỗi quốc gia phải sản xuất cung cấp 5.75% xăng-sinh-học vào năm 2010, và 10% năm 2020 cho nước mình.
Đức là nước tiêu thụ nhiều nhất xăng-sinh-học trong cộng đồng Âu châu, khoảng 2.8 triệu tấn diesel-sinh-học, 0.71 triệu tấn dầu-thực-vật (tinh khiết) và 0.48 triệu tấn ethanol. Công ty sản xuất diesel-sinh-học lớn nhất là ADM Oelmühle Hamburg AG (của Hoa Kỳ), kế đến là MUW (Mitteldeutsche Umesterungswerke GmbH & Co KG) và EOP Biodiesel AG. Nguyên liệu chánh là củ cải-đường để sản xuất ethanol, và dầu-cải và dừa-dầu (nhập cảng từ Mả Lai, Indonesia) cho diesel-sinh-học.
Pháp là nước thứ hai tiêu thụ nhiều ethanol-sinh-học trong cộng đồng Âu châu năm 2006, khoảng 1.07 triệu tấn ethanol và diesel-sinh-học. Công ty Diester sản xuất diesel-sinh-học và Téréos sản xuất ethanol là 2 đại công ty của Pháp.
Thuỵ Điển có chương trình chấm dứt hoàn toàn nhập cảng xăng cho xe hơi vào năm 2020, thay vào đó là tự túc bằng xăng-sinh-học. Hiện nay, 20% xe ở Thuỵ Điển chạy bằng xăng-sinh-học, nhất là xăng-ethanol. Thuỵ Điển đang chế tạo xe-hơi-lai vừa chạy bằng ethanol vừa bằng điện. Để khuyến khích sử dụng xăng-sinh-học, chính phủ Thuỵ Điển không đánh thuế lên xăng-sinh-học, trợ cấp xăng-sinh-học rẻ hơn 20% so với xăng cổ sinh, không phải trả tiền đậu xe ở thủ đô và một số thành phố lớn, bảo hiểm xe cũng rẻ hơn.
Vương quốc Anh: chỉ tiêu 5% xe giao thông sử dụng xăng-sinh-học năm 2010. Hiện tại các xe bus đều chạy xăng-sinh-học. Hảng Hàng Không Virgin (Anh quốc) bắt đầu sử dụng xăng-sinh-học cho máy bay liên lục địa.
Các nước Âu châu nhập cảng dừa-dầu (oil palm) từ Mả Lai và Indonesia để chế diesel-sinh-học.
