Xử lý chất thải Lignoxenluloza bằng phương pháp sinh học

Lignoxenluloza là tên gọi chung cho thành phần vật chất chủ yếu cấu tạo nên các loài thực vật, trong đó các thành phần chủ yếu xếp theo thứ tự tỉ lệ giảm dần là xenluloza, hemixenluloza, và lignin. Lignoxenluloza là một cơ chất phức hợp bao gồm các polisaccarit, các polyme có gốc phenol, và protein. Các thành phần của lignoxenluloza tạo thành một dạng cấu trúc gọi là vi sợi (microfibril), các vi sợi này tạo thành các bó sợi góp phần điều chỉnh độ bền cấu trúc của vách tế bào thực vật.

Các nguồn sinh khối lignoxenluloza như gỗ, rơm rạ, bã mía, cỏ,... đang được tận dụng trong việc chế biến nhiên liệu từ các vật liệu sinh học có nguồn gốc không phải thực phẩm. Các nguyên vật liệu này có thể được lên men để tạo etanol, cracking thành khí đốt và chuyển hóa thành than, hoặc đơn giản nhất là dùng trực tiếp như một dạng nhiên liệu, tức là cho vào lò và đem đốt sinh ra nhiệt năng.

Một cản trở quan trọng trong việc sử dụng nguyên liệu lignoxenluloza đó là tính "trơ" của nguồn nguyên liệu này, và quá trình xử lý sơ bộ cho chúng "dễ tiêu" hơn nhìn chung khá khó khăn và tốn kém. Nguyên nhân là trong tự nhiên, cấu trúc dạng tinh thể của lignoxenluloza khiến cho các enzim khó có thể tiếp cận để phân giải chúng. Đặc biệt sự tồn tại của lignin càng ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt tính của các enzim vì nó thu hút enzim về phía mình hơn là về phía các chất khác như xenluloza.

Xét về mặt lý thuyết, lượng chất thải rắn, lỏng và khí có sẵn trong tự nhiên có thể mang lại giá trị là vô cùng lớn, nhưng trong thực tế, điều này lại bị hạn chế vì nhiều lý do. Điển hình như việc thu gom rơm rạ hoặc tàn dư cây trồng có thể không có ý nghĩa đối với những người nông dân hoặc chủ rừng, do đó cần phải được khuyến khích. Chất thải rắn đô thị chứa rất nhiều vật liệu lên men, nhưng chúng thường bị trộn lẫn với các vật liệu không lên men. Khí thải công nghiệp tồn tại rất nhiều và thường ở dạng tương đối tinh khiết, nhưng việc nuôi cấy vi sinh vật phục vụ cho quá trình lên men khí chưa được nhận thức đầy đủ, và có rất ít cơ chế khuyến khích cho các công ty thu giữ khí thải.

Rõ ràng, có một lượng lớn chất thải có thể được sử dụng làm nguyên liệu, nhưng cần phải có ý chí chính trị để khuyến khích thực hiện thu gom chất thải. Ví dụ, lượng rơm rạ có sẵn ở châu Á là hơn nửa tỷ tấn thường xuyên bị xử lý bằng cách đốt cháy. Xử lý sinh học rơm rạ thay cho đốt cháy sẽ làm giảm thiểu phát thải GHG và các khí thải khác.

Ở Mỹ, nút thắt trong sản xuất sinh học xảy ra do nhiều yếu tố như chi phí tài nguyên sinh khối cao, tính chất bền vững của các chất thải licno xenluloza (chất trong mô gỗ của thực vật), chi phí sử dụng enzyme hoặc hóa chất để phân tích sinh khối cao và yêu cầu cho các quy trình xử lý sinh học tối ưu cho phạm vi nguyên liệu rộng hơn. Bộ Nông nghiệp Mỹ (USDA) đã và đang giải quyết yêu cầu đó đối với các nguyên liệu mới, đồng thời, giúp duy trì và phát triển ngành công nghiệp ethanol và diesel sinh học thế hệ đầu tiên.

Để giải quyết các yếu tố nút thắt của sản xuất sinh học, Bộ Nông nghiệp Mỹ (USDA) đã lập ra 5 Trung tâm Nghiên cứu Sinh khối Khu vực. Một ưu thế của chương trình này là nó cung cấp ưu đãi cho các nhà nghiên cứu thực địa, tối ưu hóa cây trồng làm nguyên liệu cho nhiên liệu sinh học, để hợp tác chặt chẽ với các nhà nghiên cứu phát triển công nghệ nhà máy sinh học. Khi ngành này phát triển, trọng tâm đã chuyển từ sản xuất ethanol từ ngô và các loại ngũ cốc sang sản xuất ethanol xenlulo, và giờ đây hướng tới phát triển các quy trình tích hợp sản xuất các sản phẩm thay thế cho sản phẩm dầu mỏ. Các công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến như n-butanol, dầu sinh học nhiệt phân, hydroxymethylfurfural, khí sinh học hóa lỏng và thậm chí hydro (sinh học) đã được phát triển và có khả năng thương mại hóa.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, ngành công nghiệp sản xuất ethanol từ ngô là một ngành trị giá hàng tỷ đô la, đáng để nghiên cứu theo hướng làm cho nó hoạt động hiệu quả nhất có thể. Ngành công nghiệp này đã đóng góp 44 tỷ USD vào GDP của Mỹ và đóng thuế 10 tỷ USD. Chiến lược nhằm cuối cùng đạt được các mục tiêu Tiêu chuẩn Nhiên liệu tái tạo là thực hiện cải tiến từng bước trong các khái niệm nhà máy xử lý sinh học hiện có. Những cải tiến này phải bao gồm một chiến lược khu vực đủ linh hoạt để sử dụng nguồn cacbon tái tạo rẻ nhất trong một khu vực nhất định. Ví dụ, tính linh hoạt này thể hiện thông qua việc sử dụng cây cao lương, cỏ kê, hoặc cỏ chè vè ở vùng Trung Tây, Mỹ, cao lương ngọt hoặc đường mía ở miền Nam nước Mỹ, bã cây ở Tây Nam, Mỹ, đường vỏ hạnh nhân ở California và thậm chí cả vỏ cam quýt ở Florida. Một yếu tố quan trọng khác là khả năng tích hợp các nhà máy ethanol hiện có với các hoạt động khác, đặc biệt là sử dụng chuyển đổi nhiệt hóa của tất cả các nguồn sinh khối hoặc sử dụng quy trình tích hợp để sản xuất khí sinh học và các sản phẩm có nguồn gốc từ khí sinh học. Các chiến lược nhà máy xử lý sinh học tối ưu nhất khi kết hợp nghiên cứu nguyên liệu thực địa về năng suất, chất lượng cây trồng và chi phí sinh khối các với chiến lược nhà máy sinh học.

P.A.T (NASATI)