Cho đến nay, quá trình chuyển đổi khí nhà kính mạnh thành một giải pháp an ninh lương thực đang bị đóng băng do chí phí quá cao. Một nghiên cứu đánh giá tiềm năng thị trương của trường Đại học Stanford cho thấy tiềm năng ứng dụng to lớn của phương pháp khai thác khí methane thu giữ được, cung cấp cho vi khuẩn để phát triển thành bột cá giàu protein. Phương pháp này cũng tiết kiệm chi phí đáng kể so với thức ăn cho cá hiện nay.

Nghiên cứu được công bố ngày 22/11 trên Tạp chí Nature Sustainability, chứng minh được chi phí sản xuất liên quan đến khí methane thu từ những nguồn công nghiệp ở Mỹ thấp hơn giá thị trường đối với bột nuôi cá thông thường. Việc giảm chi phí khả thi là phương pháp tiếp cận lợi nhuận cao khi sử dụng các nguồn khí methane và cung ứng tất cả nhu cầu bột nuôi cá toàn cầu.

Lượng khí methane xả thải trên lãnh thổ Mỹ

Sahar El Abbadi, tác giả chính của nghiên cứu cho biết, nền công nghiệp Mỹ đang thải ra một lượng khí methane rất lớn, một sự hoang phí đáng kể khi không thu giữ và sử dụng.

El Abbadi, giảng viên chương trình Giáo dục Công dân, Tự do và Toàn cầu tại Stanford nói: “Mục tiêu đặt ra của nghiên cứu là lật ngược mô hình đó, sử dụng công nghệ sinh học để tạo ra sản phẩm có giá trị cao”.

Mặc dù carbon dioxide nhiều hơn trong khí quyển, nguy cơ làm nóng lên toàn cầu của khí methane lớn gấp 85 lần trong khoảng thời gian 20 năm và gấp 25 lần trong một thế kỷ sau khi xả thải vào môi trường nếu so với CO2. Khí methane đe dọa chất lượng không khí do làm tăng nồng độ ôzôn đối lưu. Sự tiếp xúc với khí methane gây ra khoảng 1 triệu ca tử vong sớm hàng năm trên toàn thế giới do các bệnh đường hô hấp. Nồng độ khí methane trong không khí tăng nhanh gấp đôi so với carbon dioxide kể từ khi bắt đầu cuộc Cách mạng Công nghiệp, chủ yếu do con người phát thải.

Một giải pháp tiềm năng nằm ở vi khuẩn tiêu thụ khí methane, được gọi là sinh vật dị dưỡng. Những vi khuẩn này được phát triển trong một lò phản ứng sinh học làm lạnh đầy nước, được cung cấp khí methane, oxy và các chất dinh dưỡng như nitơ, photpho và một số kim loại vi lượng. Sinh khối giàu protein của vi khuẩn được sử dụng làm bột nuôi cá trong thức ăn nuôi trồng thủy sản, bù đắp nhu cầu bột cá làm từ cá nhỏ hoặc thức ăn từ thực vật, cần đất, nước và phân bón.

Theo GS môi trường và dân dụng Craig Criddle tại Trường Kỹ thuật của Stanford, một số công ty đang thực hiện công nghệ này, sử dụng khí tự nhiên làm nguyên liệu thô, tốt hơn cả là khí methane, xả thải tại các bãi chôn lấp lớn, từ nhà máy xử lý nước thải và nhà máy dầu khí. Quy trình này mang lại nhiều lợi ích như giảm thiểu thấp hơn khí nhà kính trong khí quyển, giúp hệ sinh thái ổn định và mang lại lợi nhuận cao.

Tiêu thụ hải sản, nguồn cung cấp protein và vi chất dinh dưỡng quan trọng hàng đầu trên toàn cầu, tăng hơn 4 lần kể từ năm 1960. Nguồn cá tự nhiên bị cạn kiệt nghiêm trọng và các trang trại cá hiện cung cấp khoảng một nửa số hải sản có nguồn gốc động vật cho thế giới. Nhu cầu toàn cầu về thực phẩm động vật thủy sinh, thực vật và tảo sẽ tăng gấp đôi vào năm 2050, theo đánh giá toàn diện của các nhà nghiên cứu tại Stanford và các trường đại học, các viện nghiên cứu khác.

Trong khi các sinh vật siêu dưỡng sinh được nuôi bằng khí methane có thể cung cấp thức ăn cho cá nuôi, tính kinh tế của phương pháp này vẫn chưa được chứng minh ngay cả khi giá bột cá thông thường tăng gần gấp ba từ năm 2000.

Làm rõ tiềm năng đáp ứng nhu cầu một cách hiệu quả của phương pháp này, các nhà nghiên cứu Stanford mô hình hóa các kịch bản, trong đó methane thu từ các nhà máy xử lý nước thải quy mô lớn, các bãi chôn lấp và các cơ sở dầu khí, cũng như khí tự nhiên, thu mua từ mạng lưới khí tự nhiên thương mại. Phân tích của nhóm nghiên cứu xem xét một loạt các biến số, bao gồm chi phí điện và nguồn lực lao động.

Trong các kịch bản sử dụng khí methane thu từ các bãi chôn lấp, các cơ sở dầu khí, phân tích cho thấy chi phí sản xuất bột cá dị dưỡng tương ứng là 1,546 USD và 1,531 USD / tấn, thấp hơn giá thị trường trung bình trong 10 năm là 1,600 USD. Kịch bản khí methane thu giữ từ các nhà máy xử lý nước thải, chi phí sản xuất cao hơn 1,645 USD/tấn so với giá bột cá trung bình trên thị trường. Kịch bản khí methane mua từ mạng lưới khí tự nhiên thương mại cho chi phí sản xuất bột cá đắt nhất – 1,783 USD/tấn do mua khí đốt tự nhiên.

Trong mọi kịch bản, điện là khoản chi lớn nhất, chiếm hơn 45% tổng chi phí. Ở các bang như Mississippi và Texas, do giá điện thấp, chi phí sản xuất giảm hơn 20%, giá thành bột cá từ khí methane là 1,214 USD/tấn, thấp hơn 386 USD/tấn so với sản xuất bột cá thông thường.

Các nhà nghiên cứu cho biết, chi phí điện có thể giảm hơn nữa nếu thiết kế các lò phản ứng truyền nhiệt tốt hơn, yêu cầu làm mát ít hơn, chuyển đổi những ứng dụng chạy điện sang các ứng dụng chạy bằng khí gas dư thừa để giảm lãng phí, giảm phụ thuộc vào điện lưới. Trong kịch bản thu giữ khí methane từ các nhà máy xử lý nước thải, nước thải trong quá trình lọc có thể cung cấp nitơ, photpho và làm mát.

Theo nghiên cứu này, tối ưu hóa quy trình có thể làm giảm 20% chi phí sản xuất bột cá từ methanotroph, thì quá trình này có thể cung cấp hiệu quả cho tổng nhu cầu toàn thế giới bột cá, sản xuất từ khí methane thu giữ được ở Mỹ. Tương tự, quy trình này có thể sản xuất thức ăn chăn nuôi thay thế đậu tương và những nguyên liệu khác nếu giảm chi phí hơn nữa.

Nghiên cứu đã mở ra một hướng phát triển mới, kết hợp ngành công nghiệp năng lượng với lương thực thực phẩm cùng nhau, đồng thời giải quyết hai thách thức trong sự phát triển nhân loại, môi trường bền vững và an ninh lương thực.