Các công trình nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Illinois , phân tích những phương pháp tiền xử lý phi hóa chất, tính khả thi về kinh tế - kỹ thuật quy mô thương mại, phát triển của các phương pháp kiểu hình thông lượng cao trong sản xuất nhiên liệu sinh học từ mía nhằm tạo ra một sự thay thế khả thi nhiên liệu hóa thạch trong sử dụng thông thường trên lĩnh vực thương mại.

Những nghiên cứu của Đại học Illinois là một phần của dự án Dầu tái tạo, sản xuất từ dự án Mía năng lượng siêu hiệu quả (ROGUE), một nỗ lực nhằm thử nghiệm sự tích tụ bằng công nghệ sinh học triacylglyceride trong thân và lá mía, tăng cường năng suất sản xuất dầu thực vật công nghiệp trên mỗi mẫu vuông.

Mía năng lượng là cây mía biến đổi gen để có năng suất hơn trong sản xuất nhiên liệu sinh học, hóa sinh và năng lượng tái tạo.

Tương lai xanh với nhiên liệu sinh học

Khi thế giới đang thực hiện quá trình chuyển đổi xanh, phát triển phương pháp sản xuất nhiên liệu bằng nguyên liệu thô, thân thiện môi trường và tiết kiệm thay thế nhiên liệu hóa thạch nhằm đạt được mục tiêu không phát thải khí nhà kính.

Nhiên liệu sinh học là giải pháp đầy hứa hẹn cho mục tiêu này do có thể tái tạo, ít khí thải carbon độc hại, được sản xuất trên toàn thế giới, giảm phụ thuộc vào dầu mỏ và than đá.

Mía năng lượng là một loại cây trồng tương đối mới, có thể tạo ra nhiên liệu sinh học hơn đậu nành nhiều lần trên một mẫu Anh, nhưng vẫn có những khó khăn trong xử lý hiệu quả cây mía để chiết xuất nhiên liệu sinh học.

Vijay Singh, Giáo sư sáng lập Khoa Kỹ thuật Nông nghiệp và Sinh học tại Đại học Illinois, cho biết: “Năng suất của những loại cây phi lương thực này rất cao trên một đơn vị diện tích đất. Đậu tương là cây trồng truyền thống được sử dụng để sản xuất dầu diesel sinh học, nhưng có thể thu được năng suất cao hơn, nhiều dầu hơn và nhiều nhiên liệu sinh học hơn từ Mía năng lượng sản xuất chất béo (lipid)”.

Hoàn thiện phương thức sản xuất

Để sản xuất nhiên liệu sinh học từ cây trồng, nguyên liệu xenlulo của cây trước tiên phải được nghiền nhỏ, từ đó dầu có thể được chiết xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau.

Phó GS-TS Deepak Kumar, đồng tác giả công trình nghiên cứu tại Viện Sinh học gen Carl R. Woese thuộc Đại học Illinois giải thích: “Bước đầu tiên là chiết xuất nước mía ép. Nhà sản xuất thu được bã mía, nguyên liệu thô lignoxenluloza để sản xuất đường, lên men thành cồn sinh học.

“Một trong những điều quan trọng khi xử lý bất kỳ sinh khối lignocellulosic nào là tiền xử lý. Cần phá vỡ cấu trúc bền vững của vật liệu để các enzym có thể tiếp cận xenlulo. Mía năng lượng là loại cây trồng tương đối mới, có rất ít nghiên cứu về tiền xử lý và phân hủy bã mía để tạo ra đường, chuyển đổi đường thu được thành nhiên liệu sinh học ”.

Tối ưu hóa kỹ thuật sản xuất

Một trở ngại khác trong quá trình tiền xử lý là tạo ra nhiều hợp chất không mong muốn khác nhau, ức chế các enzym chuyển hóa đường thành nhiên liệu sinh học. Nhóm khoa học nghiên cứu các phương pháp tiền xử lý hiệu quả nhất, tối đa hóa sự phân hủy đồng thời giảm thiểu tạo ra những chất ức chế. Theo truyền thống, quy trình tiền xử lý thường sử dụng hóa chất độc hại như axit sulfuric phá vỡ sinh khối ở nhiệt độ và áp suất cao.

Ph GS- TS Kumar giải thích: “Chúng tôi sử dụng một phương pháp không dùng hóa chất, thân thiện với môi trường hơn. Ngoài ra, những hóa chất mạnh có thể làm thay đổi cấu trúc hoặc chất lượng dầu trong sinh khối.”

Nhóm nghiên cứu thực hiện phương pháp sử dụng 9 sự kết hợp khác nhau giữa nhiệt độ và thời gian, đạt được hơn 90% sự chuyển hóa xenluloza trong điều kiện tối ưu, tương đương với kết quả từ phương pháp tiền xử lý hóa học. Nghiên cứu thứ hai nhóm, phát triển từ kết quả nghiên cứu này là xem xét phân tích mối quan hệ giữa nhiệt độ, khả năng thu hồi đường và tạo ra chất ức chế.

Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Shraddha Maitra, tác giả chính của công trình nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi xử lý trước sinh khối lignocellulosic qua nhiều nhiệt độ khác nhau để giảm tối thiểu hình thành chất ức chế nhưng không ảnh hưởng đến thu hồi đường. Sau đó đưa kỹ thuật nghiền đông lạnh vào quy trình.”

“Trong quá trình nghiền đông lạnh, bã mía được xử lý bằng nitơ lỏng trở lên rất giòn.  Trong quá trình nghiền, sinh khối bị gãy vỡ giải phóng đường. Kỹ thuật này tăng khả năng thu hồi đường, chủ yếu là xylose lên khoảng 10% so với những quy trình tinh chế khác ”.

Trong nghiên cứu thứ ba của họ, nhóm khoa học sử dụng công nghệ cộng hưởng từ hạt nhân miền thời gian (NMR) phân tích sự phục hồi và ổn định của chất béo (lipid) bằng việc điều nghiên những thay đổi tổng quan các chất béo (lipid) liên kết và tự do sau nhiều quy trình tiền xử lý nguyên liệu bằng hóa học và vật lý.

Nghiên cứu thứ tư và là cuối cùng của các nhà khoa học tập trung vào tính khả thi về kinh tế - kỹ thuật ở quy mô thương mại của một nhà máy lọc sinh học Mía năng lượng. Để thực hiện nghiên cứu này, nhóm nhà khoa học sử dụng mô hình máy tính tái tạo quy trình theo kịch bản sản xuất nhiên liệu từ Mía năng lượng, xác định chi phí sản xuất, vốn đầu tư và sản lượng so với dầu diesel sinh học từ đậu tương.

GS-TS Kumar nhận xét: “Mặc dù vốn đầu tư cao hơn so với dầu diesel sinh học từ đậu tương, nhưng chi phí sản xuất lại thấp hơn (66 đến 90 xu / lít), đậu tương là (91 xu / lít). Đối với kịch bản này, sản xuất nhiên liệu từ Mía năng lượng có lợi nhuận thấp hơn một chút so với dầu diesel sinh học từ đậu tương nhưng lại cho sản lượng dầu diesel sinh học cao gấp 5 lần trên một đơn vị diện tích đất ”.

Steve Long, Giám đốc Rogue và Chủ tịch Khoa học Cây trồng và Sinh học Thực vật tại Đại học Illinois, cho biết: “Cây Mía năng lượng hấp dẫn nhờ khả năng phát triển trên nhiều vùng địa lý rộng lớn phía đông nam Mỹ hơn mía thông thường. Đây là khu vực có diện tích đất chưa được sử dụng nhiều, chỉ có thể sản xuất nông nghiệp bằng nước mưa. Mía năng lượng cũng thích hợp với những vùng đất bị tàn phá do canh tác nhiều năm.”

Nghiên cứu cho thấy tiềm năng sản xuất 7,5 thùng dầu diesel trên mỗi mẫu đất hàng năm. Cùng với các đồng sản phẩm, giải pháp này mang lại lợi nhuận cao hơn hẳn so với hầu hết các phương thức sử dụng đất hiện nay, đồng thời có tiềm năng đóng góp lớn vào mục tiêu quốc gia của Mỹ, đạt mức phát thải khí nhà kính bằng 0 vào năm 2050.