Trong vài thập niên tới, công nghệ chuyển hóa sinh khối sẽ mang lại những đóng góp đáng kể để góp phần giải thoát thế giới ra khỏi sự phụ thuộc quá nhiều vào nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, nếu muốn sinh khối thực hiện được tiềm năng này thì cần phải có những tiến bộ nhanh chóng trong việc phát hiện và phát triển các chất xúc tác có hiệu quả cao hơn, phục vụ cho việc xử lý sinh khối. Trong một tuyên bố của mình, Bộ Năng lượng Mỹ cho rằng xúc tác sẽ là công cụ cơ bản để sản xuất các nhiên liệu có giá trị cũng như hóa chất và vật liệu đi từ sinh khối.
Trong báo cáo công bố đầu năm 2011, Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA) dự báo đến năm 2050 tiêu thụ nhiên liệu sinh học (NLSH) trên thế giới sẽ tăng gần 14 lần so với hiện nay, từ mức 55 triệu tấn đương lượng dầu lên đến 750 triệu tấn đương lượng dầu.
Hình minh họa. Nguồn RSC
Nhưng để đạt những mức tăng trưởng như vậy, các công ty nghiên cứu, phát triển và sản xuất xúc tác cần phải cải thiện các chất xúc tác chuyển hóa sinh khối sao cho chúng đạt hiệu quả cao tương tự như các chất xúc tác đang được sử dụng trong ngành hóa dầu.
Theo các chuyên gia, các chất xúc tác đang được sử dụng trong ngành hóa dầu là những chất có hiệu quả cao một cách khác thường. Tuy nhiên, ngành sản xuất hóa dầu đã hoạt động từ hơn 80 năm nay và 40 năm trong suốt quãng thời gian đó đã được sử dụng chủ yếu để phát triển các chất xúc tác. Còn ngành chế biến sinh khối sẽ không thể có được quỹ thời gian dài như vậy, mà sẽ phải phát triển các chất xúc tác trong thời gian ngắn hơn nhiều.
Thị trường các chất xúc tác toàn cầu phục vụ quá trình chuyển hóa sinh khối hiện có giá trị tối thiểu hàng chục tỷ USD. iea ước tính tổng chi tiêu cho NLSH trong 40 năm tới sẽ lên đến 11-13 nghìn tỷ USD, tùy theo chi phí sản xuất thực tế.
Trong phóng sự mới đây về sản xuất etanol và các chất hóa sinh tại châu Âu, tạp chí Bloomberg của Mỹ đã ước tính chi phí chuyển hóa và chi phí vốn đầu tư để sản xuất etanol thế hệ hai (đi từ nguyên liệu sinh khối) sẽ tăng gấp đôi so với chi phí tương tự để sản xuất etanol thế hệ thứ nhất (đi từ nguyên liệu là các cây lương thực như lúa mì).
Một số nhà phân tích tin rằng chi phí cho các chất xúc tác có thể chiếm đến 10-15% chi phí vốn đầu tư và chi phí vận hành của nhà máy sản xuất etanol thế hệ hai.
Một nguồn sinh khối quan trọng sẽ là phế thải của quá trình sản xuất cây trồng nông nghiệp và phế thải của các quá trình chế biến thực phẩm. Theo ước tính của iea, từ năm 2050 trở đi mỗi năm thế giới sẽ cần phải có khoảng 3 tỷ tấn sinh khối mới có thể đáp ứng đủ nhu cầu về NLSH của con người. Trong số đó, khoảng 1 triệu tấn sẽ là các loại bã và phế thải. Phần còn lại là các cây trồng phục vụ mục đích sản xuất năng lượng, được trồng trên 100 triệu hecta – khoảng 2% tổng diện tích đất nông nghiệp của thế giới. Đồng thời, theo IEA thì hiệu suất thu hồi NLSH từ sinh khối cũng sẽ tăng lên 10 lần nhờ sự trợ giúp của các đổi mới trong lĩnh vực xúc tác.
Hiện tại, mới chỉ có khoảng 200 triệu tấn trong tổng số gần 600 triệu tấn sinh khối là được tái chế hàng năm. Các công nghệ xúc tác mới sẽ cần phải được phát triển để xử lý các chất và nguyên liệu trong những cấu trúc sinh học phức tạp của cây trồng mà quá trình tiến hóa tự nhiên đã khiến cho chúng rất khó phân hủy.
Lignoxenluloza là thành phần chủ yếu, chiếm 70-95% thành phần của sinh khối ở cây trồng trên cạn. Xenluloza chiếm 40 – 50% thành phần của lignoxenluloza và là một loại polyme đồng nhất của glucoza, trong khi đó hemixenluloza chiếm 16-33% thành phần của lignozenluloza và có chứa nhiều loại pentoza khác nhau, chủ yếu là xyloza, arabinoza và hexoza. Lignin chiếm 15-30% thành phần còn lại của lignoxenluloza và là đồng trùng hợp của các lignol thơm.
Cấu trúc tinh thể của xenluloza (trong đó các monome glucoza của nó được liên kết với nhau bằng các liên kết glycosit) là cấu trúc khó phân hủy, còn hemixeluloza với cấu trúc mạch nhánh có thể được phân hủy dễ dàng hơn nhiều. Lignin cũng khó phân hủy hơn xenluloza.
Trong phần lớn các quá trình công nghệ hiện đang được áp dụng, sinh khối thường được xử lý sơ bộ, đôi khi nhờ sự trợ giúp của các chất xúc tác, nhằm mục đích nới lỏng cấu trúc của lignoxenluloza và giúp cho các hóa chất có thể tiếp cận một cách dễ dàng hơn các liên kết trong cấu trúc đó. Sau khi xử lý sơ bộ, quy trình xử lý chính thường là thủy phân với sự trợ giúp của xúc tác để tạo ra các chất đường nguyên chất mà sau đó có thể được lên men để sản xuất nhiên liệu và nhiều hóa chất khác nhau.
Một quy trình quan trọng khác là thủy phân sinh khối thành các loại dầu mà sau đó có thể được phân hủy thành các loại nhiên liệu và nguyên liệu hóa chất khác nhau. Sinh khối cũng có thể được khí hóa thành khí tổng hợp – gồm có CO và H2 – để tổng hợp tiếp thành nhiên liệu và hóa chất.
Từ sinh khối, với sự trợ giúp của các chất xúc tác người ta cũng có thể sản xuất khí thiên nhiên giàu metan. Khí này có thể được sử dụng làm nguồn cung cấp năng lượng hoặc nguyên liệu để sản xuất metanol, từ đó sản xuất nhiên liệu và các hóa chất khác nhau.
Đối với các nhà nghiên cứu và phát triển các chất xúc tác, một trong những thách thức lớn nhất trong giai đoạn đầu của công nghệ xử lý sinh khối là việc xử lý hàm lượng oxy cao trong sinh khối. Oxy có thể chiếm đến một nửa hàm lượng của sinh khối, cao hơn nhiều so với dầu mỏ. Vì vậy, sinh khối là lĩnh vực hoàn toàn mới ngay cả đối với những công ty có nhiều kinh nghiệm trong chế biến dầu thô.
Hai vấn đề công nghệ lớn nhất khi phát triển xúc tác xử lý sinh khối là tính phức tạp của việc tiếp cận các thành phần then chốt trong cấu trúc của lignoxenluloza và yêu cầu là chất xúc tác phải có khả năng duy trì hoạt tính trong điều kiện nhiều lượng nước được đưa vào để xử lý sinh khối.
Các nhà sản xuất xúc tác chuyển hóa sinh khối và xúc tác cho sản xuất hóa chất thông thường đang cạnh tranh với nhau trong một số giai đoạn then chốt của chuyển hóa sinh khối. Trong khi đó, các công ty sản xuất enzym tuyên bố đã chiếm thị phần chi phối đối với các quy trình thủy phân để lên men đường trong sinh khối thành etylen sinh học. Công ty Novozymes – một công ty Đan Mạch chuyên sản xuất enzym – cho biết đã giảm chi phí enzym xuống còn 0,50 USD/ galông etanol sinh học và đang tìm cách giảm tiếp chi phí này. Công ty cũng cải tiến quá trình lên men sao cho enzym có thể được sử dụng hiệu quả hơn.
Khi các chất xúc tác hóa học trở nên hiệu quả hơn trong tất cả các giai đoạn của quá trình chuyển hóa sinh khối, chúng bắt đầu được đưa vào các lĩnh vực mà ở đó các chất xúc tác sinh học đang chiếm ưu thế. Các nhà nghiên cứu tại Công ty Đan Mạch Haldor Topsoe và Đại học Bách khoa Đan Mạch đã cho thấy axit lactic (thường được sản xuất bằng cách lên men đường thu được từ cacbonhydrat của sinh khối) có thể được sản xuất từ các loại đường thông thường theo quy trình không lên men, với sự trợ giúp của chất xúc tác axit Lewis có cấu trúc tương tự các chất zeolit.
Nhưng các nhà nghiên cứu xúc tác cũng đang tăng cường kết hợp kiến thức trong hai lĩnh vực xúc tác hóa học và xúc tác sinh học để tiến tới các phương pháp kết hợp, có thể giải quyết các vấn đề của công nghệ xử lý sinh khối. Công ty Shell, nhà sản xuất dầu khí hàng đầu thế giới, đã đầu tư nhiều vào NLSH và thành lập quan hệ đối tác với các công ty chuyên về xúc tác sinh học. Shell cũng đã thành lập liên doanh 12 tỷ USD với Công ty Cosan của Braxin, một trong những công ty hàng đầu trong lĩnh vực sản xuất etanol từ bã mía.
Trong năm 2012, Tập đoàn Ineos, nhà sản xuất hóa dầu và sản xuất hóa chất hàng đầu trên thế giới, sẽ khánh thành nhà máy chuyển hóa phế thải sinh học thành năng lượng nhờ các công nghệ khí hóa và lên men. Một nhà máy thứ hai với công nghệ tương tự sẽ được xây dựng tại Teeside, Anh, để chuyển hóa mỗi năm 100.000 tấn phế thải thương mại và phế thải kinh doanh có thể phân hủy sinh học, từ đó sản xuất etanol sinh học và điện.
Tại Ineo, sau khi tiến hành quá trình khí hóa phế thải theo phương pháp nhiệt hóa để tạo ra khí tổng hợp, vi sinh vật Clostridium ljungdahlii được sử dụng làm chất xúc tác sinh học để lên men sinh khối và sản xuất NLSH. Theo các chuyên gia của Ineo, việc kết hợp công nghệ xử lý nhiệt hóa và công nghệ xử lý hóa sinh sẽ giúp tối ưu hóa quá trình khí hóa. Công đoạn khí hóa theo phương pháp nhiệt hóa giúp mở rộng phạm vi sử dụng các loại nguyên liệu khác nhau, kể cả rác sinh hoạt, còn trong công đoạn xử lý hóa sinh các vi sinh vật sẽ thực hiện quá trình xúc tác sinh học một cách rất chọn lọc và chỉ sản xuất etanol, do đó hiệu suất thu hồi rất cao. Trong khi đó, các quá trình xúc tác truyền thống, ví dụ các quá trình sử dụng xúc tác Fischer-Tropsch, phải được tiến hành ở nhiệt độ và áp suất cao nhưng hiệu suất thu hồi và tính chọn lọc tương đối thấp. Hơn nữa, các chất xúc tác đó dễ bị nhiễm độc.
Tuy nhiên, xúc tác hóa học trong quá trình xử lý sinh khối cũng đã trở nên hiệu quả hơn nhờ sự phát triển của các chất xúc tác dị thể đa năng. Nhờ đó, các quá trình thủy phân và hydro hóa để khử oxy có thể được thực hiện với cùng một chất xúc tác: quá trình thủy phân được kích hoạt tại các vị trí axit trên chất xúc tác, còn quá trình hydro hóa được kích hoạt tại các vị trí kim loại, thường có chứa platin, ruteni hoặc niken.
Việc phát triển các chất xúc tác đa pha, với cấu trúc được thiết lập một cách cẩn thận và ngày càng nhiều các vị trí phản ứng cỡ nano, đòi hỏi công việc thiết kế phải có độ chính xác cao. ở các chất xúc tác thủy phân và hydro hóa, cần phải đạt cân bằng chính xác giữa các vị trí axit và các vị trí kim loại. Nếu không, phản ứng có thể tạo ra các sản phẩm polyme không mong muốn, làm giảm hiệu quả của toàn bộ quá trình.
Mới đây, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Tây Bắc Thái Bình Dương, Washington (Mỹ), đã phát triển công nghệ chuyển hóa etanol sinh học thành isobuten, mở đường cho etanol sinh học trở thành thành phần kết cấu để sản xuất cao su, dung môi và nhiều hóa chất khác, vượt ra ngoài phạm vi sử dụng chủ yếu hiện nay trong lĩnh vực nhiên liệu.
Công nghệ này dựa trên một chất xúc tác dị thể, kết hợp kẽm oxit với zircon oxit. Khi hoạt động riêng rẽ trong quá trình chuyển hóa etanol, kẽm oxit sẽ tạo ra axeton, còn zircon oxit tạo ra etylen, nhưng khi kết hợp với nhau thì 2 chất xúc tác này tạo ra isobuten. Ngoài việc điều chỉnh thời gian lưu và nhiệt độ phản ứng, chất xúc tác dị thể này còn phải được chế tạo sao cho tạo ra cân bằng giữa các phản ứng axit và bazơ trên bề mặt của các oxit.
Nghiên cứu sự chuyển hóa etanol sinh học thành isobuten là ví dụ điển hình minh chứng cho nhu cầu hiểu biết một cách cơ bản hoạt động của các chất xúc tác và những gì ảnh hưởng đến tính chọn lọc của chúng.
Tại Viện Xúc tác tổng hợp thuộc Phòng thí nghiệm Tây Bắc Thái Bình Dương, các thiết bị mới của công nghệ hình ảnh và mô hình vi tính đã cho thấy các chất xúc tác hoạt động như thế nào ở cấp nguyên tử. Nhờ đó, mới đây các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng các hạt trong xúc tác platin và iriđi được sử dụng trong chuyển hóa sinh khối không hoạt động riêng rẽ mà được hợp nhất vào một hợp kim.
Nếu không có những hình ảnh chi tiết như vậy, chúng ta không thể biết chất xúc tác hoạt động như thế nào và đặc biệt là hợp kim hai chất xúc tác có thể giúp tăng hiệu quả của từng chất xúc tác riêng rẽ như thế nào. Những kiến thức này sẽ giúp các nhà nghiên cứu chế tạo các chất xúc tác với hiệu quả ngày càng cao hơn.
Hoahocngaynay.com
Nguồn Vinachem/Chemistry & Industry
