Nang luong sinh hoc

Nhiên liệu sinh học là một loại nhiên liệu được hình thành thông qua các quá trình sinh học hiện đại, như nông nghiệp và bể tự hoại, thay vì nhiên liệu được tạo ra bởi quá trình địa chất hình thành nên những nhiên liệu hóa thạch, chẳng hạn như than đá và dầu mỏ, từ những vật chất sinh học thời tiền sử. Nhiên liệu sinh học có thể được lấy trực tiếp từ thực vật hoặc gián tiếp từ chất thải nông nghiệp, thương mại, chất thải hộ gia đình hoặc công nghiệp.1

Nhóm thực hiện:

Lê Thị Quỳnh Trâm Trần Minh Hương Nguyễn Vũ Luân NĂNG LƯỢNG SINH HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

Tp HCM, 11/2010

TIỂU LUẬN

MỤC TIÊU

 Tính cấp thiết cần phải sử dụng nguồn NLSH

 Các nguyên lý chuyển hóa thành nguồn

nguyên liệu sinh học từ các chất thải

 Hướng đến một mô hình công nghiệp “tích hợp”– tận thu nguồn NLSH

Tài liệu tham khảo

1 Novel biotechnological processes for production of polymers, chemicals,

and biofuels from waste, Martin Koller, Aid Atlić, Miguel Dias, Angelika Reiterer and Gerhart Braunegg, Institute of Biotechnology & Biochemical Engineering , Graz University of Technology; Petersgasse 12, 8010 Graz, Austria

2 From renewable resources to fine chemicals and bulk products Brauegg,

G., Koller, M., Miranda de Sousa Dias, M Graz University of technology, Institute of biotechnology and Bioprocess Engineering

3 Advanced Biofuel Opportunities for Every State : Guidebook of State

Policies Carol Werner Environmental & Energy Study Institute

4 Green Chemistry Concetto di Bioraffineria, Università degli studi di

Modena e Reggio Emilia Facoltà di Bioscienze e Biotecnologie, Dr Luca Forti, Laboratorio di Biocatalisi, Dipartimento di Chimica

5 Tổng hợp từ Hội thảo về Năng lượng sinh học khu vực APEC , Seoul,

Hàn Quốc, tháng 9/2009

6 www.eesi.org

7 www.ecopanelsystems.com

8 Energy and materials from renewable resources as a precondition for

Sustainable Development, Hans Schnitzer Graz University of Technology,Joanneum Research

Nội dung

Tình hình sử dụng NLSH trên thế giới Nguyên lý chuyển hóa

Nguồn nguyên liệu NLSH trên thế giới, VN

Tính cấp thiết

Một số công nghệ sản xuất thử nghiệm ở VN Hạn chế trong việc sử dụng NLSH ở VN

Hệ thống kinh tế hiện nay dựa trên nguồn

Chu trình chuyển hóa Cacbon [8]

BIẾN ĐỘNG GIÁ DẦU TỪ THÁNG 5/1994 ĐẾN 7/2008[1]

Có cần nguồn nhiên liệu sinh học thay thế!!!

June 2008: Price surmounted 130 US-$ per barrel

July 2008: Price surmounted 140 US-$ per barrel

140

130

NLSH- Cuộc cách mạng xanh thế kỷ XXI

 Một thách thức lớn cho nhân

loại trong thế kỷ 21 là giảm phát

thải khí nhà kính, yếu tố quyết

định gây ra biến đổi khí hậu

 Vấn đề chính được đặt ra là tìm

được một nguồn năng lượng

sạch, rẻ, dồi dào để thay thế cho

nguồn nhiên liệu hóa thạch,

được coi là bẩn và đang được dự

báo là sẽ cạn kiệt trong nay mai

 Năng lượng sinh học hiện

đang là một hướng đi mà

nhiều quốc gia đã lựa chọn

Cellulosic Biofuel Projects as of July 2008 [3]

11/24/21

Environmental and Energy Study Institute

Năng lượng sinh học (NLSH) trên thế giới [5]

 Hàn Quốc: Chiến lược tăng trưởng xanh, phát thải ít cac-bon (Green, low carbon growth strategy) trong vòng 60 năm tới với các công cụ chính là

công nghệ, chính sách và thay đổi lối sống

 Đối với lãnh đạo đất nước này, tăng trưởng xanh không phải là một sự lựa chọn mà là sự lựa chọn duy nhất

 Mục tiêu mà Chiến lược đề ra là đến 2050, Hàn Quốc sẽ hoàn toàn không

bị phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giải pháp chính là tăng cường năng lượng hạt nhân, phát triển năng lượng tái tạo

 Năng lượng sinh học đang được tích cực nghiên cứu, phát triển ở đất nước này với mục tiêu đến năm 2030 năng lượng tái tạo sẽ đạt 11%, trong đó năng lượng từ sinh khối sẽ đạt  7,12%

 Ngoài các công nghệ chế tạo bioga thông thường như từ sinh khối, từ chất thải chăn nuôi, Hàn Quốc đang tích cực phát triển bioga từ bùn thải Theo tính toán của các nhà khoa học thì cứ 100kg COD bùn thải (từ hệ thống xử

lý nước thải) khi đi vào bể yếm khí sẽ cho ra 40-45m3 khí mê-tan

 Nhật Bản: Chiến lược năng lượng sinh khối (Nippon Biomas Strategy) từ năm 2003 và hiện nay đang tích cực thực hiện Dự án phát triển các đô thị sinh khối (biomass town) và đã có 208 đô thị đạt danh hiệu này, mục tiêu đến

2010 sẽ đạt 300 thành phố/đô thị

khuyến khích ưu tiên phát lên lưới điện quốc gia những nguồn điện từ năng

lượng tái tạo (mặt trời, gió, thuỷ điện, sinh khối và địa nhiệt) Sản xuất điện

từ bioga từ sinh khối hiện nay đang rất phát triển với số lượng nhà máy đã đạt tới 4600 nhà máy với tổng công suất 1700MW năm 2009, và dự kiến sẽ tăng lên 5400 nhà máy năm 2015

 Trung Quốc: Luật năng lượng tái tạo và hiện nay đã có hơn 80 nhà máy điện sản xuất từ sinh khối với công suất đến 50MW/nhà máy Tiềm năng là

có thể đạt được 30GW điện từ loại hình năng lượng này và Chính phủ hiện đang thúc đẩy hợp tác, mời gọi đầu tư Việc nghiên cứu phát triển bioga để chạy máy phát điện từ bùn thải từ các trạm xử lý nước thải cũng đang được thực hiện

 Canada: trường đại học Lakehead hiện đang nghiên cứu chế tạo dầu sinh học thông qua việc hoá lỏng các loại sinh khối, chất thải trong nông nghiệp như phần thải từ cây lúa mì, ngô, v.v Theo đó, qua một quá trình thuỷ phân dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao từ các loại sinh khối này sẽ thu được dầu sinh học (bio-crude oil) có thể dùng để phát triển biodiesel sau này Một hướng nghiên cứu khác là thay thế ethanol bằng butanol sinh học bởi nó cung cấp nhiều năng lượng hơn khi cùng một đơn vị thể tích

 Thái Lan: Chính phủ đề ra mục tiêu năng lượng tái tạo đạt 20% trên tổng năng lượng tiêu thụ vào năm 2022 Thái Lan đã bãi bỏ việc sử dụng dầu diesel 100% từ 2008, thay vào đó là B2 và dự kiến đến năm 2011 sẽ chuyển sang B5 Biodiesel chủ yếu được sản xuất từ dầu cọ (palm oil) với tổng khối lượng là 1,3 triệu tấn biodiesel/ngày (2008) và dự kiến đến 2022, số lượng này sẽ là 4,5 triệu lít/ngày Thái Lan cũng tích cực thức đẩy việc thu mua, tái chế các loại dầu ăn thải bỏ sau sử dụng từ các cơ sở công nghiệp thực phẩm, từ các nhà hàng, khách sạn, các hộ gia đình để sản xuất thức ăn gia súc và chế biến biodiesel

 Phillipine: Luật nhiên liệu sinh học (Biofuel Act) được ban hành từ năm

2006 với mục tiêu giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch Hiện nay việc sản xuất B2 và E5 là bắt buộc đối với các nhà sản xuất, phân phối nhiên liệu ở Phillipine

 Malaysia và Indonesia: là hai quốc gia sản xuất dầu cọ lớn nhất thế giới, riêng sản lượng của Malaysia là 15,8 triệu tấn (2008) và việc sản xuất dầu biodiesel đã được thực hiện từ 20 năm nay, mặc dù Luật công nghiệp nhiên liệu sinh học mới được ban hành gần đây (2007)

 Indonesia, ngoài sản xuất biodiesel từ dầu cọ, hiện cũng đang thúc đẩy thực hiện Dự án làng tự cung cấp về năng lượng theo đó khuyến khích phát triển năng lượng từ sinh khối như chất thải vật nuôi, chất thải của sản xuất cacao, v.v… Ngoài dầu cọ, Indonesia đang phát triển mạnh cây cọc rào (jatropha) để sản xuất diesel sinh học

Năng lượng sinh học (NLSH) VIỆT NAM

 NLSH phải là một thế mạnh của Việt Nam vì:

 Chủ yếu vẫn là một đất nước nông nghiệp, có nhiều lọai sinh khối

 Có điều kiện khí hậu để phát triển nhiều loại cây làm nguyên liệu cho nhiên liệu sinh học

 Bioga đã được phát triển từ lâu và hiện nay đã được phổ biến rộng rãi trên cả nước Chương trình khí bioga do Bộ NN&PTNT thực hiện đã đạt được số lượng hàng chục nghìn hầm, trong tương lai gần

số lượng này sẽ đạt đến hàng trăm nghìn hầm, và đã đạt giải thưởng

về năng lượng ở Bỉ năm 2006

 Chương trình này đã và đang cải thiện chất lượng môi trường nông thôn, đồng thời cung cấp năng lượng cho nhiều hộ gia đình

 Vấn đề tiếp theo là phải tăng cường, hoàn thiện kỹ thuật, nâng cấp qui mô, tận dụng hiệu quả nguồn bioga để phát triển loại hình năng lượng này

Năng lượng sinh học (NLSH) VIỆT NAM

 Về nhiên liệu sinh học, nước ta hiện nay mới đang ở giai đoạn đầu của sự phát triển, cụ thể là mới chỉ dừng ở hoạt động nghiên cứu và sản xuất thử nghiệm

 Trên thị trường Hà Nội và TP HCM hiện đang phân phối thí điểm loại xăng gasohol E5 Một số cơ sở đã sản xuất ethanol sinh học để phục vụ việc chế tạo xăng sinh học song quy mô còn nhỏ

 Mới đây 2 nhà máy sản xuất ethanol sinh học ở Phú Thọ và Dung Quất, công suất 100.000 tấn ethanol/năm đã được Petro Việt Nam (PVN) xây dựng, dự kiến sẽ đi vào sản xuất từ năm 2010

 PVN cũng đang xây dựng dự án nhà máy thứ 3, liên doanh với công ty Itochu (Nhật Bản), dự kiến sẽ được khởi công xây dựng năm 2010 tại tỉnh Bình Thuận.

 Về chính sách pháp luật, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt

Chương trình phát triển nhiên liệu sinh học đến 2015, tầm nhìn đến

2025 theo Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg, theo đó:

 Đến 2010 sẽ sản xuất được 100.000 tấn xăng E5, 50.000 tấn B5, đạt 0,4% nhu cầu; đến 2015 đạt 5 triệu tấn E5 và B5, đạt 1%

 Năm 2025 tổng xăng và dầu sinh học sẽ đạt 5% nhu cầu xăng dầu

cả nước Thực hiện Quyết định này hiện nay Bộ Công Thương đang trực tiếp thực hiện những đề tài, dự án cụ thể nhằm thúc đẩy công nghệ nhiên liệu sinh học Bộ NN&PTNT cũng đã xây dựng

đề án phát triển cây cọc rào (jatropha) để làm nguyên liệu cho phát triển nhiên liệu sinh học

 Nhìn ra các nước trong khu vực, nói chung, chúng ta đang đi sau với khoảng cách khá xa về lĩnh vực này

Những lợi ích khi sử dụng NLSH [3]

 Climate Change – biến đổi khí hậu

 Environmental Stewardship – bảo vệ môi trường

 National Energy and Security – an ninh năng lượng quốc gia

 Public Health – sức khỏe cộng đồng

 International Competitiveness – khả năng cạnh tranh

 Economic Development through Local Ownership – phát triển kinh tế

 Diversify and Sustainably Grow the Domestic Agriculture Portfolio while Decreasing Dependence on Export Markets – phát triển bền vững và đa dạng hóa, giảm phụ thuộc vào các thị trường xuất khẩu

Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên

tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ Mặt Trời

Nguồn : [8]

Làm thế nào để có năng lượng sinh học

MỤC TIÊU: Chuyển từ những chất thải bỏ cuối

Những nguồn cơ chất chính để sản xuất:

Biopolymers, biofuels and biochemicals

Nguồn thải từ hoạt động sản xuất công nghiệp:

Proteinaceous materials (Peptides)

Biodiesel production: raw glycerol phase, low-quality biodiesel fractions

Dairy Industry: Whey

Wood processing industry, Paper Industry

Sugar cane industry: Molasses, Bagasse

Additional agricultural branches (e.g straw from rice, mais etc., olive oil production, palm oil industry, sugar beet industry)

Slaughterhouses and Rendering Industry: Meat- and Bone Meal, slaughter wastes

 Các nguồn nguyên liệu thải sẵn có cho mục đích sản xuất theo công nghệ sinh học (quá trình chuyển hóa và thách thức trong việc sử dụng chúng)

 Meat and Bone Meal (MBM) (Slaughterhouses and Rendering industry) – bột thịt

và bột xương (lò mổ và các sản phẩm gia tăng)

 Sugar Cane industry – Integration of Biofuel and Biopolymer Production – ngành công nghiệp mía đường –tích hợp sản xuất nhiên liệu sinh học và polymer sinh học

 Wood processing industry, Paper Industry: công nghiệp gỗ và giấy (mùn gỗ, bùn thải nhà máy giấy)

 Additional agricultural branches: phế phẩm từ nông nghiệp như: rơm rạ, lõi bắp, các loại hạt cây chứa dẫu

 Whey (Dairy Industry) – whey (ngành

công nghiệp sản xuất sữa)

 Raw Glycerol Liquid Phase (from

Biodiesel Production) – nước thải từ

quá trình sản xuất diesel sinh học

 Waste Lipids – chất thải chứa lipid

 Cellulosic and Lignocellulosic

Feedstocks – nguồn cellulose và

lignocellulose

 Follow-up Products of PHAs: Chiral

Synthons for Organic Synthesis – quá

trình tạo PHAs: Chiral Synthons từ quá

trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ

Biowaste [7]

Bột thịt , bột xương (MBM) từ ngành công nghiệp giết mổ – nguồn Nito quý cho công nghệ sinh học

 Sản phẩm truyền thống: thức ăn gia súc

 Vấn đề: xuất hiện bệnh xốp não ở bò (Bovine

Spongiform Encephalopathy -BSE- bệnh bò điên)

 Lây nhiễm trên diện rộng ở Anh, phát hiện năm 1986

 Đem đốt  không tạo nên giá trị

 2001: Graz University of Technology đặt ra mục tiêu

sử dụng MBM một cách an toàn để tạo nên các sản

phẩm giá trị gia tăng

Thủy phân MBM

 Điều kiện đầu tiên để sử dụng an toàn MBM: thủy

phân MBM để phá hủy prions

Structure of a

Prion Causing BSE SDS-Gel-Electrophoresis of alkaline Hydrolysis of MBM

(PhD thesis José Neto, Graz University of Technology, 2006)

Hydrolysis time [h]

Production of Meat- and Bone Meal

Application of hydrolyzed MBM for Biomass production

Possible: Removal of Lipids prior to

hydrolysis („Degreasing step“)

Application of lipids for Biodiesel

Production or as carbon source for

fermentative Production of e.g

Biopolymers

Brazil: Kết hợp sản xuất nhiên liệu sinh học và polymer sinh học trong ngành công nghiệp mía đường: thực trạng và tiềm năng sử dụng nguồn thải này

Fermentative Conversion to Bioethanol

1.) Production of catalytically active Biomass

2.) Production of PHA biopolyesters

Hydrolysis

Biofuel Productio n

Downstream Processing:

Extraction of PHA from biomass

Residual Biomass

Hydrolysis

to peptides and amino acids

Selection of production strain!

Fibers potential filler for PHA-based materials?!

Extraction solvents!

52.575 m 3 /a

2,160.000

t/a

Công nghiệp sản xuất PHB– Sao Paulo, Brazil

Quy mô pilot sản xuất PHB, công suất 50 tấn/năm

Chủng vsv sản xuất: Cupriavidus necator DSM 545 (trước kia Wautersia eutropha)

Hướng đến sản xuất PHA: 10.000 tấn/năm

Nhà máy sản xuất PHB homopolyester and Poly-3-

HB-co-3HV copolyesters từ

saccharose của mía đường

Phân bố các vùng trồng mía ở VN

triệu tấn đường

được sản xuất (quy mô công nghiệp và dân tự chế biến), tức khoảng

3 triệu tấn bã mía

được thải ra Đây là nguồn nguyện liệu (biomass) rất lớn cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học

Lên men bán rắn tạo chế phẩm

Thủy phân bã mía đã qua tiền xử

lý

Dùng môi trường PGA Quan sát hình thái.

Xác định số lượng bằng phòng đếm hồng cấu

Dùng môi trường để tổng hợp celluase và MT kiểm tra hoạt tính CMCase

Định lượng đường khử theo pp DNS để xác định đường kính

và hoạt tính Khảo sát ảnh hưởng

1- Tỷ lệ cơ chất 2- Nồng độ chất dinh dưỡng 3- Độ ẩm

4- Thời gian

Khảo sát ảnh hưởng:

1- Tỉ lệ chế phẩm 2- Thời gian

Lên men ETHANOL

Nấm men

Phương pháp

sản xuất ethanol

từ bã mía

Whey từ công nghiệp sữa– nguồn nguyên liệu linh hoạt cho công nghệ sinh học

 Sử dụng Whey lactose

(D-gluco-pyranose-4-ß-D-galactopyranoside) từ công nghiệp sữa làm: thức ăn gia

súc, kẹo sữa, chế biến thực phẩm, thức ăn cho trẻ em,

sử dụng sữa dư thừa từ ngành công nghiệp sữa của Ý làm

cơ chất cho công nghiệp sản xuất PHA - biopolyester

Sản xuất Biopolyesters PHA từ whey

Pasteurization

Transformation (enzymatic or acidic)

Skimming Full Fat Whey

α-Lactoglobulin (2 wt.-%),

ß-Lactoglobuline (9

wt.-%); Lactose (15 wt.-%)

20 – 21 wt.-% Lactose (81% of the entire lactose from milk)

(ca 620 000 t/a in EU from surplus whey! )

Skimmed Whey (ca 13 500 000 t/a in EU surplus! )

(ca 2 700 000 t/a in EU surplus! )

Storage

Storage

MILK

Lactose Hydrolysis to Glucose and Galactose ?!

(depends on production strain)

1.) Production of catalytically active Biomass

2.) Production of PHA biopolyesters

Yield PHA/C-source = 0,33 g/g:

ca 200 000 t/a PHA in EU from surplus whey possible!!

Lên men whey [2]

Different Routes from Whey Lactose

to Biopolyesters (Koller et al., 2007)

Whey Lactose

Hydrolysis

towards Glucose and Galactose for Production of

PHA

Direct Application of

Lactose (sufficient

ß-Galactosidase

activity of production strain) for production of

Conversion to Lactic acid esters

 Bioethanol: Golden Cheese Company, California (19.000 m³

Bioethanol/year) (For Europe: Surplus whey would yield 290.000 m³

Bioethanol/year) (www.ethanolfra.org/pr010201.html)

 Antibiotics: e.g Bacteriocin Nisin (polycyclic peptide antibiotic from

Lactococcus lactis) against highly pathogenic food-spoiling bacteria Listeria monocytogenes and Clostridium botulinum (Hickmann, Flores, Monte Alegre, 2001)

 Sophorolipids: Emulsifiers and Surfactants for pharmaceutical, cosmetic and food industry; chemically: sophorose derivates linked to hydroxy fatty acids

 Two –step process: Yeast Cryptococcus curvatus cultivated on whey

permeate, accumulates single-cell-oil (SCO) from whey lactose SCO is

converted in a second step to sophorolipids by Candida bombicola (Daniel et al.,

1999))

Whey Lactose tạo ra những sản phẩm

sinh học thay thế

www.lipidlibrary.co.uk/Lipids/rhamno/image006.gif www.profoodinternational.com