Trong vài năm nay, các nghiên cứu và thử nghiệm đã được thực hiện với vi tảo để sử dụng trong sản xuất nhiên liệu sinh học. Những cuộc điều tra này dựa trên thực tế là vi tảo có một số lợi thế so với các nguyên liệu thô truyền thống khác, chẳng hạn như cây rau hoặc chất thải nông nghiệp. Hiện nay, các vi tảo này được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, chẳng hạn như trong ngành dược phẩm hoặc thực phẩm, nhưng tiềm năng của chúng như một nguồn năng lượng dường như rất hứa hẹn.
Vi tảo là các vi sinh vật đơn bào quang tự dưỡng có khả năng tạo ra năng lượng thông qua quang hợp và tổng hợp các phân tử sinh học của chúng từ các hợp chất đơn giản như nước y khí cacbonic (CO2). Điều này làm cho vi tảo trở thành một công cụ quan trọng không chỉ để sản xuất nhiên liệu sinh học mà còn giúp giảm lượng khí nhà kính vì chúng hấp thụ CO2 trong quá trình phát triển.
Vi tảo là gì và chúng hoạt động như thế nào?
Vi tảo là sinh vật quang hợp đơn bào có mặt ở nhiều môi trường nước khác nhau. Khoảng 30.000 loài đã được biết đến, mặc dù chỉ có 50 loài được nghiên cứu chuyên sâu và dưới 10% được sử dụng thương mại. Điều này mở ra một phạm vi nghiên cứu rất lớn nhằm tìm ra những loài có đặc tính hiệu quả để sản xuất nhiên liệu sinh học.
Hơn nữa, vi tảo có chu kỳ tăng trưởng cực kỳ nhanh. Trong khi thực vật trên cạn có thể mất nhiều tháng để phát triển thì một số loài vi tảo có thể tăng gấp đôi khối lượng chỉ trong vài giờ. Điều này mang lại lợi thế cạnh tranh khi sản xuất số lượng lớn sinh khối trong không gian nhỏ và trong thời gian ngắn hơn, từ đó làm tăng lợi nhuận khi sử dụng.
Ưu điểm của vi tảo trong sản xuất nhiên liệu sinh học
- Sự phong phú và đa dạng trên hành tinh: Vi tảo rất phong phú và đa dạng. Khả năng thích ứng với các loại môi trường khác nhau, cả dưới nước và trên cạn, mang lại cho chúng sự linh hoạt cao trong việc trồng trọt trong nhiều điều kiện khác nhau. Hơn nữa, sự đa dạng về loài cho phép lựa chọn những loài phù hợp nhất cho từng loại nhiên liệu sinh học.
- Những màn trình diễn đứng top: Về mặt sinh khối, vi tảo có năng suất sinh khối cao hơn nhiều so với các loại cây trồng thông thường được sử dụng làm nhiên liệu sinh học, chẳng hạn như ngô hoặc đậu nành. Chúng tạo ra sinh khối nhiều hơn tới 100 lần trên một đơn vị diện tích, nghĩa là lượng nhiên liệu sinh học trên mỗi ha sẽ lớn hơn.
- Chúng không cạnh tranh với cây lương thực: Không giống như các nguồn nhiên liệu sinh học thực vật khác, vi tảo không cần đất nông nghiệp màu mỡ để phát triển. Chúng có thể phát triển trong nước thải, nước mặn hoặc thậm chí trên đất không phù hợp cho nông nghiệp, giảm thiểu tác động đến an ninh lương thực.
- Sử dụng CO2 và giảm tác động tới môi trường: Vi tảo tiêu thụ một lượng lớn CO2 trong quá trình phát triển của chúng. Điều này không chỉ có lợi cho quá trình quang hợp mà còn giúp giảm nồng độ của loại khí này trong khí quyển, góp phần vào cuộc chiến chống biến đổi khí hậu.
- Sản xuất nhiều hợp chất: Vi tảo có khả năng sản xuất lipid cho dầu diesel sinh học, carbohydrate cho ethanol sinh học và protein có thể sử dụng làm thực phẩm hoặc chất bổ sung. Ngoài ra, các sản phẩm thứ cấp có ứng dụng trong ngành dược phẩm và mỹ phẩm có thể thu được từ sinh khối của nó.
Sản xuất nhiên liệu sinh học từ vi tảo
Có nhiều loại nhiên liệu sinh học khác nhau có thể được sản xuất từ vi tảo, mỗi loại có những đặc điểm riêng khiến chúng trở nên lý tưởng cho các mục đích sử dụng khác nhau. Trong số các nhiên liệu sinh học phổ biến nhất là dầu diesel sinh học, The cồn sinh học, The khí sinh học và hydro sinh học. Mỗi loại nhiên liệu này được lấy từ các thành phần khác nhau của vi tảo, chẳng hạn như lipid và carbohydrate.
Diesel sinh học từ vi tảo
El dầu diesel sinh học Nó là một trong những nhiên liệu sinh học nổi tiếng nhất và được lấy chủ yếu từ lipid (chất béo) mà vi tảo lưu trữ bên trong. Để tạo ra nó, lipid được chiết xuất từ tế bào tảo và sau đó trải qua một quá trình hóa học được gọi là quá trình chuyển hóa, chuyển đổi chúng thành metyl este, thành phần chính của dầu diesel sinh học.
Quá trình chiết xuất tốn kém, nhưng nghiên cứu về kỹ thuật chiết xuất lipid mới và sự phát triển của vi tảo giàu axit béo đang tiến triển nhanh chóng. Hơn nữa, những tiến bộ nhất định trong việc xử lý sinh khối tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học đã cho phép đạt được hiệu quả cao hơn trong việc thu được dầu diesel sinh học, chủ yếu thông qua các kỹ thuật như hóa lỏng thủy nhiệt (HTL), xử lý sinh khối ướt ở áp suất và nhiệt độ cao.
Ethanol sinh học từ vi tảo
El cồn sinh học Nó thu được thông qua quá trình lên men carbohydrate được lưu trữ trong vi tảo. Sau khi tiền xử lý sinh khối để tách đường, nấm men và vi khuẩn được sử dụng để chuyển hóa carbohydrate thành ethanol. Mặc dù quy trình này tương tự như quy trình được sử dụng cho ngô hoặc mía, nhưng vi tảo có ưu điểm là chúng không cần diện tích đất hoặc phân bón lớn và không cạnh tranh với các loại cây trồng dành cho con người.
Khí sinh học từ vi tảo
El khí sinh học Nó là một loại nhiên liệu sinh học khác có thể được sản xuất bằng vi tảo. Thông qua quá trình phân hủy kỵ khí, carbohydrate và lipid có trong tảo bị phân hủy trong điều kiện không có oxy để tạo ra khí mê-tan và carbon dioxide. Khí sinh học này có thể được sử dụng giống như khí tự nhiên, cho phép tạo ra điện hoặc sử dụng trong hệ thống sưởi ấm.
Nhiên liệu sinh học trong công nghiệp và giao thông
Ngoài việc sản xuất điện từ khí sinh học, nhiên liệu sinh học thu được từ vi tảo còn có những ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực như giao thông vận tải và hàng không. Hiện nay, dầu diesel sinh học được sản xuất từ vi tảo đang được nghiên cứu như một giải pháp thay thế khả thi cho nhiên liệu trong ngành hàng không thương mại, một trong những lĩnh vực khó khử cacbon nhất. Anh ta dầu hỏa sinh học có nguồn gốc từ vi tảo có thể là một giải pháp khả thi để giảm lượng khí thải CO2 trong lĩnh vực này.
Các ứng dụng cũng đang được nghiên cứu ở sản xuất polyme sinh học, là loại nhựa có khả năng phân hủy sinh học được tạo ra từ các sản phẩm phụ như glycerol thu được trong quá trình chuyển hóa lipid. Điều này có thể tăng thêm giá trị kinh tế cho việc sản xuất vi tảo, khiến chúng cạnh tranh hơn với các nguyên liệu thô khác được sử dụng làm nhiên liệu sinh học.
Chi phí sản xuất tiếp tục là trở ngại chính cho việc thương mại hóa đại trà nhiên liệu sinh học từ vi tảo, nhưng tiến bộ khoa học công nghệ cho thấy một tương lai đầy hứa hẹn cho ngành này. Khi hiệu quả trong quá trình trồng trọt và khai thác được cải thiện và công nghệ tinh chế nhiên liệu sinh học được hoàn thiện, chắc chắn vi tảo sẽ trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo chính trên thế giới.
Tóm lại, vi tảo không chỉ hứa hẹn trong việc sản xuất nhiên liệu sinh học mà còn đưa ra giải pháp bền vững để giảm thiểu các vấn đề về năng lượng và môi trường của xã hội chúng ta. Khả năng thích ứng với các môi trường khác nhau, hiệu suất năng suất cao và khả năng hấp thụ CO2 khiến vi tảo trở thành một lựa chọn tuyệt vời trong việc tìm kiếm các giải pháp thay thế năng lượng sạch và khả thi.