Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một chiến lược để làm cho nhiên liệu sinh học cạnh tranh hơn là làm cho các nhà máy tự làm một số công việc. Các nhà khoa học có thể thiết kế các nhà máy để sản xuất các hợp chất hóa học có giá trị hoặc sinh phẩm khi chúng phát triển. Sau đó, các chế phẩm sinh học có thể được chiết xuất từ nhà máy và nguyên liệu thực vật còn lại có thể được chuyển đổi thành nhiên liệu. Nhưng một phần quan trọng của chiến lược này vẫn chưa rõ ràng – chính xác bao nhiêu sinh vật cụ thể mà các nhà máy sẽ cần phải thực hiện để làm cho quá trình khả thi về mặt kinh tế?
Nhiên liệu sinh học là một phần quan trọng trong chiến lược rộng lớn hơn để thay thế xăng, dầu diesel và nhiên liệu phản lực dựa trên dầu mỏ mà chúng ta sử dụng ngày nay. Tuy nhiên cho đến nay, nhiên liệu sinh học không đạt được mức ngang giá với nhiên liệu dầu mỏ thông thường.
Một chiến lược để làm cho nhiên liệu sinh học cạnh tranh hơn là làm cho các nhà máy tự làm một số công việc. Các nhà khoa học có thể thiết kế các nhà máy để sản xuất các hợp chất hóa học có giá trị hoặc sinh phẩm khi chúng phát triển. Sau đó, các chế phẩm sinh học có thể được chiết xuất từ nhà máy và nguyên liệu thực vật còn lại có thể được chuyển đổi thành nhiên liệu. Khi được sản xuất trong chính nhà máy, chế phẩm sinh học có thể giúp giảm chi phí của nhiên liệu sinh học.
Nhưng một phần quan trọng của chiến lược này vẫn chưa rõ ràng – chính xác bao nhiêu sinh vật cụ thể mà các nhà máy sẽ cần phải thực hiện để làm cho quá trình khả thi về mặt kinh tế?
Bây giờ các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley của Phòng Năng lượng (Phòng thí nghiệm Berkeley) và Viện Năng lượng sinh học chung của Bộ Năng lượng (JBEI) được quản lý bởi Phòng thí nghiệm Berkeley đã cung cấp định nghĩa đầu tiên về số tiền này. Nghiên cứu của họ cùng được dẫn dắt bởi Corinne Scown và Patrick Shih đã được công bố gần đây trong Kỷ yếu của Viện hàn lâm Khoa học Quốc gia .
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã thu thập thông tin về một nhóm các chế phẩm sinh học được nghiên cứu kỹ lưỡng rằng thực vật có thể sản xuất một cách hiệu quả – từ hương vị và hương liệu đến nhựa phân hủy sinh học. Làm một sinh phẩm có giá trị sẽ giúp bù đắp chi phí sản xuất nhiên liệu sinh học và làm cho toàn bộ quá trình rẻ hơn.
“Đó là một giải pháp thực sự tao nhã để có thể chế tạo một nhà máy để tích lũy trực tiếp một sản phẩm sinh học có giá trị”, Scown, nhà nghiên cứu tại Khu vực Công nghệ Năng lượng của JBEI và Berkeley Lab cho biết.
Sau đó, họ đã thiết kế và mô phỏng những gì cần thiết để chiết xuất các chế phẩm sinh học này từ nguyên liệu thực vật trong bối cảnh nhà máy sinh học ethanol. Trong môi trường này, các chế phẩm sinh học có giá trị sẽ được chiết xuất từ nhà máy trong khi nguyên liệu thực vật còn lại sẽ được chuyển đổi thành ethanol.
Điều này giúp họ trả lời hai câu hỏi quan trọng: số lượng sinh học mà nhà máy cần sản xuất để làm cho quá trình chiết xuất có giá trị và số tiền cần phải được thực hiện để đạt được giá bán ethanol mục tiêu là 2,50 đô la mỗi gallon.
Thật ngạc nhiên, kết quả của họ cho thấy số lượng thực vật cần thực hiện là khá khả thi. Ví dụ, họ tính toán rằng khi tích lũy ở mức 0,6% trọng lượng khô sinh khối, một hợp chất như limonene – được sử dụng trong hương vị và hương thơm – sẽ mang lại lợi ích kinh tế ròng cho các nhà máy sinh học. Nói cách khác, nếu họ có thể thu hoạch 10 tấn sinh khối lúa miến khô từ một mẫu đất, họ chỉ cần thu hồi khoảng 130 pound limonene từ sinh khối đó.
“Các nhà nghiên cứu trong Bộ phận Feedstocks của chúng tôi đã rất ngạc nhiên bởi mức độ mục tiêu khiêm tốn như thế nào,” Scown nói. “Các mức chúng ta cần tích lũy trong các nhà máy để bù đắp chi phí phục hồi sinh học và giảm giá nhiên liệu sinh học là trong tầm tay.”
Kết quả của họ cho thấy chiến lược giảm chi phí nhiên liệu sinh học này là khả thi – nhưng các nhà khoa học không nên đặt tất cả trứng vào một giỏ vì thị trường cho mỗi sản phẩm giá trị cao bị giới hạn về kích thước. Phân tích của họ cho thấy rằng chỉ cần năm nhà máy sinh học quy mô thương mại có thể hỗ trợ toàn bộ nhu cầu thị trường năm 2025 cho limonene. Scown cho biết cây trồng cần phải được thiết kế để sản xuất một loạt các sản phẩm để đảm bảo ngành công nghiệp được đa dạng hóa và thị trường không bị ngập trong bất kỳ một sản phẩm nào.
“Với các mô hình kinh tế kỹ thuật, nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết mới về vai trò của các chế phẩm sinh học trong việc cải thiện tính kinh tế của các nhà máy sinh học”, Minliang Yang, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại JBEI và tác giả chính của nghiên cứu cho biết.
Scown cho biết tác động lớn nhất của bài báo là nó cung cấp cơ sở định lượng đầu tiên để thực sự thực hiện chiến lược tiết kiệm chi phí này, tạo điểm khởi đầu cho các nhà khoa học đang cố gắng thiết kế hoặc nhân giống các nhà máy tự tạo ra các sản phẩm sinh học và bù đắp chi phí làm nhiên liệu sinh học như là kết quả.
“Tôi nghĩ rằng nghiên cứu này chỉ là bước đầu tiên để chứng minh tiềm năng trong tương lai của các loại cây nguyên liệu năng lượng sinh học được thiết kế,” Shih, Giám đốc Thiết kế của Biosystems Plant tại JBEI cho biết. “Tôi sẽ tưởng tượng rằng những phát hiện của chúng tôi sẽ giúp thúc đẩy những nỗ lực trong tương lai để làm cho nhiên liệu sinh học có hiệu quả kinh tế.”
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học DOE.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Lawrence Berkeley . Bản gốc được viết bởi Emily Scott. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :