Minh họa một khu “nông trại tảo” trong tương lai. Nguồn: REFAB

Từ lâu, tảo đã thân thuộc với đời sống con người bởi tính ứng dụng cao. Tảo có thể dùng làm thức ăn cho người và gia súc, một số còn được dùng làm phân bón, làm thuốc, nguyên liệu dùng trong công nghiệp như làm giấy, hồ dán, thuốc nhuộm… Hầu hết các loại tảo sống trong nước và tự dưỡng thông qua quang hợp nhờ ánh sáng Mặt trời và carbon dioxide (CO2). Chính ưu điểm trong chu trình tồn tại tự nhiên của tảo khiến những sinh vật này có khả năng chuyển đổi ánh sáng Mặt trời thành năng lượng hóa học, đồng thời tiêu thụ khí CO2 tạo ra sinh khối sạch, từ đó có thể chuyển hóa thành các dạng sản phẩm khác. Kết hợp các công nghệ sinh học, vật liệu và hóa học, dự án REFAB - Renewable Energy From Algae Biomass (Năng lượng tái tạo từ sinh khối tảo) của sáu nhà khoa học đến từ Viện Công nghệ và Môi trường (HN) và Đại học Công nghiệp TP.HCM hướng tới việc sử dụng tảo để tạo ra dầu diesel sinh học (biodiesel) - một nguồn nhiên liệu tái tạo và bền vững.

“Dự án nảy sinh từ việc chúng tôi nhận thấy tiềm năng của tảo - tảo rất nhanh có thể tạo ra được sinh khối, tảo cũng là một trong những loài thực vật đơn giản và nhanh nhất để có thể chuyển hóa CO2 và khí thải thành sinh khối, giúp giảm phát thải khí nhà kính” - Tiến sĩ Vũ Hồng Quân (Viện Công nghệ và Môi trường), thành viên của dự án, chia sẻ. “Kỳ vọng của chúng tôi là hướng đến việc thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng một loại nhiên liệu tái tạo và sạch hơn”.

Bài toán lớn nhất: Giá thành

Thông thường, quy trình sản xuất diesel sinh học bắt đầu bằng việc trồng và nuôi cấy tảo, bao gồm việc tạo điều kiện tốt nhất cho tảo sinh trưởng và phát triển (thông qua các yếu tố như: nhiệt độ, ánh sáng, nồng độ CO2, pH…) rồi thu hoạch. Tảo thu hoạch được sẽ trải qua quá trình chiết xuất lipid (chất béo), mục đích để tách các lipid có trong tảo ra. Lipid thu được lúc này sẽ được chế biến thành thành phần khí và chất lỏng, trong đó phần chất lỏng chính là diesel sinh học.

Trên thế giới hiện nay đã có nhiều công nghệ khác nhau để làm ra diesel sinh học, cũng có những dự án nghiên cứu sử dụng sinh khối tảo. Tuy nhiên, theo nhóm, cho đến hiện tại, các quy trình sản xuất diesel sinh học vẫn gặp cùng một rào cản “chưa vượt qua được” là giá thành cao. Dù tảo là nguyên liệu gần như miễn phí, việc nuôi trồng tảo chủ yếu nhờ vào các nguồn năng lượng có sẵn như năng lượng Mặt trời và CO2, nhưng các công nghệ và thiết bị cần có để chuyển đổi từ sinh khối tảo sang dầu diesel lại khá phức tạp và tốn kém. “Vì vậy trọng tâm nghiên cứu của nhóm chúng tôi đang dành cho vấn đề giảm giá thành” - anh Quân nói.

Điều đó có nghĩa là nhóm nghiên cứu đã xác định “giảm giá thành” sẽ là một trong những khác biệt và cải tiến nhất của dự án REFAB so với các dự án tương tự hiện có. Để giải bài toán này, nhóm đưa ra hai cách: một là tìm các phương pháp để tăng hiệu suất chuyển đổi từ lipid sang diesel, hai là sử dụng các chủng tảo vốn chứa hàm lượng lipid cao và dễ sinh trưởng. Như vậy, với cùng một số lượng tảo được nuôi trồng, cùng một số lượng thiết bị và công nghệ được sử dụng để sản xuất, dự án REFAB sẽ thu được lượng diesel nhiều hơn (so với các quy trình thông thường), khi đó, nhiên liệu sinh học sẽ không cần phải là một sản phẩm mang giá thành đắt đỏ, nằm ngoài khả năng tài chính của người dân.

Tại phòng thí nghiệm của dự án REFAB.

Đối với giải pháp tăng hiệu suất chuyển đổi từ lipid sang diesel, hiện tại nhóm đang áp dụng cùng lúc hơn bốn phương pháp. Theo anh Quân, các dự án thông thường sẽ chỉ sử dụng một đến hai phương pháp để chuyển đổi lipid sang diesel, còn trong dự án REFAB, với mục tiêu hạ giá thành sản phẩm, nhóm kết hợp cùng lúc nhiều phương pháp, để có thể tăng hàm lượng tinh chất cao nhất có thể của diesel tảo.

Giải thích về công đoạn này, anh Quân cho biết, sau khi đã chuyển hóa sinh khối tảo thành dầu, lượng dầu thô thu được chưa phải là diesel tinh khiết, cần phải có công nghệ để trích ly và tận thu tối đa hàm lượng diesel trong dầu thô. Với các quy trình thông thường, hàm lượng diesel thu được từ trong dầu thô chỉ đạt 15-20%, nhưng nhóm của anh hiện đã có thể kết hợp nhiều công nghệ để tăng hàm lượng dầu diesel lên đến 50%.

Phương pháp đầu tiên nhóm áp dụng được gọi là “phương pháp các bộ lọc tiên tiến”. Bởi trong dầu diesel sau khi đã chuyển hóa sẽ có hai thành phần gồm dầu và cặn, để có thể tăng hiệu suất tinh lọc dầu ra khỏi các cặn này, nhóm sẽ sử dụng nhiều màng tiên tiến hơn, thông qua các bộ lọc như: bộ lọc trung tính, bộ lọc thô, các bộ lọc nhiều giai đoạn,... Phương pháp thứ hai là “phương pháp kỹ thuật phân tách”, sử dụng một số chất tẩy rửa, các chất kết tủa mà có thể loại bỏ hoặc đóng rắn, hoặc biến phần cặn từ trạng thái lơ lửng chuyển thành các loại cặn kết tủa được (tức khiến nó lắng đọng lại), sau đó sẽ thu được phần diesel tinh khiết một cách dễ dàng. Phương pháp thứ ba là “phương pháp xử lý nhiệt”, sử dụng các nhiệt độ khác nhau và các bộ xúc tác khác nhau để xử lý diesel sinh học. Ngoài ra, nhóm cũng đang áp dụng thêm phương pháp thứ tư là sử dụng một số chất phụ gia tẩy rửa hoặc quá trình hydro hóa.

Việc kết hợp cùng lúc nhiều phương pháp chuyển đổi lipid sang diesel không khó, nhưng đòi hỏi sự tỉ mỉ cũng như nhiều thời gian, công sức của các thành viên trong nhóm hơn. Bên cạnh đó, nhóm cũng đặt mục tiêu hạ giá thành sản xuất (giảm hiệu suất đầu tư ban đầu), bằng cách phát triển các thiết bị khác có cùng công năng nhưng chi phí thấp hơn. Hướng đi hiện vẫn đang được nhóm nghiên cứu.

Song song với việc tăng hiệu suất chuyển đổi từ lipid sang diesel, giải pháp thứ hai của nhóm là tìm kiếm loại tảo lý tưởng nhất để chuyển đổi thành nhiên liệu - một loại tảo có chứa sẵn nhiều lipid trong thành phần tế bào, đồng thời dễ dàng sinh trưởng. Hiện nhóm đã tìm ra một số chủng tảo đáp ứng được yêu cầu trên, nhưng dự án vẫn đang tiếp tục theo dõi và thử nghiệm trên nhiều chủng khác để xác định được phương án tối ưu.

“Thực ra việc này không có gì quá khó khăn” - anh Quân nói, “chỉ cần xác định được đúng những loại tảo nào có hàm lượng dầu cao nhất, sau đó chúng tôi sẽ tiến hành nhân nó lên, đồng thời cải tạo giống tảo đó để chuyển thành các giống mà có hàm lượng dầu trong tảo nhiều hơn nữa”.

Những loại tảo đang được nhóm sử dụng đều là loại sống trong môi trường nước. Là một đất nước nhiệt đới với đường bờ biển dài và nhiều ánh nắng, Việt Nam đem đến điều kiện thích hợp cho những chủng tảo này phát triển - từ hàm lượng muối, năng lượng Mặt trời, môi trường nuôi trồng… đến điều kiện khí hậu.

“Đối với chúng tôi, điều quan trọng sau cùng không phải là làm ra được bao nhiêu lít dầu hay tốn bao nhiêu tiền cho lượng dầu đó” - anh Quân nói thêm, “Dĩ nhiên những cái đó quan trọng, nhưng giá trị quan trọng nhất đối với chúng tôi là việc hình thành nên một công nghệ lõi để chuyển đổi từ sinh khối cho tới lúc tạo ra được dầu thô với chi phí cạnh tranh. Công nghệ lõi này sẽ do người Việt chủ động, và mình nắm được quy trình đó từ gốc, từ lúc nuôi trồng cho đến lúc có sản phẩm cuối cùng”.

Mơ về những “nông trại tảo” trong tương lai

Hiện tại, dự án REFAB chưa tạo ra được một mô hình chuẩn mà vẫn đang ở trong giai đoạn nghiên cứu - phát triển sản phẩm, và sẽ còn cần thêm nhiều công đoạn nữa trước khi có thể hoàn thiện và tạo ra được một “công nghệ lõi”. Bên cạnh việc tiếp tục tìm kiếm và phát triển các phương pháp nhằm hạ giá thành, vẫn còn một số bài toán khác dành cho dự án, chẳng hạn, để đạt được cùng một mức công suất, lượng diesel sinh học cần sử dụng sẽ nhiều và tốn hơn so với lượng diesel từ nhiên liệu hóa thạch. Để tránh lãng phí các nguồn nguyên liệu khi sử dụng diesel sinh học, nhóm sẽ phải nghiên cứu giải pháp để nâng cao hiệu suất năng lượng của diesel sinh học so với diesel từ dầu mỏ.

Bên cạnh đó, bản thân việc nuôi trồng tảo dù dễ nhưng lại cũng khó. Các loại tảo nhóm đang sử dụng đều thu hoạch được trong vòng 30 ngày - tốc độ sinh trưởng nhanh của tảo một mặt đem đến hiệu quả nhanh chóng, một mặt lại tiềm tàng nhiều rủi ro (ví dụ như hiện tượng “nước nở hoa” sau khi tảo chết, gây ô nhiễm không khí). Với quy trình công nghệ trong phòng thí nghiệm, nhóm có thể kiểm soát được các rủi ro có thể xảy ra như vậy nhưng muốn mở rộng ở những quy mô lớn hơn thì họ vẫn cần thiết lập được một quy trình chuẩn, sẵn sàng có những giải pháp xử lý những vấn đề kỹ thuật có thể phát sinh.
Tuy nhiên một quy trình công nghệ chuẩn vẫn chưa đủ giải quyết mọi vấn đề, nếu muốn chuyển giao cho những doanh nghiệp có nhu cầu phát triển nhiên liệu sinh học. Là một người theo đuổi dự án từ ngày đầu, anh Quân hình dung được những yếu tố quan trọng để công nghệ tảo của anh và cộng sự bắt rễ. Đó là một vòng quan hệ gồm năm yếu tố: các nhà khoa học, các doanh nghiệp, các cơ quan nhà nước, khách hàng, và người dân (hay cộng đồng). “Nếu dự án REFAB nhận được sự ủng hộ của… cả năm yếu tố này thì sẽ thành công”.

Đó vốn là ước mơ của bất cứ người làm khoa học nào. Tuy nhiên, không phải dự án nào cũng may mắn nhận được đủ cả năm yếu tố này. Trên thực tế, nhóm tin rằng chỉ cần được sự ủng hộ từ hai trong số năm yếu tố trên là dự án đã có thêm nhiều triển vọng để tồn tại và mở rộng. Đó có thể là sự công nhận và góp sức của các nhà khoa học trong ngành; đó có thể là người dân, sẵn sàng thay đổi thói quen sử dụng nhiên liệu hóa thạch sang nhiên liệu sinh học; đó có thể là các doanh nghiệp, hỗ trợ nhóm những chiếc “máy sấy”, “tủ lạnh” ở quy mô lớn; và đó có thể là những chính sách đầu tư từ nhà nước khi đã nhận thấy giá trị và tiềm năng từ sinh khối tảo, đặc biệt trong bối cảnh ngày càng nhiều quốc gia trên thế giới đang hướng đến việc loại bỏ nhiên liệu hóa thạch.

“...Nông trại tảo”, anh Quân nói tiếp, “...các khu chế xuất hay các khu vực rộng rãi chuyên để nuôi và chuyển đổi tảo, tôi gọi chung là khu nông trại tảo. Ở đó, tảo sẽ có nhiệm vụ hấp thụ CO2 của các khu vực xung quanh và xử lý chúng, cùng lúc tảo được chuyển đổi thành nhiên liệu sinh học thông qua một chuỗi quy trình hợp lý… Đó mới là đích đến cuối cùng của dự án”.

-------
Thông tin thêm:

Dự án REFAB do sáu nhà khoa học đến từ Viện Công Nghệ và Môi trường (Hà Nội) và Đại học Công nghiệp TP.HCM thực hiện, gồm: TS. Nguyễn Trần Điện (trưởng nhóm), PGS. TS Nguyễn Văn Cường (đồng trưởng nhóm), PGS. TS. Võ Thế Kỳ, TS. Võ An Quân, ThS. Nguyễn Trần Dinh và Nguyễn Diệu Linh.