Sản xuất biodiesel với giá thành thấp: Một bước ngoặt mới

Vào năm 1900, tại Hội chợ thế giới tổ chức tại Paris, Rudolf Diesel đã biểu diễn động cơ dùng nhiên liệu biodiesel chế biến từ dầu phộng (lạc), mở ra một dấu mốc quan trọng cho lĩnh vực nghiên cứu về loại nhiên liệu này. Cho đến hơn một thế kỷ sau, trong bối cảnh nguồn tài nguyên dầu mỏ đang cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, việc sử dụng nhiên liệu thân thiện với môi trường từ dầu thực vật hay mỡ động vật như biodiesel đã trở thành một phương án thay thế khả thi.

Ngày nay, đã có nhiều cơ sở sản xuất biodiesel từ cây cải dầu, dầu cây đậu nành hay dầu cây hướng dương, mỡ động vật… trên toàn thế giới. Vậy đâu là nguồn nguyên liệu đầu vào phù hợp nhất với Việt Nam? ­­­­Theo GS Lưu Văn Bôi, người đã dành hàng chục năm theo đuổi lĩnh vực chế tạo nhiên liệu biodiesel bằng công nghệ sạch, câu trả lời là mỡ cá tra.

Mỗi năm, các doanh nghiệp và nông dân Đồng bằng sông Mekong sản xuất được khoảng 1,5 triệu tấn ca tra. Quá trình chế biến cá phát sinh khoảng 800.000 tấn phụ phẩm, trong đó có khoảng 150.000 tấn dầu cá. Phần dầu cá này dù không thể ‘bước’ lên các chuyến hàng xuất khẩu, nhưng đó cũng không phải là thứ bỏ đi. Khoảng 50% số mỡ cá này được tinh luyện làm dầu ăn, số còn lại được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất thức ăn gia súc hoặc biodiesel.

Tuy nhiên, dù đã có nhiều nhà khoa học tiến hành phát triển quy trình chế tạo biodiesel từ mỡ cá tra, nhưng họ vẫn chưa đề ra được một quy trình công nghệ nghiêm nhặt, dẫn đến sản phẩm biodiesel chưa tinh khiết và không tuân thủ tiêu chuẩn quốc tế, gây hậu quả khi đưa vào sử dụng thực tế. Điều này dẫn đến một số nhận định sai lầm cho rằng biodiesel từ mỡ cá tra không thể pha trộn làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel1.

Chúng ta đã có thể chủ động được nguồn nhiên liệu, không phụ thuộc vào bên ngoài, nhưng làm thế nào để có được một quy trình tốt? Đó là câu hỏi mà GS Lưu Văn Bôi vẫn luôn trăn trở trong suốt quá trình nghiên cứu.

Thêm vào đó, một quy trình chuẩn là chưa đủ, quy trình ấy còn phải áp dụng phương pháp đơn giản, thiết bị rẻ tiền, điều này sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn. “Tại sao lại như vậy? Câu trả lời chứa trong cấu trúc giá thành biodiesel”, GS Lưu Văn Bôi nhận định. “Sử dụng các thiết bị hiện đại, đắt tiền thì thời gian khấu hao lâu, giá biodiesel cao, không cạnh tranh được với diesel dầu mỏ”, chính vì vậy, khi chúng ta đã chủ động được giá nguyên liệu đầu vào – mà cụ thể là mỡ cá tra, nếu còn tìm ra được một phương pháp đơn giản, không tốn kém nữa, thì giá biodiesel sẽ còn thấp hơn rất nhiều.

Không chỉ với phòng thí nghiệm của GS Lưu Văn Bôi, mà bài toán “Làm thế nào để tối ưu quá trình sản xuất biodiesel?” là một vấn đề gây đau đầu cho các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới trong nhiều năm qua.

Trước đây, quá trình sản xuất biodiesel thường sử dụng metanol làm rượu trong phản ứng. Một mặt, giá thành metanol tương đối thấp; mặt khác, metanol có các ưu điểm về kỹ thuật như mạch carbon ngắn, độ phân cực lớn nên khả năng phản ứng cao, tạo nhũ tương với glycerin và biodiesel không bền nên dễ tách và làm sạch. “Tuy nhiên, metanol cũng có nhiều nhược điểm quan trọng. Trước hết là độc tính cao; thứ hai là việc gọi metyl biodiesel là nhiên liệu tái tạo vẫn là vấn đề đang gây tranh cãi, bởi hiện nay metanol được sản xuất chủ yếu từ khí dầu mỏ”, GS Lưu Văn Bôi nhận xét.

Vì lẽ đó, các nhà khoa học trên thế giới đã chuyển sang dùng etanol để thay thế cho metanol. “Etanol được sản xuất từ các nguyên liệu nguồn gốc thực vật, nên etyl biodiesel đúng nghĩa là nhiên liệu tái tạo”, ông nhận định. So với metanol, etanol ít độc hơn, nhiệt năng cao hơn, nhiệt độ kết tinh thấp hơn, tính chất lưu biến tốt hơn, tính ổn định oxy hóa, tính bôi trơn, khả năng phân hủy sinh học và đặc tính khí thải đều tốt hơn. Nhưng etanol lại không phải là một phương án thay thế hoàn hảo. Sản xuất biodiesel từ etanol với xúc tác KOH đã đặt các nhà khoa học vào một tình thế nan giải khác, đó là so với metanol, etanol có hai nhược điểm: thứ nhất, mạch carbon dài hơn metanol, nên khả năng phản ứng kém hơn; thứ hai là phản ứng tạo nhũ tương bền hơn với glycerin và biodiesel, nên việc tách và làm sạch sản phẩm khó khăn hơn.

“Dầu mỡ là nguyên liệu ít tan trong ancol, nên phản ứng chỉ xảy ra trên bề mặt pha, do đó phải đun khuấy mạnh, dẫn đến thời gian phản ứng dài, tiêu tốn nhiều năng lượng, độ chuyển hóa thấp, chất thải nhiều, tách sản phẩm khó khăn, và cuối cùng dẫn đến giá thành sản phẩm cao”, GS Lưu Văn Bôi giải thích.

Vì việc tách và làm sạch sản phẩm khó khăn, nên gần đây, rất nhiều nhà khoa học thuộc lĩnh vực này đã đề xuất các phương pháp nhằm cải thiện quá trình tách etyl biodiesel sau phản ứng. Tuy nhiên, cho đến nay, các ý tưởng đều có giá thành quá cao hoặc hiệu quả không được như kỳ vọng.

Nhóm nghiên cứu đã quyết định thử nghiệm chế tạo este etyl cacboxylat (còn gọi là etyl biodiesel hoặc FAEE) từ mỡ cá tra và rượu etanol bằng phương pháp mới, sử dụng chính sản phẩm phản ứng là FAEE làm đồng dung môi. “Đây chính là điểm mới của chúng tôi”, GS Bôi phân tích, “phương pháp đồng dung môi là dùng một loại dung môi hòa tan được cả hai tác nhân chính của phản ứng – mà cụ thể ở đây là metanol và mỡ cá, làm cho phản ứng xảy ra trong môi trường đồng thể, tốc độ phản ứng cao, thời gian phản ứng ngắn (phản ứng kết thúc sau khoảng 50 phút), hiệu suất và độ chuyển hóa cao, chất thải ít, tách sản phẩm nhanh chất lượng biodiesel cao”. Trong khi đó, mỡ cá và metanol không tan lẫn nhau sẽ khiến phản ứng xảy ra trên bề mặt pha, tốc độ chậm – hơn 120 phút, độ chuyển hóa thấp, do đó hiệu suất và chất lượng biodiesel không cao.

Để tìm được điều kiện thích hợp cho phản ứng chuyển đổi este của mỡ cá tra bằng etanol với xúc tác KOH, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu của tỷ lệ mol mỡ/etanol, hàm lượng xúc tác (% khối lượng mỡ cá), hàm lượng đồng dung môi FAEE (% khối lượng mỡ cá), thời gian và nhiệt độ, lên hiệu suất etyl biodiesel.

“Kết quả cho thấy do thời gian phản ứng ngắn với độ chuyển hóa rất cao (>99%) và không cần cất loại đồng dung môi FAEE nên giá thành sản phẩm giảm khoảng 30%”, GS Bôi tự tin khẳng định. “Lúc này, giá nguyên liệu đầu vào (dầu mỡ) chiếm 80% giá thành biodiesel”, mà nguyên liệu đầu vào là phần mà nước ta có thể chủ động, nên việc sản xuất biodiesel không còn đắt đỏ.

Tuy nhiên, dù không gặp khó khăn về mặt công nghệ, GS Lưu Văn Bôi vẫn nhận thấy phòng thí nghiệm của ông buộc phải tiếp tục khai phá thêm những hướng mới trong nghiên cứu này, nếu muốn tạo ra phương pháp có tính cạnh tranh. “Cái khó nhất trong sản xuất biodiesel mà thế giới, và cả phòng thí nghiệm của tôi, đang gặp phải là giá dầu mỏ hạ thấp đột ngột, kéo dài, mà giá nguyên liệu đầu vào cho biodiesel lại không hạ, vì vậy biodiesel không bán được – dù giá biodiesel từ phòng thí nghiệm của chúng tôi chỉ bằng khoảng 60% thế giới”, GS Bôi chia sẻ.

Để vượt qua khó khăn này, phòng thí nghiệm của ông đã quyết định nghiên cứu sản xuất nhiều sản phẩm cùng một lúc để tăng khả năng cạnh tranh, thay vì chỉ tạo ra một sản phẩm là biodiesel như trước đây. Nỗ lực để vượt qua được khó khăn này của cả nhóm đã được thể hiện thông qua kết quả của nghiên cứu trên, khi mà nghiên cứu không chỉ hướng đến tạo ra một phương pháp đồng dung môi đơn giản, hiệu quả, mà FAEE trong nghiên cứu còn là sản phẩm đa ứng dụng, có thể dùng làm nhiên liệu động cơ và phân đoạn giàu este của các axit omega-3, - 6, - 9 có thể được tách ra để sản xuất thực phẩm chức năng có giá trị gia tăng cao.

Theo ông, thành công này không chỉ là cái mới của riêng cả nhóm, mà thực sự đã mở ra hướng mới về công nghệ. “Đó là phương pháp một giai đoạn (one pot)”, GS Lưu Văn Bôi giải thích. “Phương pháp này hướng đến sản xuất đồng thời biodiesel, chất hóa dẻo và chất ổn nhiệt cho nhựa PVC và cao su từ bất cứ loại dầu mỡ nào. Đây khả năng sẽ là bước ngoặt trong việc xây dựng kịch bản mới về công nghệ sản xuất biodiesel giá thành thấp”.

Việc thử nghiệm chất hóa dẻo và chất ổn nhiệt từ quá trình sản xuất biodiesel của nhóm nghiên cứu đã có kết quả tốt, tuy nhiên, theo Giáo sư, muốn đưa vào áp dụng thực tế phải cần thêm thời gian. “Doanh nghiệp đang dùng các phụ gia nhập khẩu, sản phẩm đang được tiêu thụ (trong và ngoài nước) ổn định. Do đó, phải chờ xem mẫu sản phẩm sản xuất từ phụ gia của ta có phát sinh rủi ro hay không”, ông cho biết.

Dù đang phải đối diện với rất nhiều khó khăn, nhưng trong bối cảnh nhân loại đang phải đối mặt với một cuộc khủng hoảng về năng lượng, thì biodiesel chắc chắn sẽ là nhiên liệu của tương lai, như những gì mà Rudolf Diesel đã từng dự báo vào năm 1912: “Hiện nay, việc dùng dầu thực vật cho nhiên liệu động cơ có thể không quan trọng, nhưng trong tương lai, những loại dầu như thế chắc chắn sẽ có giá trị không thua gì các sản phẩm nhiên liệu từ dầu mỏ và than đá”.