Ngày nay chế phẩm sinh học được sử dụng trong nhiều ngành nghề, lĩnh vực khác nhau. Đây được xem là nguyên liệu của tương lai và quan trọng với con người. Vậy chế phẩm sinh học là gì? Phân loại và những ứng dụng quan trọng.
Chế phẩm sinh học là gì ?
Chế phẩm sinh học là sản phẩm được làm từ một số thành phần của vật liệu sinh học hoặc tái tạo sinh học trong sản phẩm sinh học liên quan đến đầu vào có nguồn gốc sinh học, bao gồm nông nghiệp [như cây trồng và các chế phẩm từ cây trồng, ngũ cốc chưng cất khô] hoặc chế biến thực phẩm [sản phẩm phụ, dư lượng và các nguyên liệu đặc biệt].
Lâm nghiệp là một nguồn nguyên liệu sinh học tiềm năng khác nhưng sẽ không được thảo luận trong bài này. Tuy nhiên, không có định nghĩa về “sinh thái học” được chấp nhận rộng rãi, về cơ bản nó có thể được mô tả như một nền kinh tế dựa trên sản xuất bền vững các sản phẩm, toàn bộ hoặc một phần, từ các nguồn tái tạo.
Nó bao gồm tất cả các quá trình, từ sản xuất nguyên liệu thông qua giai đoạn chế biến để sản xuất các sản phẩm cuối cùng, ngoài các quá trình nghiên cứu, phát triển và thương mại hóa.
Ứng dụng của chế phẩm sinh học
Hiện nay chế phẩm sinh học được ứng dụng vào nhiều ngành sản xuất, năng lượng khác nhau gồm:
Năng lượng sinh học
Năng lượng sinh học được tạo ra ở dạng lỏng, rắn hoặc khí khi sinh khối được xử lý, sử dụng các quá trình vật lý, sinh hóa, nhiệt hóa và các quá trình khác.
Ethanol
Ethanol và diesel sinh học là hai loại nhiên liệu sinh học phổ biến nhất thường được pha trộn với xăng hoặc dầu diesel, tương ứng, để sử dụng làm nhiên liệu vận chuyển hoặc sưởi ấm.
Hiện nay, ngô và lúa mì là hai nguyên liệu chính cho sản xuất ethanol . Với ngô là nguyên liệu chính cho ethanol được sản xuất thông qua quá trình lên men sinh hóa. Tại Việt Nam thì xăng E5 được làm từ Ethanol đang được thay thế dần cho các loại xăng pha chì như E92 truyền thống.
Dầu diesel sinh học
Dầu diesel sinh học thường được sản xuất bằng cách chuyển hóa học của dầu thực vật, chất béo và mỡ nhờ một quá trình gọi là transesterfication. Đậu tương và canola là những ví dụ về các loại cây có dầu có thể được sử dụng trong sản xuất biodiesel.
Các dư lượng chế biến như dầu thực vật tái chế từ các nhà hàng và chất béo từ việc tạo hình động vật cũng có thể được xử lý thành dầu diesel sinh học. Vi tảo là thực vật thủy sinh quang hợp sản xuất và tích lũy một lượng dầu đáng kể có thể được sử dụng để sản xuất biodiesel. Nghiên cứu đang được tiến hành để mở rộng quy mô sản xuất tảo đến một cấp độ công nghiệp.
Dầu sinh học hoặc dầu nhiệt phân
Dầu sinh học được sản xuất bởi một quá trình nhiệt phân liên quan đến sự phân hủy nhiệt nhanh chóng của các vật liệu hữu cơ như gỗ và sinh khối nông nghiệp, trong trường hợp không có oxy. Chất lượng của dầu sinh học phụ thuộc vào loại sinh khối được sử dụng.
Dầu sinh học chất lượng cao có hàm lượng nước thấp và có thể thay thế cho dầu diesel, dầu nhiên liệu nặng, dầu nhiên liệu nhẹ hoặc khí tự nhiên làm nhiên liệu dễ cháy. Ngoài ra, một số loại dầu sinh học có chứa hóa chất có giá trị cao có ứng dụng công nghiệp hoặc y tế.
Biogas
Tiêu hóa kỵ khí là một quá trình trong đó các vật liệu hữu cơ như phân bón, dư lượng cây trồng nông nghiệp, cây năng lượng chuyên dụng và dư lượng chế biến thực phẩm được tiêu hóa bởi vi khuẩn, trong trường hợp không có oxy, để tạo ra biogas.
Khí sinh học thường chứa 50% -60% mêtan và 35% -40% carbon dioxide và có thể đốt cháy trực tiếp trong động cơ đốt trong để tạo ra năng lượng và nhiệt. Khí sinh học cũng có thể được tinh chế để sản xuất khí mê-tan chất lượng cao để bổ sung nguồn cung cấp khí tự nhiên.
Vật liệu sinh học
Được ứng dụng để sản xuất các thiết bị thực phẩm hay sản phẩm rắn, phục vụ nhu cầu sinh hoạt của con người gồm:
Biocomposites và Biofibres
Biofibres là sợi tái sinh, phân hủy sinh học được sản xuất từ gỗ, dư lượng cây trồng nông nghiệp và các loại cây trồng có mục đích như cây gai dầu, lanh.
Biofibres hiện nay được sử dụng để sản xuất các cấu kiện [như cầu thang, sàn, cửa và kệ], và cho ngành xây dựng và đồ nội thất và có thể được sử dụng trong sản xuất giấy và hàng dệt chất lượng cao.
Biofibres có thể được pha trộn với polyme và nhựa dựa trên dầu mỏ để sản xuất vật liệu biocomposite bền hơn, bền hơn, có nhiều ứng dụng trong ô tô [ví dụ, tấm cửa], hàng không vũ trụ và các ngành sản xuất khác.
Bioplastics
Bioplastics là các polyme được sản xuất từ các loại cây trồng tinh bột [ví dụ ngô, khoai tây, lúa mì] và các loại dầu thực vật [ví dụ, cải dầu hoặc đậu nành], chứ không phải là nguyên liệu dầu mỏ. Ví dụ, tinh bột ngô có thể được xử lý sinh hóa thành axit lactic, sau đó được chuyển hóa thành axit polylactic để sử dụng trong sản xuất nhựa sinh học.
Bioplastics có khả năng phân hủy sinh học và đang được áp dụng cho một số ứng dụng trong ngành bao bì, dao kéo, làm vườn và dược phẩm. Giá nhựa được liên kết trực tiếp với chi phí dầu thô, tăng thêm sự quan tâm trong sản xuất nhựa sinh học.
Hóa sinh
Ứng dụng trong Công nghiệp
Một số hóa chất công nghiệp truyền thống được sản xuất từ dầu mỏ có thể được sản xuất từ các nguồn thực vật. Dầu thực vật từ ngô, đậu tương và cải dầu cũng có thể được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất các hóa chất như dung môi, chất bôi trơn, sáp và chất kết dính.
Chế biến sinh học hoặc hóa học của tinh bột thực vật như tinh bột ngô có thể sản xuất các hóa chất hữu cơ như axit axetic, axit succinic, glycerol và methanol, tất cả đều là nguyên liệu quan trọng để sản xuất các vật liệu sinh học có giá trị cao.
Dược sinh học
Dược sinh học là các hợp chất có nguồn gốc từ thực vật, chẳng hạn như vắc xin, kháng sinh và thuốc, có giá trị dược liệu. Cây có thể được biến đổi gen để sản xuất một loạt các hợp chất dược phẩm có giá trị và các enzyme công nghiệp.
Việc sản xuất các hợp chất hoạt động y tế trong thực vật có thể làm giảm đáng kể chi phí sản xuất, làm cho chúng rộng rãi hơn cho công chúng.
Mỹ phẩm
Một số mặt hàng như kem dưỡng da, xà phòng, dầu thực vật và chiết xuất thảo dược có thể được sản xuất từ nguyên liệu thực vật.
Dầu thực vật, tinh bột, protein và dẫn xuất của chúng có thể được sử dụng làm nguyên liệu chính để sản xuất một số sản phẩm chăm sóc cá nhân là một phần của cuộc sống hàng ngày, bao gồm chất khử mùi, dầu gội, sản phẩm chăm sóc da, trang điểm, kem chống nắng, làm đẹp và sản phẩm vệ sinh cá nhân.
Lợi ích của chế phẩm sinh học
Việc tái chế các sản phẩm từ chế phẩm sinh học giúp tiết kiệm 1 phần nguyên liệu và góp phần bảo vệ môi trường. Dưới đây là những lợi ích cụ thể mà chế phẩm sinh học mang lại.
Lợi ích kinh tế xã hội
- Gốp phần phát triển lĩnh vực kinh tế sinh học đa dạng và ổn định.
- Đa dạng hóa trang trại do sử dụng bổ sung nguồn cấp nguyên liệu nông nghiệp.
- Phát triển các ngành và sản phẩm mới.
- Tăng cơ hội kinh tế cho cộng đồng nông thôn.
- Giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch không tái tạo.
Lợi ích môi trường
- Giảm phát thải khí nhà kính trong sản xuất một số sản phẩm sinh học, thấp hơn so với sử dụng các sản phẩm từ dầu mỏ.
- Tăng độ an toàn cho môi trường, giảm độc tính và phân hủy sinh học nhiều hơn.
- Sản xuất bền vững nguyên liệu tái tạo.
Lợi ích môi trường
- Giảm phát thải khí nhà kính trong sản xuất một số sản phẩm sinh học, thấp hơn so với sử dụng các sản phẩm từ dầu mỏ.
- Tăng độ an toàn cho môi trường, giảm độc tính và phân hủy sinh học nhiều hơn.
- Sản xuất bền vững nguyên liệu tái tạo.
Kết luận: Chế phẩm sinh học là nguyên liệu thân thiện với môi trường và là nguồn nguyên liệu sẽ được sử dụng phổ biến trong tương lại gần.
Nhu cầu sử dụng vật liệu có nguồn gốc thực vật như sợi nấm, cây gai dầu, tảo, tre, nứa… đang được phát triển bởi các KTS nhận ra rằng khoảng một nửa lượng các-bon của tòa nhà được thải ra trước khi nó hoàn thiện.
Theo ông Jan Wurm – Trưởng nhóm nghiên cứu và đổi mới của tập đoàn kiến trúc và kỹ thuật Arup, mối quan tâm về lượng khí thải các-bon do quá trình xây dựng gây ra đang thúc đẩy nghiên cứu và phát triển đối với vật liệu biobased [có nguồn gốc từ thực vật].
Wurm cho biết nhu cầu về vật liệu sinh học như sợi nấm, cây gai dầu, tảo, tre và nứa ngày càng tăng khi các KTS tìm kiếm các vật liệu giảm thiểu lượng các-bon trong khí quyển thay vì thải ra nó.
“Đó là một không gian thực sự thú vị. Có rất nhiều công ty khởi nghiệp và rất nhiều khoản tài trợ, cùng với đó có rất nhiều thứ đang xảy ra” – Wurm chia sẻ.
Nhu cầu sử dụng vật liệu có nguồn gốc thực vật đang được phát triển bởi các KTS nhận ra rằng khoảng một nửa lượng carbon của tòa nhà được thải ra trước khi nó hoàn thiện.
Wurm nói: “Động lực lớn nhất là tập trung vào việc khử các-bon. Trọng tâm đã chuyển từ việc thiết kế cho các tòa nhà tiết kiệm năng lượng trở thành xem xét đến các vấn đề về các-bon”.
Wurm cho biết, môi trường xây dựng là nguyên nhân gây ra ước tính khoảng 40% tổng lượng phát thải khí nhà kính, tuy nhiên vai trò của xây dựng trong cuộc chiến chống các-bon đã bị bỏ qua cho đến thời gian gần đây.
“Trong suốt một thời gian dài, ngành xây dựng không phải là lĩnh vực được đề cập đến khi chúng ta nói về biến đổi khí hậu” – ông nói và chỉ ra rằng lần đầu tiên hội nghị khí hậu COP26 vào tháng 11 sẽ có một ngày dành riêng cho môi trường xây dựng. Ngoài ra, Ủy ban châu Âu trong tuần này lần đầu tiên công bố các đề xuất hạn chế khí thải từ các tòa nhà. “Vì vậy, bây giờ các vấn đề về xây dựng là một phần của cuộc thảo luận tổng thể về biến đổi khí hậu”.
Wurm là lãnh đạo nhóm nghiên cứu và đổi mới châu Âu tại Arup – tập đoàn kiến trúc và kỹ thuật toàn cầu có trụ sở chính tại London.
Ông đã làm việc trong các dự án vật liệu sinh học tiên phong bao gồm: Một sự án năm 2013 sử dụng tảo để tạo ra điện và dự án Hy-Fi năm 2014 tại MoMA PS1 ở New York , nơi ông hợp tác với Evocative Design để phát triển những viên gạch sợi nấm được sử dụng để xây dựng một tòa tháp tạm thời được thiết kế bởi công ty thiết kế The Living.
Gần đây hơn, ông đã cộng tác với công ty thiết kế sinh học Ý Mogu để tạo ra một loạt các tấm tường acoustic làm bằng sợi nấm. Nó ăn sinh khối chất thải như mùn cưa và hấp thụ cac-bon khi nó lớn lên. Vật liệu này ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn để đóng gói, cách nhiệt và các sản phẩm khác.
Mogu sản xuất nhiều loại vật liệu biobased bao gồm tấm tiêu âm sợi nấm và các sản phẩm lát sàn từ bioresins và chất thải nông nghiệp. Hệ thống mới được phát triển với Arup, được gọi là Foresta đã được công bố trong tuần này.
Sản phẩm Foresta tham gia vào một loạt các vật liệu sinh học thử nghiệm đang được sử dụng trong các dự án xây dựng. Phòng nghiên cứu vật liệu Atelier Luma đã bổ sung các lớp hoàn thiện nội thất làm từ tảo, hoa hướng dương và muối cho The Tower, một tòa nhà của Frank Gehry tại Quỹ Luma ở Arles, Pháp.
Bên cạnh đó, Practice Architecture đã làm việc với những người nông dân trồng cây gai dầu ở Steve Barron để xây dựng dự án Flat House – một ngôi nhà ở Cambridgeshire, Anh, có tính năng cách nhiệt và tấm ốp bên ngoài làm bằng giống cần sa.
Matthew Barnett Howland, Dido Milne và Oliver Wilton đã sử dụng các khối nút chai để xây dựng một dự án có tên “Ngôi nhà Cork” ở Berkshire, Anh, được lọt vào danh sách bình chọn cho Giải thưởng Stirling.
Thương hiệu nhựa sinh học Made of Air đã bao phủ một đại lý ô tô ở Đức bằng các tấm panel làm từ chất thải nông trại trộn với vật liệu sinh học.
Wurm cho biết những vật liệu thử nghiệm này hiện đang trở thành xu hướng chủ đạo mà các KTS có thể cân nhắc sử dụng chúng cho các dự án lớn.
Wurm nói: “Trọng tâm đang chuyển sang các-bon trọn đời. Gần như trong toàn bộ vòng đời của một tòa nhà, lượng khí thải carbon là 50% và 50% khi vận hành”.
Động lực tạo ra các tòa nhà hoàn toàn không tạo ra khí thải trong toàn bộ vòng đời của chúng có nghĩa là các KTS cần phải giảm lượng các-bon thể hiện, bao gồm tất cả lượng khí thải được tạo ra bởi quá trình sản xuất vật liệu cũng như quá trình xây dựng.
Wurm nói thêm: “Nếu chúng tôi muốn giảm lượng khí thải xuống mức không thực vào năm 2050, thì đó là lúc xảy ra một sự thay đổi lớn”, Wurm đề cập đến mốc thời gian của Thỏa thuận Paris 2015. Điều này kêu gọi tất cả lượng khí thải carbon sẽ kết thúc vào năm 2050 để giúp đáp ứng mục tiêu giữ cho sự nóng lên toàn cầu trong khoảng 1,5 độ C so với mức tiền công nghiệp.
Wurm nói rằng việc loại bỏ các-bon trong quá trình vận hành là tương đối đơn giản. “Có những giải pháp cho năng lượng. Có những giải pháp cho sự di chuyển. Nhưng làm thế nào để chúng ta giảm lượng khí thải các-bon cho xây dựng? Đó là một vấn đề thực sự cần được giải quyết và đó là lý do tại sao những vật liệu sinh khối này đang thực sự gia tăng nhu cầu”.
“Khó hơn nhiều để xử lý các-bon”, theo Hélène Chartier, người đứng đầu bộ phận phát triển dự án không các-bon tại mạng lưới quốc tế C40 Cities, việc đưa lượng khí thải này xuống mức 0 là điều “không thể”.
Chartier – người đang điều phối cuộc cạnh tranh quốc tế của C40 Cities để phát triển các khu dân cư không các-bon chia sẻ rằng: Các KTS nên giảm lượng khí thải hiện tại càng nhiều càng tốt và sau đó tìm cách bù đắp phần còn lại.
“Điều đó hoàn toàn không thể”, KTS chia sẻ với Dezeen trong một cuộc phỏng vấn, “Vì vậy, câu hỏi thực sự là thúc đẩy họ giảm lượng các-bon hiện tại đến mức tối đa và sau đó bù đắp phần cuối cùng.”
Càng giảm được nhiều lượng khí thải thể hiện thì lượng các-bon còn sót lại càng ít cần được bù đắp bằng các biện pháp khác, chẳng hạn như làm cho các tòa nhà trở nên âm các-bon trong quá trình sử dụng chúng.
Wurm cho biết: “50% các-bon thể hiện được giải phóng trong vòng vài năm khi vật liệu của dự án được chế tạo và lắp đặt. “Vì vậy, có một lượng lớn các-bon giải phóng trong một khoảng thời gian rất ngắn. Và về cơ bản, chúng tôi không có đủ thời gian để tiết kiệm thông qua việc vận hành hiệu quả tòa nhà. Nó không thực sự giúp chúng tôi giảm lượng khí thải các-bon suốt đời”.
Vật liệu sinh học cô lập các-bon thông qua việc quang hợp cung cấp một cách rõ ràng để giảm lượng khí thải carbon phía trước của một tòa nhà. Wurm nói: “Gỗ là vật liệu sinh học phổ biến nhất nhưng gỗ phải mất 100 năm để phát triển.
Vì vậy, tất cả các-bon mà chúng ta đang lưu trữ đã được tích tụ hơn 100 năm. Tất nhiên chúng tôi sẽ trồng lại cây khi chặt bỏ chúng. Nhưng tôi nghĩ thật thú vị khi loại bỏ áp lực khỏi rừng và xem chúng ta có thể sử dụng những vật liệu nào khác để thu giữ các-bon trong thời gian ngắn hơn.”
Tình trạng thiếu gỗ gần đây do nhu cầu gia tăng của con người và đại dịch liên quan đến gián đoạn chuỗi cung ứng đã buộc các KTS phải tìm kiếm các giải pháp thay thế tự nhiên, trong khi các quy định mới ở các nước bao gồm Pháp và Hà Lan đang buộc họ phải chuyển sang vật liệu sinh học.
“Chúng tôi đang cố gắng tìm các vật liệu có nguồn gốc sinh học khác và cố gắng tìm giải pháp để giảm lượng khí thải các-bon của chúng tôi bằng cách sử dụng các vật liệu hỗn hợp”, KTS người Pháp Lina Ghotmeh trả lời phỏng vấn với Dezeen.
Vật liệu sinh học có thể cô lập các-bon hiệu quả hơn cây cối. Nhà nghiên cứu vật liệu của Đại học Cambridge, Darshil Shah nói rằng một cánh đồng cây gai dầu phát triển nhanh sẽ hấp thụ lượng các-bon nhiều gấp đôi so với diện tích rừng tương đương.
Wurm nói: “Đây là lý do tại sao các vật liệu sinh khối rất thú vị. Đặc biệt là những cây sinh trưởng nhanh, vì chúng hấp thụ các-bon nhanh chóng”.
Dịch: Hương Lan | Nguồn: Dezeen
XEM THÊM: