Trước tình trạng cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng, nhiên liệu sinh học (biofuel) đang trở thành một giải pháp bền vững giúp giảm thiểu phát thải khí nhà kính và đảm bảo an ninh năng lượng. Bioethanol, một trong những nhiên liệu sinh học phổ biến nhất, có thể được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như ngô, mía và cao lương ngọt. Trong số đó, cao lương ngọt (sweet sorghum) được xem là một nguyên liệu triển vọng nhờ vào tốc độ sinh trưởng nhanh, khả năng thích nghi với điều kiện khô hạn và hàm lượng đường cao trong thân cây.

1. Tiềm năng của cao lương ngọt trong sản xuất bioethanol

Bioethanol hiện chiếm khoảng 2/3 tổng sản lượng nhiên liệu sinh học toàn cầu. Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), sản lượng bioethanol toàn cầu đã tăng từ 100 tỷ lít vào năm 2010 lên 170 tỷ lít vào năm 2022, với mức tăng trưởng hàng năm đạt 6,1%. Tuy nhiên, cần phải tăng đáng kể sản lượng nhiên liệu sinh học để đi đúng hướng với kịch bản phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 (NZE) và mang lại mức giảm phát thải liên quan. Sản lượng nhiên liệu sinh học đạt hơn 10 EJ vào năm 2030 theo Kịch bản NZE, đòi hỏi mức tăng trưởng trung bình khoảng 11% mỗi năm. Việc sử dụng nguyên liệu thô tiên tiến cũng phải mở rộng: nhiên liệu sinh học được sản xuất từ chất thải và cặn bã cùng các loại cây trồng năng lượng phi thực phẩm đáp ứng hơn 40% tổng nhu cầu nhiên liệu sinh học vào năm 2030.

Cao lương ngọt là nguồn nguyên liệu tiềm năng nhờ vào đặc điểm nổi bật như: (i) Cây có thể sinh trưởng tốt trong điều kiện khô cằn, giúp giảm sự phụ thuộc vào nguồn nước tưới tiêu; (ii) Thân cây chứa 12-20% đường, giúp quá trình lên men bioethanol hiệu quả hơn so với các nguồn nguyên liệu khác; Sản lượng/sinh khối trung bình đạt từ 50-80 tấn/ha, cung cấp một lượng lớn nguyên liệu cho sản xuất ethanol; (iv) Chu kỳ thu hoạch cao lương ngọt thường chỉ kéo dài từ 3-5 tháng, so với 12-18 tháng đối với mía đường.

Ngoài ra, so với các nguyên liệu khác như ngô và mía đường, cao lương ngọt có chi phí sản xuất thấp hơn do không cần đất canh tác màu mỡ và ít phụ thuộc vào phân bón hóa học.

2. Các phương pháp sản xuất bioethanol từ cao lương ngọt

Có nhiều phương pháp để sản xuất bioethanol từ cao lương ngọt, bao gồm:

- Lên men từ nước ép thân cây: Thân cao lương chứa lượng đường cao, có thể được ép lấy nước để lên men trực tiếp thành ethanol.

- Sử dụng tinh bột từ hạt: Hạt cao lương chứa tinh bột có thể chuyển đổi thành đường thông qua quá trình thủy phân enzyme, sau đó lên men thành ethanol.

- Chuyển hóa lignocellulose từ bã thải: Phần bã sau khi ép nước có thể được xử lý bằng phương pháp hóa học hoặc enzyme để tách cellulose và hemicellulose thành đường đơn, sau đó lên men thành ethanol.

Mỗi phương pháp đều có ưu và hạn chế nhất định, trong đó quá trình thủy phân lignocellulose là phức tạp nhất do yêu cầu công nghệ cao.

3. Ứng dụng công nghệ nano trong sản xuất bioethanol

Công nghệ nano đang được nghiên cứu và ứng dụng để nâng cao hiệu suất sản xuất bioethanol từ cao lương ngọt. Một số công nghệ quan trọng bao gồm:

- Nanoenzyme: Cố định enzyme lên bề mặt hạt nano giúp thủy phân cellulose và hemicellulose nhanh hơn, cải thiện hiệu quả chuyển đổi sinh khối thành đường lên men.

- Nanoparticles (NPs): Các hạt nano được sử dụng để cải thiện quá trình tiền xử lý sinh khối, giúp phá vỡ cấu trúc lignocellulose hiệu quả hơn và giảm lượng enzyme cần thiết trong quá trình thủy phân.

- Nano cảm biến: Cho phép giám sát và điều chỉnh quá trình lên men theo thời gian thực, giúp tối ưu hóa hiệu suất sản xuất ethanol.

Nghiên cứu của Oraby et al. (2023) cho thấy rằng việc sử dụng hạt nano oxit kim loại trong tiền xử lý sinh khối có thể tăng hiệu suất thủy phân cellulose lên đến 30% so với các phương pháp truyền thống. Ngoài ra, ứng dụng nanoenzyme có thể giảm 40% lượng enzyme cần thiết để sản xuất bioethanol, giúp giảm chi phí đáng kể.

4. Thách thức và cơ hội

Mặc dù công nghệ nano mang lại nhiều lợi ích trong sản xuất bioethanol, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức như (i) Việc ứng dụng công nghệ nano yêu cầu các thiết bị tiên tiến và chi phí nghiên cứu phát triển lớn; (ii) Các quốc gia đang phát triển có thể gặp khó khăn trong việc tiếp cận và triển khai công nghệ nano vào sản xuất quy mô lớn; (iii) Một số vật liệu nano có thể gây tác động đến hệ sinh thái nếu không được xử lý đúng cách. Tuy nhiên, với những tiến bộ trong nghiên cứu và chính sách hỗ trợ từ chính phủ, công nghệ nano hứa hẹn sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc thương mại hóa sản xuất bioethanol bền vững.

Tóm lại, sản xuất bioethanol từ cao lương ngọt kết hợp với công nghệ nano là hướng đi tiềm năng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Nhờ vào khả năng sinh trưởng nhanh, chi phí thấp và hiệu suất sinh khối cao, cao lương ngọt có thể trở thành một giải pháp thay thế bền vững cho các nguồn nhiên liệu hóa thạch. Việc áp dụng công nghệ nano trong quá trình sản xuất giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi sinh khối, giảm chi phí và tối ưu hóa hiệu quả sản xuất ethanol. Mặc dù còn nhiều thách thức, nhưng với những tiến bộ trong nghiên cứu và đầu tư công nghệ, cao lương ngọt có thể trở thành một trong những nguồn nguyên liệu hàng đầu cho ngành công nghiệp bioethanol trong tương lai.

Tài liệu tham khảo

Bhuyan, N., Dutta, A., Mohan, R., Bora, N., & Kataki, R. (2021). Advances in nanotechnology for biofuel production. In Nanomaterials - Application in biofuels and bioenergy production systems (pp. 533-562).

International Energy Agency (IEA). Biofuel Annual Report 2023.

OECD/FAO (2021), “OECD-FAO Agricultural Outlook”, OECD agriculture statistics (database), https://doi.org/10.1787/agr-outl-data-en

Oraby, S., Hegazy, M. I., Labeeb, H. M., & Mahd, A. (2023). Iron oxide nanoparticle-based pretreatment for simultaneous elevated hydrolysis efficiency and methanization augmentation of Chlorella vulgaris biomass. Algal Research, 70, 102972. https://doi.org/10.1016/j.algal.2023.102972

Punia, P., Kumar, S. (2025). A critical review on enhanced bioethanol production from sweet sorghum using nanotechnology. Energy Nexus, 17, 100339.

Nhóm Nghiên cứu mạnh Vi sinh vật và an toàn thực phẩm

vnua.edu.vn