Xu hướng công nghệ, thị trường toàn cầu, và những thách thức trong sản xuất ethanol sinh học

TÓM LƯỢC:

Sử dụng ethanol làm chất phụ gia nhiên liệu hoặc trực tiếp như một nguồn
năng lượng. Giảm sự phụ thuộc vào dầu. Do đó, một số nước quan tâm đến việc
phát triển thị trường nội bộ của họ để sử dụng nhiên liệu sinh học này. Hiện nay,
hầu hết etanol sinh học đều được sản xuất từ ngũ cốc hoặc mía. Tuy nhiên, vì loại
nguyên liệu này chủ yếu là lương thực, các công nghệ hiệu quả và khả thi về mặt
kinh tế khác. Sản xuất etanol đã được đánh giá. Bài báo này xem xét một số công
nghệ hiện tại và đầy hứa hẹn Sản xuất Ethanol với các khía cạnh liên quan đến
nguyên liệu thô, quá trình, và các biến đổi kỹ thuật Phát triển. Các nhà sản xuất
chính và các quốc gia tiêu dùng và triển vọng tương lai cho thị trường ethanol cũng
được trình bày. Cuối cùng, các xu hướng công nghệ để mở rộng thị trường này
được thảo luận tập trung vào Chiến lược xúc tiến như việc sử dụng vi tảo và các hệ
thống liên tục với các tế bào cố định.


1. Giới thiệu
Sự khởi đầu của thế kỷ này được đánh dấu bằng động lực lớn cho việc sử dụng
nhiên liệu sinh học thay thế xăng. Một số quốc gia trên thế giới, bao gồm Braxin,
Hoa Kỳ, Canada, Nhật Bản, Ấn Độ, Trung Quốc và Châu Âu quan tâm đến việc
phát triển thị trường nhiên liệu sinh học nội bộ của họ và lập kế hoạch sử dụng các
nhiên liệu sinh học này. Các mối quan tâm như vậy chủ yếu được thúc đẩy bởi 1)
giá dầu tăng cao và nhận thấy rằng trữ lượng dầu mỏ toàn cầu đang cạn kiệt nhanh
chóng, 2) lo ngại về lượng phát thải nhiên liệu, 3) các yêu cầu của Nghị định thư
Kyoto và Kế hoạch Hành động Bali về phát thải cácbon, Cung cấp các cửa hàng
thay thế cho các nhà sản xuất nông nghiệp.
Ethanol, như một loại chất dễ cháy và sạch sẽ, được coi là một giải pháp
thay thế dầu tốt (Bai và cộng sự, 2008, Almeida và Silva, 2006). Mặc dù năng
lượng tương đương ethanol thấp hơn 68% so với nhiên liệu xăng, việc đốt ethanol
là sạch hơn (vì nó chứa oxy). Do đó, phát thải các chất độc hại thấp hơn (Krylova
và cộng sự, 2008). Sử dụng ethanol sinh học như một nhiên liệu vận chuyển cũng

có thể giúp giảm sự tích tụ CO2 theo hai cách quan trọng: bằng cách thay thế việc
sử dụng nhiên liệu hóa thạch và bằng cách tái chế CO2 thải ra khi nó được đốt
thành nhiên liệu. Bằng cách sử dụng ethanol sinh học thay vì nhiên liệu hóa thạch,
tránh được lượng phát thải từ việc sử dụng nhiên liệu hoá thạch, và hàm lượng
CO2 của các nhiên liệu hoá thạch được lưu giữ. Việc đốt ethanol thay vì xăng làm
giảm hơn 80% lượng khí thải carbon trong khi loại bỏ hoàn toàn sự giải phóng acid
sulfur dioxide gây ra bởi mưa axit (Lashinky và Schwartz, 2006). Tổng quan này
trình bày một cuộc thảo luận về các công nghệ hiện tại và hứa hẹn cho sản xuất
ethanol từ nông sản và cây trồng. Thị trường và sự tiến triển của các quốc gia trên
thế giới về sản xuất nhiên liệu sinh học này cũng được xem xét trong phần tiếp
theo. Các xu hướng và triển vọng trong tương lai để mở rộng thị trường này được
thảo luận chủ yếu nhấn mạnh vào các chiến lược giao dịch như sử dụng vi tảo và
các hệ thống liên tục với các tế bào cố định.
3. Các công nghệ hiện tại cho sản xuất ethanol
3.1. Nguyên vật liệu và quy trình
Các quy trình công nghệ sinh học chịu trách nhiệm cho phần lớn ethanol hiện đang
sản xuất. Khoảng 95% ethanol được sản xuất trên thế giới là từ các sản phẩm nông
nghiệp (Rossillo-Calle và Walter, 2006). Sản xuất ethanol từ cây trồng đường như
mía đường và củ cải đường chiếm khoảng 40% tổng lượng bioethanol sản xuất và
gần 60% tương ứng với cây tinh bột (Nền tảng nhiên liệu sinh học, 2010). Nhiên
liệu ethanol có thể được sản xuất từ quá trình lên men trực tiếp các loại đường đơn
giản hoặc các polysaccharides như tinh bột hoặc xenlulô có thể chuyển thành
đường. Do đó, các nguồn carbohydrate có thể được phân thành ba nhóm chính: (1)
các loại đường đơn giản: mía đường (Leite và cộng sự, 2009, Macedo và cộng sự,
2008); Củ cải đường (Içoz và cộng sự, 2009, Ogbonna và cộng sự, 2001); Lúa
miến (Yu và cộng sự, 2008, Prasad và cộng sự, 2007a, Mamma và cộng sự, 1995);
Whey (Dragone và cộng sự, 2009, Silveira và cộng sự, 2005, Gnansounou và cộng
sự, 2005, Domingues và cộng sự, 2001) và mật mía (Roukas, 1996); (2) tinh bột:
ngũ cốc như ngô (Persson và cộng sự, 2009. Gaspar và cộng sự, 2007); Lúa mỳ
(Nigam, 2001); Cây trồng chủ yếu như sắn (Kosugi và cộng sự, 2009,

Rattanachomsri và cộng sự, 2009, Amutha và Gunasekaran, 2001); (3) sinh khối
lignocellulosic: vật liệu bằng gỗ (Ballesteros và cộng sự, 2004), RƠM RẠ (Silva et
al., 2010, Huang và cộng sự, 2009), chất thải nông nghiệp (Lin và Tanaka, 2006)
và phụ phẩm thực vật (Hahn- Hägerdal và cộng sự, 2006).
Sản xuất ethanol thường được thực hiện theo ba bước: (1) thu được dung
dịch đường lên men, (2) lên men đường và etanol và (3) tách ethanol và tinh chế,
thường là qua quá trình chưng cất - tinh chế - khử nước (Demirbas, 2005). Bước
trước khi lên men, để có được đường lên men, là sự khác biệt chính giữa các quá
trình sản xuất ethanol từ đường đơn giản, tinh bột hoặc vật liệu lignocellulosic
(Hình 1). Các nhà máy đường chỉ cần một quy trình xay xát để khai thác đường để
lên men (không đòi hỏi bất kỳ bước thủy phân), trở thành quá trình chuyển đổi
đường thành ethanol. Trong quá trình này, ethanol có thể được lên men trực tiếp từ
nước mía hoặc nước củ cải đường hoặc từ mật đường thường thu được như một
sản phẩm phụ sau khi tách đường (Içoz et al., 2009). Tóm lại, quá trình sản xuất
ethanol từ mía bao gồm việc chuẩn bị, xay xát mía, quá trình lên men và tinh chế
khử nước. Quá trình lên men bằng ethanol hiện nay được thực hiện chủ yếu bằng
quy trình nuôi nhốt với tế bào sử dụng lại, và một phần nhỏ được tạo ra thông qua
quá trình lên men nhiều giai đoạn với tế bào sử dụng lại (Bastos, 2007).
Trong các quá trình sử dụng tinh bột từ ngũ cốc giống như ngô, cần thiết
phải có đường hoá để lên men trước khi lên men (Hình 1). Trong bước này, tinh
bột được làm keo bằng cách nấu và chuyển sang hydrolysis enzym để tạo ra các
monome glucose, có thể được lên men bằng các vi sinh vật. Tinh bột là nguyên liệu
sử dụng nhiều nhất cho sản xuất ethanol ở Bắc Mỹ và Châu Âu. Men không thể sử
dụng tinh bột trực tiếp để sản xuất ethanol. Do đó, sản xuất ethanol từ ngũ cốc liên
quan đến việc xay xát và tinh bột tinh bột đã bị phân hủy hoàn toàn thành glucose
bằng cách kết hợp hai enzyme, α-amylase và amyloglucosidase trước khi lên men
để sản xuất ethanol. Ngô và lúa mì chủ yếu được sử dụng với các mục đích này. Ở
các nước nhiệt đới, các loại cây có tinh bột khác như củ (như sắn) có thể được sử

dụng cho sản xuất thương mại ethanol (Prasad và cộng sự, 2007a, Cardona và
Sánchez, 2007). Các quy trình sản xuất ethanol sử dụng các cây trồng tinh bột
được thiết lập tốt. Ngày nay, hầu hết nhiên liệu ethanol được sản xuất từ ngô bằng
quy trình say khô (67%) hoặ quy trình nghiền ướt (33%). Sự phát triển gần đây
trong ngành công nghiệp chủ yếu là đối với các nhà máy nghiền khô do chi phí đầu
tư cho mỗi gallon thấp hơn và khuyến khích cho hợp tác xã nông dân (Bothast,
2005).


Một nguồn đường đơn giản khác có thể được sử dụng để sản xuất ethanol là
whey. Số lượng lớn whey được sản xuất ra như sản phẩm phụ trong quá trình sản
xuất phô mai. Sau khi whey protein đã được thu hoạch từ whey bằng siêu lọc, thấm
còn lại được cô đặc bằng thẩm thấu ngược để đạt được hàm lượng lactose cao hơn
để lên men hiệu quả. Lactose trong whey permeate được lên men với một số chủng
đặc biệt của nấm men Kluyveromyces marxianus có hiệu quả trong việc lên men
lactose (Dragone et al., 2009, Ling, 2008). Thay thế, các chủng S. cerevisiae được
biến đổi di truyền có thể được sử dụng (Domingues và cộng sự, 2001, Guimarães
và cộng sự, 2008a).
Các polysaccharides có trong các vật liệu lignocellulosic (như cỏ chuyển
đổi, gỗ vụn, trấu ngô và các chất thải nông nghiệp khác), bao gồm xenluloza và
hemicelluloza, rất quan tâm đến nguồn thức ăn cho sản xuất ethanol thế hệ thứ hai.
Trong trường hợp này, các công nghệ liên quan phức tạp hơn và chi phí sản xuất
ethanol cao hơn khi so sánh với cây sậy, củ cải đường hoặc ngô. Tuy nhiên, hầu hết
các vật liệu lignocellulosic là sản phẩm phụ của các hoạt động nông nghiệp và dư
lượng công nghiệp và cho thấy tiềm năng lớn cho việc sản xuất nhiên liệu ethanol
ở quy mô lớn và tiêu thụ trên toàn thế giới như một nhiên liệu tái tạo. Người ta cho
rằng sinh khối lignocellulosic sẽ trở thành nguyên liệu chính cho sản xuất ethanol
trong tương lai gần.
Các bước cơ bản trong sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulosic là: (1)
tiền xử lý để làm cho cellulose và hemicellulose dễ tiếp cận hơn với các bước tiếp

theo. Việc xử lý đầu tiên bao gồm một bước cơ học để giảm kích thước hạt và xử
lý hóa học trước (xử lý bằng hóa học, axit kiềm, chiết dung môi, tách bằng hơi) để
làm cho sinh khối dễ tiêu hóa hơn; (2) thủy phân axit hoặc enzyme để phân hủy
polysaccharides thành các loại đường đơn giản; (3) lên men đường (hexose và
pentose) để ethanol sử dụng các vi sinh vật; (4) tách và tập trung ethanol tạo ra bởi
sự khử nước chưng cất - chưng cất (Hình 1) (Sánchez and Cardona, 2008).


Một số phương pháp xử lý trước (bước 1), như thủy phân axit pha loãng, dẫn
đến sự hòa tan các chất đường từ hemicellulose, thông thường tách sinh khối thành
một phần lỏng có chứa pento và một phần rắn gồm cellulose và lignin Sản lượng
đường phụ thuộc vào loại Tiền xử lý và các điều kiện sử dụng. Các công nghệ
chính đề xuất cho quá trình thủy phân cellulose (bước 2) bao gồm thủy phân axit
cô đặc và thủy phân enzyme. Thủy phân axit là công nghệ tiên tiến nhất, trong khi
thủy phân enzyme được coi là công nghệ với cơ hội tốt nhất để giảm chi phí sản
xuất ethanol từ sinh khối. Sử dụng tốt hơn carbohydrate trong vật liệu
lignocellulosic được thu được khi thủy phân được thực hiện trong hai giai đoạn.
Giai đoạn đầu tiên được thực hiện trong điều kiện ưu tiên thủy phân hemicellulose,
và chuyển đổi cellulose thành glucose xảy ra ở giai đoạn thứ hai. Cả hai axit
sulfuric và axit nitric đã được sử dụng để thủy phân axit, mặc dù axit sulfuric được
sử dụng nhiều nhất (Mussatto và Roberto, 2004)
Việc lựa chọn nguyên liệu cho sản xuất ethanol sinh học có liên quan chặt
chẽ với điều kiện canh tác của các loại cây trồng khác nhau, dẫn đến việc sử dụng
nhiều loại quy trình, với chi phí sản xuất khác nhau như trong Bảng 1.


Sự phát triển chủng nấm men
Các men, đặc biệt là Saccharomyces spp., Thường là lựa chọn đầu tiên cho
sản xuất ethanol công nghiệp, vì khả năng lên men tốt, dung nạp tốt ethanol và các
chất ức chế khác (được hình thành trong quá trình lên men thô hoặc sản xuất trong

quá trình lên men) và khả năng Phát triển nhanh chóng dưới điều kiện kị khí được
thiết lập đặc biệt trong các máy lên men quy mô lớn. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các
vi sinh vật khác đã được xem xét, đó là vi khuẩn Zymomonas mobilis (Rogers và
cộng sự, 2007) và Escherichia coli (Jarboe và cộng sự, 2007), vốn là chủ đề của
các chương trình kỹ thuật với mục đích cải thiện Hiệu suất lên men ethanol của
chúng. Cuối cùng, song song với việc cải thiện chủng vi khuẩn, sự phát triển trong
thiết kế công nghệ sinh học là cần thiết để thiết lập các hệ thống sản xuất sinh học
ethanol hiệu quả cao (Hình 2). Trong số những phát triển quan trọng nhất trong
lĩnh vực lên men là việc thực hiện công nghệ rất trọng lực (VHG), việc sử dụng
hydrolysat lignocellulosic làm nguyên liệu và áp dụng quy trình liên tục mật độ tế
bào cao. Những công nghệ này được hưởng lợi từ việc lựa chọn và kỹ thuật của
các dòng men mạnh mẽ hơn, với các tính chất phù hợp cho từng quá trình.
Trong quá trình lên men VHG, các cơ chất có nồng độ cao được sử dụng,
cho phép tăng đáng kể năng suất quy trình tổng thể, giảm thiểu chi phí sản xuất do
giảm khối lượng chất lỏng để xử lý và kích thước của thiết bị. Ngoài ra, các độ
chuẩn ethanol thu được cao (thường trên 15% v / v), do đó giảm đáng kể chi phí
chưng cất, được coi là một trong những khó khăn chính trong các quy trình công
nghiệp. Tuy nhiên, có một số vấn đề liên quan đến hoạt động của nấm men trong
quá trình lên men VHG, thường chậm và không đầy đủ. Do đó, việc thực hiện
thành công công nghệ VHG trong sản xuất ethanol sinh học đòi hỏi sự phát triển
của các chủng nấm men có hiệu quả lên men nồng độ đường cao (N250 g / L) (Bai
và cộng sự, 2008). Các chủng nấm men như vậy phải chịu được nhiều căng thẳng
trong quá trình này, bao gồm áp lực thẩm thấu do nồng độ đường cao, động lực
thẩm thấu ethanol vào cuối quá trình lên men, điều kiện kị khí được thiết lập trong
các máy phản ứng sinh học quy mô lớn và tái chế tế bào Các thủ tục sử dụng nấm
men cho một số chu kỳ lên men liên tục.
Ngoài các hệ thống liên tục, quá trình lên men đã được khai thác cho các
quy trình lên men từng đợt để sản xuất ethanol, trong đó các phân tử men được
tách ra ở cuối mỗi mẻ bởi sự lắng đọng ở đáy bioreactor, do đó cho phép thu hồi và
tái chế sinh khối Nhiều đợt.

Bio-ethanol toàn cầu thị trường


4.1. Sản xuất bio-ethanol trên toàn thế giới
Sản xuất ethanol trên toàn thế giới đã tăng mạnh kể từ cuộc khủng hoảng
dầu mỏ vào năm 1970. Thị trường của nó đã tăng từ dưới một tỷ lít năm 1975 lên
hơn 39 tỷ lít vào năm 2006 và dự kiến sẽ đạt 100 tỷ lít vào năm 2015 (Licht, 2006).
Trên thực tế, lục địa Mỹ là nước sản xuất ethanol lớn nhất thế giới, với Hoa Kỳ và
Brazil đại diện cho một vai trò quan trọng trong ngành này. Bảng 2 cho thấy các
nước sản xuất ethanol lớn hơn và khối lượng sản xuất thu được trong năm 2008.
4.2. Tiêu thụ bio-ethanol trên toàn thế giới
Thị trường ethanol quốc tế đã được kích thích bởi chính sách của chính phủ
nhằm khuyến khích việc sử dụng nhiên liệu tái tạo. Mặc dù trong mở rộng, thị
trường quốc tế rất khu vực, với các nhà sản xuất lớn nhất cũng là người tiêu dùng
lớn nhất (Almeida và Silva, 2006). Trong kinh doanh cồn, Brazil là nhà xuất khẩu
lớn nhất, với Hoa Kỳ và châu Âu là, tương ứng, các nhà nhập khẩu lớn nhất. Trong
năm 2006.
Tổng thương mại ethanol ước tính là 4,3 galông (gal). Brazil là nhà xuất
khẩu chính (3,5 gal), và Hoa Kỳ, Nhật Bản và châu Âu là những nhà nhập khẩu
chính. Lượng ethanol nhập khẩu của Hoa Kỳ (2,5 gal) chiếm đa số (1,7 gal) từ
Braxin. Tại Liên minh châu Âu, nhập khẩu ròng ethanol trong năm 2006 ước tính
khoảng 0,5 gal, Hà Lan và Thụy Điển là nhà nhập khẩu lớn nhất


4.3. Các khía cạnh kinh tế
Trung bình, một nhà máy ethanol 0,19 hm3 (50 Mgal) mỗi năm đòi hỏi chi
phí đầu tư khoảng 65-100 triệu USD, cho 30-50 công ăn việc làm, và chi phí hoạt
động hàng năm là 45-60 triệu USD (Solomon và cộng sự , 2007). Trong số các
nguyên liệu đã được sử dụng để sản xuất ethanol, mía cung cấp chi phí sản xuất
thấp nhất (Nền tảng nhiên liệu sinh học, 2010), vì đây là sản phẩm có năng suất

cao nhất (6190- 7500 L / ha so với 3460-4020 L / ha bắp) (Tabak, 2009; Duailibi,
2008, Brown, 2006) và cần một quy trình dễ dàng hơn. Ngoài ra, bã mía được tạo
ra sau khi khai thác nước có thể được đốt để tạo ra năng lượng trong nhà máy, góp
phần giảm chi phí năng lượng (Souza, 2006, Sinício, 1997). Vì tất cả những lý do
này, sản xuất ethanol ở Braxin rẻ hơn ở Hoa Kỳ hoặc ở Châu Âu. Tại châu Âu, chi
phí sản xuất etanol sinh học cao trung bình ba lần so với Braxin và cao gấp hai lần
Hoa Kỳ (Nền tảng nhiên liệu sinh học năm 2010). Vào tháng Giêng năm 2007, 1 lít
ethanol ở Braxin đã được bán với giá 0,20 đô la Mỹ, trong khi tại Hoa Kỳ giá trị đã
cao gấp hơn 2 lần (0,7 đô la Mỹ / L) (Notícias Globo, 2007).
Về sản xuất ethanol từ quá trình lên men pento, một số tác giả ước tính chi
phí sản xuất cuối cùng là 0,48 USD / L, lên men là bước đắt nhất (31%), tiếp theo
là giải khử hydrolizate (22%) và tiền xử lý nguyên liệu thô Thủy phân vật liệu
(12,5%). Chi phí liên quan đến chưng cất, lao động, khối lượng tế bào sản xuất
(cấy) sẽ tương ứng với 35% tổng chi phí liên quan (Von Sivers và cộng sự, 1994).
Ước tính chi phí sản xuất ethanol từ vật liệu lignocellulosic là rất khó vì các
phương pháp sản xuất khác nhau đã được đánh giá, và cũng có một số khó khăn
trong việc tính chi phí gián tiếp. Theo ước tính sản xuất ethanol từ xenlulô, các chi
phí vốn lớn nhất là để chế biến tinh bột và lên men đồng thời trước khi xử lý
(17%), cũng có thể được thực hiện riêng, và các tiện ích về năng lượng cho nồi hơi
và máy phát điện (36% ) (Solomon và cộng sự, 2007). Gần đây, sự phát triển của
Genencor International và Novozymes Biotech đã làm giảm 30 lần chi phí của
enzyme cho quá trình thủy phân các nguyên liệu này để sản xuất ethanol. Do đó,
người ta hy vọng rằng ethanol xenlulô sẽ có khả năng cạnh tranh với quy mô lớn
bằng xăng mà không có trợ cấp trong thập kỷ tới. Một số yếu tố khác có thể làm
giảm chi phí sản xuất ethanol xenluloza, bao gồm việc sử dụng các chất thải rẻ tiền
cho các nguyên liệu sinh khối cho các thị trường khác, vay nợ với chi phí thấp
hoặc hội nhập vào nền tảng công nghệ sinh học để tăng phạm vi sản phẩm bao gồm
các hợp chất hóa học có giá trị cao hơn của các đồng sản phẩm.

Xu hướng công nghệ và thách thức của sản xuất ethanol sinh học
Hiện nay, hầu hết etanol sinh học đều được sản xuất từ ngũ cốc hoặc mía.
Người ta biết rằng sản xuất năng lượng tái tạo từ các nguồn thức ăn chăn nuôi nông
nghiệp bằng cách trồng trọt ở các khu vực dành riêng hoặc thậm chí ở các khu vực
cận biên rộng lớn hơn trên toàn thế giới có tác động tích cực lớn đến phát triển
nông thôn, như tạo việc làm mới và thu nhập bổ sung. Tuy nhiên, vì loại nguyên
liệu này chủ yếu là lương thực, sản xuất nhiên liệu sinh học từ các loại cây trồng,
đặc biệt là ngô, đã thu hút được sự chỉ trích do giá lương thực tăng cao và tình
trạng thiếu lương thực toàn cầu. Ngoài ra, sản xuất ethanol từ ngũ cốc như ngô có
một số tác động môi trường quan trọng, bao gồm xói mòn đất, mất đa dạng sinh
học, và các hợp chất hữu cơ bay hơi cao và ô nhiễm NOx. Công nghệ sản xuất
ethanol này cũng có một sự cân bằng năng lượng bất lợi, và năm 2007; Giampietro
và cộng sự, 1997). Vì tất cả những lý do trên, các quốc gia trên thế giới đang liên
tục tìm kiếm các công nghệ và quy trình mới để sản xuất nhiên liệu sinh học này
mà không gây ra những tác động bất lợi cho môi trường.


5.1. Tảo nhỏ như là một nguyên liệu cho sản xuất ethanol sinh học
Tảo nhỏ là một nhóm lớn các vi sinh vật quang hợp hoặc sinh vật nhân
chuẩn bị phát triển nhanh, có thể sống trong những điều kiện khắc nghiệt do cấu
trúc đa bào đơn bào hoặc đơn bào đơn giản. Các ví dụ về vi sinh vật prokaryotic là
Cyanobacteria (Cyanophyceae), và tảo lục sinh bao gồm tảo lục (Chlorophyceae)
và tảo cát (Bacillariophyceae) (Li et al., 2008). Các vi sinh vật này chuyển đổi ánh
sáng mặt trời, nước và CO2 thành sinh khối tảo (chủ yếu là carbohydrate, protein
và dầu) và có thể tăng sinh khối của chúng trong khoảng 3,5 giờ với tốc độ tăng
trưởng cao trong các môi trường nuôi cấy rẻ (Chisti, 2007). Trong khi cơ chế
quang hợp trong tảo vi mô cũng tương tự như các nhà máy cao hơn, chúng thường
là các bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hiệu quả hơn do cấu trúc không phức tạp
của chúng. Hơn nữa, vì vi tảo có kích thước cực nhỏ và phát triển trong nuôi cấy
lỏng, các chất dinh dưỡng có thể được duy trì ở hoặc gần các điều kiện tối ưu có

khả năng mang lại lợi ích của việc kiểm soát năng suất liên tục cao, tương tự như
các quá trình lên men vi sinh vật.
Những ưu điểm khác của các hệ thống vi khuẩn là: (1) Tảo vi có thể được
thu hoạch gần như quanh năm; (2) chúng phát triển trong môi trường dung dịch
nước, nhưng cần ít nước hơn cây trồng trên cạn, do đó làm giảm lượng nước ngọt;
(3) Tảo vi thể có thể được trồng trong nước lợ trên đất không canh tác và do đó có
thể không gây ra thay đổi sử dụng đất, giảm thiểu các tác động môi trường liên
quan, trong khi không (4) sinh khối vi sinh có thể ảnh hưởng đến sinh học thải
CO2 (1 kg khô Sinh khối algal sử dụng khoảng 1,83 kg CO2); (5) các chất dinh
dưỡng cho việc trồng tảo vi mô (đặc biệt là nitơ và phốt pho) có thể thu được từ
nước thải, do đó, ngoài việc cung cấp môi trường tăng trưởng, có hai tiềm năng để
xử lý nước thải công nghiệp và nước sinh hoạt; (6) Trồng vi tảo không yêu cầu sử
dụng thuốc diệt cỏ hoặc thuốc bảo vệ thực vật; (7) chúng cũng có thể sản xuất các
sản phẩm có giá trị như protein và sinh khối còn sót lại, có thể dùng làm thức ăn
hoặc phân bón và (8) thành phần sinh hóa của sinh khối vi sinh có thể được điều
chế bằng các điều kiện tăng trưởng khác nhau, do đó dầu hoặc sản phẩm tinh bột
có thể được tăng cường đáng kể.


5.2. Sản xuất ethanol sinh học trong các hệ thống lên men liên tục sử dụng các
tế bào cố định
Các hệ thống lên men hoạt động ở chế độ liên tục cung cấp một số lợi thế so
với các quy trình theo lô, thường dẫn đến năng suất thể tích tăng lên, và do đó,
khối lượng của máy phản ứng sinh học nhỏ hơn và chi phí đầu tư và vận hành thấp
hơn (Brethauer và Wyman, 2010). Những quá trình liên tục này có thể có lợi từ kỹ
thuật cố định toàn thể tế bào để giữ mật độ tế bào cao bên trong các bioreactor. Các
kỹ thuật cố định như vậy có thể được chia thành bốn loại: gắn kết hoặc hấp phụ
vào các bề mặt rắn (ví dụ như các mảnh gỗ, ngũ cốc đã qua sử dụng, DEAE
cellulose, và kính xốp), bẫy trong một ma trận xốp (ví dụ canxi alginate, kcarrageenan, rượu polyvinyl, Agar, gelatine, chitosan, và polyacrilamide), cơ chế
giữ lại nhờ màng ngăn (ví dụ như bộ lọc màng microporous, và microcapsules) và

tự kết hợp các tế bào bằng sự tạo bông. Nhiều khía cạnh liên quan đến việc áp
dụng các phương pháp và vận chuyển bất động đặc biệt này đã được thảo luận gần
đây (Kourkoutas et al., 2004; Brányik và cộng sự, 2005; Verbelen và cộng sự,
2006), bao gồm ảnh hưởng của chúng đối với sinh trưởng và sinh lý của vi sinh
vật, các hạn chế chuyển đổi nội bộ và bên ngoài, chất lượng sản phẩm và tính nhất
quán, thiết kế lò phản ứng sinh học, công nghệ chế tạo sinh học và kinh tế học.
Các ứng dụng công nghiệp của các hệ thống lên men liên tục với các tế bào
cố định cho đến nay vẫn khan hiếm, chủ yếu là do các quy trình quá trình và các
vấn đề hoạt động của vi sinh vật cũng như các lợi thế về chi phí không được thực
hiện (Verbelen et al., 2006 Brányik et al, 2005). Tuy nhiên, một số ứng dụng thành
công đã được báo cáo. Tại Braxin, mặc dù phần lớn các nhà máy chưng cất ethanol
từ mía vẫn sử dụng quá trình Melle-Boinot, đã có những nỗ lực để thực hiện các
quá trình liên tục hiệu quả (Brethauer và Wyman, 2010). Các quy trình liên tục
hiện đại thứ ba sử dụng các phương pháp tối ưu hóa và các mô hình động học với
mục tiêu thiết kế các nhà máy mới với năng suất tối đa và tính linh hoạt và sự ổn
định của quy trình cao hơn (Zanin et al., 2000). Tương tự như quá trình MelleBoinet, thường thì các hệ thống liên tục này sử dụng máy ly tâm để phục hồi các tế
bào nấm men để tái chế sinh khối. Tuy nhiên, một số nhà máy công nghiệp ở
Braxin đã thực hiện quy trình liên tục bằng cách sử dụng S. cerevisiae flocculent
cho phép thu hồi sinh khối bằng lắng đọng trong người định cư, do đó tránh ly tâm
tốn kém (Zanin và cộng sự, 2000). Việc sử dụng các dòng flocculent (xem Phần
3.2) thường được đề cập đến như là thuận lợi so với các hệ thống cố định dựa trên
cơ sở vận chuyển, do sự đơn giản và chi phí thấp liên quan đến khái niệm này