Đề tài Ứng dụng công nghệ sinh học trong hoạt động các ngành sản xuất công nghiệp

ành sản xuất công nghiệp Nghiên cứu xu hướng phát triển công nghệ sinh học thế giới trong thời gian sắp tới, chúng ta nhận thấy, tiếp sau Công Nghệ Thông Tin - Viễn Thông, công nghệ sinh học là một ngành đang phát triển hết sức mạnh mẽ, mở ra rất nhiều triển vọng cho nghiên cứu và ứng dụng phục vụ phát triển kinh tế có quy mô. Các nước có điều kiện phát triển đều đang triển khai hết sức mạnh mẽ công nghệ sinh học trong nền kinh tế quốc dân, dựa trên cơ sở lựa chọn những lĩnh vực phù hợp với thế mạnh và điều kiện cụ thể của mình. Trải qua hàng nghìn năm, các nguồn tài nguyên sinh học đã được sử dụng để phục vụ cho rất nhiều mục đích. Chúng cung cấp năng lượng, nhà ở, vải, phương tiện giao thông và nhiều công cụ cơ bản, thiết yếu cho cuộc sống. Thực vật đã được dùng rộng rãi để sản xuất hoá chất và dược phẩm. Hai thế kỷ gần đây, mức độ sử dụng rộng rãi các tài nguyên sinh học với vai trò là nguồn nguyên liệu đã suy giảm do được thay thế bằng khoáng chất và các nguồn hydrocacbon. Tuy nhiên, những nguồn nhiên liệu hoá thạch này không phải là vô hạn và một số chuyên gia nhận định rằng chúng có thể cạn kiệt vào năm 2070. Mỹ, châu Âu và nhiều quốc gia khác đang tiến hành các sáng kiến sử dụng các tài nguyên dựa vào sinh học- từ những dự án của Chính phủ với đối tác là các công ty tư nhân lớn đến những sáng kiến ở địa phương- nhằm sản xuất điện, nhiên liệu, hoá chất và sợi công nghiệp. Vật liệu tái tạo sẽ là một “mảnh đất màu mỡ” cho những tiến bộ công nghệ Sinh học, đặc biệt là những ứng dụng công nghệ Sinh học công nghiệp, nơi mà khoảng thời gian đưa ra thị trường tương đối ngắn ( ít nhất là so với lĩnh vực thực phẩm và y tế ). Theo OECD, ứng dụng công nghệ Sinh học công nghiệp có thể phân thành 2 nhóm : (1) Thay thế nhiên liệu hoá thạch bằng sinh khối ( Biomass ); (2) Thay thế các quy trình công nghiệp thông thường, không dựa trên cơ sở sinh học bằng những quy trình dựa vào các hệ thống sinh học, chẳng hạn như dùng tế bào và enzym để làm chất tẩy rửa và xúc tác. Hai nhóm này hỗ trợ lẫn nhau, chẳng hạn như quá trình chuyển hoá sinh khối thành sản phẩm sinh học thường dựa vào các quy trình công nghiệp sinh học. Dưới đây đề cập tới 3 lĩnh vực chủ yếu trong sản xuất sản phẩm công nghiệp dựa vào sinh học, bao gồm : - Sản xuất nguyên liệu sinh khối; - Công nghệ xử lý sinh học; - Các sản phẩm dựa vào sinh học ( vật liệu sinh học, nhiên liệu và năng lượng sinh học, hoá chất, dược phẩm và protein… ) 1.1. Sản xuất nguyên liệu sinh khối Nguyên liệu sinh khối là vật liệu cơ bản để sản xuất các sản phẩm công nghiệp dựa vào sinh học. Sinh khối bao gồm các cây nông nghiệp, gỗ, phế thải động vật, thực vật dưới nước và phần hữu cơ của phế thải sinh hoạt và công nghiệp. Sản lượng sinh khối hàng năm trên toàn bộ hành tinh ước tính là 170 tỷ tấn, bao gồm 75% cacbonhydrat (đường), 20% lygnhin và 5% các chất khác như dầu, mỡ, protein. Trong tổng sản lượng sinh khối này, chỉ có 3% được dùng cho nhu cầu con người. ở đây, ta sẽ chỉ đề cập tới sinh khối được tạo ra bởi ngành nông nghiệp và rừng, vì ngành chăn nuôi và thuỷ sản chỉ đóng góp một tỷ lệ nhỏ. Những ngành công nghiệp sau đây cung cấp các nguyên liệu hữu ích nhất: - Ngành sản xuất đường và bột; - Ngành sản xuất dầu mỡ; - Ngành sản xuất gỗ và giấy. Do đó, một điều hợp logic là những tiến bộ trong khâu sản xuất nguyên liệu sinh khối sẽ có tác động lớn tới việc phát triển sản phẩm cuối cùng; Uỷ ban Tư vấn Kỹ thuật R&D Sinh khối của Mỹ đã nhận dạng một số thách thức trong nghiên cứu sản xuất sinh khối cần phải được khắc phục để đẩy mạnh các ứng dụng CNSH công nghiệp vào phát triển các sản phẩm dựa vào sinh học, bao gồm: - Sự hiểu biết đầy đủ hơn về cơ sở của hệ gen học, hoá sinh và trao đổi chất ở thực vật; - Các phương pháp khoa học để sản xuất và chuẩn bị cho cây trồng/dư lượng cây trồng đáp ứng được đặc trưng của các ứng dụng sản phẩm; - Hoàn thiện các thực tiễn và công nghệ canh tác để nâng sản lượng, tính bền vững của cây trồng, hiệu quả và giảm chi phí sản xuất/phân phối. Khả năng sản xuất nhiên liệu, điện và sản phẩm dựa vào sinh học có giá trị cao, đạt hiệu quả kinh tế đòi hỏi phải giảm được chi phí của nguyên liệu và nâng cao các đặc tính cần thiết, chẳng hạn như hàm lượng năng lượng, sản lượng, độ tăng trưởng và chịu đựng được điều kiện môi trường khắc nghiệt. Theo dự báo, trong tương lai gần, hầu hết các nguồn sinh khối để sản xuất sản phẩm công nghiệp đều được chuyển hoá từ các bộ phận cây nông nghiệp đã được chế biến; đường lên men của các cây ngũ cốc như ngô; các phế thải sinh khối. Các nguồn này sắp tới sẽ bao hàm các vật liệu lignin/xenlulo từ cỏ, cây và dư lượng cây trồng, khi công nghệ và kết cấu hạ tầng đạt trình độ để chiết suất và xử lý những cấu phần hữu ích từ các nguồn này. Dự báo sau 2010, các cây lấy sợi mới phục vụ cho công nghiệp sẽ trở thành chính thống. Việc hoàn thiện khâu xử lý sơ bộ nguyên liệu sinh khối sẽ có tác động lớn đến sự phát triển của các thị trường tương lai. 1.2. Công nghệ xử lý sinh học Quá trình xử lý nguyên liệu sinh khối thành sản phẩm hữu ích bao gồm 2 giai đoạn: xử lý đầu (Upstream) và xử lý cuối (Downstream). Xử lý đầu bao gồm “bất kỳ công nghệ nào đem lại khả năng tổng hợp sản phẩm, cũng như những kiến thức khoa học và kỹ thuật cơ bản cần thiết để hiểu được quá trình hình thành sản phẩm”. Xử lý cuối là công việc tách và thanh lọc, cũng như tinh luyện sản phẩm sinh học đạt hiệu quả về chi phí. Xử lý đầu: bao gồm các khâu và công đoạn sau: Xúc tác sinh học Trong công đoạn xử lý sinh học công nghiệp, chất xúc tác sinh học, theo quan niệm truyền thống, là enzym, tế bào hoặc vi sinh vật có tác dụng kích hoạt hoặc tăng tốc phản ứng hoá sinh. Lên men vi khuẩn, chất xúc tác tế bào và các các xúc tác dựa vào enzym là thường được dùng nhiều nhất trong các phương pháp xử lý sinh học công nghiệp. Những quy trình này được thực hiện trong các thiết bị phản ứng hoặc lên men. Tuy nhiên, như đã đề cập ở phần nói về CNSH cây trồng và vật nuôi, các thực vật và vật nuôi biến đổi gen cũng sẽ có tiềm năng được dùng làm các “xí nghiệp” để sản xuất protein và hoá chất giá trị. ở đây sẽ chú trọng đến các chất xúc tác sinh học cho các thiết bị và các công nghệ đang nổi, mà giúp tăng cường chức năng của vi khuẩn và enzym, đồng thời đề cập đến lĩnh vực phát minh sinh học đối với các enzym và vi khuẩn mới, đó là thăm dò tìm kiếm các sản phẩm sinh học mới ( Bioprospecting ). Lên men Công nghệ sinh học công nghiệp hiện nay sản xuất một loạt hoá chất thô và tinh. Lên men là công nghệ thường dùng nhiều nhất cho quá trình sản xuất này. Các vi sinh vật được nuôi cấy chuyên dụng (vi khuẩn, men và nấm) đã chuyển hóa có hiệu quả đường thành sản phẩm hữu ích. Phạm vi của sản phẩm rất rộng, từ những sản phẩm thô, giá rẻ đến những loại rất tinh khiết và đắt tiền như dược phẩm. Dưới đây minh họa các sản phẩm được sản xuất bằng công nghệ lên men. Sản phẩm Sản lượng toàn thế giới ( tấn/năm ) Giá thành ( USD/kg ) Etanon sinh học 26.000.000 0,40 Axit chanh 1.000.000 1,5 Vitamin C 80.000 8 Kháng sinh (thô) 30.000 150 Kháng sinh (đặc dụng) 5.000 1.500 B12 10 25.000 Công nghệ biến đổi gen đã đem lại khả năng tạo ra những thay đổi ở những vi sinh vật này. Ví dụ, có thể nâng cao hiệu quả lên men của chúng bằng 2 kỹ thuật GM: thiết kế đường trao đổi chất và nạp gen của các loài khác (vi sinh vật hoặc sinh vật cấp cao). Thiết kế đường trao đổi chất Kỹ thuật này thao tác các tế bào vi khuẩn để bỏ qua những quy trình không cần thiết đối với nhiệm vụ đặt ra cho chúng. Nói theo thuật ngữ kỹ thuật, nó bao hàm việc biến đổi được định hướng đối với sinh lý tế bào thông qua kỹ thuật nạp, xoá bỏ và/hoặc biến đổi các đường trao đổi chất hoặc các chức năng điều chỉnh của một tế bào. Trên thực tế, điều này nghĩa là có thể thiết kế các vi sinh vật để thực hiện các phép tổng hợp hoá học phức tạp trong một khâu lên men. Một ví dụ là việc sản xuất B12 bằng quy trình sinh học một khâu thay cho quy trình hoá học 6-8 khâu trước đây (giảm được 40-50% chi phí). Hai hãng Genencor và Eastman Chemical đang trong quá trình thương mại hoá việc sản xuất vitamin C bằng một khâu thông qua kỹ thuật thiết kế đường trao đổi chất. Trước đây, sản xuất vitamin C đòi hỏi khâu lên men và 5 khâu hoá chất. Tác dụng của đột phá công nghệ thuộc loại này không chỉ bó hẹp đối với sản phẩm cụ thể, mà còn có thể bổ sung các enzym để tổng hợp các sản phẩm khác. Các quy trình xúc tác bằng enzym Enzym được sản xuất ra trong quá trình lên men công nghiệp và tiếp đó có thể được dùng để làm xúc tác công nghiệp. Việc sử dụng enzym trong công nghiệp tuyệt nhiên không phải là công nghệ mới. Chúng đã được dùng cho các sản phẩm như chất tẩy rửa từ thập kỷ 50. Mckinsey and Co ước tính rằng tới năm 2010, chỉ riêng ở Mỹ, tổng giá trị tạo ra-xét về hiệu suất, doanh thu từ enzym và lợi nhuận sinh ra nhờ các sản phẩm có sử dụng các xúc tác sinh học-có thể tăng gấp đôi, tức là 12 tỷ USD. Các quy trình công nghiệp được xúc tác bằng enzym luôn luôn hiệu quả hơn so với phương pháp hoá học, bởi vì chúng có ít khâu tổng hợp hơn và mỗi khâu đều có hiệu suất gần đạt 100%. Trong khi đó, phương pháp hoá học chỉ đạt hiệu suất 10%. Tuy nhiên, một vấn đề đặt ra cho enzym sinh học là chúng ngừng hoạt động khi ở trong môi trường có nhiệt độ, độ pH và áp suất không phù hợp. Bởi vậy, các xúc tác enzym thường chỉ được áp dụng hạn chế để sản xuất các sản phẩm cao cấp như dược phẩm và chất bổ dưỡng. Những tiến bộ trong việc tìm những loại enzym khoẻ và phương thức sản xuất enzym đang bắt đầu khắc phục được những khó khăn này. Ngoài ra, các công nghệ đang nổi lên, như phương pháp tiến hoá được định hướng, bước đầu tạo ra các “siêu” enzym thích hợp với mục đích, mà ta có thể chứng kiến sự thâm nhập của chúng vào lĩnh vực công nghiệp. Tiến hoá được định hướng Phương pháp này tìm cách tạo ra theo cách từ dưới lên các enzym có hoạt động được cải thiện ở những điều kiện đặc biệt. Thực chất, thông qua sự tiến hoá được định hướng, các nhà nghiên cứu tạo ra các vi sinh vật mới để sản xuất các “siêu” enzym. Dựa vào công nghệ rây tốc độ cao và một kỹ thuật có tên là “Xáo trộn gen” (Gene Shuffling, các nhà nghiên cứu trộn và làm phù hợp ADN từ các sinh vật khác nhau để đạt được những tổ hợp chất xúc tác cần thiết. Một số trường hợp, những con đường này được nạp vào vi khuẩn như E-coli và sau đó tiến hành thử nghiệm hoạt động ở các điều kiện khác nhau (nhiệt độ, độ pH…) Hiện tại, kỹ thuật này phần lớn được áp dụng để sản xuất các hoá chất tinh khiết. Một trong những mục tiêu cuối cùng của CNSH công nghiệp là tạo ra các sinh vật có khả năng sản xuất những khối lượng lớn lọai siêu enzym mà áp dụng được cho các ngành công nghiệp hiện có trong khi không cần phải thiết kế lại dây chuyền sản xuất. Một trong những trở ngại then chốt để tăng cường các công nghệ xử lý sinh học là làm sao để thời gian phát triển các xúc tác thích hợp trùng khớp với các quy trình công nghiệp khác nhau, cũng như giảm bớt phí tổn của sự chậm trễ thời gian này. Các kỹ thuật như tiến hoá được định hướng đang đẩy nhanh quá trình phát triển tới mức chẳng bao lâu nữa, hiệu quả chi phí của các công nghệ xử lý sinh học sẽ mở đường để thâm nhập vào các ngành, chẳng hạn như hoá chất công nghiệp. Thăm dò sinh học ( Bioprospecting ) Đây là lĩnh vực có nhiệm vụ tìm kiếm các hoá chất (trong thực vật, động vật và vi khuẩn) có tiềm năng được tổng hợp để phục vụ y học hoặc thương mại. Hiện tại, ngành dược phẩm đã làm thích ứng những tính chất của nhiều loài thực vật mà đã được người dân địa phương sử dụng từ hàng thế kỷ nay để tạo ra các dược phẩm và liệu pháp thành công. Các hãng lớn như Craig Venter đã bắt đầu đầu tư vào hoạt động thăm dò sinh học. Hãng này, thông qua Viện Năng lượng Sinh học, đã lấy mẫu để nghiên cứu đời sống vi khuẩn ở Biển Sargasso. Nhờ sử dụng một kỹ thuật đang nổi có tên gọi là “Siêu hệ gen” (có nhiệm vụ lập chuỗi ADN của toàn bộ môi trường), gần 1,2 triệu gen mới đã được khám phá từ 1.800 loài vi khuẩn chưa được biết cho đến nay. Một nhóm vi sinh vật có tên gọi là extremophile dành được sự quan tâm đặc biệt để ứng dụng trong công nghiệp. Những vi sinh vật này có thể chịu đựng được điều kiện môi trường cực kỳ khắc nghiệt. Sau khi tách chúng ra khỏi môi trường, các nhà nghiên cứu có thể tiến hành phân tích biểu hiện protein của chúng. Một số protein này có thể làm xuất phát điểm để phát triển các quy trình xử lý sinh học công nghiệp. Xử lý cuối Xử lý cuối có thể xem như giai đoạn phục hồi sản phẩm và có thể có những khó khăn về kỹ thuật và tốn kém. Ví dụ, xử lý sau khâu lên men phần lớn là quá trình tách sơ bộ thành pha rắn và pha lỏng, sau đó tiếp tục tách, tăng mật độ và độ tinh khiết sản phẩm. Chi phí cho trường hợp này có thể chiếm 60-70% giá bán của sản phẩm. Tinh chế sinh học Để tạo khả năng cho công nghệ Sinh học công nghiệp thâm nhập vào thị trường hoá chất, hoặc có khả năng sử dụng hữu hiệu sinh khối để sản xuất năng lượng, cơ sở tinh chế sẽ phải mở rộng quy mô và giảm giá thành. Khái niệm tinh chế sinh học (Biorefinery) được coi là hướng đi khả dĩ nhất để đạt được mục tiêu này. Tinh chế sinh học là một phương tiện, trong đó kết hợp các quy trình chuyển hoá sinh khối với thiết bị sản xuất nhiên liệu, điện và hoá chất từ sinh khối. Nó cũng tương tự thiết bị tinh chế dầu mỏ hiện nay dùng để sản xuất ra các loại sản phẩm từ dầu mỏ. Tinh chế sinh học được coi là một trong những hướng đi hứa hẹn nhất để tạo nên nền công nghiệp dựa vào sinh học. Có thể coi các xí nghiệp cán giấy và bột ngô ướt hiện nay là những nguyên mẫu của xí nghiệp tinh chế sinh học, với những bộ phận kết cấu hạ tầng cần thiết. Sự khác biệt giữa các nguyên mẫu này với các xí nghiệp tinh chế được hình dung trong tương lai là tổ hợp của quy mô, năng lực công nghệ nền tảng và số các dây chuyền sản phẩm được sản xuất từ sinh khối. Các nền tảng công nghệ chuyển hoá khác nhau thích hợp với các dòng sản phẩm khác nhau. Có 2 nền tảng công nghệ chuyển hoá phối hợp nhau là hoá nhiệt và sinh học. Dưới mỗi nền tảng công nghệ là những quy trình khác nhau để sản xuất các dòng sản phẩm khác nhau. Chính phủ được coi là động lực then chốt để có được nền công nghiệp dựa vào sinh học và mở rộng quy mô phát triển ngành tinh chế sinh học đạt mức sản xuất thương mại. Đặc biệt nổi bật là những định hướng gần đây của Chính phủ Mỹ và Uỷ ban châu Âu (EC). Vừa qua, Mỹ đã ban hành các quy tắc dự thảo để khuyến khích sự đặt hàng của Liên bang đối với các sản phẩm công nghiệp dựa vào sinh học ở 11 loại, từ dầu bôi trơn đến sợi, chất dẻo và sơn. Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) là một trong những nhà đầu tư then chốt để phát triển cơ sở tinh chế sinh học. Việc phát triển cơ sở thay thế cho sản xuất cả nhiên liệu lẫn năng lượng được coi là có tầm quan trọng tới an ninh quốc gia của Mỹ. Sự biến động của Trung Đông, cùng với khả năng cạn kiệt các nguồn nhiên liệu hoá thạch là những động lực thúc đẩy sự phát triển lĩnh vực tinh chế sinh học ở Mỹ. DOE cũng đang trợ cấp để phát triển công nghệ etanon sinh học của Mỹ. Để đạt được các mục tiêu EU đã đề ra trong Nghị định thư Kyoto, từ 2010 châu Âu sẽ phải sản xuất khoảng 9,3 triệu tấn etanon hàng năm. EU cũng đưa ra các hướng dẫn và mục tiêu tăng cường sử dụng nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các sản phẩm nông, lâm nghiệp và chất thải hữu cơ. Mục tiêu đặt ra cho nhiên liệu sinh học trong năm 2005 là 2% nhiên liệu dùng cho ô-tô và sẽ tăng lên gần 6% vào năm 2010. Một số hãng công nghiệp lớn cũng đang tạo động lực cho sự phát triển khái niệm tinh chế sinh học. Nổi bật là liên doanh của Cargill và Dow ở Nebraska, Royal Dutch Shell và Iogen ở Canađa. Cargill Dow sản xuất bao bì chất dẻo và sợi vải từ ngô (kể cả phế thải sinh khối ở dạng thân cây, lá, vỏ bắp). Royal Dutch Shell và Iogen đang xây dựng xí nghiệp tinh chế etanol từ phế thải sinh khối. Sản phẩm Eco Ethanol của xí nghiệp này được sản xuất từ phần phi thực phẩm của nguyên liệu sinh khối nhờ công nghệ enzym của Iogen. Sự phát triển của công nghiệp tinh chế sinh học phụ thuộc vào một số yếu tố, đặc biệt là làm sao nguồn nguyên liệu phải có giá cả phù hợp, đảm bảo chất lượng và số lượng, cũng như các quy trình chuyển hoá phải kinh tế và hiệu quả. 1.3. Sản phẩm và thị trường Có thể phân loại các sản phẩm được sản xuất bằng các quy trình CNSH công nghiệp ( hoặc một phần, hoặc toàn bộ ) như sau : - Các hoá chất chuyên dụng ( Dược phẩm, thực phẩm bổ dưỡng, thức ăn động vật, enzym v.v...); - Hoá chất công nghiệp ( nhiên liệu sinh học và năng lượng sinh học ); Mỗi một nhóm sản phẩm trên đang ở giai đoạn phát triển khác nhau, với những động lực, mối quan hệ phụ thuộc, nhu cầu phát triển kết cấu hạ tầng và những triển vọng giá trị khác nhau. Một việc hữu ích là so sánh chúng để có được bức tranh rõ nét hơn về lộ trình tương lai của CNSH công nghiệp. Ta sẽ đề cập chi tiết hơn về: - Dược phẩm; - Chất dẻo sinh học; - Nhiên liệu sinh học; - Năng lượng sinh học: sản xuất hydro. 1.3.1. Sản xuất dược phẩm Hiện tại, mức độ thâm nhập lớn nhất của công nghệ Sinh học công nghiệp là ở các ngành dược phẩm, trong đó 20 - 30% là có sử dụng công nghệ lên men hoặc xúc tác enzym trong quá trình sản xuất. Lĩnh vực công nghiệp này được dự báo là sẽ tăng trưởng cả về trước mắt lẫn lâu dài. Xét ở quan điểm năng suất, các vi sinh vật và enzym được hoàn thiện cũng sẽ giúp giảm giá thành sản xuất thuốc. Điều này cũng đem lại khả năng sử dụng hiệu quả hơn năng lực sản xuất hiện có và dùng vốn để đầu tư cho năng lực mới. Như đã đề cập ở các phần trên, lộ trình tăng trưởng trong tương lai của dược phẩm được dựa vào công nghệ Sinh học chứ không phải là hoá chất. Các xu hướng trong thành phần các dược phẩm hoá chất phân tử nhỏ cũng là dấu hiệu cho thấy sự phụ thuộc ngày càng tăng vào công nghệ Sinh học công nghiệp để tối ưu hoá quy trình sản xuất. Ví dụ, việc sử dụng gia tăng các kỹ thuật hoá chất bất đối xứng trong phát triển thuốc là thích hợp với nền sản xuất sinh học. Các hợp chất thuần tuý bất đối xứng có thể giúp giảm được một nửa lượng thuốc cần thiết và tăng hiệu quả của thuốc. Các hoá chất xúc tác không nhận biết được tính bất đối xứng, nhưng enzym lại có khả năng đó, bởi vậy chúng đạt hiệu quả hơn trong quá trình sản xuất các dược phẩm bất đối xứng. Việc sử dụng công nghệ Sinh học trong ngành dược phẩm sẽ tiếp tục gia tăng. Điều này cũng đúng đối với ngành hoá công nghiệp nói chung: Sẽ ngày càng có nhiều sản phẩm có khối lượng nhỏ, nhưng giá trị cao, chỉ cần kết cấu hạ tầng sản xuất ở mức “khiêm tốn” . 1.3.2. Chất dẻo sinh học Trong vòng 2 năm qua, đã có một số đột phá công nghệ trong sản xuất chất dẻo sinh học tái tạo. Quả thực, xét về ngắn hạn và trung hạn, chất dẻo sinh học được coi là có khả năng lớn nhất để thâm nhập vào thị trường hoá dầu truyền thống. Hiện tại, 2 dự án sản xuất chất dẻo tiên tiến nhất đang được thực hiện là của các hãng Dupont và Cargill Dow. Sản phẩm của Dupont có tên là Sorona, được hợp tác phát triển với Genencor, chế biến bằng cách lên men tinh bột ngô. Tuy nhiên, Sorona không phải là vật liệu tái tạo hoàn toàn, vì nó được kết hợp với một monomer dầu mỏ. Trái lại, sản phẩm của Cargill Dow, có tên gọi là Nature Works, là vật liệu tái tạo 100%. Bao bì Nature Works được làm từ axit lactic, sản xuất từ glucose. Các kỹ thuật hoá chất trước đây được dùng chỉ phục vụ cho quá trình polyme hoá axit lactic. Năm 2004, Nature Works đã được tung ra thị trường và mặc dù đắt hơn so với các sản phẩm hoá chất, nhưng có ưu điểm là thân thiện với môi trường. Cargill Dow đã đầu tư mạnh vào kết cấu hạ tầng sản xuất và đang có kế hoạch đa dạng hoá sản phẩm. Mc Kinsey and Co dự báo rằng tới 2010, 10% các sản phẩm polyme có thể liên quan đến công nghệ Sinh học ở một hình thức nào đó. Công ty này cũng dự báo rằng tới 2010, 20% giá trị của ngành hoá chất toàn cầu sẽ có nguồn gốc từ CNSH (hiện nay, con số ước tính là 5%). Những dự báo khác nhận định rằng các chất dẻo tự phân huỷ bằng sinh học sẽ chiếm 30% thị trường chất dẻo vào năm 2015-2017. Tuy nhiên, còn phải khắc phục một số trở ngại công nghệ để cho nguyên liệu hoặc thành phẩm đủ rẻ. Khâu đột phá then chốt là phải sản xuất được glucose giá rẻ. Nguồn chủ yếu của glucose công nghiệp hiện nay trên toàn cầu là tinh bột ngô. Trong ngô, tỷ trọng lớn nhất là xenlulo. Xenlulo cũng giống tinh bột ở chỗ cũng là polyme của glucose, nhưng khó phân giải. Hiện cuộc đua đang diễn ra để phát triển các enzym có tác dụng chuyển hoá xenlulo thành sản phẩm thương mại. 1.3.3. Nhiên liệu sinh học Tính khả thi và kỹ thuật sản xuất nhiên liệu vận tải từ sinh khối đã được khẳng định chắc chắn. Việc sản xuất etanon sinh học bằng cách lên men đường mía đã được thương mại hoá ở Braxin từ thập kỷ 80. Thập kỷ 90, một số bang của Mỹ đã tiến hành sản xuất từ ngô và một số cây ngũ cốc. Các phụ phẩm động vật, chẳng hạn như nước sữa, cũng được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất etanon. Hãng Fonterra gần đây đã thử nghiệm sử dụng nước sữa ( chất thải của quá trình sản xuất cazein ) để sản xuất etanon làm nhiên liệu cho ô-tô. Chi phí sản xuất etanon từ cây trồng thường lớn hơn nhiều so với giá thành hiện nay của xăng và dầu, chủ yếu do khâu nguyên liệu và quy trình chuyển hoá. Việc sử dụng vật liệu lignocellulo từ cây và dư lượng ( phế thải ) của cây được coi là giải pháp cho vấn đề trên. Sinh khối lignocellulo đã được sử dụng để sản xuất etanon, nhưng vật liệu này khó phân giải, vì nó đòi hỏi phải khử lignin, sau đó chuyển hoá xenlulo thành đường rồi mới cho lên men để tạo thành etanon. Năm 2003, Genencor thông báo đã phát triển được quy trình enzym đạt chỉ tiêu về mặt kinh tế ( giảm chi phí xuống còn còn 1/10 ). Hãng đang tìm đối tác để nâng quy trình này lên quy mô tinh chế sinh học. Trong khi etanol sinh học đem nguồn năng lượng tái tạo vào thị trường xăng dầu thì điêzen sinh học đang nổi lên ở thị trường điêzen. Điêzen sinh học thường được sản xuất từ mỡ và dầu thực vật như dầu cải và dầu đậu tương. Glycerine là một phụ phẩm được dùng cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Việc tăng cường các sử dụng mới cho glycerine được coi là yêu cầu then chốt để tạo động lực cho nền kinh tế tương lai. Điêzen sinh học đang dành được sự quan tâm đáng kể của EU ( đặc biệt là Đức ) và Mỹ. Nó có thể dùng được ngay cho động cơ điêzen và có mức phát thải thấp hơn nhiều. Chỉ riêng ở Mỹ, mức tiêu thụ điêzen sinh học đã tăng từ 15 triệu galon (1 galon=3,785 l ) năm 2002 lên 25 triệu galon năm 2003. Các xe buyt và máy kéo sử dụng phần lớn điêzen sinh học sản xuất ở Mỹ. Tuy nhiên, châu Âu hiện đang dẫn đầu cuộc tấn công, với 30% hỗn hợp điêzen sinh học có ở Pháp, còn ở Đức và áo, điêzen sinh học nguyên chất đã có mặt ở thị trường. Sản xuất điêzen sinh học cũng nhận được sự ủng hộ của các hãng lớn trong ngành chế tạo ô-tô. ở châu Âu, DaimlerChrysler vừa qua đã tiến hành các bước để khơi dậy mối quan tâm của người dùng bằng cách mở ra một dòng sản phẩm mới có thể sử dụng hỗn hợp điêzen sinh học. Hãng này cũng liên doanh với hãng cạnh tranh là Volkswagen và hãng phát triển nhiên liệu Chloren để sản xuất hỗn hợp điêzen sinh học có tên là Sundiesel. Lô sản phẩm đầu tiên đã được sản xuất năm 2003, có thể dùng cho mọi động cơ điêzen. Cũng giống như các công nghệ Sinh học công nghiệp khác, để nhiên liệu sinh học chiếm lĩnh thị trường thì còn phụ thuộc vào sự phát triển của các kết cấu hạ tầng và công nghệ khác, ví dụ kết cấu hạ tầng phân phối nhiên liệu và công nghệ động cơ đốt trong. Theo một dự báo được trích dẫn nhiều nhất, xét về ngắn hạn và trung hạn ( 2005 - 2020 ), các nhiên liệu sinh học sẽ thâm nhập thị trường với tư cách là hỗn hợp với các nguồn nhiên liệu truyền thống, tiếp theo là sự phát triển kết cấu hạ tầng cơ bản hơn và sau năm 2020 sẽ là thời kỳ của các pin nhiên liệu dùng hyđro sinh học. 1.3.4. Năng lượng sinh học: sản xuất hyđrô Mặc dù nhiên liệu hoá thạch vẫn tiếp tục giữ vai trò chủ đạo trong số năng lượng được sản xuất và sử dụng tới năm 2025 và lâu hơn nữa, nhưng có một nhận thức ngày càng gia tăng rằng kết cục, năng lượng sẽ phải được sản xuất từ các nguồn tài nguyên có khả năng tái tạo. Ngành sản xuất hyđro từ sinh khối có thể sẽ trở thành bộ phận quan trọng của cái gọi là “nền kinh tế hyđro”. Hiện việc sản xuất hyđro từ sinh khối đang ở giai đoạn R&D và theo dự báo, nó sẽ bắt đầu nổi lên ở thị trường vào năm 2025. Nếu dự báo này diễn ra đúng như vậy thì khi đó việc sản xuất hyđro sẽ giúp phát triển các pin nhiên liệu phục vụ ngành vận tải và kết cục sẽ phát triển nền kinh tế hyđrô. Các công nghệ này sẽ được phát triển từ 2020 trở đi. Hiện đang nghiên cứu một số cách tiếp cận khác để sản xuất hyđro. Ví dụ, sản xuất hyđro bằng quá trình lên men kỵ khí cacbonhydrat nhờ quang hợp trực tiếp và quay vòng theo chu kỳ giữa các điều kiện lên men sunphua và không sunphua. Một cách tiếp cận nữa cũng có hứa hẹn, bao gồm quá trình phản ứng sinh học 3 khâu: (1) sản xuất cacbonhydrat thông qua quang hợp; (2) chuyển hoá cacbonhydrat thành axit lactic nhờ lên men bằng vi khuẩn; (3) sản xuất hyđro từ axit lactic bằng vi khuẩn. Một trở ngại kỹ thuật lớn để thương mại quy mô lớn là vấn đề lưu trữ hyđro. Hiện tại, các nhà nghiên cứu đang theo đuổi phương án sử dụng hệ thống kim loại/hợp kim. ố