Công nghệ enzyme - triển vọng giúp giải quyết vấn đề năng lượng

Enzyme có bản chất là các phân tử protein, có chức năng như các chất xúc tác hiệu quả làm tăng tốc độ phản ứng của các quá trình sinh hóa. Enzyme đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trở thành một phần không thể thiếu của các ngành công nghiệp khác nhau như thực phẩm và đồ uống, chất tẩy rửa, thức ăn chăn nuôi, nhiên liệu sinh học…

Hiện nay, việc sản xuất chế phẩm enzyme các loại đã và đang phát triển mạnh mẽ trên quy mô công nghiệp, không ngừng tăng về khối lượng, chủng loại và lĩnh vực ứng dụng. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng enzyme có khả năng và triển vọng giúp giải quyết các vấn đề về năng lượng trở nên dễ dàng, với giá thành thấp hơn, đồng thời chất lượng và hiệu quả cao hơn.

Điển hình như tại Italia, nghiên cứu cho thấy các tế bào nhiên liệu sinh học enzyme (EFC) sử dụng enzyme oxydoreductase làm chất xúc tác điện để oxy hóa cơ chất hữu cơ hoặc peroxide, cho phép chuyển đổi năng lượng trực tiếp thành điện năng. 

EFC có thể được sử dụng hiệu quả trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm các tế bào nhiên liệu sinh học có thể cấy ghép hoặc tháo rời được, hay cảm biến sinh học tự cung cấp năng lượng và các giải pháp điện di động không dùng pin nói chung.

Một ví dụ khác của việc ứng dụng enzyme trong vấn đề năng lượng tại Đức, nhóm nghiên cứu từ Đại học Kỹ thuật Munich (TUM) đã cho ra mắt một hệ thống enzyme mới hay còn được gọi là hydrogenase. Các enzyme này có thể sản xuất hydro một cách hiệu quả bằng cách sử dụng điện và tạo ra điện từ hydro.

Các nhà khoa học đã sử dụng hệ thống này để phát triển tế bào nhiên liệu trong đó oxy bị khử bởi enzym bilirubin oxidase từ vi khuẩn Myrothecium verrucaria. Đồng thời, hydrogenase nhúng trong màng polyme sẽ oxy hóa hydro từ vi khuẩn desulfovibrio desulfuricans, từ đó tạo ra điện trong quá trình này.

Tại Việt Nam, một số nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng công nghệ enzyme có tiềm năng giải quyết bài toán năng lượng trong sản xuất giấy. Điển hình như kết quả nghiên cứu của Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô với đề tài “Nghiên cứu công nghệ tạo chế phẩm enzyme trợ nghiền từ vi khuẩn - xạ khuẩn chịu nhiệt và ứng dụng trên dây chuyền sản xuất giấy tissue” đã cho thấy vai trò của công nghệ enzyme trong công đoạn nghiền bột giấy giúp giảm đáng kể năng lượng sử dụng, giảm phát thải và đảm bảo các yếu tố về môi trường.

ThS. Trần Hoài Nam - Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô, chủ nhiệm đề tài cho biết: “Thông thường công đoạn nghiền bột giấy chiếm tỷ trọng tiêu thụ năng lượng cao, từ 15-18% tổng tiêu thụ năng lượng cả quá trình sản xuất nhưng việc ứng dụng chế phẩm enzyme trợ nghiền của đề tài nghiên cứu đã giúp giảm tới 10,8% lượng điện năng tiêu thụ trong công đoạn nghiền, tăng 5,09% hiệu quả vận hành máy và 30SR độ nghiền bột giấy. Đồng thời, công nghệ này cũng giúp tăng tới 24% hiệu quả thoát nước của bột giấy, từ đó tăng hiệu suất máy và nâng cao hiệu quả dây chuyền nói chung.”

Như vậy có thể nói với sự hỗ trợ của enzyme trợ nghiền, ngành sản xuất giấy đã đồng thời giải quyết được nhiều vấn đề cùng lúc, đó là giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí sản xuất, giảm thiểu tác động môi trường, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng tính cạnh tranh.

Bên cạnh đó, TS. Dương Xuân Diêu, chuyên viên Vụ Khoa học và Công nghệ, Bộ Công Thương cho biết, trong sản xuất giấy, nếu việc tiền xử lý gỗ nguyên liệu không tốt sẽ làm tăng đáng kể tiêu hao năng lượng và nhanh hao mòn máy. Hiện trên thế giới việc ứng dụng công nghệ sinh học mang lại hiệu quả cao trong sản xuất. Bằng việc ứng dụng enzyme pectinase trong sản xuất giấy, nhiều nhà sản xuất có thể giảm tiêu thụ năng lượng tới 80% trong giai đoạn tiền xử lý gỗ. Đặc biệt, một số doanh nghiệp sử dụng chế phẩm vi sinh vật và enzyme trong bóc vỏ gỗ đã cải thiện đáng kể năng suất và hiệu quả sử dụng năng lượng trong khâu này.

Phương pháp này dựa trên nguyên lý hoạt động của enzyme. Các nhà khoa học sẽ tìm và chọn các loại vi sinh vật và enzyme có khả năng phân hủy các hợp chất trong các lớp vỏ gỗ chứa pectin, hemicellulose, cellulose hay protein. Từng loại chế phẩm vi sinh vật hoặc enzyme sẽ có tác động khác nhau với từng loại gỗ nguyên liệu. Cụ thể, khi ngâm gỗ trục vào dung dịch enzyme và enzyme đã khuếch tán, chúng sẽ làm suy yếu liên kết giữa gỗ và vỏ cây và/hoặc phân hủy các polyme của tầng phát sinh. Từ đó tăng hiệu quả của việc bóc tách vỏ gỗ. 

Như vậy, phương pháp bóc vỏ gỗ sử dụng enzyme là một cách tiếp cận mới và hấp dẫn. Trong thời đại ngày nay, khi mà vấn đề tiết kiệm năng lượng trong sản xuất và sinh hoạt đang là vấn đề nóng bỏng và bức thiết, ưu điểm nổi bật của phương pháp này là giảm được tiêu hao điện năng tới 80% trong công đoạn tiền xử lý gỗ.

Từ những kết quả nghiên cứu trên, có thể nói, công nghệ enzyme là một trong những công nghệ có nhiều triển vọng và là hướng đi mới góp phần giải bài toán năng lượng tại Việt Nam.