Ứng dụng công nghệ Sinh học trong hoạt động các ngành 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.

- 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

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.

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

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

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