Tài liệu Các công nghệ định hình ngành nông nghiệp công nghệ cao trong tương lai

hủ yếu bao gồm những tiến bộ về giống cá (cá cải tiến gen), vấn đề dinh dưỡng cá và kiểm soát dịch bệnh; sự phát triển của các hình thức nuôi trồng thủy sản mới; kết hợp với các hệ thống canh tác và xử lý chất thải; phát triển nguồn cung cấp, phân phối và duy trì chuỗi trên phạm vi toàn cầu. Ở châu Á, nhiều hệ thống xử lý lớn đã xây dựng các nhà máy xử lý tập trung lớn nhằm cải thiện năng suất và đáp ứng tốt hơn, góp phần nâng cao chất lượng và đáp ứng yêu cầu về an toàn. Những công nghệ xử lý cải tiến góp phần tận dụng tốt hơn nguồn chất thải từ cá cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau như: xử lý nước, mỹ phẩm, hóa chất nông nghiệp, nhiên liệu sinh học, dược phẩm. Do cải thiện năng suất và sản lượng gia tăng đáng kể, giá thành của các sản phẩm nuôi trồng thủy sản, bao gồm các sản phẩm với số lượng lớn như cá chép, cá rô phi có sự giảm đều trong vòng 20 năm qua. Đến năm 2040, bốn công nghệ góp phần dẫn đến sự tăng trưởng trong cung cấp thủy sản nuôi trồng, cùng với đó là giá thành có khả năng sẽ giảm, bao gồm: Cá cải tiến gen. Cải tiến gen của các loài cá nuôi có thể sẽ tiếp tục nâng cao năng suất nuôi trồng thủy sản cũng như giúp giảm thiểu tác động đến môi trường. Các tiến bộ sinh học nuôi trồng và cải tiến di truyền tập trung vào việc thuần hóa các loài mới, phát triển các phương pháp nuôi mới trong sản xuất giống, phát triển đàn giống mới nhằm tăng năng suất và giúp giảm thiểu dịch bệnh cũng như yêu cầu đối với thức ăn, không gian và nước. Trong năm 2000, Gjedrem - Viện Nghiên cứu Nuôi trồng thủy sản Na Uy ước tính chỉ có 1% sản lượng nuôi trồng thủy sản dựa trên cải tiến di truyền ở cá và động vật có vỏ, tuy nihên, các chuyên gia hy vọng rằng đến năm 2040, tỷ lệ này sẽ tăng lên. Chế độ dinh dưỡng, thức ăn và chế độ ăn. Thông thường, thức ăn chiếm khoảng 60% chi phí và thường được xem là phần tốn kém nhất trong hệ thống nuôi trồng thủy sản thương mại. Nhiều nghiên cứu vẫn đang tiếp tục được thực hiện nhằm phát triển các thành phần thay thế cho bột cá và dầu cá, chẳng hạn như phần thừa của quá trình chế biến thịt gà hoặc của các sản phẩm thực vật như đậu tương và hạt cải; tăng hiệu quả cao tối ưu hóa, lập công thức thức ăn ít gây ô nhiễm; và nhiều hệ thống phân phối thức ăn tự động và chính xác hơn. Ví dụ như: những người nuôi cá hồi giảm tỷ lệ chuyển hóa thức ăn (tỷ lệ của tổng lượng thức ăn của một đàn cá từ khi mua về, chưa trưởng thành đến thời điểm thu hoạch với trọng lượng cá lúc thu hoạch) từ 2:1 của những năm 1980 lên đến 1,3:1 trong thập 32 kỷ đầu của thế kỷ 21, giúp tiết kiệm chi phí đáng kể và giảm chất thải. Lợi nhuận trong tương lai có khả năng sẽ làm giảm tỷ lệ này xuống dưới mức 1:1. Hệ thống tuần hoàn khép kín. Ngành nuôi trồng thủy sản đang tận dụng những tiến bộ trong quá trình sinh học và các mối tương tác phức tạp giữa chất dinh dưỡng, vi khuẩn và sinh vật được nuôi cấy để thiết kế các hệ thống nuôi trồng thủy sản khép kín, cho phép nuôi sinh vật biển tại các địa điểm cách xa biển. Trong hệ thống tuần hoàn, một số hoặc tất cả nguồn nước trong một cơ sở nuôi cá được tái sử dụng để kiểm soát môi trường nuôi tốt hơn, giảm thiểu sử dụng nước, loại bỏ triệt để các chất thải khỏi hệ thống, cung cấp cho hệ thống làm ấm và làm mát nước hiệu quả hơn. Một lợi thế quan trọng của hệ thống khép kín này là cách ly hệ thống nuôi trồng thủy sản khỏi các hệ sinh thái tự nhiên, giúp giảm thiểu nguy cơ mắc bệnh hoặc các tác động gen đối với môi trường. Hệ thống tuần hoàn đã và đang được áp dụng trong nuôi loài lươn ở Đan Mạch trong nhiều năm, giúp Đan Mạch trở thành đất nước có sản lượng lươn đứng hàng đầu trong số các nước Châu Âu. Cùng với sự phát triển của công nghệ tuần hoàn quy mô lớn sẽ là sự phát triển của các loại thức ăn thay thế sử dụng đạm thực vật để thay thế bột cá và dầu cá. Hệ thống đại dương mở. Do đại dương chiếm phần lớn bề mặt trái đất, nên việc sử dụng hệ thống đại dương mở có thể thay đổi mạnh mẽ bản chất của sản xuất thực phẩm con người. Ngày nay, hầu hết nuôi trồng thuỷ sản biển được thực hiện tại các khu vực ven biển được bảo vệ. Tuy vậy, những kinh nghiệm trong nuôi trồng gần bờ và công nghệ từ kỹ thuật hàng hải, ngành công nghiệp khí - dầu ngoài khơi có thể sẽ kết hợp với nhau, tạo điều kiện cho việc sử dụng các lồng lớn hay các kết cấu chứa trong vùng biển mở cho nuôi và thu hoạch cá được thực hiện dễ dàng hơn. Khó khăn, rào cản chủ yếu là chi phí lắp đặt ngoài khơi lớn và thách thức trong việc giảm thiểu tác động môi trường tiềm tàng từ các cơ sở này trong quá trình hoạt động. Để giải quyết các điều kiện khắc nghiệt ngoài khơi, cần thiết phải thực hiện cơ giới hóa các nhiệm vụ trọng tâm để giảm thiểu sự tham gia của con người, liên tục giám sát các điều kiện môi trường chính, hoạt động và sức khỏe của cá sẽ rất cần thiết để đảm bảo hoạt động liên tục và hiệu quả, và sẽ cần các kết cấu lồng chứa bề mặt có thể sử dụng ở những khu vực biển động hay khu vực nước bên dưới bề mặt nước biển. Kiến thức kỹ thuật để thiết kế các nhà bè trên biển mở, với quy mô lớn. Từ năm 2001, một số thiết kế thương mại đầu tiên đã được triển khai tại nhiều nước trên thế giới, trong đó có Hoa Kỳ. Một phân tích về nguồn nước của Anh vào năm 2007 đã kết luận rằng việc xây dựng một nhà bè mở có quy mô lớn để nuôi các loài cá phát triển nhanh ở vùng biển nước Anh là hoàn toàn khả thi nếu xét về mặt kinh tế. Biên bản ghi nhớ kỹ thuật được ký với Cơ quan khí quyển và đại dương 33 Hoa Kỳ (NOAA) vào năm 2008 cũng đã nhấn mạnh tiềm năng thương mại hiện có của hệ thống đại dương mở này. 2.6. Công nghệ nông nghiệp chính xác Nền nông nghiệp chính xác bao gồm một loạt các công nghệ và thực hành liên quan giúp người nông dân nhận thức và giải quyết được những sự biến đổi đất có thể ảnh hưởng lên sự tăng trưởng của cây trồng. Các kỹ thuật canh tác chính xác hiện nay có xu hướng tập trung vào việc khám phá cách thức biến đổi của các yếu tố như chất lượng đất, nguồn nước, mô hình thoát nước, trong một cánh đồng, sau đó áp dụng các chiến lược trồng, thu hoạch và quản lý để giải quyết những biến đổi đó. Thông tin, số liệu về các biến đổi trong cánh đồng có thể thu được từ nhiều nguồn như thao tác lấy mẫu và kiểm tra; thiết bị cầm tay, cảm biến gắn ở thiết bị, cảm biến đặt trên cánh đồng hay đặt trên mặt đất, trên không, hoặc các điều tra dựa trên vệ tinh. Các chiến lược quản lý có thể rất khác nhau, mục đích có thể là nhằm tăng năng suất cây trồng hoặc giảm tiêu thụ nguyên liệu đầu vào tốn kém như hạt giống, phân bón và thuốc diệt cỏ. Canh tác chính xác tập trung vào việc nhận thức và thích ứng với các biến đổi trong cánh đồng có thể là kết quả của nhiều yếu tố khác nhau giúp phát triển nền nông nghiệp chính xác. Mặc dù các nhà khoa học cây trồng từ lâu đã thử nghiệm nhiều phương pháp nhằm tận dụng thông tin, dữ liệu từ các bức ảnh chụp trên không hay từ vệ tinh cũng như từ những khảo sát được thực hiện trên cánh đồng để cung cấp tin tức về thực hành quản lý cây trồng, nhưng kỹ thuật canh tác chính xác chưa được áp dụng rộng rãi trước thập niên 1990, khi những thay đổi trong bối cảnh kinh doanh nông nghiệp Hoa Kỳ bắt đầu dần có xu hướng mang lại lợi ích cho các nông trại lớn và tích hợp theo chiều dọc ở mức độ cao. Khi các nông trại phát triển, các phương pháp quản lý nông trại truyền thống coi mỗi cánh đồng là một thực thể nguyên khối nhường chỗ cho kỹ thuật quản lý thay thế nhằm tập trung tìm hiểu các biến thể nội đồng và những ảnh hưởng của chúng đến yếu tố năng suất cây trồng. Đồng thời, giá thành của các hệ thống định vị vệ tinh vào thời điểm đó đang giảm mạnh, và các nguồn công nghệ thông tin khác nhau cần thiết để tạo ra, cập nhật và tận dụng bản đồ cánh đồng tùy chỉnh đang trở nên dễ dàng tiếp cận và có giá thành hợp lý đối với những nông dân. Do lịch sử phát triển, nền nông nghiệp chính xác gắn bó chặt chẽ với các hoạt động thực hành nông nghiệp-công nghiệp quy mô lớn chiếm ưu thế trong các khu vực như miền trung tây Hoa Kỳ, miền nam Brazil, và nhiều vùng ở Canada, Đức và Úc. Chi phí vốn tương đối thấp, quỹ đất cao và tập trung vào hiệu quả (bao gồm cả hiệu quả lao động) giúp khuyến khích nông dân ở các khu vực này mua 34 máy móc, phương tiện nông nghiệp lớn hơn và phức tạp hơn và có khả năng tích hợp các công nghệ canh tác chính xác. Mặc dù một số kỹ thuật nông nghiệp chính xác có thể được sử dụng trên các trang trại quy mô nhỏ dựa trên sức lao động của con người thay vì lao động cơ khí, nhưng các công nghệ nông nghiệp chính xác tiên tiến nhất lại dựa trên tính tự động ở mức độ rất cao, không chỉ tính ứng dụng mà còn cả về ra quyết định. Nền nông nghiệp chính xác có thể sẽ bổ sung đáng kể vào chi phí hiện tại, và có thể là đến năm 2040 sự gia tăng sản lượng với công nghệ bổ sung này chưa thể bù đắp cho các chi phí bổ sung. Đối với các công nghệ nông nghiệp chính xác được nhân rộng trong tương lai và theo cách thức tác động đáng kể đối với sản lượng lương thực toàn cầu và tiêu thụ tài nguyên, thì những hướng dẫn hay hệ thống ứng dụng tự động hóa đang nổi lên ở các phương tiện máy móc nông nghiệp sẽ phải giảm về kích thước và chi phí để có thể hoạt động được trên các mảnh đất nhỏ ở các nước đang phát triển vốn được xem là nơi có thể tăng năng suất tiềm năng lớn nhất. Tổng quan về công nghệ nông nghiệp chính xác sau đây minh họa một lộ trình phát triển mà trong đó nền nông nghiệp cơ giới hóa sẽ trải qua một quá trình chuyển đổi mạnh mẽ và có thể được áp dụng phù hợp với hầu như bất kỳ địa điểm nào. 2.6.1. Các thành phần cơ bản: Lập bản đồ và quản lý Xét trong nhiều khía cạnh, thiết bị thu nhận định vị vệ tinh là một công nghệ nền tảng trong nền nông nghiệp chính xác và được ứng dụng rộng rãi nhất trong tất cả các công nghệ nông nghiệp chính xác. Thiết bị thu này thường sử dụng tín hiệu từ chùm vệ tinh của Hệ thống định vị toàn cầu Hoa Kỳ (GPS), cùng với điều chỉnh tín hiệu từ máy phát trên mặt đất cố định để cung cấp thông tin vị trí cực kỳ chính xác - một yếu tố đóng vai trò hết sức quan trọng cho các ứng dụng nông nghiệp chính xác. Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của đầu thu GPS trong nông nghiệp chính xác là tạo ra các bản đồ đất tọa độ địa lý. Nông dân sẽ sử dụng đầu thu GPS cầm tay để đánh dấu chính xác các vị trí của mẫu đất, sau đó đối chiếu mẫu đất và tọa độ GPS trong một cơ sở dữ liệu hệ thống thông tin địa lý (GIS). Có các công nghệ và kỹ thuật khác nhau để xác định tính chất đất, bao gồm xét nghiệm mẫu, đầu dò đo độ dẫn điện của đất (để xác định hàm lượng nước), và đồng hồ đo độ pH cầm tay (nhiều trong số đó tích hợp hay kết nối với đầu thu GPS để tạo ra dữ liệu tọa độ địa lý, mà không đòi hỏi việc phải nhập riêng những dữ liệu này). Nhiều cảm biến còn có thể được gắn trên các phương tiện đi lại để giúp việc đo đạc được thực hiện nhanh hơn tại vị trí là những cánh đồng rộng lớn. Cảm biến từ xa cũng có thể đo liên tục chỉ số chất lượng đất và truyền những số liệu này tại một cơ sở dữ liệu trung tâm. 35 GPS và GIS cũng được sử dụng để đo lường và sắp xếp các chỉ số thể hiện sức khỏe và tình trạng của cây trồng. Chẳng hạn như đối với thao tác lấy mẫu đất, một loạt các cảm biến và phương pháp có thể được sử dụng để thực hiện đo lường các tọa độ địa lý. Ví dụ, cảm biến cầm tay và cảm biến gắn trên xe có sẵn có thể đo hàm lượng của chất diệp lục trong lá cây bằng cách đo năng lượng ánh sáng phản chiếu trên lá. Hàm lượng diệp lục trong lá thấp cho thấy sự thiếu hụt dinh dưỡng, bệnh hại ở cây trồng hoặc các vấn đề khác. Bên cạnh đó còn có các loại cảm biến tương tự được thiết kế để đo lường các chỉ số sức khỏe khác như nhiệt độ cây trồng (thể hiện sự thiếu hụt nước), hàm lượng đường (giúp xác định độ chín của quả), và sự phá hoại của côn trùng. Nông dân có thể sử dụng số liệu quan trắc địa lý để hỗ trợ hoạt động quản lý nông trại theo vùng, từ đó, thay đổi các ứng dụng đầu vào cây trồng (giống, phân bón, thuốc trừ sâu) dựa vào các yếu tố như sức sống cây trồng và độ màu mỡ của đất. Kỹ thuật phổ biến giúp kiểm soát đầu vào theo vùng là chia một nông trại thành các khu quản lý, rồi sau đó tính toán phân bố tối ưu đầu vào trong mỗi khu. Phương pháp phân khu được phổ biến vì nó tương đối dễ sử dụng với hệ thống ứng dụng không chính xác, phân tán đồng đều lượng đầu vào trong một mô hình rộng. Tính toán đầu vào cần thiết thường được xem là nhiệm vụ của phần mềm chuyên dụng, đòi hỏi chi phí giấy phép đắt tiền. Tuy nhiên, lượng đầu vào có thể được tính toán thủ công bằng cách sử dụng công thức trong trường hợp người nông dân nắm bắt được những kiến thức cần thiết. Vấn đề đang diễn ra chủ yếu với nền nông nghiệp chính xác là xác định những mức độ đầu vào thích hợp với các điều kiện nông trại khác nhau. Các công thức khuyến cáo hiện nay thường dựa trên giá trị nghiên cứu khoa học cây trồng của nhiều thập niên. Tuy nhiên, chúng thường được sử dụng để quản lý "toàn bộ khu vực nông trại" thông thường trên cơ sở từng khu vực, và không nhất thiết phải phù hợp với các kỹ thuật quản lý quy mô nhỏ hơn nhiều trong canh tác chính xác. Các nhà nghiên cứu đang phát triển các thuật toán, được thiết kế riêng để áp dụng canh tác chính xác và có thể được tùy chỉnh với các điều kiện trong các khu vực nông trại riêng không phân biệt khu vực. Không giống như nhiều công nghệ nông nghiệp chính xác, việc lập bản đồ đầu vào tọa độ không gian địa lý tương đối đơn giản để thích ứng để hoạt động trong các hệ thống nông trại quy mô nhỏ phổ biến ở các nước đang phát triển. Do tính trung tâm đối với cả canh tác chính xác cơ giới hóa và phi cơ giới hóa, công nghệp lập bản đồ và công nghệ đề xuất đều có khả năng trở thành các thành tố canh tác chính xác quan trọng nhất. 36 2.6.2. Các hệ thống tích hợp đầu tiên: theo dõi năng suất Theo dõi năng suất, giải pháp canh tác chính xác được tích hợp đầu tiên mới xuất hiện, đã được áp dụng ở máy gặt-đập liên hợp những năm 1990 và hiện đang là loại phổ biến nhất của hệ thống canh tác chính xác tích hợp. Máy theo dõi năng suất điển hình sử dụng một cảm biến tác động để đo lượng ngũ cốc được xử lý khi vào thùng chứa hạt của máy gặt đập. Cảm biến riêng biệt đo độ ẩm của hạt để giúp hiệu chỉnh các biến đổi do độ ẩm gây ra trong hạt, qua đó, nâng cao độ tin cậy của phép đo dòng hạt này. Máy theo dõi năng suất cho phép nông dân theo dõi sản lượng có độ chính xác hơn so với phương pháp cũ (như cân hạt khi bán). Các dữ liệu năng suất chính xác này giúp nông dân kiểm soát được việc quản lý, điều hành nông trại, chẳng hạn như đàm phán cho thuê cây trồng. Nông dân cũng sử dụng thành phần cảm biến độ ẩm trong máy theo dõi năng suất để thu thập thông tin về điều kiện cây trồng, có thể đưa ra các chiến lược trồng trọt và các thực hành xử lý xây trồng tiếp theo. Theo dõi năng suất trở thành một công cụ mạnh mẽ, hiệu quả hơn rất nhiều khi kết hợp với thông tin định vị vệ tinh và phần mềm lập bản đồ. Máy gặt đập liên hợp được trang bị cả thiết bị giám sát năng suất và hệ thống GPS có thể tương quan đo lường năng suất tức thời với các địa điểm chính xác trong một khu vực nông trại. Sau đó phần mềm chuyên dụng có thể sử dụng những dữ liệu liên quan đó để tạo bản đồ năng suất, có thể chỉ cho người nông dân các khu vực trên cánh đồng có mức năng suất đặc biệt cao hay thấp. Bản đồ năng suất có thể giúp nông dân khắc phục một loạt các vấn đề về nông trại của mình mà nếu không thì họ sẽ gặp khó khăn lớn trong việc sử dụng các kỹ thuật khác như lập bản đồ đất tọa độ địa lý. Ví dụ, một khu vực có năng suất thấp của một cánh đồng cũng trồng ngũ cốc lại có độ ẩm cao bất thường có thể có vấn đề về thoát nước. Theo dõi năng suất còn có thể giúp nông dân theo dõi kết quả thử nghiệm với các chiến lược trồng khác nhau và kỹ thuật quản lý để xác định những thứ sẽ hoạt động tốt nhất cho các khu vực cụ thể trên cánh đồng. 2.6.3. Các công nghệ mới nổi: Canh tác thay đổi theo vùng và chỉ dẫn tự động Một trong những phát triển quan trọng nhất trong hệ thống nông nghiệp chính xác tích hợp trước trong thập kỷ vừa qua là sự ra đời của các hệ thống ứng dụng (cấp) thay đổi theo vùng đất (variable-rate application) dùng cho phân bón, hạt giống, thuốc trừ sâu, và thuốc diệt cỏ. Những hệ thống này thay thế hệ thống ứng dụng cố định thông thường trên các phương tiện nông trại hay các phương tiện chuyên dụng. Các hệ thống ứng dụng thay đổi theo vùng có thể cho phép người nông dân cung cấp chính xác liều lượng đầu vào cây trồng ở những nơi cần thiết. Hệ thống ứng dụng thay đổi theo vùng cơ bản nhất là loại có người điều khiển, có nghĩa là người nông dân phải điều chỉnh thủ công các đầu ra của hệ thống khi hệ 37 thống định vị của xe cho biết xe đang đi vào 1 vùng mới. Hệ thống ứng dụng thay đổi theo vùng liên kết trực tiếp với hệ thống GPS/GIS trên xe và điều chỉnh các tỷ lệ phân tán đầu vào dựa trên dữ liệu bản đồ. Các hệ thống tiên tiến nhất sử dụng công nghệ cảm biến và công nghệ cấp, trong đó các cụm cảm biến gắn trên xe hay thiết bị sẽ đo chỉ số tình trạng cây trồng và hướng đầu phun hay thiết bị cấp thay đổi để cung cấp lượng đầu vào thích hợp để xử lý vấn đề. Ví dụ, một thiết bị phun thuốc diệt cỏ được trang bị công nghệ on-the-go (xử lý di động) có thể xác định cỏ dại bằng cách sử dụng cảm biến quang và cung cấp đủ thuốc diệt cỏ giúp tiêu diệt cỏ dại bằng cách sử dụng đầu phun khớp nối. Hệ thống cảm biến và ứng dụng on-the-go còn có thể tận dụng dữ liệu từ cơ sở dữ liệu bản đồ để nâng cao độ chính xác và mức đáp ứng, các đầu vào của cảm biến có thể cung cấp các thông tin quý giá để cập nhật cơ sở dữ liệu, hỗ trợ quyết định trong tương lai. Nông dân thường xuyên ghép hệ thống ứng dụng thay đổi theo vùng với hệ thống hướng dẫn giúp giữ cho máy kéo và các thiết bị hoạt động chính xác trên 1 cánh đồng, giúp giảm khối lượng công việc của nông dân, trong khi cải thiện tính chính xác của thay đổi ứng dụng theo vùng. Ngay cả trong trường hợp không có các hệ thống ứng dụng thay đổi theo vùng, người nông dân có thể khai thác lợi ích của các hệ thống hướng dẫn trong việc định vị các cánh đồng và xác định điểm giao giữa các vùng. Hệ thống hướng dẫn cơ bản nhất bổ sung một màn hình hiển thị bản đồ định vị với một cột ánh sáng chỉ thị hỗ trợ nông dân có thể đi xe trên một con đường được xác định trước một cách chính xác nhất. Các hệ thống tiên tiến hơn ngày càng kết hợp hướng dẫn hoạt động, bao gồm cả lái máy kéo tự động và hệ thống hướng dẫn và lái tách riêng cho thực hiện. Hệ thống lái tự động cơ bản giữ máy kéo trên 1 đường thẳng rất chính xác đi qua cánh đồng, nhưng người nông dân vẫn cần chuyển hướng máy kéo để bắt đầu đi qua 1 cánh đồng khác. Các hệ thống tốt nhất hiện nay có thể cả lái và chuyển hướng máy kéo và có thể đạt được mức độ chính xác rất cao, kiểm soát các phương tiện hoạt động cho hàng chục hàng cây trồng theo các mẫu hình lặp lại với dung sai +/- 1 inch thậm chí ở cả các cánh đồng không bằng phẳng hay dốc. 2.6.4. Công nghệ trong tương lai: Robot nông trại và cánh đồng thông minh Các xu hướng tương lai trong canh tác chính xác nhằm tăng tính tự động hóa của các phương tiện nông trại và điều khiển thiết bị. Một số nhà sản xuất đã giới thiệu các hệ thống hướng dẫn cho phép máy kéo tự lái, thực hiện 1 số nhiệm vụ hạn chế như theo sau máy gặt đập liên hợp, trong khi kéo thêm toa xe thu hạt, tự lái toa xe đến một điểm đã cài đặt sẵn để đổ hạt, và sau đó trở về vị trí của máy gặt đập để thu hạt. Trong 5-10 năm tới, máy kéo tự hành có thể tham gia vào một loạt vai trò trong các trang trại quy mô lớn. Hiệu quả thu được từ việc sử dụng rộng rãi các hướng dẫn tự động và công nghệ ứng dụng và cảm biến on-the-go có 38 thể giúp công việc canh tác tự động trở nên có lợi hơn canh tác thông thường, thúc đẩy tăng đầu tư vào công nghệ canh tác tự động. Quan trọng hơn, khi các lợi ích của canh tác tự động được xác định, các chuyên gia hy vọng rằng xu hướng dựa trên hiệu quả hướng tới các phương tiện nông trại lớn hơn sẽ tự đảo ngược. Nhiều chuyên gia hy vọng rằng những quan tâm hiệu quả sẽ thay cho ý thích triển khai những đàn lớn thay vì đàn nhỏ, các robot hoá chuyên canh sẽ làm việc trên các phần nhỏ trên cánh đồng vào mọi lúc, có thể là 24 giờ một ngày. Mỗi xe sẽ trang bị đầy đủ cảm biến và phần mềm (hoặc thông qua hệ thống điều khiển trên xe hoặc dữ liệu liên kết hệ thống từ xa) cho phép nó có thể quản lý vùng canh tác của mình một cách tối ưu. Cùng với mạng lưới cảm biến phân tán theo dõi các điều kiện đất và cây trồng và các phần mềm tích hợp thu thập dữ liệu và ra lệnh-và-kiểm soát, "các cánh đồng thông minh" trong tương lai có thể tự canh tác. Trong số những yếu tố khác, quy mô kinh tế có thể là kết quả của sự phổ biến các cánh đồng thông minh ở các nước phát triển có thể giúp thực hiện nền canh tác chính xác cơ giới hóa khả thi hơn trong bối cảnh nông nghiệp đô thị, và nông nghiệp tiểu chủ, làm tăng đáng kể lượng đất canh tác cường độ cao, năng suất cao trong tương lai. Lộ trình từ máy kéo tự động đến robot nông trại có thể không phải là 1 con đường bằng phẳng. Các chuyên gia đã lưu ý rằng các phương triện trang trại tự động làm dấy lên mối quan tâm về tính an toàn và an ninh. Mặc dù các máy móc nông trại tự động có thể hoạt động an toàn hơn rất nhiều so với máy móc được điều khiển bởi con người, thì tai nạn vẫn có thể xảy ra. Tùy thuộc vào thẩm quyền, tòa án có thể dễ dàng áp dụng luật trách nhiệm sản phẩm hiện tại cho một trường hợp tương lai trong đó một máy nông nghiệp tự động làm bị thương hoặc làm chết một người đi nhầm vào đường đi của phương tiện đó. Nhưng sự cố như vậy, hay đặc biệt là một loạt những sự cố như vậy, có thể ảnh hưởng đến sự chấp công nghệ của công chúng. Một mối quan ngại liên quan đến việc kiểm soát các xe trang trại tự động và sử dụng chúng để tàn phá. Máy kéo tự động kích thước của một chiếc xe ủi đất lớn, thậm chí khi không có thiết bị (có thể lớn hơn một đường cao tốc bốn làn xe) có thể là vũ khí khủng bố. Robot trang trại nhỏ hơn có thể ít "mang tính vũ khí" hơn, nhưng vẫn làm dấy lên những quan ngại. Có một số chiến lược tiềm năng cho các nhà sản xuất để đảm bảo rằng những robot trang trại không bị sử dụng sai, nhưng chưa rõ là chúng có hiệu quả trong việc ngăn chặn các cuộc tấn công hay không. Tất nhiên, có nhiều lợi ích từ canh tác chính xác không đòi hỏi robot nông trại hay cánh đồng thông minh; người lao động có thể thực hiện phương pháp ứng dụng thay đổi theo vùng bằng tay bằng cách sử dụng cảm biến cầm tay và bản đồ 39 GPS. Nhưng canh tác chính xác rộng hơn so với cảm biến và ứng dụng; nó cũng là một công việc đầy thử thách về tri thức. Phần mềm chuyên dụng cho xử lý dữ liệu và hỗ trợ quyết định có thể tự động hóa nhiều công việc tri thức và giúp nông nghiệp chính xác dễ thực hành hơn đối với các cá nhân. Tuy nhiên, việc sử dụng phần mềm như vậy thường đòi hỏi mức tri thức cao. Các xu hướng có thể giảm kích thước xe trang trại cũng có thể chấm dứt việc giúp chuyển nhiều khía cạnh lập kế hoạch và ra quyết định của nông nghiệp chính xác để người nông dân thoát ra khỏi vòng luẩn quẩn. Lao động nông nghiệp là 1 công việc cực kỳ khó khăn và đòi hỏi nhiều thứ, các hóa chất sử dụng trên các trang trại có thể rất có hại cho con người. Tương lai của các trang trại thông minh được quản lý bởi robot không nhất thiết phải là một điều ao ước, chi phí cao của các hệ thống cánh đồng thông minh robot có thể đảm bảo rằng phần lớn các nước phát triển sử dụng các cánh đồng do con người và robot cùng quản lý. 2.7. Công nghệ nhiên liệu sinh học Việc sử dụng nhiên liệu sinh học trong vận tải, chủ yếu là ethanol và dầu diesel sinh học, đã phát triển nhanh chóng trên toàn thế giới. Nhưng theo một số chuyên gia, nhiên liệu sinh học ngày nay có nhiều nhược điểm: ít có lợi cho môi trường, tiêu thụ cây lương thực, và giá thành đắt. Sản lượng ethanol từ ngô Mỹ đạt 13 tỷ gallon năm 2010, nhưng tiêu thụ tới 30% ngô Mỹ và hàng tỷ đô la trợ cấp của chính phủ liên bang trong khi chỉ cung cấp được 9% nhu cầu xăng dầu của Mỹ. Các công nghệ thế hệ tiếp theo giúp chuyển đổi sinh khối (không phải cây lương thực) thành nhiên liệu sinh học tiên tiến và các hóa chất hứa hẹn sẽ bền vững hơn và có chi phí thấp hơn. Những công nghệ đang nổi lên này rất quan trọng đối với an ninh cung cấp lương thực của thế giới và giúp giảm sự phụ thuộc củ thế giới vào nhiên liệu xăng dầu. Phần này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng thể về các công nghệ mới và các vấn đề thị trường sẽ ảnh hưởng đến sự thành công của nhiên liệu sinh học tiên tiến trong vài thập kỷ tới. Một trong những động lực lớn nhất của nhiên liệu sinh học tiên tiến là các chính sách chính phủ. Hoa Kỳ và Liên minh châu Âu có các nhiệm vụ nhiên liệu sinh học tích cực thích hợp bao gồm các tiêu chuẩn bền vững. Tiêu chuẩn nhiên liệu tái tạo của Hoa Kỳ (RFS) yêu cầu 36 tỷ gallon nhiên liệu sinh học vào năm 2022 với lượng nhiên liệu sinh học tiên tiến ngày càng tăng để giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính xuống dưới đường cơ sở nhiên liệu hóa thạch 2005. Một loạt các công nghệ nhiên liệu sinh học tiên tiến đang được phát triển có thể đáp ứng các yêu cầu, nhưng chi phí vẫn còn quá cao và công nghệ chưa được chứng minh ở quy mô thương mại. Để dạt được mục tiêu RFS sẽ đòi hỏi sự hỗ trợ của 40 chính phủ về lâu dài, bao gồm cả tài trợ nghiên cứu và phát triển, tín dụng thuế, và cho vay đảm bảo hỗ trợ việc xây dựng các nhà máy quy mô thương mại. Tính khả thi của nhiên liệu sinh học tiên tiến cũng sẽ phụ thuộc vào giá cả tương đối để cạnh tranh làm với các nhiên liệu giao thông. Nhiên liệu sinh học đối mặt với sự cạnh tranh đáng kể từ xăng và nhiên liệu diesel từ dầu mỏ, được cung cấp rộng rãi cho người tiêu dùng thông qua một hệ thống phân phối và bán lẻ phát triển cao ở hầu hết các quốc gia. Giá dầu thô cao làm tăng sức cạnh tranh chi phí nhiên liệu sinh học tái tạo. Các xe hiệu suất cao, bao gồm hybrid và xe điện thuần túy và các loại xe pin nhiên liệu chạy bằng hydro, giúp giảm việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch và phát thải carbon và do đó cũng sẽ cạnh tranh với các nhiên liệu sinh học tiên tiến. 2.7.1. Ethanol xenlulô Ethanol xenlulô là nhiên liệu sinh học tiên tiến gần với yêu cầu nhất. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai này được lấy từ nhiều loại nguyên liệu sinh khối lignoxenlulôse bao gồm chất thải nông nghiệp và lâm nghiệp (như thân cây ngô, rơm rạ, rơm lúa mì, và bã mía), cây năng lượng không làm thực phẩm (cỏ và cây như cỏ, cây dương, và miscanthus), và chất thải rắn đô thị. Sinh khối lignoxenlulô gồm phức hợp xenlulô, hemixenlulô, lignin và polyme, là các loại khó phá vỡ hơn nhiều so với hạt ngô. Hiện trạng. Các công nghệ biến đổi sinh khối cơ bản - sinh hóa và nhiệt hóa - đã có trong nhiều thập kỷ, và các nhà nghiên cứu đã đạt được tiến bộ đáng kể trong việc giảm chi phí trong mười năm qua. Các quá trình sinh hóa (dựa trên đường) sử dụng axit hoặc thủy phân enzym của lignoxenlulô để tạo ra các loại đường như glucose và xylose, sau đó lên men thành ethanol xenlulô. Các quá trình nhiệt hóa sử dụng khí hóa để chuyển đổi nguyên liệu thành khí tổng hợp, sau đó lên men hoặc xúc tác chuyển đổi khí tổng hợp thànht ethanol xenlulô và các sản phẩm có giá trị khác. Từ năm 2004, nhiều loại nhà máy ethanol xenlulô khác nhau đã hoạt động trên thế giới, nhưng các nhà phát triển vẫn chưa tìm ra phương pháp tiếp cận và các nguyên liệu thành công nhất ở quy mô thương mại. Nghiên cứu và phát triển lớn tập trung nâng cao hiệu quả của các quá trình nhiều bước. Đối với quá trình sinh hóa, các nhà nghiên cứu đang tìm cách cải thiện quá trình tiền xử lý để phá vỡ hemixenlulô thành đường lên men. Hiện đã có các phức hợp enzym cellulase phá vỡ thành tế bào thực vật nhưng chi phí vẫn hơn khoảng mười lần so các enzym để sản xuất ethanol từ ngô. Các nhà nghiên cứu cũng đang sửa chỉnh các nấm men đặc biệt có thể lên men các loại đường khó chuyển hóa C5 và C6 từ xenlulô để sản xuất ethanol. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã phát hiện vi khuẩn có thể phá vỡ xenlulô và lên men đường trong quy trình một bước - loại bỏ được bước tiền xử lý tốn kém. Những đột phá trong tương lai là kết quả của 41 những nỗ lực này có thể dẫn đến khả năng các nhà sinh học phân tử thay đổi mã di truyền của các vi sinh vật để cải thiện hoạt động của enzym và các chức năng khác. Nhân giống cây trồng và công nghệ sinh học cũng mang đến nhiều lợi ích lớn như cải thiện hiệu suất sinh khối, giảm sự không đồng đều chất lượng của các nguyên liệu, tăng hiệu suất của các nguyên liệu sinh khối trong các quy trình biến đối cuối nguồn. Các chuyên gia nghiên cứu của công ty Agrivida (Hoa Kỳ) và Syngenta International AG (Thụy Sỹ) đã đưa được các enzym phân hủy màng tế bào vào các bộ gen của thực vật. Các enzym này chỉ hoạt động dưới các điều kiện xử lý nhiên liệu sinh học và kích hoạt quá trình thủy phân polysaccharides thực vật từ trong sinh khối biến đổi gen, làm giảm đáng kể nhu cầu tiền xử lý enzym tốn kém. Công ty Ceres (Hoa Kỳ) đang tiến hành phát triển các loại hạt giống và tính năng chpo cây trồng năng lượng sinh khối cao và đã xác định được hàng trăm gen mục tiêu cho các tính năng như sản lượng sinh khối cao, cấu trúc cây, chịu được các tác động môi trường, sử dụng hiệu quả nguồn ni-tơ trong đất, chống bệnh. Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Khoa học năng lượng sinh học (Hoa Kỳ) đã tìm ra loại gen kiểm soát khả năng sản sinh ethanol trong vi sinh vật, cho phép các nhà khoa học có thể thay đổi gen trong các cây làm sinh khối để sản xuất nhiều ethanol hơn. Viễn cảnh. Các công ty sản xuất ethanol xenlulô cho biết họ đã sẵn sàng xây dựng ít nhất một chục cơ sở quy mô thương mại và có thể cung cấp vài trăm triệu lít ethanol xenlulô trong những năm tới. Tuy nhiên việc cung cấp tài chính cho các nhà máy mới đầy rủi ro là một rào cản lớn. Chính phủ và các nghiên cứu khác cho thấy chi phí sản xuất ban đầu sẽ cao hơn đáng kể so với chi phí để sản xuất ethanol từ ngô, ngay cả khi giá ngô ở mức cao lịch sử. Tuy nhiên, một hoặc nhiều nước phát triển sớm có thể có thể sản xuất ethanol xenlulô thành công. Các làn sóng các nhà máy thương mại sắp tới sẽ cung cấp thông tin giá trị và có thể đặt nền móng cho một ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học phát triển. Các nhà phát triển nhiên liệu sinh học từ xenlulô thành công cũng sẽ cần phải xây dựng các chuỗi cung ứng khu vực mới, trong đó tất cả các bộ phận cần thiết kết hợp với nhau một cách hiệu quả - thu hồi sinh khối từ các cánh đồng, rừng; tạo ra, lưu trữ và cung cấp nguyên liệu sinh khối chất lượng cao cho các nhà máy chế biến sinh học; và chuyển đổi sinh khối thành các sản phẩm năng lượng sinh học. Một nghiên cứu mới đây của Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng cho thấy Hoa Kỳ có thừa sinh khối lignoxenlulô từ rừng và các nguồn nông nghiệp - một tỷ tấn sinh khối khô - thay thế cho 30% xăng dầu tiêu thụ vào năm 2030. 42 Nhiều nhà phát triển nhiên liệu sinh học xenlulô đã hợp tác với các công ty công nghiệp lớn để giúp đẩy nhanh thương mại hóa các công nghệ mới. Các công ty dầu mỏ có một mối quan hệ tự nhiên về kinh doanh nhiên liệu sinh học, bao gồm các thông tin làm thế nào để quản lý các dự án thương mại có quy mô lớn và sản phẩm và thị trường nhiên liệu giao thông ở quy mô lớn. Royal Dutch Shell là nhà đầu tư dài hạn ở Iogen Corp, sản xuất ethanol xenlulô từ chất thải nông nghiệp tại một nhà máy lớn ở Canada. Shell cũng có quan tâm đến công ty phát triển chất xúc tác sinh học Codexis ở California, tập trung vào nghiên cứu các enzym mạnh hơn có thể chuyển đổi nhanh hơn sinh khối thành nhiên liệu. 2.7.2. Dầu diesel sinh học từ sinh khối Dầu diesel sinh học đã và đang phát triển nhanh chóng trên toàn thế giới, đặc biệt ở châu Âu. Hầu hết dầu diesel sinh học hiện nay có nguồn gốc từ dầu thực vật như hạt cải dầu, đậu nành, dầu cọ, dầu ăn đã qua sử dụng bị bỏ đi từ các nhà hàng, và chất béo động vật. Dầu diesel sinh học thường được pha trộn với nhiên liệu diesel thông thường ở mức nồng độ thấp do dầu diesel sinh học tinh khiết có xu hướng đông đặc hoặc ở dạng gel ở nhiệt độ thấp. Neste Oil của Phần Lan đã sản xuất ra một sản phẩm nâng cao (diesel tái tạo NExBTL) có thể được sử dụng để trộn ở bất kỳ mức nồng độ nào. Các nhà nghiên cứu cũng đang phát triển công nghệ diesel sinh học-xenlulo sử dụng nguyên liệu sinh khối và không phụ thuộc vào cây lương thực. Choren Industries GmbH, với sự hợp tác từ Shell và các đối tác khác, đã xây dựng một quy trình biến sinh khối thành chất lỏng bao gồm quá trình khí hóa sinh khối ở nhiệt độ cao, tiếp theo là quá trình xúc tác để tạo ra diesel sinh học tổng hợp, sạch và chất lượng cao. Quy trình Carbo-V của Choren chuyển đổi hơn 50% nguyên liệu sinh khối gỗ, trong khi quy trình xử lý diesel sinh học thông thường chuyển đổi chưa đến 10% khối lượng các cây khô. Năm 2008, Choren đã chạy thử 1 nhà máy thí điểm sinh khối thành chất lỏng lớn ở Freiberg, Đức và đang nghiên cứu tính khả thi của các cơ sở quy mô lớn hơn. 2.7.3. Butanol sinh học Butanol sinh học là một nhiên liệu sinh học mới chưa được thương mại hóa. Butanol sinh học trở nên nổi tiếng rộng rãi trong năm 2006 khi BP và DuPont công bố kế hoạch sản xuất thương mại bằng cách áp dụng quá trình lên men. Hầu hết các butanol (sử dụng trong hóa chất) hiện nay là từ các nguyên liệu hóa dầu. Butanol có nhiều ưu điểm hơn ethanol, gồm mật độ năng lượng cao hơn và không thể pha với nước, cho phép pha trộn dễ dàng hơn với xăng và nhiên liệu khác. Quy trình sản xuất butanol sinh học vẫn còn ở quy mô phòng thí nghiệm hay giai đoạn phát triển thí điểm ban đầu. Tuy nhiên, dữ liệu được công bố về các sinh vật sản sinh ra butanol cho thấy năng suất tương đối thấp so với sản xuất ethanol thông qua lên men. Công ty nhiên liệu sinh học BP-DuPont và một số công ty 43 khác đang nghiên cứu để phát triển và thương mại hóa công nghệ butanol sinh học mới sử dụng chất xúc tác sinh học và vi khuẩn độc quyền. Ban đầu, các nhà phát triển sẽ sử dụng các loại cây trồng thực phẩm nông nghiệp làm ethanol như ngô, lúa mì, củ cải đường, sắn và mía. Việc sử dụng các nguồn nguyên liệu sinh khối lignoxenlulôse được lên kế hoạch cho sau này và đòi hỏi phát triển công nghệ hơn nữa. 2.7.4. Nhiên liệu sinh học drop-in Kể từ giữa những năm 2000, nhiều nhà phát triển và các nhà đầu tư nhiên liệu sinh học tiên tiến đã chuyển trọng tâm chú ý của mình sang nhiên liệu sinh học drop-in thế hệ thứ 3 có tiềm năng năng lượng cao hơn so với ethanol hay butanol sinh học và có thể pha trộn với nhiên liệu dầu mỏ thông thường theo tỷ lệ cao mà không cần thay đổi hạ tầng nhiên liệu giao thông hiện có. Ngược lại, ethanol không thể pha với xăng tại các nhà máy lọc dầu hoặc vận chuyển bằng đường ống dẫn. Thay vào đó, ethanol thường được vận chuyển bằng đường sắt hoặc đường xe tải và pha với xăng tại các điểm phân phối gần người dùng cuối, làm tăng thêm chi phí và có thể gây sức ép lên các hệ thống phân phối. Các công nghệ drop-in bao gồm hydrocarbon tái tạo được sản xuất từ tảo biển và các quy trình tiên tiến chuyển đổi đường thực vật thành hydrocarbon. Tuy nhiên, các công nghệ này chưa hoàn thiện và chi phí còn cao. Nhiều nhà phát triển ban đầu hướng tới các thị trường nhiên liệu, hóa chất có giá trị cao hơn chứ không nhắm tới thị trường nhiên liệu hàng hóa. Nhiên liệu sinh học từ tảo. Tảo là nguồn giàu nhiên liệu sinh học và đã trở thành chủ đề nghiên cứu mạnh và mối quan tâm của các nhà đầu tư. Các công nghệ dựa vào tảo mang lại những lợi ích lớn như năng suất rất cao, khả năng sử dụng đất cằn cỗi, không thích hợp để trồng trọt và các nguồn nước khác nhau – nước ngọt, mặn và nước thải, và tiềm năng để tái chế khí carbon dioxide và các chất thải khác. Hơn 50% tảo có thể chứa dầu sinh học có thể được sử dụng để làm nhiên liệu sinh học drop-in thay thế diesel, xăng, nhiên liệu hàng không, và các sản phẩm đặc biệt. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ là lực lượng đóng vai trò quan trọng trong phát triển dầu sinh học gốc tảo từ năm 1978 đến năm 1996. Công việc chấm dứt bởi giá dầu thô quá thấp để nhiên liệu từ tảo có thể cạnh tranh, nhưng Chương trình Loài thủy sản của Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia Hoa Kỳ đã cho thấy hiệu suất ấn tượng, với năng suất tảo quang hợp hơn 10 tấn khô/mẫu Anh trong hệ thống ao mở. Lộ trình phát triển nhiên liệu sinh học từ tảo mới nhất của DOE được xuất bản vào năm 2010 chỉ ra rằng chương trình NC&PT có thể giúp tính kinh tế nhiên liệu từ tảo trở nên cạnh tranh trong vòng 10 năm, mặc dù khoảng thời gian đó có thể là lạc quan. Những thách thức kỹ thuật chủ yếu từ sinh học tảo cơ bản đến 44 canh tác đến sản xuất và nâng cao quy mô quá trình tổng hợp. Kỹ thuật sinh học tổng hợp giúp giảm chi phí nhiên liệu sinh học từ tảo bằng cách thay đổi cách vi tảo sử dụng ánh sáng và nâng cao hiệu quả sản xuất nhiên liệu của chúng. Tuy nhiên, việc nuôi trồng và thu hoạch tảo có phần phức tạp. Phương pháp tiếp cận công nghệ bao gồm việc trồng tảo quang hợp trong ao mở rộng, phát triển gen tảo trong môi trường phản ứng sinh quang đi kèm, và nuôi cấy tảo biến đổi gen có thể tiêu thụ đường bên trong thùng lên men tối. Mỗi phương pháp đều có nhược điểm. Ví dụ trong môi trường ao mở, chuỗi tảo dại từ môi trường có thể chèn lấn các chuỗi tảo có năng suất cao, và tảo tăng trưởng cao trong phản ứng sinh học kín có thể quá nóng. Sản xuất tảo tiêu thụ nhiều năng lượng - các công nghệ thường sản xuất nhiên liệu sinh học gián tiếp bằng phát triển sinh khối tảo; sau đó thu hoạch, khử nước, và chiết xuất dầu; và sau đó chế biến dầu thành dầu diesel sinh học hoặc sản phẩm nhiên liệu khác. Các nhà nghiên cứu cũng cần phải hiểu rõ hơn và kiểm soát chi phí cao liên quan đến nước. Tảo có thể phát triển trong nước thải, nhưng mầm bệnh tiềm ẩn có thể làm tảo và công nghệ xử lý nước rất tốn kém. Đối với tùy chọn ao mở, cần lượng lớn nước sạch để bổ sung lượng nước đã bốc hơi tránh các chất ô nhiễm tập trung. Một số nhà đầu tư đã bắt đầu đặt câu hỏi liệu nhiên liệu sinh học từ tảo sẽ có hiệu quả kinh tế. Công ty phát triển công nghệ sinh học tảo Solazyme có trụ sở tại California đã thành công trong việc giảm chi phí sản xuất đáng kể bằng cách nuôi trồng tảo trong bể lên men không có ánh sáng mặt trời bằng cách cho chúng ăn đường - một nguồn năng lượng tập trung cho phép tảo phát triển nhanh chóng. Solazyme nhận được đơn đặt hàng từ Hải quân Hoa Kỳ vào cuối năm 2010 cung cấp 150.000 gallon nhiên liệu sinh học gốc tảo. Hydrocarbon tái tạo. Công ty Hệ thống năng lượng tại Wisconsin đã phát triển công nghệ mới - Quy trình BioForming (hình thành sinh học) – để tạo ra hydrocarbon tái tạo từ nguyên liệu sinh học. Quá trình này chuyển đổi đường thực vật thành "xăng sinh học" (biogasoline) sử dụng chất xúc tác thay đổi hóa chất. Virent tuyên bố rằng hiệu suất biogasoline tương tự như xăng dầu mỏ. Công ty bắt đầu vận hành một nhà máy vào năm 2010 sử dụng nguyên liệu nhiên liệu sinh học thông thường như củ cải đường. Virent cũng chỉ ra rằng nó có thể chuyển đổi sinh khối xenlulô bao gồm thân cây ngô và phế thải cây thông thành biogasoline. Các nhà nghiên cứu cũng đang phát triển vi sinh vật "thiết kế" kỹ thuật cao bằng cách sử dụng các công nghệ nền tảng sinh học tổng hợp để sản xuất nhiên liệu sinh học drop-in hydrocarbon tái tạo. Những công nghệ này vẫn đang ở giai đoạn thí nghiệm. 45 2.7.5. Quang hợp nhân tạo Các nhà nghiên cứu đang ở trong giai đoạn đầu của việc phát triển công nghệ mới hoàn toàn để tạo ra nhiên liệu lỏng trực tiếp từ ánh sáng mặt trời, nước và carbon dioxide - tương tự như quang hợp ở thực vật. Mặc dù vẫn còn trong giai đoạn sơ khai, nhưng công nghệ này có tiềm năng lâu dài để thay thế việc sử dụng các loại nhiên liệu sinh khối và do đó để dành đất nông nghiệp cho sản xuất thực phẩm. Một báo cáo năm 2008 của Ủy ban tham vấn khoa học năng lượng cơ bản của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ xác định công nghệ sản xuất nhiên liệu từ ánh sáng mặt trời là mục tiêu chiến lược quan trọng để giúp Hoa Kỳ khỏi phụ thuộc vào dầu mỏ và hạn chế lượng khí thải carbon dioxide. Mục đích cuối cùng của quang hợp nhân tạo là để sản xuất lượng lớn nhiên liệu dễ dàng lưu trữ, vận chuyển và sử dụng như các nhiên liệu giao thông dựa trên dầu mỏ hiện nay. 2.8. Công nghệ chế biến sau thu hoạch Năng suất của ngành nông nghiệp phụ thuộc nhiều vào mức độ về những gì xảy đối với sản phẩm thực phẩm sau khi được thu hoạch. Tổn thất sau thu hoạch đối với các sản phẩm ngũ cốc là 10-20% và các loại rau và hoa quả tươi 5-25% ở các nước phát triển và 20-50% ở các nước đang phát triển. Nguyên nhân của những tổn thất này bao gồm sự hủy hoại vi sinh, tổn hại cơ học của thiết bị chế biến, phá hoại của côn trùng, và rau quả chín quá. Công nghệ sau thu hoạch (PHT) bao gồm ba thành phần: • Sơ chế: Loại bỏ các tạp chất và sản phẩm còn non và bị hư hỏng; ổn định các sản phẩm bằng cách sấy khô, làm lạnh hoặc khử trùng; cách ly các sản phẩm thành các loại khác nhau • Chế biến thứ cấp: Biến đổi các nguyên liệu thô từ sơ chế thành sản phẩm phù hợp để người tiêu dùng có thể chế biến. • Chế biến hoàn thiện: Biến các sản phẩm chế biến thứ cấp thành sản phẩm ăn được ngay. Hầu hết các tổn thất sau thu hoạch xảy ra trong giai đoạn sơ chế; việc chế biến thứ cấp và hoàn thiện tập trung hơn vào dinh dưỡng và an toàn của các sản phẩm thực phẩm. Tất cả các nghiên cứu công nghệ sau thu hoạch chỉ nhận được khoảng 5% tổng số kinh phí nghiên cứu hướng vào nông nghiệp. Các nỗ lực nghiên cứu nhằm giảm tổn thất trong sơ chế còn hạn chế, diễn ra chủ yếu ở các nước đang phát triển, và liên quan chủ yếu đến cây ăn quả và rau. Các công nghệ sau thu hoạch dường như sẽ không có những đột phá lớn vào năm 2040; tuy nhiên các công nghệ được áp dụng ở các nước phát triển sẽ ngày càng lan tỏa sang các nước đang phát triển. 46 2.8.1. Các công nghệ sơ chế Bảo quản bằng kiểm soát khí quyển. Ngành công nghiệp canh tác ở các nước phát triển đã sử dụng việc bản quản bằng kiểm soát khí quyển trong nhiều thập kỷ. Nó bao gồm việc kiểm soát môi trường khí oxy, nitơ và carbon dioxide cũng như nhiệt độ và độ ẩm cho việc lưu trữ các loại trái cây hoặc rau. Khí quyển được kiểm soát cung cấp sự ổn định cho lưu trữ trong thời gian dài và giữ được chất lượng bằng cách làm chậm tốc độ hô hấp của các loại trái cây hoặc rau. Mỗi trái cây hoặc rau đòi hỏi một thành phần không khí khác nhau, nhưng nồng độ điển hình là 2-3% oxy, 3-10% carbon dioxide, còn lại là nitơ. Các kho lưu trữ giữ nhiệt độ gần 0 độ C và bảo quản từ một đến sáu tháng. Hầu hết các nghiên cứu trong kiểm soát khí quyển đối với rau quả được nhằm vào việc tìm kiếm các điều kiện tối ưu cho việc lưu trữ các loại rau, quả cụ thể. Bảo quản bằng kiểm soát khí quyển đã khá thành công trong việc giảm tổn thất của các loại trái cây và rau quả bằng cách kéo dài thời gian cung cấp cũng như mở rộng thị trường địa lý. Không có dấu hiệu cho thấy có bất kỳ đột phá nào trong công nghệ này sẽ xảy ra trước năm 2040. NC&PT dường như sẽ tiếp tục hoàn thiện các điều kiện bảo quản cho các loại rau, quả khác nhau và phổ biến công nghệ này cho các nước đang phát triển. 2.8.2. Đóng gói trong không khí kiểm soát Bằng cách kéo dài thời hạn sử dụng của sản phẩm thực phẩm dễ hư hỏng, đóng gói trong không khí thay đổi (MAP) đã góp phần giảm tổn thất các sản phẩm nông nghiệp trong chuỗi phân phối. Quá trình MAP thay đổi các thành phần không khí bên trong của sản phẩm đóng gói như thịt, hải sản, hoặc các loại trái cây và rau quả. Trong trường hợp sản phẩm thịt và hải sản, thành phần chủ yếu là carbon dioxide và nitrogen, ức chế sự sinh trưởng của vi khuẩn. Một ít oxy (2-3%) cần giữ trong các gói trái cây và rau quả để tránh hô hấp kỵ khí. Các màng mỏng bao bì polymer là chìa khóa cho công nghệ này. Các sản phẩm thịt và các hải sản sử dụng các màng mỏng để ngăn chặn sự trao đổi khí, trong khi các loại trái cây và rau quả cần trao đổi khí và sử dụng các màng thấm. Sự phát triển của các loại màng mỏng bao gói cho phép thấm có chọn lọc các loại khí đã sử dụng trong công nghệ MAP trong 15 năm qua cho phép kéo dài thêm thời hạn sử dụng. Các công nghệ khử côn trùng. Bộ Nông nghiệp Mỹ đang có một chương trình nghiên cứu tìm kiếm các giải pháp thay thế cho methyl bromide đang được sử dụng rộng rãi, loại hóa chất đang được loại bỏ vì các quy định bảo vệ môi trường. Kiểm soát khí quyển đã được đề xuất như là một thay thế cho khử trùng bằng methyl bromide, có độc tính cao, có khả năng gây đột biến và chất gây ung thư, và hủy hoại tầng ozone. Ngũ cốc có thể được khử trùng bằng cách thêm carbon dioxide tinh khiết hoặc khí đốt và oxy hoặc bằng cách sử dụng bảo quản 47 kín làm giảm hô hấp tự nhiên của hạt. Các nhà khoa học tại Bộ Nông nghiệp Mỹ đang thử nghiệm phương tiện khử trùng hóa học và không dùng hóa chất cho cả các hàng hóa giữ lâu (trái cây sấy khô và các loại hạt) và các mặt hàng dễ hỏng (trái cây tươi và rau quả). Công nghệ chiếu xạ. Chiếu chùm tia electron, tia gamma hoặc tia X để sản phẩm thu hoạch bất hoạt các vi sinh vật gây bệnh có trên thực phẩm (Salmonella, E. coli, Campylbacter, và Listeria), giảm tổn thất sau thu hoạch do côn trùng và hư hỏng, và kéo dài thời gian sử dụng các thực phẩm mau hỏng. Công nghệ này đã được thử nghiệm trong gần một thế kỷ mà không cho thấy bất kỳ rủi ro đối với sức khỏe con người. tuy nhiên việc thương mại hóa vẫn còn hạn chế vì lo ngại của công chúng về các tác động bức xạ lên các sản phẩm thực phẩm. Số lượng lớn các nghiên cứu khoa học cho thấy không có các tác động xấu đến các tiêu chuẩn trong nước và quốc tế đối với thực phẩm chiếu xạ. Tại Hoa Kỳ, FDA quy định chiếu xạ như một phụ gia thực phẩm nên sự an toàn phải được xác nhận trước bất kỳ ứng dụng thương mại nào. Theo FAO và IAEA, hơn 60 quốc gia có quy định cho phép sử dụng chiếu xạ cho ít nhất một sản phẩm. Hầu hết các ứng dụng có liên quan đến việc kiểm soát côn trùng gây hại đặc biệt cho các sản phẩm thương mại quốc tế. Với mức thương mại hóa và quy định kiểm soát hiện nay, chiếu xạ có thể sẽ thay thế các phương pháp diệt trùng khác vào năm 2040 và sử dụng rộng rãi trong việc kéo dài thời hạn sử dụng của một số sản phẩm dễ hỏng. Kiểm soát sinh học sau thu hoạch. Sử dụng các vi sinh vật cản trở các vi sinh vật gây hư hỏng khác cho sản phẩm thực phẩm dễ hư hỏng là một phương thức kiểm soát sinh học sau thu hoạch được đề xuất thay thế cho các thuốc diệt nấm hóa học. Mặc dù nghiên cứu kiểm soát sinh học sau thu hoạch đã diễn ra liên tục trong hơn 20 năm qua, nhưng việc thương mại hóa còn rất hạn chế. Các loại vi sinh vật Pseudomonas syringae đã được phát triển để kiểm soát sự hư hỏng của khoai tây và khoai lang và Metschnikowia fructicola cho khoai lang và cà rốt. Các cơ chế phức tạp của các vi sinh vật kiểm soát sinh học bao gồm dinh dưỡng và cạnh tranh không gian, ký sinh, mẫn cảm của sức đề kháng trong sản phẩm thực phẩm, và các chất chuyển hóa dễ bay hơi. Do chưa có đủ sự hiểu biết về sự tương tác phức tạp này giữa sản phẩm thực phẩm, vi sinh vật kiểm soát sinh học, vi sinh vật gây bệnh, nên công nghệ này sẽ khó có khả năng có tác động vào năm 2040. 48 KẾT LUẬN Thách thức chính hiện nay của nông nghiệp trên thế giới là việc tìm kiếm các phương tiện để tăng năng suất nông nghiệp - sản lượng cao hơn với ít nguồn lực hơn (đất, phân bón, nước, thuốc trừ sâu) - để đáp ứng nhu cầu của dân số thế giới ngày càng tăng. Công nghệ chắc chắn sẽ là một trong những công cụ chính để hoàn thành việc cải thiện năng suất nông nghiệp. Mục tiêu chính của việc áp dụng công nghệ là tăng năng suất nông nghiệp, tiếp đến là cải thiện dinh dưỡng của sản phẩm nông nghiệp. Các công nghệ có tác động lớn nhất đến năng suất nông nghiệp trong 10 năm tới bao gồm việc sử dụng cây trồng biến đổi gen hiện có, quản lý đất và nước, kiểm soát dịch hại, và chế biến sau thu hoạch. Những ứng dụng sinh học phân tử vào vật nuôi và cây trồng là những tiến bộ công nghệ có khả năng ảnh hưởng lớn nhất đến năng suất nông nghiệp vào năm 2040. Những tiến bộ trong sinh học phân tử cung cấp các phương tiện để tạo ra những thay đổi cụ thể tương đối nhanh chóng thông qua biểu hiện mạnh hoặc xóa các gen hoặc đưa vào các gen lạ. Những tiến bộ trong sinh học phân tử thực vật đang bổ sung cho di truyền thực vật cổ điển, được sử dụng trong các cuộc Cách mạng xanh, để cải thiện năng suất cây trồng. Những phát triển xuất phát từ những tiến bộ trong sinh học phân tử động vật đang bổ sung cho công tác nhân giống thông thường để nâng cao năng suất chăn nuôi. Những phát triển của sinh học phân tử có thể dẫn đến việc tạo giống các động, thực vật hiệu quả hơn bằng cách kiểm tra toàn bộ hệ gen của tất cả các sinh vật để tìm ra khả năng cải thiện cây trồng và vật nuôi. Việt Nam đang phấn đấu xây dựng một nền nông nghiệp công nghệ cao, đảm bảo cho an ninh lương thực cùng với sự phát triển kinh tế bền vững và bảo vệ môi trường. Các công nghệ mới nổi này với những tác động ở các mức độ khác nhau, sẽ định hướng cho hoạt động và phát triển của ngành nông nghiệp thế giới và cũng sẽ tác động đến nông nghiệp Việt Nam trong những thập kỷ tới. Trung tâm Phân tích thông tin Tài liệu tham khảo chính 1. OECD-FAO AGRICULTURAL OUTLOOK 2016-2025 © OECD/FAO 2016. 2. Global Food Security: Emerging Technologies to 2040. NICR 2012-30. 2012 3. Precision agriculture and the future of farming in Europe. Scientific Foresight Study. Scientific Foresight Unit, EPRS 2016.