xây dựng cơ sở dữ liệu về quá trình tích luỹ sinh khối cây lúa và heo thịt, bò sữa trong sản xuất nông nghiệp xã thái mỹ, huyện củ chi phục vụ thiết kế mô hình biomass town

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA







BÁO CÁO NGHIỆM THU





XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU VỀ QUÁ TRÌNH TÍCH
LŨY SINH KHỐI CÂY LÚA VÀ HEO THỊT, BÒ SỮA
TRONG SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP XÃ THÁI MỸ,
HUYỆN CỦ CHI PHỤC VỤ THIẾT KẾ MÔ HÌNH
BIOMASS TOWN




CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI
TS. PHAN ÑÌNH TUAÁN, THS. NGUYEÃN PHÖÔÙC TRUNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
THÁNG 9/ 2008



1

BÁO CÁO NGHIỆM THU

Tên đề tài:
Xây dựng cơ sở dữ liệu về q trình tích lũy sinh khối cây lúa và heo thịt,
bò s
ữa trong sản xuất nơng nghiệp xã Thái Mỹ, Huyện Củ Chi phục vụ
thi
ết kế mơ hình Biomass Town

Chủ nhiệm đề tài: TS. Phan Đình Tuấn, ThS. Nguyễn Phước Trung
Cơ quan chủ trì: Trường ĐH Bách khoa, ĐHQG TP.HCM
Thời gian thực hiện đề tài: 2005-2007
Kinh phí được duyệt: 185 triệu đồng
Kinh phí đã cấp: 120 triệu đồng theo TB số : 125 TB-SKHCN ngày 25 / 8 / 2005
46,5 triệu đồng theo TB số : 244 TB-SKHCN ngày 08 / 12/ 2006
Mục tiêu: - Đưa ra mối tương quan giữa suất đầu tư cho cây lúa (phân bón, nước, công lao
động, ) và các sản phẩm thu hồi được từ cây lúa.
- Đưa ra mối tương quan giữa suất đầu tư cho heo thòt, bò sữa (thức ăn, nước,

công lao động, ) và các sản phẩm thu hồi được từ heo thòt, bò sữa.
- Thiết kế mô hình Biomass Town dựa trên những cơ sở dữ liệu đã thu được ở
trên. Biomass Town ở đây có thể được hiểu là quy trình khép kín mà trong đó
sử dụng tối ưu nguồn sinh khối để đem lại hiệu quả cao nhất về mặt kinh tế, xã
hội, môi trường,
Nội dung: - Điều tra khảo sát để lập cơ sở dữ liệu về tình hình sản xuất và tiêu thụ các
sản phẩm và phụ phẩm từ cây lúa tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, TP HCM:
Thuê diện tích đất canh tác, theo dõi quá trình trồng lúa từ 3-4 vụ trong 18
tháng theo quy trình đề ra. Kết hợp với 10 hộ nông dân tại đòa phương có quy
mô sản xuất khoảng 3-5 ha / hộ. Ghi nhận các thông số đầu vào (phương thức
canh tác, thời tiết, thổ nhưỡng, giống, nước, phân bón, thuốc bảo vệ thực
vật, ), quá trình sinh trưởng và phát triển của cây lúa, các sản phẩm thu được
sau thu hoạch.
2

- Nghiên cứu xác đònh sự tích luỹ sinh khối trong quá trình trồng trọt. Lập cân
bằng vật chất và năng lượng cho quá trình tích luỹ sinh khối trong quá trình
trồng lúa tại đòa phương.
- Điều tra khảo sát để lập cơ sở dữ liệu về tình hình sản xuất và tiêu thụ các
sản phẩm và phụ phẩm của chăn nuôi heo thòt, chăn nuôi bò sữa tại đòa bàn đã
nêu : Xác đònh giống heo thòt và bò sữa đang chăn nuôi có hiệu quả và phổ
biến tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi. Theo dõi quá trình chăn nuôi giống heo
thòt, bò sữa này trong 18 thángï. Kết hợp với 10 hộ nông dân chăn nuôi heo thòt,
bò sữa để tiến hành thu thập số liệu về các thông số đầu vào và lượng sinh
khối thu được. Đánh giá hiệu quả chăn nuôi và nguồn chất thải thu được như là
biogas và phân bón.
- Nghiên cứu xác đònh sự tích luỹ sinh khối trong quá trình chăn nuôi heo thòt,
bò sữa. Lập cân bằng vật chất và năng lượng cho quá trình tích luỹ sinh khối
trong quá trình chăn nuôi heo thòt, bò sữa.
- Đánh giá về việc sử dụng nguồn sinh khối được tạo ra từ quá trình tích luỹ

sinh khối của cây lúa, heo thòt, bò sữa. Đề xuất hướng sử dụng có hiệu quả hơn
về mặt kinh tế, xã hội, môi trường đối với các phụ phẩm và chất thải của
nghành trồng trọt và chăn nuôi : Đề xuất mô hình Biomass Town phù hợp với
đối tượng khảo sát và tình hình kinh tế xã hội của xã Thái Mỹ. Thiết kế mô
hình Biomass Town (dạng tài liệu, bảng vẽ) tại đòa bàn nói trên. Tài liệu thiết
kế này sẽ là cơ sở cho việc xây dựng mô hình Biomass Town sau này.

Những nội dung đã thực hiện:

Cơng việc dự kiến

Cơng việc đã thực hiện
1. Điều tra khảo sát để lập cơ sở dữ liệu
về tình hình sản xuất và tiêu thụ các
sản phẩm và phụ phẩm từ cây lúa tại
xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, TP HCM.


1. Đã điều tra khảo sát để lập cơ sở dữ
liệu về tình hình sản xuất và tiêu thụ
các sản phẩm và phụ phẩm từ cây lúa
tại xã Thái My

3

2.
Thuê diện tích đất canh tác, theo dõi
quá trình trồng lúa từ 3-4 vụ trong 18
tháng theo quy trình đề ra. Kết hợp
với 10 hộ nông dân tại đòa phương có

quy mô sản xuất khoảng 3-5 ha / hộ.
Ghi nhận các thông số đầu vào
(phương thức canh tác, thời tiết, thổ
nhưỡng, giống, nước, phân bón, thuốc
bảo vệ thực vật, ), quá trình sinh
trưởng và phát triển của cây lúa, các
sản phẩm thu được sau thu hoạch.


3. Nghiên cứu xác đònh sự tích luỹ sinh
khối trong quá trình trồng trọt. Lập
cân bằng vật chất và năng lượng cho
quá trình tích luỹ sinh khối trong quá
trình trồng lúa tại đòa phương.


4. Điều tra khảo sát để lập cơ sở dữ liệu
về tình hình sản xuất và tiêu thụ các
sản phẩm và phụ phẩm của chăn
nuôi heo thòt, chăn nuôi bò sữa tại đòa
bàn đã nêu.

5.
Xác đònh giống heo thòt và bò sữa
đang chăn nuôi có hiệu quả và phổ
biến tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi.
Theo dõi quá trình chăn nuôi giống
heo thòt, bò sữa này trong 18 thángï.
Kết hợp với 10 hộ nông dân chăn
nuôi heo thòt, bò sữa để tiến hành thu

thập số liệu về các thông số đầu vào
và lượng sinh khối thu được. Đánh
giá hiệu quả chăn nuôi và nguồn chất
thải thu được như là biogas và phân
bón.


6. Nghiên cứu xác đònh sự tích luỹ sinh
khối trong quá trình chăn nuôi heo
thòt, bò sữa. Lập cân bằng vật chất và
năng lượng cho quá trình tích luỹ sinh
2.
Đã thuê diện tích đất canh tác, theo
dõi quá trình trồng lúa 2 vụ theo quy
trình đề ra. Kết hợp với 1 hộ nông
dân tại đòa phương trên quy mô sản
xuất khoảng 3000 m
2
. Ghi nhận các
thông số đầu vào (phương thức canh
tác, thời tiết, thổ nhưỡng, giống,
nước, phân bón, thuốc bảo vệ thực
vật, ), quá trình sinh trưởng và phát
triển của cây lúa, các sản phẩm thu
được sau thu hoạch.


3. Đã nghiên cứu xác đònh sự tích luỹ
sinh khối trong quá trình trồng trọt,
thiết lập cân bằng vật chất và năng

lượng cho quá trình tích luỹ sinh khối
trong quá trình trồng lúa tại đòa
phương.

4. Đã điều tra khảo sát để lập cơ sở dữ
liệu về tình hình sản xuất và tiêu thụ
các sản phẩm và phụ phẩm của chăn
nuôi heo thòt, chăn nuôi bò thòt tại đòa
bàn đã nêu.

5.
Đã xác đònh giống heo thòt và bò thòt
đang chăn nuôi có hiệu quả và phổ
biến tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi.
Theo dõi quá trình chăn nuôi giống
heo thòt, bò thòt này trong 12 thángï.
Kết hợp với 4 hộ nông dân chăn nuôi
heo thòt, bò thòt để tiến hành thu thập
số liệu về các thông số đầu vào và
lượng sinh khối thu được. Đánh giá
hiệu quả chăn nuôi và nguồn chất
thải thu được như là biogas và phân
bón.


6. Đã nghiên cứu xác đònh sự tích luỹ
sinh khối trong quá trình chăn nuôi
heo thòt, bò thòt. Lập cân bằng vật
chất và năng lượng cho quá trình tích
4

khối trong quá trình chăn nuôi heo
thòt, bò sữa.

7.
Đánh giá về việc sử dụng nguồn sinh
khối được tạo ra từ quá trình tích luỹ
sinh khối của cây lúa, heo thòt, bò
sữa. Đề xuất hướng sử dụng có hiệu
quả hơn về mặt kinh tế, xã hội, môi
trường đối với các phụ phẩm và chất
thải của nghành trồng trọt và chăn
nuôi.


8. Theo dõi thêm quá trình trồng lúa
trong 1 vụ nữa để củng cố số liệu về
trồng trọt.


9. Tiếp tục thống kê số liệu về sản xuất
thâm canh tại xã Thái mỹ để có đánh
giá toàn diện hơn về biomass của đòa
phương.

10. Trên cơ sở các số liệu thu thập được,
thiết kế mô hình Biomass Town trong
đó tận dụng triệt để các nguồn phế
phụ phẩm nông nghiệp trong việc sản
xuất năng lượng.

luỹ sinh khối trong quá trình chăn
nuôi heo thòt, bò thòt.

7.
Đã đánh giá về việc sử dụng nguồn
sinh khối được tạo ra từ quá trình tích
luỹ sinh khối của cây lúa, heo thòt, bò
thòt. Đề xuất hướng sử dụng có hiệu
quả hơn về mặt kinh tế, xã hội, môi
trường đối với các phụ phẩm và chất
thải của nghành trồng trọt và chăn
nuôi


8. Đã theo dõi thêm 1 vụ như yêu cầu
của Hội đồng thẩm đònh giai đoạn 1
để khảo sát quá trình trồng lúa để
củng cố số liệu về trồng trọt.

9. Đã thống kê thêm số liệu về sản xuất
thâm canh tại xã Thái mỹ để có đánh
giá toàn diện hơn về biomass của đòa
phương.

10. Đã thiết kế mô hình Biomass Town
trong đó tận dụng triệt để các nguồn
phế phụ phẩm nông nghiệp trong
việc sản xuất năng lượng.

5





6

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 10
1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 11
1.1. Biomass và các đặc trưng cơ bản 11
1.2. Thành phần và khả năng chuyển hoá thành năng lượng của biomass 15
1.3. Các loại biomas 27
1.4. Tình hình nghiên cứu trên thế giới. 30
1.5. Tình hình nghiên cứu trong nước. 31
1.6. Về một mơ hình thị trấn sinh thái 39
1.6. Vài nét về xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi và tình hình sản xuất, sử dụng biomass 45
2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 48

2.1. Trồng trọt 48
2.1.1. Phương pháp nghiên cứu: 48
2.1.2. Kết quả nghiên cứu 48
2.1.3. Phân tích kết quả thực nghiệm 49
2.1.4. Kết quả khảo sát và tính toán cân bằng sinh khối tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi.54
2.2. Chăn nuôi bò: 56
2.2.1. Phương pháp nghiên cứu: 56
2.2.2. Kết quả nghiên cứu: 56
2.2.3. Phân tích kết quả thực nghiệm, khảo sát và thảo luận 59
2.3. Chăn nuôi heo 61
2.3.1. Phương pháp nghiên cứu 61
2.3.2. Kết quả nghiên cứu: 61
2.3.3. Phân tích kết quả thực nghiệm, khảo sát và thảo luận 65
2.4. Xây dựng mô hình phát triển nông thôn tại xã Thái Mỹ: 67
2.4.1 Tình hình sản xuất nông nghiệp của xã Thái Mỹ: 68
2.4.2 TÍNH TOÁN KẾT QUẢ: 71
3.3. THẢO LUẬN: 78
3.3.1. Lý do để xây dựng nhà máy sản xuất cồn, trạm nạp khí biogas tại xã Thái Mỹ:78
3.3.2. Chọn vò trí xây dựng trạm thu gom và nạp khí biogas: 80
3.3.3. Xây dựng nhà máy sản xuất cồn: 83
3.3.4. Tính toán chi phí cho quá trình xây dựng mô hình 86
3. Kết luận và kiến nghò 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO 91




7

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1. 1: Chu trình Biomass trong tự nhiên (Nguồn: www.bioenergy.org) 12
Hình 1. 2: Chu trình Carbon (Nguồn: www.windows.ucar.edu) 13
Hình 1. 3: Ảnh hưởng của công nghệ lọc dầu lên đời sống con người 14
Hình 1. 4: Ảnh hưởng của công nghệ lọc Biomass đến đời sống con người 15
Hình 1. 5: Thành phần cấu trúc Biomass 16
Hình 1. 6: Sơ đồ cấu tạo phân tử galactoglucomannan 18
Hình 1. 7: Sơ đồ cấu tạo phân tử arabinoglucoronoxylan 18
Hình 1. 8: Hextose và pentose có trong thành phần hemicellulose 19
Hình 1. 9: Chuyển hóa pentose trong môi trường axit 19
Hình 1. 10: Sơ đồ cấu trúc phân tử của lignin 21
Hình 1. 11: Sơ đồ đơn vò cấu tạo cơ bản của lignin 22
Hình 1. 12: Các kiểu liên kết phổ biến giữa các đơn vò phenypropan. 22
Hình 1. 13: Các dạng dimer tạo thành từ gốc tự do phenoxy 23
Hình 1. 14: Tài nguyên Biomass: Rừng 28
Hình 1. 15: Tài nguyên Biomass - Cỏ 29
Hình 1. 16: Quy trình công nghệ sản xuất ethanol từ rơm rạ 37
Hình 1. 17: Mô hình xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp để xây dựng thò trấn sinh thái 39

Hình 2. 1: Tỷ lệ biomass thu hoạch được trên ruộng thí nghiệm 54
Hình 2. 2: Tỷ lệ sử dụng rơm rạ tại xã Thái Mỹ huyện Củ Chi 55
Hình 2. 3: Chi phí thức ăn (cỏ, cám) và lương chất thải trong quá trình nuôi bò 59
Hình 2. 4: Số liệu chăn nuôi bò tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi 60
Hình 2. 5: Chi phí thức ăn (cám, rau) và lương chất thải trong quá trình nuôi heo 65
Hình 2. 6: Số liệu chăn nuôi heo tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi 67

Hình 3. 1: Bản đồ thiết lập các vò trí xây dựng trạm nạp biogas và xưởng sản xuất cồn 81

8

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1. 1: Ảnh hưởng của đặc tính biomass đối với việc lựa chọn quá trình chuyển hoá 27

Bảng 2. 1: Chi phí và thu hoạch biomas trong quá trình trồng trọt 51
Bảng 2. 2: Tình hình sử dụng rơm rạ trấu trên đòa bàn Thái Mỹ 55
Bảng 2. 3: Chế độ chăn nuôi bò và sự tích luý sinh khối 56
Bảng 2. 4: Tỷ lệ các sản phẩm và phế thải từ chăn nuôi bò 60
Bảng 2. 5: Chế độ chăn nuôi heo và sự tích luý sinh khối 61
Bảng 2. 6: Tỷ lệ các sản phẩm và phế thải từ chăn nuôi heo 66
Bảng 2. 7: kết quả sản xuất chăn nuôi 73
Bảng 2. 8: Kết quả ứng dụng biogas (4.447.343 m
3
khí/năm) vào 02 mục đích chính: 76
Bảng 2. 9: kết quả ứng dụng biogas dư (1.339.935 m
3
khí/năm) vào các mục đích khác: 76
Bảng 2. 10: Kết quả sản lượng cồn từ phế phụ phẩm nông nghiệp sau khi sử dụng mục đích
khác: 78

Bảng 3. 1: Để xây dựng mô hình biomass town trên cơ sở công nghệ chế biếnw biomass 79

BẢNG QUYẾT TOÁN KINH PHÍ ĐÃ CHI
Lập cơ sở dữ liệu về sản xuất lúa
15.000.000

Lập cơ sở dữ liệu chăn nuôi heo thòt
8.000.000

Lập cơ sở dữ liệu chăn nuôi bò
8.000.000

Theo dõi quá trình sản xuất lúa trên cành đồng
8.000.000

Lập cơ sở dữ liệu về sự tích luỹ sinh khối từ lúa
8.000.000

Theo dõi quá trình tạo sinh khối trong quá trình chăn nuôi heo thòt
6.800.000

Theo dõi quá trình tạo sinh khối trong quá trình chăn nuôi bò
6.800.000

Lập cơ sở dữ liệu về sự tích luỹ sinh khối từ heo thòt
5.000.000

Lập cơ sở dữ liệu về sự tích luỹ sinh khối từ bò
4.400.000

Cộng:

70.000.000


Thuê cánh đồng canh tác lúa 5.000.000

Thuê cánh đồng canh tác các loại cây trồng 2.000.000

Hạt giống : - lúa 2.000.000

Phân bón

- Phân hữu cơ:
- Phân hoá học

2.000.000

4.000.000

Thuốc trừ sâu 1.000.000

Chi phí hợp tác, hỗ trợ các hộ chăn nuôi heo bò để theo dõi quá trình
tích luỹ sinh khối (3 lứa/1,5 năm)
6.000.000

Dụng cụ, phụ tùng
9

Công cụ phục vụ cho sản xuất nông nghiệp (dụng cụ bảo hộ) 2.000.000

Bơm nước phục vụ tưới tiêu 10.000.000

Năng lượng, nhiên liệu
- Điện 2.000.000

Nước 1.000.000

Mua sách, tài liệu, số liệu 3.000.000

Cộng

40.000.000

Xây dựng đề cương tổng quát 500.000

Xây dựng đề cương chi tiết 600.000

Quản lý phí cơ quan chủ trì (6.000.000 đ /năm) 4.800.000

Quản lý phí cơ quan quản lý(3.000.000 đ /năm) 3.000.000

Chi khác 1.100.000

Cộng

10.000.000


BẢNG KINH PHÍ ĐỀ NGHỊ CẤP TIẾP
Thiết kế mô hình Biomass Town
- Lựa chọn mô hình phù hợp với đòa phương.
- Xây dựng quy trình khép kín về việc sử dụng sinh khối cho các đối
tượng khảo sát.
- Đánh giá tính kinh tế và ảnh hưởng đến môi trường, xã hội.
12.000.000

Thuê nông dân trồng lúa 6.000.000

Thuê nông dân nuôi heo 6.000.000

Thuê nông dân nuôi bò 6.000.000

Thuê phân tích mẫu đất 6.000.000

Thuê phân tích biomass 10.000.000


- Dung môi dùng cho sắc ký lỏng .
- Màng lọc membrane.
- Dụng cụ lấy mẫu.
( Các thiết bò này phục vụ cho việc phân tích các mẫu biomass thu
được)
12.000.000

3.000.000

3.000.000

3.000.000





10

MỞ ĐẦU

Ở trong nước, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành theo hướng tận dụng những phụ phẩm và
chất thải của sản xuất nông nghiệp làm thức ăn gia súc, trồng nấm, làm vật liệu, nhiên
liệu,vv… Một số đề tài nghiên cứu đã được triển khai nhằm giúp nông dân trồng nấm rơm, ủ

thức ăn cho gia súc, sản xuất biogas. Những nghiên cứu mới đây cho thấy khả năng nuôi
trùng đất để phân huỷ chất thải và tạo sinh khối làm thức ăn cho cá, vv… Tuy nhiên những
nghiên cứu này vẫn còn đang trên bước đường hoàn thiện, chưa trở thành công cụ giúp nhà
nông đẩy mạnh sản xuất và tăng thêm thu nhập một cách có hệ thống.
Việc chưa nghiên cứu rõ thế mạnh của từng vùng sản xuất đã dẫn đến đầu tư dàn trải, thiếu
quy hoạch, không tạo nên được những vùng nguyên liệu đặc trưng cho công nghiệp.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ rõ rằng một phần chất thải nông nghiệp cần phải được đưa trở lại
cánh đồng để cải tạo đất. Nhiều nhà nghiên cứu về nông nghiệp đã chỉ rõ cơ chế phát triển
của cây trồng, vật nuôi, các chất dinh dưỡng cần thiết và liều lượng sử dụng. Tuy nhiên chưa
có những nghiên cứu có hệ thống về sự tích luỹ các chất thải do các hoạt động sản xuất và
tiêu thụ sản phẩm nông nghiệp gây ra, qua đó đánh giá được tác động môi trường và có biện
pháp cải thiện tình hình.
Việc sử dụng các loại phân bón hoá học cho phép tăng nhanh năng suất và sản lượng sản
xuất nông nghiệp. Tuy nhiên điều này cũng gây nên việc làm thoái hoá đất nông nghiệp.
Tình hình này cần được cải thiện bằng cách sử dụng nhiều hơn phân bón hữu cơ, vi sinh. Việc
nghiên cứu cân bằng vật chất, năng lượng trong hoạt động sản xuất nông nghiệp sẽ cho phép
tính toán được lượng bổ sung, thay thế và tần suất sử dụng các nguồn phân bón khác nhau,
đảm bảo cho sự phát triển bền vững của nông nghiệp và tăng thu nhập cho người dân.




11

1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Trong tình hình giá dầu mỏ biến động theo xu hướng tăng nhanh, các chất hữu cơ ngày càng
thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu như là một nguồn cung cấp năng lượng. Trong số các
chất hữu cơ có thể có, các chất thải và phụ phẩm nông nghiệp là mối quan tâm hàng đầu do
khối lượng lớn cũng như khả năng cung cấp của chúng.

Trong lónh vực trồng trọt, chất thải và phụ phẩm chủ yếu là rơm rạ, trấu. Ở nước ta cũng như
nhiều nước trên thế giới, trước nay, rơm là nguồn thức ăn dự trữ cho trâu bò; rạ là nguồn chất
đốt cho các hộ gia đình, vừa đóng vai trò làm vật liệu lợp mái, che chắn,…; trấu vừa được sử
dụng làm chất đốt, vừa làm chất độn rải chuồng, ủ phân,…
Gần nay, cùng với sự phát triển của kinh tế đất nước và việc nâng cao đời sống nhân dân,
nhiều bếp củi, bếp lò đã dần dần được thay thế hoặc thay thế một phần bằng bếp ga vệ sinh
và tiện lợi hơn. Các chất thải và phụ phẩm của ngành trồng trọt với vai trò chất đốt ngày
càng ít được sử dụng. Đồng thời, với việc áp dụng kỹ thuật giống và canh tác, các loại giống
mới cho cây ngắn hơn cũng hạn chế khả năng sử dụng cây lúa làm chất đốt. Hậu quả là ở
nhiều nơi, nông dân phải đốt bỏ rơm rạ, dẫn đến lãng phí và gây ô nhiễm không khí.
Trong lónh vực chăn nuôi, các trang trại lớn ra đời cùng với quy mô ngày càng mở rộng tại
các hộ gia đình đã tạo ra một khối lượng lớn chất thải. Ở quy mô sản xuất nhỏ, các chất thải
này không gây ra hậu quả nghiệm trọng về vệ sinh và môi trường và các gia đình có thể thu
gom, ủ làm phân,… Tuy nhiên, ở quy mô lớn, những vấn đề này trở nên trầm trọng hơn.
Trên cơ sở các chất hữu cơ là phế phụ phẩm nông nghiệp, chúng ta có thể biến chúng thành
nguồn cung cấp năng lượng có giá trò, dần thay thế một phần dầu mỏ mà vẫn góp phần làm
giảm hiệu ứng nhà kính vốn đã rất nặng nề vào thời gian hiện nay.

1.1. Biomass và các đặc trưng cơ bản.
- Khái niệm: “Biomass” được đònh nghóa là các loại vật chất hữu cơ có thể chuyển hoá thành
năng lượng.
Năng lượng sinh khối (năng lượng vi sinh) là năng lượng được sản sinh từ biomass.
Năng lượng sinh khối (năng lượng vi sinh) là năng lượng được sản sinh từ biomass.
12

- Đặc tính năng lượng Biomass
Hệ thống sinh năng lượng từ mặt trời:
Trong tổng số năng lượng sinh ra do sự chiếu sáng của mặt trời xuống trái đất, 0,2 %
được sinh vật (thực vật và động vật) sử dụng để sống và tích lũy sinh khối. Nói cách khác,
sinh khối trên trái đất được tạo thành từ 0,2% năng lượng mặt trời.

Hình 1. 1: Chu trình Biomass trong tự nhiên (Nguồn: www.bioenergy.org)

Có thể tái sinh, là nguồn tài nguyên vô tận và bền vững:
Đây là nguồn nguyên liệu duy nhất có thể tái sinh chỉ với nước và năng lượng mặt
trời, phân bố khắp nơi trên thế giới.
Có thể dự trữ và dùng để thay thế:
Năng lượng sinh ra có thể được dự trữ dưới dạng lỏng hoặc khí. Nhiên liệu từ biomass
có thể được sử dụng trong các hệ thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã sẵn có.
Trung tính về mặt cacbon:
Khí cacbonnic được thải từ Biomass thì cố đònh và lại được hấp thụ trở lại khi Biomass
tái sinh. Việc sử dụng năng lượng từ Biomass không gây sự phá vỡ cân bằng CO
2
toàn cầu.
Do đó, sử dụng Biomass được xem như là một giải pháp cho sự ấm dần lên của trái đất.
13


Hình 1. 2: Chu trình Carbon (Nguồn: www.windows.ucar.edu)

- Tầm quan trọng của việc nghiên cứu xử lý Biomass
Với các đặc tính đã kể trên thì sẽ thật lãng phí nếu ta không chú ý đến nguồn tài
nguyên khổng lồ này, nhất là trong giai đọan mà cả thế giới đều lo ngại về việc trái đất đang
bò cạn kiệt nguồn nguyên liệu hóa thạch. Văn minh nhân loại luôn kèm theo nó một mặt trái
ghê gớm là tàn phá tài nguyên và hủy hoại môi trường. Không thể phủ nhận lợi ích mà dầu
mỏ và công nghệ lọc hóa dầu đã mang lại cho chúng ta trong hàng ngàn năm qua và như vậy
cũng không nên quên rằng nguồn tài nguyên ấy đang cạn kiệt. Hơn nữa, đồng thời với việc
cho chúng ta những tiện ích cho cuộc sống, nó thải vào môi trường hàng ngàn chất độc hại mà
chính chúng ta phải gánh chòu. Có thể tóm tắt vai trò của công nghệ lọc dầu đối với sự tiến bộ
của nhân loại như sau:

14


Hình 1. 3: Ảnh hưởng của công nghệ lọc dầu lên đời sống con người

Nhà khoa học A. Sakoda, một giáo sư thuộc Viện nghiên cứu khoa học, Đại học
Tokyo đã đưa ra khái niệm “lọc Biomass”, bởi lẽ nếu ta nghiên cứu thay thế Biomass bằng
dầu mỏ thì phải làm sao cho tiện ích nó mang lại phải hơn hoặc chí ít cũng phải tương tự như
cái mà lòai người hiện đã quen hưởng thụ, đồng thời phải loại bỏ được những mối nguy hiểm
mà mặt trái của công nghệ lọc dầu mang tới. Vậy, làm một sơ đồ dây chuyền lọc Biomass,
tương tự với lọc dầu, ta sẽ có kết quả sau (hình 1.4).
Như vậy, với nguồn nguyên liệu là Biomass, sản phẩm sinh ra sẽ là những sản phẩm
thân thiện với môi trường. Nói cách khác, sử dụng Biomass làm nguyên liệu là đồng nghóa
với việc hướng tới công nghệ không phế thải. Sản phẩm sinh ra đều là những thứ có thể tái
sinh và phần khí cacbonic cũng có thể hòan lưu một cách khép kín mà không gây ô nhiễm
môi trường.

Dầu

Lọc dầu

Nhiên liệu

Sản phẩm hóa dầu
Sản phẩm có nguồn gốc từ dầu
Ô nhiễm không khí

CO
2

Chất thải

Dioxin

15


Hình 1. 4: Ảnh hưởng của công nghệ lọc Biomass đến đời sống con người

1.2. Thành phần và khả năng chuyển hoá thành năng lượng của biomass
- Thành phần hóa học.
Trong biomass có 2 thành phần cấu trúc cơ bản là hydrat cacbon và lignin. Trong
hidrat cacbon có cellulose và hemicellulose, chúng khác nhau về trọng lượng phân tử, cấu
trúc và tính chất hóa học. Cấu trúc, hàm lượng và sự phân bố của những thành phần này trong
cấu trúc của biomass thay đổi tùy lọai nguyên liệu, vò trí trong cây cũng như vò trí trong các
lớp tường tế bào.
Thành phần biomass thông thường gồm:
 50% trọng lượng khô là cellulose ( α – cellulose)
 25% trọng lượng khô là hemicellulose
 25% trọng lượng khô là lignin
Biomass

Lọc Biomass

Nhiên liệu

Sản phẩm hóa sinh
Sản phẩm có nguồn gốc từ Biomass
CO
2

16


Hình 1. 5: Thành phần cấu trúc Biomass

Tổng quát, biomass chứa 60 -80% hidrat cacbon, 20 – 40% nhựa và các chất mang
màu.
Các hydrat carbon:
Hợp chất cơ bản nhất của hydrat carbon là các đường saccarit. Saccarit đơn giản nhất,
không thể thủy phân thành những phân tử nhỏ hơn gọi là monosaccarit (glucose, fructose).
Những saccarit khi phân ly thành 2, 3 hoặc nhiều monosaccarit gọi là disaccarit, trisaccarit và
polysaccarit. Những saccarit thủy phân cho ra 8 đến 10 monosaccarit gọi là olygosaccarit…
Polysaccarit có khối lượng phân tử lớn, đại đa số các polysaccarit có từ 80 đến 100
monosaccarit, có một số chứa tới 3000 gốc mono trong phân tử.
Polysaccarit có cấu trúc mạch hở do có sự kết hợp của gốc monosaccarit bằng liên kết
glycozit, ngòai ra mạch có thể có nhánh do liên kết OH của mạch này với liên kết glycozit
của mạch khác. Có vài polysaccarit có cấu trúc mạch vòng.
Cellulose
Cellulose là một polysaccarit, có công thức tổng quát là (C
6
H
10
O
5
)n, khối lượng mol
phân tử của nó từ 30000 – 500000. Cellulose có cấu tạo mạch thẳng, được hình thành từ
17

những đơn vò D – glucose, liên kết theo kiểu của cellobiose (glucose-β-glucoside), nghóa là
các vòng glucopyrano quay ngược nhau một góc 180 độ. Mạch đại phân tử cellulose có cấu

trúc dạng thẳng và cấu hình dạng ghế. Chiều dài mạch phân tử từ 5, 2 -7,7mm. Các mạch
phân tử này tập hợp kề cận nhau và nhờ liên kết hydro mà hình thành cấu trúc vi sợi. Có
khoảng 65 -73% phần cellulose là ở trạng thái kết tinh. Phần cellulose ở trạng thái vô đònh
hình là phần khá nhạy cảm với nước và một số tác chất hóa học. Chính thành phần này làm
tăng liên kết sợi. Cellulose không tan trong nước, trong kiềm hay axit lõang nhưng có thể bò
phân hủy bằng phản ứng thủy phân và bò oxy hóa bởi dung dòch kiềm đặc ở nhiệt độ lớn hơn
150
0
C. Tóm lại, cellulose khá trơ dưới tác kích của hóa chất, ở nhiệt độ thường nó chỉ có thể
hòa tan trong vài dung môi, phổ biến là cuprietylendiamin ( CED) và cadmiumetylendiamin (
cadoxen), còn dung môi ít phổ biến hơn nhưng mạnh hơn là N-metylmorpholin N-oxit và
clorua liti dimetylformamid.
α, β, γ cellulose:
 α cellulose là phần cellulose không tan trong dung dòch NaOH nguội 17,5%.
 β cellulose là phần hemicelluose mạch ngắn, có khả năng tan trong dung dòch
NaOH nguội 17,5% nhưng sau đó sẽ kết tủa khi chuyển dung dòch sang môi trường axit.
 γ cellulose là phần vẫn hòa tan sau khi chuyển dung dòch sang môi trường axit,
đó là phần hemicellulose có độ trùng hợp rất thấp ( <15), được cấu tạo từ những đơn vò đường
khác với glucose.
Tuy nhiên, cellulose không phải luôn luôn là thành phần chủ yếu trong tất cả các
loại biomass. Mannitol, một alcohol hexahydric có thể được hình thành từ sự giảm bớt nhóm
aldehyd của D- glucose thành nhóm methynol, và acid alginic (polymer của acid mannuromic
và acid glucorunic) có khi là những hidrocacbon chính trong một số loài biomass.
Hemicellulose
Công thức tổng quát của nó là (C
5
H
8
O
4

)n. Hemicellulose là những polysaccarit dò
thể có trong liên kết với cellulose trong vỏ tế bào. Các polysaccarit có trong thành phần
hemicellulose là galactoglucomannan và arabinoglucoronoxylan:
18

2
2
2
O
O
CH
2
OH
O
HO
OAc
O
OH
HO
O
CH
2
OH
OH
CH
2
OH
OH
OH
O

HO
O
O
O
CH
2
O
OH
OH
HO
O
CH
2
OH
1
3

Hình 1. 6: Sơ đồ cấu tạo phân tử galactoglucomannan

2
3
1
OH
O
OH
OH
COOH
OH
O
O

O
O
O
OH
OH
O
O
O
O
O
OH
HO
O
H
2
CO
OH
OH
O
HOH
2
C
1
1
1

Hình 1. 7: Sơ đồ cấu tạo phân tử arabinoglucoronoxylan

Hemicellulose chứa các đơn vò pentose (chứ không phải là hextose) tuy nhiên cũng có
vài trường hợp chứa hextose.

CH
2
OH
OH
OH
OH
O
HO
CH
2
OH
OH
OH
O
HO
HO
OH
CH
2
OH
OH
OH
O
HO
OH
OH
OH
O
HO

CH
2
OH
OH
OH
OH
O
HO
HO
CH
2
OH
OH
OH
O

19

Hình 1. 8: Hextose và pentose có trong thành phần hemicellulose

Hemicellulose thường chứa 50 -2000 đơn vò monomeric và vài đường đơn giản.
Nhưng không giống như cellulose, hemicellulose chứa cấu trúc nhánh, các cấu trúc này thay
đổi tuỳ loại biomass (tuỳ gỗ hay thân cỏ), thường ở trạng thái vô đònh hình. Còn những phân
tử hemicellulose mạch thẳng giống phân tử cellulose thì có một phần ở trạng thái kết tinh. Độ
bền hóa học và bền nhiệt của hemicellulose thấp hơn so với cellulose vì chúng có độ kết tinh
và trùng hợp thấp hơn (độ trùng hợp là 90 trong khi độ trùng hợp của cellulose là 600-1500).
Đặc trưng của nó là tan trong dung dòch kiềm lõang, so với cellulose thì nó dễ bò thủy phân
hơn nhiều lần trong môi trường kiềm hay axit.

O
H
H
O
C
furfural
HO
OH
O
OH
OH
+
+
CHO
C
C
C
CH
2
OH
H
H
H
H
H
H
-2
H
2
O

H
H
H
C
C
C OH
OH
C
C
C
H
O
H
H

Hình 1. 9: Chuyển hóa pentose trong môi trường axit.
Có 3 lọai hemicellulose:
 Đơn giản: có thể tách dưới tác dụng của các hóa chất dùng trong quá trình nấu.
 Phức tạp: lọai này liên kết khá chặt chẽ với lignin và do vậy cần có những
phản ứng hòa tan lignin khá mạnh.
 Cellulosal: là những hextose và pentose liên kết khá chặt chẽ với cellulose
Các hidratcacbon khác
 Tinh bột cũng là polysaccarite có công thức tổng quát là (C
6
H
10
O
5
)n, cũng được
hình thành từ những đơn vò D – glucose các đơn vò hexose này được liên kết giống như trong

maltose (glucose-α-glucoside). Tinh bột có thể được chia làm 2 thành phần bằng cách thuỷ
20

phân chúng trong nước nóng. Một thành phần hoà tan tên là amylase ( chiếm 10 -20 %) và
thành phần không hoà tan amylopectin ( 80 -90%). Amylase và amylopectin có phân tử lượng
từ 10000-50000 và 50000-100000. Cả 2 thành phần trên đều mang glucose hoặc maltose trên
liên kết nhưng amylopectin thì chứa chuỗi phân nhánh.
 Lipid và protein có rất ít trong thành phần Biomass.
- Lignin:
Bản chất sợi cellulose rất mềm mại nhưng các bó sợi của chúng thì đanh cứng vì nó
được bao bọc và kết nối với nhau bởi chất nhựa dẻo có cấu trúc phức tạp gọi là lignin.
Lignin là nhựa nhiệt dẻo, mềm đi dưới tác dụng của nhiệt độ và bò hòa tan trong một
số tác chất hóa học. Bản thân lignin có màu trắng, có cấu trúc phức tạp, là một polyphenol có
mạng không gian mở. Trong phân tử lignin luôn chứa nhóm metoxyl (OCH
3
) và có sự hiện
diện của nhân thơm. Người ta không thể tìm được cấu trúc polymer chính xác bởi nó có quá
nhiều dạng và phức tạp.Từ vài đơn vò cơ bản là là phenyl propan, vài cấu trúc điển hình được
đề nghò cho lignin là Guaiacyl propan ( G), Syringly propan ( S) và Parahydroxylphenyl
propan (P). Các đơn vò monomer này có thể nối với nhau theo một số kiểu liên kết C-O-C và
C-C tạo nên những dimmer, trimer hay olygome và tỉ lệ của những kiểu liên kết này khác
nhau tùy vào từng lọai gỗ.

21

HC
H
2
COH
HC

CH
2
OH
O
CH
HC
O
[
]
O
CH
CH
2
OH
HCOH
O
CH
O
H
2
COH
CH
3
O
CH
3
O
O
CH
CH

2
OH
HCOH
O
OCH
3
OCH
3
H[O O]
C O
H
2
COH
HCOH
HC
HC
1
2
3
4
5
6
CH
3
O
CH
3
O
CH
CH

2
OH
HCOH
CH
CH
2
OH
CH
O
H
3
CO
C
C
C
13
15
16
O
OCH
3
HCOH
H
2
COH
HC
O
O
14
OCH

3
CH
3
O
OCH
3
O
CH
2
OH
HCOH
HC
11
12
O
H
O
O
H
2
C
O
HC
HC
O
10
OCH
3
CH
CH

CH
2
O
CH
3
O
HCOH
HC
H
2
COH
O
CH
CH
2
OH
HCOH
CH
3
O
7
8
HO
OCH
3
9

Hình 1. 10: Sơ đồ cấu trúc phân tử của lignin
22

II
III
O
α

β

5
6
OH
OH
OCH
3
C
C
C
1
2
3
4
C
C
C
C
C
C
1
C
C
C

CH
3
O
OCH
3
OH
γ
I

I: Guaiacyl propan ( G)
II: Syringly propan ( S)
III: Parahydroxylphenyl propan (P).
Hình 1. 11: Sơ đồ đơn vò cấu tạo cơ bản của lignin

D
E
F
C
C
C
O
O
O
C
C
C
O
O
O
C

C
C
C
C
C
O
O
O
C
C
C
O
C
C
C
A
B
C
O
C
C
C
O

Hình 1. 12: Các kiểu liên kết phổ biến giữa các đơn vò phenypropan.
23

CH
HC
CH

CH
2
OH
OCH
3
O
CH
CH
2
OH
OCH
3
HC
O
H
HC
CH
CH
2
OH
O
CH
OCH
3
HC
O
H
H
2
COH

OH
OCH
3
CH
CH
2
CH
OCH
3
HC
O
H
O
H
2
C
O


Hình 1. 13: Các dạng dimer tạo thành từ gốc tự do phenoxy

Lignin thì được phân nhánh, có thể thay thế đơn phân tử, thường liên kết với sợi
cellulose để tạo thành phức lignocellulosic. Bằng một số phương pháp hóa học, ta có thể tách
được hoàn toàn lignin và xem như sợi được cấu tạo từ cellulose tinh. Hợp chất lignocellulosic
và bản thân lignin khó bò phân huỷ sinh học. Hợp chất tan trong axit mạnh còn lignin thì
không tan. Trong gỗ cứng và mềm, lignin chiếm 20 – 40 % khối lượng khô. Trong các loài
thân cỏ như đậu, lúa, nó chiếm từ 10 đến 40% khối lượng.
Các thành phần khác
Trong biomass còn có triglyceride, đó là esther của triol, glycerol và acid béo. Esther
này không tan trong nước nhưng tan trong dầu, có nhiều trong cây họ dầu. Tuy nhiên, so với

lignin và các polysaccharide khác thì lượng triglyceride này còn rất nhỏ.
- Thành phần năng lượng
Năng lượng chứa trong Biomass khác nhau tùy theo loại. Chỉ thò năng lượng chính của
Biomass là nhiệt trò của nó, đó là lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy hòan tòan một khối lượng
Biomass xác đònh. Nhiệt trò thay đổi tùy theo thành phần Biomass. Thông thường, trong thành
phần Biomass càng nhiều chất hữu cơ và cacbon thì nhiệt trò càng cao, độ ẩm càng cao thì
hiệu quả sử dụng nhiệt càng kém.
24

Khi đốt cháy hoàn toàn một lượng Biomass chứa cellulose, hemicellulose, lignin vốn
hình thành từ cacbon, oxy, hidro thì một lượng tương ứng nước và khí cacbonic sẽ được sinh
ra. Nước sinh ra ở dạng hơi nóng chính là chất mang nhiệt. Đó là lượng nước sinh ra, thế còn
trong Biomass, nếu độ ẩm quá cao (độ ẩm trong Biomass dao động từ 3 đến 98% tùy loại) thì
việc sử dụng Biomass làm chất đốt rất kém hiệu quả. Ngòai ra, nếu hàm lượng tro trong
thành phần Biomass quá cao thì ảnh hưởng rất không tốt đến việc sử dụng nó như nguồn năng
lượng.
- Các kỹ thuật sử dụng Biomass
Sử dụng Biomass làm vật liệu:
 Dùng làm phân bón, phân trộn, vật liệu thay thế đất trồng.
 Sử dụng thực phẩm thừa làm thức ăn gia súc.
 Sử dụng nhựa gỗ làm chất kết dính: đó là hỗn hợp của lignin và bột giấy hoặc
mùn cưa, tính kết dính rất cao.
 Sử dụng Biomass trộn: nghiền Biomass, xong đem trộn với xăng dầu hình
thành nhựa nhiệt dẻo hoặc dùng làm nhiên liệu:
Sấy khô và nghiền vụn các mảnh gỗ, trộn chúng với dầu tái chế theo tỉ lệ ( 10% bột
gỗ và 90% dầu)
Trộn hỗn hợp trên với nước chứa Na
2
CO
3

và xử lý chúng ở 370
0
C và 27.579 KPa.
Theo quy trình trên, sản phẩm dầu thô được so sánh với dầu nhiên liệu số 6, loại dầu
này có nhiệt trò lên đến 34.5MJ/ kg, O
2
chiếm 12,35, tỉ trọng là 1.1 và độ nhớt là 0.2 Pas ở
99
0
C trong khi sản phẩm chưng từ dầu thô có nhiệt trò 40.4 MJ/kg, độ nhớt 0.01Pas và chứa
6.2 % O
2
. đặc tính này tương tự như tính chất của dầu nhiên liệu số 2. theo Douglass, 4988kg
dầu thô sẽ được sản xuất từ 9953kg biomass.
Quy trình này chuyển hoá trực tiếp biomass thành dầu nhiên liệu nhưng nhược điểm
chính của nó là không xác đònh được lượng khí tổng hợp cần thiết. Hơn nữa, người ta cũng
không trả lời chính xác được là liệu có cần Na
2
CO
3
hay không và nếu cần thì lượng đó là bao
nhiêu. Trong trường hợp không có 2 tác nhân này thì chất lượng dầu thô sẽ bò ảnh hưởng như
thế nào là vấn đề vẫn chưa được sáng tỏ.