TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƢ PHẠM
BỘ MÔN SƢ PHẠM VẬT LÝ

NĂNG LƢỢNG MỚI TỪ CÁC NGUỒN SINH KHỐI VÀ NHIÊN LIỆU
SINH HỌC
Luận văn tốt nghiệp
Ngành: SƢ PHẠM VẬT LÝ-TIN HỌC

Giáo viên hƣớng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

Giang Tấn Linh
Mã số SV: 1117545
Lớp: Sƣ phạm Vật Lý-Tin Học
Khóa: 37

Cần Thơ, năm 2014


LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và làm luận văn, em xin chân thành
cảm ơn thầy Hoàng Xuân Dinh đã hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành
tốt đề tài luận văn tốt nghiệp. Bên cạnh đó, em xin chân thành cảm ơn
các thầy cô giáo ở Bộ môn Sư phạm Vật lý trong khoa Sư phạm của
trường Đại học Cần Thơ đã giảng dạy và trang bị cho em những kiến
thức quý báu góp phần giúp em nghiên cứu thành công đề tài này.

Những lời động viên, khích lệ từ gia đình, sự chia sẻ, học hỏi từ
bạn bè cũng đã góp phần rất nhiều cho luận văn tốt nghiệp của em đạt
kết quả tốt hơn.
Mặc dù em đã cố gắng rất nhiều nhưng trong quá trình thực hiện
cũng không tránh mắc phải những hạn chế và thiếu sót. Em rất mong
nhận được những đóng góp ý kiến quý báu của thầy cô và bạn bè để luận
văn được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cám ơn!
Cần Thơ, tháng 10 năm 2014

Giang Tấn Linh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

MỤC LỤC

Trang
Phần MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài........................................................................................................... 1
2. Mục đích của đề tài ....................................................................................................... 1
3. Giới hạn của đề tài ........................................................................................................ 1
4. Phương pháp và phương tiện thực hiện ........................................................................ 1
5. Các bước thực hiện ....................................................................................................... 1
Phần NỘI DUNG .............................................................................................................. 2
Chương 1: CÁC KHÁI NIỆM CĂN BẢN VỀ NĂNG LƯỢNG ..................................... 2
1.1. Giới thiệu ................................................................................................................... 2
1.2. Dạng năng lượng ........................................................................................................ 3

Chương 2: NĂNG LƯỢNG TỪ CÁC NGUỒN SINH KHỐI ......................................... 6
2.1. Mở đầu ....................................................................................................................... 6
2.2. Các ưu điểm của năng lượng sinh khối...................................................................... 7
2.3. Các nguồn sinh khối................................................................................................... 7
2.3.1. Các phân tử được sử dụng từ cây cỏ và động vật làm nhiên liệu sinh học ............. 7
2.3.2. Phân loại sinh khối dựa trên nguồn gốc .................................................................. 9
2.4. Sự chuyển hóa và sản phẩm nguyên liệu ................................................................... 17
2.4.1. Quá trình đốt cháy ................................................................................................... 17
2.4.2. Quá trình chuyển vị este (transesterification) ......................................................... 18
2.4.3. Lên men ethanol ...................................................................................................... 19
2.4.4. Khí hóa .................................................................................................................... 20
2.4.5. Quá trình tổng hợp Fischer-Tropsch (tổng hợp FT) ............................................... 21
2.4.6. Nhiệt phân ............................................................................................................... 22
2.4.7. Lên men kị khí tạo khí sinh học .............................................................................. 23
2.5. Một số ứng dụng của năng lượng sinh khối trong thực tế ......................................... 24
2.5.1. Sản xuất khí sinh học biogas ................................................................................... 24
2.5.1. Nhà máy điện sinh khối .......................................................................................... 25
Chương 3: NHIÊN LIỆU SINH HỌC .............................................................................. 27
3.1. Mở đầu ....................................................................................................................... 27
3.2. Các ưu điểm của nhiên liệu sinh học ......................................................................... 28
3.2.1. Về mặt môi trường .................................................................................................. 28
3.2.2. Về mặt kỹ thuật ....................................................................................................... 28
3.2.3. Về mặt kinh tế ......................................................................................................... 28
3.3. Các dạng nhiên liệu sinh học .................................................................................... 28
3.3.1. Nhiên liệu sinh học dạng rắn .................................................................................. 28
3.3.2. Nhiên liệu sinh học dạng lỏng ................................................................................ 30
3.3.2. Nhiên liệu sinh học dạng khí .................................................................................. 35
3.4. Thị trường nhiên liệu sinh học ................................................................................... 36
3.4.1. Ethanol sinh học (bio-ethanol) ................................................................................ 36
3.4.2. Nhiên liệu cho máy bay phản lực ........................................................................... 37

Chương 4: TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG TỪ CÁC NGUỒN SINH KHỐI VÀ NHIÊN
LIỆU SINH HỌC TẠI VIỆT NAM................................................................................. 39
4.1. Tiềm năng năng lượng sinh khối và nhiên liệu sinh học tại Việt Nam ..................... 39
4.1.1. Sinh khối ................................................................................................................. 39
4.1.2. Khí sinh học (biogas) .............................................................................................. 39
SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

4.1.3. Chất thải rắn ............................................................................................................ 40
4.1.4. Nhiên liệu sinh học ................................................................................................. 41
4.2. Hiện trạng năng lượng sinh khối và nhiên liệu sinh học tại Việt Nam...................... 41
4.2.1. Sinh khối ................................................................................................................. 41
4.2.2. Chất thải để sản xuất năng lượng ............................................................................ 42
4.2.3. Khí sinh học (biogas) .............................................................................................. 43
4.2.4. Nhiên liệu sinh học ................................................................................................. 43
4.2.5. Hiện trạng sử dụng xăng sinh học E5 tại Quảng ngãi ............................................ 43
4.2.6. Hiện trạng sử dụng trấu sản xuất điện tại Đồng bằng sông Cửu Long ................... 44
4.3. Những thách thức và cơ hội đối với việc phát triển năng lượng sinh khối và nhiên
liệu sinh học ở Việt Nam nói chung ................................................................................. 45
4.3.1. Thách thức............................................................................................................... 45
4.3.2. Cơ hội ...................................................................................................................... 49
Phần KẾT LUẬN .............................................................................................................. 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO


SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

Phần MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Thế giới mà chúng ta đang sống hiện nay luôn chứa đầy những bất ổn, nhất là về
yếu tố môi trường do tốc độ phát triển như vũ bão của các ngành công nghiệp. Các yếu tố
gây ra việc ô nhiễm môi trường chính là việc sử dụng nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa
thạch tưởng như không bao giờ cạn kiệt như dầu, than đá... Tuy nhiên, con người đã dần
nhận thức được rằng một ngày nào đó nguồn nhiên liệu hóa thạch kia sẽ cạn kiệt và lúc
đó ta sẽ phải dùng năng lượng khác để thay thế. Đó chính là năng lượng xanh mà thiên
nhiên đã ban cho con người.
Nhưng quan trọng hơn cả là năng lượng xanh đang dần thay đổi thế giới quan, ảnh
hưởng đến các quan hệ kinh tế chính trị thế giới và cuộc sống của con người. Thật khó có
thể hình dung tới những thay đổi lớn lao của xã hội trong vài thế kỷ tới khi mà các thử
thách về kĩ thuật trong việc sử dụng năng lượng xanh không còn nữa, không cần những
chính sách ưu tiên hỗ trợ mà nó đã trở thành bộ phận sống còn của xã hội.
Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa Đông Nam Á, có nguồn tài
nguyên nhiên liệu, năng lượng đa dạng đầy đủ các chủng loại như than, dầu khí, thủy
điện và các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối,
năng lượng địa nhiệt, năng lượng biển…, trong đó đáng chú ý tiềm năng lớn là năng
lượng sinh khối. Tuy nhiên thực tiễn phát triển kinh tế những năm vừa qua cho thấy sự
biến động về nhiên liệu và năng lượng diễn biến khá phức tạp, bên cạnh việc xuất khẩu
than và dầu thô, chúng ta vẫn phải nhập khẩu sản phẩm dầu qua chế biến và điện năng.

Vấn đề đặt ra là làm thế nào để nguồn tài nguyên nhiên liệu và năng lượng của Việt Nam
không chỉ đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội trong những năm tới mà chúng ta
còn có thể xuất khẩu nguồn tài nguyên này dưới dạng năng lượng và thành phẩm đã chế
biến, thích ứng với sự biến động của thị trường. Chính vì vậy, em chọn đề tài “năng
lượng mới từ các nguồn sinh khối và nhiên liệu sinh học” để nghiên cứu và tiếp cận hơn
vấn đề của thời đại.

2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
* Tìm hiểu về năng lượng mới từ các nguồn sinh khối và nhiên liệu sinh học .
* Tình hình năng lượng từ các nguồn sinh khối và nhiên liệu sinh học tại Việt
Nam.

3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
* Đề tài nghiên cứu dựa trên lý thuyết thuần túy và chỉ nghiên cứu về năng lượng
sinh khối và nhiên liệu sinh học trong số các dạng năng lượng của lĩnh vực năng lượng
xanh.

4. PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN THỰC HIỆN
* Sưu tầm tài liệu, sách, báo trên các phương tiện thông tin đại chúng.
* Tìm tài liệu trên internet.
* Trao đổi với giáo viên hướng dẫn, với các bạn cùng lớp các vấn đề khó hiểu.
* Tổng hợp phân tích các thông tin để viết luận văn.

5. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN
Bước 1 : Nhận đề tài.
Bước 2 : Tìm tài liệu có liên quan đến đề tài và viết đề cương.
Bước 3 : Viết luận văn.
Bước 4 : Nộp luận văn cho giáo viên hướng dẫn sửa.
Bước 5 : Chỉnh sửa và chuẩn bị bảo vệ luận văn.
Bước 6 : Bảo vệ luận văn.

SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545

1


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

Phần NỘI DUNG
Chƣơng 1: CÁC KHÁI NIỆM CĂN BẢN VỀ NĂNG LƢỢNG
1.1. GIỚI THIỆU
Trong các khái niệm căn bản của Vật lý học, khái niệm năng lượng là một khái
niệm khó nắm bắt và bao trùm tất cả vận động của vật chất, từ vi mô đến vũ trụ bao la, từ
vô cơ đến hữu cơ và sự sống, từ chuyển động của các hạt cơ bản đến các hoạt động tinh
vi trong cơ thể sinh vật. Năng lượng không chỉ thể hiện qua các vận động của vật chất mà
còn ẩn chứa bên trong vật chất là hành trình dài của nhân loại.
Năng lượng là một đại lượng vật lý không quan sát trực tiếp được và thường được
hiểu như khả năng của một hệ vật này thực hiện công lên một hệ vật khác, kết quả làm
cho hệ vật dịch chuyển. Năng lượng xem như tương đương với khả năng kéo hoặc đẩy
của hệ thống, thắng lực cản của tự nhiên để làm nó dịch chuyển một khoảng nào đó trong
không gian, ví dụ như trong hình 1.1 với lực F lực tác dụng vào xe làm cho xe dịch
chuyển một đoạn x , công làm cho xe dịch chuyển trong trường hợp này gọi là năng
lượng

F

x


Hình 1.1: Công làm dịch chuyển một vật
( F : lực tác dụng, x : độ dời )
Năng lượng toàn phần của một hệ thống luôn liên quan đến khối lượng và cấu trúc
của hệ thống đó. Năng lượng không tự sinh ra và cũng không tự mất đi. Một hệ thống có
thể truyền năng lượng cho một hệ thống khác bằng cách truyền vật chất, tác dụng công,
truyền bức xạ, hay truyền động năng hỗn loạn của các hạt vi mô mà ta gọi là truyền nhiệt.
Năng lượng có thể được tồn trữ trong một hệ thống dưới dạng vật chất, động năng
hay năng lượng điện từ. Nhưng nó còn được tồn trữ ở một dạng năng lượng khác mà ta
gọi đó là thế năng. Hình ảnh đơn giản nhất của thế năng đó là khi đưa một vật nặng lên
cao trong trường trọng lực như ví dụ ở hình 1.2. Khái quát hơn là khi ta đưa một hạt lên
một vị trí mới trong trường lực mà trong quá trình đó ta cần cung cấp năng lượng cho hạt.
Ở vị trí mới này, trường lực có xu hướng tác dụng lực để kéo hạt về vị trí ban đầu. Năng
lượng mà vật cần có để duy trì trạng thái mới này được gọi là thế năng. Mỗi dạng lực
căng bản của tự nhiên liên quan đến một loại thế năng tương ứng với trường lực đó và
mỗi tính chất của hạt liên quan đến một trường khác nhau. Ví dụ khối lượng của hạt liên
quan đến thế năng trong một trọng trường. Điện tích của hạt liên quan đến thế năng trong
một điện trường. Spin của hạt liên quan đến việc tách mức năng lượng của hạt dưới một
từ trường.

SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545

2


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh


x

Trường lực

y

Hình 1.2: Các vị trí của vật trong một trường lực
tương ứng với các thế năng khác nhau
Năng lượng tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau. Ví dụ trong số đó là: năng
lượng ánh sáng, năng lượng nhiệt, năng lượng cơ học, năng lượng hấp dẫn, năng lượng
điện từ, năng lượng âm thanh, năng lượng hóa học, năng lượng hạt nhân hoặc nguyên tử.
Các dạng năng lượng có thể được chuyển giao và chuyển đổi giữa nhau.
Một dạng năng lượng này có thể chuyển sang dạng năng lượng khác. Ví dụ khi ta
thả rơi một vật trong trọng trường, thế năng chuyển đổi thành động năng của vật. Động
năng là dạng năng lượng liên quan đến chuyển động của một vật trong hệ qui chiếu đã
cho. Động năng tỉ lệ với bình phương của vận tốc của vật. Chú ý rằng năng lượng luôn
liên quan đến khối lượng của vật. Khi ta cung cấp nhiệt cho một vật thể, chẳng hạn như
một chất lỏng hoặc chất khí, sự dãn nở của chất đó sinh ra một công bên ngoài. Đây là
phương thức chuyển đổi năng lượng thường gặp nhất trong kĩ thuật. Khi ta cung cấp công
để làm quay (hay khái quát hơn là dịch chuyển) một nam châm tương đối với một dây
dẫn ta có thể thu được một hiệu điện thế trong cuộn dây và từ đó phát sinh ra dòng điện.
Khi đó ta nói cơ năng chuyển động thành điện năng.

1.2. DẠNG NĂNG LƢỢNG
Năng lượng có thể tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau và để làm rõ về khái
niệm năng lượng ta xét rõ trong các bối cảnh như sau:
Đầu tiên ta xét năng lượng hóa học. Khi đó năng lượng là thuộc tính của một chất
liên quan đến cấu trúc nguyên tử, cấu trúc phân tử và cấu trúc của sự kết hợp các phân tử,
ví dụ như hình 1.3 cấu trúc phân tử CH4 đó là sự kết hợp giữa một nguyên tử carbon với

bốn nguyên tử hydrogen. Các chuyển hóa năng lượng hóa học đều liên quan đến sự thay
đổi một trong các cấu trúc đó. Năng lượng có thể chuyển đến các phân tử dưới dạng sóng
điện từ. Khi phân tử hấp thu sóng điện từ đó, tùy theo tần số của sóng, cấu trúc của nó thể
thay đổi khác nhau. Ví dụ các sóng hồng ngoại có thể làm dao động các liên kết hóa học.
Các sóng ngắn hơn có thể làm cho các electron chuyển lên mức năng lượng cao hơn và
có thể thậm chí bắn ra khỏi nguyên tử. Khi xảy ra các phản ứng hóa học thì các liên kết
cũ bị bẻ gãy và tạo thành các liên kết mới. Nếu trạng thái của hệ thống có năng lượng lớn
hơn trạng thái ban đầu ta gọi là phản ứng tỏa nhiệt (exergonic). Nếu ngược lại, ta có phản
ứng thu nhiệt (endergonic). Để một phản ứng hóa học xảy ra chất tham gia phản ứng phải
nhận được năng lượng cao hơn mức năng lượng nhất định gọi là năng lượng hoạt hóa.
Như vậy năng lượng liên quan đến cấu trúc của một chất.
SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545

3


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

Hình 1.3: Cấu trúc phân tử CH4, phân tử hydrocarbon đơn giản nhất trong khí đốt
Trong sinh học, năng lượng là một thuộc tính của tất cả các hệ thống sinh học, nó
cần thiết cho mọi hoạt động sống. Tất cả các phản ứng trong hệ thống sinh học (tức cơ
thể sống) đều liên quan đến chuyển hóa năng lượng. Năng lượng được tồn trữ trong các
cấu trúc phân tử của các chất như carbohydrate, lipid, protein, các chất này giải phóng
năng lượng khi phản ứng oxygen trong quá trình hô hấp. Các hoạt động sống của sinh vật
có hai nhóm quá trình ngược nhau: quá trình phân hủy các cấu trúc để sinh ra năng lượng
và quá trình tích lũy năng lượng trong các cấu trúc phân tử.

Thành phần cấu trúc cơ bản của cơ thể sinh vật là tế bào. Các tế bào sống và cơ thể
luôn luôn cần một công năng để tồn tại sinh trưởng và sinh sản. Khả năng tích lũy và sử
dụng năng lượng để chuyển hoá thành một công năng sinh học là đặc tính rất cơ bản của
tất cả cơ thể sống, và đã được tiếp nhận trong quá trình tiến hoá sinh hoc. Các cơ thể sinh
vật đã thực hiện hàng loạt những biến đổi, và chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang
dạng khác để tồn tại và phát triển, các cơ thể sinh vật tự dưỡng (các tế bào thực vật) có
khả năng chuyển đổi năng lượng từ tia sáng mặt trời bằng cơ chế quang hợp
(photosythesis) để tạo ra các dạng năng lượng khác nhau. Trong khi đó quá trình hô hấp
“đốt cháy” các phân tử này để tạo ra năng lượng. Khi lá cây khô héo, nó vẫn còn tồn trữ
năng lượng trong cấu trúc của nó và khi tương tác với oxygen (sự cháy) nó sẽ giải phóng
năng lượng. Khi ta hái trái cây, dù đã tách ra khỏi cây, trái vẫn tiếp tục hô hấp và tỏa
nhiệt. Khi đó không còn quá trình tích trữ năng lượng mà chỉ còn quá trình giải phóng
năng lượng .Trong khi đó các sinh vật dị dưỡng (heterotrophic) sử dụng năng lượng từ
liên kết hoá học trong các phân tử chất dinh dưỡng để biến đổi thành công năng sinh học
bằng các cơ chế trao đổi chất sinh học. Các quá trình trao đổi chất sinh học luôn luôn
tuân theo các quy luật nhiệt động lực học, do đó năng lượng sinh học cũng tuân theo các
quy luật này.
Các quá trình ở các quy mô lớn hơn như là gió bão, lốc xoáy, động đất, trôi dạt lục
địa, sấm chóp, núi lửa liên quan những trao đổi năng lượng khổng lồ của tự nhiên. Trong
đó, các hiện tượng trôi dạt lục địa, động đất, núi lửa liên quan đến biến đổi năng lượng
bên trong trái đất. Các hiện tượng mưa gió bão, tuyết, lốc, dòng hải lưu liên quan đến
chuyển hóa năng lượng từ Mặt Trời tương tác với bầu khí quyển. Đặc biệt thủy triều là
do tương tác hấp dẫn giữa Mặt Trăng với Trái Đất. Trong vũ trụ, các chuyển hóa năng
lượng còn lớn lao hơn rất nhiều. Các tia vũ trụ, tia gamma từ các ngôi sao, các thiên hà,
là các chuyển hóa năng lượng ở cấp độ cao nhất của tự nhiên. Các năng lượng đó là do sự
sụp đổ vật chất do trọng lực hay do các phản ứng hạt nhân.

SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545


4


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

Phản ứng phân rã hạt nhân là quá trình hạt nhân của các nguyên tử phóng xạ có
khối lượng lớn. Ví dụ như uranium tự vỡ ra thành các mảnh hạt nhân có khối lượng nhỏ
hơn. Trong quá trình phân rã hạt nhân đều có sự hụt khối lượng, tức là tổng khối lượng
của các hạt tạo thành nhỏ hơn khối lượng hạt nhân ban đầu. Khối lượng bị hao hụt này
được chuyển hóa thành năng lượng nhiệt rất cao được tính theo công thức nổi tiếng của
Albert Einstein:
E = Δmc2 = Mc2
E: Nhiệt lượng
Δm: Khối lượng hụt
c: Vận tốc ánh sáng trong chân không là 299792458 m/s
Tóm lại, trong quá trình hình thành và phát triển của vật chất, từ vô cơ đến sự
sống, năng lượng được tồn trữ trong các cấu trúc vật chất, khi các cấu trúc này bị phá vỡ
hay thay đổi, sẽ xảy ra các chuyển hóa năng lượng.

SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545

5


Luận văn tốt nghiệp


GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

Chƣơng 2: NĂNG LƢỢNG TỪ CÁC NGUỒN SINH KHỐI
2.1. MỞ ĐẦU
Sinh khối là một thuật ngữ có ý nghĩa bao hàm rất rộng dùng để mô tả các vật chất
có nguồn gốc sinh học vốn có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng hoặc do các
thành phần hóa học của nó. Dưới đây là hình 2.1 mô tả chu trình chuyển hóa sinh khối
trong tự nhiên.

Hình 2.1: Chu trình chuyển hóa sinh khối
Với định nghĩa như vậy, sinh khối bao gồm cây cối tự nhiên, cây trồng công
nghiệp, tảo và các loài thực vật khác, hoặc là những bã nông nghiệp và lâm nghiệp. Sinh
khối cũng bao gồm cả những vật chất được xem là chất thải từ các hoạt động xã hội của
con người như chất thải từ quá trình sản xuất thức ăn, nước uống, bùn/nước cống, phân
bón, sản phẩm phụ gia (hữu cơ) công nghiệp (industrial by-product) và các thành phần
hữu cơ của chất thải sinh hoạt.
Sinh khối còn có thể được phân chia nhỏ ra thành các thuật ngữ cụ thể hơn, tùy
thuộc vào mục đích sử dụng như tạo nhiệt, sản xuất điện năng hoặc làm nhiên liệu cho
giao thông vận tải.
Các nguồn sinh khối được chuyển thành các dạng năng lượng khác như điện năng,
nhiệt năng, hơi nước và nhiên liệu qua các phương pháp chuyển hóa như đốt trực tiếp và
turbine hơi, chuyển vị este, lên men ethanol, khí hóa (gasification) và nhiệt phân
(pyrolysis), lên men kị khí tạo khí sinh học.
Sinh khối còn có thể được xem như một dạng tích trữ năng lượng Mặt Trời. Năng
lượng từ Mặt Trời được “giữ” lại bởi cây cối qua quá trình quang hợp trong giai đoạn
phát triển của chúng. Năng lượng sinh khối được xem là tái tạo vì nó được bổ sung nhanh
hơn rất nhiều so với tốc độ bổ sung của năng lượng hóa thạch vốn đòi hỏi hàng triệu
năm.
SVTH: Giang Tấn Linh


MSSV: 1117545

6


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

Ngoài ra, việc sử dụng sinh khối để tạo năng lượng có tác động tích cực đến môi
trường. Hẳn nhiên việc đốt sinh khối không thể giải quyết ngay vấn đề mất cân bằng về tỉ
lệ CO2 hiện nay. Tuy nhiên, vai trò đóng góp của sinh khối trong việc sản xuất năng
lượng vẫn rất đáng kể trong việc bảo vệ cân bằng môi trường, vì nó tạo ra ít CO2 hơn
năng lượng hóa thạch. Một cách khái quát, CO2 tạo ra bởi việc đốt sinh khối sẽ được “cô
lập” tạm thời (sequestered) trong cây cối được trồng mới để thay thế nhiên liệu. Nói một
cách khác, đó là một chu kỳ tuần hoàn kín với tác động hết sức nhỏ lên môi trường.
Tóm lại, sinh khối là một nguồn năng lượng hấp dẫn bởi các lý do sau đây:
- Trước nhất, đây là một nguồn năng lượng tái tạo, nếu chúng ta có thể bảo đảm
được tốc độ trồng cây thay thế.
- Sinh khối được phân bố đồng đều trên bề mặt Trái Đất hơn các nguồn năng
lượng nhất định khác (nhiên liệu hóa thạch...), và có thể được khai thác mà không cần đòi
hỏi đến các kĩ thuật hiện đại phức tạp và tốn kém.
- Nó tạo ra cơ hội cho các địa phương, các khu vực và các quốc gia trên toàn thế
giới tự bảo đảm cho mình nguồn cung cấp năng lượng một cách độc lập.
- Đây là một giải pháp thay thế cho năng lượng hóa thạch, giúp cải thiện tình hình
thay đổi khí hậu đang đe dọa Trái Đất.
- Nó có thể giúp nông dân địa phương trong lúc gặp khó khăn về vụ mùa thu
hoạch và tạo việc làm tại các vùng nông thôn.
Năng lượng sinh học hiện đã và đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới,

chiếm gần 11% tổng sản lượng tiêu thụ của toàn thế giới (IEA). Tuy nhiên, các nước
đang phát triển hiện nay vẫn có tỉ lệ sử dụng năng lượng sinh khối cơ bản đến 35% trong
cơ cấu năng lượng nội địa. Tỉ lệ này vẫn luôn khá cao đối với những quốc gia nghèo nhất
thế giới vốn phụ thuộc và việc đốt sinh khối để nấu nướng, sưởi ấm và làm nhiên liệu.
Mặc dù sinh khối sử dụng trong công nghiệp thì có tác động tích cực đối với môi trường,
tình trạng thoát khí kém và việc sử dụng các lò đốt (lò nấu) có hiệu suất kém làm tăng độ
ô nhiễm không khí trong nhà ở (indoor air pollution – IAP) và gây ra hiểm họa về sức
khỏe rất lớn đối với người dân sống trong các khu vực nông thôn, kém phát triển. Như
vậy, sử dụng sinh khối một cách hiểu quả hơn cũng là một vấn đề lớn hiện nay trong quá
trình cải thiện chất lượng cuộc sống và sức khỏe con người.

2.2. CÁC ƢU ĐIỂM CỦA NĂNG LƢỢNG SINH KHỐI
Năng lượng sinh khối là nguồn năng lượng tái tạo, có thể cung cấp thân thiện với
môi trường có nguồn gốc từ cả động và thực vật, đây là nguồn vật liệu rất đa dạng và có
nhiều ứng dụng khác nhau. Thêm vào đó, vật liệu sinh học có hàm lượng lưu huỳnh rất
thấp, khi đốt sẽ không tạo nhiều khí sulfur dioxide bay vào khí quyển, do đó không góp
phần tạo mưa acid. So với than đá khi đốt sinh khối, lượng tro tạo ra ít hơn và có thể
dùng làm phân bón, việc sử dụng các sinh khối từ phế liệu nông nghiệp, lâm nghiệp và
sinh hoạt đã góp phần giảm đáng kể lượng chất thải. Đồng thời các nguồn sinh khối có
nguồn địa phương nên giá cả không bị ảnh hưởng bởi các biến động giá nhiên liệu thế
giới. Sinh khối còn là nguồn năng lượng sạch, góp phần cải tạo môi trường, kinh tế và an
ninh năng lượng. Theo phân tích trên khi đốt sinh khối không tạo ra thêm lượng CO 2 do
vòng tuần hoàn carbon.

2.3. CÁC NGUỒN SINH KHỐI
2.3.1. Các phân tử đƣợc sử dụng từ cây cỏ và động vật làm nhiên liệu sinh học
2.3.1.1. Carbohydrate
Các cacbohydrate được tổng hợp từ quá trình quang tổng hợp. Năng lượng mặt
trời được vi sinh vật hấp thụ qua quá trình quang tổng hợp là thực vật hoặc vi khuẩn. Quá
trình đó sẽ chuyển một phần năng lượng sóng điện từ thành năng lượng của các liên kết

SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545

7


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

hóa học và phần còn lại thải ra môi trường dưới dạng nhiệt, do đó tăng mức độ hỗn độn
của sinh quyển. Quá trình quang tổng hợp diễn ra theo hai giai đoạn. Giai đoạn một gọi là
phản ứng hoạt hóa bởi ánh sáng. Sự va chạm của hạt photon ánh sáng với phân tử sắc tố
dẫn đến sự chuyển điện tử từ nước cho phân tử NADPH và đồng thời cung cấp năng
lượng cần thiết để tổng hợp ATP. Giai đoạn hai gọi là các phản ứng tối, ATP và NADPH
được sử dụng để tạo nên một chuỗi các phản ứng cố định carbon, trong đó CO2 từ không
khí được dùng để tạo nên các phân tử đường. Quá trình phức tạp trên có thể viết dưới
dạng tổng quát như sau :
xCO2 + yH2O → CxH2yOy + xO2
Các phân tử đường thường được viết công thức theo dạng Cx(H2O)y và do đó gọi
là các hydrate carbon. Các hydrate carbon có ba nhóm là monosaccharide, disaccharide
và polysaccharide. Có khoảng 20 monosaccharide trong tự nhiên, trong đó quan trọng
nhất là glucose và fructose. Glucose có hai dạng là α-glucose và β-glucose, khác nhau bởi
vị trí nhóm OH.

α-glucose

β-glucose


Hình 2.2 : Cấu trúc hai dạng đồng phân của glucose
Trong tế bào thực vật, vách tế bào có cấu trúc bền hơn tế bào động vật. Vách tế
bào thực vật được cấu tạo chủ yếu từ các sợi được làm từ các phân tử cellulose, là phân
tử polyme sinh học có mặt nhiều nhất trên Trái Đất. Phần còn lại của vách tế bào được
tạo nên bởi hai loại polysaccharide khác là hemicellulose và pectin. Các phần tử này liên
kết với nhau để tạo nên lớp vỏ tế bào phức tạp và bền chắc. Cellulose là một polyme sinh
học có dạng mạch thẳng, tạo nển gốc β-glucose với số lượng trung bình khoảng 3000 đơn
vị glucose. Cơ thể người ta không tiêu hóa được cellulose nhưng một số động vật được
có các loại vi khuẩn trong ruột sinh enzyme thủy phân cellulose thành đường glucose.

Hình 2.3 : Phân tử cellulose cấu tạo từ 3000 gốc β-glucose

SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545

8


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

Hình 2.4 : Cấu tạo phân tử amylose, thành phần chính của tinh bột,
với chiều dài trung bình 200 gốc α-glucose
2.3.1.2. Lipid
Các lipid hay là chất béo có trong tế bào thực vật và động vật. Chúng được chia
thành 5 nhóm là các acid béo, các este trung tính của các acid béo và glycerol, các
phosphoglyceride, các lipid không chứa glycerol và cuối cùng là các lipid nối với các hợp
chất khác như protein hay carbohydrate.

2.3.1.3. Acid béo

Glycerol

Tri glyceride
Hình 2.5 : Cấu trúc phân tử glycerol và triglyceride

Các acid béo chủ yếu là các acid monocarboxylic nối với một chuỗi hydrocarbon
dài không phân nhánh, bão hòa hoặc có chứa một hay nhiều nối đôi. Trong đó các acid
béo bão hòa thường gặp nhất là các acid palmitic, C6H32O2 và acid stearic, C18H36O2. Các
acid béo không bão hòa hay có trong sinh vật là acid oleic, C18H34O2 có chứa một nối đôi,
acid linoleic, C18O32O2 có chứa 2 nối đôi.
Các sinh khối từ thực vật có chứa các chất như cellulose chiếm từ 40 - 50% khối
lượng, hemicellulose khoảng 20 - 40% và lignin. Ví dụ như trong bã mía chứa 40 - 50%
cellulose, 20 - 30% hemicellulose, 20 - 25% lignin và 1,5 - 3% tro. Các chất này cung
cấp nguồn carbon cho các sản phẩm nhiên liệu sinh học sau các quá tình chuyển hóa.
2.3.2. Phân loại sinh khối dựa trên nguồn gốc
Dựa trên nguồn gốc sinh khối, người ta phân ra là sinh khối từ các cây có dầu, từ
cây có tinh bột và đường, từ các chất thải nông nghiệp có chứa lignin và cellulose, từ vi
tảo sinh tổng hợp chất béo.
2.3.2.1. Các cây có dầu
Từ xa xưa con người đã biết dùng dầu thực vật để thấp đèn như dầu ô liu, dầu
phụng. Nhà phát minh động cơ nổi tiếng Rudolph Diesel cũng đã thiết kế mẫu động cơ
dùng dầu đậu phụng làm nhiên liệu là một hướng quan trọng. Các loại cây được chú ý
nhiều nhất là cây cọc rào (Jatropho curcas), cây cọ dầu, cây cải dầu (camelina), cây đậu
SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545

9



Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

nành… hàm lượng dầu của chúng có thể lên đến trên 40%, trong đó chủ yếu tập trung
vào dầu không ăn được như cây cọc rào để tránh làm ảnh hưởng đến việc thiếu hụt lương
thực trên thế giới.
a) Cây cọc rào (Jatropho curcas)
Cây cọc rào thuộc họ Euphorbiaceae, có nguồn gốc từ Trung, Nam Mỹ và vùng
biển Carribê và là cây dược liệu nổi tiếng của các vùng này. Cây có dạng thân bụi, sống
lưu niên, có thể cao tới 5m, nhưng trong sản xuất thường để chiều cao không quá 2m cho
tiện việc thu hái.

Hình 2.6: Chùm hoa, chùm quả và hạt cây cọc rào
Hoa ra gần như quanh năm nếu có tưới nước, nếu không chủ yếu trong mùa mưa.
Quả có 3 ngăn trong chứa hạt hình oval, màu đen, kích thước 2x1cm. Khi phơi khô quả
có thể lấy hạt ra dễ dàng (hình 2.6).
Cây cọc rào thường sinh trưởng và phát triển ở nơi có độ cao 0-500m trên mực
nước biển, trên các vùng đất xấu, đất cát khô hạn với lượng mưa từ 300 mm/năm trở lên.
Ninh Thuận là một trong những vùng đất cát khô hạn nhất ở Việt Nam có lượng mưa
trung bình 600 mm/năm, nơi đây ngay trong mùa khô cây vẫn xanh tốt, cho hoa và quả.
Qua điều tra thực tế ở Việt Nam cho thấy cây cọc rào mọc hoang dại trong tự nhiên ở độ
cao tới trên 1000m trên mực nước biển, chúng có mặt ở hầu hết các tỉnh. Có giống có
hàm lượng dầu đạt 40% như ở huyện Đức Trọng, tỉnh Lâm Đồng. Sự phong phú về mặt
phân bố này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với công tác bảo tồn nguồn gen cây cọc
rào cũng như việc tuyển chọn và tạo giống mới.
Cây cọc rào có thể nhân giống bằng hạt hoặc bằng hom cành. Đời sống kinh tế của
cây cây cọc rào có thể kéo dài từ 20-30 năm. Theo tài liệu thế giới, từ năm thứ 1-2 cây

cọc rào đã bắt đầu cho quả, năng xuất ổn định vào năm thứ 4-5. Năng suất hạt của cây
cọc rào cũng như bao cây trồng khác, phụ thuộc vào giống, lọai đất, mức độ đầu tư phân
bón và lượng nước tưới. Trên vùng đất xấu, ít được chăm sóc năng suất hạt của cây cọc
rào có thể đạt 4-5 tấn hạt /ha.năm và đạt 10-12 tấn hạt /ha.năm ở vùng đất tốt cùng với
sự đầu tư thích hợp. Hàm lượng dầu của hạt cây cọc rào khoảng 35 - 40% tuỳ theo giống.
Nếu chiết ép tốt, 3-3,5 kg hạt có thể cho 1 lít dầu thô. Dầu cọc rào không dùng làm thực
phẩm được nên càng phù hợp cho việc làm nhiên liệu. Bã ép dầu cọc rào có độc tính cao
nên không thể làm thức ăn gia súc. Mặc dù đã có nghiên cứu khử độc của bã ép nhưng
còn qui mô phòng thí nghiệm và khá phức tạp để có thể ứng dụng ở qui mô thương mại.
Các loại dầu có nguồn gốc từ thực vật thường có độ nhớt cao, hàm lượng chất bay hơi
thấp, chứa nhiều nối đôi nên không thể dùng trực tiếp cho động cơ mà phải qua quá trình
chế biến.
SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545

10


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

b) Cây cải dầu (Camelina sativa)
Cây cải dầu thuộc họ Brassicaceae là loại cây có hạt chứa dầu mọc ở Bắc Âu,
Trung Á và Bắc Mĩ, được trồng để lấy dầu thấp đèn từ thời cổ đại và dầu của nó dùng
làm thực phẩm. Dầu của cây camelina có chứa nhiều acid béo omega 3, hơn 50% acid
béo của nó là acid không bão hòa nhiều nối đôi. Các thành phần chính của nó là acid béo
omega 3 chiếm tỉ lệ 35 - 45 %, trong acid béo omega 6 là 15 - 20 %.
Hiện nay, dầu camelina đã được chế biến thành nhiên liệu phản lực (biojet) để

dùng cho máy bay phản lực thương mại và quân sự.

Hình 2.7: Cánh đồng cây cải dầu trồng để lấy dầu ở Đức
c) Cây cọ dầu

Hình 2.8: Rừng cọ ở Malaysia

SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545

11


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

Dầu cọ được chiết xuất chủ yếu từ trái của cây cọ dầu. Loại cây được trồng phổ
biến ở Đông Nam Á, Nam Mỹ và châu Phi. Trái cọ dầu có đa công dụng như làm thực
phẩm, thức ăn trong chăn nuôi, chế biến xà phòng và nhiên liệu sinh học.
Hiện nay, ước tính có 47 triệu tấn dầu cọ được sản xuất hằng năm, trong đó
Malaysia và Indonesia chiếm đến 85% sản lượng dầu cọ toàn cầu. Năm ngoái, Malaysia
có hơn 5 triệu ha trồng cọ dầu và sản xuất 18,9 triệu tấn dầu cọ thô.
Thật không may, các nhà hoạt động môi trường đang tranh cãi và lo ngại việc
Malaysia đốn hạ những khu rừng mưa để mở rộng diện tích trồng cọ dầu và điều này gây
ra mối đe dọa nghiêm trọng cho loài đười ươi hiện có nguy cơ tuyệt chủng.
d) Cây đậu nành
Đậu nành được xem là một trong những nguyên liệu linh hoạt nhất. Trong khi ngô
để chế tạo ethanol, đậu tương là nguyên liệu chính để sản xuất diesel sinh học. Để sản

xuất dầu diesel sinh học từ đậu nành, người ta cần lọc hết dầu của loại hạt này. Hàm
lượng dầu trong đậu tương khá cao, khoảng 20% thành phần hạt. Dầu sau khi lọc ra sẽ
được trộn với một loại chất xúc tác để loại bỏ glycerin. Số dầu còn lại có thể sử dụng trực
tiếp làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ. Dầu diesel sinh học cũng sạch hơn so với dầu
diesel thông thường, giảm thiểu được vấn đề khói bụi và ảnh hưởng sức khỏe.
Tại Hoa Kì, có đến 4 tỉ lít dầu diesel sinh học được sản suất trong năm 2011, gấp 3
lần so với năm 2010. Trong đó, có đến 90% tất cả các loại dầu thực vật được sản xuất từ
đậu nành.
Hạt đậu nành có thể được dùng làm nguồn thức ăn cho động vật và chế biến nước
uống cho con người. Ngoài ra, dầu đậu nành còn được tận dụng để phát triển ngành công
nghiệp sơn và mực in.
Là loại cây trồng giàu chất đạm, đậu này thường được trồng theo vụ mùa luân
phiên nhau với ngô, cũng được ưa chuộng để sản xuất ethanol sinh học.

Hình 2.9: Cánh đồng cây đậu nành tại Hoa Kì
2.3.2.2. Các cây chứa nhiều đường và tinh bột
Cây có đường chủ yếu là mía được dùng trong sản xuất đường. Từ đó người ta cho lên
men ethanol. Nước đi đầu trong lĩnh vực sản xuất ethanol từ mía là Brazil. Tinh bột chủ

SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545

12


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh


yếu từ các loại bắp và các loại củ như sắn, Hoa Kì đang dẫn đầu về sản xuất ethanol sinh
học từ ngô. Nước ta hiện đang xây nhà máy sản xuất ethanol sinh học từ sắn.
a) Ngô
Không chỉ là lương thực chính ở nhiều nước, ngô cũng là nguồn nguyên liệu tiềm
năng của nhiên liệu sinh học. Nhờ có hàm lượng đường cao để tạo ra ethanol, ngô chính
là nguồn gốc của lượng lớn ethanol sử dụng trong quá trình sản xuất nhiên liệu E85. Để
sản xuất được ethanol từ ngô, trước nhất nhà sản xuất phải tách ngô để lấy lignin và
xenlulozo có chứa hàm lượng đường cao. Ethanol tinh chế thường được thêm vào làm
phụ gia giảm khói. Tuy nhiên, ethanol cũng có thể được sử dụng làm nhiên liệu chính.

Hình 2.10: Ngô không chỉ là lương thực mà còn là nhiên liệu
Ở Hoa Kỳ, ethanol từ ngô thật sự là một nhiên liệu thay thế hiệu quả cho nhiên
liệu hóa thạch. Tuy nhiên, sử dụng ngô không phải là không có nhược điểm. Nhu cầu
thủy lợi sử dụng nguồn nước để trồng ngô của người dân ngày càng cao, nguy cơ tiềm
tàng tới nguồn nước sinh hoạt và sản xuất. Hơn nữa, nhiều nông dân đang chuyển từ
trồng cây lương thực sang để trồng ngô phục vụ sản xuất ethanol. Chính điều này, đã trở
thành gánh nặng cho ngành nông nghiệp. Bởi lẽ, trồng trọt không đáp ứng đủ nhu cầu
lương thực, giá thành của các loại lương thực có thể sẽ bị kéo lên cao theo thị trường
nhiên liệu.
b) Cây mía
Cây mía được trồng chủ yếu ở các vùng nhiệt đới, là nguồn nguyên liệu cung cấp
cho các nhà máy chế biến đường. Chưng cất loại nước đường từ cây mía tạo ra ethanol
sinh học, có thể cung cấp nhiên liệu cho xe. Không những thế, bã mía còn được đem đốt
để sản xuất điện sinh học. Brazil là nước xuất khẩu mía nhiều nhất thế giới. Tại quốc gia
này, sản xuất xăng dầu yêu cầu chứa ít nhất 22% lượng ethanol sinh học, hướng tới nước
này còn khuyến khích sử dụng điện sinh học nhiều hơn. Theo Hiệp hội công nghiệp mía
đường Brazil (UNICA), Brazil sản xuất trên 487 triệu tấn mía trong thời kỳ thu hoạch
năm 2007-2008 trên diện tích mía 7,8 triệu ha - chiếm khoảng 2% đất canh tác có sẵn của
cả nước.


SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545

13


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

Hình 2.11: Cây mía - một loại cây trồng cung cấp nhiên liệu sinh học hiệu quả
c) Sắn
Sắn là một loại nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất ethanol. Hiện nay, nông dân đã
trồng được rất nhiều giống sắn mới đạt tiêu chuẩn về cả năng suất và số lượng và có hàm
lượng tinh bột cao (hơn 25%). Diện tích đất trồng sắn đã được mở rộng trong những năm
gần đây do nhu cầu cao về sắn của các nhà máy tinh bột và các doanh nghiệp xuất khẩu
sắn lát khô. Thống kê của Cục Trồng trọt cho biết, năm 2009 sản lượng sắn nước ta đạt
gần 9,5 triệu tấn. Trong đó, 90% xuất khẩu sang Trung Quốc, 5,5% xuất khẩu sang Ðài
Loan dưới dạng sắn lát khô và phần còn lại cung cấp cho hơn 300 nhà máy chế biến tinh
bột trong nước.Trồng sắn vì những mục tiêu khác được khuyến khích mở rộng trên diện
tích đất trồng hiện tại. Năng suất hiện tại ở Việt Nam chỉ 16 tấn/ha, thấp hơn hẳn so với
các nước khác (hơn 50 tấn/ha). Nếu Việt Nam sử dụng các loại phân bón phù hợp, tưới
tiêu chủ động và chọn lọc cho đất canh tác thì sản lượng sắn có thể tăng gấp đôi.

Hình 2.12: Không chỉ là cây lương thực quan trọng, sắn còn được sử dụng làm nguyên
liệu chính để sản xuất nhiên liệu sinh học
SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545


14


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

2.3.2.3. Các lignocellulose
Vách tế bào thực vật có cấu trúc phức tạp từ nhiều chất khác nhau và đảm nhận
nhiều chức năng. Các chất chính trong vách tế bào thực vật là cellulose, hemicellulose
(như xyloglucan, arabinoxylan, glucomannan), pectin (như homogalacturonan,
rhamnogalacturonan I và II, xylogalacturonan), lignin và proteoglycan (như
arabingalactan-protein, extensin và protein giàu prolin). Phần lớn khối lượng của vách tế
bào là cellulose và hemicellulose. Tiếp theo là lignin, một polyme vòng thơm phức tạp,
cấu tạo bởi các khối phenylpropane, lignin đống vai trò quan trọng trong việc làm vững
chắc vách tế bào do nó tạo liên kết ngang với các polysaccharide khác và do đó tạo nên
cấu trúc vững chắc của cả cây, nó cũng giúp giữ ẩm và bảo vệ cây. Tuy nhiên lignin là
chất cản trở quá trình chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu sinh học do nó ức chế các
enzyme thủy phân các polysaccharide và trong quá trình phân hủy nó giải phóng các chất
độc ức chế sự phát triển của các vi sinh vật thủy phân các chất phân giải từ vách tế bào
thành ethanol. Do đó, trong quá trình lên men cần tách lignin. Cấu trúc các
polysaccharide gồm cellulose, hemicellulose và lignin gọi chung là lignocellulose. Vì là
thành phần chính của vách tế bào thực vật, có thể hình dung nguồn lợi to lớn của sinh
khối từ chất này. Rơm rạ, thân cây ngô, thân cây của các loại lương thực khác sau khi thu
hoạch là một con số khổng lồ, ước tính khoảng 1,3 tỉ tấn.
Bảng 2.1: Hàm lượng cellulose và hemicellulose và lignin trong
một số nguồn sinh khối (tính theo % khối lượng thô)
(a.Sannigrahi 2010, b.Biofuels joint Road map 2006)
Nguồn sinh khối

Cellulose
Hemicellulose
Lignin
Thân cây ngô (a)
Vỏ trấu lúa mì (b)
Vỏ trấu lúa gạo (b)

37,12
38,2
34,2

24,18
24,7
24,5

18,20
23,4
23,4

Cỏ switchgrass (a)

33,75

27,4

16,8

Cây dương (a)
48,95
21,7

23,25
Năng suất của các cây trên rất cao. Cây dương cho năng suất 14 tấn khô/ha.năm,
cỏ swichgrass cũng đạt 14 tấn/ha.năm, bắp 8,4 tấn/ha.năm và trấu lúa mì là 6 tấn/ha.năm.
Trong những cây trên cây dương cho năng suất cũng như hàm lượng cellulose lớn nhất.
Cây dương thuộc họ Populus có khoảng 25 đến 35 loài phân bố ở bắc bán cầu. Người ta
cho lai tạo để tạo ra giống lai có năng suất cao để làm nguyên liệu cho nhiên liệu sinh
học, giấy cũng như các chế phẩm hóa học khác. Các giống cây dương ở Bắc Mĩ cao đến
26 m, đường kính lên tới 90 cm.
Do lignin ảnh hưởng không tốt đến quá trình lên men sinh khối thành ethanol, một
trong các hướng nghiên cứu hiện nay là can thiệp vào gen di truyền để tạo ra giống cây
mới có hàm lượng lignin thấp hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho công nghệ chế biến sau
này.

SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545

15


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

Cây dương

Cỏ swichgrass

Hình 2.13: Cỏ swichgrass và cây dương dùng làm nguyên liệu
cho sản xuất nhiên liệu sinh học

2.3.2.4. Các chất thải phân hủy sinh học từ nông nghiệp thực phẩm, rong biển lớn
Trong chất thải từ sinh hoạt hay nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm có chứa một
lượng lớn chất hữu cơ có nguồn gốc từ động thực vật như carbohydrate, protein, chất béo,
cellulose. Các chất này là nguồn sinh khối quan trọng trong quá trình lên men kị khí để
thu hồi khí đốt có nguồn gốc sinh học gọi là khí sinh học dùng cho đun nấu trong gia
đình, cung cấp nhiệt cho lò hơi, xe.
2.3.2.5. Các vi tảo và vi khuẩn quang tổng hợp
Vi tảo là các vi sinh vật quang tổng hợp prokaryotic (chưa có nhân hoàn chỉnh,
còn gọi là nhân sơ) hoặc eukaryotic (có nhân hoàn chỉnh) có thể phát triển nhanh chóng
và sống trong môi trường khắc nghiệt do chúng thuộc loại đơn bào hay đa bào đơn giản.
Ví dụ về vi sinh vật đơn bào prokaryotic là cyanobacteria (thuộc họ Cyanophyceae) hay
vi tảo eukaryotic là tảo xanh (Chlorophyta) và tảo cát (Bacillariophyta). Vi tảo có mặt
trong tất cả các hệ sinh thái, trong nước và đất, có tính đa dạng rất lớn và sống trong một
dải rộng các điều kiện môi trường. Người ta ước tính có hơn 50000 loài vi tảo tồn tại chỉ
nghiên cứu khoảng 30000, vi tảo sinh sôi bằng cách quang hợp, sử dụng năng lượng mặt
trời để tổng hợp các hợp chất và hoàn thành một chu kì sống trong vài ngày. Chúng thể
phát triển bất kì chỗ nào có ánh nắng và một vài chất dinh dưỡng đơn giản.
Vi tảo có thể phát triển với tốc độ rất nhanh và có năng suất cao hơn hẳn so với
cây rừng, cây nông nghiệp và các cây thủy sinh khác. Nó có thể tăng gắp đôi lượng sinh
khối sau 24 giờ hay trong trường hợp đặc biệt có thể chỉ sau 3,5 giờ. Nó cần ít đất hơn
các loại cây dùng làm nhiên liệu sinh học khác, chẳng hạn so với đậu nành, vi tảo cần ít
đất hơn 132 lần. Vi tảo có thể dùng làm nguyên liệu cho nhiều nhiên liệu sinh học khác
nhau như biodiesel, methane, hydrogen, ethanol. Biodiesel từ tảo có hiệu suất ngang với
diesel từ dầu mỏ nhưng lại ít thải khí CO, hydrocarbon và SO x.
Khi sử dụng vi tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học, vi tảo có tác dụng:
SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545

16



Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

- Hấp thụ khí CO2 từ ống khói bằng kĩ thuật cố định sinh học vi tảo, qua đó làm
giảm phát khí thải gây hiệu ứng nhà kính khi sản xuất biodiesel.
- Xử lí nước thải vì vi tảo hấp thu NH4+,NO-3 , PO43-, nên nước thải chính nguồn
dinh dưỡng cho vi tảo.
- Vi tảo sau khi tách chất béo, phần bã còn lại có thể sản xuất ethanol, methane,
thức ăn gia súc, phân bón do có tỉ lệ nitrogen và photpho cao, hay đơn giản có thể dùng
để đốt.
- Do vi tảo có thể sinh sống ở nơi có điều kiện khắc nghiệt nên việc nuôi trồng
không bị cạnh tranh với đất nông nghiệp.
- Tùy theo loại vi tảo sử dụng, có thể thu được nhiều chất khác nhau như acid béo
không bão hòa nhiều nối đôi, chất nhuộm, đường, chất oxy hóa, các chất có hoạt tính sinh
học và các hóa chất khác.
- Do chứa nhiều hợp chất hóa trị, vi tảo có thể dùng nhều cho ngành công nghiệp
như nhiên liệu sinh học, mĩ phẩm, thuốc, chất dinh dưỡng và phụ gia, nuôi trồng thủy sản
và bảo vệ môi trường.

Hình 2.14: Tế bào vi tảo lục dùng trong sản xuất nhiên liệu sinh học
Vi tảo có thể tích tụ một lượng lớn lipid, biến động từ 1-70% và trong một số điều
kiện đặc biệt có thể đến 90% khối lượng khô.

2.4. SỰ CHUYỂN HÓA VÀ SẢN PHẨM NGUYÊN LIỆU
2.4.1. Quá trình đốt cháy
Trước cách mạng công nghiệp ở châu Âu người ta dùng chủ yếu là củi và than bùn
làm chất đốt để nấu ăn và sưởi ấm. Sau đó ở nửa sau thế kỷ 18, người ta dùng than đá để

đốt trong lò hơi và phát điện. Hiện nay dầu mỏ và khí thiên nhiên được làm khí đốt chính
nhưng trong tương lai không xa dầu mỏ và khí thiên nhiên cạn dần, than lại được dùng
trở lại cùng với các phế liệu gỗ và cây nông nghiệp sau thu hoạch.
Quá trình cháy là sự oxy hóa. Trong cơ thể các chất carbohydrate, protein và chất
béo được oxy hóa để sinh năng lượng. Phân tử glucose trong cơ thể được oxy hóa theo
phương trình:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Q
Phản ứng tỏa ra nhiệt lượng Q = 2803 kJ/kmol

SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545

17


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

Trong cơ thể phản này xảy ra chậm và có điều khiển. Nhưng khi đốt cháy glucose
bên ngoài không khí, cần có nhiệt độ cao và giải phóng năng lượng nhanh chóng. Nhưng
nhiệt lượng cả hai quá trình bên trong và bên ngoài cơ thể đốt cháy là bằng nhau.
Khi đốt cháy sinh khối, nó tỏa ra năng lượng theo phương trình ngược với khi
quang hợp là oxy hóa tạo ra hơi nước, khí carbonic và năng lượng. Các loại sinh khối từ
thực vật có nhiệt trị khá gần nhau như bảng dưới đây.
Bảng 2.2: Nhiệt trị của một số sinh khối từ phế liệu nông nghiệp (Saxena, 2007)
Sinh khối
Sản lượng
Nhiệt trị

(tấn/ha)
(MJ/kg khô)
Trấu từ lúa mì
2,97
17,9
Trấu từ lúa gạo
4,25
16,8
Cành cây Almond
6,21
18,4
Hạt quả ô liu
64
18,9
Theo công trình của Phạm Thị Mai Thảo (Pham và cộng sự 2011, 2012), trấu có
nhiệt trị thay đổi và nằm trong khoảng từ 13 - 16 MJ/kg. Khi đốt cháy, một kg trấu sinh
ra 0,1 kg CO2 tương đương, thấp hơn các nhiên liệu khác như khí hóa lỏng phát thải 3,2
kg và than là 2,16 kg CO2 tương đương. Vùng trồng lúa nhiều nhất trên thế giới là châu
Á. Lượng trấu tại vùng này ước lượng khảng 110 Tg/năm. Như vậy tiềm năng về năng
lượng của trấu là rất lớn.
Nhiệt sinh ra từ quá trình đốt cháy dùng cho quá trình chế biến các sản phẩm nông
nghiệp như nấu, sấy khô, cung cấp cho lò hơi, các nhà máy sản xuất đường từ mía thường
sử dụng bã mía làm nhiên liệu đốt lò hơi, các lò hơi này có thể được thiết kế khá hiện đại
và nối với hệ thống turbine phát điện dùng cho nhà máy. Hơi sau khi đi qua turbine vẫn
còn nhiệt lượng lớn có thể dẫn đến các thiết bị sử dụng nhiệt khác. Tương tự ở các nhà
máy chế biến hạt điều, vỏ hạt thường dùng để đốt lò hơi phục vụ cho việc rang và sấy hạt.
Ở nước ta, sản xuất gạo đã tạo ra nguồn sinh khối khổng lồ từ vỏ trấu. Chỉ riêng đồng
bằng song Cửu Long, sản xuất lúa khoảng 21 triệu tấn/năm. Lượng trấu chiếm khoảng
20%, ước chừng khoảng 4 triệu tấn. Nếu nhân cho nhiệt trị 16,8 MJ/kg, lượng nhiệt thu
được từ trấu sẽ là 67,2 GJ. Từ lâu nhân dân ta đã dùng rơm rạ và vỏ trấu làm nguồn chất

đốt không mất tiền và lấy tro bón cây. Nguồn sinh khối này nếu biết tận dụng có thể là
nguồn năng lượng ổn định và quan trọng.
2.4.2. Quá trình chuyển vị este (Transesterification)
Quá trình chuyển vị este là quá trình rất phổ biến trong công nghiệp chế biến dầu
thực vật thành diesel sinh học. Quá trình này còn được gọi là phân li bằng alcohol. Qúa
trình chuyển vị este là phản ứng xảy ra giữa một chất béo (triglyceride) với một alcohol
tạo thành các este alkyl, este methyl, este ethyl và glycerol. Quá trình này thường được
tiến hành trong công nghiệp bằng cách đun nóng trong điều kiện có dư alcohol và xúc tác
vô cơ. Phản ứng này là thuận nghịch do đó người ta cần cho dư alcohol và xúc tác vô cơ
để phản ứng xảy ra theo chiều thuận về phía tạo ra các sản phẩm mong muốn. Alcohol
được dùng có thể là methanol, ethanol, propanol, butanol và amyl alcohol. Chất xúc tác
có nhiều loại nhưng chủ yếu là xúc tác kiềm như NaOH, KOH.
Sau phản ứng, các sản phẩm thu được là hỗn hợp các este, glycerol, alcohol, các
chất xúc tác và các tri-, di- và monoglyceride. Trong quá trình phân li tiếp theo sản phẩm
chính là các este sẽ được tách ra. Quá trình này tạo ra dầu biodiesel có độ nhớt thấp và
chỉ số cetan được cải thiện.

SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545

18


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh
Alcohol
+ xúc tác


Dầu

Hơi nước
acid

este

glycerine

Hình 2.15: Bình phản ứng liên tục chuyển vị este dầu thực vật
2.4.3. Lên men ethanol
Quá trình lên men ethanol là quá trình sinh học được biết đến từ rất xa xưa. Nó tạo
ra ethanol do thủy phân tinh bột và đường có trong thực phẩm như trái cây, ngũ cốc. Sự
thủy phân cũng xảy ra đối với cellulose và lignocellulose để thu được các đường đơn.
Quá trình này xảy ra hai giai đoạn, giai đoạn thứ nhất thủy phân tinh bột hoặc cellulose
thành các đường đơn, giai đoạn hai thủy phân đường đơn thành alcohol như ethanol và
butanol.
2.4.3.1. Sự thủy phân tinh bột
Tinh bột là một polysaccharide gồm có hai thành phần là amylose và amylopectin.
Cả hai thành phần đó đều có cấu tạo liên kết alpha của các phân tử glucose nhưng khác
nhau ở các liên kết giữa các đường đơn. Tinh bột từ các nguồn khác nhau sẽ có tỉ lệ giữa
amylose và amylopectin khác nhau. Công thức hóa học chung của tinh bột là (C 6H12O5)n.
Dưới tác dụng của enzyme α-amylase, tinh bột sẽ bị thủy phân thành các maltose là một
disaccharide gồm hai gốc đường glucose, tiếp theo enzyme gluco-amylase sẽ thủy phân
đường maltose thành đường glucose.
2.4.3.2. Sự thủy phân cellulose
Nếu như sự thủy phân tinh bột thành đường có vẻ dễ dàng thì sự thủy phân
cellulose và lignocellulose khó khăn hơn. Cellulose cũng có cấu tạo từ các đường glucose
SVTH: Giang Tấn Linh


MSSV: 1117545

19


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

nhưng theo liên kết β, liên kết này có độ bền lớn hơn và khó bẻ gãy hơn liên kết α. Ngoài
cellulose, trong các thân cây còn chứa hemicellulose và lignin. Hemicellulose là
polysaccharide cấu tạo từ các đường pentose (có 5 nguyên tử carbon trong mạch) như
xylose và arabinose. Lignin cũng là một polyme nhưng có cấu trúc phức tạp hơn tinh bột
và cellulose rất nhiều. Hiện nay người ta vẫn chưa xác định được cấu trúc phân tử của
lignin. Lignin có mặt trong vách tế bào và có liên kết cộng hóa trị với hemicellulose. Cấu
trúc phức tạp bao gồm cellulose, hemicellulose, và lignin gọi chung là lignocellulose. Do
đó việc thủy phân cellulose sẽ phức tạp hơn tinh bột rất nhiều.
2.4.3.3. Lên men glucose thành ethanol
Sau khi thủy phân tinh bột thành đường glucose, bước tiếp theo người ta dùng nấm
men saccharomyces cerevisiae lên men thành đường ethanol. Đây là quá trình lên men
yếm khí và sinh ra ethanol cùng với khí carbonic. Quá trình xảy ra như sau:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
Đối với sản phẩm thủy phân cellulose và hemicellulose, ngoài các đường đơn 6
carbon (hexose) còn có đường đơn 5 carbon (pentose). Do đó sự chuyển hóa cần có các
enzyme khác.
2.4.4. Khí hóa
Quá trình khí hóa là quá trình oxy hóa không hoàn toàn sinh khối ở nhiệt độ cao từ
1100 -1300oC bằng hơi nước và không khí với tỉ lệ thích hợp, sản phẩm thu được là khí
CO, H2 và một số khí khác như CO2, methane và các hợp chất có mạch carbon dài hơn.
Khí tổng hợp qua quá trình nhiệt hóa như vậy gọi là khí tổng hợp hay syngas. Khí này có

thể cung cấp cho các turbine chu kỳ liên hợp (combined cycle gas turbine - CCGT) hoặc
các kĩ thuật chuyển đổi khác nhưng các nhà máy nhiệt chạy than.
Quá trình khí hóa xảy ra
theo ba giai đoạn ở ba khu vực
liên tiếp trong lò phản ứng. Đầu
tiên sinh khối bị đốt cháy tạo ra
khí carbonic và tỏa nhiệt. Nhiệt
lượng sinh ra cung cấp cho quá
trình tiếp theo là quá trình hoàn
nguyên, tại đó, khí carbonic và
hơi nước tiếp xúc với carbon
nóng đỏ tạo ra khí CO và H2.
Nhiệt lượng sinh ra từ quá trình
trước đó sẽ sấy khô sinh khối ở
khu vực tiếp theo và làm thoát ra
chất bay hơi, còn gọi là chất bốc
(volatile matter). Sinh khối còn
lại carbon, khí thu được cần qua
quá trình làm sạch trước khi
dùng cho các phản ứng khác.

Hình 4.16: Quá trình khí hóa

SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545

20



Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

Nhiều chuyên gia hy vọng rằng khí hóa sinh khối sẽ có hiệu suất cao hơn nhà máy
điện sinh khối thông thường. Tuy nhiên, cho đến nay, quá trình khí hóa vẫn chưa được
ứng dụng rộng rãi trong thực tế mà chỉ vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm kĩ thuật. Các lò
chuyển đổi sinh khối rắn thành khí đốt nóng sinh khối ở một môi trường mà tại đó sinh
khối rắn phân hủy chuyển thành khí dễ cháy. Quá trình này có thuận lợi hơn so với việc
đốt trực tiếp. Khí sinh học có thể được làm sạch và lọc để phân loại và tách các hợp chất
hóa học có thể có hại. Sản phẩm khí có thể được dùng ở các máy phát điện hiệu suất cao
như liên hợp turbine khí và hơi để sản xuất điện năng. Hiệu suất của những hệ thống
dạng này có thể lên đến 60%.
2.4.5. Quá trình tổng hợp Fischer-Tropsch (tổng hợp FT)
Quá trình này được phát triển vào năm 1927 do hai nhà khoa học làm việc tại viện
nghiên cứu tha Kraiser-Wilhelm (Đức) và được áp dụng vào công nghiệp trong thập niên
1940, nước Đức đã sản xuất mỗi năm khoảng 600.000 tấn nhiên liệu lỏng từ than.
Đó là quá trình phản ứng tổng hợp có xúc tác giữa khí CO và hydrogen trong
syngas thành các hydrocarbon dạng lỏng theo phương trình hóa học sau:
Cobalt, 260oC

(2n+1)H2 + nCO

CnH(2n+2) + nH2O

Sau phản ứng ta thu được một hỗn hợp của các hydrocarbon có trong xăng, từ C 8C11 và các hydrocarbon có trong dầu diesel, từ C11-C21 với hydrocarbon trung bình C16C34.
Thực hiện quá trình trên như sau: đầu tiên sinh khối khô được khí hóa ở nhiệt độ
từ 900-1300oC với sự có mặt của hơi nước và khí oxygen, tro được tháo ra và khí tạo
thành được mang đi làm sạch các hợp chất chứa lưu huỳnh. Sau đó tỉ lệ CO và H2 được
điều chình đến 1:2 (bằng phản ứng gọi là phản ứng dịch chuyển nước). Khí sạch với tỉ lệ

thích hợp giữa CO và H2 được dẫn vào bình phản ứng FT với xúc tác cobalt và tạo thành
một hỗn hợp các hydrocarbon có chiều dài mạch trải rộng từ CH4 đến sáp. Hàm lượng
dầu diesel thu được nhiều nhất là 30% tổng sản phẩm. phản ứng xảy ra ở nhiệt độ 260 oC
và áp suất là 15-40 bar. Trong công nghiệp, đây là một quá trình phức tạp và khi công
suất càng lớn , giá thành sản xuất càng giảm đi.

SVTH: Giang Tấn Linh

MSSV: 1117545

21