Giới thiệu sơ lược về đậu nành
Đậu nành là loài cây họ Đậu thích nghi với khí hậu mát có nguồn gốc từ Đông Nam Á, được thuần hóa lần đầu tại Trung Quốc vào thế kỷ 11 trước công nguyên. Đậu nành được trồng đầu tiên tại Hoa Kỳ vào năm 1765, rồi phát triển sang vành đai bắp (Corn Belt) vào giữa thập niên 1800, sau đó trở thành những trang trại lớn vào thập niên 1920 khi mà đậu nành trở thành nguồn thức ăn chính trong công nghiệp chăn nuôi. Hoa Kỳ khai thác dầu đậu nành công nghiệp để làm nhiên liệu sinh học kể từ thập niên 1940 (Gibson và Benson, 2005).
Đậu nành và loài cây họ Đậu khác có một một tương quan độc đáo là cộng sinh với vi khuẩn Bradyrhizobium spp., khuẩn này sống ở vùng rễ của cây đậu, hình thành nên nốt sần. Hai loài vi khuẩn hình thành nên sự kiện quan hệ có tính chất cộng sinh mà trong mối quan hệ đó, cây đậu nành cung cấp dinh dưỡng cho vi khuẩn; vi khuẩn cố định đạm khí quyển cho đậu nành. Quan hệ cộng sinh như vậy giúp người ta giảm bớt liều lượng phân đạm bón cho đậu nành.
Hình ảnh về hạt đậu nành
Hàm lượng dầu đậu nành khoảng 18% đến 20% so với loài cây trồng lấy dầu khác là canola (40%), hướng dương (43%) (Berglund et al., 2007; National Sunflower Association 2009). Đậu nành hạt có khối lượng khoảng 48 pounds trên một bushel, bánh dầu đậu nành là nguồn vật liệu chính được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi và làm thức ăn cho người.
Tiềm năng sử dụng làm nhiên liệu sinh học cho ngành Hàng không
Dầu đậu nành hiện là nguồn nguyên liệu chính làm thức ăn gia súc và sản xuất ra nhiên liệu sinh học NBB (production of biodiesel). Phương pháp thông dụng trong sản sinh ra nhiên liệu sinh học là tạo ra phản ứng của dầu thực vật hoặc mỡ động vật với methanol hoặc ethanol trong sự hiện diện của sodium hydroxide (hoạt động như một chất xúc tác). Phản ứng ester hóa theo kiểu “trans” sẽ làm ra methyl hoặc ethyl esters (biodiesel) và phụ phẩm của glycerin.
Nhiên liệu sinh học không tự làm cho dầu thực vật bị cháy trong máy diesel. Nhiều nghiên cứu trong khoảng giữa những năm 1980 và 2000 cho thấy sử dụng trực tiếp dầu thực vật, kể cả dầu đậu nành đã gây ra hiện tượng “carbon deposits” (lắng động carbon) và làm cho máy chạy diesel chóng hỏng hóc (Jones và Peterson 2002).
Các nhà khoa học thuộc Cơ quan Nghiên cứu Nông nghiệp USDA ở Peoria (ARS), đã phát triển một phương pháp sản xuất nhiên liệu sinh học cho máy bay tốt hơn từ dầu đậu nành.
Axit béo từ dầu đậu nành có thể được biến thành nhiều sản phẩm công nghiệp mà trước đây nó thường được làm từ dầu mỏ, bao gồm nhiên liệu, mực in và sơn. Điều quan trọng của sản phẩm làm từ thực vật là chúng giảm đáng kể lượng khí thải nhà kín như carbon dioxide có trong khí quyển. Điều này làm cho thực vật trở thành một nguồn tài nguyên tái tạo được quan tâm nhiều hơn so với dầu mỏ và các nhiên liệu hóa thạch khác đã thải lượng lớn khí carbon vào khí quyển suốt quá trình chúng được khai thác từ trái đất và sử dụng.
Nhiên liệu sinh học từ dầu đậu nành
Tuy nhiên, nhiên liệu cho cho ngành hàng không được làm từ dầu đậu nành được phát triển cho đến nay không chứa đủ lượng hợp chất “thơm” để giống như nhiên liệu khoáng để giúp cho động cơ phản lực bền bỉ và hoạt động tốt. Sự thiếu hụt hiện tại về mức độ thơm trong nhiên liệu máy bay được làm từ dầu đậu nành dẫn đến khả năng ít có thể được pha trộn với nhiên liệu máy bay khoáng thông thường có nguồn gốc từ dầu mỏ hiện nay.
Hỗn hợp sử dụng nhiên liệu sinh học là một trong những cách mà ngành hàng không đang nghiên cứu để giảm “lượng khí thải carbon” hay tổng lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, đặc biệt là carbon dioxide.
Một cách tiếp cận để sản xuất nhiên liệu máy bay từ dầu đậu nành là dựa vào việc sử dụng một kim loại quý gọi là ruthenium để xúc tác các phản ứng làm thay đổi cấu trúc và tính chất hóa học của các axit béo không bão hòa trong dầu. Vấn đề với phương pháp này là nó tạo ra quá ít hợp chất thơm.
Để giải quyết vấn đề, các nhà khoa học ARS đã thay thế ruthenium bằng iridium làm chất xúc tác chính trong một quy trình sáu bước mà họ đã nghĩ ra và nhận được bằng sáng chế.
Trong các thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm, việc sử dụng phương pháp tiếp cận này đối với dầu đậu nành có hàm lượng axit oleic cao đã tạo ra các công thức nhiên liệu phản lực có chứa 8 đến 35% chất thơm — một phạm vi tương thích với nhiên liệu phản lực thông thường và vượt xa những gì mà các phương pháp dựa trên ruthenium có thể đạt được. Tiến độ thí nghiệm khả quan của thí nghiệm này và đã báo cáo gần đây trong một ấn bản trực tuyến của Tạp chí Kỹ thuật Bền vững Quốc tế, mở ra cánh cửa cho việc tăng cường pha trộn giữa nhiên liệu phản lực sinh học và thông thường như một biện pháp cắt giảm khí thải. Phương pháp này cũng tạo ra ít hoặc không tạo ra naphthalene, một thành phần nhiên liệu phản lực phát ra muội than khi đốt cháy.
Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm kiếm một đối tác trong ngành để mở rộng quy trình và đánh giá tiềm năng thương mại của nó hơn nữa. Nghiên cứu của họ cũng hỗ trợ một nỗ lực rộng lớn hơn tại trung tâm ARS ở Peoria nhằm phát triển các mục đích sử dụng mới, có giá trị gia tăng cho các mặt hàng nông nghiệp hoặc các sản phẩm phụ từ chất thải của chúng, cũng như tạo ra các phương pháp mới bền vững để sản xuất.
Ngày nay, các loại dầu thực vật khác như dầu cọ, dầu dừa, dầu hạt cải, dầu hướng dương… kể cả phụ phẩm không ăn được và chất thải từ nhà sản xuất của chúng được dùng để sản xuất dầu diesel sinh học. Các loại cây trồng khác có hàm lượng axit oleic cao đang được nghiên cứu, thử nghiệm để tạo ra năng lượng tái tạo xanh hơn và sạch hơn trong tương lai.