Một bushel đậu nành đạt 1,5 gallons (5,68 L) dầu diesel sinh học (biodiesel). [University of Connecticut].

Nguồn tư liệu của Đại Học Connecticut, Hoa Kỳ.

ĐẬU NÀNH LÀM NHIÊN LIỆU SINH HỌC

Giới thiệu chung

Diện tích trồng đậu nành lớn hơn gấp nhiều lần các loài cây cho dầu khác trên thế giới.

Sản lượng dầu đậu nành và khả năng dự trữ dưới dạng “nhiên liệu sinh học” đã được người ta thảo luận rất nhiều (biofuel feedstock).

Đậu nành (Glycine max) là cây trồng chính với diện tích lớn ở Bắc Mỹ, Nam Mỹ, và châu Á. Hoa kỳ có diện tích trồng đậu nành lớn nhất thế giới, sản lượng đậu nành của họ chiếm 32% tổng sản lượng toàn cầu, theo sáu đó là Brazil (28%).

Đậu nành có nguồn gốc ở Đông Nam Á, được thuần hóa lần đầu tiên vào thế kỷ 11 trước công nguyên tại Trung Quốc. Đậu nành được trồng đầu tiên tại Hoa Kỳ vào năm 1765, rồi phát triển sang vành đai bắp (Corn Belt) vào giữa thập niên1800, sau đó trở thành những trang trại lớn vào thập niên 1920, khi đậu nành trở thành nguồn thức ăn chính trong công nghiệp chăn nuôi. Hoa kỲ khai thác dầu đậu nành công nghiệp kể từ thập niên 1940 (Gibson và Benson, 2005).

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

Dầu đậu nành hiện là nguồn nguyên liệu chính làm thức ăn gia súc để 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 được 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, đề gây ra hiện tượng “carbon deposits” (lắng động carbon) và làm cho máy chạy diesel chóng hỏng hóc (Jones và Peterson 2002).

Sử dụng biodiesel trong máy chạy dầu diesel không có những ảnh hưởng tiêu cực nhu vậy. Sử dụng dầu đậu nành làm biodiesel chịu ảnh hưởng cực kỳ to lớn bởi hoạt động xúc tiến thương mại của Hoa Kỳ từ nông dân Mỹ, thông qua Hội Đồng Đậu Nành Thống nhất (United Soybean Board: USB) và sáng kiến ngay sau đó của NBB (National Biodiesel Board: hội đồng quốc gia về nhiên liệu sinh học).

Sinh học và Thích ứng

Đậu nành là loài cây họ Đậu thích nghi với khí hậu mát. Đậu nành thích nghi từ nam đến bắc Hoa Kỳ,  nhiều nhất là một nửa phần ở phía đông nước Mỹ.

Đậu nành và loài cây họ Đậu khác có một một tương quan độc đáo là cộng sinh với vi khuẩn Bradyrhizobium spp., sống ở vùng rễ 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.

Hoa đậu nành trổ là kết quản phản ứng với độ dài ngày và nhiệt độ. Giống đậu nành được trồng tại Mỹ có 13 nhóm được phân ra theo thời kỳ chín hạt khác nhau. Nhóm 000 (maturity group 000) là nhóm chín sớm nhất thích nghi với miền đông Minnesota và miền nam Canada. Nhóm muộn nhất là nhóm X (maturity group X), thích nghi với miền nam Hoa Kỳ và miền nam Texas. Nhóm chín sớm trổ bông khi ngày dài và đêm ngắn. Nhóm chín muộn trổ bông vào lúc ngày ngắn đêm dài. Những ngày mùa hè dài hơn ở vĩ độ Bắc, khi đó, giống chín sớm sẽ bắt đầu trổ bông lúc ngày dài hơn. Nhóm có thời gian trổ khác nhau, phát triển khác nhau, tập tính trổ bông của giống là tính trạng giúp người ta quản lý mùa vụ hợp lý (Waitrak et al., 2010).

Xem “Soybean Maturity Zones Map”: https://netfiles.uiuc.edu/tjw/www/scn_map.htm

Sản xuất đậu nành và tính trạng nông học cần thiết

Đậu nành vùng Thượng Midwest được trồng từ tháng Tư đến tháng Sáu, thu hoạch vào tháng Chín đến tháng Mười Một.

Đậu nành trồng trên đất giống như canh tác bắp tại Hoa Kỳ. Trong nhiều trường hợp, người ta luân canh đậu nành với bắp, lúa mì để quản lý sâu bệnh hại, cỏ dại và cắt chu trình sinh học của bệnh.

Yêu cầu dinh dưỡng cho đậu nành thấp hơn loài cây trồng khác trong hệ thống luân canh này. Yêu cầu phải bón nitrogen, phosphorous, và potassium. Hầu hết nitrogen được vi khuẩn cộng sinh cung cấp rồi, nên không cần thiết phải bón nhiều. pH đất 5.5 - 7.0 sẽ tăng cường sự hữu hiệu của hấp thu dinh dưỡng và tăng trưởng cây đậu nành (Ferguson et al., 2006).

Quản lý cỏ dại rất cần thiết để đạt năng suất tối hảo. Người ta hiện sử dụng hạt giống đậu nành từ giống biến đổi gen kháng thuốc cỏ để kiểm soát cỏ dại. Hiện nay tại Hoa Kỳ, hơn 90% giống đậu nành trong sản xuất đại trà là giống kháng thuốc cỏ (USDA ERS, 2009).

Sâu bệnh hại đậu nành xuất hiện tại vùng sản xuất Thượng Midwest. Đối tượng gây hại nặng nề nhất là tuyến trùng sưng rễ (cyst nematode), phát sinh và lan truyền từ đất làm tổn thưởng bộ rễ cây đậu nành (Chen et al., 2001). Côn trùng gây hại là: bọ ăn lá (leaf beetle), rầy mềm (soybean aphid), sâu xanh (green clover worm), và nhện đỏ (spider mites).

Thời kỳ thu hoạch đậu nành xảy ra khi 95% lá úa vàng và thủy phần hạt đạt 12% - 18% ẩm độ.

Tiềm năng năng suất nhiên liệu sinh học (Biofuel Yields)

Sản lượng đậu nành của Mỹ năm 2009 là 3,4 tỷ bushels; diện tích đậu nành 77,4 triệu acres. Năng suất trung bình trên acre là 44 bushels (National Agricultural Statistics Service). Một đậu nành có thể cho ra 1,5 gallons dầu diesel sinh học (NBB). Nếu tất cả đậu nành của Mỹ được sử dụng làm nhiên liệu sinh học, chúng ta sẽ có 5,1 tỷ gallons nhiên liệu sinh học. Tuy nhiên, không ai dám đề xuất và không thực tế.

Năm 2009, sản lượng biodiesel đạt 700 triệu gallons với khả năng sản xuất 1,83 tỷ gallons (Biodiesel Magazine, 2008). Trên cơ sở năng suất trung bình đạt 44 bushels / acre, mỗi acre đậu nành có thể đạt 66 gallons nhiên liệu sinh học, so với 69 gallons nếu trồng canola (1.300-lb / acre), 84 gallons nếu trồng hướng dương và hơn 600 gallons nếu trồng cọ dầu (Hill et al., 2006 and SDSU, 2008).

Thách thức

Cả hai loài cây trồng đậu nành và bắp có lịc sử phát triển rất dài tại miền Thượng Midwest (upper Midwest). Quá trình lâu dài như vậy đã hình thành nên một kiến trúc liên hoàn về trang thiết bị cơ giới, nhà kho, tàu hỏa, sà lan, xe tải nặng phục vụ cho đối tượng đậu nành và bắp.

Giống như cây trồng khác, đậu nành cũng phải đối diện với sâu bệnh hại và biến đổi khí hậu  ngày càng cực đoan. Một bệnh mới xuất gây sự chú ý của nông dân. Đo là bệnh rỉ sắt (Soybean rust), do nấm gây ra, truyền từ châu Á sang châu Mỹ, đang lan rộng ở các vùng trồng đậu nành thuộc miền Nam Hoa Kỳ. Quản lý bệnh rỉ sắt rất tốn kém, cần phải phun thuốc diệt khuẩn, quản lý đồng ruộng thật nghiêm ngặt.

Giá thành

Giá thành sẽ thay đổi tùy theo vị trí, hệ thống canh tác cây trồng, và biến động giá cả nông sản, giá cả năng lượng nhiên liệu hóa thạch trên thị trường thế giới. Chi tiêu chính trong ngành đậu nành phải kể là chi phí canh tác, thu hoạch, hạt giống, thuốc sâu. Ví dụ tại quỹ “Nebraska rain-fed”  đối với trồng đậu nành không làm đất (no till) năm 2010 là $115 / acre cho chuẩn bị đất trồng, phân thuốc, và chi phí dịch vụ. Khi đưa chi phí thuê đất hoặc khấu hao đất vào, chi phí bảo hiểm, etc., gái thành sẽ đội lên thành $200 / acre. Tổng chi phí cho sản xuất đậu nành có tưới khoảng $400 / acre (Klein và Wilson, 2010).

Lợi nhuận cho năng lượng sinh học cực kỳ biến động, trên cơ sở biến động giá cả nhiên liệu sinh học, giá dầu đậu nành, giá glycerin một “co-product” của đậu nành, giá methanol, và giá khí đốt tự nhiên. Giá dầu đậu nành làm thức ăn là một trong những yếu tố làm thay đổi lợi nhuận (Hofstrand và Johanns, 2010).

Xét về khía cạnh thân thiện môi trường và tính bền vững

Khả năng sử dụng đậu nành làm nhiên liệu sinh học (biodiesel) đã tăng trưởng từ con số zero đến hơn một tỷ gallons mỗi năm, tính theo hai thập niên cuối (1990s và 2000s). Trong thời gian này, sản lượng biodiesel đã tăng và giảm tùy theo giá thực phẩm dầu đậu nành, giá dầu hỏa thế giới, và chính sách trợ giá của liên bang hoặc của tiểu bang cho ngành công nghiệp mới này.

Một thách chức chính của đậu nành là sự cạnh tranh của việc tiêu thụ dầu đầu nành. Dầu đậu nành được dùng làm thực phẩm cho người, dầu chiên xào, và cho nhiều mục đích tiêu dùng khác trong công nghiệp. Đậu nành chiếm 80% hoặc nhiều hơn, chất béo ăn được và dầu ăn được được tiêu thụ tại Mỹ (Gibson và Benson, 2005). Sự cạnh tranh bởi nhiều mục đích tiêu dùng khác nhau như vậy gây ra sốc giá (price spikes) trên thị trường dầu đậu nành, thách thức quyền lợi của nhà đầu tư chế biến đậu nành thành nhiên liệu sinh học (Wisner, 2009).

Phân tích “life cycle analysis” năm  2009 về biodiesel do Bộ Nông Nghiệp Hoa Kỳ tiến hành thấy rằng đầu tư năng lượng để chế biến đậu nành thành năng lượng sinh học nhiều gấp 4,56 lần so với chế biến năng lượng hóa thạch (fossil energy). Dầu diesel từ mỏ dầu hỏa là năng lượng hóa thạch có “ration” (thị phần) là 0,84 (Pradhan et al., 2009, pp. iii-iv).