Bã mía là gì? Các công bố khoa học về Bã mía

Định nghĩa và thành phần của bã mía

Bã mía là phần xơ còn lại sau quá trình ép nước từ thân cây mía, một phụ phẩm sinh học dồi dào phát sinh chủ yếu từ ngành sản xuất đường. Về mặt kỹ thuật, bã mía là một vật liệu lignocellulosic, tức là nó được cấu thành chủ yếu từ các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc thực vật bao gồm cellulose, hemicellulose và lignin. Đây là một nguồn tài nguyên có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp và năng lượng sinh học.

Thành phần hóa học cụ thể của bã mía khô có thể dao động tùy thuộc vào giống mía, điều kiện canh tác và quy trình ép, nhưng theo dữ liệu tổng hợp từ Bioresource Technology, trung bình bã mía chứa khoảng 40–50% cellulose, 25–35% hemicellulose và 20–25% lignin. Ngoài ra, còn có một tỷ lệ nhỏ protein, tro, sáp và hợp chất phenolic.

Đặc tính vật lý nổi bật của bã mía:

• Màu nâu nhạt đến xám, dạng sợi dài và xốp
• Độ ẩm khi mới ép: 45–55%
• Khối lượng riêng thấp: ~130–150 kg/m³ (khô)
• Giá trị năng lượng: $17 \, \text{MJ/kg}$ (trạng thái khô)

Quá trình tạo ra bã mía

Quy trình sản xuất bã mía bắt đầu từ công đoạn ép thân cây mía trong các nhà máy đường. Mía được thu hoạch, rửa sạch, cắt ngắn và đưa vào hệ thống ép thủy lực hoặc cơ học nhằm chiết xuất nước mía giàu sucrose. Sau mỗi lượt ép, phần xơ còn lại được thu gom – đó chính là bã mía. Để tối ưu hóa lượng đường thu được, mía thường được ép 3–4 lần, khiến phần bã còn lại rất kiệt nước và gần như không chứa đường.

Tỷ lệ bã mía thu được trung bình chiếm từ 30% đến 35% khối lượng mía nguyên liệu. Điều này có nghĩa là với mỗi tấn mía ép, nhà máy có thể thu được khoảng 300–350 kg bã mía, tạo ra một khối lượng lớn phụ phẩm cần được xử lý hoặc tái sử dụng hiệu quả.

Sơ đồ quy trình sản xuất bã mía:

Công đoạn	Nguyên liệu/Thiết bị	Sản phẩm
Thu hoạch & làm sạch	Mía tươi, nước	Mía sạch
Chặt & nghiền nhỏ	Dao cắt, máy nghiền	Mía sẵn sàng ép
Ép lấy nước	Máy ép thủy lực	Nước mía + Bã mía
Tách & thu gom	Băng tải, kho lưu	Bã mía thô

Giá trị năng lượng và ứng dụng trong sản xuất điện

Bã mía có giá trị năng lượng cao do hàm lượng chất xơ và lignin, là nhiên liệu lý tưởng để đốt tạo hơi nước trong các lò hơi công nghiệp. Các nhà máy đường thường sử dụng bã mía làm nhiên liệu chính để vận hành hệ thống phát điện nội bộ và sưởi ấm. Mô hình này được gọi là cogeneration (đồng phát điện và nhiệt) – giúp giảm chi phí năng lượng và tăng hiệu suất sử dụng nguyên liệu.

Việc đốt bã mía tạo ra hơi nước với áp suất cao, làm quay tuabin phát điện. Phần điện dư thừa có thể được bán lên lưới điện quốc gia. Ở Brazil – quốc gia sản xuất đường lớn nhất thế giới – gần 18% điện tái tạo đến từ sinh khối mía. Theo báo cáo từ IEA, điện sinh khối từ bã mía có thể đạt hiệu suất năng lượng từ 25% đến 30% nếu hệ thống được thiết kế tối ưu.

So sánh giữa các loại nhiên liệu sinh khối (trạng thái khô):

Loại nguyên liệu	Giá trị năng lượng (MJ/kg)	Độ ẩm ban đầu (%)
Bã mía	17	45–55
Trấu	15–16	10–15
Củi khô	16–18	15–20
Mùn cưa	14–17	8–12

Ứng dụng trong sản xuất vật liệu sinh học

Nhờ đặc tính lignocellulosic, bã mía được ứng dụng làm nguyên liệu trong sản xuất vật liệu composite, giấy sinh học, bao bì phân hủy sinh học và tấm ép dùng trong nội thất. Các sợi cellulose trong bã mía có thể được chiết tách và xử lý để tạo ra vật liệu thay thế cho nhựa petrochemical trong một số lĩnh vực bao bì.

Một trong những ứng dụng nổi bật là sản xuất nhựa sinh học polyethylene từ ethanol chiết xuất từ bã mía. Tập đoàn Braskem của Brazil đã phát triển dòng sản phẩm “I’m green™” – bao bì làm từ nhựa sinh học gốc bã mía, có khả năng tái chế và giảm phát thải CO₂.

Các sản phẩm khác từ bã mía đã được thương mại hóa:

• Giấy in sinh học không dùng gỗ
• Hộp đựng thực phẩm phân hủy sinh học
• Tấm cách âm và cách nhiệt
• Vật liệu làm gạch nhẹ và gỗ ép

Tiềm năng sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ hai

Bã mía là một trong những nguồn nguyên liệu chính để sản xuất ethanol sinh học thế hệ hai – loại nhiên liệu được tạo ra từ lignocellulose thay vì từ tinh bột hay đường đơn. Do không cạnh tranh trực tiếp với nguồn thực phẩm, ethanol từ bã mía được xem là giải pháp bền vững hơn so với ethanol thế hệ một (chủ yếu từ ngô và mía nước).

Quy trình sản xuất bao gồm các giai đoạn chính: tiền xử lý để phá vỡ cấu trúc lignin, thủy phân enzyme để chuyển cellulose thành đường đơn, và lên men sinh học để tạo ra ethanol. Quá trình này đòi hỏi thiết bị công nghệ cao và enzyme đặc hiệu như cellulase, hemicellulase để giải phóng đường từ thành tế bào thực vật.

Phản ứng hóa học tổng quát:

$C_6H_{10}O_5 + H_2O \xrightarrow{\text{enzyme}} C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2$

Theo IEA, nếu tận dụng toàn bộ bã mía toàn cầu hiện nay, ngành nhiên liệu sinh học có thể sản xuất tới hơn 30 tỷ lít ethanol mỗi năm, tương đương việc thay thế hàng triệu thùng dầu mỏ.

Vai trò trong nông nghiệp và xử lý đất

Trong nông nghiệp, bã mía được sử dụng như một chất cải tạo đất hữu cơ, phân compost hoặc lớp phủ bảo vệ gốc cây. Với đặc tính giữ ẩm, chống xói mòn và bổ sung chất hữu cơ, bã mía là nguyên liệu phù hợp cho các hệ thống canh tác bền vững và nông nghiệp hữu cơ.

Khi được ủ phân compost cùng phân chuồng hoặc phụ phẩm nông nghiệp khác, bã mía giúp tăng tốc quá trình phân hủy nhờ hàm lượng cellulose cao. Phân compost từ bã mía cải thiện độ tơi xốp, tăng cation exchange capacity (CEC) và khả năng giữ nước của đất.

Lợi ích nông nghiệp của bã mía:

• Cải thiện cấu trúc đất nghèo hữu cơ
• Hạn chế rửa trôi phân bón
• Giảm nhu cầu phân bón hóa học
• Thúc đẩy đa dạng vi sinh vật đất

Ứng dụng trong ngành chăn nuôi

Bã mía sau khi ép nước còn chứa một lượng lớn xơ không tiêu hóa, nhưng có thể được tận dụng làm thức ăn thô cho trâu, bò và dê – đặc biệt trong mùa khô hoặc ở những vùng khan hiếm nguồn thức ăn. Tuy nhiên, do hàm lượng protein thô thấp (<4%), bã mía cần được xử lý hoặc phối trộn với nguyên liệu giàu dinh dưỡng hơn.

Phương pháp cải thiện giá trị dinh dưỡng bao gồm xử lý bằng urea, ủ lên men với vi sinh vật hoặc phối hợp với cám gạo, rỉ mật. Theo nghiên cứu từ NCBI, việc xử lý bã mía với 4% urea giúp tăng đáng kể độ tiêu hóa và lượng protein khả dụng cho gia súc.

Bảng so sánh giá trị dinh dưỡng của bã mía (chưa và đã xử lý):

Chỉ tiêu	Bã mía thô	Bã mía xử lý urea
Protein thô (%)	3.8	7.5
Tiêu hóa vật chất khô (%)	35	55
Hàm lượng năng lượng (MJ/kg)	6.5	8.1

Thách thức trong việc tái sử dụng bã mía

Mặc dù có tiềm năng lớn, việc tái sử dụng bã mía còn vấp phải một số trở ngại về mặt công nghệ và logistics. Đầu tiên là độ ẩm cao và khối lượng lớn khiến chi phí vận chuyển và lưu trữ tăng đáng kể. Nếu không được xử lý đúng cách, bã mía có thể bị phân hủy, phát sinh mùi hoặc gây ô nhiễm môi trường.

Việc đầu tư vào công nghệ xử lý tiên tiến (sấy, ép viên, lên men...) đòi hỏi vốn đầu tư lớn, trong khi thị trường đầu ra chưa ổn định khiến doanh nghiệp còn e dè. Ở một số nơi, bã mía vẫn bị đốt ngoài trời hoặc thải bỏ ra môi trường, gây ô nhiễm không khí do phát thải bụi mịn và các hợp chất hữu cơ bay hơi.

Thách thức điển hình:

• Chi phí xử lý và logistics cao
• Thiếu chính sách hỗ trợ thu gom và tiêu thụ
• Cạnh tranh với các nguồn nhiên liệu sinh khối khác
• Ý thức cộng đồng còn hạn chế về tái sử dụng phụ phẩm

Hướng phát triển và tiềm năng kinh tế

Với sự thúc đẩy của nền kinh tế tuần hoàn và các cam kết giảm phát thải khí nhà kính, bã mía đang dần được định vị lại như một tài nguyên giá trị cao thay vì là chất thải. Chính phủ nhiều quốc gia đã ban hành chính sách hỗ trợ sản xuất vật liệu sinh học, điện sinh khối và nhiên liệu tái tạo từ phụ phẩm nông nghiệp như bã mía.

Tại Thái Lan, các nhà máy đường được khuyến khích bán điện lên lưới quốc gia từ bã mía qua chính sách Feed-in Tariff. Ở Brazil, ethanol thế hệ hai từ bã mía được trợ giá và tích hợp trong chương trình RenovaBio nhằm giảm phát thải trong giao thông vận tải. Tại Việt Nam, tiềm năng phát triển điện sinh khối từ bã mía được Bộ Công Thương đánh giá là rất lớn, đặc biệt tại các tỉnh miền Tây và Tây Nguyên.

Ước tính của IEA cho thấy nếu được tận dụng hiệu quả, bã mía có thể đóng góp từ 8–10% sản lượng điện tái tạo tại các quốc gia trồng mía, đồng thời tạo việc làm trong lĩnh vực năng lượng và vật liệu sinh học.

Tài liệu tham khảo

1. Sun, Y., & Cheng, J. (2002). Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review. Bioresource Technology. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960852411012534
2. International Energy Agency (IEA). Renewables 2023. https://www.iea.org/reports/renewables-2023
3. IEA. Technology Roadmap: Biofuels for Transport. https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-biofuels
4. Braskem. Environmental benefits of sugarcane bioplastics. https://sugarcane.org/about-sugarcane/environmental-benefits
5. NCBI. Improving digestibility of sugarcane bagasse. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8316096/