luận văn tìm hiểu các phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ

Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 1 Lớp: 08CSH2 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề: Nước ta là một nước nông nghiệp và hàng năm thải ra một lượng lớn đến hàng triệu tấn các chất phế thải như trấu, bã mía, vỏ hạt điều, vỏ lạc, rơm, vỏ cafe,… Cụ thể, mỗi năm nguồn sinh khối trấu của nước ta khoảng 100 triệu tấn, mùn cưa 250 triệu tấn, vỏ lạc 4,5 triệu tấn, vỏ hạt điều, bã mía, gỗ vụn khoảng 400 triệu tấn. Trong đó, phụ phẩm trấu tập trung chủ yếu tại Đồng bằng Sông Cửu Long, Đồng bằng Bắc Bộ và duyên hải Nam trung bộ. Phụ phẩm mùn cưa tập trung nhiều ở Miền Trung, Tây Nguyên, Tây Bắc. Vỏ cà phê có nhiều ở các tỉnh Tây Nguyên. Mặt hạn chế của phụ phẩn nông nghiệp là một số loại có hàm lượng chất xơ rất cao, thí dụ rơm lúa chứa 34% chất xơ, còn lá mía chứa 43% tính trong chất khô, nên rất khó tiêu hóa. Mặt khác một số loại phụ phẩm lại khó chế biến và dự trữ khi thu hoạch đồng loạt như cây lạc, dây lang, ngọn lá sắn, lá mía Một số nơi người nông dân sử dụng các phế thải nông nghiệp để làm chất đốt nhưng không hiệu quả, hoặc đốt bỏ gây ô nhiễm môi trường sống nghiêm trọng, thậm chí ở một số nơi chúng không được sử dụng rất lãng phí. Cùng với sự phát triển của nề nông nghiệp, qui mô sản xuất ngày càng lớn và tập trung, các chế phẩm nông nghiệp ngày càng nhiều, việc nghiên cứu sử dụng chúng phục vụ cho đời sống và công nghiệp càng trở nên cần thiết. Những hướng ứng dụng để xử lý nguồn phụ phẩm nông nghiệp có thể tìm hiểu được thông qua đề tài này là:  Sử dụng làm thức ăn cho gia súc.  Làm phân compost.  Làm bio-ethanol.  Nhiều ứng dụng khác:làm chất đốt, sản xuất biogas,… Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 2 Lớp: 08CSH2 Việc chọn đề tài: “Tìm hiểu các phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ” cũng là mục đích nhằm tìm hiểu rõ hơn việc làm thế nào để xử lý một cách có hiệu quả nhất nguồn phụ phế phẩm giàu xơ trong nước. 1.2. Mục tiêu: Tìm hiểu thành phần cấu tạo các phụ phế phẩm giàu xơ ở Việt Nam và các phương pháp xử lý thích hợp để ứng dụng làm thức ăn đại gia súc, ủ compost làm phân bón và sản xuất bio-ethanol. 1.3. Nội dung nghiên cứu:  Tổng quan về phụ phế phẩm giàu xơ:  Thành phần cấu tạo phụ phế phẩm giàu xơ.  Các enzyme phân hủy phụ phế phẩm giàu xơ.  Tổng quan về các phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ: hóa lý và sinh học.  Tổng quan về thức ăn gia súc nhai lại và các qui trình xử lý phụ phế phẩm giàu xơ làm thức ăn gia súc nhai lại.  Tổng quan về các phương pháp ủ compost phụ phế phẩm giàu xơ làm phân bón hữu cơ.  Tổng quan về phụ phế phẩm giàu xơ để sản xuất bio-ethanol. 1.4. Phương pháp thực hiện khóa luận: Tổng hợp tài liệu Tham khảo ý kiến chuyên gia. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 3 Lớp: 08CSH2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHỤ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP 2.1. Định nghĩa phụ phế phẩm nông nghiệp: Là những sản phẩm nông nghiệp không đạt tiêu chuẩn về kích thước, phẩm chất, giá trị sử dụng đã quy định, phải loại bỏ nhằm đảm bảo yêu cầu sử dụng hoặc chế biến. Phụ phẩm nông nghiệp đều là những chất hữu cơ, có thể còn non, xanh; có thể đã xơ cứng vì silic hoá như trấu hay lignin hoá như gỗ. Chúng còn có thể được xem như là một dạng tích trữ năng lượng từ mặt trời nhờ quá trình quang tổng hợp và các quá trình sinh học khác trong sản xuất nông nghiệp. 2.2. Nguồn gốc, thành phần và tính chất phụ phế phẩm nông nghiệp: 2.2.1. Nguồn gốc: Trong quá trình sản xuất nông nghiệp hay chế biến nông sản, bên cạnh những sản phẩm chính, dù muốn hay không chúng ta cũng còn có những phần sản phẩm phụ khác. Chẳng hạn khi trồng lúa, ngoài hạt lúa thu hoạch được, ta còn có rơm, gốc rạ; khi xay lúa, ngoài gạo, ta còn có tấm, cám, trấu, bụi,…Khi chăn nuôi gia súc, ngoài sản phẩm chính là thịt, trứng hay sữa, sức kéo, ta còn có phân… Khối lượng phụ phẩm này rất lớn, riêng đối với các loại cây ngũ cốc, phần ăn được chỉ chiếm phân nửa hay một phần ba khối lượng. Những phụ phẩm này thực sự là nguồn tài nguyên phong phú và có giá trị; chúng còn có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau và có thể tạo thêm giá trị, thu nhập cho nông dân, nếu không, chúng có thể gây nên ô nhiễm môi trường. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 4 Lớp: 08CSH2 2.1.1. Thành phần và tính chất: Ở nước ta nguồn phụ phẩm nông nghiệp được ước tính dựa trên khảo sát khối lượng thực tế của từng loại phụ phẩm tính trên một đơn vị diện tích, sau đó ước tính tổng khối lượng cho toàn quốc, dựa vào số liệu thống kê về diện tích gieo trồng hàng năm. Khối lượng này được quy đổi ra chất khô để tiện cho việc so sánh, đánh giá (bảng 2.1). Bảng 2.1: Ước tính khối lượng các nguồn phụ phẩm nông nghiệp chính ở Việt Nam Tên phụ phẩm Diện tích gieo trồng (triệu ha/ năm) Khối lượng phụ phẩm (Tr. tấn chất khô/ năm) Rơm lúa 7,5 25,0 Cây ngô (đã thu bắp) 0,65 2,0 Dây lạc 0,27 0,48 Dây lang 0,26 0,24 Ngọn, lá sắn 0,23 0,29 Lá mía 0,28 0,42 Tổng cộng - 28,4 (Nguồn: Số liệu thống kê 2001 – NXB Thống kê, 2002; Bùi Văn Chính, lê Viết Ly, 1996,2001) Mặt hạn chế của phụ phẩn nông nghiệp là một số loại có hàm lượng chất xơ rất cao, thí dụ rơm lúa chứa 34% chất xơ, còn lá mía chứa 43% tính trong chất khô, nên rất khó tiêu hóa. Mặt khác một số loại phụ phẩm lại khó chế biến và dự trữ khi thu hoạch đồng loạt như cây lạc, dây lang, ngọn lá sắn, lá mía Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 5 Lớp: 08CSH2 Đó cũng là một lý do làm cho người nông dân chỉ sử dụng được một phần các loại phụ phẩm này ở dạng tươi làm thức ăn cho gia súc. Bảng 2.2: Giá trị dinh dưỡng của một số phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam % tính trong chất khô Tên phụ phẩm Chất khô (%) Chất xơ Protein Tổng các chất dinh dưỡng tiêu hóa - TDN Năng lư ợng trao đổi - ME, (Kcal/ kg chất khô) Rơm lúa 90,8 34,3 5,1 45,9 1662 Cây ngô già 61,6 31,5 7,6 54,1 1958 Lá mía 28,8 42,9 8,2 49,3 1778 Dây lang 20,0 24,5 11,0 59,5 2160 Dây lạc 22,5 27,7 14,1 63,5 2289 Ngọn, lá sắn 25,5 22,7 16,9 67,5 2549 Các số liệu ở (bảng 2.2) cho thấy hàm lượng xơ của rơm lúa, cây ngô già và lá mía khá cao; nên rất cần được chế biến bằng các tác nhân hóa học hay sinh học để nâng cao tỷ lệ tiêu hóa chất xơ và các chất hữu cơ khác. Nhìn chung các loại phụ phẩm đều chứa một nguồn các chất dinh dưỡng tiềm tàng khá cao, nhưng tổng các chất dinh dưỡng tiêu hóa được (TDN) còn khá thấp. Do đó còn nhiều khả năng nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn các chất dinh dưỡng tiềm tàng này trong các phụ phẩm nông nghiệp nếu chúng ta tác động bằng khâu chế biến và phối hợp khẩu phần một cách hợp lý để nâng cao tỷ lệ tiêu hóa chất hữu cơ của chúng. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 6 Lớp: 08CSH2 Về nguyên tắt chất xơ trong rơm rạ và các loại thức ăn thô tương tự chủ yếu là cellulose, hemicelluloses, và lignin, gọi chung là lignocellulose. Giữa chúng có các liên kết hoá học tạo nên từ sự bền vững của màng tế bào thực vật. 2.3. Thành phần cấu tạo phụ phế phẩm giàu xơ 2. 3.1. Cấu trúc của lignocelluloses: 2.3.1.1. Cấu trúc thành tế bào thực vật : Trong tự nhiên, các lớp của thành tế bào thực vật được minh họa bằng mô hình của gỗ (Hình 3.1). Ở giữa các tế bào, có một hợp chất đóng vai trò như keo dán gắn kết các tế bào lại với nhau, đó là lớp gian bào (middle lamella). Lớp này cấu tạo từ các chất keo, có bản chất pectin và không có tác động về quang học. Bên trong là thành tế bào sơ cấp (primary wall). Hình 2.1: Cấu trúc thành tế bào thực vật Thành tế bào sơ cấp có thể được chia thành mặt bên trong và mặt bên ngoài. Sự sắp xếp của các vi sợi trong thành tế bào sơ cấp phân tán tăng dần từ mặt trong ra mặt ngoài. Tiếp đến là thành tế bào thứ cấp gồm 3 lớp: lớp ngoài (S1), lớp giữa (S2) và lớp trong (S3). Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 7 Lớp: 08CSH2 Sự phân chia thành tế bào thứ cấp thành ba lớp S chủ yếu là do sự định hướng khác nhau của các vi sợi trong ba lớp đó. Điển hình các vi sợi định hướng xoắn trong vách tế bào. Lớp ngoài của thành tế bào thứ cấp, các vi sợi được định hướng trong cấu trúc xoắn chéo có độ nghiêng tạo thành một góc lớn với trục dọc của tế bào. Lớp giữa là lớp dày nhất và ở lớp giữa có góc nhỏ và độ nghiêng của sợi xoắn ốc trong khi vi sợi trong lớp 3 được sắp xếp như ở lớp ngoài, với một góc rộng với trục dọc của tế bào. Ngoài ra trong một số trường hợp, trên mặt trong của thành tế bào có lớp sần sùi (W). Chức năng của thành tế bào là chống đỡ cho các cơ quan của cây đặc biệt là các vách dày và cứng. Thành tế bào còn giữ các chức năng quan trọng chính như hấp thụ, thoát hơi nước hay vận chuyển và bài tiết. Lignocellulose là thành phần cấu trúc chính của thực vật thân gỗ và các thực vật khác như cỏ, lúa, ngô…Trong tự nhiên, chúng ta có thể tìm thấy lignocellulose ở thực vật hay các chất thải nông nghiệp, lâm nghiệp và các chất thải rắn trong thành phố. Thành phần chủ yếu của lignocellulose là cellulose, hemicellulose và lignin (Hình 3.2). Cellulose và hemicellulose là các đại phân tử cấu tạo từ các gốc đường khác nhau, trong khi lignin là một polymer dạng vòng được tổng hợp từ tiền phenylpropanoid. Thành phần cấu tạo và phần trăm của các polymer này là khác nhau giữa các loài. Hơn nữa, thành phần cấu tạo trong cùng một cây hay các cây khác nhau là khác nhau dựa vào độ tuổi, giai đoạn sinh trưởng, phát triển của cây và các điều kiện khác. Thành phần của lignocellulose được trình bày ở (Bảng 3.1). Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 8 Lớp: 08CSH2 Hình 2.2: Thành phần chủ yếu của lignocelluloses Hình 2.3: Tỉ lệ % các thành phần có trong lignocelluloses Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 9 Lớp: 08CSH2 Bảng 2.3: Thành phần lignocellulose trong rác thải và phế phẩm phổ biến Nguồn lignocellulose Cellulose (%) Hemicellulose (%) Lignin (%) Thân gỗ cứng 40-55 24-40 18-25 Thân gỗ mềm 45-50 25-35 25-35 Vỏ lạc 25-30 25-30 30-40 Lõi ngô 45 35 15 Giấy 85-99 0 0-15 Vỏ trấu 32.1 24 18 Vỏ trấu của lúa mì 30 50 15 Rác đã phân loại 60 20 20 Lá cây 15-20 80-85 0 Hạt bong 80-95 5-20 0 Giấy báo 40-55 25-40 18-30 Giấy thải từ bột giấy hóa học 60-70 10-20 5-10 Chất rắn nước thải ban đầu 8-15 - 24-29 Chất thải của lợn 6 28 - Phân bón gia súc 1.6-4.7 1.4-3.3 2.7-5.7 Cỏ ở bờ biển Bermuda 25 35.7 6.4 Cỏ mềm 45 31.4 12.0 Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 10 Lớp: 08CSH2 Các loại cỏ (trị số trung bình cho các loại) 25-40 25-50 10-30 Bã thô 33.4 30 18.9 Lượng lớn lignocellulose được thải ra từ các ngành lâm nghiệp, nông nghiệp, công nghiệp giấy và gây ra ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, lượng lớn các sinh khối thực vật dư thừa được coi là rác thải có thể được biến đổi thành nhiều sản phẩm có giá trị khác nhau như nhiên liệu sinh học, hóa chất, các nguồn năng lượng rẻ cho quá trình lên men, bổ sung chất dinh dưỡng cho con người và thức ăn cho động vật. 2.3.1.2. Cellulose : Cellulose là hợp chất hữu cơ có công thức cấu tạo (C 6 H 10 O 5 ) n, và là thành phần chủ yếu của thành tế bào thực vật, gồm nhiều cellobiose liên kết với nhau, 4-O- (β-D- Glucopyranosyl)-D-glucopyranose (Hình 3.4). Cellulose cũng là hợp chất hữu cơ nhiều nhất trong sinh quyển, hàng năm thực vật tổng hợp được khoảng 10 11 tấn cellulose (trong gỗ, cellulose chiếm khoảng 50% và trong bông chiếm khoảng 90%). Hình 2.4: Công thức hóa học của cellulose Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết van Der Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là tinh thể và vô định hình. Trong vùng tinh thể, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn công bởi enzyme cũng như hóa chất. [...]... bằng phương SVTH: Trần Ngọc Phú Quí Lớp: 08CSH2 27 Khoá luận tốt nghiệp 2011 pháp hóa lý để tạo tiền đề cho phương pháp sinh học là sử dụng enzyme chế phẩm hay sử dụng trực tiếp tế bào tiết ra các enzyme đó Sơ đồ 3.1: Các phương pháp xử lý phụ phẩm nông nghiệp giàu xơ 3.1 Phương pháp vật lý:  Xử lý cơ học: Xử lý cơ học là phương pháp cơ giới để băm chặt, nghiền nhỏ thức ăn, nhằm thunhỏ kích thước của... Phú Quí Lớp: 08CSH2 28 Khoá luận tốt nghiệp 2011 chủ yếu với phế phụ phẩm trồng trọt ở mức độ trang trại Nên kết hợp phương pháp này với phương pháp xử lý hoá học hoặc kết hợp với xử lý sinh học  Xử lý bằng nhiệt hơi nước: Xử lý các loại thức ăn thô chất lượng thấp bằng nhiệt với áp suất hơi nước cao đểlàm tăng tỷ lệ tiêu hoá Cơ sở của phương pháp này là quá trình thuỷ phân xơ bằng hơi nước ở áp suất... các quy trình ủ compost và phân hủy rác thải giàu xơ Cách hai đắt tiền hơn là sản xuất enzyme vi sinh vật bằng công nghệ di truyền và lên men vi sinh vật, rồi sử dụng chế phẩm enzyme vào thủy phân như phần hớn công nghệ sản xuất bioethanol hiện nay SVTH: Trần Ngọc Phú Quí Lớp: 08CSH2 26 Khoá luận tốt nghiệp 2011 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ PHỤ PHẾ PHẨM GIÀU XƠ Như đã trình bày ở trên, phụ phế phẩm. .. tiền, cao cấp và không an toàn Do vậy, các phương pháp xử lý bằng bức xạ không đem lại hiệu quả kinh tế 3.2 Phương pháp hoá học: Xử lý hóa học để cải thiện giá trị dinh dưỡng của rơm được bắt đầu từ thế kỷ XIX Hiện nay, việc dùng các chất hoá học để xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp làm thức ăn giasúc đang được áp dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới Mục đích của xử lý hóa học làp h á vỡ c á c mố i l i... yếu từ các phức chất lingo – hemicelluloses mà các enzyme VSV dạ cỏ phân giải vô cùng chậm Điều đó cản trở những lớp trong giàu cellulose trước tác động của enzyme VSV, cũng như cản trờ sự phân giải chất chứa tế bào Như vậy, phần lớn các trường hợp muốn sự dụng hiệu quả phụ phế phẩm giàu xơ cần thực hiện các quá trình xử lý hay tiền xử lý bằng phương SVTH: Trần Ngọc Phú Quí Lớp: 08CSH2 27 Khoá luận tốt... Thời gian xử lý có thể lên tới 8 tuần Ngoài ra,người ta còn dùng phương pháp ủ SVTH: Trần Ngọc Phú Quí Lớp: 08CSH2 33 Khoá luận tốt nghiệp 2011 rơm với khí NH 3 ở trong phòng kín ở nhiệt độ 95 oC Khí NH3 được tuần hoàn trong rơm ủ Phương pháp này có thể làm giảm thời gian xử lýxuống khoảng 24 giờ kể cả 3-4 giờ thoát khí sau xử lý  Xử lý bằng amoniac lỏng: Amoniac lỏng có thể sử dụng để xử lý rơm theo... cấu trúc xơ phồng lên về mặt vật lý Những ảnh hưởng đó tạo điều kiện cho vi sinh vật dạ cỏ tấn công vào cấu trúc cacbohydrat như cellulose, hemicellulose được dễ dàng, làm tăng tỷ lệ tiêu hoá, tăng tính ngon miệng của rơm đã xử lý. Sau đây là một số phương pháp kiềm hoá chính đã được nghiên cứu và áp dụng ở các nước khác nhau trên thế giới  Xử lý bằng xút (NaOH): Một số phương pháp xử lý rơm và các loại... giữa các thành phần của chất xơ và tạo ra sự tách chuỗi Theo các tác giả Sundstol và Owen (1984) thì có thể dùng hơi nước ở áp suất 7 - 28 kg/cm2 để xử lý rơm trong 5 phút Rangnekar và cộng sự (1982) đã xử lý rơm và bã mía bằng hơi nước ở áp suất 5 -9 kg/ cm2 trong 30 - 60 phút Kết quả tương tự như xử lý ở áp suất cao trong thời gian ngắn Phương pháp này chủ yếu lợi dụng các nguồn nhiệt thừa ở các nhà... amoniac: Amoniac được chấp nhận hơn bất kì loại hoá chất nào khác trong xử lý rơm rạ Amoniac là một nguồn nitơ phi protein được VSV dạ cỏ sử dụng nên việc xử lý bằngamoniac còn góp phần làm tăng hàm lượng protein thô Hơn nữa, xử lý bằng amoniac còncó tác dụng bảo quản chống mốc thối Các phương pháp xử lý amoniac như sau:  Xử lý bằng khí ammoniac: R ơ m đ ư ợ c c h ấ t đ ố n g v à d ù n g vả i n i... thông qua các sản phẩm đường, ethanol, khí sinh học hay các sản phẩm giàu năng lượng khác Thí dụ: từ các chất thải nhà máy giấy như các sản phẩm từ bột giấy và giấy có thể thu nguồn năng lượng như ethanol Người ta có thể thủy phân lignocelluloses bằng phương pháp sinh học theo hai cách: cách 1 là sử dụng trực tiếp vi sinh vật phân hủy lignocellulose trong tự nhiên hay phân lập chúng tạo chế phẩm EM tăng . quan về phụ phế phẩm giàu xơ:  Thành phần cấu tạo phụ phế phẩm giàu xơ.  Các enzyme phân hủy phụ phế phẩm giàu xơ.  Tổng quan về các phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ: hóa lý và sinh. chọn đề tài: Tìm hiểu các phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ cũng là mục đích nhằm tìm hiểu rõ hơn việc làm thế nào để xử lý một cách có hiệu quả nhất nguồn phụ phế phẩm giàu xơ trong nước và các qui trình xử lý phụ phế phẩm giàu xơ làm thức ăn gia súc nhai lại.  Tổng quan về các phương pháp ủ compost phụ phế phẩm giàu xơ làm phân bón hữu cơ.  Tổng quan về phụ phế phẩm giàu