Tên đề tài: Nghiên cứu xử lý chất thải từ các cơ sở chế biến tinh bột nhằm giảm ô nhiễm môi trường và ứng dụng làm thức ăn chăn nuôi Lĩnh vực: Sinh học môi trường NGƯỜI HƯỚNG DẪN - TS..
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THPT chuyên Nguyễn Huệ - Quận Hà Đông
**************
ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ
LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015).
Tên đề tài:
Nghiên cứu xử lý chất thải từ các cơ sở chế biến tinh bột nhằm giảm ô nhiễm môi trường và ứng dụng làm thức ăn chăn nuôi
Lĩnh vực: Sinh học môi trường
NGƯỜI HƯỚNG DẪN
- TS Vũ Văn Hạnh – Viện
Công nghệ sinh học, Viện
Hàn Lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam
- ThS Nguyễn Thị Hiên-
Trường THPT chuyên
Nguyễn Huệ
TÁC GIẢ:
1 Đinh Quang Minh Lớp:11 Sinh
Trường THPT chuyên Nguyễn Huệ
2 Nguyễn Phương Anh Lớp: 11 Sinh
Trường THPT chuyên Nguyễn Huệ
Trang 2LỜI CÁM ƠN
Nhóm khoa học thuộc đề tài: “Nghiên cứu xử lý chất thải từ các cơ sở chế biến tinh bột nhằm giảm ô nhiễm môi trường và ứng dụng làm thức ăn chăn nuôi” xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến BGH trường THPT chuyên
Nguyễn Huệ đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ chúng em trong thời gian thực hiện đề tài
Nhóm nghiên cứu xin chân thành cám ơn TS Vũ Văn Hạnh, Trưởng phòng Các chất chức năng sinh học, Viện Công nghệ Sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cố vấn khoa học, tạo điều kiện về vật tư, hóa chất và thiết bị cho nghiên cứu này
Nhóm nghiên cứu xin chân thành cám ơn cô giáo - Thạc sĩ Nguyễn Thị Hiên đã hướng dẫn tận tình, tạo điều kiện thuận lợi để nhóm tác giả hoàn thành tốt đề tài này
Nhóm nghiên cứu xin chân thành cám ơn tập thể cán bộ và các anh chị Phòng Các chất chức năng Sinh học, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn Lâm
KH và CN Việt Nam đã giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài
Cuối cùng nhóm tác giả chúng em xin gửi tỏ lòng biết ơn đến cha mẹ, anh chị, gia đình và bạn bè đã giúp đỡ động viên nhóm trong suốt thời gian thực hiện
đề tài
Trang 3MỤC LỤC
I.1 Lí do chọn đề tài .4
I.2 Mục tiêu đề tài 5
I.3 Điểm mới 5
I.4 Lợi ích đề tài 5
II Tổng quan 2.1 Thực trạng xử lý chất thải từ các làng nghề chế biến tinh bột hiện nay 6
2.2 Xử lý các chất thải từ các làng nghề chế biến tinh bột 7
III Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 3 1 Vật liệu nghiên cứu 8
3 2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu……… 8
3 3 Phương pháp nghiên cứu………8
3 3 1 Phương pháp nuôi cấy nấm sợi chọn lọc sinh tổng hợp đa enzyme………8
3 3 2 Phương pháp lên men………8
3 3 3 Phương pháp sinh hóa……… 12
3 4 4 Kết quả nghiên cứu……… 12
IV. Kết luận và kiến nghị………15
V. Tài liệu tham khảo……….16
Trang 4I MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài
Hiện nay, lượng chất thải từ chế biến tinh bột của các làng nghề rất lớn, một phần nhỏ được tái sử dụng làm thức ăn chăn nuôi, một phần ủ làm phân bón, phần lớn thải trực tiếp ra môi trường qua kênh mương, ao hồ, nó gây ra các chỉ số cao gấp rất nhiều lần cho phép, gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước và không khí
Trong khi đó tinh bột là nguồn thức ăn quan trọng cung cấp dinh dưỡng trong chăn nuôi Ở nông thôn việc chế biến thức ăn chăn nuôi vẫn theo con đường truyền thống: nấu chín các sản phẩm ngũ cốc, rau, sau đó cho lợn, gia súc ăn Do vậy, giá trị dinh dưỡng của loại thức ăn này chưa cao, hàm lượng đạm, chất béo thấp, động vật tăng cân chậm, sức chống chọi với dịch bệnh không cao, lãi ít, nếu dịch bệnh xảy người chăn nuôi bị nỗ là chắc chắn Cách chăn nuôi này, chi phí nhân lực cao, tốn nhiều năng lượng để đun (củi, than) Cho nên nhiều vùng nông thôn, mặc dù sản phẩm phụ nông nghiệp dư thừa, lao động phổ thông nhàn dỗi nhiều, nhưng họ không quan tâm đến chăn nuôi do chăn nuôi không có lãi
Bên cạnh đó thức ăn công nghiệp giàu dinh dưỡng, dễ sử dụng, vật nuôi mau lớn Tuy nhiên, nguyên liệu để tạo thức ăn công nghiệp hiện nay phải nhập khẩu từ nước ngoài, giá thành cao, không ổn định, cho nên lợi nhuận đem lại từ chăn nuôi chưa cao, nhất là đối với chăn nuôi nhỏ lẻ, số lượng ít Do đó, chưa khuyến khích được chăn nuôi đại trà phát triển
Các nghiên cứu cho thấy một số loại nấm sợi và nấm men có khả năng sinh enzyme này với hoạt tính cao Enzyme thủy phân tinh bột sống (RSDE) bao gồm 2 loại enzyme chính gluco-amylase và α- amylase có khả năng thủy phân tinh bột sống không qua nấu chín để thành glucose, di- và oligo-saccharides ở điều kiện nhiệt độ thường (30-37oC) mà không cần thực hiện hai bước như hiện nay là hồ hóa bởi nhiệt và đường hóa (Kelly et al, 1995, Vũ và cs 2009) Sản phẩm sau thủy
phân được lên men đồng thời bởi các chủng lợi khuẩn (Bacillus, Lactobaccilus,
Bifidobacteria, Saccharomyces,… ) Các chủng lợi khuẩn này với nhiều tính năng
sinh học quan trọng như đối kháng với các vi sinh vật gây bệnh, tổng hợp protein, các vitamin, đây là nguồn dinh dưỡng quan trọng, thiết yếu cho chăn nuôi
Chúng em đã đặt ra câu hỏi: Liệu có thể sử dụng các loại enzyme do vi nấm tạo ra để phân giải tinh bột sống trong bã thải từ cơ sở chế biến tinh bột hay không? Liệu có thể tận dụng nguồn chất thải này làm thức ăn chăn nuôi nhằm tăng thu nhập của người chăn nuôi và góp phần giảm ô nhiễm môi trường không?
Chính vì vậy, chúng em đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu xử
lý chất thải từ các cơ sở chế biến tinh bột nhằm giảm ô nhiễm môi trường và ứng dụng làm thức ăn chăn nuôi”
Trang 51.2 Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu chung:
Tạo ra được qui trình xử lí chất thải từ các cơ sở chế biến tinh bột để làm thức ăn chăn nuôi và giảm ô nhiễm môi trường
Mục tiêu cụ thể:
- Chọn được ít nhất 1 chủng vi nấm sinh đa enzyme (α-amylase, α-gluco-amylase) phân hủy tinh bột sống từ bã thải chế biến tinh bột
- Chọn được ít nhất 2 chủng lợi khuẩn dùng trong lên men
- Qui trình xử lí bã thải từ cơ sở chế biến tinh bột bằng chế phẩm chứa đa enzyme và chủng lợi khuẩn để làm thức ăn chăn nuôi và giảm ô nhiễm môi trường
1.3 Điểm mới của đề tài
- Nghiên cứu ứng dụng có hiệu quả chế phẩm sinh học chứa đa enzyme phân hủy tinh bột sống và lợi khuẩn để xử lý các nguồn nguyên liệu giàu tinh bột và xơ
- Xử lý nguồn chất thải chứa tinh bột sống và chất xơ từ các cơ sở chế biến tinh bột để làm thức ăn chăn nuôi mà không cần qua giai đoạn hồ hóa (tiết kiệm năng lượng) và giảm ô nhiễm môi trường
1.4 Lợi ích của đề tài:
Về mặt kinh tế: Sản xuất thức ăn chăn nuôi từ bã chế biến tinh bột bằng
đa enzyme phân hủy tinh bột sống và chủng lợi khuẩn sẽ giảm chi phí lao động và năng lượng (điện, than) đáp ứng nhu cầu về thức ăn chăn nuôi hiện nay, tăng thu nhập cho người chăn nuôi, thúc đẩy ngành chăn nuôi gia súc gia cầm hiện đang là một trong những vấn đề quan trọng, cấp bách
ở Việt Nam
Về mặt sức khỏe con người: Góp phần làm giảm lượng chất thải đổ ra
môi trường, giảm nguy cơ nhiễm nguồn nước ngầm và không khí, hạn chế một số bệnh dịch bùng phát Góp phần tạo cảnh quan môi trường thân thiện ở làng nghề chế biến tinh bột
Về mặt môi trường: Giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường cao.
Về mặt nghiên cứu khoa học: Góp phần tái sử dụng chất thải từ chế biến
tinh bột, giúp cho các cơ sở chế biến tinh bột thực hiện tốt cam kết bảo vệ môi trường với địa phương
Trang 6Chương II TỔNG QUAN 2.1 Thực trạng xử lý chất thải từ các làng nghề chế biến tinh bột hiện nay
Hiện nay, tình trạng chất thải từ các làng nghề chế biến tinh bột trên địa bàn Hà Nội đã và đang gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng (hình 1)
Hình 1 Hoạt động chế biến tinh bột và bã thải từ chế biến tinh bột
Bảng 1 Hoạt động chế biến tinh bột trên địa bàn Hà Nội và các tỉnh
Trang 7Một số xã Dương Liễu, xã Cát quế, …(Hoài Đức) có nghề chế biến tinh
bột thu hút 80-90% lao động, mỗi xã tiêu thụ lớn hơn 200 ngàn tấn sắn tươi/vụ thải ra môi trường lớn hơn 150 tấn chất thải Xã Tân Hòa, xã Cộng Hoà (Quốc Oai-Hà Nội) chế biến khoảng 1000 tấn củ dong/ngày, thu được 200-250 tấn thành phẩm còn lại là chất thải Xã Minh Quang- huyện Ba vì chế biến 100 ngàn tấn bột/năm và thải 350-400 tấn bã thải Như vậy, vào chính vụ trên địa bàn Hà Nội chất thải từ các cơ sở chế biến tinh bột hàng ngày khoảng lớn hơn 1100 ngàn tấn (bảng 1)
Mặt khác, xu hướng phát triển trong chăn nuôi bò và lợn tăng khoảng 10% /năm Cả nước nhu cầu về thức ăn chăn nuôi hiện nay hơn 24 triệu tấn/năm, sản xuất trong nước mới chỉ đáp ứng được 60-70%, số còn lại vẫn phải nhập khẩu (protein động vật, thực vật, premix, phụ gia, nguyên liệu thô) với giá thành cao, chất lượng và giá cả không ổn định, dẫn đến lợi nhuận của người chăn nuôi thấp, chưa khuyến khích được chăn nuôi phát triển Trong khi chúng
ta đang bỏ đi một lượng lớn nguyên liệu bã thải chứa tinh bột sống
2.2 Xử lý các chất thải từ các làng nghề chế biến tinh bột bằng chế phẩm sinh học
Từ chất thải này từ các cơ sở chế biến tinh bột khi được xử lí bằng chế phẩm sinh học chứa (đa enzyme phân hủy tinh bột sống và lợi khuẩn) sẽ tạo ra loại thức ăn chăn nuôi giàu dinh dưỡng, giá trị cao, đồng thời góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường
Sử dụng chế phẩm đa enzme trong thủy phân tinh bột sống cung cấp nhiều lợi thế hơn hơn việc xử lí nguyên liệu theo truyền thống: tinh bột nấu chín vẫn phải qua giai đoạn hồ hóa nguyên liệu, hạ nhiệt độ, rồi bổ sung enzyme thủy phân tinh bột để đường hóa, nên chí phí năng lượng (than, củi, điện) còn khá cao, tốn nhiều công lao động, giá thành còn cao; phương pháp dùng axit để thủy phân tinh bột thành thì rất độc hại và ô nhiễm môi trường, thiết bị dùng khá đắt (Hình 2)
Trang 8Hình 2 So sánh phương pháp đường hóa và lên men (truyền thống), đường hóa và lên men của đề tài (SSF: đường hóa và lên men đồng thời).
Trong khi đó sử dụng enzyme thủy phân tinh bột sống, hiệu quả ở điều kiện thường, giảm chi phí năng lượng từ 40-50%, thiết bị sử dụng đơn giản không đắt tiền, độ bền của thiết bị lâu hơn, tạo ra các sản phẩm chất lượng cao hơn, hiệu quả năng lượng hơn, môi trường làm việc an toàn, thân thiện với môi trường (Matsumoto et al., 1982) (Hình 2)
Các chủng nấm sợi như Aspergillus sp., A usami, Rhizopus sp sinh tổng
hợp enzyme α-amylases, α-glucoamylase, vv… với hoạt tính thủy phân tinh bột sống mạnh ở giải nhiệt độ rộng (30-60oC), hoạt tính mạnh nhất ở nhiệt độ tối ưu
55oC, enzyme này đã được sử dụng nhiều trong chế biến thực phẩm, và đồ uống như sản xuất rượu bằng con đường đường hóa và lên men đồng thời, sản xuất maltose, glucose, vv…
Hơn nữa, các chủng vi khuẩn thuộc chi Lactobacillus, Bacillus có khả
năng ức chế mạnh các vi khuẩn gây bệnh và hỗ trợ, tăng khả năng xúc tác của enzyme tiêu hóa
Chủng Saccharomyces cung cấp hàm lượng protein, acid amin và ß-glucan
cao, giúp vật nuôi mau lớn và tăng khả năng miễn dịch Do đó, việc bổ sung
Lactobacillus, Bacillus, Saccharomyces vào trong chế phẩm sinh học để xử lý
nguồn nguyên liệu giàu tinh bột làm thức ăn cho gia súc mang lợi ích kinh tế cao
Việc nghiên cứu sản xuất glucoamylases (GA), α-amylase trên môi
trường xốp bởi chủng Aspergillus awamori, Aspergillus usamii, Aspergillus
Trang 9oryzae được sử dụng phổ biến trong công nghiệp từ trước đến nay Sử dụng một
số cơ chất là sản phẩm phụ của nông nghiệp như cám lúa mì, cám gạo, trấu, bột đậu xanh, bột mì, bột ngô, bã trà, chất thải dầu dừa vv…
Hình 3 Thức ăn chăn nuôi các dạng so với sản phẩm của đề tài
Trang 10CHƯƠNG III VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Vật liệu nghiên cứu.
Chủng nấm sợi Aspergillus usami phân lập từ đất trồng sắn, được lưu tại
Phòng các chất chức năng sinh học, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam Chủng này dùng để sản xuất enzyme α-amylases, α-glucoamylase, xellulases trên môi trường xốp
Các chủng lợi khuẩn như Bacillus, Lactobaccilus, Saccharomyces,… )
được phân lập, chọn lựa từ các sản phẩm lên men truyền thống Các chủng này được sử dụng trong lên men dịch sau thủy phân tinh bột sống
3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3 2.1.Đối tượng nghiên cứu
• Đối tượng nghiên cứu chủ yếu là phần bã thải từ các cơ sở chế biến tinh bột trên địa bàn Hà nội
• Các chủng vi sinh vật: Các chủng nấm sợi Aspergilus …….sinh tổng hợp
enzyme α-amylases, α-glucoamylase, xellulases, vv… với hoạt tính cao
• Các chủng vi khuẩn thuộc chi Lactobacillus, Bacillus có khả năng ức chế
mạnh các vi khuẩn gây bệnh, hỗ trợ, và tăng khả năng xúc tác của enzyme tiêu hóa
• Chủng Saccharomyces cung cấp hàm lượng protein, acid amin và
ß-glucan cao, giúp vật nuôi mau lớn và tăng khả năng miễn dịch
3.2.2 Phạm vi nghiên cứu
• Bã thải từ các cơ sở chế biến tinh từ Xã Cát Quế - Hoài Đức, Hà nội và các các cơ sở chế biến tinh bột ở Hà Nội
• Thí nghiệm được tiến hành tại Phòng các chất chức năng, Phòng thí nghiệm trọng điểm về công nghệ gen, Viện Công nghệ sinh học – Viện Hàn lâm
và công nghệ Việt Nam
3.3 Phương pháp nghiên cứu:
3.3.1 Phương pháp nuôi cấy chủng nấm sợi chọn lọc sinh tổng hợp đa enzyme để phân giải chất thải tinh bột
Việc lên men được thực hiện qua 2 giai đoạn (giai đoạn lên men lỏng để tạo giống cấp 1 và cấp 2) Giai đoạn lên men xốp trên cơ chất cám-gạo, bã rong
và để sản xuất đa enzyme
Phương pháp lên men lỏng trong tạo giống các chủng lợi khuẩn Lên men lỏng dịch sau đường hóa bã thải từ chế biến tinh bột bởi các chủng lợi khuẩn
3.3-2 Phương pháp lên men:
Sản xuất enzyme thủy phân tinh bột sống (α-amylases, α-glucoamylase), cellulase qua 2 giai đoạn: lên men lỏng (submerged fementation) và lên men rắn (solid fermentation)
Trang 11Lên men lỏng: Trong nghiên cứu này lên men lỏng được dùng cho sản
xuất giống cấp 1 và cấp 2 (bào tử và sợi nấm-mycelium), hoặc giống probiotic trong môi trường lỏng có chứa những cơ chất công nghiệp, hoặc sản phẩm phụ của nông nghiệp (cám, cám gạo) đã được cấp ẩm (80-90%) để phù hợp với từng chủng nấm vi sinh vật, được khử trùng ở 121oC trong 30 phút, trộn đều với giống (từ môi trường lên men lỏng) với tỷ lệ là 10% (giống/cơ chất) Sau khi được ủ với giống, lên men được thực hiện ở nhiệt độ khoảng 25-30oC, thời gian lên men 72 giờ
Lên men lỏng có nhiều điểm không được thuận lợi như:
+ Yêu cầu thiết bị lên men gia công đắt tiền, công nghệ sản xuất phức tạp (yêu cầu các thiết bị đi kèm đắt tiền như điều chỉnh pH, khuấy, phá bọt, cấp khí) + Chi phí về tiền bạc và thời gian, nước thải sau các mẻ lên men khá lớn yêu cầu thiết bị để xử lí phức tạp hơn
+ Yêu cầu cán bộ vận hành hệ thống lên men lỏng phải có trình độ (phải được đào tạo công phu hơn, mất nhiều thời gian hơn), khó kiểm soát tạp nhiễm trong quá trình sản xuất
Tuy nhiên, lên men lỏng cũng có nhiều lợi ích như sau mẻ lên men lỏng sản phẩm dễ dàng phân tách, tinh sạch hơn Đặc biệt sinh khối thu được sau lên men có độ sạch cao hơn
Lên men xốp: Lên men xốp có nhiều ưu điểm hơn so với lên men lỏng:
+ Thiết bị dùng trong lên men xốp đơn giản, dễ gia công sản xuất
+ Tiết kiệm được chi phí về xử lí nước thải sau khi lên men (nước thải sau lên men xốp hầu như rất ít), tiết kiệm được nước sạch sử dụng trong quá trình lên men, bã sau khi lên men dễ xử lí làm phân hữu cơ-vi sinh
+ Yêu cầu trình độ kỹ thuật thao tác đơn giản của nhân viên (chỉ cần kỹ thuật viên sau khi nắm được nguyên lí vận hành có thể thực hiện được)
+ Dễ dàng kiểm soát tạp nhiễm; Tuy nhiên, lên men xốp cũng có những nhược điểm như: để tinh sạch enzyme, sản phẩm thứ cấp từ lên men xốp yêu cầu phức tạp hơn
Lên men xốp được tiến hành trên nhiều loại cơ chất, rẻ, dễ mua như (cám, cám gạo, trấu, bột bã đậu, bột mì, bột ngô, bã trà, chất thải dầu dừa, vv…) có thể
1 loại cơ chất hoặc 2 hay nhiều loại kết hợp với nhau, được cấp ẩm (từ 40-85%) tùy thuộc vào loại cơ chất và chủng giống lên men, sau đó cơ chất đã được cấp
ẩm được khử trùng, để nguội rồi được trộn với giống cấp 1 hoặc cấp 2 (10%,