Tìm hiểu các phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ

Khoá luận tốt nghiệp 2011 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề: Nước ta nước nông nghiệp hàng năm thải lượng lớn đến hàng triệu chất phế thải trấu, bã mía, vỏ hạt điều, vỏ lạc, rơm, vỏ cafe,… Cụ thể, năm nguồn sinh khối trấu 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 Trong đó, phụ phẩm trấu tập trung chủ yếu Đồng Sông Cửu Long, Đồng Bắc Bộ duyên hải Nam trung Phụ phẩm mùn cưa tập trung nhiều Miền Trung, Tây Nguyên, Tây Bắc Vỏ cà phê có nhiều tỉnh Tây Nguyên Mặt hạn chế phụ phẩn nơng nghiệp số loại có hàm lượng chất xơ cao, thí dụ rơm lúa chứa 34% chất xơ, cịn mía chứa 43% tính chất khơ, nên khó tiêu hóa Mặt khác số loại phụ phẩm lại khó chế biến dự trữ thu hoạch đồng loạt lạc, dây lang, sắn, mía Một số nơi người nơng dân sử dụng phế thải nông nghiệp để làm chất đốt không hiệu quả, đốt bỏ gây ô nhiễm môi trường sống nghiêm trọng, chí số nơi chúng không sử dụng lãng phí Cùng với phát triển nề nơng nghiệp, qui mô sản xuất ngày lớn tập trung, chế phẩm nông nghiệp ngày nhiều, việc nghiên cứu sử dụng chúng phục vụ cho đời sống công nghiệp trở nên cần thiết Những hướng ứng dụng để xử lý nguồn phụ phẩm nơng nghiệp tìm hiểu thơng qua đề tài 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,… SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 Khố luận tốt nghiệp 2011 Việc chọn đề tài: “Tìm hiểu phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ” mục đích nhằm tìm hiểu rõ việc làm để xử lý cách có hiệu nguồn phụ phế phẩm giàu xơ nước 1.2 Mục tiêu: Tìm hiểu thành phần cấu tạo phụ phế phẩm giàu xơ Việt Nam phương pháp xử lý thích hợp để ứng dụng làm thức ăn đại gia súc, ủ compost làm phân bón sản xuất bio-ethanol 1.3 Nội dung nghiên cứu:  Tổng quan 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 phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ: hóa lý sinh học  Tổng quan thức ăn gia súc nhai lại qui trình xử lý phụ phế phẩm giàu xơ làm thức ăn gia súc nhai lại  Tổng quan phương pháp ủ compost phụ phế phẩm giàu xơ làm phân bón hữu  Tổng quan phụ phế phẩm giàu xơ để sản xuất bio-ethanol 1.4 Phương pháp thực khóa luận: Tổng hợp tài liệu Tham khảo ý kiến chuyên gia SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 Khố luận tốt nghiệp 2011 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHỤ PHẾ PHẨM NƠNG NGHIỆP 2.1 Định nghĩa phụ phế phẩm nơng nghiệp: Là sản phẩm nông nghiệp không đạt tiêu chuẩn kích thước, phẩm chất, giá trị sử dụng quy định, phải loại bỏ nhằm đảm bảo yêu cầu sử dụng chế biến Phụ phẩm nông nghiệp chất hữu cơ, cịn non, xanh; xơ cứng silic hố trấu hay lignin hố gỗ Chúng cịn xem dạng tích trữ lượng từ mặt trời nhờ trình quang tổng hợp q trình sinh học khác sản xuất nơng nghiệp 2.2 Nguồn gốc, thành phần tính chất phụ phế phẩm nơng nghiệp: 2.2.1 Nguồn gốc: Trong q trình sản xuất nông nghiệp hay chế biến nông sản, bên cạnh sản phẩm chính, dù muốn hay khơng cịn có phần sản phẩm phụ khác Chẳng hạn trồng lúa, hạt lúa thu hoạch được, ta cịn có rơm, gốc rạ; xay lúa, ngồi gạo, ta cịn có tấm, cám, trấu, bụi,…Khi chăn ni gia súc, ngồi sản phẩm thịt, trứng hay sữa, sức kéo, ta cịn có phân… Khối lượng phụ phẩm lớn, riêng loại ngũ cốc, phần ăn chiếm phân nửa hay phần ba khối lượng Những phụ phẩm thực nguồn tài nguyên phong phú có giá trị; chúng cịn sử dụng cho nhiều mục đích khác tạo thêm giá trị, thu nhập cho nông dân, không, chúng gây nên nhiễm mơi trường SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 Khố luận tốt nghiệp 2011 2.1.1 Thành phần tính chất: Ở nước ta nguồn phụ phẩm nơng nghiệp ước tính dựa khảo sát khối lượng thực tế loại phụ phẩm tính đơn vị diện tích, sau ước tính tổng khối lượng cho tồn quốc, dựa vào số liệu thống kê diện tích gieo trồng hàng năm Khối lượng quy đổi chất khô để tiện cho việc so sánh, đánh giá (bảng 2.1) Bảng 2.1: Ước tính khối lượng nguồn phụ phẩm nơng nghiệp Việt Nam Tên phụ phẩm Diện tích gieo trồng (triệu Khối lượng phụ phẩm ha/ năm) (Tr 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, 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 phụ phẩn nơng nghiệp số loại có hàm lượng chất xơ cao, thí dụ rơm lúa chứa 34% chất xơ, cịn mía chứa 43% tính chất khơ, nên khó tiêu hóa Mặt khác số loại phụ phẩm lại khó chế biến dự trữ thu hoạch đồng loạt lạc, dây lang, sắn, mía SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 Khố luận tốt nghiệp 2011 Đó lý làm cho người nông dân sử dụng phần loại phụ phẩm dạng tươi làm thức ăn cho gia súc Bảng 2.2: Giá trị dinh dưỡng số phụ phẩm nơng nghiệp Việt Nam % tính chất khô Tên phụ phẩm Chất Chất xơ Protein khô (%) Tổng chất Năng lượng trao dinh tiêu dưỡng đổi - ME, (Kcal/ hóa - kg chất khơ) TDN 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, sắn 25,5 22,7 16,9 67,5 2549 Các số liệu (bảng 2.2) cho thấy hàm lượng xơ rơm lúa, ngô già mía cao; nên cần chế biến tác nhân hóa học hay sinh học để nâng cao tỷ lệ tiêu hóa chất xơ chất hữu khác Nhìn chung loại phụ phẩm chứa nguồn chất dinh dưỡng tiềm tàng cao, tổng chất dinh dưỡng tiêu hóa (TDN) cịn thấp Do cịn nhiều khả nâng cao hiệu sử dụng nguồn chất dinh dưỡng tiềm tàng phụ phẩm nông nghiệp tác động khâu chế biến phối hợp phần cách hợp lý để nâng cao tỷ lệ tiêu hóa chất hữu chúng SVTH: Trần Ngọc Phú Quí Lớp: 08CSH2 Khoá luận tốt nghiệp 2011 Về nguyên tắt chất xơ rơm rạ loại thức ăn thô tương tự chủ yếu cellulose, hemicelluloses, lignin, gọi chung lignocellulose Giữa chúng có liên kết hố học tạo nên từ bền vững màng tế bào thực vật 2.3 Thành phần cấu tạo phụ phế phẩm giàu xơ 3.1 Cấu trúc lignocelluloses: 2.3.1.1 Cấu trúc thành tế bào thực vật : Trong tự nhiên, lớp thành tế bào thực vật minh họa mơ hình gỗ (Hình 3.1) Ở tế bào, có hợp chất đóng vai trị keo dán gắn kết tế bào lại với nhau, lớp gian bào (middle lamella) Lớp cấu tạo từ chất keo, có chất pectin khơng có tác động quang học Bên thành tế bào sơ cấp (primary wall) Hình 2.1: Cấu trúc thành tế bào thực vật Thành tế bào sơ cấp chia thành mặt bên mặt bên Sự xếp vi sợi thành tế bào sơ cấp phân tán tăng dần từ mặt mặt Tiếp đến thành tế bào thứ cấp gồm lớp: lớp (S1), lớp (S2) lớp (S3) SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 Khố luận tốt nghiệp 2011 Sự phân chia thành tế bào thứ cấp thành ba lớp S chủ yếu định hướng khác vi sợi ba lớp Điển hình vi sợi định hướng xoắn vách tế bào Lớp thành tế bào thứ cấp, vi sợi định hướng cấu trúc xoắn chéo có độ nghiêng tạo thành góc lớn với trục dọc tế bào Lớp lớp dày lớp có góc nhỏ độ nghiêng sợi xoắn ốc vi sợi lớp xếp lớp ngoài, với góc rộng với trục dọc tế bào Ngồi số trường hợp, mặt thành tế bào có lớp sần sùi (W) Chức thành tế bào chống đỡ cho quan đặc biệt vách dày cứng Thành tế bào giữ chức quan trọng hấp thụ, nước hay vận chuyển tiết Lignocellulose thành phần cấu trúc thực vật thân gỗ thực vật khác cỏ, lúa, ngơ…Trong tự nhiên, tìm thấy lignocellulose thực vật hay chất thải nông nghiệp, lâm nghiệp chất thải rắn thành phố Thành phần chủ yếu lignocellulose cellulose, hemicellulose lignin (Hình 3.2) Cellulose hemicellulose đại phân tử cấu tạo từ gốc đường khác nhau, lignin polymer dạng vòng tổng hợp từ tiền phenylpropanoid Thành phần cấu tạo phần trăm polymer khác loài Hơn nữa, thành phần cấu tạo hay khác khác dựa vào độ tuổi, giai đoạn sinh trưởng, phát triển điều kiện khác Thành phần lignocellulose trình bày (Bảng 3.1) SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 Khố luận tốt nghiệp 2011 Hình 2.2: Thành phần chủ yếu lignocelluloses Hình 2.3: Tỉ lệ % thành phần có lignocelluloses SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 Khố luận tốt nghiệp 2011 Bảng 2.3: Thành phần lignocellulose rác thải 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 0-15 Vỏ trấu 32.1 24 18 Vỏ trấu lúa mì 30 50 15 Rác phân loại 60 20 20 Lá 15-20 80-85 Hạt bong 80-95 5-20 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 lợn 28 - Phân bón gia súc 1.6-4.7 1.4-3.3 2.7-5.7 Cỏ bờ biển Bermuda 25 35.7 6.4 Cỏ mềm 45 31.4 12.0 SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 Khố luận tốt nghiệp 2011 Các loại cỏ (trị số trung bình 25-40 25-50 10-30 30 18.9 cho loại) Bã thô 33.4 Lượng lớn lignocellulose thải từ ngành lâm nghiệp, nông nghiệp, công nghiệp giấy gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, lượng lớn sinh khối thực vật dư thừa coi rác thải biến đổi thành nhiều sản phẩm có giá trị khác nhiên liệu sinh học, hóa chất, nguồn lượng rẻ cho q trình lên men, bổ sung chất dinh dưỡng cho người thức ăn cho động vật 2.3.1.2 Cellulose : Cellulose hợp chất hữu có cơng thức cấu tạo (C6H10O5)n, thành phần chủ yếu thành tế bào thực vật, gồm nhiều cellobiose liên kết với nhau, 4-O- (β-DGlucopyranosyl)-D-glucopyranose (Hình 3.4) Cellulose hợp chất hữu nhiều sinh quyển, hàng năm thực vật tổng hợp khoảng 1011 cellulose (trong gỗ, cellulose chiếm khoảng 50% bơng chiếm khoảng 90%) Hình 2.4: Cơng thức hóa học cellulose Các mạch cellulose liên kết với nhờ liên kết hydro liên kết van Der Waals, hình thành hai vùng cấu trúc tinh thể vơ định hình Trong vùng tinh thể, phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng khó bị cơng enzyme hóa chất SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 10 Khoá luận tốt nghiệp 2011  Vi sinh vật: Chế biến compost trình phức tạp bao gồm nhiều loại VSV khác Vì sinh vật trình chế biến phân hữu bao gồm: actinomycetes vi khuẩn Những loại VSV có sẵn chất hữu cơ, bổ sung thêm VSV từ nguồn khác để giúp trình phân hủy xảy nhanh hiệu  Vi khuẩn: có mặt hầu hết giai đoạn sản xuất compost Hoạt động VSV trình ủ compost có đến 80 – 90% vi khuẩn, bao gồm Streptococus sp, Bacillus sp, Vibro sp  Actinomycetes: thường xuất vào khoảng tuần thứ – trình ủ bao gồm: Micromonospora, Streptomyces, Actinomycetes  Nấm: giới hạn nhiệt độ nấm khoảng 600C gồm loại: Aspergillus, Penicillin, Fusarium, Trichoderma Chaetomonium  VSV gây bệnh: yêu cầu sản xuất compost phải hạn chế đến mức tối đa lồi VSV gây hại có sản phẩm Theo lý thuyết nguyên liệu để sản xuất compost chứa phân, chất thải sinh học sản phẩm đầu lồi gây bệnh Tuy nhiên thực tế nguyên liệu đầu vào cho trình chế biến compost lúc đáp ứng yêu cầu Do đó, để đảm bảo tiêu chuẩn tiêu diệt mầm bệnh cho trồng, lúc vận hành chế biến compost phải đảm bảo nhiệt độ để tiêu diệt hết mầm bệnh  Chất hữu cơ: Vận tốc phân hủy dao động tuỳ theo thành phần, kích thước, tính chất chấthữu Chất hữu hồ tan dễ phân hủy chất hữu khơng hồ tan Lignin ligno – cellulosics chất phân hủy chậm SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 66 Khố luận tốt nghiệp 2011 Bảng 5.3: Các thông số quan trọng q trình ủ compost hiếu khí (Nguồn: Tchobanoglous cộng sự, 1993) SVTH: Trần Ngọc Phú Quí Lớp: 08CSH2 67 Khoá luận tốt nghiệp 2011 5.4 Ủ compost nguồn phụ phế phẩm giàu xơ: Sử dụng VSV xử lý môi trường hướng giới nước quan tâm với lợi ích: thân thiện, khơng tạo sản phẩm độc hại cho mơi trường, chi phí xử lý thấp,…Trong đó, chuyển hóa nguồn phế thải sau thu hoạch giàu cellulose nhờ VSV giải pháp hữu ích vừa tạo nguồn phân bón lớn cung cấp cho trồng vừa giải pháp phát triển nông nghiệp bền vững Quy trình sản xuất chế phẩm sinh học Compost Maker bao gồm chủng VSV: VSV phân giải cellulose; VSV phân giải lân; VSV cố định đạm VSV hỗ trợ than bùn có mật độ chủng vi sinh vật từ 10 -10 CFU/g Việc sản xuất vi sinh vật từ phụ phẩm đơn giản dễ thự hiện:  Xử lý thô nguồn nguyên liệu phụ phế phẩm nông nghiệp nhà máy chế biến  Phối trộn với chế phẩm Compost Maker vài phụ liệu khác đạm, kali, rỉ mật…  Độ ẩm cuối hỗn hợp cần đạt từ 45-50% Ủ hỗn hợp với chiều cao tối đa đống ủ 0,5 mét (nơi ủ có mái che để tránh mưa) Sản phẩm phân bón hữu thu tơi xốp, đạt mật độ chủng VSV đưa vào xử lý lớn 10 CFU/g, không chứa chủng VSV gây hại (như loại nấm Fusarium, Aspergillus niger vi khuẩn gây bệnh héo xanh họ cà…), hàm lượng nitơ, kali, photpho hữu hiệu đạt tiêu chuẩn phân bón SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 68 Khoá luận tốt nghiệp 2011 Chế phẩm Compost Maker phân bón hữu vi sinh rút ngắn thời gian xử lý hợp chất hữu chủng vi sinh vật phân giải nhanh; rút ngắn thời gian xử lý phụ phế phẩm; nhiệt độ sinh khối ủ tăng sau 1-2 ngày đạt cực đại 45 - 70 C sau 7-15 ngày Sau 30 ngày ủ, nguyên liệu phân huỷ 100%, bón cho chè suất tăng 25% so với chưa sử dụng nguồn phân hữu vi sinh Sản phẩm tạo chất giàu carbon chuyển hóa màu dễ bị mùn, khử mùi hơi, an tồn trồng, góp phần giảm thiểu nhiễm mơi trường 5.5 Chất lượng compost: dựa bốn yếu tố: Mức độ lẫn tạp chất: thuỷ tinh, plastic, đá, kim loại nặng, chất thải hoá học, thuốc trừ sâu Nồng độ chất dinh dưỡng: dinh dưỡng đa lượng N, P, K; dinh dưỡng trung lượng Ca, Mg, S; dinh dưỡng vi lượng Fe, Zn, Cu, Mo, Co, Bo,… Mật độ VSV gây bệnh: thấp mức không ảnh hưởng đến trồng Độ ổn định: độ chín hoại phân hàm lượng chất hữu 5.6 Tính cần thiết compost: Cải thiện cấu đất: phân hữu vi sinh bón vào đất làm cho nơi có đất sét, đất bạc màu, đất quánh rã gặp lại đất cát lại làm cho đất cát rời dính lại với nhau, giúp đất thơng khí dễ dàng Qn bình độ pH đất: phân hữu cớ vi sinh ứng đầy đủ chất hữu cớ để chống lại thay đổi pH SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 69 Khố luận tốt nghiệp 2011 Tạo màu mỡ đất: phân hữu vi sinh chưa Nito, photpho, lân, magie, lưu huỳnh đặc biệt chất hấp thụ vào đất Duy trì độ ẩm cho đất: chất hữu phân hoà tan vào đất trở thành miếng xốp hút nước luân chuyển nước vào đất nuôi Nếu đất thiếu chất hữu khó thẩm thấu nước từ đất bị đóng màng làm nước bị ứ đọng mặt gây lụt lội, xối mịn đất Tạo mơi trường tốt cho vi khuẩn có lợi đất sinh sống: phân hữu vi sinh có khả cung cấp chất dinh dưỡng làm cho đất tơi xốp, từ tạo môi trường sống cho loại côn trùng loài vi sinh chống lại tuyến trùng làm hư rễ tiêu diệt loại côn trùng phá hoại đất, gây bệnh cho trồng Trung hòa độc tố đất trồng: Những nghiên cứu quan trọng gần phát triển đất trồng có bón phân hữu vi sinh, hấp thụ chì, kim loại nặng chất nhiễm đô thị Dự trữ Nitơ: Phân hữu vi sinh nhà kho nitơ, bị ràng buộc q trình phân hủy, nitơ hịa tan nước khơng bị thấm hay oxy hóa vàokhơng khí khoảng thời gian từ – tháng phụ thuộc vào nhiều đống phân đổ có trì Thơng khí: Cây đạt 95% chất dinh dưỡng cần thiết từ không khí,ánh sáng nước Đất trồng khơng chặt khít, khỏe mạnh giúp cho khuếch tán không vào đất trồng trọt vào tro đổi chất dinh dưỡng độ ẩm oxit carbon thoáng chất hữu cơ, phân hủy khuếch đất trồng hấp thụ vòm bên trên, tạo cách nhau, gần Tân tiến trình tái sinh: Đất cung cấp cho ta thực phẩm,quần áo nơi sinh sống chúng ta, khép kín chu trình cung cấp độ phì nhiêu, sức khỏe cộng đồng thông qua chế biến vật liệu SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 70 Khố luận tốt nghiệp 2011 Bảng 5.4: Tiêu chuẩn ngành 10 TCVN 525 – 2002 phân hữu VSV từ bã mía Bộ Nông Nghiệp Phát Triển Nông Thôn Tên tiêu Đơn vị tính Mức Hiệu trồng Tốt Độ chín (hoai) cần thiết Tốt Đường kính hạt khơng lớn mm 4-5 Độ ẩm không lớn % 35 pH 6,0-8,0 106 Mật độ vi sinh vật hữu hiệu (đã tuyển CFU/ g mẫu chọn) không nhỏ Hàm lượng cacbon tổng số không nhỏ % 13 Hàm lượng nitơ tổng số không nhỏ % 2,5 Hàm lượng lân hữu hiệu không nhỏ % 2,5 10 Hàm lượng kali hữu hiệu không nhỏ % 1,5 11 Thời hạn bảo quản không tháng ( Nguồn: Bộ Nông Nghiệp Phát Triển Nơng Thơn, 2002) SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 71 Khoá luận tốt nghiệp 2011 CHƯƠNG 6: ỨNG DỤNG PHỤ PHẨM GIÀU XƠ TRONG VIỆC TẠO NGUỒN NHIÊN LIỆU SẠCH (BIO-ETHANOL) 6.1 Giới thiệu: Nguồn phế liệu nơng nghiệp lâm nghiệp có chất lignocelluloses thực nghiên cứu sản xuất làm cồn sinh học Đó nguồn ngun liệu dồi dào, khơng giúp hạn chế cạnh tranh nguồn đất dùng cho sản xuất thực phẩm mà giúp cho việc tái sử dụng nguồn phế liệu cách hiệu Việc sản xuất ethanol từ nguồn đem lại nhiều nguồn lợi phát triển bị hạn chế khó khăn mặt kinh tế kỹ thuật cách tối ưu Sơ đồ 6.1: Qui trình sản xuất ethanol từ nguồn phế liệu lignocellulose 6.2 Cách thực hiện: 6.2.1 Bước 1: Quá trình tiền xử lý nguyên liệu: Nhằm tạo dạng cellulose đơn giản trình thuỷ phân dễ dàng hơn, enzyme tiếp xúc tối đa với chất tương thích Phương thức hiệu trình tiền xử lý thay đổi tuỳ thuộc vào đặc tính cấu trúc nguồn nguyên liệu lựa chọn SVTH: Trần Ngọc Phú Quí Lớp: 08CSH2 72 Khoá luận tốt nghiệp 2011 Giai đoạn bao gồm:  Sử dụng học làm giảm kích thước ngun liệu  Một số phương pháp hố sinh để loại bỏ lignin (lignin thành phần không chuyển đổi thành ethanol) Rất nhiều phương pháp sử dụng bao gồm phương pháp hoá học phương pháp xử lý nước kết hợp với xử lý acid/alkali sử dụng rộng rãi Tuy nhiên xử lý phương pháp hoá học gây nhiều tốn ảnh hưởng đến môi trường, phương pháp sinh học dần hoàn thiện để thay toàn phần hay sử dụng kết hợp với phương pháp hoá học Bằng cách sử dụng loại nấm Cyathus sp, Streptomyces viridosporus, Phelebia tremellosus, Pleurotus florida Pleurotus cornucopiae có khả phân huỷ lignin hỗ trợ phần thuỷ phân nguồn nguyên liêuh cellulose Tuy nhiên, thời gian xử lý kéo dài hạn chế lớn phương pháp 6.2.2 Bước 2: Thuỷ phân nguồn nguyên liệu tổ hợp enzyme: Quá trình gây tiêu tốn nhiều chi phí gai đoạn sản xuất cồn Bằng kỹ thuật di truyền, nhà nghiên cứu hướng đến việc tạo tổ hợp enzyme thuỷ phân nguồn nguyên liệu lignocelluloses hiệu Thuỷ phân hồn tồn nguồn lignocelluloses cần có chuyển đổi nhóm polysaccharide sau:  Glucosidase tạo sản phẩm cuối glucose (β – 1,4 – glycoside) Quá trình thuỷ phân tổ hợp enzuyme cellulose bao gồm cellobiohydrolase (exoglucanase), endoglucose β – D – glucose thông qua liên kết β chuyển đổi cellulose: Cellulose loại polysaccharide đồng hình cấu thành từ đơn phân  L- arabinofuranosidase, α – glucuronidase α – xylosidase, β – xylanse chuyển đổi hermicellulose: hermicellulose thành phần dồi thứ hai nguồn nguyên liệu lignocelluloses (25 – 30%) Hermicellulose loại polymer dị hình tạo thành từ đơn phân pentose (D-xylose, D-arabinose), đơn phân hexose SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 73 Khố luận tốt nghiệp 2011 (D-mannose, D- glucose, D-galactose) acid đường Xylan thành phần thường thấy thân gỗ cứng, nhiên glucomanan lại thành phần loại thực vật thân mềm tổ hợp enzyme để thuỷ phân hermicellulose phức tạp Chuyển hoá pectin: pectin thành phần chiếm thứ ba nhóm polysaccharide cấu thành nên vách tế bào thực vật Tương tự pectin chuyển hố thành dạng đường hồ tan, ethanol hay biogas Một số enzyme liên quan đến thuỷ phân pectin như: polymethylgalacturanosidase, exopolygalacturanosidase, exopolygalacturonase hydrolase Nguồn ezyme sử dụng phố biến Trichoderma reesei Aspergillus niger Hiện nay, người ta thay dần hệ enzyme chịu nhiệt, chịu điều kiện hoá học hạn Hơn hết nghiên cứu phức hợp cellulosone vi khuẩn kỵ khí dần mở đường nhằm tăng hiệu thuỷ phân tổ hợp loại nguyên liệu lignocelluloses 6.2.3 Bước 3: Lên men cồn từ hỗn hợp đường hoà tan: Để sản xuất lượng cồn lớn việc lựa chọn chủng nấm men thích hợp cần thiết Những giống nấm men thường sử dụng sản xuất công nghiệp cồn như: Saccharomyces spp mà số loài S.cerevisiea hay S uvarum giống có khả tạo độ cồn cao (12-13%), hay đặc biệt S oviformis có khả tạo độ cồn 18% đặc biệt loài nấm men có khả lên men nhiều đường khác như: glucose, manose, saccharose, maltose rafinose, nhiên khơng có khả lên men galactose Ngồi cịn có Zymononas mobilis thường sử dụng q trình rượu hố Tuy nhiên Saccharomyces Zymononas sp thiếu hồn tồn khả chuyển hố loại đường pentose Khuynh hướng biến đổi gen hai giống nhằm giúp biểu khả chuyển hoá loại đường pentose phổ biến D-xylose, L – arabinose phát triển nhiều SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 74 Khố luận tốt nghiệp 2011 Gần đây, người ta phát thấy có số lồi nấm men như: Pichia stipitis, Candida shehatae, Pachyhysolen tannophillus chủng có khả chuyển hoá xylose mạnh dùng sản xuất ethanol Trong P stipilis lại bật khả sản xuất hàm lượng cồn cao nhu cầu dinh dưỡng chúng không phức tạp so với giống nấm men khác Ngoài ra, chủng chịu nhiệt độ cao như: G thermoglucosidasius, T mathranii, T saccharolyticum sử dụng Quá trình lên men cồn chúng có nhiều lợi ích q trình chuyển hố xảy nhiệt độ trung bình Chúng có khả lên men không đường pentose, hexose mà cịn có khả lên men cellubiose, chí số trường hợp chất polycarbonhydrate phức tạp cellolose Quá trình lên men nhiệt độ cao giúp trình thu hồi sản phẩm dễ dàng ethanol có chứa nước ( aqueous ethanol) bốc nhiệt độ 550C, đồng thời làm giảm nồng độ cồn bồn lên men nhằm giảm thiểu ảnh hưởng ngược lại nồng độ cồn đến phát triển tế bào, từ giảm chi phí sản xuất 6.2.4 Bước 4: Chưng cất – khử nước: Quá trình tách nước tinh ethanol để đáp ứng đặc điểm kỹ thuật nhiên liệu 6.3 Kết luận: Sự biến đổi phế liệu nông nghiệp thành nguồn nguyên liệu cụ thể ethanol thách thức lớn cho nhà nghiên cứu nhà sản xuất Các chủng cần cải tiến để tăng cường tổng hợp tổ hợp enzyme thuỷ phân hiệu hay tăng cường khả chuyển hoá nhiều dạng đường thành ethanol kỹ thuật biến đổi gen, biến đổi trao đổi chất nên cần phát triển để tạo nguồn lượng chi phí thấp mà khơng ảnh hưởng đến môi trường tương lai SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 75 Khố luận tốt nghiệp 2011 KẾT LUẬN  Trong q trình sản xuất nơng nghiệp hay chế biến nông sản, bên cạnh sản phẩm chính, dù muốn hay khơng cịn có phần sản phẩm phụ khác Khối lượng phụ phẩm lớn, thực nguồn tài nguyên phong phú có giá trị biết cách xử lý, khơng, chúng gây nên nhiễm mơi trường Việc sử dụng tốt nguồn phụ phẩm góp phần làm tăng thu nhập cho nơng dân tăng thu nhập/ha đất nông nghiệp mục tiêu 50 triệu đồng/ha Phụ phẩm nông nghiệp chất hữu cơ, cịn non, xanh; xơ cứng silic hố trấu hay lignin hố gỗ Chúng cịn xem dạng tích trữ lượng từ mặt trời nhờ trình quang tổng hợp trình sinh học khác sản xuất nơng nghiệp Thành phần xơ phụ phế phẩm chủ yếu cellulose, hemicelluloses lignin, chúng liện kết với chặt chẽ làm nên vách tế bào thực vật gọi chung lignocellulose Trong tự nhiên vi sinh vật tổng hợp phức hợp enzyme thủy phân lignin, hemicelluloses cellulose hoạt động hiệp lực nhiều phức hợp enzyme quần thể vi sinh vật SVTH: Trần Ngọc Phú Q Lớp: 08CSH2 76 Khố luận tốt nghiệp 2011 Sử dụng enzyme để xử lý phụ phế phẩm giàu xơ phương pháp tiên tiến làm tăng gia 1trị phụ phế phẩm thực tế gặp nhiều khó khăn người ta phân lập số giới hạn vi sinh vật phâ hủy xơ sản xuất số giới hạn phức hợp enzyme cần thiết Để tạo điều kiện cho enzyme hoạt động tự nhiên (thức ăn giá súc nhai lại) hay tự nhiên (thủy phân xơ thành đường sản xuất bioethanol) Các phụ phế phẩm giàu xơ cần tiền xử lý loại bỏ lignin, phá vỡ mạng lưới liên kết chằng chịt lignin-hemicellulose – cellulose, phá vỡ cấu trúc tinh thể cellulose để tạo điều kiện cho cellulase xylanase hoạt động dễ dàng Ủ compost từ phụ phế phẩm giàu xơ biện pháp giúp xơ phân hủy nhanh hơn, kết hợp với phụ phẩm khác tạo thành phân bón có giá trị Q trình tăng cường sinh học chế phẩm EM chứa vi sinh vật phân hủy xơ phân lập tuyển chọn SVTH: Trần Ngọc Phú Quí Lớp: 08CSH2 77 Khoá luận tốt nghiệp 2011 TÀI LIỆU THAM KHẢO Vũ Duy Giảng, Nguyễn Xuân Bá, Lê Đức Ngoan, Nguyễn Xuân Trạch, Vũ Chí Cương, Nguyễn Hữu Văn (2008) Dinh dưỡng thức ăn cho bị, Nhà xuất Nơng nghiệp, Hà Nội Nguyễn Xuân Trạch (2003) Sử dụng phụ phẩm nuôi gia súc nhai lại, Nhà xuất Nơng nghiệp, Hà Nội Phước Tồn, Thanh Mai, Cơng nghệ sản xuất cồn sinh học từ nguồn nguyên liệu lignocelluloses, 6/2011, http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/cong-nghe-san-xuat-con-sinh- hoc-tu-nguon-nguyen-lieu-lignocellulose.364084.html VHM Nguyễn, Tổng quan tài liệu, 6/2011, http://tainguyenso.vnu.edu.vn/jspui/bitstream/123456789/2522/2/Nguyen%20vm%20h anh-chuong1.doc Võ Thị Tường Vi (2007) Nghiên cứu đánh giá hiệu biện pháp tăng cường sinh học sản xuất compost từ rác thải sinh hoạt, Trường Đại học Kỹ thuật công nghệ TP.HCM, Hồ Chí Minh PGS, TS Bùi Văn Chính, Chế biến sử dụng có hiệu Nguồn phụ phẩm nông nghiệp, chứa nhiều chất xơ cho gia súc, 6/2011, http://www.vcn.vnn.vn/PrintPreview.aspx?ID=3960 ThS Huỳnh Ngọc Điền, Sử dụng tốt nguồn phụ phẩm để tăng thu nhập, 6/2011, http://www.nguyencuong.com.vn/VNews.aspx?IDPar=16&IDChild=103 Nguồn: Số liệu thống kê (2001) – NXB Thống kê, 2002; Bùi Văn Chính, Lê Viết Ly, 1996,2001 Nguồn: Tchobanoglous cộng sự, 1993 10 Nguồn: Bộ Nông Nghiệp Phát Triển Nông Thôn, 2002 11 Nguồn: Renjie Dong, Energy supply and environment protection in coutryside development, 2007 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí Lớp: 08CSH2 78 Khoá luận tốt nghiệp 2011 Table of Contents CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề: 1.2 Mục tiêu: 1.3 Nội dung nghiên cứu: 1.4 Phương pháp thực khóa luận: CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHỤ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP 2.1 Định nghĩa phụ phế phẩm nông nghiệp: 2.2 Nguồn gốc, thành phần tính chất phụ phế phẩm nông nghiệp: 2.2.1 Nguồn gốc: 2.1.1 Thành phần tính chất: 3.1 Cấu trúc lignocelluloses: 2.3.2 Enzyme thủy phân lignocelluloses: 19 2.4 Ứng dụng enzyme lignocellulolytic: 25 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ PHỤ PHẾ PHẨM GIÀU XƠ 27 3.1 Phương pháp vật lý: 28 3.2 Phương pháp hoá học: 29 3.3 Phương pháp sinh học: 37 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG PHỤ PHẨM GIÀU XƠ LÀM THỨC ĂN GIA SÚC 38 4.1 Vai trò đại gia súc việc phát triển nông thôn: 38 4.1.1 Cung cấp sức kéo: 38 4.1.2 Cung cấp thực phẩm: 39 4.1.3 Cung cấp phân bón chất đốt: 39 4.1.4 Cung cấp nguyên liệu chế biến: 40 4.2 Tìm hiểu khả sử dụng thức ăn giàu xơ GSNL: 40 4.2.1 Khả sử dụng thức ăn giàu xơ: 40 4.2.2 Hệ vi sinh vật có cỏ: 43 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí Lớp: 08CSH2 79 Khố luận tốt nghiệp 2011 4.3 Các qui trình chế biến phụ phẩm nông nghiệp làm thức ăn GSNL: 49 4.3.1 Quy trình chế biến rơm lúa phương pháp xử lý ure – vôi: 49 4.3.2 Quy trình chế biến sử dụng tảng ure-rỉ mật: 51 4.3.3 Quy trình chế biến thân lạc phương pháp ủ chua làm thức ăn cho lợn trâu bò: 53 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG Ủ COMPOST TỪ NGUỒN PHỤ PHẨM GIÀU XƠ 57 5.1 Định nghĩa compost: 57 5.2 Các phản ứng sinh hoá xảy trình ủ: 57 5.2.1 Các phản ứng sinh hoá: 57 5.2.2 Các phản ứng sinh học: 59 5.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình ủ compost: 60 5.3.1 Các yếu tố vật lý: 60 5.3.2 Các yếu tố hoá sinh: 63 5.4 Ủ compost nguồn phụ phế phẩm giàu xơ: 68 5.5 Chất lượng compost: dựa bốn yếu tố: 69 5.6 Tính cần thiết compost: 69 CHƯƠNG 6: ỨNG DỤNG PHỤ PHẨM GIÀU XƠ TRONG VIỆC TẠO NGUỒN NHIÊN LIỆU SẠCH (BIO-ETHANOL) 72 6.1 Giới thiệu: 72 6.2 Cách thực hiện: 72 6.2.1 Bước 1: Quá trình tiền xử lý nguyên liệu: 72 6.2.2 Bước 2: Thuỷ phân nguồn nguyên liệu tổ hợp enzyme: 73 6.2.3 Bước 3: Lên men cồn từ hỗn hợp đường hoà tan: 74 6.2.4 Bước 4: Chưng cất – khử nước: 75 6.3 Kết luận: 75 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí Lớp: 08CSH2 80 ... ? ?Tìm hiểu phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ? ?? mục đích nhằm tìm hiểu rõ việc làm để xử lý cách có hiệu nguồn phụ phế phẩm giàu xơ nước 1.2 Mục tiêu: Tìm hiểu thành phần cấu tạo phụ phế phẩm. .. tạo phụ phế phẩm giàu xơ  Các enzyme phân hủy phụ phế phẩm giàu xơ  Tổng quan phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ: hóa lý sinh học  Tổng quan thức ăn gia súc nhai lại qui trình xử lý phụ phế. .. phế phẩm giàu xơ làm thức ăn gia súc nhai lại  Tổng quan phương pháp ủ compost phụ phế phẩm giàu xơ làm phân bón hữu  Tổng quan phụ phế phẩm giàu xơ để sản xuất bio-ethanol 1.4 Phương pháp