1.2.3. L Phế liệu có chứa đường
1.2.3.2. Phế liệu giàu cellulose
Đây là các phê phụ liệu của các ngành nông-lâm-công nghiêp như: rơm ra, \ơ dừa, trấu, mạt cưa, bụng, gai, lừi bắp...cỏc phế liệu của ngành cụng nghiệp đồ hộp, nước giải khát, vỏ quả, bã ép trái cây...
Một sô phê liệu tiêu biểu thuộc nhóm này:
Bã mía [25,40]
Bã mía là phần xác mía còn lại sau khi đã ép lấy dịch đường trong sản xuất đường. Bã mía có độ ẩm khoảng 50% chứa 40 - 50% cellulose: 18 - 23% lignin và 20- 25% hemicellulose(araban, xylan, galactan).
Trên thế giới hàng năm có đến 150 triệu tấn bã mía thâi ra. Phần lớn được sử dụng để đốt lò hơi, phân bón hữu cơ, bột giấy, ván ép, trồng nấm...Ở Việt Nam, bã
mía được sử dụng đốt lò hơi và làm ván ép (nhà máy đường Hiệp Hòa ở Long An), làm phân hữu cơ. Tuy nhiên phần lớn vẫn chưa được tận dung, rât dễ gây ô nhiễm môi trường.
Rơm rạ, các vỏ hạt
Là phế thải của sản xuất nông nghiệp. Hàm lượng cellulose trong rơm lúa gạo là 34 - 38%; trong rơm lua mỡ: 36 - 42%. vỏ đậu phụng chứa đến 70,38% chất xơ; lừi ngô: 38,18%; vỏ khoai mì: 10.35% (theo Agnes 2005)144]
Để tận dụng nguồn phế phụ liệu nàv có hai hướng xử lý là: Xử lý không qua thủy phân và xử lý qua thủv phân.
•ĩ* Xử ỉv phế liệu giàu Cellulose không qua thủy phân
■ Trồng các loại nấm
Mỗi loài nâ'm có khả năng mọc tô't trên một loại cơ châk khác nhau, tuỳ từng loại nâm trồng ứng với loại cơ chât tương ứng mà có cách xử lý và chê biên khác nhau:
- Mạt cưa là nguyên liệu thường dùng trong trồng nâ'm, cần phải ủ lên men.
thời gian lên men dài hay ngắn phụ thuộc vào loai gỗ sử dụng. Đối với các loại gỗ mềm thường ủ từ 3-5 ngày, còn gỗ cứng thì vài tuần hay vài tháng.
Quá trình ủ rất quan trọng, trong thời gian này, các VI sinh vật dặc biệt là xạ khuân sẽ phân giải nguyên liệu thành các thành phần đơn eiản mà nâm có thể hâp thu được. Để điều hoà độ ẩm, người ta còn dùng bột thạch cao (CaS04) hoặc CaC03 trộn vào nguyên liệu. Ngoài việc ủ đống người ta còn dùng các loại hoá chât để thủy giải nhanh cơ chất, thường dùng là Ca(OH)2, dung dịch NaOH. Điều lưu ý là sau khi xử lv bằng hoá chất thì cần điều chỉnh pH cho phù hợp tránh ảnh hưởng đến nấm.
Theo phương pháp mới người ta trồng nấm trên mạt cưa trong các bịch PE: cấy meo nấm vào giữa bịch, nuôi ở nhiệt độ thích hợp. Khi thấy lông tơ, rạch mở bịch. Nấm sẽ mọc ở trong các vị trí khoét lỗ của bịch. Phương pháp này có thể thu nấm nhiều đợt, năng suất cao, đở tốn diện tích trồng...
- Rơm rạ được bó thành từng bó đường kính khoảng 10-15 cm, nhúng nước để làm ẩm, thường thay nước bằng nước vôi 1%. Sau khi làm ẩm, rơm được chất thành đông lớn, đậy vải nylon 2-3 ngàv, bổ sung thêm một số chất (đạm, khoáng...) cần thiết cho nấm.
- Gòn (bông phế thải) là nguyên liệu tốt nhất để trồng nấm rơm. cần phải xé tơi
ra trước khi trồng nấm vì khi rút nước thường bi dẽ chặt, khó khuếch tán oxy ngăn cản hô hấp của nâm. Sau đó ngâm ngập trong nước vôi 0,5% cho ngấm đều. Vớt bông lên chất lên vỉ tre để ráo nước bớt, gom thành đống phủ vải nylon, ủ dưới ánh sáng mặt trời khoảng 3 ngày. Độn thêm trấu vào giữa các lớp bông để tăng độ xốp. Trấu cũng cần được xử lý trước khi độn bằng cách ngâm trong nước vôi 0,5% trong 48giờ.
- Bã mía thường dùng dể trồng nấm rơm và nấm bào ngư. Trước khi sử dụng để trồng nấm phải phơi khô và ngâm nước vôi để tăng pH hoặc sử dụng hơi nước nóng xông từ 30 phút đến 1 giờ làm giảm đường thừa và các acid hữu cơ.
Cùi bắp cũng là một nguyên liệu tốì cho trổng nấm. Cùi bắp có kích thước lớn khó giữ nhiệt và ẩm nên trước khi sử dụng để trồng nấm cần đập vun thành những mảnh nhỏ, sau đó làm ẩm hoặc độn với các loai nguyên liêu khác.Trộn thêm urê hoặc DAP hay cả 2 có nồng độ tổng cộng 2% c , thêm MgSOt từ 1 2%0, cám bắp, cám gạo để bổ sung dinh dưỡng cho nấm.
Quy trình trồng nấm trên phế phụ liệu nông nehiệp được tóm tắt trong sơ đồ 1.1
____I___
Thu hái
■ ủ cho lên men yếm khí [35]
Các nguyên liệu thực vật từ sản xuất nông nghiệp: rơm rạ, bã mía, thân lá ngô khoai, đậu và các loại cây xanh khác. ĐÔI với các loại thực vật có lớp vỏ cứng, chúng ta cần xử lý sơ bộ(chặt, băm nhỏ, đật dập), chất nguyên liệu thành từng đống gồm nhiều lớp, mỗi lớp dầy khoảng 50cm, rắc lên mỗi lớp một ít phân, hàng ngàv tưới nước giữ ẩm. Vào mùa hè, thời gian ủ có thể kéo dài đến 20 ngày.
Sau khi nguyên liệu đã được xử lỷ hiếu khí, chúng ta mới đậv kín để chuyển sang giai đoạn lên men kỵ khí sinh mêtan (biogas).
Sơ đồ 1.1: Quy trình trồng nấm trên các phê phụ liệu nông nghiệp
Ngoài ra, người ta còn sử dụng bã thải khí sinh học làm phân hữu cơ cho trồng trọt, cung cấp thức ăn bổ sung cho chăn nuôi(gia súc, gia cầm, nuôi thủy sản...)
Xử lý phế liệu giàu cellulose qua thủy phân
❖
■ Phương pháp hoá học: sử dụng acid mạnh Cơ chế phản ứng:[40]
Liên kết trong cellulose là các liên kết O-glycoside. Liên kết này kém bền trong môi trường acid: các proton khi bị hvdrat hóa sẽ tân công vào cầu nôi oxygen của liên kết O-glycosiđe để bẻ gẫy chúng. Các proton sẽ tác động ở các vị trí khác nhau trên mạch polvsaccharide làm nó gán dần. Nếu thủy phân xảv ra đến cùng thì sản phẩm cuối là D-glucose. Phương trình tổng quát:
Cellulose (QHHAL
HNO3, H2S04, HC1—^ p.glucose n(C6H12ơ6) t° > 100°C, áp suất
Ưu điểm: nhanh chóng, triệt để, thường áp dụng cho những loại nguyên liệu có độ bền chắc cao.
Nhươc điểm: phải sử dụng các thiết bị chịu axít, áp suâh cao, nhiệt độ cao, nên dễ gâv độc hại cho công nhân và môi trường xung quanh.
ứng dung:
Sau khi thủy phân bằng acid, trung hoà, điều chỉnh nồng đô đường, bổ sung thêm cơ chất dinh dưỡng cho nấm men, thanh trùng, làm nguội, cấy nấm men, nuỏ: tạo sinh khôi.
■ Phương pháp sinh học
Sử đụng hệ cellulase để thủy phân cellulose. Cellulase chủ vếu được thư từ nguồn vsv như nấm mốc Trichoderma reesei, T. schizophylium. các loài vi khuẩn
như Thermonospora và Cloĩridium,...
Cellulose _Cg.Uulase(VK mnếc) . t04O-45°C, nhiều giờ P B
Phương pháp phân giải này có thể được sử dụng theo hai phương án:
- Nuôi vsv ngay trên môi trường cần xử lv: vsv phát triển, tổng hợp cellulase và thủy phân nguyên liệu.
- Sử dụng chế phẩm enzym tinh sạch hơn, hoạt tính cao hơn, phân cắt cơ clứít triệt để hơn bổ sung vào môi trường có cellulose để thủv phân. Tuy
nhiên phương pháp này không có lợi về kình tế do enzym mắc tiền, ứng dụng
❖
Từ nguồn phế liệu giàu cellulose có thể ứng dụng để thu nhận cellulase:
tác giả Lê Thị Hồng Nga (2005) thu nhận chế phẩm cellulase khi nuôi cấy Trichoderma reesei trên bã mía. Chế phẩm có hoạt độ 7,42 Ul/g canh trường [22].
Cũng tận dụng bã mía, tác giả Trương Phước Thiên Hoàng (2007) thu nhận cellulase khi sử dụng chủng Trichoderma haiianum với hoạt độ 14704,07 Ul/g canh trường.[10]
Có thể thu nhận cồn từ nguồn phế liệu này: Sai Ram.M và cộng sự (1991) sử dụng chủng Clostridium thermocellum nuôi trên rơm rạ để thu cồn. cồn thu được có nồng độ 8,óg/l. Hiêu suấ) 0,27g ethanoL/lg cơ chất.[72]
Từ dịch đường thu được từ sự thủv phân cellulose bởi các tác nhân hóa học và sinh học đều có thể nuôi vsv để thu nhận các sản phẩm như: cồn, các acid hữu cơ, chất kháng sinh, sinh khối (SCP),...Trên nguyên liệu bã mía khi cho thủy phân bằng acid để thu nhận dịch đường, Rodrigues D và cộng sự (1999) đã sản xuât xylitol nhờ chủng Candida guiỉUermondii. Hiệu suât thu nhận xylitol đạt 0,84g/g.[74]
Agner E. Asagbra và cộng sự (2005) thu nhận tetracyclin khi nuồi các chủng Sirepỉomyces trờn cỏc phế liệu nụng nghiệp (vỏ đậu phụng, lừi ngụ, vỏ khoai
mì).Trong sô" các chủng sử dụng thì chủng Streptomyces sp cho lượng tetracvclin cao nhất là 13,l8mg/g với cơ châ"t tô"t nhâ"t là vỏ đậu phông.[44]
1.2.23. Phê liệu giàu tinh bột
Nguồn phê liệu này có thể thu được từ các nhà máy sản xuât tinh bột, chê biến ngũ cốc, sản xuất glucose, bột ngọt,...
Để tận dụng nguồn phế phụ liệu thuộc nhóm này có thể theo 2 hướng:
- Tận dụng không qua thủy phân: Thường được sử dụng làm phân bón và bổ sung trong sản xuất thức ăn gia súc, làm môi trườns nuôi vsv để thư nhận enzym
- Tận dụng qua thủy phân: sử dụng tác nhân hóa học và sinh học
❖ Thủy phân bằng acid: Thường dùng (HC1, H2S04).
Tinh bột cũng được tạo thành bới các liên kết O-glycoside nên về cơ chế thủy phân dưới chất xúc tác là acid thì tương tự như thủy phân cellulose (mục 1,2,2,2). Điều cần quan tâm là các vếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủv phân như nồng độ tinh bột, nồng độ acid, nhiệt độ và thời gian thủv phân. Các yếu tố này
cần phải được sử dụng thích hợp để thu được hiêu suất thủy phân cao.
❖ Thủy phân bằng enzym: [10,13,16]
Tinh bột bị thủy phân bởi amylase, thuộc nhóm enzym thủy phân (hyđrolase), xúc tác sự phân giải các liên kết O-ẹlvcoside. Có nhiều loại amylase trong đó có 3 loại tiêu biểu: cc-amylase, P-amvlase và glucoamylaseCy- amylase)(GA)
- Tác dụng của ct-amvlase (a-1,4-glucan-4-elucanhydrolase, EC 3.2.1.1):
a- amvlase có khả năng phân cắt liên kết a-l,4-0-glycoside trong mach polysaccharide một cách ngẫu nhiên. Sản phẩm chủ yếu là các dextrin, ít maltose và glucose (còn gọi là enzym dịch hóa).
- Tác dụng của p-amylase (P-l,4-glucan-4-maltohydrolase, EC 3 2.1.2):
Phân cắt tuần tự từng £ốc maltose từ đầu không khử của mach polysaccharide ở vị trí [3-1,4-O-glycoside. Enzym này hiên diện phổ biến ở
thực vật nhất là ở hạt nẩy mầm, thường được ứng dụng để sản xuất mạch nha.
- Tác dụng của GA (cc-l,4-glucan-glucohydrolase, EC 3.2.1.3): Thủv phân cả liên kết a-l,4-0-glycoside và ot-l,6-0-glycoside trong mạch polysaccharide, tách tuần tự từng gốc glucose từ đầu không khử của mạch.
❖ ứng dụng
Từ nguồn phế phụ liệu giàu tinh bột nàv có thể tận dụng để tạo ra các sản phẩm có giá trị sinh học như: cồn, các acid hữu cơ, sản xuất protein đơn bào (SCP)...thông qua kỹ thuật lên men vsv. Ví dụ: Macros Antonio và cộng sự (2006) đã tận dụng bột mì kém chất lượng với hàm lượng tinh bột 15,6% để lên men thu nhận cồn sau khi sử dụng phương pháp thủy phân tinh bột bằng enzvm.
Tẩc giả sử dụng phối hợp 3 enzym: a-amylase từ Baciỉỉus, p-amylase từ lúa mạch và GA từ Rhiiopus, để thu nhận dịch đường, sau đó sử dụng chủng Saccharomyces cerevisiae lên men tạo cồn. Sau 72 giờ lên men, hàm lượng cồn đạt: 38,6g/l.[65]
Một trong những nguồn phế phụ liệu điển hình thuộc nhóm tinh bột là phế phụ liệu từ nhà máv chế biến tinh bột khoai mì.
Trong công nghệ sản xuất tinh bột khoai mì, đã thải ra hai loại phê liệu là
bã khoai mì và nước thải.
• Bã khoai mì.[ 1,13,15]
Sau khi đã thu tinh bột, bã còn lại chiếm khoảng 20% trong lượng nguyên liệu, gồm carbohydrate chiếm 70 - 72% trong đó tinh bột chiêm khoảng 50 - 60%, chât xơ 10%, protein chiếm 5,3%, tro 2,7%, độ ẩm khoảng 75 - 30%(tính theo trọng lượng khô). Với kv thuật chế biến tinh bột từ khoai mì của các nhà máy hiện đai trên thê giới hiện nay thì lượng bã thải ra khoảng 10%. ỡ nước ta, quá trình chê biên còn mang tính thủ công nên lượng bã thải ra chiêm đên khoảng Vĩ nguyên liệu. Như thế, một nhà máy sản xuất tinh bột khoai mì với công suât trung binh 200 tân củ/ngày có thể thải ra khoảng 120 tấn bã thảt/ngày.
Tân dung bã khoai mì
Trước hêt, bã khoai mì được bổ sung trong thức ăn ata súc. Để nâng cao giá trị dinh dưỡng trong bã sử dụng vsv chủ yếu là mâm mốc dể lên men gia tăng hàm lượng protein. ơ An Độ, sử dụng chủng Trichoderma pseudokomngìi lên men bán rắn trên bã khoai mì đã làm tăng làm lượng protein từ 1,26% lên đến 6.18%
sau 24 ngày ủ.[l].
Từ bã khoai mì. Lê Thị Bích Phương và công sự (2005) đã sản xuất thành công hai loại sản phẩm lên men là ProBio-S và Bio-E. Chế phẩm Bio-E được tạo ra bằng cách cấy chủng nấm mốc Aspegiỉlus niger lên bã khoai mì với tv lệ 2g mốc/kg bã. ủ trong 20 giờ, sau đó được phơi khô, sấy và đóng bao. Quá ưình lên men tạo ra ba loại enzyme (glucoamylase, cellulase và a-amylase) trong sản phẩm.
Ngoài ra, thành phần đạm trong chế phẩm đạt 9-10%, so với 0,2% trong bã khoai ml ban đầu. Còn ProBio-S lại là chế phẩm dạng lỏng, được sản xuất bằng cách cho bã tươi vào những bao tải lớn rồi cấy chế phẩm EM-S chứa nhiều chủng vi sinh vật Bacỉllus sp., Lactobaciỉlus sp., Saccharomyces sp. với tỷ lệ 1 lít EM-S./25kg bã (lml chứa 1010 tế bào vi sinh vật hữu ích), ủ 3 ngày. Chế phẩm ProBio-S giúp cân bằng hệ sinh thái vi sinh vật đường ruột của vật nuôi cũng như giảm lượng vi sinh vật có hại. Nhờ thế mà vật nuôi tiêu hoá tốt hơn, giảm tỷ lệ bệnh đường ruột, tăng trọng nhanh hơn. [85].
Bã khoai mì còn được tận dụng để sản xuất cồn: Teerapatr Srinorakutara và cộng sự (2006) sử dụng a-amylase chịu nhiêt và GA để thủy phân tinh bột trong bã khoai mì, thu nhận dịch đường. Với nồng độ đường ban đầu 89,2g/l cho lên men cồn bởi chủng Saccharomyces cerevisiae sau 24 giờ thu được cồn có nồng dộ
3,62%(w/v). Hiệu suất đạt 91%.[79]. Còn Ở Việt Nam, một nhóm nghiên cứu thuộc Viện Sinh học Nhiệt đới vừa thành công trong việc sản xuất cồn :ừ bã khoai mì, khoai mì lát. Bằng công nghệ đường hóa tinh bột, cứ 15 kg bã khoai mì hoặc 2,5 kg khoai sẽ sản xuất được 1 lít cồn 94,5%. cồn từ phế liệu nông nghiệp này sẽ có giá rẻ hơn so với cồn từ rỉ đường mía khoảng 20% [85]
Bã khoai mì cũng được coi là cơ chất cảm ứng để tổng hợp amylase từ VSV:Nguyễn Thị Hồng Loan (2003) tận dụng bã khoai mì để sản xuất chế phẩm amylase, sử dụng chủng AspergỉUus oryiae. Hoạt độ 1379,87 ưl/g CPE.[13], còn khi sử dụng chủng Trichoderma haiianum tác giả Trương Phước Thiên Hoàng (2007) thu được amylase với hoạt độ 5016,9 LĩL/g canh trường.[10]
Ngoài ra từ bã khoai mì còn có thể tận dụng để sản xuất các sản phẩm có giá trị khác như: acid citric. acid glutamic, siro glucose, maltose, maltodextrin,...
■ Nước thải[1,15]
Để sản xuât ra 1 tấn tinh bột khoai mì trung bình tạo ra khoảng 15-20mJ nước thải. Nước thải này chứa hàm lượng đường khoảng từ 22.614 - 29.275 mg/1, chỉ số BOD 13.200 - 14.300mg/l và COD 33.600 - 38.200mg/l. Nếu không được xử lý trước khi thải ra môi trường sẽ gây ra ô nhiễm vì môi trường này rất dễ cho vsv có hại phát triển.
Có thể tận dụng nguồn phế liệu này trong sản xuất cồn, acid citric nhờ Aspergiỉlus niger. Sản xuất SCP bằng cách lên men hỗn hợp Candida utilis và Endomycopsis ýibuỉiger...Ngoài ra Ganiyu Oboh và cộng sự (2005) còn tận dụng nguồn nước thải này để thu nhận amvlase khi cho lên men bởi Saccharomyces cerevỉsiae kết hợp với Lactobacỉỉỉus deỉbruckiì và L. ciryne/ormls theo tỷ lệ (2:1:lì. Sau 3 ngày nuôi cấy, hoạt độ chung 0,22u.mol/ml và hoạt độ riêng 0,06fimol/mg protein.[51]
1.2.2.4, Phế liệu giàu chitin [35]
Đây là phế phụ liệu từ ngành chế biến và xuất khẩu thủy hải sản (vỏ tôm, cua, mực...). Vỏ của tôm (tôm hùm, tôm thẻ), cua và các loài giáp xác trên biển là nguồn cung cấp chitin tốt nhất. Trong vỏ tôm cua, chitin chiếm từ 20-50% trọng lượng khô, khoảng 12% trong tôm nước ngọt. Hàng năm chitin được sản xuất ra khoảng 5,11 triệu tấn trên toàn thế giới. Nhật và Mỹ là những nước sản xuất chitin lớn nhât. cấu tạo và tính chất của chitin đã được giới thiệu ở phần 1 mục 1.1.4.3 •l* Phương pháp sử dụng không qua thuv phân
Chitin Giữ nguvên mạch polysaccharide, tận dụng tính chất bền dai, ứng dụng làm chất phụ gia trong thực phẩm, tạo độ bền dai cho thực phẩm thay thế
một số chất không cho phép (như hàn the..). Chitin làm châ"t mang trong cố định enzym hav cô" định tế bào, làm châ"t mang tạo các giá thể trồng câv cảnh.
Chìtosan là dạng dẫn xuất của chitin, tạo ra bằng cách đeacetyl hoá trong môi trường kiềm. Chitosan vẫn giữ được độ bền dai, đàn hồi, có thể tạo thành các màng mỏng gần như trong suốt, sử dụng các màng chitosan để bảo quản các loại trái câv. làm màng bao thuốc, màng bao thực phẩm (thịt nguội, lạp xưởng...) còn làm nguyên liệu để cô" định enzyme hay cô" định tế bào vsv. Chitosan được đánh giá cao trong hàng loạt những ứng dụng trong V học như: băng bó và làm lành vết thương, màng thẩm tích, chỉ khâu vết thương tự tiêu huỷ, nhân tô" ổn định liposome, diệt vi khuẩn, diệt virus, chống ung thư, chất làm giảm lượng cholesterol trong máu, châ"t kích thích của hệ thông miễn dịch.