Bảng 4.8. Tổng khối lượng phế phụ phẩm nông nghiệp tại huyện Yên Phong năm 2018 (tấn/năm)
Loại phế phụ phẩm Khối lượng (tấn/năm) Tỷ lệ (%)
Phế phụ phẩm hữu cơ 9230 87,65
Vỏ bao bì phân bón 33,6 0,32
Vỏ bao bì thuốc BVTV 1267 12,03
Tổng 84260,3 100
Nguồn: Phiếu điều tra (2018)
Qua bảng 4.8, thấy được lượng phế phụ phẩm nông nghiệp: 84260,3 tấn/năm. Lượng phế phụ phẩm hữu cơ chiếm số lượng nhiều nhất 87,65% trong tổng số lượng phế phụ phẩm nông nghiệp. Lượng phế phụ phẩm hữu cơ này có thể chuyển đổi thành nhiều mục đích sử dụng khác đem lại lợi ích to lớn trong sản xuất nông nghiệp.
Phế thải đồng ruộng chưa được xử lý đúng cách. Phế thải được thu gom định kỳ và xử lý bằng biện pháp đốt cùng với rác thải sinh hoạt. Một số người dân nhận thức được vấn đề ô nhiễm môi trường do dư lượng hoá chất bảo vệ thực vật gây ra đã tiến hành thu gom cho vào túi nilon mang đi sau khi phun, nhưng đa số vẫn để bao bì lại ở một số khu vực trên cánh đồng. Theo đánh giá của người dân, để quản lý hiệu quả phế thải đồng ruộng, đặc biệt là vỏ bao bì thuốc bảo vệ thực vật thì nên đặt các bể thu gom tại các vị trí giao nhau của các cánh đồng, thuận lợi cho việc thu gom và chuyển đi xử lý định kỳ.
4.4. ĐÁNH GIÁ THÀNH PHẦN PHỤ PHẨM CHO MỤC ĐÍCH CHUYỂN THÀNH ETHANOL SINH HỌC THÀNH ETHANOL SINH HỌC
4.4.1. Hàm lượng cellulose và hemicellulose trong phế phụ phẩm của các cây trồng chính trồng chính
Phế phụ phẩm nông nghiệp có thành phần chính của nó bao gồm cellulose, hemicellulose và lginin, ngoài ra có các chất trích ly và tro. Trong đó, nó có một số đặc điểm mà làm cho nó có tiềm năng để trở thành nguyên liệu sản xuất ethanol sinh học. Nó có cellulose cao và hemicellulose có thể dễ thủy phân để lên men đường.
Thành phần các chất trong phế phụ phẩm có thể sử dụng để sản xuất ethanol sinh học. Chính vì vậy, ta tận dụng nguồn phế phụ phẩm phát thải sau thu hoạch, lượng này rất lớn và có nhiều tiềm năng để phục vụ sản xuất ethanol sinh học.
Phân tích cellulose và hemicelulose trong phế phụ phẩm của 3 giống cây trồng chính thu được kết quả như bảng sau:
Bảng 4.9. Thành phần cellulose và hemicelulose trong phế phụ phẩm nông nghiệp (%)
Các loại cây trồng chính Tỷ lệ cellulose (%) * Tỷ lệ hemicellulose (%)*
Lúa 15,2 7,6
Ngô 8,7 4,9
Khoai 6,5 3,2
Kết quả phân tích thành phần phế phụ phẩm bảng 4.9, cho thấy hàm lượng cellulose ở 3 phụ phẩm của 3 giống từ 6,5% - 15,2% đạt cao nhất ở phụ phẩm giống lúa (15,2%) và thấp nhất ở giống khoai lang (6,5%), phụ phẩm của cây ngô (8,7%). Ngoài cellulose các thành phần khác như hemicellulose (3,2 - 7,6%) cũng cao.
Từ kết quả phân tích được, tính tổng Cellulose và hemicelulose trong phế phụ phẩm của 3 giống cây trồng chính. Kết quả được thể hiện trong bảng:
Bảng 4.10. Thành phần cellulose và hemicelulose trong phế phụ phẩm nông nghiệp (tấn/ năm) Các loại cây trồng chính Lượng PPP ( nghìn tấn) năm 2018 Tỷ lệ R (kg/m2) Diện tích (ha) Tổng lượng cellulose (tấn) Tổng lượng hemicellulose (tấn) Lúa 9,05 0,88 5144,41 70766,5 35383,25 Ngô 0,02 0,8 13,5 0,23 0,13 Khoai 0,16 0,86 92,1 9,58 4,72 Tổng 5250,01 70776,31 35388,1
Bảng 4.10 cho thấy ước tính tổng lượng cellulose và hemi cellulose chuyển hóa thành ethanol là rất lớn. Lượng cellulose là hơn 70 nghìn tấn, hemicallulose là hơn 35 nghìn tấn. Có thể nhận thấy phế phụ phẩm nông nghiệp là một trong những tài nguyên có sinh khối lớn và có nhiều tiềm năng mà có thể sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau.
Quá trình sản xuất ethanol sinh học được thực hiện qua 4 bước gồm: Tiền xử lý nguyên liệu, thủy phân nguyên liệu, lên men dịch đường, chưng cất thu nhận tinh cồn sạch.
Tiền xử lý là bước để phá vỡ lignin để lộ cellulose và hemicellulose cho quá trình thủy phân của enzym được dễ dàng. Tiền xử lý nhằm mục đích giảm kết tinh của cellulose, làm cho cellulose dễ tiếp cận hơn với các enzym để chuyển đổi polyme cacbohydrat thành đường lên men có thể đạt được nhanh hơn với sản lượng lớn hơn. Tiền xử lý gồm các phương pháp hóa học, vật lý và kết hợp, đây được xem là một bước quan trọng cho việc chuyển đổi đường cellulose để lên men.
Thủy phân nguyên liệu là bước có liên quan đến quá trình bẻ gãy các polyme của cellulose và hemicellulose. Cellulose thường chỉ chứa glucans nên trong quá trình thủy phân sản phẩm chủ yếu là glucose. Quá trình thủy phân cellulose được sử dụng các enzym thủy phân trong đó chủ yếu là enzym cellulase. Ở đây cấu trúc cellulose tự nhiên dưới sự tác động của enzym cellulase bị phân tách thành các đơn phân glucose.
Tiền xử lý nguyên liệu
Thủy phân nguyên liệu
Lên men dịch đường
Thu nhận-tinh sạch cồn
Cơ học Hóa học Sinh học
Tổ hợp enzyme thủy phân
Lên men dịch đường bản chất là quá trình lên men glucose nhờ các chủng nấm men tạo thành các pyruvate. Các giống nấm men được dùng trong công nghiệp sản xuất cồn lớn như là saccharomyces spp, mà hiện tại một số loài S. Cerevisiea hay S. unvarum là giống có khả năng tạo độ cồn cao (12-13%). Sau khi tạo thành các pyruvate chúng sẽ chuyển hóa thành ethanol theo phương trình sau:
Tiến hành ủ sinh học để xác định lượng đường được chuyển hóa từ cellulose và hemicellulose trong phế phụ phẩm của các loại cây trồng chính. Trong các điều kiện ủ khác nhau lượng đường sinh ra cũng khác nhau. Kết quả được thể hiện ở bảng và hình sau:
Bảng 4.11. Hàm lượng đường được chuyển hóa từ cellulose và hemicellulose trong phế phụ phẩm của các loại cây trồng chính (g/100g phế phụ phẩm)
Giống Thí nghiệm Trung bình
Lúa Hảo khí 4,25 ± 0,03 Bán HK 3,63 ± 0,03 Yếm khí 3,21 ± 0,01 Ngô Hảo khí 4,92 ± 0,02 Bán HK 4,25 ± 0,02 Yếm khí 3,44 ± 0,01 Khoai Hảo khí 4,81 ± 0,02 Bán HK 4,17 ± 0,01 Yếm khí 3,36 ±0,03
4,25 3,64 3,22 4,92 4,25 3,44 4,82 4,17 3,36 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 hảo khí bán HK yếm khí lúa ngô khoai
Hình 4.5. Hàm lượng đường được chuyển hóa từ cellulose và hemicellulose trong phế phụ phẩm của các loại cây trồng chính (g/100g phế phụ phẩm)
Từ bảng 4.11 và hình 4.5 sử dụng phân tích ANOVA, thấy được lượng đường chuyển hóa từ cellulose và hemicellulose trong điều kiện hảo khí là lớn nhất. Điều kiện hảo khí của ngô là 3,44g/ 100g phế phụ phẩm, điều kiện yếm khí là ít nhất 3,44g/100g phế phụ phẩm. Trong ba loại cây trồng chính thì hàm lượng đường tạo thành từ phế phụ phẩm ngô là lớn nhất 4,92g/100g phế phụ phẩm, lúa là thấp nhất 4,25g/ 100g phế phụ phẩm. Điều này được giải thích là do hàm lượng đường còn tồn dư trong phế phụ phẩm của ngô là cao nhất.
Ethanol thu được sau quá trình lên men được chưng cất và thu hồi tinh cồn sạch.