4.2.1. Thành phần chất thải
Chất thải thực phẩm trong thực tế cĩ nguồn gốc và thành phần rất đa dạng. Chúng cĩ thể được tạo ra từ các nhà hàng, khách sạn, quán ăn, các hộ gia đình hay các xưởng chế biến thực phẩm. Về thành phần, ngồi các chất chính như tinh bột, đạm, xơ, chất thải thực phẩm cịn chứa các chất khác như chất béo, đường, muối,…Khả năng và tốc độ phân hủy của các thành phần này tương đối khác nhau. Tác nhân thực hiện phân hủy chúng là vi sinh vật và các enzyme do vi sinh vật tiết ra cũng rất đa dạng. Tuy nhiên, cĩ một điểm chung của các vi sinh vật này là chúng sử dụng các chất đơn giản, cĩ thể là sản phẩm của quá trình thủy phân chất thải thực phẩm, làm nguồn cơ chất để tồn tại và phát triển. Nĩi cách khác, chất thải thực phẩm đĩng vai trị là mơi trường sống của vi sinh vật tham gia quá trình xử lý. Vi sinh vật cần mơi trường cung cấp đầy đủ các nguồn năng lượng, carbon, nitơ, khống đa lượng, vi lượng và vitamin. Trong một số lĩnh vực nghiên cứu và
ứng dụng vi sinh vật, đặc biệt là ứng dụng của vi sinh vật trong xử lý chất thải rắn, người ta thường sử dụng tỷ lệ carbon: nitơ (C/N) làm một thơng sốđại diện để đánh giá sự phù hợp của một mơi trường đối với sự phát triển của vi sinh vật. Tỷ lệ C/N cĩ thể dao động trong khoảng 10 ÷ 30, tùy thuộc vào điều kiện (nhiệt độ, pH, mức độ thống khí…) và phương pháp xử lý (phân hủy, ủ compost, tạo khí sinh học,…). Đối với phương pháp sấy sinh học, nhiều nghiên cứu cho thấy tỷ lệ C/N thích hợp trong khoảng 15 ÷ 30 (Narvaee- Ardeh và cs., 2010).
Trong nghiên cứu này, để loại bỏ ảnh hưởng của thành phần chất thải đến quá trình xử lý, chúng tơi cố định tỷ lệ các thành phần như sau: cơm (tinh bột): thịt, cá (chất
đạm): rau (chất xơ) là 30: 4: 1. Mẫu chất thải thực phẩm trên được gửi phân tích ở Phịng Thí nghiệm Mơi trường của Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM và kết quả tỷ lệ C/N tương
4.2.2. Độẩm
Độ ẩm của chất thải thực phẩm dù cĩ bổ sung men vi sinh hay khơng đều cĩ xu hướng giảm qua quá trình xử lý, mặc dù sự thay đổi theo thời gian xử lý cĩ sự khác biệt. Sau 6 ngày xử lý độ ẩm của chất thải giảm xuống cịn khoảng 52% từ độ ẩm ban đầu khoảng 72% (Hình 4.4). Ở ngày thứ 7, buồng xử lý được gia nhiệt ở 80oC để diệt vi sinh vật gây bệnh. Vì vậy độẩm giảm nhanh xuống cịn 32%.
Trong trường hợp bổ sung men vi sinh, độ ẩm của chất thải tăng lên trong ngày
đầu. Cĩ thể giải thích điều này như sau: enzyme trong men và enzyme được tạo ra bởi vi sinh vật cĩ trong khối chất thải cắt mạch các chất cao phân tử như tinh bột, protein, làm cho khả năng giữ nước của các chất này giảm xuống. Kết quả là nước liên kết được tách ra làm cho độẩm tăng lên. Như vậy sự thay đổi về độẩm thể hiện phần nào sự thúc đẩy các quá trình sinh học trong chất thải khi bổ sung men vi sinh.
Tỷ lệ loại nước trong nghiên cứu này là 57% (chưa tính lượng nước thốt ra khi nâng nhiệt độ lên 80oC để diệt khuẩn), thấp hơn kết quả thu được bởi Dongquing và cs (2008) là 78%. Sự khác biệt này cĩ thể là do thời gian và nhiệt độ thực hiện quá trình ở 2 nghiên cứu là khác nhau. Dongquing và cs (2008) tiến hành thí nghiệm trong điều kiện nhiệt độ 40 ÷ 70oC và thời gian là 16 ngày. Ở một nghiên cứu khác, 50% lượng nước ban
đầu trong chất thải được loại bỏ và quá trình hồn tồn nhờ vào nhiệt giải phĩng ra từ sự
chuyển hĩa sinh học của chất thải (Zawadzka và cs., 2010). Trong nghiên cứu trên, chất thải được xử lý trong thời gian là 14 ngày. Tuy nhiên, cung cấp khí và đảo trộn khơng
được thực hiện tốt, nên cĩ sự phân tầng về nhiệt độ. Kết quả là hiệu suất loại bỏ nước khơng cao.
Hình 4.4: Sự thay đổi của độẩm
4.2.3. Hàm lượng chất rắn bay hơi
Hàm lượng chất rắn bay hơi được tính tốn dựa trên tỷ lệ chất rắn bay hơi cịn lại trong khối xử lý so với lượng chất rắn bay hơi ban đầu. Như vậy giá trị ban đầu trong các thí nghiệm đều là 100%. Sau 7 ngày xử lý, lượng chất rắn bay hơn trong thí nghiệm khơng bổ sung men giảm xuống 92% trong khi giá trị này là 70% ở thí nghiệm cĩ bổ
sung men (Hình 4.2). Kết quả này cho thấy việc bổ sung men vi sinh cĩ tác dụng gia tăng quá trình chuyển hĩa sinh học của các chất hữu cơ cĩ trong chất thải.
Trong thành phần men vi sinh cĩ vi sinh vật và các enzyme thủy phân. Các enzyme này thủy phân các chất cao phân tử như tinh bột, protein thành những phân tử
nhỏ nhưđường glucose, amino acid. Đây là nguồn cơ chất rất phù hợp đối với vi sinh vật, giúp cho chúng tăng trưởng nhanh và lâu hơn. Hình 4.5 cho thấy ở thí nghiệm bổ sung men vi sinh, hàm lượng chất rắn bay hơi liên tục giảm từ ngày thứ 1 đến ngày thứ 5. Trong khi đĩ khi khơng cĩ men, quá trình giảm chất rắn bay hơi chủ yếu diễn ra trong 2 ngày đầu.
Thời gian (ngày)
Hình 4.5: Sự thay đổi của hàm lượng chất rắn bay hơi
4.2.4. Mật độ vi sinh vật
Sự thay đổi tổng số vi sinh vật trong khối chất thải đang xử lý được thể hiện ở
Hình 4.6. Nếu khơng xét đến giai đoạn gia nhiệt để diệt vi sinh vật gây bệnh ở ngày thứ 7 thì mật độ tổng vi sinh vật dao động trong khoảng 107 ÷ 109 cfu/g đối với quá trình xử lý khơng bổ sung men vi sinh (Hình 4.6). Khi bổ sung men vào khối chất thải với tỷ lệ 0,1% (w/w), giá trị này tăng lên 108 ÷ 1010 cfu/g.
Trong ngày đầu của quá trình xử lý, mật độ vi sinh tăng rất ít do vi sinh vật cần thời gian thích nghi với mơi trường. Lúc này bên trong vi sinh vật xảy ra các đáp ứng sinh tổng hợp, các enzyme cần thiết cho quá trình chuyển hĩa chất hữu cơđược hoạt hĩa hoặc biểu hiện. Ở thí nghiệm khơng bổ sung men vi sinh, mật độ vi sinh vật chủ yếu tăng
ở ngày tiếp theo (thứ 2). Các ngày sau đĩ mật độ hầu như khơng tăng, chỉ dao động trong khoảng 3x108 ÷ 7x108 cfu/g. Trong khi đĩ, ở thí nghiệm cĩ bổ sung men, vi sinh vật tiếp tục tăng trưởng đến ngày thứ 4, đạt giá trị 8x109 cfu/g. Thời gian cịn lại, mật độ vi sinh giảm dần xuống giá 3x109ở ngày thứ 6. Cĩ nhiều yếu tố cĩ thể làm cho vi sinh vật khơng tăng trưởng được chẳng hạn nhưđộẩm, nhiệt độ, pH, các chất ức chế. Ở nghiên cứu này, yếu tố ức chế vi sinh vật tăng trưởng ở giai đoạn sau của quá trình xử lý (từ ngày thứ 3 hoặc thứ 5 đối với quá trình xử lý khơng hoặc cĩ bổ sung men) cĩ thể là độ ẩm. Cũng
Thời gian (ngày) Chất rắn bay hơi (%)
55%, vi sinh vật đã giảm hoạt động. Điều này cĩ thể giải thích là do khối chất thải thực phẩm cĩ tỷ lệ tinh bột và protein khá cao. Các chất này đều là những chất cĩ khả năng tương tác rất tốt với nước, làm cho nước chuyển thành dạng liên kết. Do đĩ mặc dù độ ẩm mơi trường vẫn cịn trong khoảng thích hợp nhưng vi sinh vật lại khơng sử dụng được nước liên kết này dẫn đến hoạt động sống của chúng bị đình trệ.
Hình 4.6: Sự thay đổi mật độ vi sinh vật
4.2.5. Hoạt lực các enzyme
Sự thay đổi hoạt lực các enzyme thủy phân chính (amylase, protease, cellulase) trong khối chất thải đang xử lý được thể hiện trong Hình 4.7. Nhìn chung, hoạt lực các enzyme thủy phân đều tăng lên tại một thời điểm trong quá trình xử lý. Thời điểm xuất hiện sự gia tăng hoạt lực khác nhau đối với mỗi enzyme. Hoạt lực protease của khối chất thải bắt đầu tăng lên ở ngày thứ 2, tiếp đến là amylase ở ngày thứ 3 và cuối cùng là cellulase ở ngày thứ 6. Các yếu tố cĩ thể ảnh hưởng đến mức độ biểu hiện của các enzyme là cơ chất, các chất cảm ứng và các chất ức chế. Mức độ ảnh hưởng của các chất này đối với từng loại enzyme cũng khác nhau.
Trong 2 ngày đầu của quá trình xử lý, hoạt lực enzyme amylase trong khối chất thải hầu như khơng thay đổi ở cả 2 thí nghiệm cĩ hoặc khơng bổ sung men vi sinh (Hình 4.7 (A)). Ở ngày thứ 3, sự tổng hợp enzyme này bởi vi sinh vật trong khối chất thải tăng lên và thể hiện rõ sự khác biệt giữa 2 thí nghiệm. Giá trị hoạt lực khi cĩ hoặc khơng bổ
sung men tương ứng là 109,7 và 80,2 IU/g. Những ngày sau đĩ hoạt lực amylase giảm
Thời gian (ngày) Mật độ tổng vi sinh vật (logCFU/g)
Thời gian (ngày) Hoạt lực amylase (IU/g) Thời gian (ngày) Hoạt lực protease (IU/g) Hoạt lực cellulase (IU/g) (B) (C) (A)
xuống nhưng giá trị ở thí nghiệm cĩ bổ sung men vẫn cao hơn, chứng tỏ rằng vi sinh vật trong men vi sinh thể hiện khả năng tổng hợp enzyme này.
Cĩ thể thấy trên Hình 4.7 (B) hoạt lực protease trong khối chất thải thực phẩm tăng lên ngay sau khí bổ sung men vi sinh, đạt cực đại ở ngày thứ 2. Hoạt lực enzyme này giữa thí nghiệm bổ sung men vi sinh cũng cao hơn so với thí nghiệm khơng bổ sung trong phần lớn thời gian xử lý. Kết quả này cho thấy vi sinh vật trong men đã phát triển trong mơi trường chất thải và tạo ra enzyme tham gia vào quá trình chuyển hĩa sinh học.
Trên Hình 4.7 (C) hoạt lực cellulase chỉ tăng lên từ ngày thứ 6. Nguyên nhân cĩ thể là do enzyme này bị ức chế rất mạnh bởi glucose, sản phẩm tạo ra từ quá trình thủy phân tinh bột. Mặt khác hầu như khơng cĩ sự khác biệt về hoạt lực cellulase giữa 2 thí nghiệm cĩ hay khơng bổ sung men. Do đĩ cĩ thể kết luận enzyme này chủ yếu được tạo ra bởi hệ vi sinh vật tự nhiên trong nguyên liệu. Thành phần nguyên liệu chủ yếu là tinh bột và đường, tỷ lệ chất xơ rất thấp. Hệ quả là lượng enzyme cellulase được tạo ra trong khối chất thải thấp, chỉ vào khoảng 7 ÷ 8 IU/g ở cả 2 thí nghiệm.
4.2.6. Hiệu quả xử lý
Độẩm, hàm lượng chất rắn bay hơi và khối lượng chất thải cịn lại khi kết thúc các thí nghiệm được trình bày trong bảng 4.3. Các thí nghiệm cĩ cùng giá trị ban đầu khi bắt
đầu thực hiện quá trình xử lý. Độ ẩm khi kết thúc cĩ giá trị tương đương nhau dù cĩ hay khơng bổ sung men vi sinh. Các thơng số cịn lại thể hiện sự khác biệt khi bổ sung men vi sinh. Đặc biệt khi bổ sung men vi sinh, khối lượng chất thải thực phẩm khi kết thúc xử lý giảm thêm 50% nữa. Kết quả này chứng minh tác dụng của việc bổ sung men vi sinh vào quá trình xử lý để tăng cường các chuyển hĩa sinh học của chất thải.
Bảng 4.3: Các thơng số của quá trình xử lý Khi kết thúc xử lý
Các thơng số Chphấẩt thm khi bải thựắt c
đầu xử lý Khơng bsung men ổ Cĩ bmen ổ sung
Độẩm (%) 72.0 32,9 32,1
Hàm lượng chất rắn bay hơi (%) 100 90,8 70,1 Khối lượng chất thải (kg) 350 200,8 135,4
Nhưđã phân tích ở phần trên, sự thay đổi của các thơng số từ ngày thứ 6 là khơng
đáng kể. Do đĩ cĩ thể kết thúc mẻ xử lý ở thời điểm này. Các thí nghiệm xử lý được tiến hành gián đoạn (theo mẻ). Với thời gian mỗi mẻ là 7 ngày, cơng suất xử lý đạt 50 kg/ngày. Khi triển khai vào thực tế, quá trình xử lý cĩ thể được tiến hành một cách liên tục (nhập liệu được đều đặn đưa vào thiết bị). Hệ vi sinh vật và các enzyme thủy phân đã cĩ sẵn trong khối chất thải khơng cần thời gian thích nghi, sẽ phát triển và thể hiện tác dụng xử lý. Điều này sẽ rút ngắn thời gian lưu nĩi chung của chất thải và cơng suất của thiết bị sẽ tiến tới cơng suất thiết kế.
KẾT LUẬN và KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Đã thiết kế và chế tạo thành cơng máy xử lý thực phẩm phế thải bằng men vi sinh,
đáp ứng được các yêu cầu đề ra với các thơng số cơ bản sau: - Cơng suất 100 kg/ngày.
- Kích thước cơ bản của máy: 2000 x 670 x 925 mm. - Vật liệu: thép khơng gỉ SUS 304
- Các thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm điều chỉnh trong khoảng rộng, cho phép khảo sát và tiến hành các thí nghiệm một cách tổng quát và đầy đủ nhất.
- Trọng lượng máy: 200 kg
Đề tài đã nghiên cứu được chế phẩm men vi sinh phù hợp cho quá trình xử lý. Chế
phẩm cĩ mật độ vi sinh vật 1,2x109 cfu/g. Các chủng vi sinh trong chế phẩm cĩ khả năng tạo một số enzyme tốt, rất thích hợp cho quá trình chuyển hĩa sinh học.
Các thử nghiệm trên thiết bị đã cho thấy kết quả xử lý thành cơng chất thải thực phẩm. Sau khi xử lý cĩ bổ sung men, khối lượng chất thải giảm xuống cịn 38% so với khối lượng chất thải trước khi xử lý.
KIẾN NGHỊ
- Nếu được bổ sung thêm kinh phí sẽ tiến hành tựđộng hĩa một số khâu như: cấp nước, phun ẩm, nâng cấp hệ thống điện và sử dụng PLC để kiểm sốt và điều khiển mọi thơng số của quá trình
- Tối ưu hĩa một số bộ phận để nâng cao chất lượng của máy và hạ giá thành của sản phẩm như: lựa chọn và sử dụng các vật liệu phù hợp với điều kiện làm việc của từng bộ phận.
- Nghiên cứu hồn thiện quy trình chế tạo máy xử lý với cơng suất dao động trong khoảng từ 20 ÷ 400 kg/ngày nhằm đáp ứng được nhu cầu xử lý thực phẩm phế thải của các quán ăn vừa và nhỏ trong thành phố.
- Các nghiên cứu thử nghiệm tiếp theo trên thiết bị xử lý cần làm rõ thêm một số
vấn đề: xác định thời gian, độẩm, nhiệt độ tối ưu để thực hiện quá trình chuyển hĩa sinh học theo mức độ yêu cầu đối với các loại chất thải thực phẩm khác nhau.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trịnh Chất (chủ biên) – Tính tốn thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1 và 2 – NXB Giáo dục, 1998.
[2] Nghiêm Hùng – Kim loại học và Nhiệt luyện – NXB Giáo dục, 1993.
[3] Hồng Đình Tín – Cơ sở truyền nhiệt – NXB Đại học Quốc gia Tp. HCM, 2010. [4] Nguyễn Hữu Lộc – Cơ sở thiết kế máy - NXB Đại học Quốc gia Tp. HCM, 2004. [5] Trần Hữu Quế - Vẽ kỹ thuật Cơ khí – NXB Giáo dục, 2006
[6] Adani, F., Baido, D., Calcaterra, E., Genevini, P. 2002. The influence of biomasstemperature on biostabilization–biodrying of municipal solid waste, Bioresource
Technolology, 83: 173-179.
[7] Al Seadi, T., 2002. Quality management of AD residues from biogas production. IEA Bioenergy, Task 24 – Energy from Biological Conversion of Organic Waste, January 2002. <www.IEA-Biogas.net>.
[8] Babu, K.R., Satyanarayana, T. α-Amylase Production by Thermophilic Bacillus coagulans in Solid State Fermentation, Process Biochemistry, 30 (4): 305-309, 1995. [9] Buchanan, J.R. and Gibbons N.E. Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology,
8th ed., The Williams and Wilkins Company, Baltimore, 1974.
[10] Chen, G., Yue, P.L., Mujumdar, A.S. 2002. Sludge dewatering and drying, Drying
Technology, 20: 883-916.
[11] Cherry J.R.; Fidantsef A.L. Directed evolution of industrial enzymes: an update,
Current Opinion in Biotechnology. 14: 438-443, 2003.
[12] Haq, I., Ashraf, H., Iqbal, J., Qadeer, M.A. Production of alpha amylase by Bacillus
licheniformis using an economical medium, Bioresource Technology, 87: 57-61, 2001.
[13] Kebabci, O. and Cihangir, N. Isolation of protease producing novel Bacillus cereus
and detection of optimal conditions, African Journal of Biotechnology, 10 (7): 1160- 1164, 2010.
[15]Lin, C.Y. và Chou, J. Aerobic digestion of septic, Bioresource technology, 64: 219- 224, 1998.
[16] Muhamad A.; Amer A.S.; Abdul H. and Fariha H., 2007. Isolation, identification