luận văn tìm hiểu các phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ

Mục tiêu: Tìm hiểu thành phần cấu tạo các phụ phế phẩm giàu xơ ở Việt Nam và các phương pháp xử lý thích hợp để ứng dụng làm thức ăn đại gia súc, ủ compost làm phân bón và sản xuất bio-

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề:

Nước ta là một nước nông nghiệp và hàng năm thải ra một lượng lớn đến hàng triệu tấn các chất phế thải như trấu, bã mía, vỏ hạt điều, vỏ lạc, rơm, vỏ cafe,… Cụ thể, mỗi năm nguồn sinh khối trấu của 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 tấn Trong đó, phụ phẩm trấu tập trung chủ yếu tại Đồng bằng Sông Cửu Long, Đồng bằng Bắc Bộ và duyên hải Nam trung bộ Phụ phẩm mùn cưa tập trung nhiều ở Miền Trung, Tây Nguyên, Tây Bắc Vỏ cà phê có nhiều ở các tỉnh Tây Nguyên

Mặt hạn chế của phụ phẩn nông nghiệp là một số loại có hàm lượng chất xơ rất cao, thí dụ rơm lúa chứa 34% chất xơ, còn lá mía chứa 43% tính trong chất khô, nên rất khó tiêu hóa Mặt khác một số loại phụ phẩm lại khó chế biến và dự trữ khi thu hoạch đồng loạt như cây lạc, dây lang, ngọn lá sắn, lá mía

Một số nơi người nông dân sử dụng các phế thải nông nghiệp để làm chất đốt nhưng không hiệu quả, hoặc đốt bỏ gây ô nhiễm môi trường sống nghiêm trọng, thậm chí ở một số nơi chúng không được sử dụng rất lãng phí Cùng với sự phát triển của nề nông nghiệp, qui mô sản xuất ngày càng lớn và tập trung, các chế phẩm nông nghiệp ngày càng nhiều, việc nghiên cứu sử dụng chúng phục vụ cho đời sống và công nghiệp càng trở nên cần thiết Những hướng ứng dụng để xử lý nguồn phụ phẩm nông nghiệp

có thể tìm hiểu được thông qua đề tài này 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,…

Việc chọn đề tài: “Tìm hiểu các phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ”

cũng là mục đích nhằm tìm hiểu rõ hơn việc làm thế nào để xử lý một cách có hiệu quả nhất nguồn phụ phế phẩm giàu xơ trong nước

1.2 Mục tiêu:

Tìm hiểu thành phần cấu tạo các phụ phế phẩm giàu xơ ở Việt Nam và các phương pháp xử lý thích hợp để ứng dụng làm thức ăn đại gia súc, ủ compost làm phân bón và sản xuất bio-ethanol

1.3 Nội dung nghiên cứu:

 Tổng quan về 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 về các phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ: hóa lý

 Tổng quan về phụ phế phẩm giàu xơ để sản xuất bio-ethanol

1.4 Phương pháp thực hiện khóa luận:

Tổng hợp tài liệu

Tham khảo ý kiến chuyên gia

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHỤ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP

2.1 Định nghĩa phụ phế phẩm nông nghiệp:

Là những sản phẩm nông nghiệp không đạt tiêu chuẩn về kích thước, phẩm chất, giá trị sử dụng đã quy định, phải loại bỏ nhằm đảm bảo yêu cầu sử dụng hoặc chế biến

Phụ phẩm nông nghiệp đều là những chất hữu cơ, có thể còn non, xanh; có thể đã

xơ cứng vì silic hoá như trấu hay lignin hoá như gỗ Chúng còn có thể được xem như là một dạng tích trữ năng lượng từ mặt trời nhờ quá trình quang tổng hợp và các quá trình sinh học khác trong sản xuất nông nghiệp

2.2 Nguồn gốc, thành phần và tính chất phụ phế phẩm nông nghiệp:

2.2.1 Nguồn gốc:

Trong quá trình sản xuất nông nghiệp hay chế biến nông sản, bên cạnh những sản phẩm chính, dù muốn hay không chúng ta cũng còn có những phần sản phẩm phụ khác Chẳng hạn khi trồng lúa, ngoài hạt lúa thu hoạch được, ta còn có rơm, gốc rạ; khi xay lúa, ngoài gạo, ta còn có tấm, cám, trấu, bụi,…Khi chăn nuôi gia súc, ngoài sản phẩm chính là thịt, trứng hay sữa, sức kéo, ta còn có phân…

Khối lượng phụ phẩm này rất lớn, riêng đối với các loại cây ngũ cốc, phần ăn được chỉ chiếm phân nửa hay một phần ba khối lượng Những phụ phẩm này thực sự

là nguồn tài nguyên phong phú và có giá trị; chúng còn có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau và có thể tạo thêm giá trị, thu nhập cho nông dân, nếu không, chúng có thể gây nên ô nhiễm môi trường

2.1.1 Thành phần và tính chất:

Ở nước ta nguồn phụ phẩm nông nghiệp được ước tính dựa trên khảo sát khối lượng thực tế của từng loại phụ phẩm tính trên một đơn vị diện tích, sau đó ước tính tổng khối lượng cho toàn quốc, dựa vào số liệu thống kê về diện tích gieo trồng hàng năm Khối lượng này được quy đổi ra chất khô để tiện cho việc so sánh, đánh giá (bảng 2.1)

Bảng 2.1: Ước tính khối lượng các nguồn phụ phẩm nông nghiệp chính ở Việt Nam

Tên phụ phẩm Diện tích gieo trồng (triệu

ha/ năm)

Khối lượng phụ phẩm (Tr tấn chất khô/ năm)

Đó cũng là một lý do làm cho người nông dân chỉ sử dụng được một phần các loại phụ phẩm này ở dạng tươi làm thức ăn cho gia súc

Bảng 2.2: Giá trị dinh dưỡng của một số phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam

% tính trong chất khô Tên phụ phẩm Chất

khô (%)

Chất xơ Protein Tổng các chất

dinh dưỡng tiêu hóa - TDN

Năng lượng trao đổi - ME, (Kcal/

Nhìn chung các loại phụ phẩm đều chứa một nguồn các chất dinh dưỡng tiềm tàng khá cao, nhưng tổng các chất dinh dưỡng tiêu hóa được (TDN) còn khá thấp Do

đó còn nhiều khả năng nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn các chất dinh dưỡng tiềm tàng này trong các phụ phẩm nông nghiệp nếu chúng ta tác động bằng khâu chế biến và phối hợp khẩu phần một cách hợp lý để nâng cao tỷ lệ tiêu hóa chất hữu cơ của chúng

Về nguyên tắt chất xơ trong rơm rạ và các loại thức ăn thô tương tự chủ yếu là cellulose, hemicelluloses, và lignin, gọi chung là lignocellulose Gi ữa chúng

có các liên kết hoá học tạo nên từ sự bền vững của màng tế bào thực vật

2.3 Thành phần cấu tạo phụ phế phẩm giàu xơ

2 3.1 Cấu trúc của lignocelluloses:

2.3.1.1 Cấu trúc thành tế bào thực vật :

Trong tự nhiên, các lớp của thành tế bào thực vật được minh họa bằng mô hình của gỗ (Hình 3.1) Ở giữa các tế bào, có một hợp chất đóng vai trò như keo dán gắn kết các tế bào lại với nhau, đó là lớp gian bào (middle lamella) Lớp này cấu tạo từ các chất keo, có bản chất pectin và không có tác động về quang học Bên trong là thành tế bào sơ cấp (primary wall)

Hình 2.1: Cấu trúc thành tế bào thực vật

Thành tế bào sơ cấp có thể được chia thành mặt bên trong và mặt bên ngoài Sự sắp xếp của các vi sợi trong thành tế bào sơ cấp phân tán tăng dần từ mặt trong ra mặt ngoài Tiếp đến là thành tế bào thứ cấp gồm 3 lớp: lớp ngoài (S1), lớp giữa (S2) và lớp trong (S3)

Sự phân chia thành tế bào thứ cấp thành ba lớp S chủ yếu là do sự định hướng khác nhau của các vi sợi trong ba lớp đó Điển hình các vi sợi định hướng xoắn trong vách tế bào Lớp ngoài của thành tế bào thứ cấp, các vi sợi được định hướng trong cấu trúc xoắn chéo có độ nghiêng tạo thành một góc lớn với trục dọc của tế bào Lớp giữa

là lớp dày nhất và ở lớp giữa có góc nhỏ và độ nghiêng của sợi xoắn ốc trong khi vi sợi trong lớp 3 được sắp xếp như ở lớp ngoài, với một góc rộng với trục dọc của tế bào Ngoài ra trong một số trường hợp, trên mặt trong của thành tế bào có lớp sần sùi (W) Chức năng của thành tế bào là chống đỡ cho các cơ quan của cây đặc biệt là các vách dày và cứng Thành tế bào còn giữ các chức năng quan trọng chính như hấp thụ, thoát hơi nước hay vận chuyển và bài tiết

Lignocellulose là thành phần cấu trúc chính của thực vật thân gỗ và các thực vật khác như cỏ, lúa, ngô…Trong tự nhiên, chúng ta có thể tìm thấy lignocellulose ở thực vật hay các chất thải nông nghiệp, lâm nghiệp và các chất thải rắn trong thành phố Thành phần chủ yếu của lignocellulose là cellulose, hemicellulose và lignin (Hình 3.2) Cellulose và hemicellulose là các đại phân tử cấu tạo từ các gốc đường khác nhau, trong khi lignin là một polymer dạng vòng được tổng hợp từ tiền phenylpropanoid Thành phần cấu tạo và phần trăm của các polymer này là khác nhau giữa các loài Hơn nữa, thành phần cấu tạo trong cùng một cây hay các cây khác nhau là khác nhau dựa vào độ tuổi, giai đoạn sinh trưởng, phát triển của cây và các điều kiện khác Thành phần của lignocellulose được trình bày ở (Bảng 3.1)

Hình 2.2: Thành phần chủ yếu của lignocelluloses

Hình 2.3: Tỉ lệ % các thành phần có trong lignocelluloses

Bảng 2.3: Thành phần lignocellulose trong rác thải và phế phẩm phổ biến

Nguồn lignocellulose Cellulose (%) Hemicellulose (%) Lignin (%)

Giấy thải từ bột giấy hóa học 60-70 10-20 5-10

2.3.1.2 Cellulose :

Cellulose là hợp chất hữu cơ có công thức cấu tạo (C6H10O5)n, và là thành phần chủ yếu của thành tế bào thực vật, gồm nhiều cellobiose liên kết với nhau, 4-O- (β-D-Glucopyranosyl)-D-glucopyranose (Hình 3.4) Cellulose cũng là hợp chất hữu cơ nhiều nhất trong sinh quyển, hàng năm thực vật tổng hợp được khoảng 1011 tấn cellulose (trong gỗ, cellulose chiếm khoảng 50% và trong bông chiếm khoảng 90%)

Hình 2.4: Công thức hóa học của cellulose

Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết van Der Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là tinh thể và vô định hình Trong vùng tinh thể, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn công bởi enzyme cũng như hóa chất

Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose liên kết không chặt với nhau nên dễ

bị tấn công Có hai mô hình cấu trúc của cellulose đã được đưa ra nhằm mô tả vùng tinh thể và vô định hình như (Hình 3.5)

Hình 2.5: Mô hình Fringed fibrillar và mô hình chuỗi gập

Trong mô hình Fringed Fibrillar: phân tử cellulose được kéo thẳng và định hướng theo chiều sợi Vùng tinh thể có chiều dài 500 Å và xếp xen kẽ với vùng vô định hình Trong mô hình chuỗi gập: phân tử cellulose gấp khúc theo chiều sợi Mỗi đơn vị lặp lại có độ trùng hợp khoảng 1000, giới hạn bởi hai điểm a và b như trên hình vẽ Các đơn vị đó được sắp xếp thành chuỗi nhờ vào các mạch glucose nhỏ, các vị trí này rất dễ

bị thủy phân Đối với các đơn vị lặp lại, hai đầu là vùng vô định hình, càng vào giữa, tính chất kết tinh càng cao Trong vùng vô định hình, các liên kết β - glycoside giữa các monomer bị thay đổi góc liên kết, ngay tại cuối các đoạn gấp, 3 phân tử monomer sắp xếp tạo sự thay đổi 180o cho toàn mạch

Vùng vô định hình dễ bị tấn công bởi các tác nhân thủy phân hơn vùng tinh thể vì

sự thay đổi góc liên kết của các liên kết cộng hóa trị (β - glycoside) sẽ làm giảm độ bền của liên kết, đồng thời vị trí này không tạo được liên kết hydro

Cellulose có cấu tạo tương tự carbohydrate phức tạp như tinh bột và glycogen Các polysaccharide này đều được cấu tạo từ các đơn phân là glucose Cellulose là glucan không phân nhánh, trong đó các gốc glucose kết hợp với nhau qua liên kết β-1 4- glycoside, đó chính là sự khác biệt giữa cellulose và các phân tử carbohydrate phức tạp khác Giống như tinh bột, cellulose được cấu tạo thành chuỗi dài gồm ít nhất

500 phân tử glucose Các chuỗi cellulose này xếp đối song song tạo thành các vi sợi cellulose có đường kính khoảng 3,5 nm Mỗi chuỗi có nhiều nhóm OH tự do, vì vậy giữa các sợi ở cạnh nhau kết hợp với nhau nhờ các liên kết hidro được tạo thành giữa các nhóm OH của chúng Các vi sợi lại liên kết với nhau tạo thành vi sợi lớn hay còn gọi là bó mixen có đường kính 20 nm, giữa các sợi trong mixen có những khoảng trống lớn Khi tế bào còn non, những khoảng này chứa đầy nước, ở tế bào già thì chứa đầy lignin và hemicellulose

Cellulose có cấu trúc rất bền và khó bị thủy phân Người và động vật không có enzyme phân giải cellulose (cellulase) nên không tiêu hóa được cellulose, vì vậy cellulose không có giá trị dinh dưỡng Tuy nhiên, một số nghiên cứu cho thấy cellulose

có thể có vai trò điều hòa hoạt động của hệ thống tiêu hóa Vi khuẩn trong dạ cỏ của gia súc, các động vật nhai lại và động vật nguyên sinh trong ruột của mối sản xuất enzyme phân giải cellulose Nấm đất cũng có thể phân hủy cellulose Vì vậy chúng có thể sử dụng cellulose làm thức ăn

2.3.1.3 Lignin :

Lignin là một phức hợp chất hóa học phổ biến được tìm thấy trong hệ mạch thực vật, chủ yếu là giữa các tế bào, trong thành tế bào thực vật Lignin là một trong các polymer hữu cơ phổ biến nhất trên trái đất Lignin có cấu trúc không gian 3 chiều, phức tạp, vô định hình, chiếm 17% đến 33% thành phần của gỗ Lignin không phải là carbohydrate nhưng có liên kết chặt chẽ với nhóm này để tạo nên màng tế bào giúp thực vật cứng chắc và giòn, có chức năng vận chuyển nước trong cơ thể thực vật (một phần là để làm bền thành tế bào và giữ cho cây không bị đổ, một phần là điều chỉnh dòng chảy của nước), giúp cây phát triển và chống lại sự tấn công của côn trùng và mầm bệnh Thực vật càng già, lượng lignin tích tụ càng lớn Hơn nữa, lignin đóng vai trò quan trọng trong chu trình carbon, tích lũy carbon khí quyển trong mô của thực vật thân gỗ lâu năm, là một trong các thành phần bị phân hủy lâu nhất của thực vật sau khi chết, để rồi đóng góp một phần lớn chất mùn giúp tăng khả năng quang hợp của thực vật

Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn

Lignin là polymer, được cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, vài đơn vị cấu trúc điển hình là: guaiacyl (G), trans-coniferyl alcohol; syringyl (S), trans-sinapyl alcohol; p-hydroxylphenyl (H), trans-p-courmary alcohol (Hình 3.6)

Hình 2.6: Các đơn vị cơ bản của lignin

Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc của

nó trong gỗ Ngoài việc được phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ, lignin

có thể được phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringyl lignin

Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự trương nở của xơ sợi và vì vậy loại nguyên liệu đó sẽ khó bị tấn công bởi enzyme hơn syringyl lignin

Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng lignin hoàn toàn không đồng nhất trong cấu trúc Lignin dường như bao gồm vùng vô định hình và các vùng có cấu trúc hình thuôn hoặc hình cầu Lignin trong tế bào thực vật bậc cao không có vùng vô định hình Các vòng phenyl trong lignin của gỗ mềm được sắp xếp trật tự trên mặt phẳng thành tế bào Ngoài ra, cả cấu trúc hóa học và cấu trúc không gian của lignin đều bị ảnh hưởng bởi mạng polysaccharide Việc mô hình hóa động học phân tử cho thấy rằng nhóm hydroxyl và nhóm methoxyl trong các oligomer tiền lignin sẽ tương tác với vi sợi cellulose cho dù bản chất của lignin là kỵ nước

Hình 2.7: Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính

Các nhóm chức ảnh hưởng đến hoạt tính của lignin bao gồm nhóm phenolic hydroxyl tự do, methoxyl, benzylic hydroxyl, ether của benzylic với các rượu mạch thẳng và nhóm carbonyl (Hình 3.7) Guaicyl lignin chứa nhiều nhóm phenolic hydroxyl hơn syringyl

Lignin tạo liên kết hóa học với hemicellulose và ngay cả với cellulose (nhưng không nhiều) Độ bền hóa học của những liên kết này phụ thuộc vào bản chất liên kết, cấu trúc hóa học của lignin và các gốc đường tham gia liên kết Carbon alpha (Cα)

trong cấu trúc phenyl propane là nơi có khả năng tạo liên kết cao nhất với khối hemicellulose Ngược lại, các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid 4-O-methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin Các liên kết có thể

là ether, ester (liên kết với xylan qua acid 4-O-methyl-D-glucuronic), hay glycoside (phản ứng giữa nhóm khử của hemicellulose và nhóm OH phenolic của lignin)

Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và pH thấp như điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nước Ở nhiệt độ phản ứng cao hơn 200oC, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose Những nghiên cứu trước đây cho thấy đối với gỗ cứng, nhóm ether β-O-4 aryl bị phá hủy trong quá trình nổ hơi Đồng thời, đối với gỗ mềm, quá trình nổ hơi làm bất hoạt các nhóm hoạt động của lignin ở vị trí α như nhóm hydroxyl hay ether, các nhóm này

bị oxy hóa thành carbonyl hoặc tạo cation benzylic, cation này sẽ tiếp tục tạo liên kết C-C

Trong dinh dưỡng động vật, lignin rất đáng quan tâm vì nó không bị tiêu hóa bởi enzyme của cơ thể vật chủ Lignin còn liên kết với nhiều polysaccharide và protein màng tế bào ngăn trở quá trình tiêu hóa các hợp chất gỗ Gỗ, cỏ khô và rơm rất giàu lignin nên tỷ lệ tiêu hóa thấp trừ khi được xử lý hóa học làm cho các liên kết giữa lignin với các carbohydrate khác bị bẻ gãy

2.3.1.4 Hemicellulose :

Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng

70 đến 200 đơn phân Hemicellulose chứa cả đường 6 carbon gồm glucose, mannose

và galactose và đường 5 gồm xylose và arabinose Thành phần cơ bản của hemicellulose là β – D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β -(14)

Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy nhiên có một vài điểm chung gồm:

 Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết β -(14)

 Xylose là thành phần quan trọng nhất

 Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl O – liên kết với vị trí 2 hoặc 3

 Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharide hoặc trisaccharide Sự liên kết của hemicellulose với các polysaccharide khác và với lignin là nhờ các mạch nhánh này Cũng vì hemicellulose có mạch nhánh nên tồn tại ở dạng vô định hình và vì thế dễ bị thủy phân

Hemicellulose là polysaccharide trong màng tế bào tan trong dung dịch kiềm và

có liên kết chặt chẽ với cellulose, là một trong ba sinh khối tự nhiên chính Cùng với cellulose và lignin, hemicellulose tạo nên thành tế bào vững chắc ở thực vật Về cấu trúc, hemicellulose có thành phần chính là D-glucose, D-galactose, D-mannose, D-xylose và L-arabinose liên kết với các thành phần khác và nằm trong liên kết glycoside Hemicellulose còn chứa cả axit 4-O-methylglucuronic, axit D-galacturonic và axit glucuronic Trong đó, đường D-xylose, L-arabinose, D-glucose và D-galactose là phổ biến ở thực vật thân cỏ và ngũ cốc Tuy nhiên, khác với hemicellulose thân gỗ, hemicellulose ở thực vật thân cỏ lại có lượng lớn các dạng liên kết và phân nhánh phụ thuộc vào các loài và từng loại mô trong cùng một loài cũng như phụ thuộc vào độ tuổi của mô đó

Tùy theo trong thành phần của hemicellulose có chứa monosaccharide nào mà nó

sẽ có những tên tương ứng như manan, galactan, glucan và xylan Các polysaccharide như manan, galactan, glucan hay xylan đều là các chất phổ biến trong thực vật, chủ yếu

ở các thành phần của màng tế bào của các cơ quan khác nhau như gỗ, rơm rạ, v.v… Trong các loại hemicellulose, xylan là một polymer chính của thành tế bào thực vật trong đó các gốc D-xylopyranose kết hợp với nhau qua liên kết β-1,4-D-xylopyranose, là nguồn năng lượng dồi dào thứ hai trên trái đất Đa số phân tử xylan chứa nhiều nhóm ở trục chính và chuỗi bên Các gốc thay thế chủ yếu trên khung chính của xylan là các gốc acetyl, arabinosyl và glucuronosyl Các nhóm này có đặc tính liên kết tương tác cộng hóa trị và không hóa trị với lignin, cellulose và các polymer khác Cấu tạo, số lượng và vị trí của xylan ở các loài thực vật khác nhau là khác nhau Xylan tồn tại ở dạng O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ cứng (Hình 3.8), hay arabino-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ mềm (Hình 3.9), hay thành phần cấu tạo xylan là axit D-glucuronic, có hoặc không có ete 4-O-methyl và arabinose ở các loài ngũ cốc

Hình 2.8: O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ cứng

Hình 2.9: Arabino-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ mềm

2.3.2 Enzyme thủy phân lignocelluloses:

Phần lớn quá trình phân hủy phụ phế phẩm giàu xơ trong thiên nhiên xảy ra là nhờ enzyme

Hình 2.10: Sự phân hủy vật liệu lignocelluloses trong tự nhiên nhờ các vi sinh vật phân hủy lignin, hemicelluloses (xylan) và cellulose tạo ta đườn cung cấp dinh dưỡng cho những vi sinh vật khác dẫn đến sự phân hủy hoàn tòan chất hữu cơ

thành CO2 và CH4 (phân hủy kị khí)

Các hệ enzyme phân hủy lignin, hemicelluloses và cellulose không phần lớn do vi sinh vật sinh tổng hợp Chúng không hoạt động riêng rẽ mà hoạt động hiệp lực giữa các enzyme trong cùng một phức hợp enzyme, cũng như trong một hệ sinh thái vi sinh vật, có sự phối hợp giữa các quần thể vi sinh vật tiết các phức hợp ligninase, hemicellulase và cellulase

3.3.2.1 Enzyme cellulolytic :

Enzyme thủy phân cellulose có khả năng thủy phân chất thải chứa cellulose, chuyển hóa các hợp chất kiểu lignocellulose và cellulose trong rác thải tạo nên nguồn năng lượng thông qua các sản phẩm, ethanol, khí sinh học hay các sản phẩm giàu năng lượng khác Thí dụ như từ các chất thải nhà máy giấy như các sản phẩm từ bột giấy và giấy có thể thu nguồn năng lượng như ethanol

Liên kết chủ yếu trong cấu trúc của cellulose là β-(14) glucoside Nói chung, để phá hủy hoàn toàn cấu trúc của polysaccharide này cần có các enzyme cellulase với những tác động đặc trưng riêng biệt Dựa theo nghiên cứu về hệ enzyme cellulase của

nấm Trichoderma reesei, hệ enzyme thủy phân gồm 3 loại hoạt tính enzyme (Hình

3.10):

 Endoglycanase hoặc 1,4-β-D-glucan glucanohydrolase (EC 3.2.1.4):

Enzyme nội bào endoglycanase hoặc 1,4-β-D-glucan glucanohydrolase là enzyme thủy phân nội bào liên kết 1,4-β-D-glucosidic trong phân tử cellulose bởi tác dụng ngẫu nhiên trong chuỗi polymer hình thành các đầu chuỗi khử tự do và các chuỗi oligosaccharide ngắn Các endoglucanase không thể thủy phân cellulose tinh thể hiệu quả nhưng nó sẽ phá vỡ các liên kết tại khu vực vô định hình tương đối dễ tiếp cận

 Exoglucanase:

Enzyme ngoại bào exoglucanase gồm cả 1,4-beta-D-glucan glucanohydrolase (EC 3.2.1.74), giải phóng D-glucose từ β-glucan và cellodextrin và 1,4-beta-D-glucan cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) mà giải phóng D-cellobiose Tỷ lệ thủy phân của enzyme cellobiohydrolase ngoại bào bị hạn chế bởi sự sẵn có các đầu chuỗi cellulose

 β-glucosidase hay β-D-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21):

β-glucosidase hay β-D-glucoside glucohydrolase giải phóng phân tử D-glucose

từ đường cellodextrin hòa tan và một loạt các glucoside khác

Hình 2.11: Tác dụng của từng enzyme trong cellulose

3.3.2.2 Enzyme xylanolytic :

Do tính không đồng nhất của xylan, sự thủy phân của nó đòi hỏi các ảnh hưởng của một hệ thống enzyme phức tạp Enzyme này thường bao gồm hai loại: enzyme không phân nhánh (β-1,4-endoxylanse, β-xylosidase) và enzyme phân nhánh (α-arabinofuranosidase, α-glucuronidase, esterase xylan acetyl và esterase axit phenolic) (Hình 3.11) Tất cả các enzyme này tác động tương hỗ để chuyển đổi xylan thành cấu

tử đường của nó Hệ thống enzyme xylanolytic đa chức năng như vậy khá phổ biến ở những vi khuẩn và nấm Các xylan khác loại chứa nhóm thể khác nhau trong mạch chuỗi chính và chuỗi bên

Như vậy, sự phân giải polysaccharide phức tạp như vậy có thể gồm hoạt động hỗ trợ giữa các thành phần khác nhau của hệ thống enzyme xylanolytic

Hình 2.12: (A) Enzyme xylanolytic liên quan đến quá trình phân giải xylan Ac: nhóm acetyl; α-Araf: α-arabinofuranose; α-4-O-Me-GlcA: α-4-O-methylglucuronic

acid (B) Thủy phân các xylooligosaccharide bởi enzyme β-xylosidase

 β-Xylosidase:

β-D-xylosidase (β-D-xyloside xylohydrolase; EC 3.2.1.37) là enzyme ngoại bào exoglyosidase thủy phân các oligosaccharide ngắn và xylobiose thành đường xylose β-

xylobiose thật có thể phân tách chất nhân tạo như p-nitrophenyl β-D-xyloside [11]

Trong số các xylooligomer, xylobiose thường là cơ chất tốt nhất Ái lực của enzyme đối với xylooligosaccharide giảm theo mức độ tăng của phản ứng polymer hóa

Hầu hết các β-xylosidase được nghiên cứu cho đến nay đều bị ức chế bởi xylose sản phẩm thủy phân của chúng Nhiều β-xylosidase có hoạt tính transferase, đặc biệt là

ở các nồng độ cơ chất cao, tạo ra sản phẩm phân tử lượng cao

 α-L-Arabinofuranosidase:

Mặc dù enzyme arabinosidase đóng vai trò quan trọng trong quá trình thủy phân xylan, chỉ có một vài enxyme đã được cô lập và mô tả Có hai loại enzyme arabinase, các enzyme α-L-arabinofuranosidase ngoại bào (EC 3.2.1.55) hoạt hóa ngược lại với p-nitrophenly-α-L-arabinofuranoside và trên các arabinan phân nhánh, và các enzyme 1,5-alpha-L-arabinase nội bào (EC3.2.1.99), chỉ hoạt hóa các arabinan dạng thẳng α-L-Arabinofuranosidase có khả năng thủy phân cả hai liên kết 1,3- và 1,5-α-L-

arabinofuranosyl trong arabinoxylolan đã được báo cáo trong A ninger và B subtilis

Enzyme này đặc hiệu cao đối với arabinoxylan và có thể giải phóng mỗi arabinose từ arabinoxylan Khi giải phóng arabinose, mạch chính xylan không bị thủy phân và không tạo ra xylooligosaccharide Enzyme này không tác động đối với α-L-1,3 hoặc α-1,5 liên kết arabinose từ arabinan, arabinogalactan, hoặc p-nitrophenyl-alpha-L-arabinofuranoside

Enzyme esterase acetylxylan là enzyme có thể cắt đứt giữa các nhóm acetyl với

2 hoặc 3 vị trí của gốc xylose và góp phần đóng vai trò thủy phân xylan trong tự nhiên

Trong các nghiên cứu trước đó đã chứng minh được enzyme này được chứng minh là sinh ra từ một số loài vi khuẩn và nấm

3.3.2.3 Enzyme phân hủy lignin (ligninase):

Lignin peroxidase (LiP) được trích ly từ nấm mục trắng Phanerochaete chrysosporium và Manganese peroxidase (MnP) được trích ly từ Lentinula edodes Các

enzyme này phân hủy các hợp chất có vòng thơm, trong đó có lignin Cho đến nay chúng chưa được nghiên cứu nhiều, nhiều vi sinh vật có khả năng tiết enzyme này trong đất vẫn chưa được khám phá

Như vậy trong 3 thành phần chính của lignocelluloses, lignin là khó phân hủy nhất Đây cũng chính là rào cảm sự tấn công của các enzyme khác vào thủy phân hiệu quả hemicelluloses và cellulose

2.4 Ứng dụng của enzyme lignocellulolytic:

Thế hệ nhiên liệu sinh học đầu tiên dựa trên đường, tinh bột và dầu thực vật, không có được những ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, vì các nguyên vật liệu này cũng được sử dụng làm thức ăn Lignocellulose được xem là thế hệ nhiên liệu sinh học thứ hai Trong thập kỷ qua, enzyme thủy phân lignocellulose ngày càng được quan tâm Cellulose và xylan rất phổ biến trong tự nhiên Hàng năm, lượng lignocellulose do thực vật tổng hợp nên là 1011 tấn Sự phân hủy lignocellulose chủ yếu là do vi sinh vật

Do đó mà quá trình phân hủy lignocellulose bằng các enzyme từ vi sinh vật có một ý nghĩa lớn về lý thuyết cũng như về thực tế Bởi lẽ do vi sinh vật phân hủy cellulose mà hàng năm bầu khí quyển của trái đất được bổ sung đầy đủ lượng CO2 cần thiết cho sự sống

Một số ứng dụng chính của cellulase và xylanase như:

 Ứng dụng trong quá trình thủy phân gỗ và phế liệu gỗ rẻ tiền thành các đường đơn giản rồi có thể chế biến thành thức ăn cho gia súc

 Các nguyên liệu thực phẩm có nguồn gốc thực vật nếu được gia công bằng chế phẩm enzyme cellulase và xylanase sẽ được mềm ra, tăng hệ số đồng hóa và chất lượng Do đó sẽ rất bổ ích làm thức ăn đặc hiệu cho trẻ em, người ăn kiêng cũng như chế biến thức ăn gia súc

Ứng dụng trong quá trình thủy phân chất thải chứa cellulose, chuyển hóa các hợp chất kiểu lignocellulose và cellulose trong rác thải tạo nên nguồn năng lượng thông qua các sản phẩm đường, ethanol, khí sinh học hay các sản phẩm giàu năng lượng khác Thí dụ: từ các chất thải nhà máy giấy như các sản phẩm từ bột giấy và giấy

có thể thu nguồn năng lượng như ethanol

Người ta có thể thủy phân lignocelluloses bằng phương pháp sinh học theo hai cách: cách 1 là sử dụng trực tiếp vi sinh vật phân hủy lignocellulose trong tự nhiên hay phân lập chúng tạo chế phẩm EM tăng cường phân hủy như các quy trình ủ compost và phân hủy rác thải giàu xơ Cách hai đắt tiền hơn là sản xuất enzyme vi sinh vật bằng công nghệ di truyền và lên men vi sinh vật, rồi sử dụng chế phẩm enzyme vào thủy phân như phần hớn công nghệ sản xuất bioethanol hiện nay

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ PHỤ PHẾ PHẨM GIÀU XƠ

Như đã trình bày ở trên, phụ phế phẩm giàu xơ gồm 3 thành phần chủ yếu là cellulose, hemicelluloses và lignin Cellulose g ồm nhiều chuỗi thẳn g ghép nhau thành bó dài nhờ mạch nối hydrogen tạo thành các mixen bền vững Hemicellulose là những heteropolysacarit cùng với cellulose có ở màng tế bào thực vật Hemicellulose không hoà tan được trong nước nhưng hoà tan được trong dung dịch kiềm và bị thuỷ phân bởi acid dễ dàng hơn so với cellulose Khi bị thuỷ phân từ hemicelluloses sẽ tạo ra glucose, fructose, mantose, galactose, cuabinose và xilose Thành phần thứ ba đáng chú ý trong chất xơ là lignin Lignin luôn đi kèm với cellulose và hemicelluloses trong thành phần tế bào Lignin không hoà tan trong nước, trong các dung môi hữu cơ bình thường và rất bền vững bởi enzyme của hệ VSV dạ cỏ Nhưng dưới tác dụng của kiềm thì lignin một phần bị phân giải và chuyển vào dung dịch

Trong dạ cỏ loài nhai lại có những vi khuẩn đặc biệt chứa enzyme cellulose phân giải được cellulose Cellulose và hemicelluloses là những chất có thể tiêu hoá được Nhưng phần lớn cellulose tham gia cấu tạo lớp trong của màng tế bào rơm nên enzyme của hệ VSV không dễ dàng tác động được Lớp ngoài thành tế bào được tạo thành chủ yếu từ các phức chất lingo – hemicelluloses mà các enzyme VSV d ạ cỏ phân giải vô cùng chậm Điều

đó cản trở những lớp trong giàu cellulose trước tác động của enzyme VSV, cũng như cản trờ sự phân giải chất chứa tế bào

Như vậy, phần lớn các trường hợp muốn sự dụng hiệu quả phụ phế

pháp hóa lý để tạo tiền đề cho phương pháp sinh học là sử dụng enzyme chế phẩm hay sử dụng trực tiếp tế bào tiết ra các enzyme đó

Sơ đồ 3.1: Các phương pháp xử lý phụ phẩm nông nghiệp giàu xơ

3.1 Phương pháp vật lý:

 Xử lý cơ học:

Xử lý cơ học là phương pháp cơ giới để băm chặt, nghiền nhỏ thức ăn, nhằm thunhỏ kích thước của thức ăn, vì kích thước của thức ăn có ảnh hưởng tới quá trình thu nhận và quá trình tiêu hoá thức ăn của gia súc nhai lại Phương pháp này giúp phá vở cấu trúc vách tế bào nên thành phần cacbohydrate không hoà tan sẽ có giá trị hơn với VSV dạ cỏ Ưu điểm của phương pháp này là giúp gia súc đở tốn năng lượng thu nhận và tạo kích thước của thức

ăn thích hợp cho VSV dạ cỏ

Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nguy cơ làm giảm tiết nước bọt và tăng tốc độ chuyển dời qua dạ cỏ làm giảm tỷ lệ tiêu hoá Phương pháp này áp dụng

chủ yếu với phế phụ phẩm trồng trọt ở mức độ trang trại Nên kết hợp phương pháp này với phương pháp xử lý hoá học hoặc kết hợp với xử lý sinh học

 Xử lý bằng nhiệt hơi nước:

Xử lý các loại thức ăn thô chất lượng thấp bằng nhiệt với áp suất hơi nước cao đểlàm tăng tỷ lệ tiêu hoá Cơ sở của phương pháp này là quá trình thu ỷ phân

xơ bằng hơi nước ở áp suất cao để phá vỡ mối li ên kết hoá học giữa các thành phần của chất xơ và tạo ra sự tách chuỗi Theo các tác giả Sundstol và Owen (1984) thì có thể dùng hơi nước ở áp suất 7 - 28 kg/cm2 để xử lý rơm trong

5 phút Rangnekar và cộng sự (1982) đã xử lý rơm và bã mía bằng hơi nước ở áp suất 5 -9 kg/ cm2 trong 30 - 60 phút Kết quả tương tự như xử lý ở áp suất cao trong thời gian ngắn Phương pháp này chủ yếu lợi dụng các nguồn nhiệt thừa ở các nhà máy

 Xử lý bằng bức xạ:

Khi chất xơ được chiếu xạ, chiều dài của chuổi cellulose sẽ giảm và thành phần của cacbohydrat không hoà tan sẽ trở nên dễ dàng tác động bởi VSV dạ cỏ Năm1951, Lawton và cộng sự đã sử dụng bức xạ làm tăng tỷ lệ tiêu hoá của thức ăn thô Có một số phương pháp bức xạ khác nhau như bức xạ cực tím, tia gamma có thể dùng để tăng tỷ lệ tiêu hoá của thức ăn thô Tuy nhiên, các phương pháp này phần lớn đòi hỏitrang thiết bị đắt tiền, cao cấp và không an toàn

Do vậy, các phương pháp xử lý bằng bức xạ không đem lại hiệu quả kinh tế

3.2 Phương pháp hoá học:

Xử lý hóa học để cải thiện giá trị dinh dưỡng của rơm được bắt đầu từ thế kỷ XIX Hiện nay, việc dùng các chất hoá học để xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp làm thức ăn giasúc đang được áp dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới Mục đích của xử

lý hóa học làp h á v ỡ c á c m ố i l i ê n k ế t g i ữ a l i g n i n v à h e m i c e l l u l o s e đ ể

l à m c h o h e m i c e l l u l o s e v à cellulose vốn bị bao bọc bỡi phức hợp hemicellulose dễ dàng được phân giải bởi visinh vật dạ cỏ

lignin-Trong phương pháp xử lý hóa học, dùng tác nhân oxy hoá, axit/kiềm

Sơ đồ 3.2: Nguyên lý xử lý thức ăn giàu xơ ( Chesson, 1986)

 Các chất oxyhoá (như acid peroxyaxetic, clorit natri được acid hoá, ôzôn ) có tác dụng phân giải lignin khá hiệu quả

 Các acid mạnh như những axit được dùng trong công nghiệp giấy

 Các chất kiềm (vôi, kali, xút, amoniac ) có khả năng thuỷ phân các mối liênkết hoá học giữa lignin và các polysacarit của vách tế bào thực vật

Trong tất cả các phương pháp hoá học thì xử lý kiềm được nghiên cứu sâu nhất

và có nhiều triển vọng trong thực tiễn

Các mối liên kết hoá học giữa lignin và cacbohydrat bền trong môi trường của

dạ cỏ nhưng lại kém bền trong môi trường kiềm (pH> 8), lợi dụng các đặt tính này các nhà khoa học đã sử dụng các chất kiềm như: NaOH, NH3, ure, Ca(OH)2 để xử lý các phụ phẩm nông nghiệp nhiều xơ với mục đích phá vỡ mối liên kết giữa lignin với hemicellulose/cellulose trước khi chúng được sử dụng làm thức ăn cho gia súc nhai lại, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lên men của vi sinh vật dạ cỏ Kiềm hoá có thể phá vỡ liên kết este giữa lignin với hemicellulose/cellulose đồng thời làm cho cấu trúc xơ phồng lên về mặt vật lý Những ảnh hưởng đó tạo điều kiện cho vi sinh vật dạ cỏ tấn công vào cấu trúc cacbohydrat như cellulose, hemicellulose được dễ dàng, làm tăng tỷ lệ tiêu hoá, tăng tính ngon miệng của rơm đã xử lý.Sau đây là một số phương pháp kiềm hoá chính đã được nghiên cứu và áp dụng ở các nước khác nhau trên thế giới

Phương pháp Beckmann: Beckmann (1921) đã cải tiến bằng cách ngâm

thời gian 2 – 3n g à y , s a u đ ó r ữ a s ạ c h p h ầ n N a O H d ư đ ế n k h i k h ô n g

c ò n m ù i k i ề m v à c h o g i a s ú c ă n Phương pháp này cho thấy sự mất mát vật chất khô thấp hơn so với phương pháp đun sôi,làm tăng giá trị năng lượng của rơm tương đương với cỏ cắt sớm (Sundstol, 1984) Tuynhiên, phương pháp này cũng có một số nhược điểm: Nước rữa rơm sau khi chế biến gâyô nhiễm môi trườn g

và làm mất nhiều chất dinh dưỡng hoà tan trong quá trình chế biếnvà rửa trước khi cho ăn

Phương pháp nhúng (deep treament): Phương pháp này được tiến hành như sau:Rơm được nhúng trong bể chứa NaOH 1,5% trong khoảng 1 - 2h, sau đó vớt lên và đểcho nước chứa kiềm dư chảy trở lại bể ngâm Tiếp theo, rơm được ủ trong 3 - 6 ngàytrước khi cho ăn Phương pháp này rất hiệu quả, nhưng do rơm sau xử lý có hàm lượngNa cao nên không nên cho ăn như là nguồn thức ăn thô duy nhất trong khẩu phần

Phương pháp tuần hoàn: Rơm đóng bánh được phun dung dịch N a O H + Ca(OH)2 (15 – 25g NaOH và 10 – 15g Ca/kg VCK) và để trong phòng kín sau đó phun chất trung hoà như acid photphoric (H3PO4) lên bánh rơm Khi lượng nước thừa rút hếtnhững bánh rơm này có thể ăn được Phương pháp này đã được đưa ra thực tế để xử lý rơm cho khả năng tiêu hoá cao, chứa ít NaOH dư, nhưng đòi hỏi qui trình và điều kiện tiến hành phức tạp

Nhìn chung, các phương pháp xử lý rơm bằng NaOH có hiệu quả làm tăng tỷ lệ tiêu hoá Tuy vậy, do những bất lợi như: chi phí cao, ô nhiễm môi trường do thải Natri dư và nguy hiểm cho người cũng như gia súc nên ở các nước đang phát triển ít sử dụng

Bảng 3.1: Ảnh hưởng của NaOH và Ca(OH) 2 đến tỷ lệ tiêu hoá vật chất khô của bã mía (Martin,1979)

Một số phương pháp thay cho xử lý bằng NaOH là xử lý bằng Ca(OH)2, đặc biệt là xử lý bằng NH3 (bảng 1) Ưu điểm của NH3 là ở chỗ: một phần của nó bám chặt vào rơm, thức ăn thô và có thể sử dụng như nguồn nitơ phi protein (Orskov, 1984)

 Xử lý bằng amoniac:

Amoniac được chấp nhận hơn bất kì loại hoá chất nào khác trong xử lý rơm rạ Amoniac là một nguồn nitơ phi protein được VSV dạ cỏ sử dụng nên việc xử lý bằngamoniac còn góp phần làm tăng hàm lượng protein thô Hơn nữa, xử

lý bằng amoniac còncó tác dụng bảo quản chống mốc thối Các phương pháp xử lý amoniac như sau:

 Xử lý bằng khí ammoniac:

R ơ m đ ư ợ c c h ấ t đ ố n g v à d ù n g v ả i n i l o n đ e n c h e l ạ i T h ù n g đ ự n g

k h í a m o n i a c được nối với ống kim loại dài có đục lỗ (đường kính 4 cm) xuyên vào đống rơm Thông thường, dùng 3kg amoniac/100kg rơm Thời

rơm với khí NH3 ở trong phòng kín ở nhiệt độ 95oC Khí NH3 được tuần hoàn trong rơm ủ Phương pháp này có thể làm giảm thời gian xử lýxuống khoảng 24 giờ kể

cả 3-4 giờ thoát khí sau xử lý

 Xử lý bằng amoniac lỏng:

Amoniac lỏng có thể sử dụng để xử lý rơm theo một số cách khác nhau Thông thường nó được bơm vào đóng rơm phủ kín qua một ống dẫn Nước amoniac cũng có thể cho chảy từ phía trên đống rơm xuống và amoniac sẽ bốc hơi từ từ và thấm vào rơm

Xử lý bằng amoniac khí hay lỏng đều tỏ ra có hiệu lực tốt: làm tăng tỷ lệ tiêu hoá, tăng NPN và lượng thu nhận Tuy nhiên nó đòi hỏi phải có các bình chứa chịu áp lực vàcàc trang thiết bị hạ tầng tốt Xử lý amoniac cũng gây ô nhiễm môi trường do NH3 thảivào không khí Trong một số trường hợp có thể sinh độc tố (4-metyl imidazol) nếu xử lý amoniac ở nhiệt độ cao và nguyên liệu có nhiều đường

 Xử lý bằng urê:

T h ự c c h ấ t x ử l ý b ằ n g u r ê c ũ n g l à x ử l ý b ằ n g N H3 một cách gián tiếp vì khi cónước và ureaza của vi sinh vật thì urê sẽ phân giải thành amoniac

CO(NH2)2 + H2O urease 2NH3 + CO2

Các nhà nghiên cứu cho rằng: trong thực tế sản xuất hiện nay thì lấy

NH3 từ urê bằng quá trình ủ ướt rơm hay các thức ăn thô khác là phương pháp đơn giản và thuận tiện h ơ n c ả N a O H v à N H3 làm cắt mạch liên kết giữa lignin với các thành phần khác của màng tế bào như cellulose, hemicellulose và protein Một phần hemicellulose trở thành hòa tan trong nước và các cấu trúc vốn không thể tác động tới trở thành dễ dàng chịu tác động của enzyme vi sinh vật

Urê có thể sử dụng để xử lý rơm chủ yếu theo hai cách sau:

 Trên quy mô công nghiệp, rơm trộn với urê kết hợp với việc nghiền và đóng thành bánh

 Trên quy mô nông hộ rơm được trộn với urê rồi ủ trong các hào, hố hay các bao bì được nén chặt và giữ kín khí

Khi xử lý rơm bằng urê cần đảm bảo các điều kiện sau:

 Liều lượng urê sử dụng bằng 4-5% so với VCK của rơm

 Lượng nước sử dụng cần đảm bảo cho độ ẩm của rơm sau khi trộn nằm trong khoảng 30-70% Nếu quá ít nước thì sẽ khó trộn đều và nén chặt Nếu thêm quá nhiều nước sẽ làm mất urê do nước không ngấm hết vào rơm

mà trôi mất và dễ gây mốc Trong thực tế có thể dùng 6-10 lít nước/10kg rơm khô

 Các túi hay hố ủ phải được nén chặt và đảm bảo kín khí để không cho amoniac sinh ra bị lọt ra ngoài làm mất hiệu lực xử lý và rơm sẽ bị mốc

 Thời gian ủ tuỳ thuộc vào nhiệt độ môi trường Nếu nhiệt độ không khí cao thì quá trình amoniac hoá sẽ nhanh, lạnh thì chậm lại Nếu nhiệt độ trên 300C thì thời gian ủ ít nhất là 7-10 ngày, 15-300C phải ủ 10-25 ngày, 5-150C thì phải ủ 25-30 ngày

Phương pháp xử lý bằng urê an toàn hơn phương pháp xử lý bằn g amoniac lỏng hoặc khí Hơn nữa, urê rẻ hơn NaOH và NH3 và rất sẵn vì nó là phân bón cho cây trồng Mặt khác, urê là chất rắn nên dễ vận chuyển và sử dụng Tuy nhiên, phương pháp này vẫn có những khó khăn như: NH3 chỉ được giải phóng khi có enzyme urease và enzyme này chỉ hoạt động trong điều kiện nhiệt

độ và độ ẩm nhất định Nhiệt độ và độ ẩm cao là điều kiện thuận lơi cho enzyme này hoạt động Do đó, xử lý urê chỉ thích hợp cho các nước nhiệt đới Bên cạnh đó, mặc dù xử lý urê bổ sung NH3 cho vi sinh vật dạ cỏ, nhưng đây vẫn

là cách bổ sung đắt tiền bởi vì lượng urê cần dùng để đảm bảo xử lý có hiệu

ở các nước đang phát triển do trợ cấp nông nghiệp ngày càng giảm nên gía urê có xu hướng tăng lên Việc áp dụng phương pháp này có thể sẽ mang lại hiệu quả kinh tế không cao nếu giá urê cao Do đó, việc dùng thêm một chất kiềm khác rẻ hơn (như vôi chẳng hạn) kết hợp với một mức urê thấp có thể mang lại hiệu lực tốt hơn và bền vững hơn về mặt kinh tế

 Phương pháp xử lý rơm bằng urê:

Hòa tan lượng urê theo các tỷ lệ thích hợp, thường 4-5% Ví dụ: xử lý bằng dung dịch urê 4% thì hòa tan 4 kg urê trong 100 lít nước, trộn đều với rơm đã cắt ngắn 4-5 cmsau đó cho rơm đã xử lý urê vào túi nilon, hàn kín và ủ trong 21 ngày là

có thể cho gia súc ăn

Bảng 3.2: Ảnh hưởng của xử lý rơm bằng dung dịch urê 4% đến thành phần dinh dưỡng của rơm

 Xử lý bằng vôi:

Trong số các chát khác có thể dùng để kiềm hoá rơm thì vôi (Ca (OH)2) hay CaO đang được quan tâm nhiều nhất Có hai hình thức xử lý bằng vôi:

 Ngâm rơm trong nước vôi: tương tự như xử lý với NaOH

 Ủ rơm với vôi: rơm đựơc trộn đều với 4-6% vôi (Ca(OH)2ha hhoặc CaO),nước (40-80kg/100kg rơm) và ủ trong 2-3 tuần

Việc dùng vôi xử lý rơm có các ưu điểm là vôi rẻ tiền và sẵn có, bổ sung thêm Ca cho rơm, an toàn và không gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, vì vôi là kiềm yếu nên tác dụng xử lý không cao nếu ngâm nhanh Hơn nữa , vôi khó

hoà tan và không bốc hơi nên khó trộn đều trong nguyên liệu xử lý và khi xử

lý vôi rơm dễ bị mốc, do vậy lượng thu nhận không ổn định

 Xử lý kết hợp urê với vôi:

Theo Van Soest (1994) việc kết hợp dùng urê và vôi sẽ đem lại hiệu quả tốt hơn dùng riêng vôi hoặc urê Khi dùng CaO kết hợp với urê thì urê

có thể được phân giải nhanh hơn và tăng sự phản ứng giữa NH3 với rơm Việc kết hợp này sẽ còn cho phép bổ sung cả NPN và Ca cùng một lúc, cũng như chống được mốc, trong khi giảm được lượng N va Ca dư so với xử lý bằng urê hay bằng vôi riêng

lẽ

Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, các đánh giá in-sacco, in-vivo và các thí nghiệm nuôi bò sinh trưởng bằng rơm x ử l ý b ằ n g u r ê k ế t h ợ p v ớ i v ô i

đ ã đ ư ợ c t i ế n h à n h ở V i ệ t N a m v à c h o k ế t q u ả r ấ t t ố t (Nguyễn Xuân Trạch, 2000)

3.3 Phương pháp sinh học:

Cơ sở của phương pháp này là dùng nấm hay phế phẩm enzyme của chúng cấy vào thức ăn để phân giải lignin hay các mối liên kết hoá học giữa lignin và cacbohydrattrong vách tế bào thực vật Lĩnh vực này có chiều hướng triển vọng khi một số loài nấm như White Rot (nấm mục trắng) đã được phát hiện có khả năng phá vỡ các phức hợp lignin-hydrat cacboncủa vách tế bào Tuy nhiên, các nấm háo khí này làm tiêu hao năng lượng trong thức ăn vì khó tìm được những loại nấm chỉ phân giải lignin mà không phân giải cellulose/ hemicenlulose Phương pháp này có những hạn chế lớn khác như nuôi cấy vi khuẩn gặp khó khăn, phương tiện thiết bị và qui trình phức tạp nên cho tới nay vẫn chưa được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn Trong tương lai nếu như công nghệ di truyền

có thể nhân đượccác loại vi sinh vật dạ cỏ có khả năng phân giải lignin thì có thể có nhiều ứng dụng trong tương lai vào mục đích này

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG PHỤ PHẨM GIÀU XƠ LÀM THỨC ĂN GIA SÚC

4.1 Vai trò của đại gia súc đối với việc phát triển nông thôn:

Gia súc nhai lại (GSNL) đã có mối quan hệ cộng sinh với con người kể từ thời tiền sử Mối quan hệ này đã làm thay đổi nhiều đặc tính vốn có của chúng Những giống GSNL chuyên dụng ngày nay có lẽ phải phụ thuộc sự sống còn vào con người, trước hết là thức ăn, vì chúng đã mất đi những đặc tính ban đầu cần thiết để tồn tại trong tự nhiên Trái lại, nhiều cộng đồng con người cũng có lẽ không thể tồn tại nếu không có GSNL mặc dù không phải mọi cộng đồng cư dân đều phải nuôi chúng Đối với các nước nhiệt đới thì chăn nuôi GSNL đã từng và chắc chắn sẽ tiếp tục là một trong những hoạt động kinh tế và xã hội quan trọng nhất vì những lý do chính dưới đây

4.1.1 Cung cấp sức kéo:

Từ ngàn xưa chăn nuôi trâu bò đã gắn liền với trồng trọt trong các hệ thống canh tác hỗn để cung cấp sức kéo cho việc làm đất Trên thế giới, nhất là ở các nước đang phát triển, trâu bò vẫn đang được sử dụng nhiều để phục vụ cho việc cung cấp sức kéo Năm 1990 có 52% số bò và 34% số trâu ở các nước đang phát triển được dùng vào mục đích lao tác Đặc biệt, khi các nguồn nguyên liệu hoá thạch đã được khai thác gần như cạn dần và giá dầu ngày càng tăng cao như hiện nay thì sức kéo của trâu bò lại trở nên có nhiều ưu thế hơn Ở nước ta hiện nay mặc dù có cơ khí hoá nông nghiệp, nhưng công việc làm đất vẫn thu hút gần 70% trâu và 40% bò trong toàn quốc, đáp ứng trên 70% sức kéo trong nông nghiệp Ngoài việc làm đất, trâu bò còn được sử dụng để kéo

xe, vận chuyển hàng hoá Lợi thế của sức kéo trâu bò là có thể hoạt động ở bất kì địa bàn nào và sử dụng tối đa nguồn thức ăn tự nhiên tại chỗ và các phụ phẩm nông nghiệp

để cung cấp năng lượng mà không cần đến nhiên liệu hoá thạch

4.1.2 Cung cấp thực phẩm:

GSNL cung cấp hai loại thực phẩm có giá trị cao đối với con người là thịt và sữa Thịt trâu, bò, dê và cừu được xếp vào loại thịt đỏ có giá trị dinh dưỡng cao Sữa được xếp vào thực phẩm cao cấp vì nó hoàn chỉnh về dinh dưỡng và rất dễ tiêu hoá Từ năm

2000 đến 2006, sản lượng thịt trâu bò tăng hàng năm 1,2% ( 64 triệu tấn năm 2006 so với 60 triệu tấn năm 2000), trong khi đó, ở các nước phát triển tăng 3,3% năm, trong khi đó ở các nước phát triển tăng 3,3%/năm Tương tự đó, sản lượng sữa trâu, bò tăng 2,2%/năm (630 triệu tấn năm 2006 so với 557 triệu tấn năm 2000) trên thế giới và các nước đang phát triển tăng 5,6% (FAOSTAT, 2007) Gia súc nhai lại có khả năng biến thức ăn như cây cỏ, rơm rạ thành hàng trăm thành phần khác nhau của thịt và sữa Mức sống càng tăng thì nhu cầu của con người về thịt và sữa càng tăng Do đó, vai trò cung cấp thực phẩm của GSNL ở các nước càng phát triển thì càng trở nên quan trọng

4.1.3 Cung cấp phân bón và chất đốt:

Phân của GSNL là loại phân hữu cơ có giá trị và khối lượng đáng kể hàng ngày mỗi trâu trưởng thành thải ra từ 15-20 kg phân, bò trưởng thành 10-14 kg Phân trâu bò được dùng làm phân bón cho cây trồng rất phổ biến Phân trâu chứa 78% nước, 5,4% khoáng, 1,06% acid photphoric, 0,1% Kali, 0,2% Canxi Mặc dù chất lượng phân không cao như phân lợn, nhưng nhờ khối lượng lớn phân trâu bò đã đáp ứng tới 50% như cầu phân hữu cơ cho nông nghiệp nước ta Trên thế giới, phân trâu bò còn được dùng làm chất đốt Tại một số nước như Ấn Độ, Pakistan, phân được trộn với rơm bằm, nắm thành bánh và phơi nắng khô, dự trữ và sử dụng làm chất đốt quanh năm

4.1.4 Cung cấp nguyên liệu chế biến:

Ngoài việc cung cấp thực phẩm cho con người, sức kéo và phân bón cho nông nghiệp, các loài GSNL còn sản xuất ra một số sản phẩm khác mà con người có thể sử dụng để chế biến ra nhiều sản phẩm khác nhau Da của GSNL là nguồn nguyên liệu chủ yếu cho các nhà máy thuộc da Da trâu bò có thể dùng làm áo da, găng tay, bao sung, dây lưng, giày, dép, cặp… Ở nhiều cùng nông thông người ta còn dùng da trâu

bò làm thực phẩm Lông cừu và long dê là nguyên liệu để sản xuất len Nhờ độ dày, sức bền và khả năng uốn mềm của nó mà long trâu còn thích hợp cho việc sản xuất bàn chải mỹ nghệ và lau chùi một số loại máy móc quang học Sừng và xương trâu nếu được gia công chế biến cẩn thận có thể trở thành nhiều mặt hàng mỹ nghệ khác nhau

4.2 Tìm hiểu về khả năng sử dụng thức ăn giàu xơ của GSNL:

Để khai thác tốt nhất GSNL phục vụ con người đòi hỏi phải hiểu được những ưu thế dinh dưỡng của loại gia súc này để khai thác có hiệu quả nhiều nguồn tài nguyên thiên nhiên có sẵn nhưng ít bị cạnh tranh làm thức ăn cho chúng Đồng thời cũng phải biết được những hạn chế sinh thái của chúng để tránh phát triển chăn nuôi gia súc nhai lại một cách “ duy ý chí”, gây ra nhiều tổn thất nặng nề về kinh tế-xã hội và sinh thái

4.2.1 Khả năng sử dụng thức ăn giàu xơ:

Người xưa có câu”lợn thì ăn cám ăn bèo, trâu bò ăn cỏ, người nghèo ăn khoai” Như vậy, người xưa đã nhận ra được tầm quan trọng của cỏ đối với trâu bò nói riêng và gia súc ăn cỏ nói chung (Hình 5.1) Câu nói trên cũng chỉ ra được vị trí của GSNL trong hệ sinh thái dinh dưỡng, tức là chúng cần ăn và sử dụng được thức ăn thô giàu

xơ Thức ăn thô xanh là yếu tố quan trọng bậc nhất trong nuôi dưỡng GSNL nói chung

và con bò nói riêng Đó là kinh nghiệm mà người nông dân qua hàng nghìn đời đã tích