Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu công nghệ xử lí chất thải trong quá trình chế biến trái dừa và sản xuất phân hữu cơ

Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu công nghệ xử lí chất thải trong quá trình chế biến trái dừa và sản xuất phân hữu cơ

CHƯƠNG 2

NGUYEN LIEU VA PHUGNG PHAP

NGHIEN CUU

Thuyết minh các công đoạn:

-Tách vỏ(quả dừa gồm 2phần vỏ và hạt) do vậy thao tác đầu tiên là tách vỏ

ra khỏi hạt

-Đập dập bằng máy: vỏ dừa cứng do vậy để tách được chỉ xơ dừa và mạt dừa

ra khỏi nhau phải đập dập để võ dừa mềm ra

-Phun nước để dể dàng tướt chỉ

2.1.2.Thành phần của mạt dừa

2.1.2.1 Độ pH

Ta dùng 5g mạt dừa cho vào 50ml nước khuấy đều, để lắng sau 1 giờ và

dùng dịch trong để đo pH, pH của mạt dừa từ 6,5-6,7.

2.1.2.2.Am độ [29]

a Nguyên tác

Làm khô mẫu trong tủ sấy ở nhiệt độ 105°C

Khối lượng mẫu giảm đi khi sấy khô tuyệt đối là lượng nước có trong mẫu

-Sấy ở 105°c(trong 6 giờ)

-Đậy nắp chén cho vào bình hút Ẩm

mn¡: khối lượng chén có chứa mẫu trước khi sấy

m ;: khối lượng chén có chứa mẫu sau khi sấy

m: khối lượng mẫu phân tích)

trong 3 giờ đến khi thấy tất

cả mạt dừa hoá ra tro xám

-Lấy ra để nguội trong bình

mạ là khối lượng chén nung có chứa tro

mạ là khối lượng chén nung không chứa tro

m là khối lượng nguyên liệu.

2.1.2.4, Định lượng celulose thô

-Hoà tan trong 20ml dụng dịch

Cu(NHạ¿); (OH); điều chế bằng cách

cho Cu(OH), hoa tan trong dung dich đậm đặc NHẠOH

-Lọc lấy nước,

-Cho trầm biện với HCI loãng

-Loc lay cellulose thô

-Đuổi nước trong tú sấy 110-115°C

m; là khối lượng becher có chứa cellulose

mạ là khối lượng becher không

m là khối lượng nguyên liệu

H là độ ẩm đo với máy Koffer

2.1.2.5 Định lượng hàm lượng lignin trong mạt dừa [29]

-Cho vào 15 ml H,SO, 72%

-Làm lạnh ở 20c cho mẫu tan

-Để yên trong 2 giờ(nhiệt độ thường) -Cho nước cất vào đến 575 mÌ

-Dun cách thuỷ trong 4 giờ -Để lắng qua đêm

-Hút dịch nổi trên mặt -Rửa lignin với nước nóng qua giấy lọc -Sấy mẫu ở 105c đến khối lương

A: khối lượng lignin sau khi sấy

W: khối lượng mẫu đem định lượng

2.1.2.6 Định lượng tanin trong mạt dừa

a Nguyên tắc

Dùng dung dịch KMnO¿ oxi hoá tanin trong môi trường axit

Chuẩn độ lượng KMnOxudư bằng chi thi mau indizo carmin

b.Quy trinh thi nghiém

Mạt dừa

-Cho vào 50 m] nước sôi

.-Đun cách thuỷ( vừa đun vừa lắc) 30 phút -Để yên 10 phút

-Gạn lấy nước trong (gạn nhiếu lần)

(V,—W,)xKx0,004157x100x V

mxv

V,: thé tich dung dich KMnO, 0,1 N dùng cho mẫu thử ( mì)

Vọ : thể tích dung dịch KMnO¿ 0,1 N dùng cho mẫu thử trắng( ml) K: hệ số điều chỉnh KMnOx0,1N

Dùng bicromat trong dung dịch H;SO¿ làm chất oxy hoá

Chuẩn độ lượng bicromat dư bằng dung dịch FeSO¿

N: néng độ đương lượng của muối FeSO,

Vo, Vi: thể tích muối FeSO¿ 0,5N dùng chuẩn độ mẫu trắng và mẫu thật (ml)

a: lượng mẫu trắng và mẫu thật (g)

k: hệ số chuyển đổi từ mẫu khô không khí sang mẫu khô tuyệt đối

2.1.2.8.Xác định hàm lượng nữơ tổng số (TCVN 5815-2001) [24]

®Nitơ: nitơ là một trong những thành phần cơ bản cấu tạo nên cơ thể thực

vật, không có nitơ thì không hình thành và tổn tại bất kỳ tế bào sống nào của thực

vật, động vật và người

Tuy nhiên nitơ không có trong thành phần đá mẹ mà chủ yếu được hình thành do nitơ trong không khí chuyển hóa thành NO; (dưới tác dụng của sét) hoặc do vi sinh vật cế định đạm hay phân giải xác hữu cơ vì vậy hàm lượng nitơ

trong đất rất ít, chỉ chiếm khoảng 1% trong đó tầng đất mặt (tùy chiều sâu phẫu diện) mà có hàm lượng từ 0,1 —>0,85% Nitơ trong đất hầu hết đều ở dạng hữu cơ

(95-99%) tuy nhiên cây trồng lại chỉ hấp thu nitơ ở dạng vô cơ như NO; (nitat)

NO, (nitric) NH,* (amoni) , cdc dạng đạm vô cơ ké trén hinh thanh qua con đường chuyển hóa từ nitơ hữu co trong min — amoni axit >amid —amin [14,15,16]

-Cất amoni và hấp thụ amoni bằng lượng dư dung dịch H;SO¿

-Chuẩn độ lượng dư dung dich acid bing dung dich NaOH

b.Quy trinh phan tich

Nitơ dạng nitrat chuyển thành

amoni -Cho vào25 mÌ HạSOa đặc

-Đun đến hết khói trắng -Đun tiếp 15 phút, để nguội

-Thêm 250ml nước, để nguội

Toàn bộ nitơ trong mẫu đã chuyển

thanh amoni sulfat

Dung dich trong

bình chưng cất -Trong bình hứng có chứa:V, m1 H;ạSO,

Dung dịch H;SO¿ đã trung

hoà một phan bang NH;

-Chuẩn độ lượng acid dư bằng dung

dich NaOH 0,1N

-Dung dịch chuyển màu từ xanh tím

sang xang lá cây

K: là hệ số phụ thuộc vào nồng độ acid sulfuric dùng hấp thụ

Vị: là thể tích dung dịch acid sulfuric đã dùng để hấp thụ (ml)

V2: 1a thé tich dung dich NaOH dùng chuẩn độ (m))

V3: tudng tu V, nhung thay mau that bang mau tring

V,: tugng tu V2 nhung thay mẫu thật bằng mẫu trắng

m: khối lượng mẫu tính bằng gam

2.12.9.Xác định hàm lượng PO; hữu hiệu Phương pháp thể tích -TCVN

thuộc vào hàm lượng phospho có trong các loại đá mẹ tạo thành đất và dao động

trong khoảng từ 0,1% ->+0,19% Hàm lượng phospho tổng số (P;Os) không phan

ánh khá năng thỏa mãn nhu cầu của thực vật về mặt cây sử dụng Cây trồng

thường không sử dụng phospho hữu cơ mà chỉ sử dụng dưới dạng đã được khoáng

hóa như Ca(H;PO,); và Mg(H;PO¿);, [14,15,16]

Giấy lọc và cặn

-Cho vào 100ml dung dich petecman

-Khuấy cho giấy tan thành sợi

-Bun c4ch thay 60°C + 1°C sau 15

30ml dd A + 5Ôml dd B

-Cho vao 5ml HNO; (d=1,4) -Đun sôi nhẹ trong 5 phút, để nguội

- thêm vào từng giọt dd NH,OH

10% đến khi xuất hiện kết tủa bằng

HNO:,6N -Đun sôi và cho từ từ 50ml amoni molipdat 3%

-Đun sôi tiếp 3 phút

-Để vên kết tủa 30 phút đến 2 giờ

c.Tính kết quả PO; hữu hiệu

Vị: thể tích NaOH 0,2 N Gnl) hoa tan két tha

V¿: thể tích H;SO, 0,2 N (ml) chuẩn độ lượng dư NaOH

m: khối lượng mẫu (g)

2.1.2.10 Phương pháp xác định hàm lượng kali (TCVN 5815 — 1994) [25]

Kali: đối với cây trồng nói riêng và thực vật nói chung kali cé vai trò quan trong thé hiện Ở CÁC mặt sau:

-Giúp cho quá trình quang hợp được tiến hành bình thường

-Lam tăng cường sự tạo thành các bó mạch nên giúp cho cây cứng cáp -Có tác dụng kích thích sự hoạt động của các loại enzim (ribifsavin,

thiamin, ) do đó tăng cường sự trao đổi chất của cây,

Trong đất lượng Kali thường lớn hơn tổng lượng của cả N và P cộng lại

(chiếm 2,14%) Kali là ion hóa trị ¡ nên sự hấp thu của đất tương đối lỏng

lẻo, điều này làm cho Kali để bị rửa trôi Nói chung đại đa số các loại đất của Việt Nam lượng Kali phục vụ cho cây trồng có hàm lượng thấp do đất

bị phong hóa mạnh [14,15,161,

a.Nguyên tắc

Hoà tan các hợp chất chứa kali, loại trừ các nguyên tố khác bằng fomalin và tron B sau đó kết tủa kali bằng natri tetra-phenyl borat.

m (g) kh6i ludng kali tetra phenyl borat d4 két tha

mạ (g) khối lượng mẫu

0,1314 hệ số chuyển đổi kali tetra phenyl borat K;Ô

2.2.Các phương pháp xử lý mạt dừa để có thể sử đụng làm nguyên liệu của

phân hữu cơ

2.2.1.Khử tanin

a.Cấu trúc và tính chất tanin

Tanin là nhóm hợp chất polyphenol, phân bố rộng rãi trong các họ thực vật, ñgưỜi ta gặp hàng ngày trong cuộc sống (trà, rượu vang đỏ, nhiều loại trái cây

nhất là trong vỏ trái măng cụt, mụn đừa tanin chiếm 2.5% ) có vị chát và làm kết

tủa protein Tanin tan tốt trong nước, alcol và aceton, Ì gam tanin tan trong 0.35

2.2.2.1.Cấu trúc và tính chất của lignin

Lignin là một polime thơm, phong phú nhất trên trái đất

Lignin được hình thành do sự trùng hợp ngẫu nhiên từ những đơn vị

phenyl propan (Co) tiễn chất trực tiếp clla lignin 18 3 rượu Hgnol (có nguồn gốc từ

p-hidroxy cinnamie acid) chú yếu conipheryl, sinapyl và p-coumaryl,

Lignin là hợp chất bền vững không tan trong nước, không tan trong các dụng môi thông thường và trong acid đặc, chỉ đưới tác dụng của kiểm bisunfit

natri và H;SO¿ thì lignin mới bị phân giải một phần và chuyển sang đạng hoà tan

Khi thuỷ phân bằng kiểm sẽ tạo ra các hợp chất thơm[2, 29]

2.2.2.2 Lam giảm hàm lượng lignữu ta hoà tan lignin trong môi trường

kiểm: NaOH, Ca(QOH);

2.2.3 Điều chỉnh tì số CN

2.2.3.1 Ý nghĩa của tỉ số CN

Trong tự nhiên, các vị sinh vật háo khí sử dụng đạm tố của chất hữu cơ để tự

cấu tạo ra tế bào và hấp thu oxi để sinh ra enzym phân giải chất hữu cơ, đồng

thời thu hổi năng lượng để sinh sắn, Mat dừa lượng N ít nhưng chất hữu cơ quá nhiều, tức tỉ lệ C/N lớn, vi sinh vật không thể phân giải hết chất hữu cơ trong mat

diva

Nhu da biét, thanh phan % nguyén 16 trong té bao vi khudn thường là:

C= 50 - 54 N = 10-12 O= 20-22

H = 10- 12 P= 3-5 S va cdc nguyén t6 khdc = 2-3

Ti 1é C/N trong t€ bao thudng vao khodng 5/1 Nhưng ngoài phần cacbon

dùng để xây dựng cơ thể, vị sinh vật còn cần thêm khoảng 4 phần C nữa để phân giải tạo năng lượng cho hoại động sống Như thế tỉ lệ C/N mà vị sinh vật cần lấy

Ở môi trường ngoài khoảng 25/1

Thông thường, nếu tỉ lệ C/N trong mạt đừa ở khoảng 25/1 ~ 30/1, vị sinh vật

có thể phân giải toàn bộ chất hữu cơ và hấp thu N để tự cấu tạo tế bào và phát

triển Do vậy trước khi ủ cần phân tích tỉ lệ C/N của mạt dừa

2.2.3.2 Tỉ số CN trong mại dừa

Mat dưa có hầm lượng C cao những hàm lượng N thấp do vậy tỉ số C/N

khoảng 280, quá cao so với tỉ số C/N trong quá trình ú phân hữu cơ

Mạt dừa gồm cellulose, hemicellulose, lignin trong d6 cellulose, hemicellulose

va lignin tao thanh một phức hợp có cấu trúc vừa phức tạp vừa bến vững gọi là lignocellulose

Mạt đừa sau khi ngâm kiểm thành phần đáng chú ý nhất là celulose, nó tôn

tại ở dạng kết tỉnh và vô định hình Đạng vô định hình để bị enzym của vi sinh

vật phân giải còn dạng kết tính có cầu trúc rất chặt khó bị phân giải Dạng kết tình càng cao, gỗ càng chắc Để phân giải dạng kết tỉnh, vị sinh vật phải chuyển

nó qua đạng vô định hình sau đó mới phân giải thành cellobiose và ghucose, Như

thế trong mạt đừa sau khi ngâm kiểm hàm lượng cellulose chiếm cao nhất và đây cũng là thành phân cần được chuyển hoá lớn nhất khi tiến hành xử lí Hầu hết các

vi sinh vat tao ra enzym cellulase phan gidi cellulose cling tao ra enzym

hemicellulase phan giai hemicellulose

Trong qua trinh @ phân giải ceHulose dưới tác dụng của vi sinh vật các hợp chất sau đây được tạo thành

Celulose — cellobiose 22> glucose

Hemicellulose —™*“**-» Hén hop monosaccharid,

Trong tự nhiên mỗi chúng ví sinh vật chỉ sinh ra một loại enzym đặc hiệu

Để chuyển boá toàn bộ các hợp chat lignocellulose cần phải có nhiều ching vi sinh vật khác nhau tham gia Các phản ứng chuyển hoá nối tiếp nhau, sản phẩm của phản ứng đầu là cơ chất của phản ứng nối tiếp và cứ như thế các hợp chất

lignocellulose được phân giải hoàn toàn

-Enzym cellulase.

Trong tự nhiên enzym cellulase không ở dạng tỉnh khiết mà thường kết hợp với một số enzym khác dưới dạng một phức hệ

Cellulase phan giải ceHulose gồm chủ yếu các enzym €¡C, và B-

tự nhiên như sợi bông, giấy lọc

-Enzym C, còn gọi B-giucanase thuỷ giải cellulose thành cellobiose

và có 2 loại

+Exo-B-1,4-glucanase xúc tác việc tách ra liên tiếp các đơn vị glucose từ

đầu không khử

+Endo-B-1,4-glucanase phân cắt liên kết B-1,4-glucosid ở bất kì chế nào

trong phân tử cellulose

Để xác định hoạt tính của C, người ta thường sử dụng CMC

(Carboxymethylcelulose) hay HEC (Hydroxyethylceliulose)

-Enzym glucosidase còn gọi là cellobiase là những enzym đặc hiệu thuỷ

giai cellobiose thanh glucose

Hai nha hod hoc Nhat Ban Ogawa vaToyamat 1967) cho rằng còn có loại enzym C¿ thuỷ giải các dây celulose đã được C¡ làm trương lên, lần lượt thành cyclodextrin hoà tan cellobiose

Lignin va hemicellulose lam chậm quá trình phân giai sinh hoc cellulose

Cấu trúc kết tỉnh bền vững của cellalose liên kết chặt chế với hemicellalose và

lignin lam cho sự xâm nhập của enzym vào phức hợp lignocellulose rất khó khăn

Tanaka (1985) và Kirk( 1989) ước tính nếu giảm 1⁄3 lignim ở gỗ cúng và 2/2

xúc với cơ chất,

Trước đây có rất nhiều công trình nghiên cứu về các vi sinh vật háo khí sinh

cellulase, Cac vi sinh vật này đa số thuộc các giống:

a) Xạ khuẩn,

Theo Krasilnikov( 1949) các loại xạ khuẩn phân giải cellulose đều có khả

năng phân giải hemiccHulose như Streptomyces cellulosae, Strep.diastaticus , Strep.sulfureus, Strep.aureus, Strep viridosporus

Ở Việt Nam nhiều công trình nghiên cứu về xạ khuẩn ưa nhiệt phân giải celulose đã được công bố Tăng Thị Chính và etv(1997) đã phân lập được nhiều

chúng xạ khuẩn ưa nhiệt và ưa ấm thuộc Streptomyces có khả năng đường hoá CMC va avicel, Lê Gia Hy và tcv(2000) đã phân lập và tuyển chọn nhiều chúng

xa khuẩn ưa nhiệt có khả năng sinh cellulase phân giải gỗ

b)Nấm mốc và vi khuẩn,

Trong số những vi sinh vật có hoạt tính celiulase cao ngoài xạ khuẩn va 4m

và ưa nhiệt còn có các vi khuẩn và nấm mốc

Những chủng nấm mốc có hoạt tính phân giải cao celulose như

Trichoderma viride, Trichoderma reesei, Aspergillus niger, Aspergillus

fumigatus

2.4.1.Các phương pháp ủ

Ta có thể ủ mạt dừa theo các phương pháp ủ thông thường như:

-Phương pháp ủ ngoài trời, mạt dừa để thành từng đống cao khoảng 1,5m-2m

hoặc theo luống có mặt cắt hình tam giác, có đậy lớp vải bạc

-Phương pháp ủ trong bể ủ có thổi khí cưỡng bức,

-Phương pháp ú hở có đảo trộn thường xuyên

Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng tuy nhiên phương

pháp ủ trong bổn thổi khí cưỡng bức được xem là phù hợp hơn cả do:

+V6n đầu tử xây dựng thấp

+Nhu cầu điện tích tương đối nhỏ

+Dể kiểm soát và để vận hành hệ thống

+Thời gian ủ ngắn (2-5 tuần)

Ú mạt đừa là quá trình phân giải sinh học hiếu khí của các chất hữu cơ do vi

sinh vật dưới các điều kiện có kiểm soát Trong quá trình ú, vi sinh vật háo khí sử

dụng đạm để tự cấu tạo ra tế bào mới và hấp thụ oxy để sinh ra enzym phân giải

chất hữu cơ theo phần ứng phát nhiệt, đồng thời sử dụng lại một phần năng lượng

để sinh sản như thế trong quá trình ủ một lượng lớn nhiệt, khí CO; và hơi nước thoát ra bay vào không khí nên sau quá trình ú trọng lượng và thể tích của đống mat difa giảm khoáng 40-50% so với ban đầu Sau khi ủ, phân hữu cơ được cấu

tạo bởi những chất thải ra của vị sinh vật không còn tiêu thụ được nữa nên phân

có màu nâu đen và có hàm lượng humic cao Quá trình ủ phân hưu cơ được biểu

diễn như sau: