Nghiên Cứu Xử Lý Phế Phụ Phẩm Sau Sản Xuất Tinh Bột Sắn Để Tạo Cồn Sinh Học Và Phân Bón Hữu Cơ

TRÍCH YẾU LUẬN VĂNMục đích của nghiên cứu nhằm xử lý phế phụ phẩm sau sản xuất tinh bộtsắn để tạo cồn sinh học và phân bón hữu cơ, hướng tới kết quả giảm thiểu ônhiễm môi trường và tận d

H C VI N NÔNG NGHI P VI T NAM ỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

NGUYỄN THỊ SÁNG

NGHIÊN C U X LÝ PH PH PH M ỨU XỬ LÝ PHẾ PHỤ PHẨM Ử LÝ PHẾ PHỤ PHẨM Ế PHỤ PHẨM Ụ PHẨM ẨM

SAU S N XU T TINH B T S N Đ T O C N SINH ẢN XUẤT TINH BỘT SẮN ĐỂ TẠO CỒN SINH ẤT TINH BỘT SẮN ĐỂ TẠO CỒN SINH ỘT SẮN ĐỂ TẠO CỒN SINH ẮN ĐỂ TẠO CỒN SINH Ể TẠO CỒN SINH ẠO CỒN SINH ỒN SINH

H C VÀ PHÂN BÓN H U C ỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ỮU CƠ Ơ

Chuyên ngành: Khoa h c môi tr ọc môi trường ường ng

Ng ường ướng dẫn khoa học: i h ng d n khoa h c: ẫn khoa học: ọc môi trường TS Nguy n Th Minh ễn Thị Minh ị Minh

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàntoàn trung thực, do bản thân thực hiện Mọi sự giúp đỡ cho việc hoàn thành luận vănđều đã được cảm ơn Các thông tin, tài liệu trình bày trong luận văn này đã được ghi rõnguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Sáng

để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin trân trọng cảm ơn các anh chị Kĩ thuật viên phòng thí nghiệm JICA Khoa Môi trường – Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôitrong quá trình làm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm

-Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám đốc Nhà máy sản xuất tinh bột sắn xã CôngThành, huyện Yên Thành, tỉnh Nghệ An đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện khảo sát vàlấy mẫu nghiên cứu

Tôi xin trân trọng cảm ơn sự góp ý chân thành của các Thầy, Cô giáo Khoa Môitrường – Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện

và hoàn thành đề tài

Tôi xin cảm ơn đến gia đình, người thân, các cán bộ đồng nghiệp và bạn bè đãđộng viên và là chỗ dựa vững chắc để tôi yên tâm học tập hoàn thành khóa học

Một lần nữa tôi xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Sáng

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục từ viết tắt vi

Danh mục bảng vii

Danh mục hình viii

Trích yếu luận văn ix

Thesis abstract xi

Phần 1 Mở đầu 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

1.5 Yêu cầu của đề tài 2

Phần 2 Tổng quan tài liệu 3

2.1 Tình hình sản xuất và chế biến sắn trên thế giới và Việt Nam 3

2.1.1 Tình hình sản xuất và chế biên sắn trên thế giới 3

2.1.2 Tình hình sản xuất và chế biến sắn ở Việt Nam 4

2.2 Tình hình sản xuất và nhu cầu sử dụng cồn sinh học trên thế giới và Việt Nam .7

2.2.1 Khái niệm cồn sinh học 7

2.2.2 Tình hình sản xuất và nhu cầu sử dụng cồn sinh học trên thế giới 8

2.2.3 Tình hình sản xuất và nhu cầu sử dụng cồn sinh học ở Việt Nam 9

2.3 Hiện trạng sản xuất tinh bột sắn và phế thải sau sản xuất 10

2.3.1 Hiện trạng sản xuất tinh bột sắn 10

2.3.2 Phế thải sau sản xuất tinh bột sắn 12

2.3.3 Tác động của phế thải sau sản xuất tinh bột sắn tới môi trường 14

2.3.4 Các biện pháp xử lý phế thải nông nghiệp và phế thải sau sản xuất tinh bột sắn 17

2.4 Vai trò của phân bón hữu cơ trong sản xuất nông nghiệp 18

2.4.1 Tác dụng cải tạo tính chất đất 18

2.4.2 Vai trò cung cấp chất dinh dưỡng cho cây 20

2.4.3 Vai trò trong vòng tuần hoàn vật chất tự nhiên và bảo vệ môi trường 20

2.5 Cơ sở khoa học của việc sản xuất cồn sinh học và xử lý phế thải thành phân bón hữu cơ 21

2.5.1 Cơ sở khoa học của việc phân giải chuyển hóa chất hữu cơ và thủy phân nguyên liệu 21

2.5.2 Cơ sở khoa học của việc sản xuất phân bón hữu cơ 26

Phần 3 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 28

3.1 Địa điểm nghiên cứu 28

3.2 Thời gian nghiên cứu 28

3.3 Đối tượng nghiên cứu 28

3.4 Nội dung nghiên cứu 28

3.5 Phương pháp nghiên cứu 28

3.5.1 Phương pháp thu thập tài liệu thứ cấp 28

3.5.2 Phương pháp phân tích thành phần phế phụ phẩm sau sản xuất tinh bột sắn 28

3.5.3 Phương pháp tuyển chọn các chủng giống VSV 29

3.5.4 Xác định tỷ lệ cồn tạo thành bằng thiết bị Gas chromatograph 30

3.5.5 Đánh giá chất lượng của phân bón hữu cơ tái chế từ bã thải sau lên men theo các phương pháp thông dụng hiện hành .30

3.5.6 Đánh giá hiệu quả của phân bón hữu cơ trên cây rau xà lách 31

3.5.7 Kết quả nghiên cứu được xử lý thống kê bằng phần mềm IRRISTART và Exel 32

Phần 4 Kết quả và thảo luận 33

4.1 Tình hình sản xuất tinh bột sắn và xử lý phế thải sản xuất tinh bột sắn tại nhà máy sản xuất tinh bột sắn trên địa bàn tỉnh Nghệ An 33

4.1.1 Tình hình sản xuất tinh bột sắn trên địa bàn tỉnh Nghệ An 33

4.1.2 Tình hình xử lý phế thải sản xuất tinh bột sắn trên địa bàn tỉnh Nghệ An 36

4.2 Đặc điểm của phế phụ phẩm sau sản xuất tinh bột sắn 37

4.3 Tuyển chọn các chủng giống vi sinh vật chịu nhiệt có khả năng phân giải chuyển hóa chất hữu cơ cao và lên men tạo cồn sinh học 38

4.3.1 Ảnh hưởng của pH đến điều kiện nhân sinh khối của VSV 40

4.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điều kiện nhân sinh khối của VSV 41

4.3.3 Ảnh hưởng của lưu lượng cấp không khí đến điều kiện nhân sinh khối của VSV 42

4.3.4 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến điều kiện nhân sinh khối của VSV 42

4.4 Thử nghiệm tiền xử lý nguyên liệu (phế thải sau sản xuất tinh bột sắn) và lên men tạo cồn sinh học, xác định hiệu quả sinh cồn 45

4.5 Chất lượng phân hữu cơ vi sinh tái chế sau lên men 46

4.5.1 Quy trình ủ phân hữu cơ vi sinh 46

4.5.2 Theo dõi diễn biến của đống ủ 47

4.5.3 Đánh giá chất lượng phân bón hữu cơ tái chế 48

4.6 Đánh giá hiệu quả của phân bón hữu cơ trên rau xà lách 49

4.6.1 Hiệu quả của phân bón hữu cơ đến sinh trưởng và phát triển của rau xà lách .49

4.6.2 Hiệu quả của phân bón hữu cơ đến tính chất của đất 51

Phần 5 Kết luận và kiến nghị 53

5.1 Kết luận 53

5.2 Kiến nghị 54

Tài liệu tham khảo 55

Phụ lục 58

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Nghĩa Tiếng Việt

CNH – HĐH Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa

FAO Tổ chức Nông – Lương Liên Hợp Quốc

VSVTS Vi sinh vật tổng số

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Mười quốc gia hàng đầu về diện tích và sản lượng sắn 4

Bảng 2.2 Diện tích, năng suất và sản lượng sắn của Việt Nam giai đoạn 1995 – 2011 5

Bảng 2.3 Diện tích, năng suất và sản lượng sắn của các vùng sinh thái Việt Nam năm 2011 6

Bảng 2.4 Các tính chất vật lý quan trọng của ethanol 7

Bảng 3.1 Môi trường xác định hoạt tính enzyme 29

Bảng 4.1 Tình hình sản xuất nguyên liệu sắn phục vụ cho hoạt động sản xuất tinh bột sắn tại tỉnh Nghệ An 33

Bảng 4.2 Tình hình sản xuất tinh bột sắn trên địa bàn tỉnh Nghệ An 34

Bảng 4.3 Tính chất của phế phụ phẩm sau sản xuất tinh bột sắn 37

Bảng 4.4 Đặc tính sinh học của các chủng giống VSV được tuyển chọn 39

Bảng 4.5 Ảnh hưởng của pH tới sinh trưởng và phát triển của VSV 40

Bảng 4.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sinh trưởng và phát triển của VSV 41

Bảng 4.7 Ảnh hưởng của lưu lượng cấp khí đến sinh khối VSV 42

Bảng 4.8 Ảnh hưởng của tốc độ cánh khuấy sinh khối VSV 43

Bảng 4.9 Điều kiện nhân sinh khối VSV 44

Bảng 4.10 Hiệu quả lên men cồn sinh học từ phế phụ phẩm sau sản xuất tinh bột sắn nhờ VSV 45

Bảng 4.11 Chất lượng của đống ủ sau 30 ngày 47

Bảng 4.12 Chất lượng của phân bón hữu cơ 49

Bảng 4.13 Ảnh hưởng của phân hữu cơ vi sinh tái chế đến sinh trưởng và phát triển của rau xà lách 49

Bảng 4.14 Chất lượng đất sau thí nghiệm 51

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Cấu trúc của xenlulo 22

Hình 4.1 Tình hình xử lý phế thải sau sản xuất tinh bột sắn trên địa bàn tỉnh Nghệ An 36

Hình 4.2 Quy trình ủ phân hữu cơ vi sinh 46

Hình 4.3 Đồ thị theo dõi diễn biến nhiệt độ đống ủ ở hai công thức 48

Hình 4.4 Cây rau ăn lá ở 3 công thức sau 25 trồng 51

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

Mục đích của nghiên cứu nhằm xử lý phế phụ phẩm sau sản xuất tinh bộtsắn để tạo cồn sinh học và phân bón hữu cơ, hướng tới kết quả giảm thiểu ônhiễm môi trường và tận dụng nguồn nguyên liệu hữu cơ, góp phần phát triểnmột nền nông nghiệp bền vững

Kết quả đạt được cho thấy hai tổ hợp vi sinh vật đã tuyển chọn đều cóhoạt tính sinh học cao với khả năng sinh trưởng và phát triển khá tốt, có tính bềnnhiệt, có thể sinh trưởng trên nhiều nguồn C và N khác nhau Đặc biệt, các giốngnấm men có khả năng lên men rất tốt Các chủng giống vi sinh vật đó bao gồm:

tổ hợp các giống vi khuẩn (Bacillus subtilis), nấm mốc (Mucor, Aspergillus

niger), xạ khuẩn (Streptomyces) và các giống nấm men (Saccharomyces sp1, Saccharomyces sp2, S.cerevisiae).

Thực nghiệm xử lý phế thải và lên men bằng tổ hợp vi sinh vật chứng tỏrằng hoạt động của các giống vi sinh vật hữu ích trong quá trình lên men đã thựchiện phân hủy, chuyển hóa các chất hữu cơ trong bã thải thành dạng dinh dưỡng

dễ tiêu và tăng sinh khối của vi sinh vật Quá trình lên men được thực hiện trongđiều kiện yếm khí, cùng với việc bổ sung vi sinh vật gián đoạn hai lần phù hợpvới quy trình xử lý cho kết quả sinh cồn khá tốt, đạt 2,56 (g/100g), cao gấp 20 lần

so với công thức đối chứng (không có sự tham gia của các giống vi sinh vật)

Bã thải sau lên men được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào cho quá trìnhsản xuất phân bón hữu cơ nhằm khép kín chu trình sản xuất, hướng tới hiệu quảmôi trường tối ưu nhất Chất lượng phân bón hữu cơ được đánh giá đạt tiêuchuẩn theo quy định hiện hành (Thông tư 41/2014/TT-BNNPTNT)

Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của phân bón hữu cơ trên cây rau ăn lá

so với các công thức đối chứng không bón phân và đối chứng có bón phân hóahọc, thu được kết quả rất tốt Các chỉ tiêu theo dõi sự sinh trưởng và phát triểncủa cây ở công thức có bón phân hữu cơ đều cao hơn so với hai công thức cònlại Tỷ lệ sâu bệnh hại ở công thức sử dụng phân hữu cơ lại thấp (chỉ chiếm 2%),thấp hơn 5 lần so với đối chứng không bón phân và thấp hơn 3 lần so với đối

chứng có bón phân hóa học Mặt khác phân bón hữu cơ không chỉ có ảnh hưởngtích cực tới năng suất cây trồng, mà còn có ảnh hưởng tốt tới tính chất đất trồngtrọt Dưới tác dụng của các chủng vi sinh vật hữu ích có trong phân hữu cơ đãlàm tăng hàm lượng các chất dinh dưỡng trong đất và đồng thời cũng kích thíchkhu hệ vi sinh vật vốn có trong đất phát triển theo chiều hướng có lợi Các chỉtiêu dinh dưỡng N, P, K tổng số và P, K dễ tiêu tại công thức thí nghiệm có bónphân hữu cơ đều cao hơn so với đối chứng trước thí nghiệm, đối chứng khôngbón phân và đối chứng có bón phân hóa học Đặc biệt, mật độ VSVTS, VSVphân giải lân, VSV phân giải xenlulo cũng cao hơn hẳn so với các công thức cònlại Điển hình như mật độ VSVTS ở công thức có bón phân hữu cơ lớn hơn đốichứng có bón phân hóa học là 3,25.109 (CFU/g) và lớn hơn đối chứng trắng là3,68.109 (CFU/g)

THESIS ABSTRACT

The aim of the study was to handle post-production waste byproducts toproduce cassava bioethanol and fertilizer, results-oriented minimizeenvironmental pollution and make use of organic materials, contributing to thedevelopment sustainable agriculture

The results showed that the two combinations were selectedmicroorganisms have high biological activity with the ability to grow anddevelop well, with heat resistant, can grow on C and N sourcesdifferent Specifically, yeast strains capable of fermenting very good The

microbial strains that include a combination of strains of bacteria (Bacillus

subtilis), fungi (Mucor, Aspergillus niger), actinomycetes (Streptomyces) and

yeast strains (Saccharomyces sp1, sp2 Saccharomyces, S Cerevisiae)

Experimental waste processing and fermentation by microorganismsconsortium demonstrated that activity of useful microorganisms in thefermentation was carried out decomposition, transformation of organic matter inthe waste residue easily digestible form of nutrients such as P2O5, K2O whichmicroorganisms can absorb, it increases the microbial biomass The fermentation

is carried out in anaerobic conditions, along with the addition of microorganismsaccording twice interrupted for student alcohol results quite well, reaching 2.56(g/100g), 20 times higher than control formula (without the participation of themicrobial strains)

After fermentation residues are used as inputs for the production oforganic fertilizer, to a closed cycle of production, effectively towards optimalenvironment Organic fertilizer quality standards are evaluated according to thecurrent regulations (Circulars 41/2014 / TT-BNN)

The experiment to evaluate the effect of organic fertilizer on green leafyvegetables than formula white control (no fertilizer) and controlled with chemicalfertilizer, obtained very good results The monitoring indicators include: plantheight, number of leaves / plant, leaf width, leaf length, volume of formula treeorganic fertilizer were higher than the remaining two formulas The rate in theformula pests have low organic fertilizers only 2%, 5 times lower compared tocontrol white and 3 times lower compared to control with chemicalfertilizers Organic fertilizers not only positively affect crop yields, but also have

a positive impact on the nature of farmland Under the effect of microbial strainshave increased the amount of nutrients in the soil, and also stimulate microbialfauna inherent in the development of land under favor This is evident soil analysisresults before and after the experiment Nutritional indicators were analyzed were:

N, P, K and P total, K digestion at treatments have organic fertilizer were higherthan the previous control experiments, white and controlled experiments controlexperiments with chemical fertilizers Microorganisms total content, resolutionmicroorganisms phosphate, cellulose microorganisms also higher resolution thanthe remaining formulations Typically the content in formula microorganisms totalorganic fertilizers have greater control of chemical fertilizer is 3,25.109 (CFU/g)and is greater for white certificates 3,68.109 (CFU/g)

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Việt Nam là một đất nước nông nghiệp với 80% dân số sống bằng nghềnông Nông nghiệp Việt Nam trong những năm gần đây phát triển mạnh mẽ, đadạng hóa cả về số lượng cũng như chất lượng sản phẩm Trong đó, mặt hàngnông sản Sắn cũng phát triển rất mạnh Cây Sắn còn gọi là cây Khoai Mì, có khảnăng thích nghi cao và được trồng rộng khắp ở cả 7 vùng sinh thái của Việt Nam.Tại Hội thảo về Sắn Châu Á lần thứ 6 tại thành phố Hồ Chí Minh, Việt Namđược đánh giá là nước có bước tiến lớn về cây sắn trong suốt thời gian qua Từcây lương thực “chống đói”, cây Sắn Việt Nam đã có khối lượng sản xuất đạtkhoảng 9,87 triệu tấn/năm, đứng thứ ba thế giới và trở thành cây “xóa đói giảmnghèo” của bà con nông dân, chỉ sau Thái Lan và Indonesia

Sắn có nhiều công dụng trong chế biến công nghiệp, thức ăn gia súc vàlương thực thực phẩm Củ Sắn dùng để ăn tươi, làm thức ăn gia súc, chế biếnsắn lát khô, bột sắn nghiền, tinh bột sắn, tinh bột sắn biến tính, các sản phẩm từtinh bột sắn như: bột ngọt, cồn, đường glucose tinh thể, mạch nha giàu maltose,bánh kẹo, mỳ ăn liền, bún,… Trong đó, việc sử dụng sắn để sản xuất tinh bộtsắn là rất phổ biến, hiện quy mô rộng khắp các tỉnh của Việt Nam Bên cạnhviệc phát triển sản xuất tinh bột sắn thì kéo theo một lượng phế phụ phẩm trước

và sau sản xuất khá lớn với lượng tồn dư dinh dưỡng khá cao, nếu không được

xử lý triệt để sẽ là nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, lại lãng phínguồn nguyên liệu hữu cơ

Cồn sinh học được biết đến là một sản phẩm sinh học hữu ích và thânthiện với môi trường Việc sản xuất cồn sinh học đã và đang được các nhà Khoahọc trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu sản xuất Tuy nhiên, vấn đề tậndụng nguồn phế thải từ hoạt động sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là phế thải từsản xuất tinh bột sắn để tạo thành cồn sinh học ở nước ta chưa được quan tâmnghiên cứu Ứng dụng công nghệ Vi sinh vật để xử lý phế phụ phẩm sau sản xuấttinh bột sắn có ý nghĩa lớn: Không những giúp tái sử dụng được nguồn dinhdưỡng từ phế phụ phẩm sau sản xuất tinh bột sắn mà còn sản xuất được cồn sinhhọc có giá trị, góp phần phát triển một ngành nông nghiệp bền vững Vì thế, điềuđáng quan tâm là nghiên cứu công nghệ sản xuất sao cho tối ưu nhất nhằm mục

đích dễ thu hồi được sản phẩm cồn và tận dụng bã thải sau lên men làm phân bónhữu cơ nhằm giảm chi phí sản xuất đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế

Xuất phát từ thực tiễn trên, để tạo cồn sinh học từ phế phụ phẩm của quátrình sản xuất tinh bột sắn và khép kín công nghệ sản xuất phân bón hữu cơ từ bãthải sau lên men, tránh lãng phí các nguồn nguyên liệu hữu cơ và giảm thiểu ô

nhiễm môi trường thì việc “Nghiên cứu xử lý phế phụ phẩm sau sản xuất tinh

bột sắn để tạo cồn sinh học và phân bón hữu cơ” là cần thiết

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Thực hiện được quá trình phân giải chất hữu cơ và lên men nhờ vi sinh vậtchịu nhiệt để tạo thành cồn sinh học từ phế phụ phẩm sau sản xuất tinh bột sắn

- Tái chế được bã thải sau lên men thành phân bón hữu cơ đạt tiêu chuẩntheo Thông tư 41/2014/TT-BNNPTNT

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Thời gian: Từ tháng 01/2015 – tháng 12/2015

Địa điểm:

- Học viện Nông nghiệp Việt Nam

- Nhà máy sản xuất tinh bột sắn xã Công Thành, huyện Yên Thành, tỉnhNghệ An

1.4 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

- Sử dụng phế thải sau sản xuất tinh bột sắn là nguyên liệu đầu vào choquá trình lên men tạo cồn sinh học

- Sản xuất phân bón hữu cơ từ bã thải sau sản xuất cồn sinh học, tạo thànhmột chu trình khép kín, làm gia tăng giá trị cho ngành sản xuất và chế biến sắn,góp phần phát triển một ngành nông nghiệp bền vững

1.5 YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI

- Thực hiện quy trình lên men sản xuất cồn sinh học từ phế phụ phẩm sausản xuất tinh bột sắn và khép kín quy trình nhờ sản xuất phân bón hữu cơ từ bãthải sau lên men phục vụ sản xuất nông nghiệp

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN SẮN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

2.1.1 Tình hình sản xuất và chế biên sắn trên thế giới

Sắn (Manihot esculenta Crantz) hiện được trồng trên 100 nước có khí hậu

nhiệt đới và cận nhiệt đới thuộc ba châu lục: Châu Á, châu Phi và châu MỹLatinh Theo tổ chức nông lương thế giới (FAO), sắn là cây lương thực quantrọng ở các nước đang phát triển chỉ sau lúa gạo, ngô và lúa mì Tinh bột sắn làmột thành phần quan trọng trong chế độ ăn của hơn một tỷ người trên thế giới,đồng thời là hàng hóa xuất khẩu có giá trị để chế biến bột ngọt, bánh kẹo, mì ănliền, ván ép, bao bì, màng phủ sinh học và phụ gia dược phẩm Ngoài ra, sắncũng là thức ăn cho gia súc quan trọng tại nhiều nước trên thế giới

Năm 2013, diện tích trống trên toàn thế giới đạt 19,64 triệu ha, năng suất

củ tươi bình quân 12,83 tấn/ha, sản lượng đạt 252,20 triệu tấn (FAOSTAT,2013) Châu Phi là nơi cung cấp khoảng 166,45 triệu tấn sắn hàng năm, trong đó,Nigieria là nước trồng và sản xuất sắn lớn nhất thế giới và sản lượng hàng nămđạt 52,4 triệu tấn hàng hóa được chế biến Sắn cũng là thực phẩm chính ở hầu hếtcác nước châu Phi, chẳng hạn ở Ghana, sắn và khoai tây mỡ chiếm khoảng 46%GDP (Gross Domestic Product) của ngành nông nghiệp, cung cấp năng lượngcho khẩu phần ăn hàng ngày của khoảng 30% dân số Ghana và gần như mọi giađình nông dân tại đây Sau châu Phi là châu Á với sản lượng sắn 50,44 triệu tấn,cây sắn giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế của các nước Thái Lan,Indonesia, Trung Quốc, Philippin Theo FAO, Thái Lan là nước xuất khẩu sắnkhô nhiều nhất, chiếm 77% tổng lượng sắn thế giới năm 2008 và trên 85% năm

2011 Thị trường xuất khẩu chính của Thái Lan là Trung Quốc, Đài Loan, NhậtBản và cộng đồng châu Âu với tỷ trọng xuất khẩu 40% là bột và tinh bột sắn,25% là sắn lát và sắn viên Nước xuất khẩu lớn thứ 2, sau Thái Lan là Việt Namvới sản lượng chiếm 13,6%, sau đó là Indonexia chiếm 5,8% tổng lượng sắn thếgiới Tại các khu vực cận nhiệt đới phía Nam Trung Quốc, sắn là loại nông sảnđứng thứ 5 về sản lượng sau gạo, khoai tây, mía và lúa mạch Trung Quốc lànước tiêu thụ sắn với số lượng lớn, là thị trường xuất khẩu chủ yếu của Việt Nam

và Thái Lan Ngoài nhập khẩu, Trung Quốc còn trồng trọt và tiêu thụ sắn chủ yếu

ở các tỉnh lẻ như Quảng Tây với lượng chiếm 60% tổng lượng tiêu thụ trong mộtnăm của Trung Quốc Đứng thứ ba thế giới về sản lượng sắn là châu Mỹ Latinh,đạt 35,31 triệu tấn/năm (FAOSAT, 2013) Mười nước có sản lượng sắn hàng đầuthế giới năm 2011 bao gồm: Nigeria, Brazil, Indonesia, Thái Lan, Cộng hòaCông gô, Angola, Ghana, Việt Nam và Mozambic được thể hiện theo bảng 2.1

Bảng 2.1 Mười quốc gia hàng đầu về diện tích và sản lượng sắn

(Triệu tấn)

Diện tích (triệu ha)

2.1.2 Tình hình sản xuất và chế biến sắn ở Việt Nam

Ở Việt Nam, sắn là cây lương thực quan trọng có sản lượng đứng thứ basau lúa và ngô Năm 2013, diện tích sắn cả nước đạt 560 nghìn ha, năng suất bìnhquân đạt 17,63 tấn/ha, sản lượng đạt 9,87 triệu tấn(Tổng cục Thống kê, 2013).Hội nghị Sắn Toàn cầu tổ chức tại Bỉ năm 2008 đã đưa ra thông điệp: “Cây sắn làquà tặng của thế giới, cơ hội cho nông dân nghèo và thách thức đối với các nhàkhoa học” (Claude M.Fauquest, 2008) Hướng sử dụng nguyên liệu sắn để chếbiến tinh bột, cồn sinh học, tinh bột biến tính, thức ăn gia súc và màng phủ sinhhọc đang ngày càng được quan tâm Theo thông cáo báo chí của FAO tháng 5năm 2013 “Sắn tiềm năng to lớn là cây trồng thế kỷ 21”, Việt Nam được ca ngợi

là điển hình trong thực tiễn đã đưa năng suất sắn lên 400% từ 8,5 tấn/ha năm

2000 lên 36,0 tấn/ha năm 2011 tại nhiều hộ nông dân

Sắn lát và tinh bột sắn Việt Nam hiện là một trong mười mặt hàng xuấtkhẩu chính Việt Nam hiện có 13 nhà máy nhiên liệu sinh học công suất 1067,7triệu lít cồn sinh học mỗi năm, 66 nhà máy chế biến tinh bột sắn quy mô côngnghiệp và hơn 2000 cơ sở chế biến thủ công Sắn là sự lựa chọn của nhiều hộnghèo và người dân ở các vùng đất xấu, bạc màu, khô hạn, cũng là sự lựa chọn của

nhiều doanh nghiệp chế biến và kinh doanh; do sắn đạt lợi nhuận cao, dễ trồng, ítchăm sóc, chi phí thấp, dễ thu hoạch và dễ chế biến Sản xuất, chế biến, tiêu thụ,nghiên cứu và phát triển sắn hiện là cơ hội và triển vọng của doanh nghiệp ViệtNam cũng như nhiều nước trên thế giới (Hoàng Kim và Phạm Văn Biên, 1997).Trong những năm gần đây, năng lực sản xuất và chế biến sắn ở Việt Nam có nhiềutiến bộ đáng kể Sự gia tăng về diện tích, năng suất và sản lượng sắn Việt Nam quacác năm và phân theo các vùng sinh thái thể hiện qua bảng 2.2 và bảng 2.3.

Bảng 2.2 Diện tích, năng suất và sản lượng sắn của Việt Nam

giai đoạn 1995 – 2011

(nghìn ha)

Năng suất (tấn/ha)

Sản lượng (triệu tấn)

Bảng 2.3 Diện tích, năng suất và sản lượng sắn của các vùng sinh thái

Việt Nam năm 2011

(1.000ha)

Năng suất (tấn/ha)

Sản lượng (1.000 tấn)

2 Trung du và miền núi phía Bắc 117,2 12,36 1.448,9

3 Bắc Trung bộ và Duyên hải miền Trung 168,6 17,66 2.977,9

Việt Nam có kim ngạch xuất khẩu sắn khá lớn Theo số liệu Tổng cục Hảiquan (2015), Việt Nam xuất khẩu được 1,9 triệu tấn sắn và các sản phẩm sắn, thu

về 594,4 triệu đô la Mỹ Trong cơ cấu các sản phẩm sắn xuất khẩu của Việt Namnăm 2015, sắn lát chiếm khoảng 56,8%, tinh bột sắn chiếm 42,9% Diễn biến xuấtkhẩu sắn đang theo hướng tăng tỷ trọng sản phẩm tinh, giảm tỷ trọng sản phẩm thô

là tín hiệu tốt trong bối cảnh nhiều ngành sản xuất trong nước có liên quan đến sắnnhư thức ăn chăn nuôi, ethanol đang cần nguyên liệu và giá tinh bột sắn đang có

xu hướng tăng mạnh trên thị trường thế giới Trung Quốc là thị trường lớn nhấtcho các sản phẩm sắn Việt Nam xuất khẩu, chiếm trên 90% tổng lượng xuất khẩu.Năm 2015, tổng lượng các sản phẩm sắn xuất khẩu sang thị trường Trung Quốcđạt 1,7 triệu tấn, trị giá 531,4 triệu triệu đô la Mỹ, tăng 45,5% về lượng và tăng41,92% về trị giá so với cùng kỳ năm 2014 (Nguyễn Hương, 2015)

2.2 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ NHU CẦU SỬ DỤNG CỒN SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

2.2.1 Khái niệm cồn sinh học

Cồn sinh học (hầu hết là Ethanol một phần là Propanol và Butanol) đượcsản xuất bằng cách lên men đường, tinh bột hay cellulose dưới tác dụng của visinh vật và các enzyme Ngoài ethanol còn có methanol, thường được gọi là cồn

gỗ Thường methanol được sản xuất từ khí tự nhiên Tuy nhiên, methanol cũng

có thể được sản xuất từ sinh khối giống như ethanol

Ethanol (CH3CH2OH), là hợp chất hữu cơ có nhánh chứa oxy và hydro tạonên các tính chất như một dung môi, chất tẩy trùng, thức uống, chất chống đông,dầu sinh học và chất gây tê Đặc biệt,do tính linh động của nhánh hydroxyl màethanol có vai trò như một chất đệm cho nhiều chất khác

Ở điều kiện thường, ethanol là một chất lỏng dễ bay hơi, dễ cháy, sạch,không màu, có mùi dễ chịu và đặc trưng khi được pha với nước theo tỷ lệ nhấtđịnh và hợp lý Tính chất lý hóa của ethanol phụ thuộc vào nhóm hydroxyl.Nhóm này tạo nên tính phân cực cho các phân tử và làm gia tăng liên kếthydro được tạo thành bởi lực hấp dẫn của các nhóm OH- của phân tử này vớinhóm OH- của phân tử khác Khi trong thành phần ethanol còn chứa một tỷ lệnước nhất định thì các liên kết hydro còn xuất hiện giữa các phân tử ethanol

và nước ngoài liên kết giữa chúng với nhau Điều này tạo nên tính tan vô hạncủa ethanol trong nước

Bảng 2.4 Các tính chất vật lý quan trọng của ethanol

Nhiệt độ sôi ở điều kiện thường (ºC) 78,32

Nhiệt lượng tỏa ra từ quá trình oxi hóa chậm (J/g) 29676,69

Tính cháy giới hạn trong không khí

Nguồn: Lê Trung Sơn (2008)

Do đặc tính của nhóm hydroxyl, ethanol có những tính chất hóa học như

là phản ứng tách nước, tự tách nước, oxi hóa và ester hóa Trong phân tử ethanol,liên kết hydro trong nhóm hydroxyl có thể bị thay thế khi tiếp xúc với các kimloại hoạt động như: Natri, Canxi, Kali… và tạo nên liên kết ethoxide giữa kim

loại đó với nguyên tử hydro (Lê Trung Sơn, 2008).

2.2.2 Tình hình sản xuất và nhu cầu sử dụng cồn sinh học trên thế giới

Brazil, Mỹ, EU và các quốc gia nhiệt đới đang phát triển là những nơi sảnxuất cồn chủ yếu cho toàn thế giới Khu vực EU sản xuất ethanol từ các mỏkhoáng dầu là chính, còn Hoa Kỳ sản xuất cồn sinh học chủ yếu từ nguồn cơ bản

là tinh bột ngô Ở Brazil, đã số ethanol lại được sản xuất từ đường mía Với cácquốc gia nhiệt đới đang phát triển thì chưa sản xuất ethanol với quy mô lớn được

do điều kiện kỹ thuật còn nhiều hạn chế

Xét về sản lượng năm 2005, Brazil là nước sản xuất cồn lớn nhất thế giới,với sản lượng ethanol đạt 16,2 tỷ lít và tới nay đã có 500 nhà máy sản xuất cồn.Nhưng do nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu gia tăng đột biến ở khu vực EU, Mỹ nóiriêng và toàn thế giới nói chung thì chỉ Brazil không thể đáp ứng đủ Vì vậy đểtránh ảnh hưởng của giá cồn tăng cao đột biến, EU đang hy vọng liên kết với cácquốc gia nhiệt đới, nơi trồng nhiều sắn như Thái Lan, Nigieria, Ghana, Brazil…với mong muốn thúc đẩy sản xuất ethanol phục vụ cho nhu cầu năng lượng củakhu vực năm 2015 Trước tình hình nhu cầu năng lượng thế giới tăng cao, Mỹcũng đang muốn phấn đấu thành quốc gia sản xuất cồn lớn nhất thế giới, nhưngkhông xuất siêu (Tuyết Nhung, 2006)

Phát triển sản xuất ethanol sinh học ngày nay là khả thi và hiệu quả kinh tếkhi mà giá dầu thô trên thị trường thế giới hiện nay là trên 50 USD/thùng Năm

2003, toàn thế giới đã sản xuất trên 38,5 triệu m3 ethanol (châu Mỹ khoảng 70%.Châu Á 17%, châu Âu 10%), trong đó 70% được dùng làm nhiên liệu ở trên 43quốc gia Năm 2008, toàn thế giới đã sản xuất khoảng 66 tỷ lít ethanol Theo ĐỗHuy Định (2005) dự báo đến năm 2012, tại thời hạn kết thúc Nghị định thưKyoto, sản lượng ethanol thế giới sẽ tăng lên 79,3 triệu m3, trong đó Mỹ sẽ gópvào đó khoảng 28 tỷ lít ethanol và diesel sinh học

Với các lợi ích chính mà nhiên liệu sinh học mang lại như:

- Giảm thiểu khí nhà kính

- Giảm nhập khẩu nhiên liệu, tận dụng nguyên liệu thực vật tại chỗ

- Công nghệ sản xuất không phức tạp

- Tạo việc làm và tăng thu nhập cho người lao động

- Tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp

- So với các nhiên liệu cùng loại khác, nhiên liệu sinh học sử dụng thuận

tiện hơn do không cần thay đổi động cơ và cơ sở hạ tầng hiện có.

- Giá thành cạnh trạnh được với xăng dầu

Thì việc sử dụng nhiên liệu sinh học là xu thế tất yếu trên thế giới, nhất là đốivới các nước nông nghiệp và phải nhập nhiên liệu (Đỗ Huy Định, 2005)

2.2.3 Tình hình sản xuất và nhu cầu sử dụng cồn sinh học ở Việt Nam

Ở nước ta, nghề nấu rượu thủ công đã có từ lâu đời nhưng chưa có tài liệunào cho biết thời điểm khởi đầu Còn sản xuất cồn, rượu theo công nghiệp ởnước ta được bắt đầu từ năm 1989 do người Pháp thiết kế và xây dựng

Cho đến nay, hầu hết các nhà máy đường trong nước đều có phân xưởngsản xuất ethanol và CO2 từ rỉ đường Do diện tích vùng trồng mía, các cây lươngthực và cây lấy dầu khá lớn nên vấn đề về nguyên liệu sản xuất cồn không phải làmột khó khăn đối với đất nước ta Vấn đề cần được nghiên cứu ở đây là làm saonâng cao độ tinh khiết của thành phẩm đến mức cao nhất, đặc biệt cho nhu cầulàm nhiên liệu sinh học

Trong thời gian qua, có nhiều công trình nghiên cứu tập trung xoay quanhvấn đề nâng cao chất lượng sản phẩm cồn và hiệu suất sản xuất cồn tại Việt Nam

Cụ thể như PGS Trần Khắc Chương và cs (2006), Đại học Bách Khoa Thànhphố Hồ Chí Minh đã công bố nghiên cứu thành công quy trình công nghệ có thểđiều chế ra loại hóa chất (BK-X1 là hợp chất cao lanh Lâm Đồng) phục vụ điềuchế xăng sinh học ở điều kiện trong nước (Giảng Hương, 2006) Hiện tại, nhómnghiên cứu này đã hoàn chỉnh công nghệ và thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệmsản xuất cồn tuyệt đối đạt công suất khoảng 100 kg/ngày và sử dụng loại hóa chất

do chính nhóm chế tạo Ông Chương cho biết, một khi đã giải quyết được vấn đềsản xuất cồn tinh khiết bằng công nghệ trong nước với quy mô công nghiệp thìviệc điều chế ra cồn sinh học là việc làm trong tầm tay của giới khoa học

Cùng thời gian đó, ông Nguyễn Ngọc Diệp, trường ĐH Bách khoa ĐàNẵng, chủ nhiệm đề tài nghiên cứu nhiên liệu thay thế cho rằng, về lâu dài, Nhànước cần có chiến lược nghiên cứu ứng dụng năng lượng sinh học đầu tư cho cáccông trình nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước để sản xuất đại trà ethanol sinhhọc giá thành rẻ, cùng với nghiên cứu ứng dụng ethanol làm nhiên liệu cho ô tô,

mô tô và lò đốt công nghiệp

Theo Đỗ Huy Định (2005), Hiện nay, Việt Nam đang phụ thuộc chủ yếuvào nguồn xăng dầu nhập khẩu, việc nghiên cứu và sản xuất ethanol là một việcrất đáng lưu tâm Trong vòng 15 năm tới, Việt Nam sẽ nhập lượng lớn năng

lượng, dự báo tỷ lệ nhập khẩu khoảng 11 – 20% vào năm 2020, tăng lên 50 –58% vào năm 2050, chưa kể năng lượng hạt nhân

Việc nghiên cứu, sản xuất ethanol cho nhu cầu năng lượng có ý nghĩa rấtlớn trong việc đảm bảo an ninh năng lượng cho quốc gia, đồng thời góp phầnđáng kể vào công cuộc bảo vệ môi trường của toàn thế giới trước nguy cơ nónglên toàn cầu Năm 2007, Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệusinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2050” nhằm tạo ra dạng năng lượng tái tạođược thay cho nhiên liệu hóa thạch, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng vàbảo vệ môi trường, phấn đầu đến năm 2015, sản lượng ethanol và dầu thực vậtcủa Việt Nam đạt 250 nghìn tấn (pha được 5 triệu tấn E5 và B5), đáp ứng 1%nhu cầu xăng dầu cả nước và đến năm 2050 sẽ đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng 5% nhucầu xăng dầu

Theo TS.Võ Thị Hạnh (2006) chủ nhiệm đề tài sản xuất cồn từ sản phẩmnông nghiệp bằng công nghệ đường hóa tinh bột, Viện sinh học Nhiệt đới Thànhphố Hồ Chí Minh cho biết: Tại Việt Nam hiện nay, cồn được sản xuất chủ yếu từnguyên liệu rỉ đường mía, mỗi năm công suất sản xuất cồn trên cả nước đạt 25triệu lít/năm tập trung ở 3 nhà máy lớn, có công suất từ 15.000 – 30.000 lít/ngày

là nhà máy đường Hiệp Hòa, Lam Sơn và nhà máy bia rượu Bình Tây cùng hàngtrăm cơ sở sản xuất có quy mô nhỏ với công suất khoảng 3.000 – 5.000 lít/ngày.Tuy nhiên qua khảo sát cho thấy, hiện các cơ sở sản xuất cồn đang gặp nhiều khókhăn Do nguồn nguyên liệu quá đắt và công nghệ lạc hậu dẫn đến tốn nhiều chiphí sản xuất nên sản phẩm không có sức cạnh tranh cao

2.3 HIỆN TRẠNG SẢN XUẤT TINH BỘT SẮN VÀ PHẾ THẢI SAU SẢN XUẤT

2.3.1 Hiện trạng sản xuất tinh bột sắn

Việt Nam là nước xuất khẩu tinh bột sắn đứng thứ ba trên thế giới, sauIndonesia và Thái Lan Thị trường xuất khẩu chính của Việt Nam là Trung Quốc,Đài Loan, một phần nhỏ sang thị trường châu Âu Trong những năm gần đây,năng lực sản xuất và chế biến sắn của Việt Nam đã có bước tiến bộ đáng kể.Theo Tổng cục thông kê (2011), diện tích trồng sắn của nước ta đã tăng mạnh,đạt 560 nghìn ha với sản lượng đạt 9,87 triệu tấn Cùng với diện tích sắn được

mở rộng, sản lượng cũng như năng suất sắn sản xuất tăng theo thời gian thì tốc

độ độ tăng trưởng của sản lượng tinh bột sắn đã có những thành tựu rất đáng kể

Hiện nay, Việt Nam tồn tại 3 loại quy mô sản xuất tinh bột sắn điển hình

như sau:

- Quy mô nhỏ (hộ và liên hộ): Đây là quy mô có công suất 0,5 – 10 tấntinh bột sản phẩm/ngày Số cơ sở chế biến sắn quy mô nhỏ chiếm 70 – 74%.Công nghệ thủ công, thiết bị tự tạo hoặc do các cơ sở cơ khí địa phương chế tạo.Hiệu suất thu hồi và chất lượng tinh bột sắn không cao

- Quy mô vừa: Đây là các doanh nghiệp có công suất dưới 50 tấn tinh bộtsản phẩm/ngày Số cơ sở chế biến sắn quy mô vừa chiếm 16 – 20% Đa phần các

cơ sở đều sử dụng thiết bị chế tạo trong nước nhưng có khả năng tạo ra sản phẩm

có chất lượng không thua kém các cơ sở thiết bị nhập của nước ngoài

- Quy mô lớn: Nhóm này gồm các doanh nghiệp có công suất trên 50 tấntinh bột sản phẩm/ngày Số cơ sở chế biến sắn quy mô lớn chiếm 10% tổng sốcác cơ sở chế biến trong cả nước, với công nghệ và thiết bị nhập từ châu Âu,Trung Quốc, Thái Lan Đó là công nghệ tiên tiến hơn, đạt chất lượng sản phẩmcao hơn và sử dụng ít nước hơn so với công nghệ trong nước

Hiện nay, cả nước đã có trên 60 nhà máy chế biến tinh bột sắn với quy môlớn, công suất 50 – 200 tấn tinh bột sắn/ngày và trên 4.000 cơ sở chế biến thủcông Hiện tại, tổng công suất của các nhà máy chế biến quy mô công nghiệp đã

và đang xây dựng có khả năng chế biến được 40% sản lượng sắn của cả nước.Tính đến năm 2011, năng lực sản xuất tinh bột sắn của Việt Nam đạt từ 800.000– 1.200.000 tấn/năm

Về đặc thù sản xuất tinh bột sắn, do củ sắn tươi rất khó bảo quản dài ngàynên hầu hết các nhà máy sản xuất tinh bột sắn đều hoạt động theo thời vụ Thờigian hoạt động chủ yếu là từ cuối tháng 8 năm trước đến đầu tháng 4 năm sau.Mặc dù vậy, ở vùng Đông Nam Bộ có điều kiện thuận lợi về nhiệt độ cho pháttriển cây sắn nên các nhà máy chế biến tại Tây Ninh có thời gian chế biến kéo dài

330 ngày/năm Thời gian sản xuất trong năm của các nhà máy khác khoảng 200

-230 ngày Theo công suất thiết kế của các nhà máy sản xuất tinh bột sắn, nhu cầunguyên liệu sắn tươi hiện nay mới đạt khoảng 70% sản lượng sắn hiện có Vìvậy, với sản lượng như hiện nay, nhiều nhà máy chế biến tinh bột sắn bị thiếunguyên liệu (Tổng cục thống kê, 2011)

2.3.2 Phế thải sau sản xuất tinh bột sắn

Theo số liệu phân tích thống kê của Trung tâm sản xuất sạch Việt Nam –Tài liệu hướng dẫn sản xuất sạch hơn ngành sản xuất tinh bột sắn: Sắn củ có hàm

lượng nước khoảng 55,2%, tinh bột khoảng 16 – 32%, hàm lượng protein 0,8 –2,5 mg/100g chất khô, hàm lượng HCN 200 -300 mg/100g sắn tươi, thay đổitheo mùa vụ, điều kiện canh tác, giống sắn, thời gian và điều kiện bảo quản.Chính các thành phần hữu cơ như tinh bột, protein, xenluloza, pectin, đường,…

có trong nguyên liệu củ sắn tươi là nguyên nhân gây ô nhiễm cho các dòng nướcthải của nhà máy sản xuất tinh bột sắn qua quá trình sản xuất Ngoài ra, trong quátrình sản xuất, HCN hòa tan trong nước rửa bã, thoát khỏi dây chuyền sản xuấtcũng góp phần gây ô nhiễm môi trường, tạo màu sẫm của nước thải

Khí thải trong nhà máy sản xuất tinh bột sắn phải kể đến là các hợp chất

SOx từ quá trình tẩy rửa dùng nước SO2, dung dịch NaHSO3, CO2 từ quá trình đốtnhiên liệu, các loại khí NH4, indon, scaton, H2S, CH4 từ các quá trình lên menyếm khí và hiếu khí các hợp chất hữu cơ như tinh bột, đường, protein trong nướcthải và bã thải Các chất thải rắn gồm vỏ sành (vỏ lớp ngoài cùng của củ sắn), cácphần xơ, bã thải rắn chứa nhiều xenluloza, bã lọc từ máy lọc và máy ly tâm (Tàiliệu hướng dẫn sản xuất sạch hơn – ngành sản xuất tinh bột sắn, 2010)

Cũng theo Tài liệu hướng dẫn sản xuất sạch hơn – Ngành sản xuất tinh bộtsắn của Trung tâm sản xuất sạch Việt Nam (2010), phế thải sau sản xuất tinh bộtsắn bao gồm: Nước thải, khí thải và chất thải rắn với các đặc trưng như sau:

 Nước thải:

Nước sản xuất được sử dụng nhiều nhất ở công đoạn rửa và ly tâm tách

bã Lượng nước thải ra môi trường chiếm 80 – 90% nước sử dụng (Tài liệuhướng dẫn sản xuất sạch hơn – ngành sản xuất tinh bột sắn, 2010) Nước thảisinh ra từ dây chuyền sản xuất tinh bột sắn có thông số đặc trưng như: pH thấp,hàm lượng chất hữu cơ cao thể hiện qua các chất rất lơ lửng (SS), nhu cầu oxysinh học (BOD), nhu cầu oxy hóa học (COD), các chất dinh dưỡng N, P, K, độmàu,… với nồng độ rất cao, vượt nhiều lần so với tiêu chuẩn môi trường Nướcthải được sinh ra từ các hoạt động sản xuất chính sau đây (Tài liệu hướng dẫn sảnxuất sạch hơn – ngành sản xuất tinh bột sắn, 2010):

- Bóc vỏ, mài củ, ép bã: Chứa một hàm lượng lớn cyanua, alcoloid,antoxian, protein, xenluloza, pectin, đường và tinh bột Đây là nguồn chính gây ônhiễm nước thải, thường dao động trong khoảng 20 – 25 m3/tấn nguyên liệu, cóchứa SS, BOD, COD ở mức rất cao

- Lắng trích ly: Chứa tinh bột, xenluloza, protein thực vật, lignin và

cyanua, do đó có SS, BOD, COD rất cao, pH thấp

- Rửa máy móc, thiết bị, vệ sinh nhà xưởng: Có chứa dầu máy, SS, BOD

- Nước thải sinh hoạt (bao gồm nước thải từ nhà bếp, nhà tắm, nhà vệsinh) chứa các chất cặn bã, SS, BOD, COD, các chất dinh dưỡng (N, P) và visinh vật…

- Nước mưa chảy tràn qua khu vực nhà máy cuốn theo các chất cặn

bã, rác, bụi

 Khí thải

Bên cạnh khí thải của lò hơi, một vấn đề khí thải của các nhà máy sản xuấttinh bột sắn là mùi hôi Mùi hôi hình thành do sự phân hủy của tinh bột sắn vàcác chất hữu cơ Các chất này có trong bã thải, lưu đọng trong thiết bị sản xuất vàkhu vực nhà xưởng Nước thải lưu trữ trong hồ bị phân hủy yếm khí cũng gâymùi hôi và gây khó chịu đối với công nhân lao động trực tiếp sản xuất và cư dânlân cận

Các nguồn sinh ra phát thải dạng khí gồm (Tài liệu hướng dẫn sản xuấtsạch hơn – ngành sản xuất tinh bột sắn, 2010):

- Bã thải rắn, hồ xử lý nước thải yếm khí: sinh khí H2S, NH4;

- Lò hơi, phương tiện chuyên chở: phát sinh khí NOx, SOx, CO, CO2, HC;

- Khu vực sấy và đóng bao có nhiều bụi tinh bột sắn;

- Kho bãi chứa nguyên liệu sắn củ tươi có bụi đất cát, vi sinh vật;

- Bãi nhập nguyên liệu, than, dây chuyền nạp liệu, kho chứa nguyên liệu

có bụi đất cát;

Ngoài ra, gầu tải, máy xát trống, máy bóc vỏ, máy sấy tinh bột, máy phátđiện, quạt gió, xe vận tải… gây tiếng ồn gây ảnh hưởng đến đời sống của ngườidân trong khu vực

- Xơ và bã sắn sau khi đã lọc hết tinh bột Loại chất thải này thườngchiếm 15 – 20% lượng sắn tươi, rất dễ gây ô nhiễm môi trường nếu không được

xử lý kịp thời Xơ và bã sắn sau khi trích ly được tách bớt một phần nước trướckhi làm thức ăn gia súc

- Mủ: lượng mủ khô chiếm khoảng 3,5 – 5% khối lượng sắn tươi Mủđược tách ra từ dịch sữa, có hàm lượng hữu cơ cao (1.500 – 2.000 mg/100g) và

xơ (12.800 – 14.500 mg/100g) nên gây mùi khó chịu do quá trình phân hủy sinhhọc, cần được làm khô ngay Tuy nhiên, thực tế tại nhiều doanh nghiệp sản xuấtthường để mủ dưới dạng ướt Lượng tinh bột chứa trong mủ là: 51.800 – 63.000mg/100g, gấp đôi lượng tinh bột có trong vỏ gỗ và vỏ củ Mủ được sử dụng làmthức ăn gia súc

- Bùn lắng sinh ra từ hệ thống xử lý nước thải

- Bao bì phế thải

Bã thải rắn từ ngành sản xuất tinh bột sắn thường được các doanh nghiệptận dụng làm sản phẩm phụ dưới dạng thức ăn gia súc Tuy nhiên, nguồn thu từsản phẩm này không đáng kể, cần có các biện pháp sử dụng và quản lý bã thảirắn hiệu quả hơn

2.3.3 Tác động của phế thải sau sản xuất tinh bột sắn tới môi trường

 Tác động của các chất ô nhiễm trong nước thải

- BOD liên quan đến việc xác định mức độ ô nhiễm của thành phần cókhả năng phân hủy sinh học trong nước thải và COD cho biết mức độ ô nhiễmcác chất hữu cơ và vô cơ chứa trong nước thải công nghiệp Sự ô nhiễm của cácchất hữu cơ dẫn đến suy giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước Oxy hòa tan giảm

sẽ tác động nghiệm trọng đến hệ thủy sinh, đặc biệt là hệ vi sinh vật Khi xảy rahiện tượng phân hủy yếm khí với hàm lượng BOD quá cao sẽ gây thối nguồnnước và giết chết hệ thủy sinh, gây ô nhiễm không khí xung quanh và phát tántrên phạm vi rộng theo chiều gió (Trung tâm sản xuất sạch Việt Nam, 2010)

- Chất rắn lơ lửng (SS) cũng là tác nhân gây ảnh hưởng tiêu cực tới tàinguyên thủy sinh đồng thời gây mất cảm quan, bồi lắng lòng hồ, sông, suối…

- Axit HCN là độc tố có trong vỏ sắn Khi chưa được đào lên, trong củ sắnkhông có HCN tự do mà ở dạng glucozit gọi là phazeolutanin có công thức hóahọc C17H10NO6 Sau khi được đào lên, dưới tác dụng của enzym xyanoaza hoặc

trong môi trường axit thì phazeolutanin phân hủy tạo thành glucoza, axeton vàaxit xyanuahdric Axit này gây độc toàn thân cho người Xyanua ở dạng lỏngtrong dung dịch là chất linh hoạt Khi vào cơ thể, nó kết hợp với enzymxitochrom làm men này ức chế khả năng cấp oxy cho hồng cầu Do đó, làm các

cơ quan của cơ thể bị thiếu oxy Nồng độ HCN thấp có thể gây chóng mặt, miệngđắng và buồn nôn Nồng độ HCN cao gây cảm giác bồng bềnh, khó thở, hoa mắt,

da hồng, co giật, mê man, bất tỉnh, đồng tử giãn, đau nhói vùng tim, tim ngừngđập và tử vong Trong sản xuất, HCN tồn tại trong nước thải, phản ứng với sắttạo thành cyanua có màu xám Nếu không được tách nhanh, HCN sẽ ảnh hưởngtới màu của tinh bột và màu của nước thải Hàm lượng độc tố HCN trong củ sắn

là 0,001 – 0,04%, chủ yếu ở vỏ Nước thải của các nhà máy sản xuất tinh bột sắnquy mô lớn thường có BOD từ 6.200 – 23.000 mg/l Nếu nước thải không được

xử lý triệt để, không đạt tiêu chuẩn môi trường trước khi thải vào nguồn tiếpnhận thì sẽ gây nghiêm trọng cho nguồn nước, đất và không khí (Trung tâm sảnxuất sạch Việt Nam, 2010)

 Tác động của các chất ô nhiễm không khí:

- Mùi hôi sinh ra do quá trình phân hủy tự nhiên các chất hữu cơ Thànhphần chủ yếu tạo ra mùi hôi là H2S và một số chất hữu cơ thể khí Các loại khínày làm cho con người khó thở và ảnh hưởng tới sức khỏe lâu dài

- Bụi gây viêm mũi, họng và phế quản người lao động Bệnh bụi phổi gâytổn thương chức năng phổi cấp tính hoặc mãn tính tạo nên những khối u cuốngphổi, giãn phế quản và các khối u bên trong có hạt bụi

- Các oxit axit SOx, NOx; Các khí này kích thích niêm mạc, tạo thành axit

H2SO4, HNOx nhiễm vào cơ thể qua đường hô hấp hòa tan vào nước bọt rồi vàođường tiêu hóa sau đó phân tán vào máu Khí này khi kết hợp với bụi sẽ tạothành các hạt bụi axit lơ lửng và đi vào phế nang phá hủy thực bào, dẫn đến ứcchế thần kinh trung ương và làm hạ huyết áp, kích thích niêm mạc làm chảy nướcmũi, ho và gây tai biến phổi Tùy nồng độ NO2 và thời gian tiếp xúc vài ngày đếnvài tuần có thể gây viêm cuống phổi, viêm màng phổi đến tử vong

- Đối với thực vật: Các khí SOx, NOx khi bị oxy hóa trong không khí vàkết hợp với nước mưa tạo nên mưa axit gây ảnh hưởng tới sự phát triển của câytrồng và thảm thực vật (Trung tâm sản xuất sạch Việt Nam, 2010)

- Đối với vật liệu: Sự có mặt của SOx, NOx trong không khí nóng ẩm làmtăng cường quá trình ăn mòn kim loại, phá hủy vật liệu bê tông và các công trìnhxây dựng khác

- CO là khí cacbon oxit không màu, không mùi vị, phát sinh từ sự đốtcháy không hoàn toàn các vật liệu tổng hợp có chứa carbon và chiếm tỷ lệ lớntrong ô nhiễm môi trường không khí CO khi vào cơ thể kết hợp với Hemoglobin(Hb) làm mất chức năng vận chuyển oxy của máu tới các bộ phận cơ thể, rất dễgây tử vong Tác động của CO tới sức khỏe con người phụ thuộc vào hàm lượngHbCO (1 – 40%) trong máu, có thể gây ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương,giảm khả năng phân biệt về thời gian, giác quan kém nhạy cảm, gây hôn mê, cogiật từng cơn và gây nguy cơ tử vong CO2 gây rối loạn hô hấp phổi và tế bào dochiếm chỗ của oxy trong máu CO2 còn là tác nhân gây hiệu ứng nhà kính, dẫnđến hiện tượng nóng lên của Trái đất và biến đổi khí hậu toàn cầu (Trung tâm sảnxuất sạch Việt Nam, 2010)

- Hidrocacbon (HC) là hợp chất hóa học của hydro và carbon tạo thành,sinh ra do sự bốc hơi của các nguồn nhiên liệu hoặc do quá trình cháy nhiên liệukhông hoàn toàn Đối với con người, khí HC làm sưng tấy màng nhầy phổi, làmthu hẹp cuống phổi và làm sưng tấy mắt HC còn được xem là nguyên nhân gây

ra ung thư phổi (Trung tâm sản xuất sạch Việt Nam, 2010)

- Tiếng ồn: Tiếng ồn cao hơn tiêu chuẩn cho phép gây ảnh hưởng tới sứckhỏe con người như mất ngủ, mệt mỏi, tâm lý khó chịu, làm giảm năng suất laođộng, kém tập trung dẫn đến nguy cơ gây tai nạn trong khi lao động

 Tác động của các chất thải rắn

Chất thải rắn có khối lượng rất lớn Với công suất 60 tấn tinh bột/ngày, tảilượng phần vỏ gỗ chiếm khoảng 4.800 kg/ngày, phần vỏ củ 8.000 kg/ngày, bãsắn nhiều nhất 16.800 kg/ngày Nếu không thu gom và xử lý ngay trong ngày thìquá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong chất thải rắn sau 48 giờ sẽ tạo racác khi H2S, NH4… gây mùi hôi thối làm ô nhiễm môi trường (Trung tâm sảnxuất sạch Việt Nam, 2010)

2.3.4 Các biện pháp xử lý phế thải nông nghiệp và phế thải sau sản xuất tinh bột sắn

Hoạt động chế biến tinh bột sắn làm phát sinh nước thải và chất thải rắn

với lượng lớn đã và đang gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Nước thải từhoạt động sản xuất có thể được xử lý bằng nhiều phương pháp như bể Aroten,UASB… tuy nhiên chất thải rắn của hoạt động sản xuất này ở nước ta hiện naychưa có tài liệu chính thống nào nói về công nghệ xử lý chúng.

Ở các nhà máy lớn vỏ củ và các tạp chất tư công đoạn rửa – bóc vỏthường được thiết kế khu chôn lấp riêng trong khuôn viên nhà máy Bã sắn từcông đoạn trích ly chiết xuất của hầu hết các nhà máy đều được bán cho các cơ

sở sản xuất thức ăn chăn nuôi gia súc Trên thực tế tại các hộ sản xuất quy mônhỏ thì chất thải rắn chủ yếu vẫn bỏ trực tiếp ra môi trường, một phần thì đượcchôn lấp, tuy nhiên phương pháp này cần một diện tích đất bỏ trống, hơn nữaphương pháp này không tận dụng triệt để được nguồn nguyên liệu hữu cơ

Hiện nay, cũng có một số biện pháp sinh học được áp dụng trong xử lýchất thải sau sản xuất tinh bột sắn Nguyễn Hữu Văn và cs (2004) đã nghiên cứuthành công quá trình ủ chua bã sắn với các chất phụ gia khác nhau để làm thức ăncho động vật nhai lại Các phụ gia được sử dụng là: cám gạo 3% + muối ăn 0,5%(tính theo khối lượng tươi) (BSC); rỉ mật 3% + muối ăn 0,5% (BSMa); và muối

ăn 0,5% (BSMu) Bã sắn được trộn đều theo các công thức và ủ yếm khí trong 15túi riêng biệt cho mỗi công thức Mẫu thức ăn ở 3 túi ny lon trong mỗi công thức

ủ được lấy ngẫu nhiên ở các thời điểm 0, 7, 14, 21, và 42 ngày sau khi ủ để phântích thành phần hóa học Gía trị pH và hàm lượng HCN ở các công thức giảmnhanh chóng sau khi ủ Giá trị pH thấp dưới 3,8 sau 21 ngày ủ và hàm lượngHCN sau 14 và 21 ngày ủ lần lượt giảm xuống dưới mức 100 và 80 mg/kg DM(Trần Hiếu Nhuệ và cs., 2004)

Tại Thái Lan, người ta tận dụng bã sắn để sản xuất Axit xitric và Thái Lan

chỉ có 3 nhà máy sản xuất axit xitric Một nhà máy sử dụng bã sắn nghiền sắn lấy

từ các nhà máy tinh bột làm nguyên liệu thô (khoảng 5 – 6 tấn/ngày) nhờ khảnăng lên men bề mặt ở trạng thái rắn của chúng Hai nhà máy còn lại mới đượcthành lập sử dụng các sắn lát làm nguyên liệu nhờ quá trình lên men bề mặt và bềsâu Để sản xuất 6 tấn axit xitric mỗi ngày cần khoảng 40 tấn lát sắn

Theo Lê Văn Lương (2001),Chất thải rắn của hoạt động chế biến tinh bộtsắn có chứa một hàm lượng cyanua, đây là một chất độc hại cho con người, hiệnnay có một số cơ sở lựa chọn biện pháp ủ chất thải rắn để làm phân compost, với

phương pháp này sẽ làm giảm được mức độ độc tố của cyanide và từ đó giảm độ

pH và tạo ra axit lactic Phương pháp này được cho là một phương pháp hiệu quảtrong xử lý chất thải rắn dựa trên hoạt động của các vi sinh vật để chuyển hóa cácchất trong bã thải thành những chất không độc, đồng thời bổ xung các chế phẩm

để tăng khả năng phân giải các chất và bổ sung thêm các nguyên tố phù hợp đểlàm phân bón Nhìn chung, các phương pháp sinh học trên đều được thực hiệndựa trên cơ chế hoạt động phân giải tinh bột, xenluloza, lân, photphat… của một

số chủng vi sinh vật, từ đó chuyển hóa các chất ở dang độc hại và khó tiêu vềdạng những chất không gây độc hại và dễ tiêu để phục vụ cho việc sản xuất thức

ăn chăn nuôi hoặc làm phân bón vi sinh

2.4 VAI TRÒ CỦA PHÂN BÓN HỮU CƠ TRONG SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP

Trong nền kinh tế hiện nay, ngành nông nghiệp Việt Nam đang được đầu tưvới hướng đi đúng đắn và chuyên biệt rõ rệt nhằm tạo ra những sản phẩm chấtlượng, chi phí thấp và lợi nhuận cao Và đó là điều mong mỏi của liên kết “4 nhà” –Nhà nông, nhà khoa học, nhà doanh nghiệp và Nhà nước, tạo ra các mô hình sảnxuất như cánh đồng lớn, các câu lạc bộ Sản xuất giỏi và thực hành nông nghiệp tốt

Phân hữu cơ là các loại chất hữu cơ vùi vào đất sau khi phân giải có khảnăng cung cấp chất dinh dưỡng cho cây và quan trọng hơn có tác dụng cải tạo đấtlớn Phân hữu cơ gồm: phân gia súc, phân bắc, nước giải, phân gia cầm, rác đôthị sau khi ủ, phân xanh, các chế phẩm của công nghiệp thực phẩm và tàn dưthực vật vùi vào đất

Tác dụng cụ thể của phân bón hữu cơ đối với sản xuất nông nghiệp đượcthể hiện như sau:

2.4.1 Tác dụng cải tạo tính chất đất

 Cải tạo hóa tính đất:

Phân hữu cơ là nguồn bổ sung mùn không thể thay thế cho đất Mùn cóảnh hưởng toàn diện đến tính chất hóa học của đất

- Trao đổi và điều tiết dinh dưỡng của đất: Mùn kết hợp với sét tạo thànhphần cơ bản của phức hệ hấp thu, điều tiết dinh dưỡng cho cây

- Tạo nguồn thức ăn cho cây của đất: Phần lớn các chất dinh dưỡng cótrong đất nằm trong thành phần của mùn

- Nâng cao hiệu lực và khả năng sử dụng phân khoáng của đất: Vì mùnlàm cho việc hút thức ăn qua tế bào rễ cây thuận lợi hơn

- Mùn kết hợp với lân tạo ra phức hệ lân mùn, làm cho lân ở trạng thái cây

có hệ số mùn hóa cao nên có khả năng ổn định được kết cấu đất nhất là khi bónvới lượng lớn

Đồng thời phân hữu cơ có ảnh hưởng đến các tính chất khác của đất như: Chế độ ẩm: Bón phân hữu cơ có ảnh hưởng tốt đến chế độ ẩm của đất dochất hữu cơ mà phân hữu cơ cung cấp cho đất, có tác dụng làm cho nước mưahay nước tưới thấm vào đất được thuận lợi hơn và giữ được nhiều nước hơn chođất, giảm được sự bốc hơi nước từ đất và tiết kiệm được nước tưới

Chế độ nhiệt: Bón phân hữu cơ có ảnh hưởng tốt đến chế độ nhiệt của đất

do tạo ra chất mùn có màu thẫm làm tăng khả năng hấp thu và điều tiết nhiệt chođất Nhờ đó mà nhiệt độ trong đất ít bị thay đổi so với nhiệt độ không khí

Chế độ khí: Bón phân hữu có có tác dụng cải tạo khí của đất, do cung cấpchất hữu cơ và mùn là những chất có tác dụng cải thiện kết cấu đất và chế độ khícủa đất Các chất này làm cho đất vốn có thành phần cơ giới nặng vốn yếm khítrở nên chặt hơn giảm bớt không khí có trong đất (Nguyễn Văn Bộ và cs., 2003)

 Cải tạo sinh tính đất:

Bón phân hữu cơ tạo điều kiện cho tập đoàn vi sinh vật đất phát triểnmạnh Phân hữu cơ có chứa rất nhiều vi sinh vật, vì vậy khi bón phân này vào đấtcòn là nguồn bổ sung vi sinh vật rất đa dạng và phong phú cho đất

Một số phân hữu cơ như: phân bắc, phân chuồng, phân gia cầm có chứanguồn vi sinh vật rất đa dạng và phong phú, nên khi bón phân này vào đất còn có tácdụng làm tăng nhanh số lượng vi sinh vật, đặc biệt là vi sinh vật có ích cho đất

Một số hoạt chất sinh học được hình thành trong phân hữu cơ (chất kíchthích sinh trưởng, kháng sinh…) cũng có tác động tới sinh trưởng và trao đổi

chất của cây (Nguyễn Văn Bộ và cs., 2003).

2.4.2 Vai trò cung cấp chất dinh dưỡng cho cây

 Vai trò cung cấp khoáng cho cây

Theo Nguyễn Văn Bộ và cs (2003), phân hữu có có vai trò cung cấp khoángchất cho cây trồng Trong thành phần của phân hữu cơ có chứa đa dạng về chủngloại các chất dinh dưỡng: từ đa lượng, trung lượng đến vi lượng Nhưng phân hữu

cơ cũng có một số nhược điểm trong cung cấp dinh dưỡng cho cây, đó là:

- Hàm lượng dinh dưỡng có trong phân hữu cơ rất thấp, thường không quá1% đối với các yếu tố dinh dưỡng

- Hệ số sử dụng dinh dưỡng của phân hữu cơ ở năm đầu thường khôngcao, thấp hơn nhiều so với phân bón hóa học, đặc biệt đối với yếu tố Nito

- Khả năng cung cấp dinh dưỡng dưới dạng dễ tiêu cho cây thường khôngkịp và bấp bênh

 Vai trò cung cấp CO 2 cho cây

Cây trồng trong quá trình quang hợp, ngoài các chất dinh dưỡng khoángcòn hấp thu một lượng khí CO2 rất lớn Ví dụ: Để đạt năng suất 40 – 50 tấn/hakhoai tây và rau cần 200 – 300 kg khí CO2/ha/ngày Phân hữu cơ có tác dụngcung cấp CO2 cho cây trồng, càng bón nhiều càng tạo ra nhiều nguồn CO2 chocây Vì dưới tác động của vi sinh vật, các loại phân hữu cơ được phân giải và tạo

ra nhiều khí CO2, làm giàu nguồn khí này cho phần khí của đất và lớp không khísát mặt đất, kết quả cải thiện nguồn dinh dưỡng khí cho cây, đặc biệt là đối vớinhững cây trồng cần nhiều CO2 (Nguyễn Văn Bộ và cs., 2003)

2.4.3 Vai trò trong vòng tuần hoàn vật chất tự nhiên và bảo vệ môi trường

Bón phân hữu cơ là hình thức can thiệp tích cực của con người vào vòngtuần hoàn trong tự nhiên Vì phần lớn các chất dinh dưỡng được cây trồng hút từđất, phân bón và khí quyển (thông qua cây bộ đậu) Những sản phẩm của cây trồng

ấy được sử dụng làm thức ăn cho chăn nuôi và người Sau đó lại thải một phần khálớn ra ngoài theo phân chuồng, phân bắc, phân gia cầm… Vì vậy, cùng với việcbón phân khoáng, bón các loại phân bón hữu cơ là trả lại đáng kể các chất mà câytrồng lấy đi từ đất, giảm việc sử dụng phân khoáng và khả năng hủy hoại đất

Các loại phân hữu cơ (phân chuồng, phân gia cầm, phân bắc, phân rác…)còn là các chất phế thải của các hoạt động sống của con người Nếu các loại phân

này không được xử lý một cách khoa học và hợp lý sẽ gây ô nhiễm môi trường.Việc sử dụng phân hữu cơ làm phân bón trong nông nghiệp, còn là biện pháp xử

lý nguồn gây ô nhiễm môi trường rất hợp lý, hiệu quả đối với toàn xã hội(Nguyễn Văn Bộ và cs., 2003)

2.5 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC SẢN XUẤT CỒN SINH HỌC VÀ XỬ

LÝ PHẾ THẢI THÀNH PHÂN BÓN HỮU CƠ

2.5.1 Cơ sở khoa học của việc phân giải chuyển hóa chất hữu cơ và thủy phân nguyên liệu

Thành phần chủ yếu của bã thải sau sản xuất tinh bột sắn là xenlulo vàtinh bột Các loại chất hữu cơ này dễ dàng bị phân hủy và chuyển hóa bởi vi sinhvật do khả năng tiết enzym ngoại bào của chúng

2.5.1.1 Xenlulo và vi sinh vật phân giải xenlulo

Xenlulo:

Xenlulo là thành phần chủ yếu của vách tế bào thực vật và chiếm 50%tổng lượng hydrocacbon trên Trái đất Ngoài thực vật, xenlulo cũng là nguồn chủyếu trong các phế phụ phẩm nông nghiệp và sản xuất chế biến Xenlulo làpolysacarit được cấu tạo từ các gốc β – D – Glucozo liên kết với nhau bằng liênkết 1,4-glucozit Mức độ polyme hóa của xenlulo rất cao tới 10.000 – 14.000 đơn

vị glucoza/phân tử Số lượng lớn liên kết hydro nội phân tử làm cho phân tửxenlulo có độ cứng và vững chắc (Sin R.G.H, 1951)

Liên kết glucozit không bền với axit, xenlulo dễ bị phân hủy bởi axit vàtạo thành sản phẩm phân hủy không hoàn toàn là hydro – xenlulo có độ bền cơhọc kém hơn xenlulo nguyên thủy, còn khi thủy phân hoàn toàn thì sản phẩm tạothành là D – glucozo

Về bản chất hóa học, xenlulo là một rượu đa chức có phản ứng với kiềm haykim loại kiềm tạo thành xenlulo – ancolat Nguyên tử hydro ở các nhóm OH bậcmột và bậc hai trong phân tử xenlulo cũng có thể bị thay đổi bởi các gốc - metyl, -etyl,… tạo ra những chất có độ kết tinh và độ hòa tan trong nước khác nhau

Xenlulo cũng bị oxy hóa bởi một số tác nhân tạo thành sản phẩm oxy hóamột phần là oxy – xenlulo Tác nhân oxy hóa chọn lọc nhất là axit iodic (HIO4)

và muối của nó Xenlulo không tan trong nước, dung dịch kiềm làm trươngphồng mạch xenlulo và hòa tan một phần xenlulo phân tử nhỏ Đặc biệt, xenlulo

dễ hòa tan trong dung dịch đồng amin hydrat (Cu(NH3)4(OH)2), và hàng loạt cácdung dịch là các phức chất của đồng, niken, cadimi, kẽm… (Sin R.G.H, 1951)

Hình 2.1 Cấu trúc của xenlulo

Vi sinh vật phân giải xenlulo:

Vi sinh vật có khả năng phân giải xenlulo là những vi sinh vật có khảnăng tổng hợp được hệ enzym xenlulaza Hệ enzym xenlulaza gồm 3 loạienzym khác nhau:

Exoglucanaza (1,4 – β – D glucaxenloniohydrolaza, C1, EC 3.2.1.91), tácdụng lên xenlulo, cắt các đơn vị xenlobioza khỏi các đầu không khử của chuỗixenlulo, không tấn công các xenlulo thay thế, có thể thủy phân xenlodextrinnhưng không thủy phân xenlobioza

Endoglucanase (1,4 – β – D glucanohydrolaza, Cx, EC 3.2.1.4), thủy phânliên kết 1,4 glucozit bên trong phân tử xenlulo một cách tùy tiện, nó không tấncông xenlobioza nhưng thủy phân xenlodextrin Enzym này phân giải mạnhxenlulo hòa tan nhất là dạng xenlulo vô định hình nhưng hoạt động

β-glucosidase (β – D glucozit glucohydrolaza) hay xenlobioza EC 3.2.1.21cắt các xenlobioza tạo thành bởi C1 và Cx thành gluco, không tấn công xenlulohay xenlodextrin bậc cao (Lê Văn Lương, 2001)

Trong tự nhiên có rất nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng phân giải xenlulo nhờ

hệ enzym xellulaza ngoại bào:

Nấm mốc (Aspergillus, Fasarium, Mucor, Tricoderma…) có cấu tạo hệsợi, sinh sản chủ yếu bằng bào tử Chúng phát triển mạnh ở nhiệt độ 25 - 30ºC và

pH = 6,5 – 7,0; chúng có khả năng phân giải cenlulose mạnh nhờ có khả năng

sinh tổng hợp enzym rất cao (Sheela Srivastava et al., 2003)

Nhiều loại vi khuẩn cũng có khả năng phân giải xenlulose tuy nhiêncường độ không mạnh bằng nấm Do đó để quá trình phân hủy có hiệu quả caothì các nhóm vi sinh vật phải phối hợp với nhau để phân giải cơ chất trong mối

quan hệ tương hỗ, thông thường bao gồm các vi sinh vật như sau: Pseudomonas,

Xenlulomonas, Achromonobacter, Clostridium, Ruminoccus Xạ khuẩn cũng góp

phần tích cực trong chuyển hóa cenllulose Các chủng xạ khuẩn được ứng dụngphổ biến hiện nay là các chủng thuộc chi Streptomyces Ngoài ra, một số nấm

men cũng có khả năng sinh enzym phân hủy cenlulose như: Candila,

Saccharomyces… (Sheela Srivastava et al., 2003).

2.5.1.2 Hemixenlulo và vi sinh vật phân giải hemixenlulo

Hemixenlulo:

Hemixenlulo là một phần polysaccarit thường gặp trong vách tế bào thựcvật với hàm lượng lớn, chỉ sau xenlulo, Xylan là một loại hemixenlulo phổ biếnnhất trong tự nhiên Xenlulo và Hemixenlulo được hình thành không chỉ từ mộtđường mà nhiều loại đường khác nhau, thậm chí cả từ axit urnoic của chúng(Sin R.G.H, 1951)

Khác với xenlulo, phân tử hemixenlulo nhỏ hơn nhiều, thông thườngkhông quá 150 gốc đường được nối với nhau không chỉ bằng liên kết -1,4 màcòn bằng liên kết – 1,3 và – 1,6 glucozit để tạo ra mạch ngắn và phân nhánh(Sin R.G.H, 1951)

Vì độ polyme thấp, phân nhánh và hỗn hợp nhiều đường nên hemixenlulokhông có cấu trúc chặt chẽ như ở xenlulo và độ bền hóa lý cũng thấp hơn.Hemixenlulo dễ tan trong dung dịch kiềm, trong nước nóng và dễ bị phân hủybởi axit loãng (Sin R.G.H, 1951)

Vi sinh vật phân giải hemixenlulo:

Khi nghiên cứu hemixenlulo, người ta thấy chúng giống với xenlulo vềcấu tạo, liên kết hóa học và cấu trúc đại phân tử Nhiều tác giả cho rằng,hemixenlulo có tính chất tương đồng với xenlulo về cơ chế tác động và tính chấtcảm ứng tổng hợp

Đa số vi sinh vật có khả năng tổng hợp xenlaza, cũng có khả năng tổnghợp xylanaza để phân hủy xylan Khả năng này thường tìm thấy ở vi sinh vậttrong dạ dày của động vật nhai lại như: Baccilus, Bacteriodes, Ruminococus vàcác vi khuẩn thuộc chi Clostridium

Ngoài ra, một số loài nấm sợi như: Mycotheciumverrucria, Chactomiun,…một số loài nấm xốp trắng cũng có khả năng phân giải hemixenlulo như: Aspergillusfumigatus, Corrodusversicolor,… và nhóm xạ khuẩn Streptomyces và Vi khuẩn

Pseudomonas, Baccilus… (Gaur A.C, 1980)

2.5.1.3 Tinh bột và vi sinh vật phân giải tinh bột

Amylopectin chiếm 75% trong thành phần của tinh bột, chứa 0,1 – 0,8%photpho, bắt màu tím hay màu đỏ tím với dung dịch iốt Amylopectin tạo thành

hồ keo trong nước nóng Chúng được tạo thành bởi các gốc – D –glucopiranoza và liên kết với nhau qua dây nối 1 – 4 glucozit và dây nối 1 – 6glucozit, vì vậy chúng có cấu tạo phân nhánh

Vi sinh phân giải tinh bột:

Tinh bột là chất hữu cơ khó phân giải trong tự nhiên, tuy nhiên có nhiềuloại vi sinh vật có khả năng sinh ra enzym amylaza ngoại bào để xúc tác cho quátrình phân giải tinh bột thành các phần đơn giản hơn Một số loại vi sinh vật điển

hình như: Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Bacillus subtilis, Clostridium

acebutylicum, (Sheela Srivastava et al., 2003).

Phương trình tổng quát về quá trình phân giải tinh bột (Lê Trung Sơn, 2008) như sau:

2.5.1.4 Vai trò của vi sinh vật trong quá trình lên men cồn sinh học

Quá trình lên men cồn:

Phương trình tổng quát về lên men cồn như sau:

C6H12O6 2 C2H5OH + 2CO2 + QTheo Pasteur, sự lên men chỉ xảy ra khi có mặt vi sinh vật Nếu ngăn cảnkhông cho vi sinh vật tiếp xúc với dịch đường thì hiện tượng lên men sẽ khôngxảy ra Như vậy, sự lên men cồn là một quá trình sinh học có sự liên hệ mật thiếttới hoạt động của tế bào men

Cơ chế lên men cồn xảy ra như sau: Đường và các chất dinh dưỡng đượchấp thụ qua bề mặt tế bào rồi thẩm thấu bên trong Ở đó các enzym sẽ tác dụngqua nhiều giai đoạn trung gian để tạo ra sản phẩm chính là cồn và khí cacbonic.Hai chất này đều khuếch tán vào môi trường xung quanh Cồn do rất linh độngnên hòa tan nhanh trong dung dịch men, còn khí cacbonic hòa tan kém hơn vàkhuếch tán chậm Lúc đầu CO2 hòa tan hoàn toàn, dần dần tạo thành các bọt khíbám quanh tế bào men và lớn dần tới mức lực đẩy Ác-si-mét lớn hơn khối lượng tếbào men cộng bọt khí Lúc đó tế bào cùng bọt khí nổi lên, khi tới bề mặt các bọtkhí sẽ tan vỡ và tạo thành tiếng rào rào (người ta thường gọi là men ăn) Bọt khítan, tế bào men lại chìm dần, tiếp xúc với dịch đường để hấp thụ và lên men rồi lạisinh ra cồn và khí carbonic Như vậy, tế bào nấm men từ chỗ là vi sinh vật khôngchuyển động đã biến thành tế bào luôn chuyển động trong quá trình lên men Nhờ

đó mà tăng nhanh tốc độ hấp thụ và chuyển hóa đường thành cồn Khi đường vàcác chất dinh dưỡng trong môi trường còn ít, một lượng lớn tế bào men sẽ lắngxuống đáy thùng làm dịch lên men sẽ trong dần (Nguyễn Văn Chín, 2013)

Nấm men có thể lên men trong dịch đường có nồng độ 25 – 30% nhưngchậm Nồng độ thích hợp cho đa số nấm men dùng trong sản xuất cồn là 15 – 18%.Nồng độ cao thì áp suất thẩm thấu sẽ lớn do ảnh hưởng xấu tới hiệu quả lên men,quá trình lên men sẽ kéo dài và đường sót lại trong giấm chín sẽ tăng Nếu lên men

ở nồng độ đường thấp cũng không có lợi vì tổn thất do tạo men tăng Ví dụ khi lênmen dịch đường có nồng độ 16,9% thì tổn thất đường do tạo men chiếm 6% so vớilượng đường trong dung dịch; nếu nồng độ đường là 8,6% thì tổn thất do tạo menchiếm tới 9,84% Mặt khác, lên men ở nồng độ thấp sẽ làm giảm năng suất củathiết bị, tốn nhiều hơn khi chưng cất và làm tăng tỷ lệ cồn tổn thất trong nước thải

Khi lên men, có khoảng 95% đường biến thành cồn và CO2 còn 5% là tạocác sản phẩm khác và đường sót

Lên men thường được tiến hành ở nhiệt độ 28 - 32ºC và pH = 4,5 – 5,2 Ởnhiệt độ cao thì tổn thất đường trong quá trình lên men sẽ lớn do tạp khuẩn dễ

phát triển, tạo nhiều este aldehyt Khi lên men ở 29,5ºC, tổn thất do lên men là7,37%; ở 17,5 ºC là 5,32% Xét về ảnh hưởng của pH thì tổn thất sẽ ít nhất khilên men ở pH = 4,4 Nếu tăng pH thì tổn thất sẽ tăng nhanh và nhiều hơn so vớigiảm pH Khi giảm pH từ 5,6 xuống 4,42 thì hiệu suất lên men sẽ tăng 2,3%

Trên đây mới đề cập đến một vài yếu tố có ảnh hưởng nhiều tới kết quảlên men nhưng còn xét ở các trường hợp riêng rẽ Trong thực tế, các yếu tố ảnhhưởng có liên quan mật thiết và chi phối lẫn nhau, vì vậy khi xem xét một trườnghợp cụ thể ta cần đặt chúng trong một thể thống nhất, phải căn cứ vào điều kiện

cụ thể, trang thiết bị,… để định ra chế độ phù hợp nhằm đạt hiệu quả cao nhất(Nguyễn Đình Thưởng, 2000)

Nấm men trong sản xuất cồn:

Trong sản xuất cồn, rượu vang và bia, người ta hay dùng loại

Saccaromyces và chia thành: Nấm men nổi và nấm men chìm Cách phân biệt

này là do sự khác nhau trong giai đoạn lên men Đặc điểm nổi bật của nấm menchìm là một số chủng có chứa enzym α-galactozidaza có khả năng lên men hoàntoàn rafinoza Còn đối với nấm men nổi thì chỉ một số ít chủng có khả năngchuyển hóa đường rafinoza thành cồn và cacbonic, đường được chuyển hóa chỉvào khoảng 1/3 tổng số đường

Đa số nấm men bia và rượu vang đều thuộc nấm men chìm Còn menrượu, men bánh mì và số ít men bia thuộc nấm men nổi

Yêu cầu chung của nấm men dùng trong sản xuất cồn là phải có năng lựclên men mạnh, biến đường thành cồn nhanh và hoàn toàn, đồng thời phải ổnđịnh và chịu được những biến đổi của môi trường, đặc biệt là yếu tố nhiệt độ(Cao Đình Khánh Thảo, 2007)

2.5.2 Cơ sở khoa học của việc sản xuất phân bón hữu cơ

Việc ứng dụng công nghệ sinh học, đặc biệt là công nghệ vi sinh vật trong

xử lý chất thải hữu cơ làm phân bón hữu cơ sinh học tại Việt Nam đã được cácnhà khoa học quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây Trong đó, ứngdụng chế phẩm vi sinh vật trong xử lý rác thải và phế thải nông nghiệp, côngnghiệp chế biến nông sản ở Việt Nam đã được nghiên cứu và triển khai áp dụngtương đối rộng rãi

Độ ẩm cho hầu hết các quá trình ủ phân hữu cơ là 50 – 70% (w/w) Tất cảcác giai đoạn ủ, mật độ nấm khá cao Nấm Mesophilic và Thermophilic bị chết