Nghiên cứu quá trình phân hủy kỵ khí bã khoai mì và khả năng ứng dụng

Áp dụng biện pháp phân hủy kỵ khí một chất thải giàu cơ chất như bã khoai mì để thu khí sinh học biogas như một nguồn năng lượng sạch để phục vụ các hoạt động trong đời sống con người là

Trang 1

-

NGUYỄN MINH TRIẾT

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ BÃ KHOAI

MÌ VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2007

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN SINH HỌC NHIỆT ĐỚI TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS-TSKH NGÔ KẾ SƯƠNG

Trang 3

- -oOo -

Tp HCM, ngày 03 tháng 11 năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN MINH TRIẾT Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 10 tháng 03 năm 1979 Nơi sinh: Tây Ninh

Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường

Khoá (Năm trúng tuyển): 2005

1- TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu quá trình phân hủy kỵ khí bã khoai mì và khả năng ứng dụng”

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

+ Mục tiêu: Trên cơ sở những kết quả thực nghiệm đánh giá được hiệu quả xử lý tận dụng bã khoai mì tạo sản phNm có ích phục vụ sản xuất và đời sống

+ N ội dung thực hiện:

- Phân tích thông tin tư liệu về bã khoai mì như là nguồn nguyên liệu tạo ra các sản phNm có ích phục vụ sản xuất và đời sống

- Phân tích thông tin tư liệu về quá trình sinh học kỵ khí xử lý chất thải giàu chất hữu

cơ sinh học và triển vọng ứng dụng

- Phân tích đánh giá chất lượng bã khoai mì

- Xây dựng mô hình lý thuyết về xử lý bã khoai mì bằng lên men kỵ khí

- Phân tích nguyên liệu và sản phNm lên men kỵ khí bã khoai mì làm cơ sở cho việc đánh giá hiệu quả sử dụng.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05 tháng 02 năm 2007

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05 tháng 11 năm 2007

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS-TSKH N GÔ KẾ SƯƠN G

N ội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên N gành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

Trang 4

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm khoa Môi trường, phòng Đào tạo sau Đại học trường Đại học Bách Khoa, TP HCM; Ban lãnh đạo Viện Sinh Học Nhiệt Đới Việt Nam đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành quá trình nghiên cứu luận văn này

Xin cảm ơn Quý Thầy Cô đã truyền đạt cho tôi những kiến thức nền tảng trong suốt quá trình học tập để hoàn tất được luận văn này

Xin cảm ơn PGS-TSKH Ngô Kế Sương đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Xin cảm ơn tất cả những người thân, bạn bè đã giúp đỡ tôi hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu của mình

Trang 5

Khoai mì thật sự là một sản phNm có đóng góp to lớn cho đời sống con người bởi sự đang dạng về mặt ứng dụng và những lợi ích thiết thực mà nó đã đem lại cho

xã hội Việc xử lý bã khoai mì từ các nhà máy sản xuất tinh bột, bột ngọt, cồn đã và

đang là một vấn đề đáng quan tâm không những của riêng những nhà quản lý, những nhà chuyên môn mà còn là của toàn thể người dân trong xã hội do đặc thù giàu cơ chất của nó Việc xả thẳng bã thải ra ngoài môi trường thật sự là một vấn đề nhức nhối cho cộng đồng bởi không những bã khoai mì gây ô nhiễm lên các hệ sinh thái trên cạn, dưới nước mà còn tác động xấu đến sức khỏe con người sống chung quanh khu vực Việc tận dụng bã khoai mì dưới dạng lên men thành men tiêu hóa cho chăn nuôi hay tận dụng để làm thức ăn cho gia súc thay cho một số nguồn thức

ăn khác như cám gạo, bột sắn không thật sự hiệu quả về mặt kinh tế Áp dụng biện pháp phân hủy kỵ khí một chất thải giàu cơ chất như bã khoai mì để thu khí sinh học (biogas) như một nguồn năng lượng sạch để phục vụ các hoạt động trong đời sống con người là một định hướng nghiên cứu, ứng dụng đáng quan tâm

Nội dung của luận văn này nghiên cứu sử ảnh hưởng của pH và tỉ lệ men giống/cơ chất lên hiệu quả của quá trình phân hủy kỵ khí bã khoai mì Về cơ bản, nhiệt độ thích hợp cho quá trình phát triển tối ưu của các chủng vi sinh phân hủy kỵ khí là điều kiện ưa ấm pH tốt nhất cho quá trình phân hủy, sinh khí nằm trong khoảng 6,7 ÷ 7,0 Tỉ lệ men giống/cơ chất 1,5/1 là tỉ lệ thích hợp nhất để quá trình phân hủy xảy ra hoàn toàn đồng thời lượng khí sinh học thu được cũng là cao nhất Song song đó việc khảo sát sự ảnh hưởng của việc khuấy trộn cơ học đến quá trình phân hủy cũng được quan tâm Kết quả phân hủy kỵ khí của 1kg bã khoai mì tươi thu được 212,5 lít khí sinh học (biogas) đồng thời COD, TS, VS của bã giảm đáng

kể Đây thật sự là một kết quả mang ý nghĩa thiết thực về phương diện môi trường

Trang 6

Bảng 1.1 Sản lượng sắn củ tươi năm 2001 trên thế giới (nguồn FAO 2001) Bảng 1.2 Hiện trạng và tiềm năng sử dụng, chế biến sắn tại một số nước châu Á Bảng 1.3 Thành phần cấu tạo củ khoai mì

Bảng 1.4 Nhóm vi khuNn thủy phân chất hữu cơ và tạo acid trong quá trình lên

men metan Bảng 1.5 Các loài vi khuNn sinh metan

Bảng 1.6 Thành phần cơ bản của khí sinh học

Bảng 1.7 Giá trị năng lượng của khí sinh học

Bảng 2.1 Các thông số của bã khoai mì

Bảng 2.2 Các thông số cơ bản của vi sinh phân hủy kỵ khí

Bảng 3.1 Các thông số của 2 mẻ thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng sự khuấy trộn

và tỉ lệ vi sinh – cơ chất đến hiệu quả phân hủy chất hữu cơ Bảng 3.2 Các thông số của mẻ thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH đến

hiệu quả phân hủy chất hữu cơBảng 3.3 Các thông số của mẻ thực nghiệm trong mô hình chuNn khảo sát ảnh

hưởng của các yếu tố đến quá trình phân hủy chất hữu cơ

Trang 7

Hình 1.1 Cấu tạo mặt cắt ngang củ khoai mì

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát quy trình công nghệ sản xuất tinh bột khoai mì

Hình 1.3 Sự kích hoạt glucose

Hình 1.4 Sự chia nhỏ fructose-1,6 diphosphat bằng men aldolase

Hình 1.5 Sự lên men glucose bằng vi khuNn Heterofermentative

Hình 1.6 Sự lên men piruvic

Hình 1.7 Quá trình lên men Aceton - butanol

Hình 1.8 Quá trình hình thành Ethanol

Hình 1.9 Quá trình lên men lactic

Hình 2.1 Mô hình thí nghiệm mô tả thiết bị phân hủy kỵ khí bã khoai mì

Hình 2.2 Mô hình chuNn thí nghiệm mô tả thiết bị phân hủy kỵ khí bã khoai mì

và thiết bị thu khí sinh học Hình 3.1 Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 1, 2, trong mẻ

khống chế pH (6,6 ÷ 7,4) để khảo sát tỉ lệ vi sinh – cơ chất, loạt mẫu không khuấy trộn

Hình 3.2 Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 3, 4, 4’ trong mẻ

Hình 3.3 Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 5, 6, 7 trong mẻ

Hình 3.4 Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 8, 9 trong mẻ

Hình 3.5 Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 1, 2 trong mẻ

khống chế pH (6,6 ÷ 7,4) để khảo sát tỉ lệ vi sinh – cơ chất, loạt mẫu

có khuấy trộnHình 3.6 Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 3, 4, 4’ trong mẻ

Trang 8

có khuấy trộn Hình 3.8 Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 8, 9 trong mẻ

có khuấy trộn Hình 3.9 Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 1, 2 trong mẻ

khống chế tỉ lệ vi sinh – cơ chất (VS/CC: 1,5/1) để khảo sát pH, loạt mẫu có khuấy trộn

Hình 3.12 Sự thay đổi TS theo thời gian phân hủy của mẫu 1, 2 trong mẻ khống

chế pH (6,6 ÷ 7,4) để khảo sát tỉ lệ vi sinh – cơ chất, loạt mẫu không

có khuấy trộn Hình 3.13 Sự thay đổi TS theo thời gian phân hủy của mẫu 3, 4, 4’ trong mẻ

khống chế pH (6,6 ÷ 7,4) để khảo sát tỉ lệ vi sinh – cơ chất, loạt mẫu không có khuấy trộn

Hình 3.14 Sự thay đổi TS theo thời gian phân hủy của mẫu 5, 6, 7 trong mẻ

Hình 3.15 Sự thay đổi TS theo thời gian phân hủy của mẫu 8, 9 trong mẻ khống

có khuấy trộn Hình 3.16 Sự thay đổi TS theo thời gian phân hủy của mẫu 1, 2 trong mẻ khống

chế pH (6,6 ÷ 7,4) để khảo sát tỉ lệ vi sinh – cơ chất, loạt mẫu có khuấy trộn

Hình 3.17 Sự thay đổi TS theo thời gian phân hủy của mẫu 3, 4, 4’ trong mẻ

có khuấy trộn Hình 3.18 Sự thay đổi TS theo thời gian phân hủy của mẫu 5, 6, 7 trong mẻ

có khuấy trộn

Trang 9

khuấy trộn Hình 3.20 Sự thay đổi TS theo thời gian phân hủy của mẫu 1, 2 trong mẻ khống

chế tỉ lệ vi sinh – cơ chất (VS/CC: 1,5/1) để khảo sát pH, loạt mẫu có khuấy trộn

Hình 3.23 Sự thay đổi VS theo thời gian phân hủy của mẫu 1, 2 trong mẻ khống

có khuấy trộn Hình 3.24 Sự thay đổi VS theo thời gian phân hủy của mẫu 3, 4, 4’ trong mẻ

Hình 3.25 Sự thay đổi VS theo thời gian phân hủy của mẫu 5, 6, 7 trong mẻ

Hình 3.26 Sự thay đổi VS theo thời gian phân hủy của mẫu 8, 9 trong mẻ khống

có khuấy trộn Hình 3.27 Sự thay đổi VS theo thời gian phân hủy của mẫu 1, 2 trong mẻ khống

Hình 3.28 Sự thay đổi VS theo thời gian phân hủy của mẫu 3, 4, 4’ trong mẻ

có khuấy trộn Hình 3.29 Sự thay đổi VS theo thời gian phân hủy của mẫu 5, 6, 7 trong mẻ

có khuấy trộn Hình 3.30 Sự thay đổi VS theo thời gian phân hủy của mẫu 8, 9 trong mẻ khống

Trang 10

khuấy trộn Hình 3.32 Sự thay đổi VS theo thời gian phân hủy của mẫu 3, 4, 5 trong mẻ

Hình 3.33 Sự thay đổi VS theo thời gian phân hủy của mẫu 6, 7, 8 trong mẻ

Hình 3.34 Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu trong mô hình

chuNn, khống chế cả pH lẫn tỉ lệ vi sinh – cơ chất (pH: 6,5÷6,8; VS/CC: 1,5/1) để khảo sát sản lượng khí sinh học

Hình 3.35 Sự thay đổi TS theo thời gian phân hủy của mẫu trong mô hình chuNn,

khống chế cả pH lẫn tỉ lệ vi sinh – cơ chất (pH: 6,5÷6,8; VS/CC: 1,5/1)

Hình 3.36 Sự thay đổi VS theo thời gian phân hủy của mẫu trong mô hình

chuNn, khống chế cả pH lẫn tỉ lệ vi sinh – cơ chất (pH: 6,5÷6,8; VS/CC: 1,5/1)

Hình 3.37 Thể tích khí sinh học thu được theo thời gian phân hủy của mẫu trong

mô hình chuNn, khống chế cả pH lẫn tỉ lệ vi sinh – cơ chất (pH: 6,5÷6,8; VS/CC: 1,5/1)

Hình 3.38 Kết cấu sơ bộ bể phân hủy kỵ khí bã khoai mì

Trang 11

BOD5 Nhu cầu ôxi sinh hóa sau 5 ngày ủ trong điều kiện tối ở 20oC

C Carbon

COD Nhu cầu ôxi hóa học

H Hydro

HRT Thời gian lưu thủy lực

KCN Khu công nghiệp

N Nitơ

O Ôxi

P Photpho

S Lưu huỳnh

SCOD Nhu cầu ôxi hóa học hòa tan

SRT Thời gian lưu bùn

Trang 12

PHỤ LỤC 2 CÁC HÌNH ẢNH MÔ TẢ QUÁ TRÌNH

THỰC NGHIỆM

Trang 13

Hình 2 Ngăn chứa bã khoai mì tươi của cơ sở sản xuất tinh bột mì Hương Quê

Trang 14

Hình 4 Khu xử lý nước thải tập trung của Xí nghiệp sản xuất lợn giống Đông Á

Trang 15

khoai mì

Hình 6 Motor dẫn động khay rung lắc mô phỏng chuyển động khuấy trộn hỗn hợp ủ

Trang 16

Hình 8 Thiết bị thu khí sinh học của quá trình ủ đang hoạt động

Trang 17

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Ở nước ta trong những năm gần đây nền kinh tế đã, đang và sẽ chuyển biến mạnh mẽ sang nền kinh tế thị trường, dần dần hòa nhập cũng như gắn liền với sự phát triển chung của nền kinh tế thế giới Một trong vô vàn những hệ quả do sự thay đổi và phát triển của nền kinh tế là cây khoai mì Tại Việt Nam, khoai mì là cây cho

củ giữ vị trí quan trọng trong cơ cấu phát triển cây lương thực của cả nước và có sản lượng đứng hàng thứ hai sau lúa Ngoài ra khoai mì còn là nguyên liệu cho công nghiệp thực phNm và xuất khNu

Trong những năm qua, các sản phNm từ khoai mì như khoai mì lát, khoai mì viên, tinh bột khoai mì…đã đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng trong nước và đã bắt đầu xuất khNu được, góp phần lớn vào sự phát triển của ngành lương thực nói riêng cũng như sự phát triển kinh tế của đất nước nói chung Một trong những sản phNm quan trọng nhất từ khoai mì là tinh bột khoai mì Sản phNm tinh bột từ củ khoai mì được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực phục vụ cuộc sống con người như lên men bột ngọt, enzim, công nghiệp dệt, công nghiệp giấy, công nghiệp chất kết dính, dược phNm, công nghiệp thực phNm, làm vật liệu sinh học tự hủy…

Bên cạnh những lợi ích kinh tế – xã hội của cây khoai mì thì việc thải bã thải sau chế biến là một vấn đề hết sức bức xúc về mặt môi trường Tuy là bã của quá trình chế biến tinh bột khoai mì nhưng tỉ lệ tinh bột còn lại trong bã khá cao, cao hơn nhiều so với những thành phần khác N ó sẽ gây ra một vấn đề về môi trường khi được thải bỏ trực tiếp ra bên ngoài Hiện tại cũng đã có một vài giải pháp để xử

lý, tận dụng loại chất thải này

2 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Một phương pháp truyền thống lâu đời là dùng làm thức ăn cho gia súc

N hưng sau khi lấy bột thì phần bã còn lại có thành phần dinh dưỡng rất nghèo Vì vậy dù bã đã được tận dụng làm thức ăn cho gia súc nhưng chất lượng và hiệu quả kinh tế không cao

Một ứng dụng khác của việc tận dụng bã khoai mì sau chế biến thành tinh bột là làm nguyên liệu cho quá trình lên men vi sinh vật để tăng hàm lượng dinh dưỡng làm thức ăn chăn nuôi Tuy thế, vẫn chưa tận dụng và xử lý thật sự hợp lý và triệt để Đây cũng là một hướng nghiên cứu còn mới mẻ tại Việt N am nên nhìn chung mọi người chưa nhìn thấy được rõ ràng những lợi ích của nó Một phần làm cho phương pháp này chưa được ứng dụng rộng rãi bởi cơ chế thực hiện quá trình không hề đơn giản, bởi vì các phương pháp và công nghệ hiện hữu chưa đảm bảo giải quyết triệt để nguồn bã thải khổng lồ mà các nhà máy sản xuất tinh bột khoai

mì tạo ra

Trang 18

Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu quá trình phân hủy kỵ khí của bã khoai

mì để thu nhận khí sinh học (biogas) có khả năng thể hiện được tính khả thi và cần thiết Áp dụng biện pháp phân hủy kỵ khí một chất thải giàu cơ chất như bã khoai

mì để thu khí sinh học (biogas) như một nguồn năng lượng sạch phục vụ các hoạt động trong đời sống con người là một định hướng nghiên cứu, ứng dụng đáng quan tâm Thật vậy, với một chất thải giàu cơ chất như bã khoai mì, cộng thêm trong thành phần của nó có những cấu trúc phức tạp, khó phân hủy như cellulose thì việc

áp dụng biện pháp phân hủy sinh học kỵ khí là hoàn toàn có thể và mang tính khả thi cao Với đặc thù của thành phần bã khoai mì sẽ hứa hẹn một kết quả khả quan về sản lượng khí sinh học thu được Việc làm này mang một ý nghĩa thiết thực trong hoàn cảnh các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng khan hiếm trên thế giới và áp lực về năng lượng ngày càng đè nặng lên con người

Xuất phát từ những nghiên cứu và tình hình thực tiễn được phân tích trên đây, việc thực hiện đề tài: “N ghiên cứu quá trình phân hủy kỵ khí bã khoai mì và khả năng ứng dụng” là hết sức cần thiết và đáng được quan tâm

Dùng nguồn vi sinh vật kỵ khí (bùn từ bể phân hủy kỵ khí UASB của xí nghiệp chăn nuôi lợn giống) để lên men bã khoai mì Trong các mô hình tự tạo sẽ tiến hành ủ một loạt các mẫu với điều kiện khác nhau để khảo sát những yếu tố ảnh hưởng đến kết quả của quá trình Các yếu tố như tỉ lệ men giống/cơ chất, chế độ rung lắc khuấy trộn, pH sẽ được khảo sát Từ những khảo sát cơ bản ban đầu lựa chọn ra những điều kiện tối ưu thích hợp cho quá trình phân hủy để tiến hành ủ mẫu trong mô hình pilot mô phỏng một bể phân hủy kỵ khí và khảo sát sự ảnh hưởng của tất cả các điều kiện đến kết quả phân hủy cơ chất và thể tích khí sinh học thu được

3 Ý nghĩa khoa học, kinh tế - xã hội

Quả thật, việc nghiên cứu quá trình phân hủy kỵ khí bã khoai mì trong bối cảnh hiện trạng kinh tế - xã hội hiện nay sẽ mang lại rất nhiều những lợi ích mang ý nghĩa thiết thực N ghiên cứu này sẽ là tiền đề, là cơ sở cho những nghiên cứu hoặc ứng dụng tiếp theo sau này Một khi những kết quả nghiên cứu được đúc kết thành một cơ sở để thực hiện và ứng dụng rộng rãi thì sẽ thu được rất nhiều lợi ích về mặt kinh tế xã hội trong hoàn cảnh sự ô nhiễm của bã thải ngành công nghiệp chế biến tinh bột đã trở thành một mối lo chung của cộng đồng Lượng khí sinh học thu được

có một giá trị rất lớn khi sản lượng thu được cao hơn so với một số cơ chất truyền thống lâu nay Điều này mang một ý nghĩa thực tiễn khi áp lực về những nguồn năng lượng hóa thạch phục vụ cho các hoạt động của con người ngày càng hạn hẹp

và sự ô nhiễm nguồn không khí xung quanh sau quá trình sử dụng các nguồn năng lượng này đã gây nên những bức bách mà con người phải đối mặt

Trang 19

Khoai mì được biết đến dưới nhiều tên Cây khoai mì – khoai mì – (Manihot

esculenta Crantz), tiếng Anh là cassava hay cịn gọi là tapioca hoặc manioc, là một

trong những loại hoa màu cĩ hàm lượng tinh bột trong củ tương đối cao (62 – 65% chất khơ) Khoai mì là cây lương thực được xếp hàng thứ sáu trên thế giới và là một trong mười lăm cây trồng chiếm diện tích sản xuất nơng nghiệp của lồi người nĩ được trồng dễ dàng, cĩ năng suất lớn và ít bị ảnh hưởng bởi bệnh tật và cơn trùng nên các vùng trồng khoai mì ngày càng nhiều N ĩ được trồng ở nhiều nước cĩ khí hậu nhiệt đới như: Braxin, Campuchia, Thái Lan, Indonesia, Malaysia, Philippine

và Việt N am Là một trong những cây lương thực cĩ vị trí hàng đầu của các nước

cĩ khí hậu nhiệt đới Nm

Cây khoai mì là một lồi cây sinh trưởng lâu năm, cĩ chiều cao từ 1 đến 5m, thân cĩ ba lõi đơn hoặc phân nhánh [2] Lá cĩ các thùy sâu, dạng chân vịt Củ khoai

mì nở to do các tế bào tinh bột đọng lại tạo thành Mỗi cây thường cĩ khoảng từ 5 đến 10 củ phát triển tỏa trịn xung quanh gốc cây Củ cĩ dạng trụ hoặc thuơn dài, vuốt 2 đầu, độ dài thơng thường từ 0,1÷1m, đường kính từ 2÷10cm tùy thuộc đặc tính đất và điều kiện trồng

Cùi (xơ) Phần thịt củ Lớp vỏ cùi Lớp vỏ gỗ

Hình 1.1 Cấu tạo mặt cắt ngang củ khoai mì

Trang 20

Vỏ củ gồm những tế bào xếp sít, thành phần chủ yếu là cellulose và hemicellulose, không có tinh bột, vỏ gỗ mỏng

Vỏ cùi dày hơn vỏ gỗ, cấu tạo gồm các lớp tế bào thành dày, thành tế bào chủ yếu là cellulose, bên trong tế bào là các hạt tinh bột, các chất chứa nitrogen và dịch bào Trong dịch bào có tanin, sắc tố, độc tố, các enzym… Vì vỏ cùi chứa nhiều tinh bột nên nếu tách bỏ sẽ tổn thất một lượng bột đáng kể, do đó các công nghệ sản xuất tinh bột thường giữ lại lớp vỏ này Tuy nhiên các dịch bào trong lớp

vỏ này lại có thể làm ảnh hưởng đến màu sắc của tinh bột

Thịt là thành phần chủ yếu trong củ khoai mì, phần thịt này bao gồm các tế bào nhu mô thành mỏng là chính, thành phần chủ yếu của phần cấu tạo này là cellulose, pentosan Bên trong tế bào là các hạt tinh bột, nguyên sinh chất, glucide hòa tan và nhiều nguyên tố vi lượng khác N hững tế bào xơ bên ngoài thịt củ chứa nhiều tinh bột, càng vào sâu phía trong hàm lượng tinh bột càng giảm dần N goài các tế bào nhu mô còn có các tế bào thành cứng không chứa tinh bột, cấu tạo từ cellulose nên cứng như gỗ gọi là xơ

Lõi củ khoai mì ở trung tâm dọc suốt từ cuống đến chuôi củ Ở cuống thì lõi

to nhất rồi nhỏ dần đến chuôi, tỉ lệ khoảng 0,3÷1% trọng lượng toàn củ Thành phần lõi hầu như toàn bộ là cellulose và hemicellulose

1.1.2 Tình hình sản xuất khoai mì trên thế giới và Việt Nam

Khi dùng những phương pháp trồng trọt thông thường, năng suất củ thường

từ 5 đến 12 tấn/hecta Còn khi sử dụng các phương pháp trồng trọt tiên tiến như dùng giống cao sản với các điều kiện chăm sóc tốt hơn năng suất củ có thể đạt từ 40 đến 60 tấn/hecta

Đối với nhiều người dân ở vùng nhiệt đới, cây khoai mì là một sản phNm chủ đạo bật nhất nhì Sản lượng khoai mì hằng năm trên thế giới khoảng 175 triệu tấn với diện tích canh tác khoảng 15,76 triệu hecta (theo CIAI năm 1991) và được phân

bố trên 80 quốc gia Ở các nước nhiệt đới, hầu hết khoai mì sản xuất ra đều được sử dụng làm thực phNm cho người (theo FAO từ năm 1975 đến 1980 là 65% tổng sản lượng), và một số dùng làm thức ăn gia súc hoặc dùng trong công nghiệp Hằng năm Châu Âu phải nhập từ Châu Á khoảng 5 triệu tấn khoai mì khô để làm thức ăn cho gia súc

Ở Việt N am khoai mì được trồng từ Bắc xuống N am và được trồng nhiều ở miền trung du và miền núi Các vùng trồng nhiều khoai mì ở phía N am là Tây N inh

và Bình Phước Khoai mì là cây lương thực thuộc loại củ có vị trí quan trọng trong

cơ cấu phát triển cây lương thực, có giá trị cao của cả nước và có sản lượng đứng hàng thứ hai sau lúa N goài ra khoai mì còn là nguyên liệu cho chế biến nông nghiệp, công nghiệp và xuất khNu Sản phNm tinh bột của cây khoai mì có mục đích ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực phục vụ cho cuộc sống con người như lên men bột ngọt, enzim, làm vật liệu sinh học tự hủy đáp ứng nhu cầu và là nguồn lực cho sự phát triển của xã hội đất trồng khoai mì hằng năm ở nước ta dao động vào khoảng trên dưới 300.000 hecta, sản lượng khoảng 2,5÷2,9 triệu tấn củ tươi, chiếm khoảng 25% diện tích Tuy nhiên khoai mì dùng cho chăn nuôi không

Trang 21

mang lại lợi ích kinh tế do hàm lượng protein quá thấp (0,8% trong củ tươi) vì thế

người dân vẫn thường chủ yếu dùng củ khoai mì để chế biến thành tinh bột hoặc các

sản phNm khác Theo kết quả điều tra về sử dụng khoai mì ở nước ta cho thấy:

- Dùng cho công nghiệp 15÷20% sản lượng

- Dùng làm lương thực cho người khoảng 10÷15%

- Thức ăn gia súc khoảng 32%

- Dùng làm xuất khNu 40÷50 ngàn tấn hằng năm

Bảng 1.1 Sản lượng khoai mì củ tươi năm 2001 trên thế giới (nguồn FAO 2001)

N igeria 33,854,000 Brazil 24,481,356

Congo 15,959,000 Indonesia 15,800,000 Ghana 7,845,440 Tanzania 5,757,968

Ấn Độ 5,800,000 Mozambique 5,361,974 Trung Quốc 375,900

Tổng cộng 172,242,389

Trang 22

Bảng 1.2 Hiện trạng và tiềm năng sử dụng, chế biến khoai mì tại một số nước châu Á

Quốc gia Hiện trang sử dụng khoai mì (theo mức độ từ ít đến nhiều) Tiềm năng chế biến và sử dụng các sản phẩm khoai mì

Thái Lan - Thức ăn gia súc

- Tinh bột và tinh bột biến tính (nội địa và xuất khNu)

- Tinh bột biến tính

- Thức ăn gia súc

- Bột ngọt, lysine Indonesia - Lương thực

- Tinh bột (nội địa và xuất khNu)

Quốc - Tinh bột sử dụng nội địa - Thức ăn gia súc - Tinh bột, bột ngọt - Tinh bột biến tính

- Thức ăn gia súc Việt N am - Thức ăn gia súc

- Tinh bột (nội địa và xuất khNu)

- Lương thực

- Tinh bột, bột ngọt

- Thức ăn gia súc

- Tinh bột biến tính

1.1.3 Công nghệ sản xuất tinh bột khoai mì [2]

N hư ta đã biết củ khoai mì chứa đến 30% là tinh bột và có rất ít protein, carbonhydrate hòa tan và các chất béo Do đó việc tách tinh bột từ khoai mì là một quy trình tương đối đơn giản, dễ làm và không có nhiều rắc rối như sản xuất tinh bột ngô hay các dạng tinh bột ngũ cốc khác Có rất nhiều hình thức, quy mô và quy trình sản xuất tinh bột mì từ hộ gia đình cho đến những hình thái sản xuất công nghiệp, quy mô lớn

Củ khoai mì từ lúc được thu hoạch, ngay từ khi ngắt củ và diễn tiến suốt quá trình chế biến luôn song hành với sự biến đổi bên trong Thường thì từ lúc thu hoạch đến lúc chế biến tinh bột khoai mì không hơn 24 giờ Đây là yếu tố quan trọng bật nhất để sản xuất được tinh bột khoai mì chất lượng cao Có thể tóm tắt quá trình sản xuất tinh bột khoai mì theo các giai đoạn cơ bản sau đây

- Rửa và gọt vỏ củ (có thể không gọt) để loại bỏ đất dính vào củ và lớp biểu

bì bảo vệ

- N ạo hoặc nghiền để phá vỡ cấu trúc tế bào, làm vỡ thành tế bào nhằm giải phóng tinh bột thành các hạt riêng biệt và không bị hư hại khỏi các thành phần không tan khác

- Sàng hoặc trích ly để phân tách phần bột nhão đã được nghiền nhỏ thành hai thành phần – phần bã bỏ đi và phần sữa tinh bột

Trang 23

- Tinh sạch và loại bỏ nước để tách các hạt tinh bột rắn khỏi huyền phù của chúng trong nước nhờ lắng đọng hoặc ly tâm

- Sấy khô để loại bỏ Nm từ bánh tinh bột Nm thu được trong iai đoạn phân tách nhằm giảm độ Nm từ 34÷35% xuống 12÷14%

- Giai đoạn kết thúc gồm tán bột, sàng và đóng vào bao

Thông thường việc sản xuất tinh bột được thực hiện dưới các hình thức sau:

- Dạng sản xuất ở các hộ gia đình Công việc được thực hiện hoàn toàn bằng các dụng cụ thủ công thô sơ Mỗi hộ gia đình có thể sản xuất được 50÷60 kg tinh bột thô/một người trong một ngày

- Dạng sản xuất ở các cơ sở sản xuất nhỏ với công suất từ 50÷60 tấn củ mỗi ngày Công suất nạo đạt hiệu quả cao hơn nhờ sử dụng các động cơ cấp khoảng 20

HP, sử dụng lao động có kỹ năng cao hơn một chút so với sản xuất ở quy mô gia đình

- Dạng sản xuất tinh bột ở các nhà máy có công suất lớn với các thiết bị hiện đại, tự đảm bảo được nguồn cung cấp nguyên liệu ổn định nhờ có các đồn điền riêng của mình Dạng này có thể chế biến được khoảng trên 100 tấn củ mỗi ngày Sau đây là một quy trình công nghệ sản xuất tinh bột khoai mì tiêu biểu đang được sử dụng tại một số đơn vị ở Thái Lan và Việt N am Với dây chuyền công nghệ này, nhà máy sẽ sản xuất được công suất từ 250 đến 300 tấn củ tươi mỗi ngày (hình 1.2)

N hìn chung, quá trình tách tinh bột khỏi củ khoai mì cần một lượng nước lớn nên tạo ra một lượng nước thải rất lớn Phần lớn các nhà máy sản xuất tinh bột khoai mì nằm gần sông hồ nên dễ trở thành nơi để các nhà máy xả nước thải vào Đây chính là một vấn đề về mặt môi trường mà việc sản xuất tinh bột khoai mì kéo theo

Một yếu tố khác không thể bỏ qua là việc hình thành nên một lượng rất lớn

bã thải rắn (pulp) Đây chính là một mối nguy cơ đe dọa môi trường và chất lượng sống của dân cư quanh vùng Vấn đề gây ô nhiễm này đã và đang được nghiên cứu giải quyết ở các nước sản xuât tinh bột khoai mì lớn trên thế giới như Thái Lan, Ấn Độ…

Trang 24

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát quy trình công nghệ sản xuất tinh bột khoai mì

Trang 25

1.2 Thành phần hóa học của củ khoai mì

Thành phần cấu tạo các chất trong củ khoai mì dao động khá lớn tùy thuộc

loại giống, đặc tính đất, điều kiện phát triển của cây và thời điểm thu hoạch [8]

Thành phần trung bình của củ khoai mì được trình bày trong bảng sau

Bảng 1.3 Thành phần cấu tạo củ khoai mì

Thành phần Tỉ lệ (% trọng lượng)

N ước 70,25 Tinh bột 21,45 Chất đạm 1,12

Chất xơ 1,11 Đường 5,13

Nguồn: Đoàn Dự và cộng sự (1983)

Theo Keliku (1970) thì thành phần chủ yếu của khoai mì (theo trọng lượng

khô) gồm:

Hydratcarbon chiếm 88 – 91% trọng lượng củ khô Trong đó: tinh bột chiếm

84 – 87%, đường tổng số chiếm 4% (saccarose 71%, glucose 13%, maltose 3%)

N goài carbonhydrat, củ khoai mì chứa một số chất khác với hàm lượng thấp

như: đạm, chất béo, một số chất khoáng chủ yếu: P, K, Ca, Mg…, một số vitamin

như: C, B1, B2…

N goài những thành phần có giá trị dinh dưỡng, trong củ khoai mì còn chứa

độc tố, tanin, sắc tố và cả hệ enzym phức tạp N gười ta cho rằng trong số các enzym

thì polyphenoloxydaza xúc tác quá trình ôxi hóa polyphenol thành orthoquinol sau

đó trùng hợp với các chất không có gốc phenol như acid amin tạo thành chất có

màu N hững chất này gây khó khăn cho chế biến và nếu quy trình công nghệ không

thích hợp sẽ cho sản phNm kém chất lượng

Bên cạnh đó, trong cấu tạo củ khoai mì còn có độc tố là CN N hưng khi củ

chưa đào nhóm này nằm ở dạng glucozite gọi là phaseolutanin (C10H17N O6) Dưới

tác dụng của enzym hay ở môi trường acid, chất này bị phân hủy tạo thành glucose,

acetone và acid cyanhydric N hư vậy, khi đào củ khoai mì rồi mới xuất hiện HCN

tự do vì chỉ sau khi đào các enzym trong củ mới bắt đầu hoạt động mạnh và đặc biệt

xuất hiện nhiều trong khi chế biến và sau khi ăn vì trong dạ dày người hay gia súc là

môi trường acid và dịch trong chế biến cũng là môi trường acid Phaseolutanin tập

trung chủ yếu ở lớp vỏ cùi, dễ tách trong quá trình chế biến, hòa tan tốt trong nước

Trang 26

N hư vậy khoai mì không phải là loại lương thực có nhiều chất dinh dưỡng Tuy nhiên khoai mì cho năng suất cao, tính theo sản lượng tinh bột cũng như calo/đơn vị diện tích N ó có hiệu quả cao cho việc sản xuất các sản phNm phục vụ cho công nghiệp (chủ yếu là tinh bột)

Chất lượng và năng suất thu hồi tinh bột không những phụ thuộc vào quy trình công nghệ mà còn phụ thuộc vào chất lượng nguyên liệu Hiện nay, chưa có những tiêu chuNn của nhà nước hay công nghiệp về chất lượng khoai mì làm nguyên sản xuất tinh bột Tuy nhiên, ở từng nhà máy, cơ sở sản xuất đều có những quy định về chỉ số chất lượng nguyên liệul các chỉ số (tính trung bình %) trong khoảng sau (đây là số liệu về các tiêu chuNn nhập nguyên liệu của các nhà máy chế biến tinh bột khoai mì Tân Châu – Tây N inh và Vedan – Bình Phước):

- Hàm lượng tinh bột không dưới 14% trọng lượng

- Củ nhỏ (dài < 10cm, đường kính củ chỗ lớn nhất <1,5cm) chiếm không quá 4% tổng trọng lượng

- Củ vụn và dập nát không quá 3%

- Không có củ thối

- Tạp chất khoáng và hữu cơ không quá 2%

1.3 Quá trình sinh học kỵ khí

1.3.1 Khái quát quá trình và xu hướng ứng dụng hiện nay

Một cách ngắn gọn thì quá trình phân hủy kỵ khí (anaerobic digestion) là quá trình phân hủy sinh học xảy ra khi vắng mặt ôxi Quá trình phân hủy kỵ khí là một trong những ứng dụng kỹ thuật cổ xưa nhất Khí sinh học đã được sử dụng từ thế kỷ thứ 10 trước công nguyên để đun nóng nước tắm Và cho đến đầu thế kỷ thứ 17 thì quá trình mới bắt đầu được nghiên cứu một cách khoa học N ăm 1776, Count Alessandro Volta đã khẳng định có mối liên hệ giữa lượng chất hữu cơ phân hủy và ượng khí chất được tạo thành Sau đó, năm 1808, Sir Humphry Davy đã chứng minh được sự tạo thành khí Metan qua quá trình phân hủy kỵ khí phân gia súc[25]

Do những lý do khách quan khác nhau mà sau đó kỹ thuật phân hủy kỵ khí tạo khí sinh học không được quan tâm và ứng dụng rộng rãi mặc dù theo quá trình phát triển của ngành công nghệ sinh học, những hiểu biết về quá trình phân hủy kỵ khí ngày càng được đầy đủ hơn Giá than đá rẻ, trữ lượng dầu mỏ lớn, giá điện rẽ và

sự phát triển mạnh mẽ của các ứng dụng công nghệ phân hủy hiếu khí là những lý

do làm cho nguồn năng lượng sinh học của quá trình lên men kỵ khí trở thành không đáng quan tâm Trong khi đó thì các ứng dụng của quá trình phân hủy kỵ khí chỉ là những ứng dụng với quy mô nhỏ lẻ với các hệ thống lên men kỵ khí được xây dựng ở Trung Quốc và Ấn Độ chủ yếu để tận dụng nguồn năng lượng phụ để phục

vụ những sinh hoạt trong gia đình

Trang 27

Trải qua hai cuộc khủng hoảng năng lượng năm 1973 và 1979, sự quan tâm đến kỹ thuật phân hủy kỵ khí thu năng lượng sinh học đã được nâng cao lên rất nhiều Tuy vẫn có những thất bại do sự hiểu biết về quá trình vẫn còn hạn chế, nhưng đó lại là những động lực thúc đNy sự nghiên cứu sâu hơn về quá trình Cùng với thời gian, kỹ thuật phân hủy kỵ khí không những chỉ được nghiên cứu sâu hơn

mà theo đó những ứng dụng của quá trình cũng được nhân rộng trong nhiều lĩnh vực chứ không còn bó hẹp trong phạm vi chỉ sử dụng để xử lý chất thải nông nghiệp hay chăn nuôi [27]

Kỹ thuật phân hủy kỵ khí ngày càng được lựa chọn nhiều hơn như là một giải pháp tối ưu có thể khi áp lực về giá dầu thế giới ngày càng tăng Bên cạnh đó là những đòi hỏi khắc khe của những quy định về phương diện môi trường đã góp phần thúc đNy sự nghiên cứu và ứng dụng của phương pháp phân hủy tốn rất ít năng lượng này

Ở Việt N am, việc ứng dụng biện pháp phân hủy kỵ khí sản xuất khí sinh học

đã được áp dụng từ hơn 20 năm trước để thắp sang do thiếu điện ở một số khu vực nông thôn Một loạt các hầm ủ sinh học bằng vật liệu xi măng với những thiết kế khác nhau đã được thử nghiệm ở các vùng nông thôn Việt N am Tuy nhiên giá thành của những hầm ủ bằng xi măng này khá cao so với thu nhập của những người dân vùng nông thôn nên phần nào cũng hạn chế sự ứng dụng của biện pháp này một cách rộng khắp N gày nay, với sự ra đời của những loại túi bằng vật liệu PE đã giảm được phần nào áp lực về chi phí đầu tư và chi chi phí vận hành của hầm ủ nên nhận được nhiều sự ủng hộ của những hộ khó khăn ở nông thôn

1.3.2 Khái quát những điểm nổi bật, ưu nhược điểm của quá trình [1]

1.3.2.1 Những ưu điểm

- Quá trình kỵ khí sử dụng CO2 làm chất nhận điện tử mà không cần ôxi

- Sản sinh ra một lượng bùn ít hơn hẳn so với quá trình hiếu khí Hầu hết năng lượng có được từ sự phá hủy cơ chất đều được tìm thấy trong các sản phNm cuối của quá trình, đó là CH4 N ói về sản lượng tế bào, 50% carbon hữu cơ được chuyển thành sinh khối trong điều kiện kỵ khí, trong khi với quá trình hiếu khí tỉ lệ này chỉ là 5%

- Quá trình kỵ khí sản sinh ra khí có ích là CH4 Khí này chứa trong đó 90% năng lượng với giá trị calori khoảng 9000 kcal/m3, có thể dùng để đốt như một nguồn nhiên liệu sạch Sự tạo thành metan không những có lợi về mặt năng lượng thu được mà còn giảm thiểu BOD trong bùn

- N hu cầu năng lượng cho quá trình được giảm thiểu

- Quá trình xử lý kỵ khí thích hợp cho các loại cơ chất có nồng độ ô nhiễm cao (COD)

- Bể phản ứng kỵ khí có thể hoạt động ở chế độ tải trọng rất cao

Trang 28

- Có thế phân hủy sinh học các hợp chất phức tạp như các hydrocarbon béo

có chlor và một số hợp chất khó phân hủy như lignin

1.3.2.2 Những nhược điểm

- Quá trình kỵ khí diễn ra chậm hơn hiếu khí

- N hạy cảm hơn trong việc phân hủy các chất độc

- Quá trình khởi động cần nhiều thời gian hơn

- Xem xét khía cạnh phân hủy sinh học thì quá trình kỵ khí đòi hỏi nồng độ

cơ chất ban đầu tương đối cao

1.3.3 Cơ chế hóa sinh học – vi sinh học của quá trình phân hủy kỵ khí

Quá trình phân hủy sinh học kỵ khí là quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu

cơ trong điều kiện không có ôxi với sự tham gia của các vi sinh vật kỵ khí Khi không có sự tham gia của ôxi phân tử, các chất hữu cơ có khả năng bị ôxi hóa trong trường hợp khi có mặt một chất khác nhận hydro Các glucid, acid hữu cơ, chất béo, protein, acid amin và một số chất khác thường bị ôxi hóa trong điều kiện kỵ khí Quá trình phân hủy kỵ khí là một loạt quá trình vi sinh vật phân hủy các hợp chất hữu cơ thành khí metan – CH4 Bản chất vi sinh học của quá trình tạo metan (methanogenesis) đã được khám phá từ thế kỷ trước Trong khi quá trình hiếu khí chỉ liên quan đến một số loài vi sinh vật thì quá trình kỵ khí lại lôi kéo hầu hết các loại vi khuNn Có nhiều loại vi khuNn khác nhau tham gia vào quá trình kỵ khí Phản ứng chung của quá trình như sau (Polprasert, 1989):

Chất hữu cơ Æ CH4 + CO2 + H2 + N H3 + H2S

Có bốn loại vi sinh vật khác nhau tham gia vào quá trình chuyển hóa hỗn hợp chất hữu cơ phức tạp thành CH4 và CO2 Chúng hoạt động theo mối quan hệ synergy (Archer và Kirsop, 1991; Barner và Fitzgeral, 1987; Sahm, 1984; Sterritt và Lester, 1988; Zeikus, 1980)

Mỗi giai đoạn trong quá trình có liên quan đến một số nhóm vi sinh vật khác nhau, mỗi nhóm gồm nhiều loài khác nhau N goài bản chất của cơ chất cùng với điều kiện tiến hành phân hủy kỵ khí như tỉ lệ vi sinh/cơ chất, pH, tốc độ nạp cơ chất, thời gian lưu…đều có ảnh hưởng đến thành phần và số lượng loài của khu hệ

vi sinh vật Theo kết quả của những nghiên cứu hiện đại gần đây thì một số loại nấm và protozoa cũng đóng góp vào quá trình, nhưng vai trò phân hủy chất hữu cơ

kỵ khí chủ yếu thuộc về các vi sinh vật nhân nguyên thủy (Procaryotes) bao gồm vi khuNn (Bacteria) và vi sinh vật cổ điển (Archaea)

1- N hóm vi khuNn thủy phân (hydrolytic bacteria)

N hóm này phân hủy các phân tử hữu cơ phức tạp (protein, cellulose, lignin, lipids…) thành những đơn phân tử hòa tan như acid amin, glucose, acid béo, và glyserol N hững đơn phân tử này sẽ được nhóm vi khuNn thứ hai trực tiếp sử dụng

Trang 29

ngay Quá trình thủy phân được xúc tác bởi các enzym ngoại bào như cellulase, protease, và lipase Tuy nhiên quá trình thủy phân xảy ra tương đối chậm và có thể giới hạn khả năng phân hủy kỵ khí của một số chất thải nguồn gốc cellulose, có chứa lignin Trong giai đoạn này các chất hữu cơ phức tạp được thủy phân nhờ sự tham gia của các enzyme ngoại bào của các vi khuNn thủy phân (cũng là vi khuNn lên men)

Tham gia vào giai đoạn này chủ yếu là các vi khuNn kỵ khí bắt buộc xen lẫn các vi khuNn kỵ khí tùy tiện Vi khuNn thủy phân thường có hình que, nhuộm Gram dương hoặc Gram âm Bản chất của cơ chất rất quyết định đến chủng loại các loại

vi khuNn này Đối với các cơ chất dễ phân hủy như hydratcarbon thì các loài

Streptococus bovis, Bateriodes amylophilus, Selenomonas ruminatium, Succinomonas amylolytica chiếm ưu thế

Cho đến nay đã có nhiều nghiên cứu và cơ sở lý thuyết đưa ra được pH tối

ưu cho giai đoạn thủy phân là pH duy trì ở ngưỡng trung tính (chúng có thể tồn tại trong khoảng pH từ 5÷8 và phát triển tối ưu ở khoảng pH 6,5÷7,5) Điều này có thể được lý giải do sản phNm của giai đoạn thủy phân (đa phần là các acid khó hòa tan)

sẽ chính là yếu tố gây ức chế cho vi sinh của các giai đoạn sau (acid hóa, acetat hóa

và metan hóa)

2- N hóm vi khuNn lên men acid (Fermentative acidogenic bacteria)

N hóm này sẽ chuyển hóa đường, acid amin, acid béo để tạo thành acid hữu

cơ như acetic, propionic, formic, lactic, butyric, succinic; các alcol và kentons như ethanol, methanol, glycerol, aceton; acetat, CO2 và H2 Acetat là sản phNm chính của quá trình lên men carbonhydrat Các sản phNm được tạo thành rất khác nhau tùy theo loại vi khuNn và các điều kiện nuôi cấy (nhiệt độ, pH, thế ôxi hóa khử) Giai đoạn này bắt đầu bằng sự vận chuyển cơ chất qua màng tế bào xuyên qua thành đến màng trong rồi vào tế bào chất với sự tham gia của các protein vận chuyển Giai đoạn này còn có tên là giai đoạn lên men

* Sự lên men đường

Phần lớn các cơ thể sống (động vật, nấm men, vi khuNn) có thể sử dụng đường nói chung và đặc biệt là glucose làm nguồn năng lượng

Giai đoạn đầu của sự phân hủy glucose không có sự tham gia của ôxi phân

tử Hai phần tử acid photphoric tách từ phân tử ATP lần lượt kết hợp với glucose Khi đó ATP chuyển thành ADP N hư vậy, giai đoạn đầu xảy ra cùng sự sử dụng năng lượng Quá trình này còn gọi là sự kích hoạt glucose để tạo thành glucose-6-photphat Sau đó thành fructose-6-photphat và fructose-1,6-diphotphat

Trang 30

O-PO 3 2 H -O

PO 3 2

H

H H

H OH

OH

H2PO O H

OH OH

H H OH

H

OH

H

O-ADP ATP

H

H H O

Photphoglicerin aldehyt liên kết với ôxi của nước và sau khi đi qua một loạt các sản phNm trung gian để thành aci photphoglicerin

Phân tử hydro của nước liên kết với N AD thành dạng khử N AD.H2 và năng lượng tạo ra trong quá trình ôxi hóa được tích tụ lại và tạo ra hai phân tử ATP Tiếp sau đó, acid photpho gliceric chuyển gốc photphat cho ADP và qua một vài giai đoạn trung gian tạo thành acid piruvic

Dhydroxyaceton

O

H2 3

OH

H23 PO O-

OH

HO O O OH

O

Aldolase

Hình 1.4 Sự chia nhỏ fructose-1,6 diphosphat bằng men aldolase

Tóm lại toàn bộ hiệu quả năng lượng cuủ việc chuyển hóa glucose thành hai phân tử acid piruvic là tạo ra được hai phân tử ATP Trong số các sản phNm phân hủy glucose luôn có acid piruvic và sự chuyển hóa tiếp theo phụ thuộc vào enzim của cơ thể Ở vi khuNn lên men sữa, có enzim đồng thể, chất nhận hydro cuối cùng

Trang 31

từ N AD.H là acid piruvic bị khử thành acid lactic N ấm men có enzim dị thể có khả năng khử CO2 từ acid piruvic thành aldehyt acetic

Dưới đây là sơ đồ tổng quát sự chuyển hóa glucose trong quá trình lên men

O

-A D P

A T P O

O H H H

O H

H O

P O 3 H

G lu co se

Hình 1.5 Sự lên men glucose bằng vi khuNn Heterofermentative

* Sự lên men butyric

Điển hình của quá trình ôxi hóa kỵ khí các hydratcarbon là sự lên men

butyric, quá trình được thực hiện bởi nhóm vi khuNn kỵ khí: nhóm Closetridium, điển hình là các vi khuNn Clostridium Butyricum Clostridium là loại vi khuNn hình

que rất năng động nhờ có các tiêm mao mọc quanh cơ thể, chúng không đòi hỏi nhiều về điều kiện môi trường và có khả năng sử dụng các chất khác nhau Chúng phân bố rộng trong thiên nhiên Trong số các vi khuNn lên men butyric có một số loài có khả năng không cần tới các hợp chất chứa nitơ và chúng có thể tự lấy nitơ

phân tử tự do, đó là loài Clostridium Pasteurianium

Trong quá trình lên men các chất khác nhau, vi khuNn butyric hấp thu năng lượng và ôxi hóa đường mono thành acid piruvic và sự chuyển hóa tiep1 theo của acid piruvic bởi vi khuNn lên men butyric được minh họa như sau

Trang 32

Pyruvat Phosphoenolpyruvic acid

2-Phosphoglyceric acid

3-Phosphoglyceric acid D-Glyceradehyde 3-photphat

ADP

ATP

O

HO O

3 2

H PO -O

O HO HO

O

HO

H PO -O 2 3

H 2 3

PO

HO O

O HO

ATP

ADP

H 2 3

PO O O

O HO

PO 3 H 2

NADH NAD +

Hình 1.6 Sự lên men piruvic

Quá trình chuyển hóa acid piruvic có vai trò rất quan trọng của men phụ (coenzim) Trong các sản phNm của quá trình lên men butyric có các sản phNm đáng chú ý là: acid acetic, acid butyric, rượu entanol, rượu butanol, khí H2 và CO2

* Sự lên men aceton – butanol

Khác với quá trình lên men butyric, quá trình lên men aceton – butanol có các sản phNm trung gian là etanol và aceton Tác nhân gây ra quá trình lên men này

là vi khuNn Clostridium Acetobytilicum Chúng có thể lên men tinh bột để tạo thành

acid butyric, acid acetic, butanol, aceton, khí H2 và CO2 Đó là cơ sở của hai ngành công nghiệp quan trọng lên men nhằm sản xuất hai dung môi quan trọng là aceton

và butanol Môi trường nước thải công nghiệp giàu tinh bột tạo điều kiện thuận lợi cho lên men aceton – butanol Tổng quát ta có sơ đồ chuyển sản phNm trên thành acid piruvic

Trang 33

H + CO 2 2

2 2

Acetyl CoA + HCOOH

Vi khuẩn đường ruột Axit oxaloaxetic

Axit xucxinic

Acetyl CoA +

Axit butiric Butanol Axit propionic

H + CO Axit axetic

Etanol Axetaldehit

Axit lactic Axit piruvic

Hình 1.7 Quá trình lên men Aceton – butanol

Sau sự hình thành pyruvate, ethanol được hình thành bởi hai phản ứng đơn giản: CO2 bị loại bỏ khỏi pyruvate để tạo thành acetylaldehyde, sau đĩ acetylaldehyde bị khử bởi N ADH

Acetylaldehyde

O HO

O

Pyruvat

Hình 1.8 Quá trình hình thành Ethanol

* Lên men cenllulose

Trong tất cả các polysacarid, cenllulose là phổ biến nhiều hơn cả Sự lên men

kỵ khí cenllulose được thực hiện bởi vi khuNn cĩ tên là Clostridium omelianski Vi

khuNn kỵ kí phân hủy cenllulose cĩ thể gặp ở khắp nơi trong nguồn đất, nước, bùn

và đặc biệt phát triển nhiều ở bể metan nơi xảy ra quá trình lên men kỵ khí cặn tuơi bùn hoạt tính dư Chúng lại rất dễ sống cộng sinh với các vi sinh vật khác, kể cả vin sinh vât hiếu khí Các vi sinh vật cộng sinh này sử dụng monosacarid và acid hữu

cơ tạo thành từ quá trình phân hủy cenllulose và chúng bảo vệ các vi khuNn kỵ khí

Trang 34

khỏi tác động của ôxi và đồng thời cung cấp vitamin, acid amin cần thiết cho quá trình phân hủy cenllulose Cơ chế hóa học của quá trình lên men cenllulose tương tự như lên men butyric và sản phNm cuối cùng cũng là acid acetic, acid lactic, etanol, H2 và CO2

* Lên men hemicenllulose

Hemicenllulose chiếm hàng thứ hai trong các polisacarid và 30% trong chất

gỗ Chúng cấu tạo từ pentoz (thành phần cơ bản), ksiloz, arrabinoz, ngoài ra còn có

cả henxoz Chúng bị phân hủy theo kiểu butyric nhờ các Clostridium có chứa men

ngoại bào ksilonaza N goài ra, loại men phân hủy hemicenllulose còn có mặt ở rất nhiều loại vi sinh vật khác Dưới tác dụng của men này, hemicenllulose bị thủy phân thành ksiloz, ksilobioz và phần gốc của phân tử hemicenllulose

* Lên men pectin

Các tế bào thực vật được liên kết với nhau bởi một số chất đặc biết lấp đầy không gian giữa các tế bào gọi là pectin Do đó pectin tạo sự bền vững cho các mô thực vật Pectin là polisacarid phức tạp, khi thủy phân tạo ra acid galacturonic, galactoz, arabinoz, ksiloz và một số liên kết Các chất này có thê lên men butyric

nhờ vi khuNn có enzim đặc biệt là pectinaza tiêu biểu là Clostridium pectinovorum

và Clostridium telsineum Kết quả của sự lên men pectin là tạo thành acid butyric,

acid acetic, H2 và CO2 và một lượng cồn không lớn lắm Vi khuNn lên men butyric

có thể gặp trong các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học cho dù ôxi cản trở hoạt động sống của chúng Chúng tồn tại trong aeroten (bên trong bùn hoạt tính), biophin (bên trong màn vi sinh vật) ở những nơi mà có điện thế ôxi hóa khử Sự tăng quá mức của vi khuNn so với mức tế bào (104÷105 vi khuNn/gam chất không tro của bùn) có thể làm cho biophin bị tắt nghẽn hoặc làm cho aeroten có những vùng bị trì trệ hoạt động

* Lên men lactic

Đường được lên men không chỉ do lên men butyric mà còn có thể do sự lên men lactic do vi khuNn lên men lactic thực hiện Sự lên men lactic có một ý nghĩa quan trọng vì nó tạo nên lactic từ đường và sữa Vi khuNn lên men lactic là vi khuNn kỵ khí tùy tiện Chúng không cần ôxi những cũng không thể chịu sự ức chế của ôxi Quá trình lên men lactic có hai loại Lên men đồng thể (do vi khuNn

Streptococcus lactic, Streptococcus cremoris và Lactobacillus) và lên men dị thể

(Streptococcus citrovorus, Streptococcus paraccitrovorus, Streptococcus

diacetilactic, Leuconostic) Sự phát triển mạnh mẽ của Leuconostic đôi khi ảnh

hưởng và ngăn cản việc lắng bùn hoạt tính ở bể lắng đợt hai và cũng có thể tạo thành các chất có thành phần phức tạp trong xử lý nước thải

Trang 35

NADH NAD +

D-Glyceradehyde

3-phosphate

Glycolysis

O O HO

-Lactate

O HO

Hình 1.9 Quá trình lên men lactic

3- N hóm vi khuNn acetic (Acetogenic bacteria)

N hóm này gồm các vi khuNn như Syntrophus, Syntrophobacter và

Syntrophomonas Được nghiên cứu nhiều có Syntrophobacter wolinii huyển hóa

các acid béo và alcol thành acetat, hydrogen, và CO2 mà chúng sẽ được vi khuNn metan sử dụng tiếp theo N hóm này đòi hỏi thế hydro thấp để chuyển hóa các acid béo, do đó cần giám sát nồng độ hydro Dưới áp suất riêng phần của hydro khá cao,

sự tạo thành acetat sẽ bị giảm và cơ chất sẽ được chuyển hóa thành acid propionic, butyric và ethanol hơn là metan Điều này đồng nghĩa với việc chúng chể có thể sinh trưởng và phát triển tốt trong môi trường mà ở đó những sản phNm do chúng tạo ra – Hydro – phải luôn luôn được tiêu thụ Do vậy có một mối quan hệ cộng sinh giữa vi khuNn acetogenic và vi khuNn metan Vi khuNn metan sẽ giúp đạt được thế hydro thấp mà vi khuNn acetogenic cần Điều này là thực sự quan trọng

Ethanol, acid propionic và butyric được chuyển hóa thành acid acetic bởi nhóm vi khuNn acetogenic theo phương trình sau:

CH CHOH (ethanol) + CO Æ CH COOH (acid acetic) + 2H

Trang 36

CH3CH2COOH (acid propionic) + 2H2O Æ CH3COOH (acid acetic) + CO2 + 2H2 CH3CH2CH2COOh (acid butyric) + 2H2O Æ 2CH3COOH (acid acetic) + 2H2

4- N hóm vi khuNn metan (Methanogens)

Vi khuNn sinh metan là vi khuNn kỵ khí bắt buộc Chúng chuyển hóa alcol và acid hữu cơ thành CH4 và CO2 và còn có thể sinh ra một số acid hữu cơ chưa ôxi hóa triệt để

Metan có thể được sinh ra do quá trình khử CO2 dưới tác dụng của loài

Metanobacterium M O H Đây là loài vi khuNn sinh metan của một giống hỗn hợp

quá trình lên men metan này rất đơn giản, chất nhường hydro ở đây là hydro phân

tử N hóm vi khuNn metan bao gồm cả gram âm và gram dương với các hình thức rất khác nhau Vi khuNn metan tăng trưởng chậm trong nước thải và thời gian thế hệ của chúng thay đổi từ 3 ngày ở 35oC và lên đến 50 ngày ở 10oC

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O

Một loài vi khuNn khác – loài Metanosarcina barkeri – có khả năng chuyển

hóa CO thành CH4 Sản phNm trung gian của quá trình chuyển hóa này là CO2 và H2

4CO + 2H2O = CH4 + CO2

Vi khuNn sinh metan được chứng minh là loại vi khuNn có khả năng sinh tổng hợp mạnh mẽ vitamin B12 Tùy từng loài vi khuNn mà cơ chất (chất cho hydro) của quá trình lên men không giống nhau

Vi khuNn metan được chia thành 2 nhóm phụ:

Nhóm vi khuẩn metan hydrogenotrophic nghĩa là sử dụng hydrogen hóa tự

dưỡng: chuyển hóa hydro và CO2 thành metan theo phản ứng:

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O

N hóm này duy trì áp suất riêng phần thấp cần thiết để chuyển hóa acid bay hơi và alcol thành acetat

chúng chuyển hóa acetat thành metan và CO2:

CH3COOH Æ CH4 + CO2

Trang 37

Bảng 1.4 N hóm vi khuNn thủy phân chất hữu cơ và tạo acid trong quá trình lên men metan

2 Phân hủy cellulose biến tính Cellulose biến

tính Xylose, arabinose, galactose, mannose,

formate, butyrate, lactate,

H 2 , CO 2 , propiannate acetate, succinate

3 Phân hủy tinh bột

4 Phân hủy protein

- Bucteroides amylophilus

- B Ruminicola Spp

Protein Amino acid, acid hữu cơ,

N H 3 , H 2 S

Trang 38

1 Methanobacterium alcaliphilum We N 4 H 2 , CO 2

2 Meth bryantii M O H H 2 , CO 2 , formate

3 Meth formicicun DSM 863 H 2 , CO 2

4 Meth Thermoautotrophicum H 2 , CO 2

5 Meth uliginosum P 2st H 2 , CO 2

6 Meth wolfei DSM 2970 H 2 , CO 2

7 Meth arboriphilicus DHI H 2 , CO 2

8 Meth ruminantium M1 H 2 , CO 2 , formate

Trang 39

9 Meth smithii PS H 2 , CO 2 , formate

10 Meth methyllutens TMA – 10 Methanol, trimethylamine

11 Methanococcus halophilus IN MI Z 7982 Methanol, trimethylamine

12 Methanococcus fannaschii J A L – 1 H 2 , CO 2

13 Methanococcus maripaludis S S H 2 , CO 2 , formate

14 Methanococcus thermobithotrophicus

15 Methanococcus vanniellii DSM 1224 H 2 , CO 2 , formate

16 Methanococcus folfac PS H 2 , CO 2 , formate

17 Methanococcus aggregans MST H 2 , CO 2 , formate

18 Methanococcus cariaci JRI H 2 , CO 2 , formate

19 Methancoccus thermophilicum H 2 , CO 2 , formate

20 Methanococcus Tindarius Tindari 3 Methanol, trimethylamine

21 Methanococcus mibile BP H 2 , CO 2 , formate

22 Methanococcus paynteri G 2000 H 2 , CO 2 , formate

23 Methanococcus limicola DSM 2279 H 2 , CO 2 , formate

24 Methanosarcia acetivorans C2A H 2 , CO 2 , formate, methanol,

trimethylamine acetate

25 Methanosarcia mazci S 6 Methannol, trimethylamine acetate

Trang 40

26 Methanosarcia thermophila TM – 1 -

27 Methanosphaera stadmanae MCB – 3 Methanol, H 2 , CO 2 , formate

28 Methanosphinilum hungatei JF 1 H 2 , CO 2 , formate

29 Methanosphinilum fervidus DSM – 2088 H 2 , CO 2 ,

30 Methanothrix concilii GP6 Acetate

31 Methanothrix sochngenii opfikon Acetate

Nguồn: Ferguson và Mali (1987)

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ

có thể tăng cao đến giá trị 8 Cả hai trường hợp đều dẫn đến sự ức chế (hay còn gọi

là “ngộ độc”) có thể làm ngưng trệ quá trình Vì vậy, duy trì độ pH trong khoảng tối

ưu thực chất là duy trì sự cân bằng giữa tốc độ sinh acid và tốc độ tiêu thụ acid, cũng là cân bằng giữa vi khuNn không sinh metan và vi sinh vật sinh metan

1.4.2 Tính chất của chất hữu cơ phân hủy

Hàm lượng tổng chất rắn (TS) của mẫu ủ có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phân hủy Các vi sinh vật hấp thụ các chất dưới dạng hòa tan và do đó nồng độ chất rắn hay độ Nm của mẫu là quan trọng Một phần cũng vì do nước có tham gia vào quá trìn hòa tan, vận chuyển chất và nhiệt năng vào torng tế bào, cũng như đưa các chất không cần thiết ra ngoài tế bào Hàm lượng chất rắn quá cao không đủ hòa tan các chất cũng như không đủ pha loãng các chất trung gian khiến hiệu quả của quá trình giảm đáng kể N goài ra, hàm lượng chất rắn trong mẫu quyết định đến kết cấu

và thiết kế công nghệ của hệ thống phân hủy để đạt được hiệu quả mong muốn

Định dạng
Số trang	104
Dung lượng	2,34 MB

Nghiên cứu quá trình phân hủy kỵ khí bã khoai mì và khả năng ứng dụng

Sự ảnh hưởng của chế độ khuấy trộn

Kết quả thực nghiệm và thảo luận