Nghiên cứu thu hồi tái sử dụng tinh bột khoai mì từ nguồn nước thải làm nguyên liệu sản xuất giấy góp phần làm giảm chi phí sản xuất Nghiên cứu thu hồi tái sử dụng tinh bột khoai mì từ nguồn nước thải làm nguyên liệu sản xuất giấy góp phần làm giảm chi phí sản xuất luận văn tốt nghiệp thạc sĩ
NỘI DUNG ĐỒ ÁN Error! Bookmark not defined 3 ĐỐI TƯỢNG PHẠM VI NGHIÊN CỨU Error! Bookmark not defined 4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Error! Bookmark not defined Phương pháp thực nghiệm: Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI TINH BỘT MÌ VÀ
Tổng quan về tinh bột mì
1.1.1 Giới thiệu cây khoai mì
Khoai mì (hay còn gọi là sắn) có tên khoa học Manihot Esculenta là cây lương thực ưa ẩm, có nguồn gốc từ lưu vực sông Amazone Nam Mỹ Đến thế kỷ XVI mới được trồng ở châu Á và châu Phi Ở nước ta, khoai mì được trồng ở khắp nơi từ Nam đến Bắc nhưng do quá trình sinh trưởng và phát triển của khoai mì kéo dài, giữ đất lâu nên chỉ các tỉnh Trung du và thượng du Bắc Bộ như: Phú Thọ, Tuyên Quang, Hòa Bình, …là điều kiện trồng trọt thích hợp hơn cả Khoai mì Việt Nam cũng bao gồm nhiều loại giống Nhân dân ta thường phân loại khoai mì căn cứ vào kích thước, màu sắc củ, thân, gân lá và tính chất khoai mì đắng hay ngọt Tính chất đắng hay ngọt của khoai mì quyết định bởi hàm lượng acid HCN cao hay thấp Tuy nhiên, trong công nghệ sản xuất tinh bột người ta phân loại chỉ dựa trên tính chất: khoai mì đắng và khoai mì ngọt
Hình 1.1: Cây khoai mì (Nguồn: Internet)
Bảng 1.1: Phân loại cây khoai mì Đặc điểm Khoai mì đắng Khoai mì ngọt
Hàm lượng acid HCN (mg/kg củ) 60 – 150 20 – 30
Hình dáng của lá 7 cánh 5 cánh
Hình dáng của thân Nhỏ và thấp To và cao
1.1.2 Thời vụ thu hoạch cây khoai mì
Thông thường, nông dân thường trồng khoai mì chính vụ vào khoảng từ tháng 2 đến tháng 4 Và ở mỗi miền, thời gian thu hoạch khác nhau tùy thuộc điều kiện khí hậu từng vùng Ở miền Bắc, trồng khoai mì vào tháng 3 là thuận lợi nhất vì lúc này có mưa xuân ẩm, trời bắt đầu ẩm, thích hợp cho cây sinh trưởng, hình thành và phát triển củ
Vùng Bắc Trung Bộ, tháng 1 thích hợp nhất cho việc trồng khoai mì Nếu trồng sớm sẽ gặp mưa lớn làm thối hom chết mầm, còn trồng muộn khoai non gặp khô rét sẽ sinh trưởng kém
Vùng Nam Trung Bộ, khoai mì có thể trồng trong khoảng tháng 1 đến tháng 3, trong điều kiện nhiệt độ tương đối cao và thường có mưa đủ ẩm Một số nơi bà con có thể trồng sớm hơn 1 – 2 tháng nhưng cùng thu hoạch vào tháng 9, tháng 10 trước mùa mưa lũ
Vùng Tây Nguyên, Đông Nam Bộ, khoai mì trồng chủ yếu vào cuối mùa khô, đầu mùa mưa (tháng 4 hay tháng 5) trong điều kiện nhiệt độ cao ổn định và có mưa đều Những nơi có điều kiện chủ động nước ở đồng bằng sông Cửu Long, khoai mì thường trồng ngay từ đầu năm để kịp thu hoạch trước mùa lũ
1.1.3 Cấu tạo củ khoai mì
Hình 1.2: Cấu tạo củ khoai mì (Nguồn: Internet)
Củ khoai mì thường có dạng hình trụ, nhỏ dần ở hai đầu (cuống và đuôi) Kích thước cũng như trọng lượng củ tùy thuộc vào giống, đất trồng, điều kiện canh tác và độ màu của đất mà nó dao động trong khoảng: dài 300 – 400mm, đường kính từ 20 – 100mm
Khoai mì là loại củ có lõi (tim củ) nối từ thân cây chạy dọc theo củ đến đuôi củ Có cấu tạo: vỏ gỗ, vỏ cùi, thịt sắn, lõi sắn So với các loại củ khác thì vỏ củ sắn là loại vỏ dễ phân biệt và dễ tách nhất
Lớp vỏ gỗ chiếm 0,5 – 3% khối lượng củ Gồm các tế bào có cấu tạo từ cellulose và hemicellulose, hầu như không có tinh bột Vỏ gỗ là lớp ngoài cùng, sần sùi, màu nâu thẫm, chứa các sắc tố đặc trưng Có tác dụng giữ cho củ rất bền, không bị tác động cơ học bên ngoài
Lớp vỏ cùi dày hơn vỏ gỗ, chiếm khoảng 8 – 20% trọng lượng củ Gồm các tế bào được cấu tạo bởi cellulose và tinh bột (5 – 8%) Giữa các lớp vỏ là mạng lưới ống dẫn nhựa củ, trong mủ có nhiều tanin, enzyme và các sắc tố Thịt khoai mì (ruột củ) là thành phần chiếm chủ yếu của củ, bao gồm các tế bào có cấu tạo từ cellulose và pentozan, bên trong là các hạt tinh bột và
7 nguyên sinh chất Hàm lượng tinh bột trong ruột củ phân bố không đều Kích thước hạt tinh bột koảng 15- 80mm Khoai mì càng để già thì càng có nhiều xơ
Lõi khoai mì thường nằm ở trung tâm dọc theo thân củ, nối từ thân đến đuôi củ Lõi chiếm từ 0,3 – 1% khối lượng củ Thành phần cấu tạo chủ yếu là cellulose và hemicelluloses
1.1.4 Thành phần và tính chất hóa học của củ khoai mì
Thành phần hóa học trong củ khoai mì thay đổi tùy thuộc vào giống khoai, loại đất trồng, cách trồng, khí hậu, sinh trưởng và thời gian thu hoạch của từng vùng miền…
Cũng như phần lớn các loại hạt và củ, thành phần chính của củ khoai mì là tinh bột Ngoài ra, trong khoai mì còn có các chất: đạm, muối khoáng, lipit, chất xơ và một số vitamin B1, B2 Như vậy, so với nhu cầu dinh dưỡng và sinh tố của cơ thể con người, khoai mì là một loại lương thực, nếu được sử dụng mức độ phù hợp thì có thể thay thế hoàn toàn nhu cầu đường bột của cơ thể
Bảng 1.2: Thành phần hóa học của cây khoai mì
Theo Đoàn Dự và các cộng sự, 1983
Theo Recent Process in research and extension, 1998
Bảng 1.3: Thành phần hóa học trong vỏ củ khoai mì và bả mì
Thành phần Vỏ củ mì (mg/100g) Bả phơi khô (mg/100g) Độ ẩm 10.8 – 11.4 12.5 – 13
Protein thô 0.85 – 1.12 1.5 – 2.0 Độ Tro 1 – 1.45 0.58 – 0.65 Đường tự do 1 – 1.4 0.37 – 0.43
Bảng 1.4: Thành phần hóa học trong củ khoai mì tươi
STT Thành phần Tỷ lệ (% )
(Nguồn: Bảo quản và chế biến sắn, Cao Văn Hùng, 2001) [5] a Tinh bột
Tinh bột là thành phần quan trọng của củ khoai mì, nó quyết định giá trị sử dụng của chúng Hạt tin bột hình trống, đường kinh khoảng 35 micromet Tinh bột gồm 2 thành phần: Amylose (15- 25%) và amylopectin (75- 85%), tỷ
9 lệ amylopectin trong tinh bột khoai mì cáo nên gel tinh bột có độ nhớt, độ kết dính cao và khả năng gel bị thoái hóa thấp
Hàm lượng tinh bột tập trung nhiều nhất ở phần sát vỏ bao, càng đi sâu vào lớp thịt sát lõi lượng tinh bột lại ít đi Tinh bột có dạng hình cầu, hình trứng hoặc hình mũ, có một số hạt trũng, có màu rất trắng Nên trong quá trình sản xuất nên loại bỏ vỏ để không tạo màu tối cho tinh bột
Ứng dụng của tinh bột khoai mì trong đời sống
a Nguồn nguyên liệu quan trọng trong đời sống
Trong tự nhiên, tinh bột được tìm thấy trong các loại rau củ, hạt, quả của các loại cây trồng Nó cũng là nguồn năng lượng quan trọng nhất của động vật và con người Tinh bột mì đóng một vai trò sống còn trong cuộc sống của chúng ta Từ các dữ liệu thống kê cho thấy ngày nay tinh bột càng có nhiều ứng dụng quan trọng và thiết yếu trong các ngành nông nghiệp, công nghiệp… ước tính có 4 nghìn ứng dụng Các loại tinh bột tự nhiên được sử dụng phổ biến và có giá trị thương mại chủ yếu bao gồm tinh bột khoai mì, tinh bột khoai tây và tinh bột lúa mì Tuy nhiên, thành phần và đặc tính của tinh bột khoai mì là gần giống với tinh bột khoai tây và tốt hơn nhiều loại tinh bột bắp và tinh bột lúa mì Nhưng về giá cả, tinh bột khoai mì thường có giá thấp hơn tinh bột khoai tây
Với các ưu điểm hấp dẫn về đặc tính và giá cả, hiện nay đang có nhu cầu tăng trưởng rõ rệt đối với tinh bột mì ở khắp nơi trên thế giới trong đó có cả Việt Nam b Những ứng dụng của tinh bột mì trong tinh bột thực phẩm và ngành công nghiệp khác
- Tinh bột được sử dụng là một trong những nguồn nguyên liệu chính để
14 sản xuất các loại bánh Ngoài việc giảm giá thành sản xuất, tinh bột còn có chức năng làm đầy, làm láng và góp phần tạo nên một số tính chất công nghệ cho các sản phẩm bánh
- Một số sản phẩm tiêu biểu: các sản phẩm bánh snack, bánh quy, bánh rán…
- Bún, miến, mì ống, mì sợi, bánh tráng là những sản phẩm thực phẩm rất thông dụng ở quy mô làng xã được chế biến từ tinh bột sắn
- Đặc trưng chủ yếu của tinh bột biến tính chính là nó có độ nhớt cao góp phần tạo độ sệt, độ đặc trong một số sản phẩm như nước sốt, nước chấm, súp…
- Ngoài ra tinh bột biến tính còn tạo ra độ mờ đục cho một số sản phẩm như nước sốt
• Sản xuất các sản phẩm thủy phân từ tinh bột
- Bằng con đường thủy phân, tinh bột là nguyên liệu chính để sản xuất ra các loại sản phẩm như: mạch nha, glucose, sorbitol, maltodextrin,…
- Từ glucose bằng con đường lên men người ta có thể sản xuất rượu, cồn, mì chính…
- Sorbitol là phụ gia tạo cấu trúc rất thông dụng trong các sản phẩm thực phẩm
- Nguyên liệu: bột hoặc tinh bột các loại củ cũng như các loại hòa thảo Ở các nước khác chủ yếu dùng tinh bột ngô, tinh bột khoai tây; ở nước ta dùng tinh bột sắn để sản xuất đường glucose
- Chất lượng tinh bột ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và hiệu suất thu hồi Chất lượng tinh bột thấp quá trình đường hóa kéo dài, phản ứng không triệt để, sản phẩm có màu xấu khó khăn cho quá trình xử lý, hiệu suất thu hồi
- Quá trình sản xuất gồm 3 giai đoạn chủ yếu: đường hóa dịch bột thành dịch, xử lý dịch đường hóa, kết tinh tinh thể từ mật và chế biến thành sản phẩm
- Mì chính là muối mononatri của acid glutamic (C5H8NO4Na) Có 2 dạng: bột và tinh thể, là chất điều vị có giá trị trong công nghiệp thực phẩm, trong nấu nướng thức ăn hằng ngày
- Tinh bột được dùng trong sản suất mì chính bằng phương pháp lên men sử dụng những chủng vi sinh vật có khả năng tổng hợp các acid amin từ các nguồn glucid và đạm vô cơ sau đó tách lấy acid glutamic để sản xuất mì chính Phương pháp này có nhiều ưu điểm: không cần sử dụng nguyên liệu protid, không cần sử dụng nhiều hóa chất và thiết bị chịu ăn mòn, hiệu suất cao giá thành hạ
• Keo dán hoặc chất kết dính
- Do tinh bột có thể tạo nên dung dịch có độ nhớt rất cao sau khi hồ hóa, do đó nó được ứng dụng trong sản xuất các loại hồ, keo dán
- Thông thường thức ăn gia súc được sản xuất từ nguyên liêu củ có chứa nhiều tinh bột như bắp, khoai, sắn
- Ngoài ra tinh bột còn thường được sử dụng như chất độn bổ sung trong quá trình sản xuất thức ăn gia súc
- Tinh bột được sử dụng trong ngành dược phẩm chủ yếu là làm tá dược (chất độn), chất kết dính, hoặc được sử dụng làm màng bọc viên thuốc
- Tinh bột là chất lý tưởng để bổ sung vào trong quá trình dệt Đó là lý
16 do tại sao tinh bột được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất sợi, chỉ, vải cotton, và sợi polyester Tinh bột giữ vai trò quan trọng trong ba giai đoạn dệt, đó là: hồ vải, in và hoàn thiện
- Giai đoạn in: tinh bột được sử dụng nhằm ngăn cản các tác nhân gây ô nhiễm trong khi in
- Giai đoạn hoàn thiện: tinh bột thường sử dụng là tinh bột sắn, được cung cấp với những tỷ lệ khác nhau để vải bóng và bền, ví dụ vải cotton là 12%, vải tổng hợp là 18%, tơ nhân tạo là 8%
- Tinh bột được dùng trong sản xuất giấy để làm khô bề mặt và bao phủ bề mặt của giấy
Hình 1.4: Ứng dụng của tinh bột mì trực tiếp Cắt lát
Tổng quan về ngành sản xuất tinh bột mì
1.3.1 Tình hình chế bến tinh bột mì trên thế giới và khu vực Châu Á
Sắn là loại cây lương thực quan trọng ở các nước nhiệt đới như Brazil, Nigeria, Thái Lan, Indonexia,, Việt Nam…Củ sắn chứa nhiều tinh bột, hiện nay tại các nước trồng sắn trên thế giới phần lớn sắn được sử dụng làm thức ăn người và gia súc Một lượng nhỏ sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp chế biến
Trong năm 2006, kim ngạch nhập khẩu tinh bột sắn của EU tăng khoảng 18%, ước đạt 14 triệu EUR, tương đương 32.000 tấn Trong EU, nhập khẩu mặt hàng này lớn nhất là Đức, chiếm 25% thị phần nhập khẩu của EU và có tốc độ phát triển hàng năm là 46% Đức nhập khẩu nhiều tinh bột sắn để làm nguồn nguyên liệu cho ngành sản xuất phụ gia thực phẩm trong nước Việc sản xuất tinh bột sắn từ các nước đang phát triển hiện đang phải đối mặt với sự cạnh tranh gay gắt từ phía các công ty chế biến tinh bột của EU
Thái Lan là nước cung cấp tinh bột sắn hàng đầu cho thị trường EU, chiếm 45% thị phần nhập khẩu Ngoài Thái Lan, các nước đang phát triển khác chỉ chiếm 2%, trong đó Việt Nam chiếm 1,7% tổng thị phần nhập khẩu tinh bột sắn của EU Ở nước ta sắn được trồng khắp từ Nam tới Bắc, nhiều nhất là vùng trung du miền núi Việt Nam hiện đang sản xuất hàng năm hơn 2 triệu tấn sắn củ tươi, đứng hàng thứ 11 trên thế giới về sản lượng sắn, nhưng lại là nước xuất khẩu tinh bột sắn đứng hàng thứ 3 trên thế giới sau Thái Lan và Indonexia
Trong chiến lược toàn cấu cây sắn đang được tôn vinh là một trong những loại cây lương thực dể dàng thích hợp với những vùng đất cằn cỗi và là loại cây công nghiệp triển vọng có khả năng cạnh tranh cao với nhiều loại cây công nghiệp khác Ở nước ta cây sắn đang chuyển đổi nhanh chóng vai trò từ cây lương thục truyền thống sang cây công nghiệp, sự hội nhập đang mở rộng thị trường sắn tạo nên những cơ hội chế biến tinh bột, tinh bột biến tính bằng hóa
19 chất và enzim, …góp phần vào sự phát triển kinh tế đất nước
Từ cây lương thực "chống đói", cây sắn Việt Nam đã có khối lượng xuất khẩu đứng thứ 3 thế giới và trở thành cây "xóa đói giảm nghèo" của bà con nông dân Tuy nhiên, cây sắn"lên ngôi" cũng đang nảy sinh nhiều vấn đề bất cập Việt Nam có 41 nhà máy chế biến tinh bột sắn đã và đang xây dựng với tổng công suất thiết kế khoảng 3.130 tấn bột/ngày Nhưng với gần 264.000 ha sắn hiện có, 41 nhà máy cũng chỉ đáp ứng được 39,6% sản lượng Trong khi Bộ NN-PTNN, dự kiến diện tích trồng sắn sẽ đạt khoảng 300.000 ha vào năm 2005
Triển vọng khả quanTại hội thảo về sắn châu á lần thứ 6 họp tại TP.HCM, Việt Nam được đánh giá là nước có bước tiến lớn về phát triển cây sắn trong hơn
10 năm trở lại đây Nhờ áp dụng nhiều giống mới có năng suất cao và hàm lượng bột lớn như các giống KM 60, KM 94, KM 98 Năng suất sắn bình quân cả nước từ 79,9 tạ/ha năm 1999 đã tăng lên 106,4 tạ/ha năm 2001 và tăng thêm 20 tạ cho mỗi ha vào năm 2002 Diện tích trồng sắn cũng không ngừng mở rộng, từ 220.000 ha năm 1999 lên 263.900 ha năm 2001 và đến tháng 9/2002 đã có 270.000 ha Hiện nay khối lượng sắn xuất khẩu của Việt Nam đạt khoảng 200.000 tấn/năm, đứng hàng thứ ba thế giới, chỉ sau Thái Lan và Indonesia
Nhu cầu của thế giới đối với tinh bột sắn ngày càng gia tăng, nhất là tại các thị trường Trung Quốc, Đài Loan, Hàn Quốc và Nhật Bản, bên cạnh các thị trường tiêu thụ sắn khô truyền thống là EU và Mỹ Trong đó, sắn khô chủ yếu làm lương thực (58%) và thức ăn gia súc (28%) Tinh bột sắn nhiều công dụng hơn, ngoài việc làm thực phẩm trực tiếp còn là nguyên liệu không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp lớn như để làm hồ, in, định hình và hoàn tất trong công nghiệp dệt, làm bóng và tạo lớp phủ bề mặt cho công nghiệp giấy Đồng thời tinh bột sắn còn dùng trong sản xuất cồn, bột nêm, mì chính, sản xuất men và công nghệ lên men vi sinh và chế biến các thực phẩm khác như bánh phở, hủ tiếu, mỳ sợi
1.3.2 Tình hình sản xuất tinh bột mì ở Việt Nam
Việt Nam hiện đang sản xuất hàng năm hơn 2 triệu tấn sắn (khoai mì) củ tươi, đứng thứ 11 trên thế giới về sản lượng sắn, nhưng lại là nước xuất khẩu tinh bột sắn đứng thứ 3 trên thế giới sau Thái Lan và Indonesia Trong chiến lược toàn cầu cây sắn đang được xem là một loại cây lương thực dễ trồng, thích hợp với những vùng đất cằn cỗi, đây cũng là cây công nghiệp triển vọng có khả năng cạnh tranh với nhiều loại cây trồng khác Ở nước ta, cây sắn đang chuyển đổi nhanh chóng đóng vai trò là cây công nghiệp Sự hội nhập đang mở rộng thị trường sắn, tạo nên những cơ hội chế biến tinh bột, tinh bột biến tính bằng hóa chất và Enzim, sản xuất sắn lát, sắn viên để xuất khẩu và sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, trong sản xuất thức ăn gia súc và làm nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp khác, góp phần vào sự phát triển kinh tế của đất nước
Tinh bột mì ở Việt Nam đã trở thành một trong bảy mặt hàng xuất khẩu mới có triển vọng được chính phủ và các địa phương quan tâm nhỏ
1.3.4 Quy trình sản xuất tinh bột mì nói chung
Hình 1.5: Quy trình sản xuất tinh bột mì nói chung
22 Đầu tiên, củ được ngâm để hòa tan bớt dịch bào, làm mềm củ và rửa sơ bộ các tạp chất như đá, cát, đất và một phần vỏ Sau đó tiến hành nghiền để phá vỡ tế bào, giải phóng tinh bột Tách rửa tinh bột bằng rây để loại bỏ các phần tử lớn và dịch bào nhằm đảm bảo chất lượng tinh bột Tách bã lớn, chủ yếu là cellulose và rửa tách tinh bột lẫn với bã Tách dịch bào khỏi sữa tinh bột bằng ly tâm Tinh chế sữa tinh bột và tách bã nhỏ Rửa tinh bột để tách các tạp chất hoà tan và không hoà tan lần cuối bằng xiclon nước, bằng bể rửa, máng rửa hay bằng máy ly tâm
Trong sản xuất tinh bột từ củ, khi dịch bào vỏ thoát khỏi tế bào, tiếp xúc với oxy của không khí, thường nhanh chóng bị oxy hoá tạo thành những chất màu có tên gọi là Melanin Mặt khác, tinh bột rất dễ dàng hấp thụ màu của dịch bào, trở nên không trắng và rất khó tẩy rửa hoàn toàn chất màu khỏi tinh bột bằng nước Để đảm bảo tinh bột có màu trắng tự nhiên thì quá trình công nghệ phải ngắn và tách dịch bào càng sớm càng tốt
1.3.5 Quy trình sản xuất tinh bột mì của Thái Lan
Khoai mì được nghiền nát thành hỗn hợp lỏng và được bơm lên thùng chứa, vào hệ thống chiết xuất, vào thiết bị lắng lọc để lấy dịch sữa bột và tách bã riêng
Bã được đưa đi ép nén nhờ băng tải và thiết bị ép bã nhằm tách bớt lượng nước trong bã, sau đó mang đi phơi khô, sấy sử dụng làm thức ăn gia súc, hoặc phục vụ cho các nhu cầu khác Dịch sữa bột được đưa qua hệ thống cyclone cát để tách cát trước khi đưa vào thiết bị phân ly Dưới tốc độ cao 4500 vòng/phút, dịch tinh bột sẽ phân tách thành lớp nước dịch và tinh bột Nước dịch sẽ được tách ra và nồng độ tinh bột được tăng cao, trước khi ra khỏi thiết bị phân ly cuối Sữa bột sẽ tách nước nhờ máy ly tâm Tại đây nước sẽ được tách ra và bột được giữ lại, sau đó chuyển qua hệ thống sấy khô trước khi qua ray lọc và đóng bao Công đoạn sấy được sử dụng hệ thống sấy khí động, đảm bảo yêu cầu sấy khô bột nhưng không để bột bị hồ vón cục
Khi nhiệt độ đạt mức cho phép, tinh bột được thổi vào cyclone để lắng và làm nguội Sau đó tinh bột được chuyển qua ray lọc và đóng bao
Bên cạnh những lợi ích của việc chế biến tinh bột từ khoai mì đem lại, thì ngành công nghiệp chế biến khoai mì đã gây ra nhiều mặt tiêu cực cho môi trường, gây ô nhiễm môi trường nước, làm mất cân bằng môi trường sống của một số loài thủy sinh, gây ảnh hưởng đến sức khỏe và đời sống của con người
Xả ra nguồn tiếp nhận
Hệ thống xử lý khói Đóng bao, vô kho
Hình 1.6: Quy trình sản xuất tinh bột mì của Thái Lan
Nước thải chế biến tinh bột mì
Quy trình sản xuất khoai mì có nhu cầu sử dụng nước rất lớn (15 – 20 m 3 /tấn sản phẩm) Lượng nước thải mang theo một phần tinh bột không thu hồi hết trong sản xuất, các protein, chất béo, các chất khoáng… Trong dịch bào của củ và các thành phần SO 2- , SO 2- từ công đoạn tẩy trắng sản phẩm Lưu lượng nước thải lớn và có nồng độ chất hữu cơ rất cao (16 – 20 kg COD/m 3 nước thải) là một nguồn gây ô nhiễm lớn cho môi trường
Trong quy trinhg sản xuất này, nguồn gây ô nhiễm nước thải gồm nước thải rả củ, nước thải nghiền củ, ly tâm, sàn loại sơ, lọc thô, khử nước và nước thải tách dịch
- Trong công đoạn rửa, nước thải được sử dụng trong công đoạn rửa củ mì trước khi lột bỏ để loại bỏ các chất bẩn bám trên bề mặt Nếu rửa không đầy đủ bùn bám trên củ sẽ làm cho tinh bột có màu rất xấu Nước thải trong quá trình rửa củ mì, cắt vỏ có chứa bùn, đất, cát, mảnh vỏ, HCN tạo ra do phân hủy phazeolunatin trong vỏ thịt nhờ xúc tác của men cyanoaza…
- Nước thải trong quá trình nghiền củm lọc thô có nhiều tinh bột, protein và khoáng chất tách ra trong quá trình nghiền thô
- Nước thải tong quá tình tách dịch có nồng độ chất hữu cơ cao (BOD), các chất rắn lơ lửng nhiều Ngoài ra trong nước thải này có chưa các dịch bào có Tanin, men và nhiều chất vi lượng có mặt trong củ mì
Tóm lại, lượng nước thải phát sinh từ nhà máy dự kiến có 10% bắt nguồn từ nước rửa củ và 90% xả ra từ công đoạn ly tâm, sàng lọc, khử nước
1.5.2 Thành phần và tính chất nước thải
• Độ pH thấp: Độ pH của nước thải quá thấp sẽ làm mất khả năng tự làm sạch của nguồn nước tiếp nhận do các vi sinh vật có sẵn trong nước bị kìm hãm phất triển Nước thải có tính axit sẽ có tính ăn mòn làm mất cân bằng trao đổi chất của tế bào, ức chế sự phát triển bình thường của quá trình sống
• Hàm lượng chất hữu cơ cao: Loại nước thải từ chế biến tinh bột mì là loại nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao Loại nước thải này khi xử ra nguồn tiếp nhận sẽ làm cho nồng độ oxy bão hào tan trong nước giảm đi nhanh chóng Nếu nồng độ Do tụt xuống dưới 3mg/l sẽ kìm hãm sự phát triển của thủy sinh vật và ảnh hưởng tới phát triển của hệ sinh thái thủy vực Ngoài ra khi thỉa ra ngoài môi trường bị ứ đọng sẽ gây mùi hoii thối khó chịu do chất hữu cơ phân hủy kỵ khí tạo thành
• Hàm lượng chất lơ lửng cao: các chất kow lửng khi thải ra môi trường nước sẽ nổi trên mặt nước tạo thành lớp dầy lâu dần lớp đó sẽ ngả màu xám, không những làm mất vẻ mỹ quan mà quan trọng hơn chính là lớp này nổi lên sẽ cản trở quá trình trao đổi oxy và truyền sáng dẫn đến nước trong tình trạng kỵ kí Ngoài ra còn lắng xuống đáy sẽ phân hủy trong điều kiện kỵ khí gây ra mùi hôi thối cho khu vực
• Hàm lượng chất dinh dưỡng cao: Nitrat là sản phẩm cuối cùng của sự phan hủy các chất chứa nito Trong nước tự nhiên noongd độ nitrat thường nhỏ hơn 5mg/l Trong vùng nước ô nhiễm nồng độ nitrat cao sẽ gây hiện tượng phú dưỡng hóa làm cho ảnh hưởng đén chất lượng nước Photphat cũng là chất dinh dưỡng cho sự phát triển của rong tảo, nồng độ nhỏ hơn 0.01mg/l trong tự nhiên nhưng nguồn nước thải công nghiệp thì nồng độ photphat có thể đạt đến 0.5mg/l
1.3.3 Vi sinh vật trong nước thải tinh bột mì
Có nhiều dạng vi sinh vật cũng được tìm thaays trong nước thải của nhà
27 máy sản xuất tinh bột mì
- Vi khuẩn: trực khuẩn Gram (+), Bacillus…
Do sự có mặt của các chất xơ cellulose trong nước thải ở những giai đoạn sản xuất đầu tiên đã kích thích sự phát triển của nấm mốc.
Nguyên liệu sản xuất giấy
Sợi cenllulose là nguyên liệu thô chính cho công nghệ sản xuất giấy và bột giấy Các tế bào thực vật , đặt biệt là tế bào gỗ , chứa rất nhiều sợi cenllulose Trong công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy , sợi cenlulose chủ yếu được cung cấp từ các nguồn sau :
- Các loại gỗ : bạch đàn , mở , keo …
- Các loại thực vật ngoài gỗ : tre nứa, bã nía, rơm rạ …
- Các vật liệu tái sinh : vải, giấy vụn , giấy đã sử dụng
Trong đó, gỗ là nguồn cung cấp sợi quan trọng nhất Thành phần hóa học cơ bản của gỗ bao gồm: a Cenlulo
Cenlulo là một carbohydrate, thành phần phân tử bao gồm các nguyên tố carbon, hydrogen và oxygen Phân tử cenlulo do nhiều phân tử đường glucose tạo thành nên còn được gọi là polysaccharide
Công thức hóa học của cenlulo là (C6H10O5)n, cenlulo rất dễ thủy phân thành đường glucose (C6H10O5) trong môi trường axit Tính chất của các vật liệu bằng cenlulo phụ thuộc nhiều vào khối lượng phân tử của nó Khối lượng phân tử càng thấp thì độ bền của sợi cenlulo càng giảm
Các chuỗi cenlulo dạng dài được gọi là anpha cenlulo Các chuỗi cenlulo ngắn hơn thường được gọi chung là hemicenlulo Thông thường, người ta chia hemicenlulo thành 2 loại:
• Beta cenlulo ( giá trị n nằm trong khoảng 15 – 90)
• Gamma cenlulo ( giá trị n nhỏ hơn 15)
Trái với cenlulo – là polymer của một đường đơn duy nhất ( glucose), hemicenlulo là các polimer của 05 loại đường khác nhau:
Một số hemicenlulo liên kết với các cenlulo, số còn lại chủ yếu là liên kết với lignin
Trong quá trình sản xuất bột giấy từ gỗ bằng phương pháp hóa học, số lượng, vị trí và cấu trúc của hemicenlulo thường thay đổi đáng kể Thông thường, hemicenlulo dễ phân hủy và hòa tan hơn cenlulo nên hàm lượng của hcungs trong bột giấy luôn thấp hơn trong gỗ c Lignin
Thuật ngữ holoxenlulo dùng để chỉ tổng lượng carbohydrate có trong sợi gỗ (cenlulovà hemicenlulo) Ngoài holocenlulo, trong gỗ còn chứa một chất cao phân tử, không có hình dạng xác định gọi là lignin Lignin đóng vai trò là cầu nối các sợi với nhau.Về cấu tạo hóa học, lignin là một polymer thơm bao gồm các đơn vị phenyl propane liên kết với nhau trong không gian 03 chiều d Extractive
Ngoài holoxenlulo và lignin, trong các sợi gỗ còn có chứa một số chất khác như acid béo, nhựa cây, phenol, rượu, protein, Hầu hết các chất này tan trong
29 nước và được gọi chung là extractive
Bảng 1.5 Thành phần hóa học của một số loại gỗ
Gỗ bạch dương Gỗ bạch đàn Gôc than
(Nguồn: giáo trình “Công nghệ xử lý nước thải “Trần Văn Nhân_ Ngô Thị Nga)
1.6.1 Công nghệ sản xuất giấy a) Thủ công
Thời xưa, nguyên liệu làm giấy được cắt vụn ra và giã nhỏ trong nước thành bột lỏng Các sợi được phân tán mỏng trong nước Đầu tiên giấy được múc ra bằng một cái rây nổi trên mặt nước Lưới ở dưới đáy rây được gắn chặt vào khung Mỗi tờ giấy được múc ra phải được làm khô trong rây và chỉ được đem ra sau khi khô Vì thế mà cần đến rất nhiều rây
Vào khoảng năm 600 kỹ thuật múc giấy cải tiến dùng loại rây múc lan truyền đến Triều Tiên và sau đó đến Nhật Ở loại rây múc này khung rây có thể gỡ ra khỏi rây Tờ giấy vừa được múc có thể được lấy ra khi còn ẩm và đem đi phơi khô Kỹ thuật này còn được sử dụng cho đến ngày nay ở các loại giấy múc
30 bằng tay và nói chung nguyên tắc sản xuất giấy (cắt vụn, giã nhỏ trong nước, múc và hong khô) vẫn không thay đổi cho đến ngày nay b) Quy trình sản xuất giấy và bột giấy hiện đại
Gia công nguyên liệu thô
Bao gồm rửa sạch nguyên liệu, loại bỏ tạp chất và cắt mảnh theo kích cỡ thích hợp đáp ứng yêu cầu của phương pháp ssanr xuất bột giấy
- Nghiền bột từ sợi tái chế
Trong nhiều năm qua, việc sử dụng sợi tái chế để sản xuất bột giấy và xeo giấy đã trở nên phổ biến Việc sử dụng loại vạt liệu này trong thời gian gần đây đã tăng lên đáng ker Các phát triển công nghệ hiện đại tập trung chủ yếu vào việc nâng cấp chất lượng bột giấy từ các vật liệu tái chế và chính do thành công trong lĩnh vực này đã dẫn đến việc sử dụng rất rộng rãi loại bột giấy từ sợi tái chế
Trong nghiền bột cơ học, các sợi chủ yếu bị tách rời nhau do lực cơ học trong máy nghiền hoặc trong thiết bị tinh chế Qui trình công nghệ nguyên thủy là gia công gỗ tròn bằng đá – gỗ được ép bằng đá nghiền quay trong Công nghệ này làm ra mọi loại bột giấy có độ dai tương đối thấp Ở các nhà máy tinh chế TMP ( Thermal Mechanical Pulping) và các máy nghiền áp lực cách xử lý cơ học được tiến hành ở áp lực và nhiệt độ cao, do vậy bột giấy có các thuộc tính độ dai tốt hơn bọt giấy cơ học truyền thống Thực hiện qui trình công nghệ này ở các máy tinh chế có độ linh hoạt cao hơn trong việc lựa chọn nguyên liệu, vì sau đó có thể tận dụng vụn gỗ, cũng như các nguyên liệu , vì sau đó có thể tận dụng vụn gỗ, cũng như các nguyên liệu sợi ngoài gỗ
- Nghiền bột hóa học và bán hóa học
Trong nghiền bột hóa học và bán hóa học, nguyên liệu sợi được xử lý với hóa chất ở nhiệt độ và áp lực cao ( nấu) Mục đích của quá trình xử lý này là nhằm hòa tan hoặc làm mềm thành phần chính của chất lignin liên kết các sợi trong nguyên liệu với nhau, đồng thời lại gây sự phá hủy càng ít càng tốt với thành phần cellulose ( tăng độ dai của các sợi) Cách xử lý này được tiến hành trong nồi áp suất ( nồi nấu), có thể vận hành theo chế độ liên tục hoặc từng mẻ
Có hai loại công nghệ nghiền bột hóa học chính: các quy trình kiềm hóa ( quy trình sulphate, quy trình xút) và quy trình sulphite
Trong quá trình sulphate, dịch nấu có độ kiềm cao và các thành phần hoạt tính là các ion hydroxyl, sulphite và hydrogen sulphite Các thành phần hoạt tính qua trình nghiền bột giấy bằng xút là hydroxyl và carbonate Nghiền bột giấy sulphate tạo ra loại bột giấy dai nhất trong khi nghiên fbootj giấy xút thích hợp hơn với các nguyên liệu chứa lignin thấp như các loại cây một năm, tre nứa,
Các chất hoạt tính trng quy trình sulphite là sulphur dioxide tự do, sulphite hoặc ion hydrogen sulphite Bột giấy sulphite có độ sáng không tẩy cao nhất nên thường chỉ cần hóa chất để tẩy hơn so với bột giấy sulphate và bột giấy xút
Tách bột cellulose ra khỏi dịch nấu ( dịch đne) Dịch đen bao gồm các hợp chất chứa Na: Na2SO4, NaOH, Na2S, Na2CO3, lignin, Qúa trình rửa bột thường sử dụng nước sạch, lượng nước sử dụng cần hạn chế tới mức tối thiểu nhưng vẫn dảm bảo sao cho tách bột cellulose đtạ hiệu quả cao và nồng độ kiềm trong dịch đen là cao nhất
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THU HỒI
Phương pháp thu hồi
2.2.1 Phương pháp phân tích mẫu
Bảng 2.1 : Các thông số quan trắc hiệu quả xử lý trong quá trình thực
STT Thông số Phương pháp
1 pH Đo bằng giấy đo pH
3 Độ màu Đo bằng máy đo quang phổ
Việc xác định độ màu trong nghiên cứu này được tiến hành trắc quang tại bước sóng 630 nm (A630)
Hiệu suất xử lý độ màu (H, %) được xác định theo công thức:
Với A0 và At tương ứng là giá trị độ hấp thu quang xác định tại bước sóng 630nm của mẫu nước thải ở thời điểm ban đầu (trước xử lý )và mẫu ở thời điểm t (sau t phút xử lý)
Phương pháp nghiên cứu là phương pháp thực nghiệm dựa trên khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến thu hồi tinh bột mì trong nước thải bằng phương pháp lọc cơ học (lọc lưới) và phương pháp keo tụ sau đó đánh giá chất lượng giấy làm được từ lượng tinh bột thu đươch qua hai phương pháp
Mô hình Jartest: Dựa trên moo hình có sẵn trong phòng thí nghiệm Viện Khoa Học Ứng Dụng Hutech trường ĐH Công Nghệ Tp.HCM Thiết bị gồm 6
37 cách khuấy quay cùng tốc độ Nhờ hộp số tốc độ quay có thể điiều chỉnh được ở khoảng 10 – 200 vòng/phút Cánh khuấy dạng turbine gồm 2 bản nằm cùng mặt phawnhr đứng và đặt trong 6 cốc (beaker) với thể tích mỗi cốc là 1000 ml
2.2.3 Phương pháp khảo sát điều kiện tối ưu
Khảo sát sơ bộ với các lượng phèn khác nhau trong khoảng rộng dựa vào tham khảo tại mục 6 TCXDVN 33-2006 đối với phèn nhôm và phèn sắt
Sau khi khảo sát sơ bộ, dựa vào đồ thị chọn khoảng lượng phèn tối ưu Tiếp tục tham khảo sát lượng phèn tối ưu xung quanh đã chọn Phèn sử dụng là
Kết quả tối ưu được lấy trung bình từ các lần thí nghiệm Sau khi có kết quả tối ưu sẽ thu hồi lượng tinh bột tối ưu
2.2.3.1 Thí nghiệm xác định lượng phèn tối ưu Điều kiện thí nghiệm:
- Giai đoạn phản ứng đông tụ: Thời gian khuấy 20 phút với tốc độ 140 vòng/phút;
- Giai đoạn tạo bông: Thời gian khuấy 15 phút với tốc độ 40 vòng/phút;
- Lượng Al2(SO4)3.18H2O: Thay đổi từ 50 - 300 (mg/L)
Bảng 2.2: Quy trình thí nghiệm xác định lượng phèn tối ưu
Khuấy với tốc độ 140 vòng/phút trong 20 phút
Cho vào mỗi cốc 1 ml PAC 30%, giảm tốc độ khuấy còn 40 vòng/phút trong 15 phút, sau đó để lắng 10 phút rồi đem đi lọc lấy lớp nước trong, đem đi đo độ màu ở bước sóng 455 nm
2.2.3.2 Thí nghiệm xác định pH tối ưu
- Giai đoạn phản ứng đông tụ: Thời gian khuấy 20 phút với tốc độ 140 vòng/phút;
- Giai đoạn tạo bông: Thời gian khuấy 15 phút với tốc độ 40 vòng/phút;
Bảng 2.3: Quy trình thí nghiệm xác định pH tối ưu
Lượng Phèn (mg/L) Kết quả từ thí nghiệm xác định lượng phèn tối ưu
Khuấy với tốc độ 140 vòng/phút trong 20 phút
Cho vào mỗi cốc 1 ml PAC 30%, giảm tốc độ khuấy còn 40 vòng/phút trong 15 phút, sau đó để lắng 10 phút rồi đem đi lọc lấy lớp nước trong, đem đi đo độ màu ở bước sóng 455 nm
2.2.3.3 Phương pháp xử lý số liệu
- Sử dụng phần mêm Microsoft Excel 2016 để xử lý số liệu từ quá trình phân tích trong phòng thí nghiệm
- Biểu diễn các thông số của quá trình xác định điều kiện tối ưu và quá trình chạy mô hình bằng đồ thị và bảng biểu
- Thu được lượng tinh bột mì tối ưu
- So sánh chất lượng giấy với phương pháp thu hồi tinh bột mì bàng lọc lưới