Khóa luận Tìm hiểu các phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ

ẩu phần “an toàn” cho bò, tránh được nhiều rối loạn về tiêu hoá và trao đổi chất thường gặp trong chăn nuôi. Mặc dù VSV cộng sinh trong dạ cỏ cho phép GSNL sử dụng được thức ăn xơ, nhưng quá trình tiêu hoá này cũng có những tiêu cực của nó. Quá trình tiêu hoá thức ăn xơ đòi hỏi gia súc phải nhai, nhai lại và nhu động dạ cỏ nhiều lần làm tiêu tốn năng lượng đã được hấp thụ (năng lượng gia nhiệt của thức ăn cao hơn). Hơn nữa, quá trình lên men dạ cỏ sinh ra nhiệt và khí metan. Ngoài việc tiêu tốn năng lượng để mang dạ cỏ, tiêu hoá cơ học và nhiệt lên men, chỉ việc thải khí metan này đã làm lãng phí năng lượng của thức ăn lên tới 6-12%. Bởi thế GSNL không thể chuyển hoá hết thức ăn thành năng lượng của cơ thế có hiệu quả như động vật dạ dày đơn. Như vậy, quá trình lên men thức ăn ở dạ dày trước đối với các loại thức ăn không cần lên men như tinh bột trong các loại ngũ cốc đã làm tiêu tốn năng lượng không cần thiết. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 43 Lớp: 08CSH2 4.2.2. Hệ vi sinh vật có trong dạ cỏ: Hình 4.2: Cấu tạo đường tiêu hoá của GSNL Hệ VSV cộng sinh trong dạ cỏ và dạ tổ ong rát phức tạp và thường gọi chung và VSV dạ cỏ. Hệ VSV dạ cỏ gồm có ba nhóm chính là vi khuẩn (Bacteria), động vật nguyên sinh (Protozoa) và năm (Fungi); ngoài ra còn có mycoplasma, các loại virus và các thể thực khuẩn. Mycoplasma, virus và thể thực khuẩn không đóng vai trò quan trọng trong tiêu hoá thức ăn. Quần thể VSV dạ cỏ có sự biến đổi theo thời gian và phụ thuộc vào tính chất của khẩu phần ăn. Hệ VSV dạ cỏ đều là VSV yếm khí và sống chủ yếu bằng năng lượng sinh ra từ quá trình lên men các chất dinh dưỡng. Thực quản Dạ cỏ Dạ múi khế Dạ tổ ong Ruột non Ruột già Manh tràng Hậu môn Dạ lá lách Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 44 Lớp: 08CSH2  Vi khuẩn (Bacteria): Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 45 Lớp: 08CSH2 Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 46 Lớp: 08CSH2  Động vật nguyên sinh (Protozoa): Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 47 Lớp: 08CSH2 Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 48 Lớp: 08CSH2  Nấm (Fungi): Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 49 Lớp: 08CSH2 4.3. Các qui trình chế biến phụ phẩm nông nghiệp làm thức ăn GSNL: 4.3.1. Quy trình chế biến rơm lúa bằng phương pháp xử lý ure – vôi: 4.3.1.1. Giới thiệu vấn đề: Rơm lúa vốn nghèo dinh dưỡng (2-3% protein) thành phần chủ yếu là xơ (31- 33%) tỉ lệ tiêu hóa thấp. Tuy nhiên rơm lúa chứa một lượng năng lượng tiềm tàng. Khối lượng rơm lúa hàng năm ở nước ta vào khoảng 25 triệu tấn (xấp xỉ 1 lúa : 0,8 rơm). Để nâng cao hiệu quả sử dụng rơm người ta sử dụng phương pháp xử lý nhiệt độ, áp suất cao hay dùng hóa chất như xút, ammoniac... Nhưng phương pháp này đòi hỏi thiết bị nên khó áp dụng vào sản xuất. Ở nước ngoài người ta thường sử dụng phương pháp chế biến rơm bằng ure theo tỉ lệ 5kg ure hòa trong 100 lít nước để chế biến 100kg rơm khô. Do giá ure ở nước ta đắt, (vì phải nhập khẩu) nên Viện Chăn Nuôi đã nghiên cứu cải tiến phương pháp và chỉ dùng 2,5kg ure cho 100kg rơm và sử dụng thêm 0,5kg vôi tôi. Kết quả thí nghiệm trên gia súc khá tốt. Phương pháp này đơn giản dễ áp dụng và đã làm tăng tỉ lệ tiêu hóa thêm 10-15%, tăng gần gấp đôi hàm lượng nitơ trong rơm, gia súc thích ăn và đã ăn được lượng chất khô tăng thêm 50% so với rơm không chế biến, cho tăng trọng hàng ngày cao hơn 30%, tiêu tốn thức ăn lại giảm 6% so với rơm chưa chế biến. 4.3.1.2. Phương pháp chế biến:  Tỷ lệ nguyên liệu: Rơm khô (ẩm độ 12-14%) 100kg Ure 2,5kg Vôi (Ca(OH)2) 0,5kg Muối ăn 0,5kg Nước lã sạch 70-80 lít Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 50 Lớp: 08CSH2  Phương tiện cần cho quá trình ủ: Về mặt nguyên lý quá trình ủ rơm khác hoàn toàn quá trình ủ chua thức ăn xanh. ủ rơm không nhất thiết đòi hỏi yếm khí như ủ chua. Để giảm chi phí, dễ ứng dụng mà vẫn đạt yêu cầu chế biến thì nên lợi dụng những điều kiện có sãn của gia đình. Như lợi dụng các góc tường, bể xây, ô chuồng trống không nuôi gia súc, hoặc ủ ngay trong bao phân đạm, bao tải xác rắn, hay túi nylon loại lớn... Vật liệu đệm lót, che phủ: ta có thể dùng các mảnh nylon, vải mưa rách, lá chuối... ghép kín lại để đảm bảo thức ăn không nhiễm đất, cát bẩn và hạn chế thất thoát ure.  Các bước tiến hành: Hòa tan ure, vôi, muối vào nước theo công thức đã ghi ở mục trên. Khối lượng rơm ủ mỗi lần tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng của gia súc và dụng cụ chứa đựng. Lần lượt rải rơm theo từng lớp (20cm) vào hố ủ, khuấy đều dung dịch ure - vôi - muối và dùng ôzoa tưới đều vào rơm; lần lượt tiến hành như vậy cho tới khi hết lượng rơm cần ủ. Dùng vật liệu đệm lót phủ kín lại, có thể dùng gạch, ngói, củi khô chặn lên để đống rơm ủ luôn kín trong suốt thời gian ủ.  Lưu ý: Nơi ủ phải chọn nơi khô ráo, tránh nước mưa và nước từ nơi khác thấm vào. 4.3.1.3. Cách sử dụng: Rơm ủ kín trong thời gian 10-20 ngày bắt đầu lấy ra cho gia súc ăn. Rơm ủ đạt chất lượng chế biến tốt sẽ có màu vàng đậm, mùi ure, không có mùi nấm mốc, rơm ẩm và mềm . Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 51 Lớp: 08CSH2 Khi lấy rơm ủ cho gia súc ăn chỉ nên lấy ra ở một góc (không lật toàn bộ lớp đệm lót che phủ) lấy rơm xong lại lấp lớp đệm lót che phủ lên cho kín. Cho gia súc ăn tự do tùy khả năng của chúng. (Một vài trâu bò biếng ăn, nên phơi rơm đã chế biến trong bóng mát 30-45 phút để bay bớt mùi ure, trước khi ăn hoặc rắc lên một chút cỏ xanh để chúng rễ quen với mùi ure trong rơm ủ). 4.3.2. Quy trình chế biến và sử dụng tảng ure-rỉ mật: 4.3.2.1. Vai trò của tàng ure-rỉ mật: Tảng ure-rỉ mật với thành phần quan trọng là ure và rỉ mật là loại thức ăn bổ sung có giá trị cao cho đàn gia súc có sừng như trâu, bò, dê, cừu,... bao gồm nguồn đạm phi protein và nguồn năng lượng dễ tiêu hóa. Khi được bổ sung tảng ure-rỉ mật đã làm tăng khả năng ăn được của gia súc đối với những thức ăn khó tiêu như rơm, cỏ khô, cây ngô già,... Từ đó làm cho chúng lớn nhanh, nhiều sữa, cày kéo khỏe hơn. 4.3.2.2. Phương pháp sản xuất:  Chuẩn bị nguyên liệu: Nguyên liệu để sản xuất bao gồm rỉ mật (hoặc mật), đạm ure, muối ăn, vôi bột, xi măng, cám gạo hoặc bột sắn khô, dây lang khô hay vỏ lạc khô,... (ở những vùng không có rỉ mật có thể dùng bột sắn nấu chín thay cho rỉ mật). Các chất độn nhiều xơ như dây lang khô, dây lạc khô phải được băm ngắn từ 1-2cm, vỏ lạc được nghiền nhỏ. Chú ý chỉ được dùng đạm ure (không dùng các loại phân đạm khác vì dễ làm cho gia súc ngộ độc). Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 52 Lớp: 08CSH2  Công thức của tảng ure-rỉ mật: Tảng ure-rỉ mật có thể được chế biến theo một trong các công thức theo bảng sau: Nguyên liệu Tỷ lệ % Công thức I Công thức II Rỉ mật 40-45 40-45 Ure 10 10 Vôi bột 3 - Xi măng 5 8 Muối ăn 5 5 Cám gạo hoặc bột sắn 10 10 Chất độn nhiều xơ (vỏ lạc, dây lang, dây lạc khô,...) 27-30 27-30  Tiến hành sản xuất:  Trộn nguyên liệu: Hỗn hợp các nguyên liệu theo các công thức trên theo 3 bước sau: + Bước một: Trộn ure muối ăn vào rỉ mật tạo ra hỗn hợp I (cần trộn thật đều). + Bước hai: Các nguyên liệu còn lại như cám gạo (bột sắn), vôi bột, xi măng và các chất độn nhiều xơ được trộn với nhau thành hỗn hợp II. + Bước ba: Trộn đều hỗn hợp I và II ta được hỗn hợp hoàn chỉnh. Sau khi trộn xong phủ ủ thành đống trong thời gian 30-45 phút, sau đó mới đóng thành những bánh nhỏ. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 53 Lớp: 08CSH2  Đóng bánh: Hỗn hợp trên được đóng thành các bánh bằng khuôn đóng gạch thủ công hay khuôn gạch xỉ. Sau đó để cho tảng tự khô trong 5-7 ngày, lúc đó mới dùng ho trâu bò ăn. 2.3.2.3. Cách sử dụng: Tảng ure-rỉ mật chỉ được dùng cho gia súc có sừng cho trâu, bò, dê, cừu. (Không dùng cho lợn và gia cầm vì ure gây độc cho chúng). Đặt tảng thức ăn nơi cao ráo, sạch sẽ trong chuồng (tránh mưa nắng, không để phân và nước tiểu lẫn vào). Tốt nhất là đặt vào máng gỗ buộc chắc trên tường dễ cho gia súc tự liếm hàng ngày. Lượng đạm phi-protein chứa trong 1kg tảng ure-rỉ mật kể trên tương đương với lượng protein (chất đạm) của 1kg khô đầu lạc ép cả vỏ (28,8%), nhưng giá thành rẻ hơn một nửa. Khi ăn thêm tảng ure-rỉ mật bò sữa tăng thêm 10-15% sản lượng sữa, bò thịt tăng trọng hàng tháng: 12-15kg. 4.3.3. Quy trình chế biến thân lá cây lạc bằng phương pháp ủ chua làm thức ăn cho lợn và trâu bò: 4.3.3.1. Giới thiệu vấn đề: Lạc là cây họ đậu khi thu hoạch củ thân lá vẫn còn xanh và giàu các chất dinh dưỡng. Năng suất chất xanh có thể tận dụng để chế biến làm thức ăn cho lợn đạt 5-6 tấn/ ha và cho trâu bò đạt 8-10 tấn/ ha. Như vậy ước tính hàng năm sản lượng thân lá lạc có thể dùng để chế biến làm thức ăn cho gia súc ở nước ta là gần 1,5 triệu tấn. Thân lá lạc lúc thu hoạch củ khá giàu chất dinh dưỡng; hàm lượng protein đạt 15-16% (xấp xỉ hàm lượng protein của bột cỏ Alfalfa). Những thân lá lạc còn chưa được sử dụng hợp lý, thường chỉ dùng làm phân xanh hoặc chất đốt. Những năm gần đây Viện chăn nuôi đã nghiên cứu thành công phương pháp ủ chua thân lá lạc dự trữ làm thức ăn cho lợn và trâu bò. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 54 Lớp: 08CSH2 Chất lượng thức ăn ủ tốt, đồng thời có thể dự trữ được 9-10 tháng góp phần tăng nguồn thức ăn cho gia súc trong mùa đông và mùa khô. 4.3.3.2. Phương pháp ủ:  Chuẩn bị thân lá lạc để ủ: Thân lá lạc sau khi thu hoạch củ được cắt bỏ phần gốc già (10-15cm) dùng dao băm nhỏ, kích thước từ 3-4cm (nếu ủ làm thức ăn cho trâu bò có thể băm từ 5-6cm). Băm xong không nên tấp thành đống mà nên tải ra trong bóng mát; nên tập trung nhân lực dể thực hiện việc chế biến hoàn chỉnh trong 1-2 ngày sau thu hoạch củ. Ngoài việc chuẩn bị thân lá cây lạc ra còn chuẩn bị thêm muối ăn và cám gạo hoặc bột sắn, bột khoai lang... (cứ 100kg thân lá lạc cần thêm 6-7kg cám gạo hoặc bột sắn, bột khoai và 0,5kg muối ăn).  Chuẩn bị hố ủ: Có nhiều cách tạo một hố ủ, việc ứng dụng loại hố ủ nào tùy thuộc vào điều kiện cụ thể từng gia đình. Tốt nhất là hố ủ nửa nổi nửa chìm ở nơi cao ráo không có nước thấm vào. Hố ủ cần đạt các điều kiện sau:  Kích cỡ hố ủ tính toán sao cho vừa đủ lượng thân lá lạc cần ủ (trung bình dung tích hố ủ là một mét khối sẽ ủ được 400-500kg thân lá lạc).  Độ chắc thành hố ủ: thân lá lạc ủ chua trong điều kiện lên men yếu khí vì vậy thành hố ủ càng kín chất lượng càng tốt. Tuyệt đối không được để nước bê ngoài ngấm vào hố ủ trong suốt thời gian chế biến và sử dụng.  Vật liệu dùng đệm lót: tốt nhất dùng tấm nylon hoặc tận dụng vải mua cũ, bao đựng phân đạm, lá chuối... mục đích chủ yếu tăng độ kín cho nguyên liệu ủ đồng thời tránh thức ăn bị nhiễm bẩn. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 55 Lớp: 08CSH2  Một số loại hố ủ: Hố ủ xây bằng gạch, xi măng, cát: rất tố xong giá thành khá cao, loại hình này có thể áp dụng cho các hộ nông dân có điều kiện. Hố ủ đào đắp bằng đất nửa nổi nửa chìm: là loại hố ủ có thể áp dụng rộng rãi trong các hộ nông dân. Tạo hố ủ kiểu này nên lưu ý đến các vật liệu dùng làm đệm lót (tốt nhất nên dùng nylon, vải mưa cũ, bao đựng phân đạm, lá chuối...) nếu không dễ bị nước ngấm vào nguyên liệu gây thối, mốc. Hố ủ nên làm ở nơi khô ráo sạch sẽ, không có nước thấm vào. 4.3.3.3. Tiến hành ủ: Hỗn hợp các nguyên liệu theo tỷ lệ: 100kg thân lá lạc đã băm cho thêm 6-7kg bột sắn khô, hoặc cám gạo và 0,5kg muối ăn, trộn đều ở ngoài hố ủ rồi bốc vào hố ủ theo từng lớp (mỗi lớp có độ dày 15-20cm dùng chân nén nguyên liệu cho chặt (càng chặt càng tốt). Cũng có thể cân lá lạc rồi trải vào hố ủ thành từng lớp có độ dày cũng từ 15- 20cm rồi rắc đều cám và muối theo tỷ lệ nêu trên, sau đó cũng nén lá lạc thật chặt. Cứ ủ lần lượt theo từng lớp như vậy cho tới khi hết thân lá lạc thì tiến hành lấp hố ủ. 4.3.3.4. Che phủ và lấp hố ủ: Sau khi nén hết thân lá lạc, ta dùng nylon, vải mưa cũ, bao tải dứa, lá chuối, phủ kín lên rồi dùng xẻng xúc đất tơi lấp lên (lớp đất dày cần thiết là 30-40cm), đầm nén chặt lớp đất và tạo thành hình mui rùa, sau khi ủ xong 3-5 ngày để cho đống ủ ngót xuống, ta lại đầm nén lớp đã phủ và cho thêm một chút đất lên mặt và nén chặt lại, dùng tranh, lá mía, lá cọ, hoặc rơm, rạ phủ lên đóng ủ một lớp dày để tránh nước mưa thấm xuống. Sau 50-60 ngày mới bắt đầu lấy dần cho gia súc ăn, thân lá lạc ủ đúng kỹ thuật hướng dẫn sẽ có chất lượng tốt, độ pH = 4,2-4,5; thơm mùi dưa muối, có màu vàng nhạt, gia súc rất thích ăn. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 56 Lớp: 08CSH2 Khi lấy thân lá lạc ra để cho gia súc ăn nên lấy gọn gàng, theo trình tự, tránh lãng phí, nên lật lớp đất lên trên vừa đủ rộng, không được cùng một lúc bóc hết toàn bộ lớp đất phủ phía trên hố ủ. Hàng ngày lấy thức ăn ủ cho giá súc ăn, sau đó cần dùng vải mưa hoặc bao tải che kín lại và tiếp tục không cho nước mưa thấm vào thức ăn ủ chua. Loại thức ăn này có thể dùng cho gia sú ăn dần trong 4-5 tháng mà chất lượng vẫn tốt, cho ăn sống, không nấu chín. Cho gia súc ăn tự do (theo khả năng mà chúng có thể ăn được). Có thể trộn lẫn cám và thức ăn khác vào lá lạc ủ chua, nhưng nên cho ăn khô, gia súc sẽ ăn được nhiều hơn. Thân lá lạc ủ chua giàu protein và vitamin, nên gia súc ăn vào sẽ lớn nhanh, khỏe mạnh. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 57 Lớp: 08CSH2 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG Ủ COMPOST TỪ NGUỒN PHỤ PHẨM GIÀU XƠ 5.1. Định nghĩa compost: Theo Haug, 1993 thì quá trình chế biến compost và compost được định nghĩa như sau: “Quá trình chế biến compost là quá trình phân hủy sinh học và ổn định của chất hữu cơ dưới điều kiện nhiệt độ thermorpholic. Kết quả của quá tr ình phân hủy sinh học tạo ra nhiệt, sản phẩm cuối cùng ổ định, không mang mầm bệnh và có ích trong việc ứng dụng cho cây trồng”. “Co mpos t l à sản phẩm của q uá t r ình chế b iến co mpos t , đã được ổ đ ịnh như humus, không chứa các mầm bệnh, không lôi kéo các côn trùng, có thể được lưu trữan toàn và có lợi cho sự phát triển của cây trồng”. Cũng có thể hiểu phân hữu cơ sinh học là sản phẩm phân bón được tạo thành thông qua quá trình lên men VSV các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc khác nhau (phế thải nông, lâm nghiệp, phế thải chăn nuôi, phế thải chế biến, phế thải đô thị, phế thải sinh hoạt…), trong đó các hợp chất hữu cơ phức tạp dưới tác động của VSV hoặc các hoạt chất sinh học được chuyển hoá thành mùn. 5.2. Các phản ứng sinh hoá xảy ra trong quá trình ủ: 5.2.1. Các phản ứng sinh hoá: Quá trình phân huỷ các chất có trong compost xảy ra khá phức tạp, theo nhiều giai đoạn và các sản phẩm trung gian. Ví dụ: Quá trình phân huỷ protein bao gồm các bước: Protein protides amino acids hợp chất ammonium nguyên dinh chất của vi khuẩn và N hoặc NH3. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 58 Lớp: 08CSH2 Đối với carbonhydrates, quá trình phân huỷ xảy ra theo các bước sau: Carbonhydrate đường đơn acids hữu cơ CO2 và nguyên sinh chất của vi khuẩn. Chính xác là những chuyển hoá hoá sinh xảy ra trong quá trinh compost vẫn chưa được nghiên cứu chi tiết. Các giai đoạn khác nhau trong quá trình compost có thể phân biệt theo sự biến thiên nhiệt độ sau:  Pha thích nghi (Latent phase): là giai đoạn cần thiết để cho VSV thích nghi với môi trường mới.  Pha tăng trưởng (Growth phase): thể hiện sự gia tăng nhiệt độ trong quá trình phân huỷ sinh học và làm cho nhiệt độ trong đống ủ tăng đến ngưỡng nhiệt độ mesophilic.  Pha ưa nhiệt (Thermophilic phase): là giai đoạn nhiệt độ tăng cao nhất. Trong phase này chất thải được ổn định và tiêu diệt VSV gây bệnh hiệu quả nhất. Phản ứng hoá sinh này được đặc trung bằng các phương trình (3.1) và (3.2) trong trường hợp làm phân compost hiếu khí và kị khí: CONHS + O2 + VSV hiếu khí CO2 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng (3.1) CONHS + O2 + VSV kị khí CO2 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng (3.2)  Pha trưởng thành (Maturation phase): giai đoạn nhiệt độ đến mức mesophilic và cuối cùng bằng nhiệt độ môi trường. Quá trình lên men lần thứ hai xảy ra chậm và thích hợp cho sự hình thành chất keo mùn (là quá trình chuyển hóa các phức chất hữu cơ thành mùn) và các chất khoáng (sắt, canxi, nitơ …) và cuối cùng thành mùn. Các phản ứng nitrate hóa, trong đó amoni (sản phẩm phụ của quá trình ổn định hóa chất thải như trình bày ở hai phương trên) bị oxy hóa sinh học tạo thành nitrit (NO2-) và cuối cùng thành nitrate (NO3-) cũng xảy ra như sau: Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 59 Lớp: 08CSH2 NH4+ + ଷ ଶ ܱଶ NO2 - + 2H+ + H2O NO2- + ଵ ଶ ܱଶ NO3 - Kết hợp hai phương trình trên, quá trình nitrate hoá diễn ra như sau: NH4+ + 2O2 NO3- + 2H+ + H2O (3.3) Vì NH4+ cũng được tổng hợp trong mô tế bào, phản ứng đặc trưng cho quá trình tổng hợp trong mô tế bào là: NH4+ + 4CO2 + HCO3- + H2O C5H7O2N + 5O2 (3.4) Kết hợp ( 3.3) và (3.4) ta có phương trình phản ứng nitrate hoá tổng cộng: 22NH4+ + 37O2 + 4CO2 + HCO3- 21NO3- + C5H7O2N + 20H2O + 42H+ 5.2.2. Các phản ứng sinh học: Ủ compost là một quá trình sinh học mà các chất hữu cơ có trong phụ phế phẩm giàu xơ bị biến đổi thành hcaats mùn ổn định cho hoạt động của các tổ chức cơ thể sống trong điều kiện tự nhiên hiện. Các tổ chức này bao gồm các loại VSV như: vi khuẩn, nấm, động vật nguyên sinh (protozoa). Các loại vi khuẩn thermophilic, hầu hết là các loài Bacillus đóng vai trò quan trọng trong việc phân huỷ protein và hợp chất carbonhydrate. Mặc dù chỉ hoạt động bên lớp ngoài của đống ủ và chỉ hoạt động vào giai đoạn cuối nhưng nhóm Actinomycetes đóng vai trò quan trọng trong việc phân huỷ cellulose , lignin và các chất bền vững khác. Sau giai đoạn tiêu thụ bậc 1 hay sơ cấp thực hiện xong, các chất này sẽ là thức ăn cho VSV tiêu thụ thứ cấp như ve, bọ cánh cứng, giun tròn, động vật nguyên sinh và phiêu sinh. Nitrosomonas bacteria Nitrosomonas bacteria Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 60 Lớp: 08CSH2 5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ compost: 5.3.1. Các yếu tố vật lý:  Nhiệt độ: Nhiệt trong khối ủ là sản phẩm phụ của sự phân hủy các hợp chất hữu cơ bởi VSV, phụ thuộc vào kích thước của đống ủ, độ ẩm, không khí và tỷ lệ C/N, mức độ xáo trộn và nhiệt độ môi trường xung quanh. .Nhiệt độ trong hệ thống ủ không hoàn toàn đồng nhất trong suốt quá trình ủ, phụ thuộc vào lượng nhiệt tạo ra bởi các VSV và thiết kế của hệ thống. Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính của VSV trong quá trình chế biến phân hữu cơ và cũng là một trong các thông số giám sát và điều khiển quá trình ủ compost. Trong luống ủ, nhiệt độ cần duy trì là 55 – 650C, vì ở nhiệt độ này, quá trình chế biến phân vẫn hiệu quả và mầm bệnh bị tiêu diệt. Nhiệt độ tăng trên ngưỡng này, sẽ ức chế hoạt động của VSV. Ở nhiệt độ thấp hơn, phân hữu cơ không đạt tiêu chuẩn về mầm bệnh. Nhiệt độ trong luống ủ có thể điều chỉnh bằng nhiều cách khác nhau như hiệu chỉnh tốc độ thổi khí và độ ẩm, cô lập khối ủ với môi trường bên ngoài bằng cách che phủ hợp lý. Bảng 5.1: Giới hạn chịu nhiệt tốt nhất của VSV Vi sinh vật Nhiệt độ giới hạn(0C) Nhiệt độ tốt nhất (0C) Psychrophilic 0 – 30 15 Mesopilic 20 – 40 32 Thermophilic 40 – 70 55 (Nguồn: van Lierop et al) Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 61 Lớp: 08CSH2  Độ ẩm: Độ ẩm (nước) là một yếu tố cần thiết cho hoạt động của VSV trong quá trình chế biến phân hữu cơ. Vì nước cần thiết cho quá trình hoà tan dinh dưỡng vào nguyên sinh chất của tế bào. Độ ẩm tối ưu cho quá trình ủ compost nằm trong khoảng 50-60%. Các vi sinhvật đóng vai trò quyết định trong quá trình phân hủy CTR thường tập trung tại lớp nước mỏng trên bề mặt của phân tử CTR. Nếu độ ẩm quá nhỏ (< 30%) sẽ hạn chế hoạt động của vi sinh vật, còn khi độ ẩm quá lớn (> 65%) thì quá trình phân hủy sẽ chậm lại, sẽ chuyển sang chế độ phân hủy kỵ khí vì quá trình thổi khí bị cản trở do hiện tượng bít kín các khe rỗng không cho không khí đi qua, gây mùi hôi, rò rỉ chất dinh dưỡng và lan truyền vi sinh vật gây bệnh. Độ ẩm ảnh hưởng đến sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình ủ vì nước có nhiệtdung riêng cao hơn tất cả các vật liệu khác. Độ ẩm thấp có thể điều chỉnh bằng cách thêm nước vào. Độ ẩm cao có thể điều chỉnh bằng cách trộn với vật liệu độn có độ ẩm thấp hơn như: mạt cưa, rơm rạ… Thông thường độ ẩm của phân bắc, bùn và phân động vật thường cao hơn giá trịtối ưu, do đó cần bổ sung các chất phụ gia để giảm độ ẩm đến giá trị cần thiết.  Kích thước hạt: Kích thước hạt ảnh hưởng lớn đến tốc độ phân hủy và khả năng giữ ẩm. Quá trình phân hủy hiếu khí xảy ra trên bề mặt hat, hạt có kích thước nhỏ sẽ có tổng diện tích bề mặt lớn nên sẽ tăng sự tiếp xúc với oxy, gia tăng vận tốc phân hủy. Tuy nhiên, nếu kích thước hạt quá nhỏ và chặt làm hạn chế sự lưu thông khí trong đống ủ, điều này sẽ làm giảm oxy cần thiết cho các vi sinh vật trong đống ủ và giảm mức độ hoạt tính của vi sinh vật.Ngược lại, hạt có kích thước quá lớn sẽ có độ xốp cao và tạo ra các rãnh khí làm cho sự phân bố khí không đều, không có lợi cho quá trình chế biến phân hữu cơ. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 62 Lớp: 08CSH2 Đường kính hạt tối ưu cho quá trình chế biến khoảng 3 – 50mm. Kích thước hạt tối ưu có thể đạt được bằng nhiều cách như cắt, nghiền và sàng vật liệu thô ban đầu.  Độ xốp: Đây là một yếu tố quan trọng trong quá trình chế biến compost. Độ xốp tối ưu sẽ thay đổi tuỳ theo loại vật liệu chế biến compost. Thông thường, độ xốp cho quá trình chế biến diễn ra tốt khoảng 35 – 60%, tối ưu là 32 – 36%. Độ xốp thấp sẽ hạn chế sự vận chuyển oxy, nên hạnchế sự giải phóng nhiệt và làm tăng nhiệt độ trong khối ủ. Ngược lại, độ xốp cao có thể dẫn tới nhiệt độ trong khối ủ thấp, mầm bệnh không bị tiêu diệt. Độ xốp có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng vật liệu tạo cấu trúc với tỉ lệ trộn hợp lý.  Thổi khí: Khối ủ được cung cấp không khí từ môi trường xung quanh để VSV sử dụng cho sự phân hủy chất hữu cơ, cũng như làm bay hơi nước và giải phóng nhiệt. Nếu khí không được cung cấp đầy đủ thì trong khối ủ có thể có những vùng kị khí,gây mùi hôi. Lượng không khí cung cấp cho khối phân hữu cơ có thể thực hiện bằng cách:  Đảo trộn.  Cắm ống tre.  Thải chất thải từ tầng lưu chứ trên cao xuống thấp.  Thổi khí. Quá trình đảo trộn cung cấp khí không đủ theo cân bằng tỉ lượng. Điều kiện hiếu khí chỉ thỏa mãn đối với lớp trên cùng, các lớp bên trong hoạt động trong môi trường tuỳ tiện hoặc kị khí. Do đó, tốc độ phân hủy giảm và thời gian cần thiết để quá trình ủ phân hoàn tất bị kéo dài. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 63 Lớp: 08CSH2 Cấp khí bằng phương pháp thổi khí đạt hiệu quả phân hủy cao nhất. Tuy nhiên,lưu lượng khí phải được khống chế thích hợp. Nếu cấp quá nhiều khí sẽ dẫn đến chi phí cao và gây mất nhiệt của khối phân, kéo theo sản phẩm không đảm bảo an toàn vì có thể chứa vi sinh vật gây bệnh. Khi pH của môi trường trong khối phân lớn hơn 7, cùng với quá trình thổi khí sẽ làm thất thoát nitơ dưới dạng NH3. Trái lại, nếu thổi khí quá ít, môi trường bên trong khối phân trở thành kị khí. Vận tốc thổi khí cho quá trình ủ phân thường trong khoảng 5 –10m3 khí/tấn nguyên liệu/h. 5.3.2. Các yếu tố hoá sinh:  Tỷ lệ C/N: Có rất nhiều nguyên tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy do vi sinh vật: trong đó carbon và nitơ là cần thiết nhất, tỉ lệ C/N là thông số dinh dưỡng quan trọng trong cân bằng dinh dưỡng cho VSV; Phot pho (P) l à n guy ên tố quan t rọng kế t i ếp ; Lưu huỳnh (S) , c anx i (Ca) và c ác n guy ên tố vi l ượng khác cũng đóng va i t rò qua n t rọng t r ong t rao đổ i chấ t . Carbon cung cấp năng lượng và sinh khối cơ bản để tạo ra khoảng 50% khối lượng tế bào VSV. Nitơ là thành phần chủ yếu của protein, acid nucleic, acid amin, enzyme, co-enzyme cần thiết cho sự phát triển và hoạt động của tế bào. Tỷ lệ C/N tối ưu cho quá trình ủ phân rác khoảng 25 – 30. Ở mức tỷ lệ thấp hơn, nitơ sẽ thừa và sinh ra khí NH3, nguyên nhân gây ra mùi khai. Ở mức tỷ lệ cao hơn, sự phân hủy xảy ra chậm. Tỷ lệ C/N ở sản phẩm compost thông thường thu được từ 15 – 20 là tốt nhất. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 64 Lớp: 08CSH2 Tỷ lệ C/N của các chất thải khác nhau được trình bày trong bảng sau: Bảng 5.2: Tỷ lệ C/N của chất thải.  Oxy: Oxy cũng là một trong những thành phần cần thiết cho quá trình ủ compost. Không khí ở môi trường xung quanh cung cấp tới khối ủ compost để VSV phân huỷ chất hữu cơ cũng như làm bay hơi nước và giải phóng nhiệt độ. Nếu không khí không được cung cấp đầy đủ có thể h ình thành những vùng kị khí bên trong khối ủ compost có thể gây mùi hôi. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 65 Lớp: 08CSH2 Lượng khí cung cấp vào khối ủ có thể thực hiện bằng phương pháp thủ công nhưu đảo trộn theo chu kỳ thời gian, đặt các ống tre thông khí hoặc thổi khsi bằng máy cấp khí. Quá trình đảo trộn nhằm cung cấp không khí chỉ thoả mãn điều kiện hiếu khí đối với mặt trên khố ủ còn ở bên trong có thể là môi trường tuỳ nghi hoặc kị khí. Do đó tốc độ phân huỷ và thời gian cần thiết để sản xuất compost có thể kéo dài và gây mùi hôi khó chịu. Các vi sinh vật hiếu khí có thể sống được ở nồng độ oxy bằng 5%. Nồng độ oxylớn hơn 10% được coi là tối ưu cho quá trình ủ phân rác hiếu khí.  Dinh dưỡng: Cung cấp đủ photpho, kali và các chất vô cơ khác như Ca, Fe, Bo, Cu,... là cần thiết cho sự chuyển hóa của vi sinh vật. Thông thường, các chất dinh dưỡng này kh ôn g có g iới hạn bở i chúng h iện d iện phong phú t rong c ác vậ t l iệu là m n guồnnguyên liệu cho quá trình ủ compost.  pH: Giá trị pH trong khoảng 5,5 – 8,5 là tối ưu cho các VSV trong quá trình ủ compost. Các VSV, nấm tiêu thụ các hợp chất hữu cơ và thải ra các acid hữu cơ. Trong giai đầu của quá trình ủ compost, các acid này bị tích tụ và kết quả là làm giảm pH, kìm hãm sự phát triển của nấm và VSV, kìm hãm sự phân hủy lignin và cellulose. Các acid hữu cơ sẽ tiếp tục bị phân hủy trong quá trình ủ compost. Nếu hệ thống trở nên yếm khí, việc tích tụ các acid có thể làm pH giảm xuống đến 4,5 và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của VSV. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 66 Lớp: 08CSH2  Vi sinh vật: Chế biến compost là một quá trình phức tạp bao gồm nhiều loại VSV khác nhau. Vì sinh vật trong quá trình chế biến phân hữu cơ bao gồm: actinomycetes và vi khuẩn. Những loại VSV này có sẵn trong chất hữu cơ, có thể bổ sung thêm VSV từ các nguồn khác để giúp quá trình phân hủy xảy ra nhanh và hiệu quả hơn.  Vi khuẩn: có mặt hầu hết trong các giai đoạn sản xuất compost. Hoạt động của VSV trong quá trình ủ compost có đến 80 – 90% là do vi khuẩn, bao gồm Streptococus sp, Bacillus sp, Vibro sp.  Actinomycetes: thường xuất hiện vào khoảng tuần thứ 5 – 7 trong quá trình ủ bao gồm: Micromonospora, Streptomyces, Actinomycetes.  Nấm: giới hạn nhiệt độ của nấm là khoảng 600C gồm các loại: Aspergillus, Penicillin, Fusarium, Trichoderma và Chaetomonium.  VSV gây bệnh: một trong những yêu cầu của sản xuất compost là phải hạn chế đến mức tối đa các loài VSV gây hại có trong sản phẩm. Theo lý thuyết nếu nguyên liệu để sản xuất compost không có chứa phân, chất thải sinh học thì sản phẩm đầu ra sẽ ít các loài gây bệnh. Tuy nhiên trên thực tế nguyên liệu đầu vào cho quá trình chế biến compost không phải lúc nào cũng đáp ứng các yêu cầu đó. Do đó, để đảm bảo tiêu chuẩn tiêu diệt mầm bệnh cho cây trồng, trong lúc vận hành chế biến compost chúng ta phải đảm bảo nhiệt độ để có thể tiêu diệt được hết mầm bệnh.  Chất hữu cơ: Vận tốc phân hủy dao động tuỳ theo thành phần, kích thước, tính chất của chấthữu cơ. Chất hữu cơ hoà tan thì dễ phân hủy hơn chất hữu cơ không hoà tan. Lignin và ligno – cellulosics là những chất phân hủy rất chậm. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 67 Lớp: 08CSH2 Bảng 5.3: Các thông số quan trọng trong quá trình ủ compost hiếu khí (Nguồn: Tchobanoglous và cộng sự, 1993). Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 68 Lớp: 08CSH2 5.4. Ủ compost bằng nguồn phụ phế phẩm giàu xơ: Sử dụng VSV trong xử lý môi trường là một hướng đi đúng đã và đang được thế giới cũng như trong nước quan tâm với những lợi ích: thân thiện, không tạo ra các sản phẩm độc hại cho môi trường, chi phí xử lý thấp,…Trong đó, chuyển hóa nguồn phế thải sau thu hoạch giàu cellulose nhờ VSV là một giải pháp hữu ích vừa tạo nguồn phân bón lớn cung cấp cho cây trồng vừa là giải pháp phát triển nông nghiệp bền vững. Quy trình sản xuất chế phẩm sinh học Compost Maker bao gồm các chủng VSV: VSV phân giải cellulose; VSV phân giải lân; VSV cố định đạm và VSV hỗ trợ trên nền than bùn có mật độ các chủng vi sinh vật từ 10 8 -10 9 CFU/g. Việc sản xuất vi sinh vật từ phụ phẩm khá đơn giản và dễ thự hiện:  Xử lý thô nguồn nguyên liệu phụ phế phẩm nông nghiệp và các nhà máy chế biến.  Phối trộn với chế phẩm Compost Maker và một vài phụ liệu khác như đạm, kali, rỉ mật…  Độ ẩm cuối cùng của hỗn hợp cần đạt từ 45-50%. Ủ hỗn hợp với chiều cao tối đa của đống ủ 0,5 mét (nơi ủ có mái che để tránh mưa). Sản phẩm phân bón hữu cơ thu được tơi xốp, đạt mật độ các chủng VSV đưa vào xử lý lớn hơn hoặc bằng 10 6 CFU/g, không chứa các chủng VSV gây hại (như các loại nấm Fusarium, Aspergillus niger và vi khuẩn gây bệnh héo xanh trên cây họ cà…), hàm lượng nitơ, kali, photpho hữu hiệu đạt tiêu chuẩn về phân bón. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 69 Lớp: 08CSH2 Chế phẩm Compost Maker và phân bón hữu cơ vi sinh đã rút ngắn thời gian xử lý các hợp chất hữu cơ các chủng vi sinh vật phân giải nhanh; rút ngắn thời gian xử lý phụ phế phẩm; nhiệt độ sinh khối ủ tăng sau 1-2 ngày và đạt cực đại 45 - 70 0 C sau 7-15 ngày. Sau 30 ngày ủ, nguyên liệu được phân huỷ 100%, bón cho cây chè năng suất tăng 25% so với khi chưa sử dụng nguồn phân hữu cơ vi sinh. Sản phẩm tạo ra các chất giàu carbon chuyển hóa màu và dễ bị mùn, khử được mùi hôi, an toàn đối với cây trồng, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. 5.5. Chất lượng compost: dựa trên bốn yếu tố: Mức độ lẫn tạp chất: thuỷ tinh, plastic, đá, kim loại nặng, chất thải hoá học, thuốc trừ sâu. Nồng độ các chất dinh dưỡng: dinh dưỡng đa lượng như N, P, K; dinh dưỡng trung lượng Ca, Mg, S; dinh dưỡng vi lượng Fe, Zn, Cu, Mo, Co, Bo,… Mật độ VSV gây bệnh: thấp ở mức không ảnh hưởng đến cây trồng. Độ ổn định: độ chín hoại của phân và hàm lượng chất hữu cơ. 5.6. Tính cần thiết của compost: Cải thiện cơ cấu đất: phân hữu cơ vi sinh khi bón vào đất sẽ làm cho nơi đó có đất sét, đất bạc màu, đất quánh được rã ra và khi gặp lại đất cát lại làm cho đất cát rời dính lại với nhau, giúp đất thông khí dễ dàng. Quân bình độ pH trong đất: phân hữu cớ vi sinh cũng ứng đầy đủ các chất hữu cớ để chống lại sự thay đổi pH. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 70 Lớp: 08CSH2 Tạo ra sự màu mỡ trong đất: phân hữu cơ vi sinh chưa Nito, photpho, lân, magie, lưu huỳnh nhưng đặc biệt là các chất được hấp thụ vào đất những gì đã mất đi. Duy trì độ ẩm cho đất: các chất hữu cơ trong phân khi hoà tan vào đất sẽ trở thành một miếng xốp hút nước rồi luân chuyển nước vào trong đất nuôi cây. Nếu đất thiếu chất hữu cơ sẽ khó thẩm thấu nước từ đó đất sẽ bị đóng màng làm nước bị ứ đọng trên mặt sẽ gây lụt lội, xối mòn đất. Tạo môi trường tốt cho các vi khuẩn có lợi trong đất sinh sống: phân hữu cơ vi sinh có khả năng cung cấp các chất dinh dưỡng làm cho đất tơi xốp, từ đó tạo ra môi trường sống cho các loại côn trùng và những loài vi sinh chống lại tuyến trùng làm hư rễ cây cũng như tiêu diệt các loại côn trùng phá hoại đất, gây bệnh cho cây trồng. Trung hòa độc tố trong đất trồng: Những nghiên cứu quan trọng gần đây chỉ ra rằng cây phát triển trong đất trồng có bón phân hữu cơ vi sinh, hấp thụ ít chì, kim loại nặng và chất ô nhiễm của đô thị. Dự trữ Nitơ: Phân hữu cơ vi sinh là nhà kho nitơ, vì nó bị ràng buộc trong quá trình phân hủy, nitơ có thể hòa tan trong nước không bị thấm đi hay oxy hóa vàokhông khí trong khoảng thời gian từ 3 – 6 tháng và phụ thuộc vào nhiều đống phân được đổ có duy trì như thế nào. Thông khí: Cây có thể đạt được 95% chất dinh dưỡng cần thiết từ không khí,ánh sáng và nước. Đất trồng không chặt khít, khỏe mạnh giúp cho sự khuếch tán không khi vào đất trồng trọt vào tro đổi chất dinh dưỡng và độ ẩm oxit carbon được thoáng ra do chất hữu cơ, phân hủy khuếch ra ngoài đất trồng và được hấp thụ bởi các vòm lá bên trên, được tạo ra bởi các cây cách đều nhau, gần nhau. Tân tiến nhất trong quá trình tái sinh: Đất cung cấp cho ta thực phẩm,quần áo và nơi sinh sống chúng ta, khép kín chu trình cung cấp độ phì nhiêu, sức khỏe cộng đồng thông qua chế biến các vật liệu. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 71 Lớp: 08CSH2 Bảng 5.4: Tiêu chuẩn ngành 10 TCVN 525 – 2002 phân hữu cơ VSV từ bã mía của Bộ Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn. Tên chỉ tiêu Đơn vị tính Mức 1. Hiệu quả đối với cây trồng Tốt 2. Độ chín (hoai) cần thiết Tốt 3. Đường kính hạt không lớn hơn mm 4-5 4. Độ ẩm không lớn hơn % 35 5. pH 6,0-8,0 6. Mật độ vi sinh vật hữu hiệu (đã được tuyển chọn) không nhỏ hơn CFU/ g mẫu 106 7. Hàm lượng cacbon tổng số không nhỏ hơn % 13 8. Hàm lượng nitơ tổng số không nhỏ hơn % 2,5 9. Hàm lượng lân hữu hiệu không nhỏ hơn % 2,5 10. Hàm lượng kali hữu hiệu không nhỏ hơn % 1,5 11. Thời hạn bảo quản không ít hơn tháng 6 ( Nguồn: Bộ Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn, 2002) Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 72 Lớp: 08CSH2 CHƯƠNG 6: ỨNG DỤNG PHỤ PHẨM GIÀU XƠ TRONG VIỆC TẠO NGUỒN NHIÊN LIỆU SẠCH (BIO-ETHANOL) 6.1. Giới thiệu: Nguồn phế liệu nông nghiệp và lâm nghiệp có bản chất là lignocelluloses đang được thực nghiên cứu sản xuất làm cồn sinh học. Đó là một nguồn nguyên liệu dồi dào, không những giúp hạn chế được sự cạnh tranh nguồn đất dùng cho sản xuất thực phẩm mà còn giúp cho việc tái sử dụng các nguồn phế liệu một cách hiệu quả nhất. Việc sản xuất ethanol từ nguồn này đem lại nhiều nguồn lợi nhưng sự phát triển của nó đang bị hạn chế bởi những khó khăn về mặt kinh tế và kỹ thuật một cách tối ưu. 6.2. Cách thực hiện: 6.2.1. Bước 1: Quá trình tiền xử lý nguyên liệu: Nhằm tạo ra một dạng cellulose đơn giản hơn để cho quá trình thuỷ phân dễ dàng hơn, các enzyme có thể tiếp xúc tối đa với cơ chất tương thích. Phương thức và hiệu quả của quá trình tiền xử lý thay đổi tuỳ thuộc vào đặc tính cấu trúc của nguồn nguyên liệu được lựa chọn. Sơ đồ 6.1: Qui trình sản xuất ethanol từ nguồn phế liệu lignocellulose Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 73 Lớp: 08CSH2 Giai đoạn này bao gồm:  Sử dụng cơ học làm giảm kích thước nguyên liệu.  Một số phương pháp hoá sinh để loại bỏ lignin (lignin là thành phần không thế chuyển đổi thành ethanol). Rất nhiều phương pháp được sử dụng bao gồm các phương pháp hoá học trong đó phương pháp xử lý bằng hơi nước kết hợp với xử lý bằng acid/alkali đang được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên xử lý bằng phương pháp hoá học gây nhiều tốn kém và ảnh hưởng đến môi trường, do đó hiện nay phương pháp sinh học đang dần được hoàn thiện hơn để thay thế toàn phần hay sử dụng kết hợp với các phương pháp hoá học. Bằng cách sử dụng các loại nấm như Cyathus sp, Streptomyces viridosporus, Phelebia tremellosus, Pleurotus florida và Pleurotus cornucopiae có khả năng phân huỷ lignin và hỗ trợ một phần thuỷ phân nguồn nguyên liêuh cellulose. Tuy nhiên, thời gian xử lý sẽ kéo dài cũng là một hạn chế lớn của phương pháp này. 6.2.2. Bước 2: Thuỷ phân nguồn nguyên liệu bằng tổ hợp enzyme: Quá trình gây tiêu tốn nhiều chi phí trong gai đoạn sản xuất cồn. Bằng kỹ thuật di truyền, các nhà nghiên cứu đang hướng đến việc tạo ra một tổ hợp enzyme có thể thuỷ phân nguồn nguyên liệu lignocelluloses hiệu quả nhất. Thuỷ phân hoàn toàn nguồn lignocelluloses cần có những sự chuyển đổi các nhóm polysaccharide sau:  Glucosidase tạo ra sản phẩm cuối cùng là glucose (β – 1,4 – glycoside). Quá trình thuỷ phân bằng tổ hợp enzuyme cellulose bao gồm cellobiohydrolase (exoglucanase), endoglucose và β – D – glucose thông qua liên kết β chuyển đổi cellulose: Cellulose là loại polysaccharide đồng hình được cấu thành từ các đơn phân.  L- arabinofuranosidase, α – glucuronidase và α – xylosidase, β – xylanse chuyển đổi hermicellulose: hermicellulose là thành phần dồi dào nhất thứ hai trong nguồn nguyên liệu lignocelluloses (25 – 30%). Hermicellulose là một loại polymer dị hình được tạo thành từ các đơn phân pentose (D-xylose, D-arabinose), đơn phân hexose Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 74 Lớp: 08CSH2 (D-mannose, D- glucose, D-galactose) và các acid đường. Xylan là thành phần thường thấy trong cây thân gỗ cứng, tuy nhiên glucomanan lại là thành phần chính trong các loại thực vật thân mềm. tổ hợp enzyme để thuỷ phân hermicellulose cũng rất phức tạp. Chuyển hoá pectin: pectin là thành phần chiếm thứ ba trong nhóm polysaccharide cấu thành nên vách tế bào thực vật. Tương tự pectin cũng có thể được chuyển hoá thành các dạng đường hoà tan, ethanol hay biogas. Một số enzyme liên quan đến thuỷ phân pectin như: polymethylgalacturanosidase, exopolygalacturanosidase, exopolygalactu- ronase hydrolase. Nguồn ezyme được sử dụng phố biến hiện nay là Trichoderma reesei và Aspergillus niger. Hiện nay, người ta đang thay thế dần các hệ enzyme chịu nhiệt, chịu các điều kiện hoá học quá hạn. Hơn hết là các nghiên cứu về phức hợp cellulosone của các vi khuẩn kỵ khí đang dần mở ra một con đường mới nhằm tăng hiệu quả thuỷ phân của tổ hợp trên các loại nguyên liệu lignocelluloses. 6.2.3. Bước 3: Lên men cồn từ hỗn hợp đường hoà tan: Để sản xuất một lượng cồn lớn thì việc lựa chọn một chủng nấm men thích hợp là rất cần thiết. Những giống nấm men thường được sử dụng trong sản xuất công nghiệp cồn như: Saccharomyces spp mà hiện tại một số loài như S.cerevisiea hay S. uvarum là giống có khả năng tạo độ cồn cao (12-13%), hay đặc biệt S. oviformis có khả năng tạo độ cồn 18% đặc biệt các loài nấm men này có khả năng lên men được rất nhiều đường khác nhau như: glucose, manose, saccharose, maltose và rafinose, tuy nhiên không có khả năng lên men galactose. Ngoài ra còn có Zymononas mobilis cũng thường được sử dụng trong quá trình rượu hoá. Tuy nhiên cả Saccharomyces và Zymononas sp đều thiếu hoàn toàn khả năng chuyển hoá các loại đường pentose. Khuynh hướng biến đổi gen của hai giống này nhằm giúp biểu hiện khả năng chuyển hoá 2 loại đường pentose phổ biến nhất là D-xylose, và L – arabinose cũng đã được phát triển nhiều. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 75 Lớp: 08CSH2 Gần đây, người ta phát hiện thấy có một số loài nấm men như: Pichia stipitis, Candida shehatae, Pachyhysolen tannophillus là những chủng có khả năng chuyển hoá xylose mạnh và đã được dùng trong sản xuất ethanol. Trong đó P. stipilis lại nổi bật bởi khả năng sản xuất hàm lượng cồn cao và nhu cầu dinh dưỡng của chúng không quá phức tạp so với các giống nấm men khác. Ngoài ra, các chủng chịu nhiệt độ cao như: G. thermoglucosidasius, T. mathranii, T. saccharolyticum cũng đang được sử dụng. Quá trình lên men cồn của chúng có nhiều lợi ích hơn quá trình chuyển hoá xảy ra ở nhiệt độ trung bình. Chúng có khả năng lên men không chỉ đường pentose, hexose mà còn có khả năng lên men cellubiose, thậm chí trong một số trường hợp những cơ chất polycarbonhydrate phức tạp như cellolose. Quá trình lên men ở nhiệt độ cao giúp quá trình thu hồi sản phẩm dễ dàng hơn bởi vì ethanol có chứa nước ( aqueous ethanol) sẽ bốc hơi ở nhiệt độ 550C, đồng thời làm giảm nồng độ cồn trong bồn lên men nhằm giảm thiểu ảnh hưởng ngược lại của nồng độ cồn đến sự phát triển của tế bào, từ đó giảm được chi phí sản xuất. 6.2.4. Bước 4: Chưng cất – khử nước: Quá trình tách nước và tinh sạch ethanol để đáp ứng đặc điểm kỹ thuật nhiên liệu. 6.3. Kết luận: Sự biến đổi phế liệu nông nghiệp thành các nguồn nguyên liệu cụ thể là ethanol còn là thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất. Các chủng cần được cải tiến để tăng cường tổng hợp tổ hợp enzyme thuỷ phân hiệu quả hay tăng cường khả năng chuyển hoá nhiều dạng đường thành ethanol bằng kỹ thuật biến đổi gen, biến đổi quá trao đổi chất nên cần được phát triển để tạo ra nguồn năng lượng chi phí thấp mà không ảnh hưởng đến môi trường trong tương lai. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 76 Lớp: 08CSH2 KẾT LUẬN  Trong quá trình sản xuất nông nghiệp hay chế biến nông sản, bên cạnh những sản phẩm chính, dù muốn hay không chúng ta cũng còn có những phần sản phẩm phụ khác. Khối lượng phụ phẩm này rất lớn, thực sự là nguồn tài nguyên phong phú và có giá trị nếu biết cách xử lý, nếu không, chúng có thể gây nên ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng tốt hơn các nguồn phụ phẩm này sẽ góp phần làm tăng thu nhập cho nông dân và tăng thu nhập/ha đất nông nghiệp như mục tiêu 50 triệu đồng/ha. Phụ phẩm nông nghiệp đều là những chất hữu cơ, có thể còn non, xanh; có thể đã xơ cứng vì silic hoá như trấu hay lignin hoá như gỗ. Chúng còn có thể được xem như là một dạng tích trữ năng lượng từ mặt trời nhờ quá trình quang tổng hợp và các quá trình sinh học khác trong sản xuất nông nghiệp. Thành phần xơ của phụ phế phẩm chủ yếu là cellulose, hemicelluloses và lignin, chúng liện kết với nhau chặt chẽ làm nên vách tế bào thực vật gọi chung là lignocellulose. Trong tự nhiên các vi sinh vật tổng hợp được các phức hợp enzyme thủy phân lignin, hemicelluloses và cellulose do hoạt động hiệp lực của nhiều phức hợp enzyme của cả một quần thể vi sinh vật. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 77 Lớp: 08CSH2 Sử dụng enzyme để xử lý phụ phế phẩm giàu xơ là một phương pháp tiên tiến làm tăng gia 1trị phụ phế phẩm nhưng trên thực tế đang gặp nhiều khó khăn vì người ta chỉ phân lập được một số giới hạn vi sinh vật phâ hủy xơ và sản xuất được một số giới hạn phức hợp enzyme cần thiết. Để tạo điều kiện cho các enzyme này hoạt động trong tự nhiên (thức ăn giá súc nhai lại) hay ngoài tự nhiên (thủy phân xơ thành đường sản xuất bioethanol). Các phụ phế phẩm giàu xơ cần được tiền xử lý loại bỏ lignin, phá vỡ mạng lưới liên kết chằng chịt lignin-hemicellulose – cellulose, phá vỡ cấu trúc tinh thể cellulose để tạo điều kiện cho các cellulase và xylanase hoạt động dễ dàng hơn. Ủ compost từ phụ phế phẩm giàu xơ cũng là biện pháp giúp xơ được phân hủy nhanh hơn, kết hợp với các phụ phẩm khác tạo thành phân bón có giá trị. Quá trình này được tăng cường sinh học bởi các chế phẩm EM chứa vi sinh vật phân hủy xơ đã được phân lập và tuyển chọn. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 78 Lớp: 08CSH2 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Vũ Duy Giảng, Nguyễn Xuân Bá, Lê Đức Ngoan, Nguyễn Xuân Trạch, Vũ Chí Cương, Nguyễn Hữu Văn (2008). Dinh dưỡng và thức ăn cho bò, Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội. 2. Nguyễn Xuân Trạch (2003). Sử dụng phụ phẩm nuôi gia súc nhai lại, Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội. 3. Phước Toàn, Thanh Mai, Công nghệ sản xuất cồn sinh học từ nguồn nguyên liệu lignocelluloses, 6/2011, hoc-tu-nguon-nguyen-lieu-lignocellulose.364084.html . 4. VHM Nguyễn, Tổng quan tài liệu, 6/2011, anh-chuong1.doc . 5. Võ Thị Tường Vi (2007). Nghiên cứu đánh giá hiệu quả của biện pháp tăng cường sinh học trong sản xuất compost từ rác thải sinh hoạt, Trường Đại học Kỹ thuật công nghệ TP.HCM, Hồ Chí Minh. 6. PGS, TS Bùi Văn Chính, Chế biến và sử dụng có hiệu quả Nguồn phụ phẩm nông nghiệp, chứa nhiều chất xơ cho gia súc, 6/2011, . 7. ThS. Huỳnh Ngọc Điền, Sử dụng tốt hơn nguồn phụ phẩm để tăng thu nhập, 6/2011, 8. Nguồn: Số liệu thống kê (2001) – NXB Thống kê, 2002; Bùi Văn Chính, Lê Viết Ly, 1996,2001. 9. Nguồn: Tchobanoglous và cộng sự, 1993. 10. Nguồn: Bộ Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn, 2002. 11. Nguồn: Renjie Dong, Energy supply and environment protection in coutryside development, 2007. Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 79 Lớp: 08CSH2 Table of Contents CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ................................................................................................ 1 1.1. Đặt vấn đề: ...................................................................................................... 1 1.2. Mục tiêu: ......................................................................................................... 2 1.3. Nội dung nghiên cứu: ...................................................................................... 2 1.4. Phương pháp thực hiện khóa luận: ............................................................ 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHỤ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP .......................... 3 2.1. Định nghĩa phụ phế phẩm nông nghiệp: .......................................................... 3 2.2. Nguồn gốc, thành phần và tính chất phụ phế phẩm nông nghiệp: ..................... 3 2.2.1. Nguồn gốc: ............................................................................................... 3 2.1.1. Thành phần và tính chất: .......................................................................... 4 2. 3.1. Cấu trúc của lignocelluloses: ...................................................................... 6 2.3.2. Enzyme thủy phân lignocelluloses: ............................................................ 19 2.4. Ứng dụng của enzyme lignocellulolytic: ........................................................ 25 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ PHỤ PHẾ PHẨM GIÀU XƠ .. 27 3.1. Phương pháp vật lý:....................................................................................... 28 3.2. Phương pháp hoá học: ................................................................................... 29 3.3. Phương pháp sinh học: .................................................................................. 37 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG PHỤ PHẨM GIÀU XƠ LÀM THỨC ĂN GIA SÚC ...... 38 4.1. Vai trò của đại gia súc đối với việc phát triển nông thôn: ................................. 38 4.1.1. Cung cấp sức kéo: .................................................................................. 38 4.1.2. Cung cấp thực phẩm: .............................................................................. 39 4.1.3. Cung cấp phân bón và chất đốt: ............................................................. 39 4.1.4. Cung cấp nguyên liệu chế biến: .............................................................. 40 4.2. Tìm hiểu về khả năng sử dụng thức ăn giàu xơ của GSNL: ........................... 40 4.2.1. Khả năng sử dụng thức ăn giàu xơ: ........................................................ 40 4.2.2. Hệ vi sinh vật có trong dạ cỏ: ................................................................. 43 Khoá luận tốt nghiệp 2011 SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 80 Lớp: 08CSH2 4.3. Các qui trình chế biến phụ phẩm nông nghiệp làm thức ăn GSNL: ................ 49 4.3.1. Quy trình chế biến rơm lúa bằng phương pháp xử lý ure – vôi: .............. 49 4.3.2. Quy trình chế biến và sử dụng tảng ure-rỉ mật: ....................................... 51 4.3.3. Quy trình chế biến thân lá cây lạc bằng phương pháp ủ chua làm thức ăn cho lợn và trâu bò: ............................................................................................... 53 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG Ủ COMPOST TỪ NGUỒN PHỤ PHẨM GIÀU XƠ ...... 57 5.1. Định nghĩa compost: ..................................................................................... 57 5.2. Các phản ứng sinh hoá xảy ra trong quá trình ủ: ............................................ 57 5.2.1. Các phản ứng sinh hoá: .......................................................................... 57 5.2.2. Các phản ứng sinh học: .......................................................................... 59 5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ compost: ............................................ 60 5.3.1. Các yếu tố vật lý: .................................................................................... 60 5.3.2. Các yếu tố hoá sinh: ............................................................................... 63 5.4. Ủ compost bằng nguồn phụ phế phẩm giàu xơ: ............................................. 68 5.5. Chất lượng compost: dựa trên bốn yếu tố: ..................................................... 69 5.6. Tính cần thiết của compost: ........................................................................... 69 CHƯƠNG 6: ỨNG DỤNG PHỤ PHẨM GIÀU XƠ TRONG VIỆC TẠO NGUỒN NHIÊN LIỆU SẠCH (BIO-ETHANOL) .................................................................... 72 6.1. Giới thiệu: ..................................................................................................... 72 6.2. Cách thực hiện: ............................................................................................. 72 6.2.1. Bước 1: Quá trình tiền xử lý nguyên liệu: ............................................... 72 6.2.2. Bước 2: Thuỷ phân nguồn nguyên liệu bằng tổ hợp enzyme: ................... 73 6.2.3. Bước 3: Lên men cồn từ hỗn hợp đường hoà tan: ................................... 74 6.2.4. Bước 4: Chưng cất – khử nước: .............................................................. 75 6.3. Kết luận: ........................................................................................................ 75