TỔNG QUAN
Quá trình phân hủy kỵ khí
1.2.1 Nguyên lý hóa học – sinh học của quá trình phân hủy kỵ khí
Phân hủy kỵ khí là công nghệ hiệu quả trong xử lý chất thải hữu cơ, đã được áp dụng rộng rãi cho nước thải công nghiệp và sinh hoạt trong những năm gần đây Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ này nhờ vào những hiểu biết sâu sắc về cơ sở hóa sinh của quá trình phân hủy kỵ khí và các cải tiến trong thiết kế bể phản ứng.
Phản ứng phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí:
(CHO)nNS → CO2 + H2O + CH4 + H2S + H2 + NH4 + + tế bào mới
Phân hủy kỵ khí là quá trình diễn ra với sự tham gia của nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau, mang lại một số ưu điểm nổi bật so với phân hủy hiếu khí.
Lên men kỵ khí sử dụng CO2 có sẵn trong hệ thống xử lý làm chất nhận điện tử, giúp loại bỏ hoàn toàn O2 và giảm đáng kể chi phí vận hành.
Lên men kỵ khí tạo ra ít sinh khối, chỉ từ 3 đến 20 lần so với quá trình hiếu khí, do năng lượng sinh ra từ hô hấp kỵ khí rất thấp Trong khi quá trình hiếu khí có khả năng chuyển hóa lên đến 50%.
Trong quá trình phân hủy kỵ khí, tỷ lệ carbon hữu cơ chuyển thành sinh khối chỉ đạt 5% Khi phân hủy 1 tấn carbon hữu cơ, tổng lượng tế bào được tạo ra trong điều kiện này là một chỉ số quan trọng cần lưu ý.
Trong điều kiện hiếu khí, năng lượng giải phóng từ nguồn cơ chất ban đầu chỉ đạt từ 20 - 150 kg, thấp hơn nhiều so với 400 - 600 kg Phần lớn năng lượng này được chuyển hóa thành sản phẩm cuối cùng là CH4.
Lên men kỵ khí sản sinh khí methan, một nguồn năng lượng sạch với giá trị năng lượng lên đến 9000 kcal/m³ Khí này có thể được đốt tại chỗ để cung cấp nhiệt cho bể phản ứng hoặc được sử dụng để sản xuất điện.
- Giảm nhu cầu năng lượng cho xử lý nước thải
- Công nghệ này thích hợp cho việc xử lý các loại nước thải công nghiệp có nồng độ hữu cơ cao
- Công nghệ cho phép vận hành ở chế độ nạp liệu cao
Hoạt tính sinh học của vi sinh vật kỵ khí trong quá trình phân hủy được duy trì lâu dài, ngay cả khi bể phản ứng không được nạp liệu trong thời gian dài.
Hệ thống phân hủy kỵ khí có khả năng xử lý các hợp chất hữu cơ bền như carbohydrat mạch thẳng bị chlor hóa và lignin Quá trình này phức tạp hơn so với xử lý hiếu khí, bao gồm việc vi sinh vật chuyển hóa các chất hữu cơ thành khí methan thông qua thủy phân carbohydrat phức tạp, protein và chất béo thành các thành phần đơn giản hơn như đường đơn, amino acid và acid béo Những sản phẩm này được vi khuẩn lên men sử dụng để tạo ra năng lượng, sinh ra acid hữu cơ và hydro Acid hữu cơ sau đó được oxy hóa bởi các vi khuẩn khác, sản xuất thêm hydro và acid acetic, là nguyên liệu chính cho vi khuẩn sinh methan Hydro và acid acetic được chuyển đổi thành methan thông qua các phản ứng hóa học, trong đó hydro hoạt động như một phần tử cho electron, tương tác với CO2 để tạo ra khí methan.
Chìa khóa cho việc ứng dụng hiệu quả phân hủy kỵ khí là điều chỉnh và tối ưu hóa môi trường bên trong bể phản ứng sinh học, tạo ra các điều kiện lý tưởng cho quá trình này và duy trì chúng một cách ổn định.
Quá trình phân hủy kỵ khí là một quá trình phức tạp, bao gồm hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian Nhiều phản ứng trong quá trình này cần bổ sung chất xúc tác, enzym và chất điều phối để diễn ra hiệu quả.
Quá trình phân hủy kỵ khí gồm 4 giai đoạn chính:
Giai đoạn 1 - Thủy phân là quá trình mà các chất hữu cơ cao phân tử như protein, cellulose và lipid được vi sinh vật kỵ khí như Clostridium, Bacteroides, và Staphylococcus chuyển hóa thành các chất có trọng lượng phân tử thấp hơn như amino acid, đường đơn và glycerin Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào cấu trúc và tính chất của chất nền, sự tập hợp của vi khuẩn, cũng như các yếu tố môi trường như nhiệt độ và pH.
Trong giai đoạn này, vi khuẩn kỵ khí bắt buộc và vi khuẩn kỵ khí tùy tiện là những thành phần chủ yếu Các vi khuẩn thủy phân thường có hình dạng que và có thể nhuộm Gram dương hoặc Gram âm Bản chất của môi trường nền có ảnh hưởng lớn đến loại vi khuẩn hiện diện.
Vi sinh vật như Clostridium, Bacteroides, Butyvibrio, Peptococcus và Streptococcus đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn hoạt tính enzym thủy phân ngoại bào trong quá trình lên men kỵ khí sinh methan Các vi khuẩn này có thể tồn tại trong môi trường có pH từ 5 đến 8, nhưng pH lý tưởng nhất cho sự phát triển của chúng là từ 5,5 đến 6,5 Giai đoạn thủy phân thường kéo dài và quyết định tốc độ xử lý của quá trình lên men.
Giai đoạn 2 - Sinh acid là quá trình mà các vi khuẩn như Clostridium chuyển hóa đường, acid amin và acid béo thành các acid hữu cơ như acid acetic, acid lactic, acid propionic, acid formic và acid butyric, cùng với việc tạo ra rượu, keton, CO2 và H2 Sự hình thành các acid hữu cơ này dẫn đến sự giảm pH rõ rệt trong môi trường.
Công nghệ phân hủy kỵ khí
Công nghệ khí sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam từ những năm 1960, nhưng chủ yếu phát triển ở quy mô chăn nuôi hộ phân tán nhỏ lẻ với chất lượng khí biogas thấp Trong thập niên gần đây, công nghệ khí sinh học công nghiệp đã được áp dụng ở một số nơi, chủ yếu trong xử lý chất thải chăn nuôi, chất thải công nghiệp và rác thải đô thị Tuy nhiên, các công trình này chủ yếu chỉ giải quyết xử lý nước thải mà chưa thể xử lý chất thải rắn, và khí sinh học vẫn chưa được tận dụng triệt để để cung cấp năng lượng sạch cho sản xuất công nghiệp Nguyên nhân chính là do chất lượng nguồn khí sinh học còn thấp, ảnh hưởng đến hiệu suất năng lượng sinh ra Do đó, việc tối ưu hóa quá trình xử lý chất thải rắn để sản xuất khí biogas chất lượng cao là rất cần thiết nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất và sinh hoạt.
Các phương pháp tiến hành phân hủy kỵ khí
Trên thế giới, hiện nay, công nghệ lên men kỵ khí được tiến hành theo nhiều phương pháp và nhiều mô hình, có thể phân loại như sau:
- Theo giai đoạn: hệ thống lên men kỵ khí 1 giai đoạn, kỵ khí 2 giai đoạn, 3 giai đoạn, 4 giai đoạn
- Theo tải trọng nguyên liệu nạp: Lên men ướt (nguồn nguyên liệu có độ ẩm dưới 75 %); lên men khô (nguồn nguyên liệu có độ ẩm trên 75 %)
Có nhiều phương pháp tiến hành trong xử lý nước thải, bao gồm bể dạng khuấy liên tục CSTR một giai đoạn và hai hoặc nhiều giai đoạn, bể dạng ống dòng PER, bể UASB và bể tự hoại.
Hình 5: Hệ thống lên men kị khí
Hình 6: Hệ thống lên men kị khí
Hình 3: Bể UASB Hình 4: Bể tự hoại
Bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) là công nghệ xử lý nước thải được phát triển từ đầu thế kỷ 20, hoạt động dựa trên nguyên lý dòng nước thải được đưa vào từ đáy bể qua lớp bùn có hoạt tính phân hủy cao Nước thải sau khi xử lý sẽ lắng ở phần trên của bể và được xả ra ngoài Bể UASB hiệu quả với nước thải có hàm lượng hữu cơ dưới 5000 mg/L, thời gian lưu của nước thải từ 12 – 16 giờ, cho phép loại bỏ trên 90% COD, ngay cả ở nhiệt độ thấp khoảng 10°C Công nghệ này hiện đang được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới và tại Việt Nam, đặc biệt trong xử lý nước thải tại các khu công nghiệp, nhà máy chế biến thực phẩm, đồ uống và nước thải sinh hoạt ở khu dân cư Bể UASB có hai đặc điểm chính nổi bật.
- Cả 3 quá trình, phân huỷ – lắng bùn – tách khí được lắp đặt trong cùng một công trình;
Các loại bùn hạt với mật độ vi sinh vật cao được hình thành và có tốc độ lắng nhanh hơn nhiều so với bùn hoạt tính hiếu khí dạng lơ lửng.
Bên cạnh đó, quá trình xử lý sinh học kỵ khí sử dụng UASB còn có những ưu điểm so với quá trình bùn hoạt tính hiếu khí như:
- Ít tiêu tốn năng lượng vận hành;
- Ít bùn dư, nên giảm chi phí xử lý bùn;
- Bùn sinh ra dễ tách nước;
- Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm được chi phí bổ sung dinh dưỡng;
- Có khả năng thu hồi năng lượng từ khí methan;
- Có khả năng hoạt động theo mùa, vì kỵ khí có thể phục hồi và hoạt động được sau một thời gian ngưng không nạp liệu
Bể tự hoại là một công trình nhỏ dùng trong gia đình để xử lý nước thải từ nhà vệ sinh thông qua quá trình phân hủy kỵ khí Với nhiều ưu điểm như hiệu suất xử lý ổn định, chiếm ít diện tích và giá thành rẻ, bể tự hoại ngày càng được ưa chuộng Trong bể, quá trình lắng cặn và phân hủy sinh học diễn ra, giúp giảm mùi hôi và thể tích cặn Các vi khuẩn kỵ khí và nấm men phân hủy các chất hữu cơ, chuyển đổi chất không tan thành chất tan và khí Bể tự hoại đạt hiệu suất lắng cặn từ 50 – 70% theo cặn lơ lửng và 25 – 45% theo chất hữu cơ Ngoài ra, bể còn có khả năng loại bỏ một phần mầm bệnh nhờ cơ chế hấp phụ và điều kiện môi trường không thuận lợi Bể tự hoại xử lý cả nước đen và nước xám, và nước thải sau đó được dẫn tới các công trình xử lý tại chỗ hoặc tập trung.
Hệ thống lên men kỵ khí đơn bao gồm một bể phản ứng với các thiết bị khuấy, gia nhiệt, nạp liệu, xả bùn, xả nước và bộ phân gom khí Trong bể phản ứng, quá trình phân hủy bùn và lắng diễn ra đồng thời, tạo ra các tầng khác nhau từ đáy lên, bao gồm lớp bùn đã phân hủy, bùn đang phân hủy tích cực, nước chắt, lớp váng và khí.
Hệ lên men kỵ khí 2 giai đoạn bao gồm hai bể phản ứng nối với nhau, trong đó bể thứ nhất được gia nhiệt và khuấy liên tục để ổn định nguyên liệu, còn bể thứ hai dành cho quá trình lên men sinh methan, lắng và xả bùn sau xử lý Mặc dù hiệu suất sinh methan (tính theo COD) của hai hệ xử lý tương đương, hệ 2 giai đoạn cho phép vận hành với chế độ nạp liệu cao hơn và thời gian lưu bùn ngắn hơn Hệ này cũng có tính ổn định cao nhờ việc cách ly hai quá trình sinh acid và sinh methan, giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố độc hại như NH3, H2S đến vi sinh vật sinh methan Luận văn này tiến hành nghiên cứu phương pháp lên men kỵ khí 2 giai đoạn nhờ những ưu điểm nổi bật của nó.
- Có thể tối ưu hóa theo từng giai đoạn
- Sử dụng thời gian lưu và thể tích hiệu quả
Tình hình phát triển công nghệ biogas
1.4.1 Tình hình phát triển công nghệ biogas trên thế giới
Phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ trong môi trường kỵ khí để sản xuất khí sinh học (biogas) đã được nghiên cứu từ giữa thế kỷ 19 và phát triển mạnh mẽ từ đầu thế kỷ 20 Công nghệ khí sinh học nổi bật nhờ khả năng xử lý chất thải rắn và lỏng, đồng thời tạo ra nguồn năng lượng xanh là khí metan, và hiện đang được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới Ở các nước đang phát triển như Ấn Độ, Trung Quốc và Việt Nam, công nghệ này thường được triển khai quy mô nhỏ tại hộ gia đình với nguồn thải từ chăn nuôi và nông nghiệp Ngược lại, ở các nước phát triển, biogas được sản xuất quy mô công nghiệp thông qua các bể phản ứng hoạt động ở nhiệt độ cao (50 - 55 độ C) và ấm (30 - 40 độ C), sử dụng nhiều nguồn chất thải phong phú như rác thải sinh hoạt, bùn thải và chất lỏng từ các nhà máy chế biến thực phẩm.
1.4.2 Tình hình phát triển công nghệ biogas ở Việt Nam
Việt Nam có tỷ trọng nông nghiệp cao, dẫn đến hàng năm phát sinh lượng lớn phụ phẩm và chất thải nông nghiệp, có thể tận dụng để sản xuất biogas Rác thải từ trồng trọt và chăn nuôi của các hộ gia đình tuy phân tán nhưng phong phú Việc áp dụng công nghệ sản xuất khí biogas quy mô nhỏ cho từng hộ gia đình là giải pháp hiệu quả, đáp ứng nhu cầu sinh hoạt như thắp sáng và nấu ăn, đồng thời giảm áp lực lên ngành năng lượng và hạn chế tác động tiêu cực đến môi trường từ quá trình phân hủy chất thải.
Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, hầu hết các hầm biogas nhỏ tại hộ gia đình hiện nay được tài trợ bởi các tổ chức phi chính phủ, trong khi các nhà tài trợ lớn như Ngân hàng Phát triển châu Á (ADB) và Ngân hàng Thế giới bắt đầu cấp vốn cho quy mô sản xuất lớn hơn Ngân hàng Thế giới đang xem xét cấp vốn cho 8 cơ sở biogas tại 8 tỉnh cho các trang trại lớn Hiện có khoảng 17.000 trang trại lợn với hơn 500 con mỗi trang trại, nhưng chỉ dưới 0,3% trong số đó có hầm ủ biogas Để cải thiện vệ sinh môi trường, nhiều trang trại cần hầm phân hủy tại chỗ trong tương lai Ở quy mô hộ gia đình, có khoảng 500.000 hầm phân hủy biogas, chủ yếu là quy mô nhỏ dưới 10 m³ do các hộ gia đình xây dựng Chương trình khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam, được tài trợ bởi chính phủ Hà Lan, đã xây dựng 15.678 hầm quy mô nhỏ tính đến năm 2011.
Nhiều địa phương hiện có các doanh nghiệp chuyên cung cấp dịch vụ xây dựng hầm biogas và thiết bị liên quan như máy phát, bộ lọc, và hóa chất Một số công ty lớn hoạt động trong lĩnh vực này bao gồm Hùng Vương, Nông Thôn Việt, Hưng Việt Composite, Cẩm Tuấn Phát Composite, Môi Trường Xanh, Anh Thái và Minh Tuấn Đáng chú ý, thị trường địa phương gần như không có sự hiện diện của các công ty nước ngoài, chỉ một số ít từ Đức, Nhật Bản và Mỹ cung cấp thiết bị như máy phát, bộ lọc và hóa chất.
Chính phủ Việt Nam đang thúc đẩy đầu tư vào năng lượng tái tạo, đặc biệt là khí sinh học và năng lượng sinh khối, từ cả các công ty tư nhân trong nước và doanh nghiệp nước ngoài Chiến lược của chính phủ nhằm tăng tỷ lệ đóng góp của năng lượng tái tạo trong tổng sản lượng điện, với mục tiêu đạt 4,5% vào năm 2020 và 6,0% trong tương lai.
Đến năm 2030, mục tiêu tăng cường tái chế chất thải được đặt ra với 85% rác thải sinh hoạt đô thị phải được thu gom, trong đó 60% sẽ được tái chế Đối với rác thải sinh hoạt nông thôn, 40% phải được thu gom với 50% được tái chế trong giai đoạn 2011 - 2015 Từ 2016 - 2020, mục tiêu là 95% rác thải đô thị và 70% rác thải nông thôn được thu gom Biogas sẽ trở thành nguồn năng lượng quan trọng, thay thế cho các nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt.
Sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa
1.5.1 Nguồn phụ phẩm dứa trên thế giới và ở Việt Nam
Cây dứa hiện nay được trồng rộng rãi ở hầu hết các nước nhiệt đới, với Thái Lan là quốc gia sản xuất dứa tươi lớn nhất, tiếp theo là Philippines và Brazil Năm 2014, sản lượng dứa toàn cầu đạt 9,5 triệu tấn, trong đó, vỏ dứa từ ngành công nghiệp chế biến trái cây chiếm khoảng 35%-70% nguyên liệu, tương đương 10 tấn cho một quy mô công nghiệp trung bình Tại Việt Nam, sản lượng dứa năm 2015 đạt 598,3 nghìn tấn, trong đó 25% là chính phẩm đóng hộp và 75% là phụ phẩm, tức là mỗi tấn dứa chế biến sẽ tạo ra 0,75 tấn phụ phẩm Tuy nhiên, phụ phẩm dứa chưa được sử dụng hiệu quả và thường bị vứt bỏ tại các nhà máy chế biến, gây ô nhiễm môi trường.
Diện tích trồng dứa ở nước ta đang gia tăng qua từng năm, dẫn đến việc sản xuất ra nhiều phụ phẩm từ dứa hơn Điều này tạo ra nhu cầu cấp thiết về việc áp dụng các biện pháp xử lý hiệu quả cho lượng phụ phẩm này.
1.5.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa
Trên thế giới, việc tận dụng phụ phẩm dứa đã được nghiên cứu cho nhiều mục đích như sản xuất enzyme bromalin, etanol, acid hữu cơ và chất chống oxy hóa phenol Tuy nhiên, sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa qua công nghệ lên men kỵ khí là một lĩnh vực mới đang được chú trọng Năm 2012, nhóm nghiên cứu tại đại học Chulalongkorn, Bangkok đã thử nghiệm sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa trong điều kiện pH 7 và tỷ lệ C/N 20, cho thấy khả năng tạo ra khí biogas chứa 48% methane Gopinathan và cộng sự đã nâng cao năng suất sinh khí biogas lên 19% bằng cách bổ sung 2% ure Năm 2015, Khamdan và đồng nghiệp đã áp dụng phương pháp tiền xử lý bằng vi sóng, đạt năng suất 649 mL biogas/gVS với 45% CH4 Năm 2016, Das và cộng sự nghiên cứu kết hợp phụ phẩm dứa với phân bò để sản xuất biogas Tại Việt Nam, dứa là cây công nghiệp chủ lực và sản phẩm chế biến từ dứa đang được xuất khẩu mạnh mẽ, đồng nghĩa với lượng phụ phẩm thải ra từ các nhà máy chế biến rất lớn.
Khoảng 75% khối lượng dứa là phụ phẩm, nhưng giá trị sử dụng của chúng rất thấp, chủ yếu chỉ được dùng để chế biến thức ăn cho gia súc, còn lại thường bị bỏ đi, gây lãng phí và ô nhiễm môi trường Phụ phẩm từ dứa phân hủy tự nhiên tạo ra mùn có mùi hôi và khó sử dụng làm phân bón do hàm lượng acid cao Tuy nhiên, phụ phẩm này lại có hàm lượng dinh dưỡng cao, phù hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí sản xuất biogas Ở Việt Nam, công nghệ phân hủy kỵ khí để xử lý chất thải hữu cơ và phụ phẩm nông nghiệp vẫn còn mới mẻ Trong giai đoạn 2012 - 2014, TS Nguyễn Thúy Nga đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học để xử lý phế thải rau quả nhằm giảm ô nhiễm môi trường và tạo khí sinh học, chứng minh khả năng sử dụng công nghệ này để sản xuất biogas Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào công bố về việc sản xuất biogas từ phụ phẩm dứa.
Tiền xử lý phụ phẩm dứa là giai đoạn quyết định hiệu quả của quá trình phân hủy kỵ khí, trong đó thủy phân thường diễn ra chậm do lượng lớn lignocelluloses Nghiên cứu nâng cao hiệu quả tiền xử lý nhằm cải thiện năng suất và chất lượng khí biogas là rất cần thiết Phụ phẩm dứa có pH thấp gây khó khăn cho quá trình này, vì môi trường lý tưởng cho phân hủy kỵ khí sinh methan là từ 6,8-7,4 Một số giải pháp như phối trộn với chất thải chăn nuôi có thể tăng pH nhưng không phù hợp với các công ty chế biến thực phẩm do vấn đề vệ sinh Do đó, nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào công nghệ hai giai đoạn: tiền xử lý bằng cơ học, hóa học và sinh học, sau đó là phân hủy kỵ khí sinh biogas Mặc dù công nghệ này còn mới, nhưng có tiềm năng lớn nếu khai thác nguồn phụ phẩm dứa rẻ và dồi dào ở Việt Nam Mục tiêu của luận văn là xác định các điều kiện thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí vỏ và lõi dứa để sinh biogas hiệu quả.
1.5.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lên men kỵ khí phụ phẩm dứa 1.5.3.1 Yếu tố thuận lợi
Phụ phẩm dứa chứa nhiều thành phần dinh dưỡng, bao gồm hàm lượng đường và carbohydrat cao, rất có lợi cho quá trình lên men kỵ khí Ngoài ra, chất béo và protein trong phụ phẩm dứa cũng là những chất hữu cơ thiết yếu cho quá trình phân hủy và lên men.
Phụ phẩm dứa chứa nhiều vitamin thiết yếu như B1, B2, B3, B5, B6, B9 và các khoáng chất quan trọng như canxi, sắt, magie, phospho, kali, kẽm, tất cả đều cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật trong quá trình lên men kỵ khí.
Phụ phẩm dứa chứa pH thấp và độ ẩm cao, điều này không thuận lợi cho quá trình lên men kỵ khí Đặc biệt, hàm lượng lignocellulose cao trong phụ phẩm dứa gây khó khăn cho quá trình phân hủy, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của quá trình lên men Để hiểu rõ hơn về sự hạn chế của lignocellulose trong nguyên liệu, cần thực hiện phân tích cấu trúc của từng thành phần chính của lignocellulose.
Lignocellulose có cấu trúc chắc chắn và dày đặc, khiến việc phân cắt trở nên khó khăn Về mặt hóa học, lignocellulose bao gồm hai polyme mạch thẳng là cellulose và hemicellulose, cùng với một polyme có cấu trúc ba chiều là lignin Cellulose được bao bọc bởi các phân tử hemicellulose và lignin.
Hình 7: Cấu trúc của lignocellulose [Internet]
Cellulose là polysaccharide chính trong thành tế bào thực vật, là một homopolyme mạch thẳng được hình thành từ các b-D-glucose-pyranose Các phân tử glucose liên kết với nhau qua liên kết b-1,4 glucoside, tạo thành cấu trúc không phân nhánh Trong cellulose, các gốc glucose thường lệch 180 độ và có hình dạng giống như ghế bành Thông thường, cellulose chứa từ 10.000 đến 14.000 gốc đường.
Hình 8: Cấu tạo phân tử cellulose [Internet]
Các phân tử cellulose liên kết với nhau thông qua lực hút Vander Waals và liên kết hydro, tạo thành sợi sơ cấp có đường kính khoảng 3 nm Các sợi sơ cấp này kết hợp thành vi sợi, thường không đồng nhất trong tự nhiên với hai vùng chính: vùng kết tinh, nơi các mạch cellulose liên kết theo trật tự đều đặn nhờ liên kết hydro, mang lại tính bền vững cho cellulose dưới tác động bên ngoài; và vùng vô định hình, nơi các mạch liên kết chủ yếu bằng lực Vander Waals, có cấu trúc lỏng lẻo và dễ bị ảnh hưởng bởi yếu tố bên ngoài Khi tiếp xúc với nước, cellulose ở vùng vô định hình có thể trương phồng và dễ bị enzym cellulase tác động, làm thay đổi cấu trúc của chúng.
Hemicellulose là một polysaccharide có phân tử lượng nhỏ hơn cellulose, thường được cấu tạo từ khoảng 150 gốc đường Các gốc đường này liên kết với nhau qua các liên kết b-1,4; b-1,3; và b-1,6 glucoside, tạo thành những mạch ngắn và phân nhánh Mặc dù cấu trúc của hemicellulose không bền và không hòa tan trong nước, nhưng chúng dễ dàng bị phân giải bởi acid loãng hoặc kiềm.
Lignin là một phức hợp polyme khó phân giải, đóng vai trò là chất kết dính tự nhiên giữa các tế bào Kết hợp với hemicelluloses, lignin tạo thành lớp màng bảo vệ cellulose Một trong những đặc điểm hóa học quan trọng của lignin là tính không tan trong nước và acid vô cơ, nhưng trong môi trường kiềm, chúng có thể bị phân giải một phần và chuyển sang dạng hòa tan.
Việc lựa chọn phương pháp tiền xử lý phụ phẩm dứa phù hợp là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất sinh methan trong quá trình lên men kỵ khí Các phương pháp tiền xử lý này có thể được phân loại thành nhiều dạng, trong đó phương pháp vật lý đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện khả năng phân hủy kỵ khí của phụ phẩm dứa.
Phụ phẩm dứa có lớp vỏ cứng khó phân hủy, do đó cần xử lý nguyên liệu bằng phương pháp cơ học như chặt, băm nhỏ hoặc đập dập Việc này giúp phá vỡ lớp vỏ cứng và tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra hiệu quả hơn.
Phương pháp tách nổ bằng hơi nước
THỰC NGHIỆM
Nguyên vật liệu
2.1.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là phụ phẩm vỏ và lõi dứa sau quá trình chế biến của Công ty cổ phần thực phẩm xuất khẩu Đồng Giao, tỉnh Ninh Bình Mẫu phụ phẩm dứa được rửa sạch, nghiền nhỏ sử dụng ngay hoặc bảo quản trong tủ lạnh ở 4 o C, tiến hành đo các chỉ tiêu: pH, độ ẩm, hàm lượng cellulose, tổng chất rắn (TS), thành phần chất hữu cơ dễ bay hơi (VS), tổng C, tổng N, hàm lượng protein, hàm lượng đường
Quy trình xác định các chỉ tiêu trên được đưa ra trong phụ lục 1
Mục đích: đánh giá tiềm năng sử dụng nguồn phụ phẩm vỏ và lõi dứa, để sản xuất khí sinh học biogas
2.1.2 Nguyên liệu và hóa chất sử dụng
- Phụ phẩm vỏ và lõi dứa của công ty cổ phần thực phẩm xuất khẩu Đồng Giao, tỉnh Ninh Bình
Các nguồn vi sinh vật cho quá trình phân hủy kỵ khí được thu thập từ bể biogas của nhà máy bia Việt Hà, nhà máy sữa Thanh Hóa và pilot sản xuất biogas tại Đại học Xây dựng Vi sinh vật được bảo quản trong lọ nắp kín và có thể sử dụng ngay hoặc được lưu trữ ở nhiệt độ 4°C trong tủ lạnh.
Nguồn vi sinh vật dạ cỏ được thu thập từ lò mổ tại địa chỉ 75 Tam Chinh, Hà Nội Sau khi lấy về, dạ cỏ được bảo quản trong lọ kín, có thể sử dụng ngay hoặc lưu trữ trong tủ lạnh ở nhiệt độ 4 độ C Để thu được dịch dạ cỏ, cần trộn dạ cỏ với nước theo tỷ lệ 1:1 về khối lượng, sau đó lọc bỏ các chất rắn.
Trong phân tích các chỉ tiêu hóa lý như COD, VFA, acid tổng số NH4+, và PO4^3-, chúng tôi sử dụng các hóa chất và nguyên liệu được cung cấp bởi Merck và Sigma Để đảm bảo độ chính xác, các loại dung môi sử dụng là hàng Trung Quốc và được cất lại trước khi sử dụng.
- Máy đo pH (HI 2211 HANNA, Romania)
- Hệ thiết bị phá mẫu đo COD (ECO 08, Ý)
- Hệ thiết bị phá mẫu đo tổng N theo phương pháp Kjendahl
- Hệ thiết bị điện di
- Kính hiển vi huỳnh quang (Zeiss, Đức)
- Thiết bị phân tích thành phần khí biogas (MCA100Bio, Anh)
- Máy sắc ký khí Scion 456 GC (detector FID/ECD), phân tích thành phần CH4
- Thiết bị khuấy cơ học
Trong quá trình phân hủy kỵ khí, một số thiết bị cần thiết bao gồm bình N2, ống nghiệm nút xoáy, bình serum, bình Duran, các kích cỡ nút cao su, và ống cao su, silicon.
Phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Thiết kế và vận hành mô hình phòng thí nghiệm:
Phụ phẩm dứa được nghiền nhỏ dưới 2mm bằng máy nghiền đa năng, sau đó tiến hành nghiên cứu các phương pháp tiền xử lý, thủy phân và lên men kỵ khí với các điều kiện khác nhau.
2.2.1.1 Giai đoạn 1: Tiền xử lý, thủy phân và acid hóa
Nghiên cứu tiền xử lý, thủy phân và acid hóa vi sinh vật dạ cỏ bò được thực hiện bằng dung dịch KOH trong bình 1 lít, như thể hiện trong hình 10.
Hình 10 Ảnh mẫu tiền xử lý, thủy phân và acid hóa phụ phẩm dứa trong bình 1 lít
Nghiên cứu tiền xử lý và thủy phân bằng dung dịch KOH
Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ KOH
Chuẩn bị thí nghiệm: Nguyên liệu vỏ dứa, xay nhỏ tiến hành thủy phân trong
KOH tại các nồng độ 0,01 M; 0,02 M; 0,03 M; 0,04 M; 0,05 M Tỷ lệ khối lượng nguyên liệu: thể tích KOH = 1:2 (w/v), thực hiện trong 14 ngày
Các chỉ tiêu đánh giá: Giá trị pH, tổng đường, tổng acid
Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân
Để chuẩn bị nguyên liệu cho quá trình thủy phân, cần sử dụng vỏ dứa đã được xay nhỏ Thí nghiệm cho thấy nồng độ KOH thích hợp cho thủy phân vỏ dứa là 0,02 M, được xác định từ việc khảo sát ảnh hưởng của nồng độ KOH đến quá trình này.
Tỷ lệ khối lượng nguyên liệu: thể tích KOH = 1:2 (w/v) Đo các thông số sau thời gian 1 tuần, 2 tuần, 3 tuần:
Các chỉ tiêu đánh giá: Giá trị pH, tổng đường, tổng acid
Nghiên cứu tiền thủy phân và acid hóa bằng vi sinh vật dạ cỏ bò
Sau quá trình thủy phân bằng kiềm, nguyên liệu được bổ sung vi sinh vật dạ cỏ với tỷ lệ 5:2 (w/v) Đồng thời, pH của hỗn hợp cũng được điều chỉnh để tối ưu hóa quá trình lên men.
Na2CO3 đến pH 5 - 6, bổ sung dinh dưỡng và ure sao cho C/N= 25, tiến hành đo các chỉ tiêu theo thời gian thủy phân
Các chỉ tiêu đánh giá: Giá trị pH, tổng đường, tổng acid, hàm lượng VFA trong dịch thủy phân.
2.2.1.2 Giai đoạn 2: Phân hủy kỵ khí sinh methan
Mô hình phân hủy kỵ khí được thiết lập trong bình phản ứng có dung tích 1 lít, với dung tích hoạt động là 700 mL Hệ thống pilot có dung tích 35 lít và dung tích hoạt động đạt 25 lít.
Bình lít được niêm phong bằng nút cao su có van, kết hợp với bộ phận đo lượng khí sinh ra theo phương pháp cột nước Đồng thời, đường lấy mẫu bùn được thiết kế để phân tích ở đáy bình.
Hệ thống duy trì nhiệt độ ổn định từ 35-37°C Khí sinh ra từ mỗi bình được thu thập qua ống dẫn silicon và đi qua cột chứa dung dịch NaOH 2 M để loại bỏ CO2 Khí biogas sạch được đo bằng phương pháp cột nước, trong đó khí từ bình thí nghiệm được dẫn vào cột nước, và lượng nước bị đẩy ra tương ứng với lượng khí sinh ra trong quá trình phân hủy kỵ khí.
- Hệ thống pilot 35 Lít được thiết kế có bộ phận điều nhiệt bằng nước, có các van nạp liệu, dẫn khí ra và 3 van lấy mẫu theo chiều cao
Mẫu khí biogas thô và biogas sau khi làm sạch được lưu giữ trong túi màng thiết không thấm khí để đi phân tích thành phần
Hình 11 Hệ thống đo khí bằng phương pháp cột nước
Chuẩn bị mẫu cho quá trình lên men sinh methan từ phụ phẩm dứa bao gồm nguyên liệu đã qua thủy phân và acid hóa Cần pha loãng nguyên liệu với tỷ lệ hợp lý để đảm bảo nồng độ acid propionic và acid butyric không vượt quá 1 g/L Đồng thời, điều chỉnh pH của hỗn hợp về mức 6,5 - 7,5 bằng cách sử dụng Na2CO3 và NaHCO3.
Bổ sung môi trường đệm bằng hỗn hợp KH2PO4 0,07 g/L và K2HPO4 0,10 g/L Tỷ lệ khối lượng nguyên liệu và thể tích vi sinh vật cần bổ sung là 6:1 (w/v) Để tạo môi trường kỵ khí, tiến hành sục khí N2.
Các chỉ tiêu theo dõi: pH, Thể tích khí CH4, COD, NH4 +, PO4 3-
2.2.2 Xác định tổng thể tích khí sinh ra trong quá trình phân hủy kỵ khí
Tổng lượng khí sinh ra trong quá trình thí nghiệm phân hủy kỵ khí được xác định bằng phương pháp cột nước, là tổng thể tích khí đo được cho đến khi phản ứng dừng và không còn sinh khí.
2.2.3 Xác định năng suất sinh khí biogas của phụ phẩm dứa
Năng suất sinh khí biogas được xác định bằng lượng khí biogas sản xuất trên mỗi đơn vị khối lượng nguyên liệu phụ phẩm dứa, tính theo hai dạng: tươi (FW) và khô (TS) Các đơn vị đo lường bao gồm mLbiogas/gFW hoặc mLCH4/gFW cho dạng tươi, và mLbiogas/gTS hoặc mLCH4/gTS cho dạng khô.
2.2.4.1 Xác định hàm lượng tổng acid
Hàm lượng acid tổng số được tính bằng g/100 mL theo công thức:
Trong đó: V- thể tích NaOH 0,1 N, mL
V1- thể tích mẫu hút để chuẩn độ, mL K- hệ số để tính ra các loại acid tương ứng
Quy trình phân tích được đưa ra trong phụ lục 2
2.2.4.2 Xác định hàm lượng VFA bằng phương pháp điện di
Tiến hành phần tích hàm lượng các acid dễ bay hơi bao gồm acid formic, acid acetic, acid lactic, acid propionic, acid butyric
Quy trình phân tích được đưa ra trong phụ lục 3
Xác định COD theo tiêu chuẩn APHA 5220D (APHA,1995) Nguyên tắc đo được trình bày trong phụ lục 4
Tính toán hiệu suất xử lý COD của các quá trình theo công thức:
Ht, % = [(CODo CODt)/CODo]*100 Trong đó:
Ht: là hiệu suất xử lý COD ở thời điểm t CODo: là COD của mẫu ở thời điểm ban đầu (mg O2/L) CODt: là COD của mẫu ở thời điểm t (mg O2/L)
Xác định nồng độ PO 4 3-+ theo tiêu chuẩn TCVN 6020-2008
Nguyên tắc đo được trình bày trong phụ lục 5
Xác định nồng độ NH 4 + theo tiêu chuẩn TCVN 6179-1996)
Nguyên tắc đo được trình bày trong phụ lục 6.