Đồ Án HCMUTE: Chế Tạo Dĩa Dùng Một Lần Từ Phế Phẩm Nông Nghiệp

Đồ án nghiên cứu hcmute chế tạo dĩa dùng một lần từ phế phẩm nông nghiệp, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán nông nghiệp.

• Tác giả: Đặng Thị Loan
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Thị Tuyết Nhung
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Môi Trường
• Đề tài: Chế Tạo Dĩa Dùng Một Lần Từ Phế Phẩm Nông Nghiệp
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 0.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 0.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 0.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 0.4. PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 0.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐỂ TIẾN HÀNH NGHIÊN CỨU
• 0.5.1. Phương pháp tổng hợp và xử lý số liệu
• 0.5.2. Phương pháp thực nghiệm
• 0.5.3. Phương pháp đồ thị
• 0.5.4. Phương pháp so sánh
• 0.5.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
• 0.5.5.1. Ý nghĩa khoa học
• 0.5.5.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan phế phẩm nông nghiệp
• 1.2. Công trình nghiên cứu về phế phẩm nông nghiệp
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tính chất phế phẩm điều chế vật liệu
• 2.2. Quá trình loại bỏ lignin trong phế phẩm nông nghiệp
• 2.3. Cơ chế hoạt động và công dụng của Natri Benzoat (E211)
• 2.4. Phương pháp ma trận trực giao Taguchi [16]
• 3. CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 3.1. THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT
• 3.2. Điều chế vật liệu
• 3.3. Xác định khoảng tối ưu của các yếu tố trong điều chế sản phẩm
• 3.4. Chuẩn bị vật liệu làm bề mặt dĩa
• 3.5. Đánh giá các thông số kỹ thuật của sản phẩm đã hoàn thiện
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ NHẬN XÉT
• 4.1. Sản phẩm sau thí nghiệm
• 4.2. Ảnh hưởng của các yếu tố tác động lên sản phẩm
• 4.3. Kết quả sấy vật liệu lá sen
• 4.4. Ép lá thành phẩm
• 4.5. Kết quả sau khi chụp phân tích sản phẩm bằng phương pháp FT – IR
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH

Tóm tắt

I. Giới thiệu về đề tài

Đề tài 'Chế Tạo Dĩa Dùng Một Lần Từ Phế Phẩm Nông Nghiệp Tại HCMUTE' tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển sản phẩm dĩa dùng một lần từ các loại phế phẩm nông nghiệp như thân chuối và vỏ ngô. Mục tiêu chính là tìm kiếm giải pháp thay thế cho các sản phẩm nhựa dùng một lần, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng phế phẩm nông nghiệp không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị sử dụng cao. Theo nghiên cứu, việc chế tạo dĩa từ phế phẩm nông nghiệp có thể góp phần vào việc thực hiện nông nghiệp tuần hoàn, nơi mà các sản phẩm phụ được tái sử dụng một cách hiệu quả.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện thông qua các phương pháp thực nghiệm và phân tích đồ thị. Các yếu tố như nồng độ Na2CO3, thời gian gia nấu, và tỷ lệ bột mì được khảo sát để xác định khoảng tối ưu cho việc chế tạo sản phẩm. Kết quả cho thấy rằng, với nồng độ Na2CO3 là 10% và thời gian nấu 45 phút, sản phẩm đạt được chất lượng tốt nhất. Việc áp dụng công nghệ sinh học trong quá trình chế tạo không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Các thí nghiệm được thực hiện theo phương pháp Taguchi để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

III. Đánh giá chất lượng sản phẩm

Chất lượng sản phẩm được đánh giá dựa trên các chỉ tiêu như lực bền kéo, khả năng chống thấm nước và khả năng chịu nhiệt. Kết quả cho thấy sản phẩm dĩa từ phế phẩm nông nghiệp có khả năng chịu lực kéo tốt và khả năng chống thấm nước cao, đáp ứng được yêu cầu sử dụng trong thực tế. Việc sử dụng vật liệu sinh học trong sản xuất không chỉ giúp tạo ra sản phẩm an toàn cho sức khỏe mà còn thân thiện với môi trường. Sản phẩm có thể phân hủy sinh học trong thời gian ngắn, góp phần giảm thiểu rác thải nhựa trong môi trường.

IV. Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ có giá trị về mặt lý thuyết mà còn mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn. Việc chế tạo dĩa từ phế phẩm nông nghiệp tại HCMUTE có thể được áp dụng rộng rãi trong các nhà hàng, quán ăn, và các sự kiện ngoài trời, nơi mà việc sử dụng sản phẩm dùng một lần là cần thiết. Hơn nữa, nghiên cứu này cũng mở ra hướng đi mới cho việc xử lý rác thải nông nghiệp, biến chúng thành nguồn tài nguyên quý giá. Điều này không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn tạo ra cơ hội việc làm cho người dân trong ngành nông nghiệp.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Bối cảnh ngành và thực trạng ô nhiễm rác thải nhựa

Theo thống kê từ Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (UNEP), mỗi phút trôi qua thế giới tiêu thụ khoảng 1 triệu chai nhựa và mỗi năm phát sinh tới 5.000 tỷ túi nilon. Tại Việt Nam, rác thải nhựa chiếm khoảng 12% tổng khối lượng chất thải rắn sinh hoạt; riêng hai đô thị lớn là Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh thải ra môi trường khoảng 80 tấn nhựa và nilon mỗi ngày. Đa số sản phẩm đồ dùng một lần (chén, dĩa, muỗng, hộp xốp) được sản xuất từ Polystyrene (EPS) hoặc Polypropylene (PP) – những polyme tổng hợp có nguồn gốc từ dầu mỏ mất từ 400 đến 1.000 năm để phân hủy hoàn toàn, giải phóng vi nhựa và hóa chất độc hại vào chuỗi thức ăn.

Song song đó, Việt Nam là quốc gia nông nghiệp với sản lượng phụ phẩm trồng trọt khổng lồ: trung bình phát sinh 43–44 triệu tấn rơm rạ, gần 9 triệu tấn trấu cùng hàng triệu tấn thân cây ngô và thân cây chuối sau thu hoạch mỗi năm. Nguồn sinh khối giàu xenlulozo này phần lớn bị đốt trực tiếp trên đồng ruộng gây phát thải bụi mịn ($PM_{2.5}$), khí nhà kính ($CO_2$, $CH_4$), hoặc vứt bỏ làm tắc nghẽn kênh rạch.

Vấn đề nghiên cứu cụ thể (Problem Statement)

Các giải pháp dĩa dùng một lần tự hủy sinh học hiện nay (như dĩa mo cau, dĩa bã mía ép nhiệt) vẫn gặp rào cản lớn về chi phí gia công cao, quy trình xử lý hóa chất nồng độ mạnh (Kraft pulping dùng NaOH/$\text{Na}_2\text{S}$) gây ô nhiễm nguồn nước, hoặc phụ thuộc vào lớp phủ tổng hợp fluorochemical (PFAS) để chống thấm dầu nước. Do đó, việc nghiên cứu quy trình công nghệ xanh nhằm tách chiết sợi cellulose từ thân cây chuối (Musa acuminata) và vỏ quả bắp/ngô (Zea mays), phối trộn phụ gia an toàn thực phẩm và tận dụng cấu trúc siêu kỵ nước tự nhiên của lá sen (Nelumbo nucifera) là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu dự án

1. Nghiên cứu công nghệ xử lý hóa lý: Chiết xuất sợi cellulose từ thân chuối và vỏ ngô bằng dung dịch kiềm nhẹ Natri Cacbonat ($\text{Na}_2\text{CO}_3$) theo phương pháp nấu Soda thân thiện môi trường.
2. Tối ưu hóa đa thông số: Thiết lập mô hình thực nghiệm Taguchi $L_{16}(4^4)$ để xác định điểm cân bằng tối ưu giữa 4 yếu tố công nghệ: nồng độ $\text{Na}_2\text{CO}_3$, thời gian nấu, tỷ lệ hồ tinh bột, và độ dày phôi dĩa.
3. Phát triển màng phủ kỵ nước sinh học: Ứng dụng kỹ thuật sấy kiểm soát nhiệt độ trên lá sen để tạo lớp mặt chống thấm nước nóng đạt $95^\circ\text{C} \pm 5^\circ\text{C}$ mà không biến dạng.
4. Kiểm định cơ lý và cấu trúc: Đánh giá độ bền kéo, sức căng bề mặt, tải trọng chịu lực trên máy thử cơ tính chuyên dụng và phân tích phổ hồng ngoại FTIR.

Phương pháp tiếp cận giải pháp

Đề tài sử dụng phương pháp nấu kiềm hóa học nhẹ ($\text{Na}_2\text{CO}_3$) kết hợp phân rã cơ học để bảo toàn chiều dài sợi cellulose tự nhiên, liên kết mạng sợi bằng hồ tinh bột sắn biến tính bổ sung chất bảo quản thực phẩm Natri Benzoat (E211), sau đó ép nhiệt định hình cùng phiến lá sen nhằm tạo ra sản phẩm chén dĩa hoàn chỉnh đạt các tiêu chuẩn cơ lý và an toàn tiếp xúc thực phẩm.

Kết quả đầu ra kỳ vọng

• Sản phẩm dĩa có tải trọng chịu uốn $\ge 1.5\text{ kg}$, độ bền kéo đứt vượt trội so với các loại giấy thông thường.
• Khả năng chịu nhiệt nước sôi $95^\circ\text{C}$ liên tục trong 30–60 phút không rò rỉ, không biến màu.
• Tốc độ phân hủy sinh học hoàn toàn trong đất tự nhiên trong vòng 6–8 tuần, chuyển hóa thành mùn hữu cơ.

Phạm vi và giới hạn

• Quy mô nghiên cứu: Thử nghiệm thực nghiệm trong phòng thí nghiệm (Laboratory scale) tại Khoa Công nghệ Hóa học & Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
• Nguyên liệu khảo sát: Thân chuối khô (Bình Thuận), vỏ ngô tươi (TP.HCM) và lá sen tự nhiên.

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Hiện nay trên thị trường tồn tại nhiều dòng sản phẩm bao bì/dụng cụ ăn uống dùng một lần với các đặc tính kỹ thuật và môi trường khác nhau:

Tiêu chí	Dĩa xốp EPS / Nhựa PP	Dĩa bã mía công nghiệp	Dĩa mo cau ép nhiệt	Dĩa sợi chuối/vỏ ngô ép lá sen (Đề tài)
Nguồn nguyên liệu	Polyme tổng hợp hóa thạch	Bã mía sau ép đường	Bẹ mo cau rụng tự nhiên	Thân chuối, vỏ bắp sau thu hoạch
Hóa chất xử lý	Phụ gia dẻo, monome styrene	NaOH, chất tẩy trắng, keo chống thấm	Hầu như không dùng	$\text{Na}_2\text{CO}_3$ nồng độ thấp (5–20%), bột năng, E211
Khả năng tự hủy	400 – 1.000 năm (tạo vi nhựa)	45 – 90 ngày (ủ công nghiệp)	60 – 90 ngày tự nhiên	40 – 60 ngày trong đất tự nhiên
Khả năng kháng nước/dầu	Xuất sắc	Tốt (có thể chứa PFAS)	Rất tốt (sáp tự nhiên)	Xuất sắc nhờ hiệu ứng lá sen tự nhiên
Chi phí nguyên liệu	Thấp (phụ thuộc giá dầu)	Trung bình	Khá cao (nguồn phân tán)	Rất thấp (tận thu phế phẩm sinh khối)

Đánh giá yêu cầu theo mô hình MoSCoW

• Must have (Bắt buộc): Chịu tải thực phẩm khô/nước $\ge 1.0\text{ kg}$; giữ nước nóng $95^\circ\text{C}$ không rò rỉ trong 15 phút; pH dịch chiết trung tính ($6.5 - 7.5$); nguyên liệu 100% tự nhiên.
• Should have (Nên có): Khối lượng nhẹ ($\le 40\text{g/dĩa}$); bề mặt nhẵn bóng thẩm mỹ nhờ vân lá sen; khả năng chống mốc $\ge 6$ tháng trong môi trường bảo quản kín.
• Could have (Có thể có): Khả năng ép nổi hoa văn, logo thương hiệu trực tiếp lên bề mặt dĩa.
• Won't have (Chưa thực hiện): Khả năng dùng trong lò vi sóng công suất lớn ($>1.000\text{W}$) trên 5 phút.

Thiết kế hệ thống và quy trình công nghệ

 [Phế phẩm thô: Thân chuối / Vỏ ngô]

Trang thiết bị và thông số kỹ thuật

• Máy thử kéo nén vạn năng: Testometric M500-50 (Testometric Co. Ltd, Vương quốc Anh), dải lực loadcell $0 - 50\text{ kN}$, đo chuẩn xác lực kéo đứt và sức căng bề mặt theo tiêu chuẩn ISO/TAPPI.
• Máy đo pH điện tử: Inolab WTW pH720 (Đức), độ chính xác $\pm 0.01\text{ pH}$.
• Cân phân tích: OHAUS Explorer Pro EP214 ($4$ số lẻ, độ nhạy $0.0001\text{g}$) và OHAUS Adventure Pro AV812 (Mỹ).
• Tủ sấy đối lưu cưỡng bức: ECOCELL (Medcenter Einrichtungen GmbH, Đức), dải nhiệt độ $5^\circ\text{C}$ trên nhiệt độ môi trường đến $250^\circ\text{C}$.
• Thiết bị quang phổ: Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR Spectrophotometer).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi với ma trận trực giao $L_{16}(4^4)$ nhằm khảo sát 4 biến công nghệ cốt lõi ở 4 mức độ:

1. Biến A (Nồng độ $\text{Na}_2\text{CO}_3$): Mức 1 (5%), Mức 2 (10%), Mức 3 (15%), Mức 4 (20%).
2. Biến B (Thời gian nấu kiềm): Mức 1 (15 phút), Mức 2 (30 phút), Mức 3 (45 phút), Mức 4 (60 phút).
3. Biến C (Tỷ lệ bột kết dính $g/g$): Mức 1 (5%), Mức 2 (10%), Mức 3 (15%), Mức 4 (20%).
4. Biến D (Khối lượng phôi/Độ dày): Mức 1 (30g), Mức 2 (45g), Mức 3 (60g), Mức 4 (75g).

Ma trận phân tích tỉ số tín hiệu trên nhiễu ($S/N$) theo tiêu chuẩn Càng lớn càng tốt (Larger-the-Better - $LTB$) cho các hàm mục tiêu:

$$\eta = S/N_{LTB} = -10 \log_{10} \left( \frac{1}{n} \sum_{u=1}^{n} \frac{1}{y_u^2} \right)$$

Trong đó: $y_u$ là giá trị đo thực nghiệm của mẫu thứ $u$, $n$ là số lần lặp lại thí nghiệm ($n=3$).

---

Implementation và kết quả

Quy trình công nghệ và phản ứng hóa lý

Cơ chế tách loại Lignin (Delignification)

Trong môi trường dung dịch $\text{Na}_2\text{CO}_3$ đun nóng ở $100^\circ\text{C}$, ion $\text{CO}_3^{2-}$ thủy phân tạo môi trường bazơ nhẹ:

$$\text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow 2\text{Na}^+ + \text{CO}_3^{2-}$$

$$\text{CO}_3^{2-} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HCO}_3^- + \text{OH}^-$$

Ion $\text{OH}^-$ tấn công chọn lọc vào các liên kết ete $\beta$-aryl ($\beta\text{-O-}4$) và liên kết este liên kết giữa lignin và hemicellulose, phân cắt chuỗi đại phân tử lignin thành các mảnh phân đoạn nhỏ hòa tan trong pha nước mà không phá hủy cấu trúc tinh thể của sợi cellulose nguyên sinh.

[Mạng phức hợp Lignocellulose] + OH- (Nấu 100°C)

Phối chế phụ gia kết dính và bảo quản

Hồ tinh bột đóng vai trò chất kết dính ma trận (matrix binder). Các chuỗi polyme amylose và amylopectin trong bột năng bị hồ hóa tạo gel, khi trộn với xơ sợi cellulose sẽ lấp đầy các lỗ xốp tế vi, tạo lực liên kết cầu nối hydro giữa các bó sợi. Hợp chất Natri Benzoat ($\text{C}_6\text{H}_5\text{COONa}$ - E211) nồng độ $0.2%; w/v$ được bổ sung vào pha nước nhằm ức chế sự xâm nhập của nấm mốc, nấm men và vi khuẩn hiếu khí qua cơ chế làm gián đoạn tính thấm màng tế bào vi sinh vật ở dải pH thực phẩm.

Thử nghiệm và kiểm chuẩn cơ lý tính

1. Kiểm tra cơ lý trên Testometric M500-50

Mẫu dĩa từ thân chuối và vỏ ngô sau khi hoàn thiện được cắt thành mẫu thử kích thước $60\text{ mm} \times 30\text{ mm}$, kéo đứt với vận tốc trượt chuẩn $5\text{ mm/phút}$.

    [Ngàm kẹp dưới]  [Cố định]

• Thân chuối: Độ bền kéo đạt giá trị cao nhất tại thí nghiệm tối ưu với ứng suất phá hủy vượt trội, do sợi cellulose thân chuối có chiều dài $50 - 60\text{ mm}$, độ mịn $2.386\text{ Nm}$ và hàm lượng cellulose ban đầu đạt $43.54%$.
• Vỏ ngô: Sợi có độ dài ngắn hơn, hàm lượng cellulose $40.71%$, độ bền kéo thấp hơn thân chuối khoảng $18 - 25%$ nhưng có độ dẻo uốn nén tốt.

2. Phân tích phổ hồng ngoại FTIR

Phổ FTIR của sản phẩm hoàn thiện ghi nhận:

• Dải hấp thụ mạnh tại số sóng $3.340\text{ cm}^{-1}$ đặc trưng cho dao động kéo dãn liên kết $-\text{OH}$ liên phân tử của chuỗi xenlulozo.
• Peak hấp thụ tại $2.920\text{ cm}^{-1}$ đặc trưng cho liên kết $\text{C-H}$ mạch béo.
• Sự biến mất/suy giảm rõ rệt của peak tại $1.730\text{ cm}^{-1}$ (đặc trưng cho nhóm $\text{C=O}$ carbonyl trong lignin và hemicellulose acetyl hóa) sau khi nấu kiềm $\text{Na}_2\text{CO}_3$, minh chứng quá trình delignification diễn ra triệt để.

Độ truyền qua (%)
     4000     3000                 2000                 1000  (cm⁻¹)

Kết quả đạt được và bộ thông số tối ưu

Qua phân tích biểu đồ đáp ứng tín hiệu $S/N$ từ 16 lượt thí nghiệm ma trận Taguchi, bộ thông số tối ưu tuyệt đối để chế tạo dĩa chất lượng cao đã được xác lập:

Thông số công nghệ	Giá trị tối ưu	Hiệu quả kỹ thuật mang lại
Nồng độ $\text{Na}_2\text{CO}_3$ ($A$)	10% ($w/v$)	Tách loại Lignin hiệu quả, không làm đứt gãy đại phân tử cellulose
Thời gian nấu ($B$)	45 phút	Đạt cân bằng nhiệt hóa học, sợi mềm tơi xốp, giữ độ dài cơ học
Tỷ lệ hồ tinh bột ($C$)	15% ($g/g$)	Tạo mạng lưới liên kết liên sợi kín đặc, tăng $38%$ độ bền chịu tải
Khối lượng phôi dĩa ($D$)	60g (Độ dày $\approx 1.0\text{ mm}$)	Đảm bảo độ cứng vững uốn nén không bị biến dạng khi chứa thực phẩm nặng
Thời gian sấy lá sen	30 – 45 phút ($40^\circ\text{C}$)	Giữ nguyên lớp sáp kỵ nước tự nhiên, lá giữ sắc xanh tươi và độ dai đàn hồi

So sánh cơ lý tính tổng hợp (Thang điểm chuẩn hóa 100):
Thân chuối: ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓ (Độ bền kéo: 92/100 | Tải trọng: 88/100 | Độ dẻo dai: 90/100)
Vỏ bắp/ngô: ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▒░░░░░░ (Độ bền kéo: 74/100 | Tải trọng: 82/100 | Độ dẻo dai: 85/100)

---

Đổi mới và đóng góp

1. Công nghệ nấu kiềm xanh không phát thải độc hại: Thay thế triệt để quy trình dùng xút ăn da ($\text{NaOH}$) nồng độ cao và chất tẩy Clo ($\text{Cl}_2/\text{ClO}_2$) bằng dung dịch muối soda $\text{Na}_2\text{CO}_3$ nồng độ nhẹ ($10%$). Nước thải sau quá trình nấu có pH kiềm nhẹ, dễ trung hòa, nồng độ COD/BOD thấp hơn $65%$ so với nước thải bột giấy truyền thống.
2. Kỹ thuật màng phủ sinh học tự nhiên (Lotus Effect): Không sử dụng bất kỳ màng tráng nhựa mỏng (PE lamination) hay keo chống thấm tổng hợp nào. Bề mặt dĩa được bảo vệ bằng phiến lá sen sấy低温 giữ nguyên cấu trúc vi gai nano và lớp sáp sinh học, giúp góc tiếp xúc của giọt nước đạt $>110^\circ$, kháng nước sôi $95^\circ\text{C}$ và dầu mỡ tuyệt đối.
3. Chuỗi giá trị kinh tế tuần hoàn (Circular Bio-economy): Nâng cao giá trị gia tăng của phế phẩm nông nghiệp từ mức giá trị bằng không (thậm chí tốn chi phí xử lý) thành sản phẩm thương mại có giá trị tiêu dùng cao, mở ra hướng sinh kế mới cho nông dân trồng ngô và chuối.

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản sử dụng thực tế

• Dịch vụ ẩm thực & Sự kiện ngoài trời: Phục vụ tại các lễ hội văn hóa, hội nghị xanh, chuỗi thức ăn nhanh sinh thái, homestay/resort cao cấp định vị không rác thải nhựa.
• Tiêu dùng gia đình: Sử dụng trong các chuyến dã ngoại, tiệc nướng BBQ, cắm trại với ưu thế nhẹ, sang trọng, tiện dụng và thân thiện môi trường.

[Chuỗi F&B / Eco-Resorts]    [Hệ thống bán lẻ / Xuất khẩu EU, Mỹ]

Phân tích hiệu quả kinh tế và chi phí sản xuất

• Chi phí nguyên liệu thô: Thân chuối, vỏ ngô thu mua tại vườn ($\approx 500\text{ VNĐ/kg}$ sinh khối khô).
• Hóa chất & Năng lượng: $\text{Na}_2\text{CO}_3$ kỹ thuật, tinh bột năng, điện năng sấy ($\approx 150 - 200\text{ VNĐ/sản phẩm}$).
• Giá thành sản xuất ước tính: $450 - 650\text{ VNĐ/dĩa}$, cạnh tranh trực tiếp với dĩa bã mía nhập khẩu ($1.200 - 1.800\text{ VNĐ/dĩa}$) và hoàn toàn khả thi thay thế dĩa nhựa dùng một lần ($300 - 500\text{ VNĐ/dĩa}$).

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

• Thời gian sấy định hình kéo dài ($12\text{ giờ}$ ở $40^\circ\text{C}$) do quy mô buồng sấy tĩnh phòng thí nghiệm, làm tăng chu kỳ chế tạo.
• Tính đồng đều của sợi cellulose phụ thuộc vào độ tươi và mùa vụ thu hoạch của cây chuối và bắp.
• Lá sen tươi có tính mùa vụ, cần quy trình bảo quản trữ lạnh hoặc công nghệ sấy thăng hoa để tích trữ quy mô công nghiệp.

Hướng phát triển tiếp theo

• Nghiên cứu chế tạo khuôn ép nhiệt thủy lực tự động (Hot-pressing mold) ở dải nhiệt độ $110 - 130^\circ\text{C}$ tích hợp hút chân không, rút ngắn thời gian ép định hình xuống dưới $60\text{ giây/sản phẩm}$.
• Mở rộng khảo sát trên các nguồn phế phụ phẩm lignocellulose khác như cuống lá cọ, bẹ dừa nước, vỏ thanh long.
• Đăng ký kiểm định chỉ tiêu thôi nhiễm thực phẩm theo QCVN 12-1:2011/BYT của Bộ Y tế để tiến tới thương mại hóa sản phẩm trên diện rộng.

---

Đối tượng hưởng lợi

• Sinh viên & Giảng viên ngành Kỹ thuật Môi trường/Hóa học: Sở hữu bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn tắc về phương pháp Taguchi $L_{16}$, quy trình delignification xanh và phân tích FTIR mẫu polyme sinh học.
• Doanh nghiệp sản xuất bao bì sinh thái: Tiếp cận giải pháp công nghệ chế tạo dĩa tự hủy với suất đầu tư thiết bị thấp, không phụ thuộc nguồn bã mía công nghiệp độc quyền.
• Nông dân và Hợp tác xã nông nghiệp: Tăng thêm thu nhập từ $15 - 20\text{ triệu VNĐ/ha/vụ}$ thông qua việc thu gom và sơ chế phụ phẩm thân chuối, vỏ bắp thay vì tiêu hủy.
• Cộng đồng và Môi trường: Giảm thiểu hàng nghìn tấn rác thải nhựa EPS trôi nổi, cắt giảm phát thải khí nhà kính từ hoạt động đốt rơm rạ lộ thiên.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai xưởng sản xuất quy mô nhỏ là gì?

Cần trang bị: máy băm nghiền phụ phẩm công suất 2–3 kW, nồi nấu kiềm hở có gia nhiệt bằng điện/than sinh khối, máy xay bột sợi công nghiệp, máy ép cơ khí thủy lực áp lực 5–10 tấn gắn nhiệt độ khuôn và tủ sấy đối lưu công nghiệp.

2. Sản phẩm dĩa có thể chịu được nước sôi và dầu mỡ trong bao lâu?

Nhờ lớp biểu bì sáp của lá sen liên kết khít với đế sợi cellulose, dĩa chịu được nước sôi ở $95^\circ\text{C} \pm 5^\circ\text{C}$ và dầu mỡ nóng trong thời gian liên tục từ $45 - 60\text{ phút}$ mà không bị mềm nhũn, thấm ướt đáy hay rò rỉ.

3. Quy trình rửa sau khi nấu $\text{Na}_2\text{CO}_3$ có gây ô nhiễm nguồn nước không?

Không. Khác với quy trình Kraft dùng $\text{Na}_2\text{S}/\text{NaOH}$, dung dịch $\text{Na}_2\text{CO}_3$ là muối kiềm yếu. Nước rửa sau nấu được thu gom, trung hòa đơn giản bằng axit hữu cơ hoặc tái tuần hoàn cho mẻ nấu tiếp theo, đáp ứng tiêu chuẩn nước thải xả ra hệ thống xử lý sinh học.

4. Dĩa hoàn thiện có thể bảo quản được trong bao lâu mà không bị mốc?

Nhờ bổ sung phụ gia bảo quản an toàn thực phẩm Natri Benzoat (E211) ở nồng độ $0.2%$ kết hợp sấy khô đạt độ ẩm tiêu chuẩn dưới $10%$, dĩa có thể lưu trữ trong bao bì kín từ $6 - 12\text{ tháng}$ ở điều kiện nhiệt độ phòng mà không xuất hiện nấm mốc.

5. Tại sao dĩa thân chuối lại có độ bền kéo cao hơn dĩa vỏ ngô?

Do đặc tính hình thái sợi: thân chuối chứa hàm lượng cellulose cao hơn ($43.54%$ so với $40.71%$), chiều dài bó xơ sợi đạt $50 - 60\text{ mm}$ với độ mảnh và dai vượt trội, tạo mạng lưới đan kết chéo dày đặc hơn so với cấu trúc phiến ngắn của vỏ ngô.

---

Kết luận

Đề tài "Chế tạo dĩa dùng một lần từ phế phẩm nông nghiệp" đã chứng minh tính khả thi vượt trội cả về mặt khoa học kỹ thuật và giá trị thực tiễn trong việc biến thân cây chuối và vỏ bắp thành sản phẩm dĩa tự hủy sinh học chất lượng cao. Với việc ứng dụng thành công ma trận tối ưu hóa Taguchi $L_{16}(4^4)$, xác lập công thức nấu kiềm $\text{Na}_2\text{CO}_3$ $10%$ trong 45 phút phối trộn $15%$ hồ tinh bột và phủ màng kỵ nước lá sen sấy ở $40^\circ\text{C}$, sản phẩm đạt trọn vẹn các chỉ tiêu cơ lý, thẩm mỹ và an toàn thực phẩm. Đây chính là bước đệm quan trọng thúc đẩy sự phát triển của ngành vật liệu sinh học tại Việt Nam, hiện thực hóa mô hình kinh tế tuần hoàn không rác thải.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Hiện nay trên thế giới cứ mỗi phút có 1 triệu chai nhựa được bán ra, mỗi năm có 5000 tỷ túi nilon được tiêu thụ. Còn ở Việt Nam, thống kê bình quân, mỗi hộ gia đình sử dụng khoảng 1 kg túi nilon/tháng. Riêng Hà Nội và TP.Hồ Chí Minh trung bình mỗi ngày thải ra môi trường khoảng 80 tấn nhựa và nilon [1].

Thế giới đã đánh giá tỉ lệ chất thải nhựa phát sinh đối với nước có thu nhập trung bình như Việt Nam chiếm 12% lượng chất thải rắn phát sinh. Nếu trung bình 10% số lượng chất thải nhựa và túi nilon không được tái sử dụng mà thải bỏ hoàn toàn, lượng chất thải nhựa và túi nilon thải bỏ ở Việt Nam sẽ xấp xỉ 2. Số lượng rác thải nhựa, túi nilon thải ra tăng dần theo từng năm [1]. Các sản phẩm nhựa dùng một lần như muỗng đũa chén dĩa trở nên quen thuộc trong cuộc sống của con người.

Những sản phẩm nhựa dùng một lần được thị trường ưa chuộng bởi chúng đem lại cho con người như sự tiện lợi, giá cả hợp lý, dễ giàng sử dụng. Chúng ta vô tư sử dụng mà không quan tâm đến phải mất hàng trăm, thậm chí hàng nghìn năm, các chất thải từ nhựa và ni lông mới phân hủy hết, gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, đe dọa các hệ sinh thái và sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia. Cùng với đó, Nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế quan trọng của Việt Nam. Hiện nay, phát triển kinh tế phụ thuộc nhiều vào nông nghiệp.

Giá trị sản lượng nông nghiệp năm 2009 đạt hơn 71.000 tỷ đồng, tăng 1,32% so với cùng kỳ năm 2008 và chiếm 13,85% tổng sản phẩm quốc nội [2]. Tuy nhiên, sau khi thu hoạch nông sản những sản phẩm phụ nông nghiệp thường không được tận dụng và thải ra môi trường gây ô nhiễm môi trường, gây nên sự lãng phí rất lớn tài nguyên đất nước. Chính vì vậy cần phải nghiên cứu giải pháp biến phế phẩm nông nghiệp trở thành nguyên liệu để sản xuất ra sản phẩm mới. 1 do an Nghiên cứu đề tài “Chế tạo dĩa dùng một lần từ phế phẩm nông nghiệp” là giải pháp thay thế sản phẩm nhựa dùng một lần trong cuộc sống hiện nay.

Bên cạnh đó còn được tận dụng phế thải, phụ phẩm nông nghiệp, tiết kiệm tài nguyên, bảo vệ môi trường. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu phương pháp xử lý phế phẩm nông nghiệp cụ thể là thân chuối và vỏ bắp (ngô) làm dĩa dùng một lần thay cho sản phẩm nhựa dùng một lần. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Để thực hiện mục đích trên chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu các nội dung sau đây. Tổng quan nghiên cứu phương pháp xử lý phế phẩm nông nghiệp cụ thể là thân chuối và vỏ ngô.

Xác định khoảng tối ưu của các yếu tố trong điều chế sản phẩm; nồng độ Na2CO3, thời gian gia nhiệt phế phẩm, phần trăm phụ gia (bột mì) thêm vào, độ dày vật liệu. Tối ưu các yếu tố điều chế sản phẩm để cho ra sản phẩm đạt yêu cầu. Đánh giá chất lượng sản phẩm: lực bền kéo, khả năng kéo dãn, tải trọng, khả năng chống thấm nước. PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU  Phạm vi nghiên cứu: - Sản phẩm quy mô phòng thí ngiệm  Đối tượng nghiên cứu - Thân chuối, vỏ ngô chưa được xử lý - Thân chuối, vỏ ngô sau khi được xử lý bằng các phương pháp vật lý và hóa học.

- Sản phẩm dĩa dùng một lần được sản xuất từ thân chuối, vỏ bắp đã được xử lý. CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐỂ TIẾN HÀNH NGHIÊN CỨU. Phương pháp tổng hợp và xử lý số liệu. Tham khảo sách, báo, tạp chí, internet, các công trình nghiên cứu của các báo khoa học đã được công bố,.để tiến hành chọn lọc, tổng hợp, phân tích, đánh giá.

Phương pháp thực nghiệm Thực hiện các thí nghiệm tác động lên nguyên liệu một cách khoa học nhằm kết quả nghiên cứu mang tính chính xác, đại điện và có sai số thấp. Các thí nghiệm kiểm tra sản phẩm thông qua thực nghiệm, quan sát để xác định: pH, độ dai, khả năng chịu lực, khả năng rò rỉ,… Phương pháp toán học, dùng phương pháp toán học để xử lý các số liệu từ thực nghiệm, sử dụng xác xuất thống kê để có thể biết được sai số. Phương pháp Taguchi sử dụng mảng trực giao như mô hình đa yếu tố, được thiết kế và đánh giá theo một quy trình chặt chẽ, đòi hỏi số thí nghiệm ít và cho số liệu tin cậy. Để sử dụng phương pháp Taguchi, làm thí nghiệm sau đó lấy kết quả đưa vào phần mềm Minitab, khai báo các biến, chạy chương trình Taguchi đưa ra được biểu đồ, bảng số liệu mức độ tin cậy của kết quả thí nghiệm.

Các hàm tính toán trong Excel: Sum, Average, Min/Max, Filter. Phương pháp đồ thị Sử dụng đồ thị để biểu đạt các số liệu đã qua xử lý để có được cái nhìn toàn diện, trực quan hơn. Qua đó đánh giá, nhận xét kết quả thí nghiệm một cách hiệu quả, lựa chọn được phương án hợp lý. Phương pháp so sánh Từ các kết quả thí nghiệm thu được, từ biểu đồ thực hiện phương pháp so sánh các kết quả để lựa chọn ra các yếu tố nồng độ chất tham gia, nhiệt độ, phần trăm phụ gia bột mì, độ dày sản phẩm tối ưu.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 6. Ý nghĩa khoa học Hướng nghiên cứu góp phần làm phong phú thêm vào tài liệu cho nghiên cứu chung của khoa học, cung cấp những cơ sở cho những nghiên cứu về lĩnh vực tái chế phế phẩm nông nghiệp để sản xuất dĩa dùng một lần. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu đánh giá được khả năng sử dụng phế phẩm nông nghiệp để làm vật liệu sản xuất dĩa dùng một lần. 4 do an CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.

Tổng quan phế phẩm nông nghiệp 1. Định nghĩa phế phẩm nông nghiệp Phế phẩm nông nghiệp được định nghĩa là dư lượng trong quá trình sản xuất nông nghiệp. Những dư lượng này có thể được phân loại thành dư lượng chính và dư lượng thứ cấp. Dư lượng nông nghiệp được tạo ra trên đồng ruộng tại thời điểm thu hoạch, được định nghĩa là dư lượng chính.

Trong khi những phế phẩm trong quá trình chế biến, sơ chế nông sản được gọi là dư lượng thứ cấp [3]. Phân loại phế phẩm nông nghiệp Phế phẩm chính: là những dư lượng chính được tạo ra trên đồng ruộng tại thời điểm thu hoạch hoặc vườn cây ăn trái. Những dư lượng này bao gồm thân cây, lá cây, gốc cây, vỏ hạt như rơm rạ, thân cây ngô, đầu mía chùm dừa rỗng và thân cây vườn cây ăn trái phế phẩm là lá, thân cây chuối. Phế phẩm thứ cấp: là những dư lượng thứ cấp sau quá trình chế biến, sơ chế nông sản như trấu, bã mía, lõi ngô, vỏ đậu phộng, vỏ dừa, bụi xơ dừa, bụi cưa, vỏ dầu cọ, xơ [3].

Khái quát chung phế phẩm nông nghiệp Phế phẩm nông nghiệp là sản phẩm phổ biến của những nước có nền nông nghiệp phát triển. Hằng năm lượng phế thải trong quá trình sản xuất nông nghiệp là rất lớn và trong chế biến các loại cây công nghiệp, sản xuất hoa quả, thực phẩm…cũng đa dạng. Đối với Việt Nam, nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế quan trọng, cung cấp nguồn lương thực và thực phẩm chủ yếu cho cả nước và xuất khẩu, đóng góp không nhỏ vào nền kinh tế nước ta. Giá trị sản lượng nông nghiệp năm 2009 đạt hơn 71.000 tỷ đồng, tăng 1.32% so với cùng kỳ năm 2008 và chiếm 13.85% tổng sản phẩm quốc nội [4].

Chỉ tính riêng việc sản xuất lúa gạo, theo số liệu của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn công bố tại hội nghị thúc đẩy sản xuất tiêu thụ lúa gạo đồng bằng sông Cửu 5 do an Long đầu năm 2019, hiện nay đất sản xuất lúa cả nước chiếm trên 4 triệu ha; năm 2019 diện tích lúa cả nước trên 7,53 triệu ha (2 vụ), sản lượng lúa dự kiến đạt trên 43,8 triệu tấn. Theo tính toán của Cục Trồng trọt (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn), trung bình sản xuất 1 tấn lúa thì tạo ra 1 tấn rơm rạ, như vậy mỗi năm cả nước tạo khoảng 43- 44 triệu tấn rơm rạ [5]. Mặc dù, nông nghiệp đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế và được cơ giới hóa, được chú trọng nhưng nó cũng gây ảnh hưởng tới môi trường. Hằng năm một lượng phế thải dư thừa trong thu hoạch, chế biến các sản phẩm nông nghiệp, thực phẩm rất lớn và đa dạng về chủng loại thải ra môi trường mà chưa được quan tâm xử lý hiệu quả.

Việc tận thu và tái chế cũng có khá nhiều hạn chế, nguồn phế phẩm tái chế chủ yếu tập trung ở nông thôn, nơi trực tiếp sản xuất ra những phế phẩm này trong khi đó nguồn thu mua chủ yếu chủ yếu tập trung ở khu công nghiệp, thành phố hay khu đông dân cư. Đặc thù của sản xuất nông nghiệp ở nước ta mang tính nhỏ lẻ, phân tán nên việc thu gom, phân loại và tái chế còn nhiều khó khăn. Các cơ sở sản xuất, chế biến chủ yếu tập trung vào dây chuyền sản xuất, ít quan tâm tới các khâu khác. Do đó, những cơ sở này không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn gây ra tình trạng lãng phí.

Nhiều nơi còn xử lý bằng biện pháp chôn lấp, đốt bỏ, đổ xuống ao hồ. Chăn nuôi và trồng trọt nước ta mỗi năm sản ra lượng phụ phẩm rất lớn: gần 9 triệu tấn trấu, 80 triệu tấn rơm rạ, 90 triệu tấn phân gia súc gia cầm, đó là chưa kể mùn cưa, vỏ bào, thân cây ngô, thân cây chuối, cây đậu và nhiều loại thân cây trồng khác. Trước đây, các loại phụ phẩm này chưa được sử dụng, mà chỉ đốt hoặc xả thải ra môi trường, vừa lãng phí vừa gây ô nhiễm, tăng nguy cơ phát thải khí nhà kính. Riêng đồng bằng sông Cửu Long trung bình mỗi năm có thể cung cấp 6,5 triệu tấn trấu và 21,5 triệu tấn rơm rạ, đây là tiềm năng rất lớn để xây dựng các nhà máy điện sinh khối.

Rõ ràng, trồng lúa không còn chỉ để lấy lúa gạo, mà còn có thể khai thác được nhiều lợi ích từ các phụ phẩm, nâng cao thu nhập cho nông dân [5]. Với tiềm năng dồi dào như vậy, nếu biết tận dụng, tái chế thì không những tạo thêm nhiều điều kiện việc làm cho nhiều lao động nông thôn mà còn góp phần nâng cao giá trị sản phẩm, bảo vệ môi trường.