Đặt vấn đề Hiện nay, trên thế giới và cả ở nƣớc ta, tinh bột khoai mì là nguồn nguyên liệu không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp lớn nhƣ làm hồ, in, định hình và hoàn tất trong công nghiệp dệt, làm bóng và tạo lớp phủ bề mặt cho công nghiệp giấy. Đồng thời nó còn dùng trong sản xuất cồn, bột nêm, mì chính, sản xuất men và công nghệ lên men vi sinh và chế biến các thực phẩm khác nhƣ bánh phở, hủ tiếu, mì sợi, bánh canh… Chính vì lẽ đó, khoai mì đƣợc trồng trên 100 nƣớc của vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Năm 2006 và 2007, sản lƣợng sắn thế giới đạt 226,34 triệu tấn củ tƣơi. Trong đó, Việt Nam đứng thứ mƣời với 7,71 triệu tấn.
Nhu cầu sử dụng nƣớc trong sản xuất tinh bột khoai mì là rất lớn nên sau khi sử dụng cũng thải ra môi trƣờng một lƣợng nƣớc thải tƣơng đƣơng. Nếu không có biện pháp xử lý trƣớc khi thải bỏ, hàm lƣợng chất hữu cơ trong nƣớc thải sẽ gây ô nhiễm đến nguồn nƣớc mặt và diện tích đất đai xung quanh vùng xã thải do quá trình phân hủy chất hữu cơ trong tự nhiên. Nghiêm trọng hơn nếu chất hữu cơ ngấm xuống tầng nƣớc ngầm, chúng sẽ phá hủy chất lƣợng nguồn nƣớc ảnh hƣởng đến môi trƣờng sống của cả cộng đồng dân cƣ trong khu vực. Nhằm đáp ứng nhu cầu xã hội trong xu hƣớng phát triển bền vững của nƣớc ta cũng nhƣ thế giới.
Việc nghiên cứu các biện pháp quản lý và xử lý thích hợp đối với chất thải từ sản xuất tinh bột khoai mì là điều cần thiết. Công nghệ xử lý nƣớc thải nói chung và nƣớc thải sản xuất tinh bột khoai mì nói riêng ngày càng đi sâu vào áp dụng công nghệ sinh học. Hơn nữa, đặc trƣng của nƣớc thải tinh bột là hàm lƣợng chất hữu cơ cao, giá trị BOD, COD cao thì việc áp dụng phƣơng pháp sinh học là lựa chọn phù hợp. Ngày nay, hydrogen đã thu hút đƣợc sự chú ý của mọi ngƣời bởi nó là một loại năng lƣợng sạch và các sản phẩm đốt cháy chỉ là nƣớc sẽ không tạo ra hiệu ứng nhà kính.
Ngoài ra, hydro có năng suất năng lƣợng cao hơn, cao hơn so với các loại nhiên liệu hydrocarbon khoảng 2,75 lần [1]. Việc sản xuất hydrogen theo phƣơng 2 pháp sinh học nói chung và cụ thể là từ quá trình xử lý các nguồn chất thải hữu cơ là một hƣớng đi đúng đắn vì vừa tạo ra nguồn nhiên liệu có hiệu suất cao và vừa đảm bảo đƣợc vấn đề bảo vệ môi trƣờng. Với những yếu tố trên, tiềm năng sản xuất hydrogen từ quá trình xử lý chất thải công nghiệp sản xuất tinh bột khoai mì tại Việt Nam là rất lớn.2 Ý nghĩa của đề tài Với ƣu điểm là nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện môi trƣờng và có thể tái tạo, BioHydrogen nổi lên nhƣ là điểm sáng trong bức tranh nhiên liệu hóa thạch hiện nay đang ngày càng cạn kiệt và đắt đỏ. Việc sản xuất BioHydrogen từ nguồn chất thải đang là một vấn đề đƣợc thế giới quan tâm và hƣớng đến.
Các nhà khoa học trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu sản xuất BioHydrogen và đã đạt đƣợc những tín hiệu hết sức khả quan. Chính vì vậy, đề tài nghiên cứu sẽ là tiền đề để các nhóm nghiên cứu trong nƣớc bắt kịp các kỹ thuật tiên tiến trên thế giới, cùng các nhà khoa học hàng đầu trên thế giới từng bƣớc xây dựng một quy trình sản xuất BioHydrogen hiện đại, bền vững. Mặt khác, đề tài mang một ý nghĩa lớn cả về mặt khoa học lẫn thực tiễn. Về mặt thực tiến, đề tài sẽ giúp nâng cao hiệu suất nhiệt trong quá trình sử dụng biogas từ quá trình xử lý chất thải khoai mì, nâng cao hiệu quả kinh tế cũng nhƣ góp phần giải quyết bài toán môi trƣờng trong các nhà máy chế biến tinh bột khoai mì.
Về mặt khoa học, đề tài sẽ là công trình nghiên cứu giúp các nhà nghiên cứu trong nƣớc có cái nhìn ban đầu về khả năng sản xuất BioHydrogen từ chất thải khoai mì, mở ra hƣớng đi cho các nghiên cứu sâu hơn trong lĩnh vực này.3 Phƣơng pháp nghiên cứu Hƣớng tiếp cận chủ yếu trong đề tài này là dựa vào khảo sát thực nghiệm các quy trình xử lý chất thải sản xuất tinh bột khoai mì để tạo BioHydrogen trong điều kiện kỵ khí với các thông số đầu vào của quá trình là khác nhau. - Chọn lựa nguồn bùn thải thích hợp từ cơ sở xử lý nƣớc thải theo phƣơng pháp lên kỵ khí giàu Clostridium có khả năng sản xuất hydrogen cao. - Thực nghiệm và đánh giá các yếu tố ảnh hƣởng lên năng suất sản xuất H2. Xác định điều kiện phản ứng tối ƣu.4 Mục tiêu của đề tài Mục tiêu chính của đề tài là khảo sát khả năng sản xuất BioHydrogen tại các điều kiện cụ thể khác nhau.
Qua đó có thể đƣa ra các điều kiện cho sản xuất BioHydrogen bằng phƣơng pháp lên men kỵ khí trong điều kiện phòng thí nghiệm. Theo đó, các mục tiêu cụ thể cần đạt đƣợc ở đây là: - Đánh giá khả năng sản xuất biohydrogen từ lên men trong môi trƣờng Cheng [2] có tính đến các yếu tố trong xử lý chất thải công nghiệp sản xuất tinh bột khoai mì. - Đƣa ra một số các điều kiện thuận lợi để sản xuất biohydrogen bằng phƣơng pháp lên men kỵ khí đối với nguồn cơ chất.1 Sản xuất tinh bột khoai mì 2.1 Giới thiệu chung về khoai mì Khoai mì (hay còn gọi là khoai mì) có tên khoa học là Manihot Esculenta là cây lƣơng thực ƣa ẩm, nó phát nguồn từ lƣu vực sông Amazone Nam Mỹ. Đến thế kỉ XVI mới đƣợc trồng ở châu Á và Phi [3].
Ở nƣớc ta, khoai mì đƣợc trồng ở khắp nơi từ Bắc vào Nam nhƣng do quá trình sinh trƣởng của khoai mì kéo dài, khoai mì giữ đất lâu nên chỉ các tỉnh trung du và thƣợng du Bắc Bộ nhƣ: Phú Thọ, Tuyên Quang, Hòa Bình … là điều kiện trồng trọt thích hợp hơn cả. Tổng diện tích trồng sắn của Việt Nam đạt 560.000 ha, sản xuất gần 9,4 triệu tấn / năm [4]. Khoai mì cũng là một trong những loại nông sản có vai trò khá quan trọng trong đời sống. Ngày nay các công ty xí nghiệp càng chú trọng hơn trong việc nâng cao giá trị của khoai mì bằng cách xây dựng các xí nghiệp sản xuất tinh bột khoai mì.Với diện tích thu hoạch hơn nửa triệu ha, giá trị xuất khẩu sản phẩm khoai mì của Việt Nam đạt 800-950 triệu USD mỗi năm.
Thị trƣờng nhập khẩu khoai mì của Việt Nam chủ yếu là các nƣớc châu Á nhƣ Trung Quốc, Hàn Quốc, Đài Loan, Philippines, Malaysia, Nhật Bản. Khoai mì là một cây nông nghiệp đã đƣợc công nghiệp hóa rất thành công. Công nghiệp chế biến tinh bột khoai mì là một ngành công nông nghiệp làm theo thời vụ chủ yếu là từ cuối tháng 8 năm trƣớc đến đầu tháng 4 năm sau, sử dụng khoai mì làm nguyên liệu chính. Cùng với việc trồng, từ lâu nhân dân ta đã chế biến thành lƣơng thực cho ngƣời, gia súc (khoai mì lát) hoặc chế biến thành những món ăn dân dã nhƣ làm bánh, nấu chè… Việt Nam là một đất nƣớc nông nghiệp và đang không ngừng công nghiệp hóa theo xu thế của toàn cầu.
Chính vì lẽ đó mà cả những sản phẩm nông nghiệp cũng đƣợc đƣa vào ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp chế biến. Khoai mì Việt Nam cũng bao gồm nhiều loại. Nhân dân ta thƣờng căn cứ vào kích thƣớc, màu sắc củ, thân, gân lá và tính chất khoai mì đắng hay ngọt (quyết định 5 bởi hàm lƣợng axit HCN cao hay thấp) mà tiến hành phân loại. Tuy nhiên trong công nghệ sản xuất tinh bột ngƣời ta phân thành hai loại: khoai mì đắng và khoai mì ngọt.
Nhiều ngành công nghiệp và chế biến thực phẩm có sử dụng tinh bột khoai mì cũng rất phát triển dẫn đến nhu cầu tinh bột khoai mì tăng nhanh chóng. Tinh bột khoai mì là một trong các nguồn có hàm lƣợng tinh bột cao nhất, củ khoai mì chứa đến 30% hàm lƣợng tinh bột nhƣng có hàm lƣợng protein, cacbonhydrate và chất béo thấp. Đó là nguồn thức ăn cho cuộc sống con ngƣời, là nguồn nguyên liệu cho các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm và các ngành công nghiệp khác. Vì những lợi ích mà tinh bột khoai mì mang lại cho con ngƣời nên ngày càng có nhiều cơ sở sản xuất tinh bột khoai mì ra đời với thiết bị khá hiện đại và đã phần nào giải quyết đƣợc nguồn nguyên liệu khoai mì tại nhiều vùng trong cả nƣớc cũng nhƣ xuất khẩu.1: Tỷ lệ % (theo khối lượng) của các thành phần có trong khoai mì [5] STT Thành phần Tỷ lệ % 1 Nƣớc 70,25 2 Tinh bột 21,45 3 Protid 1,12 4 Chất béo 0,4 5 Cellulose 1,11 6 Đƣờng 5,13 7 Tro 0,54 2.2 Quy trình sản xuất tinh bột khoai mì 6 Hình 2.
Quy trình sản xuất tinh bột khoai mì [5] THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Bƣớc 1: Ngâm Quá trình ngâm nhằm mục đích tách bớt một lƣợng chất hòa tan trong nguyên liệu, làm bở đất cát để nâng cao hiệu suất quá trình rửa sau này. 7 Bƣớc 2: Rửa và bóc vỏ Nguyên liệu sau khi ngâm thì đƣợc đem đi rửa và bóc vỏ. Mục đích của quá trình rửa và bóc vỏ là làm sạch nguyên liệu và tách bỏ phần vỏ gỗ của củ vì nếu rửa không sạch thì đất cát bám trên củ sẽ làm mòn răng máy nghiền và làm giảm hiệu suất nghiền. Mặt khác, nếu tạp chất lẫn vào tinh bột sẽ làm tăng độ tro, độ màu thành phẩm, tinh bột sẽ không có chất lƣợng cao.
Bƣớc 3: Phƣơng pháp rửa và bóc vỏ a. Phƣơng pháp thủ công Ở những nhà máy vừa và nhỏ, ngƣời ta tách bỏ nguyên phần vỏ (gồm phần vỏ lụa và vỏ thịt) và chỉ dùng phần lõi của củ – phần có cấu trúc mềm xốp để sản xuất tinh bột. Với những thiết bị đơn giản có sẵn và nguồn năng lƣợng hạn chế của các nhà máy, việc dùng nguyên củ để sản xuất sẽ gặp khó khăn trong khâu nghiền cũng nhƣ trong khâu rửa đất cát, gọt vỏ… trong khi lƣợng tinh bột thu đƣợc là không cao (do nghiền không hiệu quả). Ngƣời ta có thể tách vỏ củ bằng tay.
Củ đƣợc khía ngang, dọc đến một độ sâu nhất định tùy vào bề dày của vỏ, sau đó dễ dàng đƣợc lột ra. Bụi bẩn, đất cát… còn vƣơng lại trên bề mặt lõi của củ bây giờ có thể đƣợc rửa sạch một cách dễ dàng và những củ đã đƣợc lột vỏ đƣợc đẩy vào bồn ximăng, ngâm trong nƣớc cho đến khi đƣợc lấy ra để nghiền.
