So sánh khả năng xử lý nước thải chứa tinh bột ở quy mô phòng thí nghiệm của một số chế phẩm xử lý nước thải tinh bột hiện nay trên thị trường

h phở, nui, hủ tiếu,… cũng thải ra môi trường một lượng không nhỏ nước thải chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa đạt yêu cầu cho phép. Nước thải từ các nhà máy sản xuất tinh bột có hàm lượng chất hữu cơ cao, nếu không được xử lý khi xả ra các ao hồ, sông suối sẽ gây ô nhiễm môi trường nước, đất và cả không khí, ảnh hưởng đến con người và sinh giới xung quanh. Cụ thể là việc rất nhiều nhà máy sản xuất tinh bột mì như Vedan - Đồng Nai, Thanh Chương - Nghệ An, nhà máy tinh bột sắn Pococev - Thừa Thiên Huế, cơ sở chế biến tinh bột mì Ngọc Thạch - Bình Thuận,… đã bị đình chỉ hoạt động do những ảnh hưởng nghiêm trọng từ việc xả thải ra môi trường sống của người dân trong khu vực. Trước thực trạng trên, yêu cầu thực tiễn đặt ra là phải có một biện pháp cụ thể, thích hợp và tiết kiệm kinh phí để xử lý nước thải nhằm làm giảm thiểu ô nhiễm do nước thải ngành tinh bột khoai mì gây ra. Hiện nay, trên thị trường đã có một số chế phẩm sinh học do các công ty bảo vệ môi trường và xử lý nước thải sản xuất đã cho hiệu quả xử lý cao, chi phí thấp và phù hợp với quy mô sản xuất nhỏ của nước ta. Để tìm hiểu rõ hơn về hiệu quả xử lý của các chế phẩm hiện nay trên thị trường, tôi đã tiến hành đề tài: “So sánh khả năng xử lý nước thải chứa tinh bột ở quy mô phòng thí nghiệm của một số chế phẩm xử lý nước thải tinh bột hiện nay trên thị trường”. 2. Mục đích Tìm hiểu tổng quan về tinh bột và ngành công nghiệp sản xuất tinh bột mì. Tìm hiểu về nước thải sản xuất tinh bột mì và khả năng xử lý nước thải sản xuất tinh bột mì bằng phương pháp sinh học. Thử nghiệm khả năng xử lý của các chế phẩm vi sinh hiện nay trên thị trường. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TINH BỘT VÀ CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT TINH BỘT MÌ 1.1 Tổng quan về tinh bột 1.1.1 Cấu tạo Tinh bột thuộc nhóm hợp chất hữu cơ cao phân tử gọi là polysaccharide gồm các đơn phân là glucose liên kết với nhau bằng liên kết α-glycoside, công thức phân tử là (C6H10O5)n trong đó n từ vài trăm đến hơn một triệu và tỷ lệ C:H:O là 6:10:5. Liên kết nhánh Hình 1.1 Công thức cấu tạo của tinh bột Bảng 1.1 Hàm lượng tinh bột của một số loại củ quả Loại hạt Kích thước hạt (µm) Hình dáng hạt Hàm lượng tinh bột (%) Hạt ngô 10 - 30 Đa giác hoặc tròn 25 Lúa mì 5 - 50 Tròn 20 Lúa 2 -10 Đa giác 13 - 35 Đậu đỗ 30 - 50 Tròn 46 - 54 Khoai mì 5 - 35 Tròn 35 Khoai tây 1 - 120 Bầu dục 23 Khoai lang 5 - 50 Bầu dục 20 1.1.2 Phân loại Tinh bột là hỗn hợp gồm hai loại polysaccharide là: amylose và amylopectin. Tỷ lệ amylose / amylopectin thay đổi tùy theo từng loại tinh bột, thông thường là ¼. Trong tinh bột loại nếp (gạo nếp hoặc ngô nếp) amylopectin chiếm gần 100%. Trong tinh bột đậu xanh hàm lượng amylose chiếm khoảng 50%. Amylose: là polymer mạch thẳng, có trọng lượng phân tử 50000 – 160000 Da, được cấu tạo từ 500 – 2000 phân tử D-glucose nối với nhau bởi liên kết α-1,4 glycoside tạo thành một mạch xoắn dài không phân nhánh. Amylose nguyên chất có mức độ trùng hợp không phải hàng trăm mà là hàng ngàn. Có hai loại amylose: - Amylose có mức độ trùng hợp tương đối thấp (khoảng 2000) thường không có cấu trúc bất thường và bị thủy phân hoàn toàn bởi β-amylase. - Amylose có mức độ trùng hợp lớn hơn, có cấu trúc phức tạp đối với β-amylase nên chỉ bị phân hủy 60%. Trong hạt tinh bột, trong dung dịch hoặc ở trạng thái thoái hóa thì amylose thường có cấu hình mạch giãn, khi thêm tác nhân kết tủa vào, amylose mới chuyển thành dạng xoắn ốc. Mỗi vòng xoắn ốc gồm 6 đơn vị glucose. Đường kính của xoắn ốc là 12,97 A0, chiều cao của vòng xoắn là 7,91 A0. Các nhóm hydroxyl của các gốc glucose được bố trí ở phía ngoài xoắn ốc, bên trong là các nhóm C-H. Hình 1.2 Cấu tạo của amylose Amylopectin: là polymer mạch nhánh, có trọng lượng phân tử 400000 đến hàng chục triệu Da, được cấu tạo từ 600 – 6000 phân tử D-glucose, nối với nhau bởi liên kết α-1,4 glycoside và α-1,6 glycoside tạo thành mạch có nhiều nhánh. Mỗi liên kết nhánh này làm cho phân tử phức tạp hơn, chiều dài của mỗi chuỗi mạch nhánh khoảng 25 – 30 đơn vị glucose. Hình 1.3 Cấu tạo của amylopectin 1.1.3 Tính chất vật lý 1.1.3.1 Độ tan của tinh bột Amylose mới tách từ tinh bột có độ tan cao hơn song không bền, nhanh chóng bị thoái hóa trở lại, không hòa tan trong nước. Amylopectin khó tan trong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ tan trong nước nóng. Tinh bột bị kết tủa trong cồn, vì vậy cồn là một tác nhân tốt để tăng hiệu quả thu hồi tinh bột. 1.1.3.2 Sự trương nở Khi ngâm tinh bột vào nước thì thể tích hạt tăng lên do sự hấp thụ nước, làm cho hạt tinh bột trương phồng lên. Hiện tượng này gọi là hiện tượng trương nở của hạt tinh bột. Độ tăng kích thước của các loại tinh bột khi ngâm vào nước là khác nhau, ví dụ như: tinh bột bắp có sự trương nở là 9.1%, tinh bột khoai tây là 12.7%, còn tinh bột mì là 28.4%,… 1.1.3.3 Tính hồ hóa của tinh bột Nhiệt độ để phá vỡ hạt tinh bột chuyển từ trạng thái ban đầu thành dung dịch keo gọi là nhiệt độ hồ hóa. Phần lớn tinh bột bị hồ hóa khi nấu và trạng thái trương nở được sử dụng nhiều hơn ở trạng thái tự nhiên. Các biến đổi hóa lý khi hồ hóa như sau: hạt tinh bột trương lên, tăng độ trong suốt và độ nhớt, các phân tử mạch thẳng và nhỏ thì hòa tan và sau đó tự liên hợp với nhau để tạo thành gel. Nhiệt độ hồ hóa không phải là một điểm mà là một khoảng nhiệt độ nhất định. Tùy điều kiện hồ hóa như nhiệt độ, nguồn gốc tinh bột, kích thước hạt và pH mà nhiệt độ phá vỡ và trương nở của tinh bột biến đổi một cách rộng lớn. Bảng 1.2 Nhiệt độ hồ hóa của một số loại tinh bột Tinh bột tự nhiên Nhiệt độ hồ hóa (Tp) Ngô 62 – 73 Lúa miến 68 – 75 Lúa mì 68 – 75 Gạo 68 – 74 Khoai mì 52 – 59 Khoai tây 59 – 70 1.1.3.4 Độ nhớt của tinh bột Một trong những tính chất quan trọng của tinh bột có ảnh hưởng đến chất lượng và kết cấu của nhiều sản phẩm thực phẩm đó là độ nhớt và độ dẻo. Phân tử tinh bột có nhiều nhóm hydroxyl có khả năng liên kết được với nhau làm cho phân tử tinh bột tập hợp lại, giữ nhiều nước hơn khiến cho dung dịch có độ đặc, độ dính, độ dẻo và độ nhớt cao hơn. Yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch tinh bột như: kích thước, thể tích, cấu trúc, và sự bất đối xứng của phân tử. Ngoài ra, nồng độ tinh bột, pH, nhiệt độ, tác nhân oxy hóa, các thuốc thử phá hủy liên kết hydro đều làm cho tương tác của các phân tử tinh bột thay đổi do đó làm thay đổi độ nhớt của dung dịch tinh bột. 1.1.3.5 Khả năng tạo gel và sự thoái hóa của gel Tinh bột sau khi hồ hóa và để nguội, các phân tử sẽ tương tác nhau và sắp xếp lại một cách có trật tự để tạo thành gel tinh bột với cấu trúc mạng ba chiều. Để tạo được gel thì dung dịch tinh bột phải có nồng độ đậm đặc vừa phải, phải được hồ hóa để chuyển tinh bột thành trạng thái hòa tan và sau đó được để nguội ở trạng thái yên tĩnh. Trong gel tinh bột chỉ có các liên kết hydro tham gia, có thể nối trực tiếp các mạch polyglucoside hoặc gián tiếp qua phân tử nước. Khi gel tinh bột để nguội một thời gian dài sẽ co lại và lượng dịch thể sẽ thoát ra, gọi là sự thoái hóa. Quá trình này sẽ càng tăng mạnh nếu gel để ở lạnh đông rồi sau đó rã đông. 1.1.4 Tính chất hóa học 1.1.4.1 Phản ứng thủy phân Một tính chất quan trọng của tinh bột là quá trình thủy phân liên kết giữa các đơn vị glucose bằng acid hoặc bằng enzyme. Acid có thể thủy phân tinh bột ở dạng hạt ban đầu hoặc ở dạng hồ hóa, còn enzyme chỉ thủy phân hiệu quả ở dạng hồ hóa. Một số enzyme thường dùng là α-amylase, β-amylase,…Acid và enzyme giống nhau là đều thủy phân các phân tử tinh bột bằng cách thủy phân liên kết α-D 1,4 glycoside. Đặc trưng của phản ứng này là sự giảm nhanh độ nhớt và sinh ra đường. Hình 1.4 Phản ứng thủy phân của tinh bột Các nhóm hydroxyl trong tinh bột có thể bị oxy hóa tạo thành aldehyte, cetone và tạo thành các nhóm carboxyl. Quá trình oxy hóa thay đổi tùy thuộc vào tác nhân oxy hóa và điều kiện tiến hành phản ứng. Quá trình oxy hóa tinh bột trong môi trường kiềm bằng hypoclorit là một trong những phản ứng hay dùng, tạo ra nhóm carboxyl trên tinh bột và một số lượng nhóm carbonyl. Quá trình này còn làm giảm chiều dài mạch tinh bột và tăng khả năng hòa tan trong nước. Các nhóm hydroxyl trong tinh bột có thể được ete hóa và este hóa. Một số monomer vinyl (vinyl acetate, acetic anhydride,…) đã được dùng để ghép lên tinh bột. Quá trình ghép được thực hiện khi các gốc tự do tấn công lên tinh bột và tạo ra các gốc tự do trên tinh bột ở các nhóm hydroxyl. Những nhóm hydroxyl trong tinh bột có khả năng phản ứng với aldehyte trong môi trường acid. Khi đó xảy ra phản ứng ngưng tụ tạo liên kết ngang giữa các phân tử tinh bột gần nhau. Sản phẩm tạo thành không có khả năng tan trong nước. 1.1.4.2 Phản ứng tạo phức Phản ứng rất đặc trưng của tinh bột là phản ứng tạo màu với iot. Khi tương tác với iot, amylose sẽ cho phức màu xanh đặc trưng còn amylopectin cho phức màu nâu tím. Vì vậy, iot có thể coi là thuốc thử đặc trưng định tính tinh bột bằng phương pháp trắc quan. Phản ứng xảy ra khi các phân tử amylose phải có dạng xoắn ốc hình thành đường xoắn ốc đơn của amylose bao quanh phân tử iot. Dextrin là nhóm carbohydrate có khối lượng phân tử thấp, được tạo ra bởi phản ứng thủy phân của tinh bột. Dextrin là hỗn hợp polymer của D-glucose liên kết với các nhóm α-1,4 glycoside và α-1,6 glycoside. Các dextrin có ít hơn 6 gốc glucose (pentose, hexose,…) không cho phản ứng với iot vì không tạo được một vòng xoắn ốc hoàn chỉnh. Acid và một số muối như KI, Na2SO4 tăng cường độ phản ứng. Amylose với cấu hình xoắn ốc hấp thụ được 20% khối lượng iot, tương ứng với một vòng xoắn một phân tử iot. Hình 1.5 Phản ứng tạo phức giữa tinh bột với Iot Ngoài khả năng tạo phức với iot, amylose còn có khả năng tạo phức với nhiều chất hữu cơ có cực cũng như không cực như: các rượu no, các rượu thơm, phenol, các cetone phân tử lượng thấp. 1.1.4.3 Tính hấp thụ của tinh bột Hạt tinh bột có cấu tạo lỗ xốp nên khi tương tác với các chất bị hấp thụ thì bề mặt trong và ngoài của tinh bột đều tham gia. Vì vậy trong quá trình bảo quản, sấy và chế biến cần phải hết sức quan tâm tính chất này. Các ion liên kết với tinh bột thường ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của tinh bột. Khả năng hấp thụ của các loại tinh bột phụ thuộc cấu trúc bên trong của hạt và khả năng trương nở của chúng. 1.1.5 Một số phương pháp xác định các chỉ số cơ bản của tinh bột 1.1.5.1 Xác định tinh bột bằng phương pháp so màu Hovencamp Hermelink đưa ra phương pháp so màu nhanh. Nguyên tắc dựa vào khả năng phản ứng màu đặc trưng của amylose và amylopectin với dung dịch lugol. Nồng độ cơ chất càng cao thì phức tạo màu càng đậm và khả năng hấp thụ ánh sáng càng thấp. Amylose hấp thụ ánh sáng mạnh ở bước sóng 618nm còn amylopectin hấp thụ ở bước sóng 550nm. Cho nên dùng phương pháp đo quang để xác định hàm lượng amylose và amylopectin trong tinh bột. Tách amylose và amylopectin Để xác định amylose và amylopectin trong tinh bột thì phải có amylose và amylopectin chuẩn của tinh bột đó, nên phải tách amylose và amylopectin trong tinh bột đó. Tách amylose từ tinh bột: Trình tự tiến hành như sau: Kết tủa chọn lọc amylose nhờ xyclohexanol. Làm sạch amylose bằng phương pháp kết tủa với butanol tinh khiết Tách amylose khỏi các dung môi hữu cơ và sấy khô kết tủa thu được Tách amylopectin từ tinh bột: tốt nhất tách từ tinh bột nếp vì nó chiếm gần như 100%. Tách amylopectin từ tinh bột nếp bằng dung dịch NaOH 0,1%. Xây dựng đồ thị đường chuẩn Đồ thị đường chuẩn là đồ thị gồm các đường thẳng biểu hiện mật độ quang của dung dịch amylose và amylopectin tinh khiết ở các giá trị nồng độ khác nhau của các bước sóng 550nm và 618nm. Để xác định đồ thị đường chuẩn tiến hành như sau: hòa tan 25mg amylose hoặc amylopectin trong 10ml dung dịch HClO4 45%, định mức thành 100ml, sau đó pha loãng dung dịch thành các dung dịch có nồng độ 1.25; 2.5; 5 và 10 mg/100 ml. Lấy 4ml của mỗi loại cho vào cốc thuỷ tinh, thêm vào mỗi cốc 5ml dung dịch lugol, lắc đều cho vào cuvet và đo trên máy so màu lần lượt các bước sóng 550 và 618nm. Xác định hàm lượng amylose và amylopectin trong tinh bột Tiến hành thí nghiệm xác định mật độ quang của dung dịch tinh bột ở các nồng độ khác nhau lần lượt tại các bước sóng giống như phần xác định đường chuẩn. Sau đó tính giá trị R (R là tỉ số mật độ quang của dung dịch tinh bột ở các bước sóng 618 và 550nm). Từ đó tính được hàm lượng amylose và amylopectin có trong tinh bột. Bảng 1.3 Hàm lượng amylose và amylopectin theo tính toán. Loại tinh bột Hàm lượng amylose (%) Hàm lượng amylopectin (%) Khoai mì 13 87 Sắn dây 14 76 Huỳnh tinh 16 84 1.1.5.2 Xác định nhiệt độ hồ hóa của tinh bột bằng phương pháp phân tích nhiệt vi sai Nhiệt độ hồ hóa là nhiệt độ để phá vỡ hạt, chuyển tinh bột từ trạng thái đầu có độ hydrat hóa khác nhau thành dung dịch keo, nhiều tính chất chức năng và tính chất cơ cấu trúc của tinh bột chỉ được thể hiện rõ sau khi đã được hồ hóa (tính nhớt, dẻo, dai, bền, độ trong suốt, khả năng tạo gel, tạo độ đặc, tạo màng,...). Trong công nghiệp dệt, giấy thì nhiệt độ hồ hóa là thông số rất cần thiết. Trong công nghiệp biến hình thì nhiệt độ hồ hóa là mốc quan trọng để điều chỉnh các thông số công nghệ. Có nhiều phương pháp xác định nhiệt độ hồ hóa. Theo dõi độ nhớt của dung dịch tinh bột theo nhiệt độ bằng nhiều loại nhớt kế khác nhau, bằng kính hiển vi, cộng hưởng từ hạt nhân. Tuy nhiên, phương pháp phân tích nhiệt vi sai tiến hành nhanh chóng, chính xác, xác định được điểm nhiệt độ hồ hóa. Xác định nhiệt độ hồ hóa bằng phương pháp phân tích nhiệt vi sai, kỹ thuật DSC đã được Poonam và Dollimre áp dụng năm 1998. Nguyên tắc của phương pháp này là dò tìm sự khác nhau về nhiệt độ giữa mẫu trắng là nước cất và tinh bột nguyên chất trong quá trình nâng nhiệt từ 30 – 900C ở môi trường xác định. Đường cong biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ này được gọi là đường cong của giản đồ DSC. Sự thay đổi trạng thái của tinh bột từ dạng dung dịch sang dạng hồ sẽ làm cho đường cong DSC có điểm uốn. Lấy đạo hàm của đường cong này, chúng ta sẽ có đường cong DTA. Thí nghiệm được tiến hành trên thiết bị TA, dòng không khí được sử dụng có tốc độ 100ml/phút. Chén đựng mẫu thí nghiệm bằng bạch kim. Cân 1mg tinh bột trộn với 9ml nước cất rồi cho vào chén bạch kim, đưa vào máy cùng lúc với mẫu trắng, và tiến hành phân tích nhiệt. Nhiệt độ nâng trong khoảng từ 30 đến trên 900C, tốc độ đốt nóng khoảng 100C/ phút. Nhiệt độ hồ hóa được xác định là nhiệt độ cao nhất (Tp) của đường cong DTA. Bảng 1.4 Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột đo bằng kỹ thuật DSC trên TA Loại tinh bột Nhiệt độ hồ hóa (Tp) Khoai mì 57.3 Sắn dây 60.03 Huỳnh tinh 61.81 Nhiệt độ hồ hóa của huỳnh tinh cao nhất. Vì tỷ lệ amylose cao tức là số lượng mạch thẳng nhiều có khả năng liên kết chặt bên trong cấu trúc hạt, amylose xếp thành hình song song được định hướng chặt chẽ nên phá vỡ được hạt để chuyển thành dung dịch keo phải cần nhiệt độ cao hơn. 1.1.5.3 Xác định độ hòa tan và khả năng hydrate hóa của tinh bột Độ hòa tan và khả năng hydrate hóa của tinh bột được đo bởi phương pháp của Manfred Richter và cộng sự. Nguyên tắc của phương pháp này là đun tinh bột trong một lượng nước dư và khuấy trộn liên tục trong nồi cách thủy ở nhiệt độ khác nhau từ 40 – 800C. Sau đó ly tâm với tốc độ 2500 vòng/phút trong 10 phút. Lượng tan còn lại trong dung dịch sau khi ly tâm chính là lượng tinh bột hòa tan. Từ đó có thể tính được khả năng hòa tan và khả năng hydrate hóa của tinh bột. Cách tiến hành và công thức tính: Cho một lượng tinh bột vào 70ml nước, liên tục khuấy trong nồi cách thủy ở nhiệt độ khác nhau từ 40 – 800C trong 30 phút. Thêm nước vào hỗn hợp cho đến 80g và đem ly tâm với tốc độ 2500 vòng/phút trong 10 phút. Phần nước của dịch ly tâm chắt ra và lấy 50ml cho bốc hơi khô đến khối lượng không đổi và cân. Lượng tinh bột nằm trong pha nước sau khi ly tâm chính là lượng tinh bột hòa tan. Lượng nước và tinh bột nằm trong phần lắng đem cân, sau đó sấy khô tinh bột lắng này đến khối lượng không đổi và cân lại để xác định khả năng hấp thụ nước của tinh bột theo các công thức sau: Hàm lượng nước liên kết với tinh bột được tính theo công thức: W = r-a Trong đó: r: khối lượng tinh bột lắng sau khi ly tâm a: khối lượng tinh bột lắng sau ly tâm đem sấy khô Khả năng hòa tan được tính theo công thức: L = m.b.100 A.V Trong đó: m: Khối lượng dung dịch sau khi hồ hóa b: Khối lượng tinh bột còn lại trong dung dịch sau khi ly tâm được xác định theo phương pháp sấy khô A: Khối lượng tinh bột ban đầu V: Thể tích dung dịch đem sấy khô Khả năng hydrate hóa của tinh bột (hấp thụ nước): W = w.100 A(100 – L) Trong đó: L: khả năng hòa tan của tinh bột A: khối lượng tinh bột ban đầu w: hàm lượng nước liên kết với tinh bột Bảng 1.5 Một số chỉ số liên quan đến cấu trúc mạch của tinh bột Các chỉ số Các loại tinh bột Khoai mì Sắn dây Huỳnh tinh Mức độ trùng hợp (đơn vị glucose) 1323 1284 1548.4 Độ nhớt (centipoise: Cp) 388.4 314.4 425.8 Chỉ số khử (số ml dd Na2S2O3/g tinh bột) 0.32 0.48 0.16 Khả năng hất thụ Iot ( mg I2/g tinh bột) 43.94 40.80 45.69 1.2 Công nghiệp sản xuất tinh bột mì 1.2.1 Nguyên liệu sản xuất tinh bột mì 1.2.1.1 Cây khoai mì Khoai mì (hay còn gọi là sắn) có tên khoa học Manihot Esculenta là cây lương thực ưa ẩm, có nguồn gốc từ lưu vực sông Amazone Nam Mỹ. Đến thế kỷ XVI mới được trồng ở châu Á và châu Phi. Ở nước ta, khoai mì được trồng ở khắp nơi từ Nam đến Bắc nhưng do quá trình sinh trưởng và phát triển của khoai mì kéo dài, giữ đất lâu nên chỉ các tỉnh Trung du và thượng du Bắc Bộ như: Phú Thọ, Tuyên Quang, Hòa Bình,…là điều kiện trồng trọt thích hợp hơn cả. Khoai mì Việt Nam cũng bao gồm nhiều loại giống. Nhân dân ta thường phân loại khoai mì căn cứ vào kích thước, màu sắc củ, thân, gân lá và tính chất khoai mì đắng hay ngọt. Tính chất đắng hay ngọt của khoai mì quyết định bởi hàm lượng acid HCN cao hay thấp. Tuy nhiên, trong công nghệ sản xuất tinh bột người ta phân loại chỉ dựa trên tính chất: khoai mì đắng và khoai mì ngọt. Bảng 1.6 Phân loại khoai mì Đặc điểm Khoai mì đắng Khoai mì ngọt Hàm lượng acid HCN (mg/kg củ) 60 – 150 20 – 30 Hình dáng của lá 7 cánh 5 cánh Hình dáng của thân Nhỏ và thấp To và cao Thân: Thuộc loại cây gỗ cao từ 2 đến 3m, giữa thân có lõi trắng và xốp nên rất yếu. Lá: Thuộc loại lá phân thuỳ sâu, có gân lá nổi rõ ở mặt sau, thuộc loại lá đơn mọc xen kẽ, xếp trên thân theo chiều xoắn ốc. Cuống lá dài từ 9 đến 20cm có màu xanh, tím hoặc xanh điểm tím. Hoa: Là hoa đơn tính có hoa đực và hoa cái trên cùng một chùm hoa. Hoa cái không nhiều, mọc ở phía dưới cụm hoa và nở trước hoa đực nên cây luôn luôn được thụ phấn của cây khác nhờ gió và côn trùng. Quả: Là loại quả nang, có màu nâu nhạt đến đỏ tía, có hình lục giác, chia thành ba ngăn, mỗi ngăn có một hạt, khi chín, quả tự khai. Rễ: Mọc từ mắt và mô sẹo của hom, lúc đầu mọc ngang sau đó cắm sâu xuống đất. Theo thời gian chúng phình to ra và tích lũy bột thành củ. (B) (A) Hình 1.6 Cây khoai mì ngọt (A) và Cây khoai mì đắng (B) 1.2.1.2 Củ khoai mì Củ khoai mì thường có dạng hình trụ, nhỏ dần ở hai đầu (cuống và đuôi). Kích thước cũng như trọng lượng củ tùy thuộc vào giống, đất trồng, điều kiện canh tác và độ màu của đất mà nó dao động trong khoảng: dài 300 – 400mm, đường kính từ 20 – 100mm. Cấu tạo bởi 4 phần chính: Vỏ gỗ: là phần bao ngoài của củ, gồm nhiều tế bào xếp sát với nhau, thành phần chủ yếu là cellulose và hemicellulose, không có tinh bột, giữ vai trò bảo vệ củ khỏi tác động bên ngoài. Vỏ gỗ mỏng, chiếm khoảng 0.5 – 5% trọng lượng củ, do vỏ gỗ thường kết dính với các thành phần khác như: cát, đất, sạn và các chất hữu cơ khác nên khi chế biến cần phải tách càng sạch càng tốt. Vỏ cùi: dày hơn vỏ gỗ nhiều lần, chiếm khoảng 5 – 20% trọng lượng củ. Cấu tạo gồm các lớp tế bào thành dày, thành phần chủ yếu là cellulose, bên trong tế bào là các hạt tinh bột (chiếm khoảng 5 – 8%), các chất chứa nitrogen và dịch bào. Trong dịch bào chứa tanin, sắc tố, độc tố, các enzyme,… Thịt củ khoai mì: là thành phần chủ yếu của củ, bao gồm các tế bào nhu mô thành mỏng với thành phần chủ yếu là cellulose và pentosan. Bên trong tế bào là các hạt tinh bột, nguyên sinh chất, glucose hòa tan và nhiều nguyên tố vi lượng khác. Những tế bào xơ bên ngoài thịt củ chứa nhiều tinh bột, càng vào sâu phía trong hàm lượng tinh bột càng giảm dần. Ngoài các tế bào nhu mô còn có các tế bào thành cứng không chứa tinh bột, cấu tạo từ cellulose nên cứng như gỗ gọi là xơ. Lõi củ khoai mì: ở trung tâm dọc từ cuống đến chuôi củ, ở cuống lõi to nhất rồi nhỏ dần tới chuôi. Thành phần lõi hầu như toàn bộ là cellulose và hemicellulose. Lõi chiếm khoảng 0.3 – 1% trọng lượng củ. Hình 1.7 Cấu tạo củ khoai mì 1.2.1.3 Thành phần hóa học Cũng như phần lớn các loại hạt và củ, thành phần chính của củ khoai mì là tinh bột. Ngoài ra, trong khoai mì còn có các chất: đạm, muối khoáng, lipit, chất xơ và một số vitamin B1, B2. Như vậy, so với nhu cầu dinh dưỡng và sinh tố của cơ thể con người, khoai mì là một loại lương thực, nếu được sử dụng mức độ phù hợp thì có thể thay thế hoàn toàn nhu cầu đường bột của cơ thể. Tinh bột là thành phần quan trọng của củ khoai mì, nó quyết định giá trị sử dụng của chúng. Hạt tinh bột hình trống, đường kính khoảng 35 µm. Bảng 1.7 Thành phần hóa học của cây khoai mì Thành phần (%) Theo Đoàn Dự và các cộng sự, 1983 Theo Recent Process in research and extension, 1998 Nước 70.25 63 – 70 Tinh bột 21.45 18 – 30 Chất đạm 1.12 1.25 Tro 0.4 0.85 Protein 1.11 1.2 Chất béo 5.13 0.08 Bảng 1.8 Thành phần hóa học trong vỏ củ khoai mì và bả mì Thành phần Vỏ củ mì (mg/100g) Bả phơi khô (mg/100g) Độ ẩm 10.8 – 11.4 12.5 – 13 Tinh bột 28 – 38 51.8 – 63 Sợi thô 8.2 – 11.2 12.8 – 14.5 Protein thô 0.85 – 1.12 1.5 – 2.0 Độ Tro 1 – 1.45 0.58 – 0.65 Đường tự do 1 – 1.4 0.37 – 0.43 Bảng 1.9 Thành phần hóa học trong củ khoai mì tươi Thành phần Củ mì tươi (mg/100g) Chất khô 38 – 40% Tinh bột 16 – 32% Protein 0.8 – 2.5 Chất béo 0.2 – 0.3 Chất xơ 1.1 – 1.7 Tro 0.6 – 0.9 Canxi 18.8 – 22.5 Phospho 22.5 – 25.4 Vitamin B1 0.02 Đường trong củ khoai mì chủ yếu là glucose và một ít maltose. Khoai càng già thì lượng đường càng giảm. Trong quá trình chế biến, lượng đường của củ khoai mì sẽ hòa tan trong nước rồi được thải ra trong nước dịch. Protein: Hàm lượng của thành phần protein có trong củ rất thấp nên cũng ít ảnh hưởng đến quy trình công nghệ. Tỷ lệ khoảng: 1 – 1.2%. Nước: Lượng ẩm trong củ khoai mì tươi rất cao, chiếm khoảng 70% khối lượng toàn củ. Lượng ẩm cao khiến cho việc bảo quản củ tươi rất khó khăn. Vì vậy ta phải đề ra chế độ bảo vệ củ hợp lý tuỳ từng điều kiện cụ thể. Ngoài các thành phần có giá trị dinh dưỡng, trong củ khoai mì có chứa độc tố, tanin, sắc tố và cả hệ enzyme phức tạp. Người ta cho rằng trong các enzyme thì polyphenoloxydase xúc tác quá trình oxy hóa polyphenol thành orthoquinol sau đó trùng hợp với các chất không có gốc phenol (các acid amin) tạo thành chất có màu. Chất có màu này gây khó khăn cho việc chế biến và nếu quá trình công nghệ không thích hợp sẽ cho sản phẩm chất lượng kém. Độc tố trong khoai mì là CN-, nhưng khi củ chưa đào lên thì nhóm này nằm ở dạng glucoside gọi là linamarin (C10H17NO6). Dưới tác động của enzyme hay ở môi trường acid, chất này phân hủy thành glucose, acetone và acid cyanohydric. Như vậy, sau khi đào củ mì mới xuất hiện HCN tự do vì chỉ sau khi đào thì các enzyme trong củ mới bắt đầu hoạt động mạnh và đặc biệt xuất hiện nhiều trong khi chế biến và sau khi ăn vì trong dạ dày người hay động vật là môi trường acid và dịch trong chế biến cũng là môi trường acid. Linamarin tập trung ở vỏ cùi, dễ tách ra trong quá trình chế biến, hòa tan tốt trong nước, kém tan trong rượu, rất ít hòa tan trong chloroform và hầu như không tan trong ether. Vì hòa tan tốt trong nước nên khi chế biến, độc tố theo nước dịch ra ngoài, nên mặc dù giống khoai mì đắng có hàm lượng độc tố cao nhưng tinh bột và khoai mì lát chế biến từ khoai mì đắng vẫn sử dụng làm thức ăn cho người và gia súc. Trong chế biến, nếu không tách dịch bào nhanh thì có thể ảnh hưởng đến màu sắc của tinh bột do acid cyanohydric tác dụng với nguyên tố sắc có trong củ tạo thành feroxy cyanate có màu xám. Tùy thuộc giống và đất nơi trồng mà hàm lượng độc tố trong khoai mì là khác nhau. Acetone cyanohydric glucose Linamarase + H2O Linamarin pH 3.5 – 6.0 Temperatures ≤ 650C hydroxynitridelyase pH > 4 Temperatures > 300C Spontaneous breakdown Acetone HCN + Hình 1.8 Phản ứng phân hủy CN- từ Linamarin 1.2.1.4 Thời vụ thu hoạch Thông thường, nông dân thường trồng khoai mì chính vụ vào khoảng từ tháng 2 đến tháng 4. Và ở mỗi miền, thời gian thu hoạch khác nhau tùy thuộc điều kiện khí hậu từng vùng. Ở miền Bắc, trồng khoai mì vào tháng 3 là thuận lợi nhất vì lúc này có mưa xuân ẩm, trời bắt đầu ẩm, thích hợp cho cây sinh trưởng, hình thành và phát triển củ. Vùng Bắc Trung Bộ, tháng 1 thích hợp nhất cho việc trồng khoai mì. Nếu trồng sớm sẽ gặp mưa lớn làm thối hom chết mầm, còn trồng muộn khoai non gặp khô rét sẽ sinh trưởng kém. Vùng Nam Trung Bộ, khoai mì có thể trồng trong khoảng tháng 1 đến tháng 3, trong điều kiện nhiệt độ tương đối cao và thường có mưa đủ ẩm. Một số nơi bà con có thể trồng sớm hơn 1 – 2 tháng nhưng cùng thu hoạch vào tháng 9, tháng 10 trước mùa mưa lũ. Vùng Tây Nguyên, Đông Nam Bộ, khoai mì trồng chủ yếu vào cuối mùa khô, đầu mùa mưa (tháng 4 hay tháng 5) trong điều kiện nhiệt độ cao ổn định và có mưa đều. Những nơi có điều kiện chủ động nước ở đồng bằng sông Cửu Long, khoai mì thường trồng ngay từ đầu năm để kịp thu hoạch trước mùa lũ. 1.2.1.5 Bảo quản nguyên liệu Thực tế khoai mì sau khi thu hoạch về thường không chế biến kịp nên phải bảo quản khoai mì tươi trong một khoảng thời gian nhất định. Khi bảo quản, chỉ nên bảo quản những củ nguyên vẹn vì những củ gãy xây xát thường bị nhiễm vi sinh vật làm cho củ thối, đặc biệt bệnh thối ướt dễ dàng lây sang những củ lân cận rồi lan ra toàn đống. Trong quá trình bảo quản cần lưu ý tới nhiệt độ. Nhiệt độ được xác định bằng cách: cắm ống đo vào ống thông hơi, nếu nhiệt độ củ khoai mì lớn hơn nhiệt độ ngoài trời thì đảo khoai mì. Nếu thấy củ thối hỏng, chạy nhựa, biến màu (trắng sang vàng hoặc đen) thì bỏ. Một số cách bảo quản khoai mì: Bảo quản trong hầm kín: mục đích của việc bảo quản trong hầm kín là để tránh sự hoạt động của các enzyme trong củ mì có nghĩa là tránh hiện tượng hư hỏng. Hầm phải hoàn toàn kín và khô ráo, phải có mái che để tránh nước chảy vào. Hầm sâu 0.8m, chiều rộng phụ thuộc số khoai mì cần bảo quản. Bảo quản bằng cách phủ cát khô: phương pháp này dựa trên nguyên tắc bảo quản kín giống như bảo quản trong hầm. Chọn củ có kích thước đồng đều không bị dập, vỏ không bị xây xát, sắp thành luống rộng 1.2 cao 0.5m chiều dài khoảng 4m. Sau khi sắp xếp xong, dùng cát khô phủ kín đống khoai mì, lớp cát dày ít nhất 20cm. Ngoài ra có thể bảo quản bằng cách nhúng vào nước vôi. Khoai mì sau khi thu hoạch chọn những củ còn nguyên vẹn đem nhúng vào nước vôi 0.5% hoặc dùng bình chứa nước vôi phun đều vào đống củ sau đó dùng trấu hoặc cát phủ kín đống khoai mì. Phương pháp này có thể bảo quản 15 – 25 ngày. Một số nhà nghiên cứu đã tìm ra là khoai mì có thể được bảo quản trong thời gian khá dài nếu chúng được giữ ở điều kiện lạnh đông. Tuy nhiên, cách bảo quản này ít được sử dụng vì chí phí quá tốn kém và người ta cho rằng phương pháp bảo quản chi phí cao như vậy không phù hợp với mặt hàng có chi phí thấp như khoai mì. 1.2.1.6 Lợi ích của tinh bột mì Trước hết, khoai mì có khả năng thay thế trực tiếp một phần khẩu phần gạo của nhân dân ta. Đó là thực phẩm dễ ăn, dễ chế biến, khả năng bảo quản cũng tương đối ổn định nếu được chế biến thành bột hay những thành phẩm sơ chế khác như khoai mì lát, miếng khoai mì,… Với nhu cầu của khoa học công nghệ, khoai mì là nguồn nguyên liệu trong các ngành kỹ nghệ nhẹ, ngành làm giấy, ngành làm đường dùng hóa chất hay men thực vật để chuyển hoá tinh bột khoai mì thành đường mạch nha hay glucose. Rượu và cồn đều có thể sử dụng khoai mì làm nguyên liệu chính. Khoai mì còn là nguồn thức ăn tốt để cung cấp cho gia súc. CỦ MÌ TƯƠI THỰC PHẨM BỘT CÔNG NGHIỆP RƯỢU CỒN NGƯỜI SÚC VẬT Thực phẩm trực tiếp Bột Cắt lát Viên nén Bột bán NGÀNH CÔNG NGHIỆP Giấy Keo, Hồ Dệt sợi Gỗ , ván ép Cao su Giấy BỘT CÔNG NGHIỆP Hình 1.9 Các công dụng của tinh bột mì 1.2.2 Một số quy trình sản xuất tinh bột mì 1.2.2.1 Quy trình sản xuất tinh bột mì nói chung Tách dịch bào Tinh chế sữa tinh bột Rữa tinh bột Tinh bột sạch Nước dịch vào bể lắng Tách bã nhỏ Dịch để pha loãng cháo Bã nhỏ Khoai mì Khoai lang Khoai tây Ngâm Cắt khúc Rửa nguyên liệu Nghiền Tách rửa tinh bột Nghiền lần 2 Tách bã Bã lớn Hình 1.10 Quy trình sản xuất tinh bột mì nói chung Đầu tiên, củ được ngâm để hòa tan bớt dịch bào, làm mềm củ và rửa sơ bộ các tạp chất như đá, cát, đất và một phần vỏ. Sau đó tiến hành nghiền để phá vỡ tế bào, giải phóng tinh bột. Tách rửa tinh bột bằng rây để loại bỏ các phần tử lớn và dịch bào nhằm đảm bảo chất lượng tinh bột. Tách bã lớn, chủ yếu là cellulose và rửa tách tinh bột lẫn với bã. Tách dịch bào khỏi sữa tinh bột bằng ly tâm. Tinh chế sữa tinh bột và tách bã nhỏ. Rửa tinh bột để tách các tạp chất hoà tan và không hoà tan lần cuối bằng xiclon nước, bằng bể rửa, máng rửa hay bằng máy ly tâm. Trong sản xuất tinh bột từ củ, khi dịch bào vỏ thoát khỏi tế bào, tiếp xúc với oxy của không khí, thường nhanh chóng bị oxy hoá tạo thành những chất màu có tên gọi là Melanin. Mặt khác, tinh bột rất dễ dàng hấp thụ màu của dịch bào, trở nên không trắng và rất khó tẩy rửa hoàn toàn chất màu khỏi tinh bột bằng nước. Để đảm bảo tinh bột có màu trắng tự nhiên thì quá trình công nghệ phải ngắn và tách dịch bào càng sớm càng tốt. 1.2.2.2 Quy trình sản xuất tinh bột của Thái Lan Quy trình được minh họa trong hình 1.11. Thuyết minh quy trình Quy trình công nghệ sản xuất theo hệ thốn._.g đồng bộ khắp kín, kỹ thuật tiên tiến mang tính tự động hóa cao, thực hiện trích ly và hydrate hóa sữa bột nhiều lần lập đi lập lại, làm tăng chất lượng tinh bột và tăng tỉ lệ thu hồi sản phẩm. Thời gian từ khi nguyên liệu nhập vào dây chuyền máy móc đến khi sản phẩm ra khoảng 1 giờ. Thao tác sử dụng và vận hành máy móc, thiết bị đơn giản, dễ thực hiện. Mì tươi trước khi đưa vào sản xuất được kiểm tra hàm lượng tinh bột và các chỉ tiêu kỹ thuật khác rồi đưa vào phễu nạp liệu, tại đây những củ mì thối hoặc có kích thước quá lớn sẽ được cắt nhỏ cho thích hợp sản xuất. Bên dưới phễu nạp liệu là băng tải cao su đưa mì đến thiết bị bóc vỏ gỗ để tách bỏ đất cát và một phần vỏ gỗ bên ngoài rồi đưa vào thiết bị rửa củ. Nhờ hệ thống cánh khuấy và tốc độ dòng nước rửa mà đất cát, vỏ gỗ được tách ra khỏi củ dễ dàng. Sau đó củ mì đã được rửa sạch được đưa vào thiết bị băm nhỏ nhờ băng tải. Với tốc độ 1400 vòng/phút và tác động của lưỡi dao chặt, mì được băm nhỏ trước khi đưa vào máy nghiền mài. Sàng, lọc Nước cấp Khói thải Hệ thống xử lý khói Xả ra nguồn tiếp nhận Lọc Nước thải Trạm xử lý nước thải Phơi, máy nén Mài, nghiền Trích ly, chiếc suất Bã mì Nước cấp Rửa sơ bộ, tách tạp chất Bóc vỏ gỗ, rửa sạch Băm nhỏ Công trình xử lý sơ bộ Khoai mì tươi Nước cấp Nước thải Dehydrate hóa Sấy khô Đóng bao, vô kho Thành phẩm Nước cấp Hình 1.11 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất tinh bột của Thái Lan Khoai mì được nghiền nát thành hỗn hợp lỏng và được bơm lên thùng chứa, vào hệ thống chiết xuất, vào thiết bị lắng lọc để lấy dịch sữa bột và tách bã riêng. Bã được đưa đi ép nén nhờ băng tải và thiết bị ép bã nhằm tách bớt lượng nước trong bã, sau đó mang đi phơi khô, sấy sử dụng làm thức ăn gia súc, hoặc phục vụ cho các nhu cầu khác. Dịch sữa bột được đưa qua hệ thống cyclone cát để tách cát trước khi đưa vào thiết bị phân ly. Dưới tốc độ cao 4500 vòng/phút, dịch tinh bột sẽ phân tách thành lớp nước dịch và tinh bột. Nước dịch sẽ được tách ra và nồng độ tinh bột được tăng cao, trước khi ra khỏi thiết bị phân ly cuối. Sữa bột sẽ tách nước nhờ máy ly tâm. Tại đây nước sẽ được tách ra và bột được giữ lại, sau đó chuyển qua hệ thống sấy khô trước khi qua ray lọc và đóng bao. Công đoạn sấy được sử dụng hệ thống sấy khí động, đảm bảo yêu cầu sấy khô bột nhưng không để bột bị hồ vón cục. Khi nhiệt độ đạt mức cho phép, tinh bột được thổi vào cyclone để lắng và làm nguội. Sau đó tinh bột được chuyển qua ray lọc và đóng bao. Bên cạnh những lợi ích của việc chế biến tinh bột từ khoai mì đem lại, thì ngành công nghiệp chế biến khoai mì đã gây ra nhiều mặt tiêu cực cho môi trường, gây ô nhiễm môi trường nước, làm mất cân bằng môi trường sống của một số loài thủy sinh, gây ảnh hưởng đến sức khỏe và đời sống của con người. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY TINH BỘT 2.1 Hệ enzyme phân hủy tinh bột Để phân hủy tinh bột cần hệ enzyme amylase. Các enzyme này thuộc nhóm enzyme thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân tử trong nhóm polysaccharide với sự tham gia của nước: RH + R’OH → R.R’ + H-OH Có 6 loại enzyme được xếp vào 2 nhóm: Endoamylase (enzyme nội bào) và Exoamylase (enzyme ngoại bào). Amylase Endoamylase Exoamylase α-amylase Enzyme khử nhánh β-amylase Amyloglycosidase Transglucoylase và amylo-1,6-glucosidase Pullulanase Hình 2.1 Sơ đồ phân loại enzyme amylase 2.1.1 Endoamylase Endoamylase bao gồm: α-amylase và nhóm enzyme khử nhánh. Các enzyme này thủy phân các liên kết bên trong của chuỗi polysaccharide. 2.1.1.1 α-amylase (α-1,4-glucan-glucanhydrolase) α-amylase từ các nguồn khác nhau có thành phần amino acid khác nhau, mỗi loại α-amylase có một tổ hợp amino acid đặc hiệu riêng. α-amylase là một protein giàu tyrosine, tryptophan, acid glutamic và aspartic. Các glutamic acid và aspartic acid chiếm khoảng ¼ tổng lượng amino acid cấu thành nên phân tử enzyme. Hình 2.2 Cấu trúc không gian của α- amylase a. Cấu tạo α- amylase đều có cấu trúc từ 3 vùng khác nhau: - Vùng trung tâm A: có kích thước lớn ở dạng thùng (α−β)8. - Vùng B nằm giữa tờ giấy xếp β thứ 3 và xoắn ốc α tiếp sau cấu trúc (α−β)8. Vùng này được tạo nên từ ba tờ giấy xếp β đối song song và một vòng dài có cấu trúc ít trật tự. Vùng B này được gắn chặt với vùng A bởi một cầu nối disunfua. - Vùng C có cấu trúc tờ giấy xếp β, và được liên kết với vùng A, bởi một chuỗi đơn polypeptide. Tùy theo nguồn gốc enzyme, vùng này có thể mang thêm một mạch gluxit. Một số α-amylase đặc biệt là α-amylase từ tụy lợn và từ thực vật có chứa ion Ca2+. Ion này nằm ở giữa vùng A và vùng B, có tác dụng làm ổn định cấu trúc bậc 3 của enzyme và đóng vai trò như chất hoạt hóa dị không gian. Tâm hoạt động của α- amylase nằm trong một rãnh có chiều dài khoảng 3nm. Rãnh này nằm giữa vùng A ở đầu C của nó và vùng B. Các tâm hoạt động của các α- amylase khác nhau thường được tạo nên bởi 5 đến 11 tâm phụ (A tới K) tùy theo nguồn gốc của enzyme. Ở tâm hoạt động, cơ chất được giữ trong tư thế một hình thể bị uốn cong nhờ các liên kết Van der Walls với một số acid amin thơm cũng như các liên kết hydro giữa các mạch bên của các acid amin có cực và cơ chất. Matsura và cộng sự (1984) cho rằng siêu cấu trúc (α−β)8 tạo ra một trường tĩnh điện có lực hút mạnh, có thể có ảnh hưởng tới toàn bộ quá trình xúc tác, nghĩa là tới sự gắn cơ chất, trạng thái chuyển cũng như tới sự giải phóng sản phẩm thủy phân. Tâm này có vai trò như một cái điều hòa của enzyme để chống lại sự kìm hãm cạnh tranh bởi sản phẩm thủy phân. Nhiều nghiên cứu về năng lượng tương tác giữa cơ chất là một gốc glucose với các tâm phụ khác nhau của enzyme, cho thấy các α-amylase đều có đặc tính chung sau: - Năng lượng tương tác của các tâm từ A-E với gốc glucose luôn luôn dương. Tương tác này thuận lợi cho việc giữ chuỗi mạch ở tâm hoạt động sau khi đứt liên kết. - Năng lượng của tâm F (gần với tâm xúc tác) với gốc glucose thì hơi âm cho tới dương mạnh. Điều này tùy thuộc vào nguồn enzyme. - Năng lượng tương tác của tâm G là dương. Chính vì vậy nó tạo điều kiện hình thành cho phức enzyme - cơ chất. Phức này sẽ không được tạo ra với các chuỗi mạch ngắn maltooligosaccharide, chính các chuỗi mạch ngắn này lại là chất kìm hãm cạnh tranh khi ở nồng độ cao. - Tâm xúc tác của α-amylase được giới hạn bởi hai acid amin (aspartic hay glutamic) nằm trong vùng gắn cơ chất. Cơ chế thủy phân bắt đầu bằng sự làm yếu liên kết glycoside C1 - C4 phải thủy phân, do kết quả của việc tạo nên phức enzyme - cơ chất. Liên kết này lại một lần nữa bị yếu đi dưới tác dụng của một trong hai acid amin đóng vai trò là chất cho proton tới C4. Khi liên kết glycoside bị đứt sẽ tạo nên một ion oxycarbonium (trạng thái chuyển). Ion này được ổn định bởi điện tích âm của một acid amin khác. Cuối cùng, ion oxycarbonium tác dụng với một phân tử nước và hai oligosaccharide được tạo thành liền rời bỏ tâm hoạt động của enzyme. b. Tính chất Bảng 2.1 Các đặc tính của α-amylase từ vi sinh vật Nguồn vi sinh vật pH Nhiệt độ (Tp) Phân tử lượng (kD) Bacillus acidocaldarius 3.5 75 68 B. stearothemophilus 4.5 – 6.5 65 – 73 48 B. subtilis 5.3 – 6.4 50 47 Acinetobacter sp 7.0 50 – 55 65 Bacteroides anylophilus 6.3 43 92 Micrococcus halobius 6.0 – 7.0 50 – 55 89 Streptomyces hygroscopicus 5.0 – 6.0 50 – 55 48 S. aureofaciens 4.6 – 5.3 40 40 Thermonospora curvata 5.5 – 6.0 65 62 Aspergillus prysee 5.5 – 5.9 40 52 Mucor posillus 3.5 – 4.0 65 – 70 48 Lipomyces kononenkaae 5.5 40 38 pH tối ưu của α-amylase phụ thuộc vào nguồn gốc enzyme. pH tối ưu nằm trong khoảng acid yếu 4.8 – 6.9. Tuy nhiên có một số α-amylase chịu acid cao như α-amylase từ Bacillus acidocaldarious có pH tối ưu 3.5 hoặc chịu kiềm mạnh như α- amylase từ Bacillus licheniformis có pH tối ưu 9.0. Sự có mặt của ion Ca2+ cho phép cải thiện độ ổn định của enzyme đối với sự thay đổi của pH. Nhiệt độ hoạt động tối ưu của α-amylase cũng phụ thuộc vào nguồn gốc enzyme. Thông thường, nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 40 – 500C, nhưng có thể đạt tới giá trị gần 70 – 800C đối với α-amylase từ vi khuẩn như B. sterothermophilus, B. subtilis, B. lichen α-amylase từ vi khuẩn: được sản xuất từ B.subtilis var amyloliquefaciens và B. subtilis var amylosacchariticus có khối lượng phân tử 49000 – 60000Da. α-amylase không chứa co-enzyme, tuy nhiên nó cũng cần một nguyên tử gam Ca2+ cho một mol enzyme để ổn định cấu trúc phân tử và ngăn không cho protease tấn công enzyme. Hoạt tính đặc hiệu của α-amylase vi khuẩn vào khoảng 4×105 SKB/g protein enzyme (SKB là số lượng amylase thủy phân 1g dextrin giới hạn dạng β đến điểm mất màu với iot trong thời gian một giờ, ở điều kiện chuẩn). Enzyme α-amylase vi khuẩn ổn định ở nhiệt độ 65 – 700C trong 1giờ khi đem ủ ở 150 ppm Ca2+ ở pH khoảng 6.5 – 7.5. Enzyme bị bất hoạt nhanh ở pH thấp 4.5 – 4.7 và có mặt của các tác nhân tạo phức như polyphosphat, EDTA, oxalate, chlorine tự do, các chất oxy hóa khác. α-amylase từ nấm: chủ yếu có nguồn gốc từ Aspergillus oryzae. Nó là một loại glycoprotein, có khối lượng phân tử khoảng 51000Da và một mol enzyme liên kết với 10 nguyên tử gam Ca2+. Hoạt tính đặc hiệu của nó khoảng 5×104 SKB/g protein enzyme, pH tối ưu là 5.0 và nhiệt độ tối ưu khoảng 50 – 600C. α-amylase từ nấm kém chịu nhiệt hơn so với α-amylase từ vi khuẩn nên thường bị bất hoạt ở nhiệt độ 60 – 700C trước khi đạt được nhiệt độ hồ hóa. α-amylase từ thực vật (mầm mạch): là tập hợp enzyme có khối lượng phân tử khoảng 42000 – 54000Da, pH tối ưu 5.5 và nhiệt độ tối ưu khoảng 700C, sẽ bị mất hoạt ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, nếu nồng độ cơ chất cao enzyme vẫn giữ được hoạt tính ngay cả ở nhiệt độ hồ hóa tinh bột. Enzyme α-amylase từ mầm mạch ổn định trong khoảng pH rất rộng từ 4.5 – 9.5 ở nhiệt độ 250C. Nó cũng bị bất hoạt nhanh ở những giá trị pH nhỏ hơn 4.5 hoặc bởi các chất oxy hóa. 2.1.1.2 Enzyme khử nhánh a. Pullulanase (hay α-dextrin 6 – glucosidase) Pullulanase là enzyme khử nhánh trực tiếp có thể thuỷ phân các liên kết α-1,6 glycoside của tinh bột, glucogen, pululan và các dextrin tới hạn. Điều đáng chú ý là sự định vị của các liên kết α-1,6 glycoside có ảnh hưởng lớn đến tác động của enzyme. Đặc biệt là sự có mặt của hai liên kết α-1,4 glycoside nằm liền kề bên liên kết α-1,6 glycoside là điều kiện cần thiết cho enzyme phân cắt liên kết này. Pullulanase phân giải các liên kết α-1,6 glycoside bị bao quanh tứ phía bởi các liên kết α-1,4 glycoside. Nó còn có khả năng thủy phân cả những dextrin phân tử thấp chỉ gồm có hai gốc maltose nối nhau bằng liên kết α-1,6 glycoside. Tác dụng hiệp đồng của α-amylase và pullulanase làm tinh bột bị thủy phân hoàn toàn. Hình 2.3 Cấu trúc không gian của Pullulanase b. Transglucosylase (hay oligo-1,6-glucosidase) và amylo-1,6-glucosidase Transglucosylase là enzyme khử nhánh gián tiếp có thể thuỷ phân liên kết α-1,6 glycoside trong isomaltose, panose và các dextrin tới hạn thành đường có thể lên men được. Enzyme này có ở vi sinh vật nhưng đồng thời cũng có trong các hạt nảy mầm (đại mạch, thóc nảy mầm). Ngoài oligo-1,6 glucosidase, hệ dextrinase của hạt ngũ cốc, hạt nảy mầm còn có amylopectin-1,6 glycosidase hay R-enzyme và dextrin-1,6 glycoside hay amylo-1,6 glycoside hay dextrin-6 glycosidase. Hai loại enzyme này đều thuỷ phân dextrin triệt để hơn α-amylase và β-amylase do đó trong dung dịch thuỷ phân có nhiều maltose hơn . Nhiệt độ thích hợp cho các hoạt động của các dextrinase là 400C và pH là 5.1. Hình 2.4 Cấu trúc không gian của Transglucosylase 2.1.2 Exoamylase Exoamylase bao gồm: β-amylase và amyloglycosidase. Đây là những enzyme thủy phân tinh bột từ đầu không khử của chuỗi polysaccharide. 2.1.2.1 β-amylase (β-1,4-glucan-maltohydrolase) Còn có tên gọi amylase hóa đường hay amylase hóa maltose phân bố khá phổ biến ở hạt ngũ cốc, khoai lang và các thực vật khác. β-amylase ở thực vật chứa nhóm -SH, do vậy không cần ion kim loại để hoạt hóa, nó có khối lượng phân tử khoảng 57000Da, và một mol β-amylase cắt được khoảng 250000 liên kết glycoside trong vòng một phút ở 300C, pH là 4.8. Enzyme bị ức chế ở 600C bởi ion kim loại nặng và các chất dễ liên kết với nhóm –SH. Enzyme β-amylase được tạo ra từ một chuỗi mạch polypeptide duy nhất, có khối lượng phân tử 60000 Da. Nghiên cứu các chuỗi acid amin này đã phát hiện thấy có một tỷ lệ giống nhau khoảng 32%, đặc biệt với hai vùng tham gia vào quá trình thủy phân. Có hai nhóm tiol, trong đó có một nhóm hoạt động hơn, tham gia trực tiếp hay gián tiếp vào quá trình thủy phân, đặc biệt chúng có khả năng gắn chặt các chất kìm hãm hoạt động của enzyme như các dẫn xuất của thủy ngân hay các peptide. Tham gia vào cơ chế tác dụng của β-amylase thường có một nhóm carboxyl thể hiện tính chất ái nhân và một nhóm imidazol thể hiện tính chất ái electron. Sự nghịch đảo hình thể của carbon anome (C1) được thực hiện nhờ việc tạo thành hợp chất đồng hóa trị trung gian kiểu este-axetal giữa carbon anome và nhóm carboxyl của tâm hoạt động. Sau đó este này bị phân hủy bởi tác động của một phân tử nước lên nhóm este để giải phóng ra α-maltose và hoàn nguyên nhóm carboxyl của enzyme. Các enzyme β-amylase có pH tối ưu nằm trong khoảng 5 – 6 và nhiệt độ tối ưu khoảng 500C. Tuy nhiên các β-amylase vi khuẩn thường có tính bền nhiệt hơn so với β-amylase có nguồn gốc thực vật. Hình 2.5 Cấu trúc không gian của β-amylase Bảng 2.2 Các đặc tính của β-amylase Các nguồn enzyme pH Nhiệt độ (Tp) Phân tử lượng (kD) Đại mạch 5.2 - 56 Lúa mì 5.2 – 5.6 55 64.2 Đỗ tương 5.4 55 57 Khoai lang 5.0 – 6.0 50 – 55 50 B. cerus 7.0 40 48 B. polymyxa 7.5 40 42 B. megaterium 6.5 40 – 65 58 β-amylase từ thực vật (mầm mạch và đậu tương): được sử dụng trong quá trình đường hóa tạo siro maltose. Tùy thuộc vào nguyên liệu đường hóa nhận được bằng phương pháp thủy phân acid hay enzyme xúc tác mà sản phẩm đường hóa do enzyme β-amylase xúc tác thường chứa khoảng 2 – 8% glucose, 45 – 60% maltose, 10 – 25% maltotriose. Hỗn hợp có độ tương đương dextrose DE là 35 – 50. Đơn vị hoạt tính của β-amylase là DP0. Enzyme β-amylase dạng dịch thường chứa 1500 DP0/ml, hoạt động ở pH tối ưu là 5.3. Enzyme ổn định ở pH 6 – 7 trong thời gian 6 tháng nếu được bảo quản ở 40C. Ví dụ glucose có DE là: 100, maltose có DE là: 50, tinh bột có DE là: 0… β-amylase từ vi sinh vật: thu nhận từ khá nhiều loài vi sinh vật như B.cereus, B.megaterium, P.seudomonas và Stretomyces. Hiện β-amylase phổ biến nhất là từ B.subtillis được cài gen chịu nhiệt của B.stearothermophilus hoạt động ở pH tối ưu 5.0 nhiệt độ tối ưu 750C. 2.1.2.2 Amyloglycosidase (α-1,4 glucan-glucohydrolase) Đóng vai trò chủ yếu trong sản xuất dịch glucose cũng như để phân giải tinh bột tạo dịch lên men. Amyloglycosidase từ nấm mốc là các protein có khối lượng phân tử dao động rất lớn từ 27000 – 112000Da tùy thuộc vào nguồn gốc của enzyme. Các kết quả nhận được về các chuỗi acid amin của nhiều enzyme glucoamylase cho thấy có sự dao động đáng kể tùy nguồn gốc enzyme. Các amyloglycosidase đều có chứa các gốc metionin, trytophan và một nữa gốc cystein. Tuy nhiên, mối quan hệ giữa chuỗi acid amin, cấu trúc bậc 3 và hoạt động của enzyme vẫn chưa được làm sáng tỏ. Tất cả các amyloglycosidase từ nấm mốc đều là glucoprotein, chứa 5 – 20% gluxit trong đó chủ yếu là các monosaccharide glucose, mannose, galactose, glucosamin. Ở amyloglycosidase cũng giống như các enzyme amylolytic khác, việc cắt đứt liên kết glycoside được thực hiện do sự tạo thành oxycarbonium trung gian, tiếp theo là sự nghịch đảo hình thể của carbon C1 của glucose vừa giải phóng. Các nhóm tyrozin, trytophan, histidin và amin đã có vai trò trong việc gắn cơ chất, trong khi đó nhóm COOH và COO- lại tham gia vào xúc tác hóa học. Enzyme glycoamylase có thể thủy phân được cả liên kết α-1,4 glycoside và α-1,6 glycoside có lẽ là do các nhóm đảm nhận việc cố định cơ chất mà không phải là do các nhóm tham gia vào xúc tác hóa học. Các amyloglycosidase chủ yếu được tạo ra từ hai iso enzyme I và II, khác nhau bởi khả năng thủy phân tinh bột ở trạng thái rắn và bởi độ bền của chúng. Amyloglycosidase I tự hấp thụ và thủy phân được tinh bột dạng rắn, ngược lại amyloglycosidase II không có cả hai tính chất này. Tính chất của amyloglycosidase phụ thuộc vào nguồn gốc của enzyme. Hoạt động tối ưu của enzyme nằm trong khoảng pH 4.5 – 5.5 và nhiệt độ 40 – 600C. Sự có mặt của các oligosaccharide trong môi trường có tác dụng ổn định enzyme. Ngược lại sự có mặt của ion Ca2+ kìm hãm chúng và làm biến tính enzyme. Hình 2.6 Cấu trúc không gian của Amyloglycosidase 2.2 Cơ chế của quá trình phân hủy tinh bột 2.2.1 Cơ chế tác dụng của enzyme α-amylase Enzme α-amylase có khả năng thủy phân các liên kết α-1,4 glycoside nằm ở phía bên trong phân tử cơ chất (tinh bột hoặc glycogen) một cách ngẫu nhiên, không theo một trật tự nào cả. Enzyme α-amylase không chỉ thủy phân hồ tinh bột mà nó thủy phân cả hạt tinh bột nguyên song với tốc đột rất chậm. Các giai đoạn quá trình thủy phân tinh bột của α-amylase. Giai đoạn dertrin hóa: Tinh bột α-amylase dertrin phân tử lượng thấp. Giai đoạn đường hóa: Dertrin tetra và trimaltose di-monosaccharide Amylase oligosaccharide polyglucose Maltose maltotriose maltotetrose. Ở giai đoạn đầu (giai đoạn dextrin hóa): Chỉ một số phân tử cơ chất bị thủy phân tạo thành một lượng lớn dextrin phân tử thấp (α-dextrin), độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh (các amylose và amylopectin đều bị dịch hóa nhanh). Sang giai đoạn 2 (giai đoạn đường hóa): Các dextrin phân tử thấp tạo thành bị thủy phân tiếp tục tạo ra các tetra-trimaltose không cho màu với iodine. Các chất này bị thủy phân rất chậm bởi α-amylase cho tới disaccharide và monosaccharide. Dưới tác dụng của α-amylase, amylose bị phân giải khá nhanh thành oligosaccharide gồm 6 – 7 gốc glucose (vì vậy người ta cho rằng α-amylase luôn phân cắt amylose thành từng đoạn 6 – 7 gốc glucopiranose 1). Sau đó, các polyglucose này bị phân cách tiếp tục tạo nên các mạch polyglucose colagen cứ ngắn dần và bị phân giải chậm đến maltotetrose và maltotriose và maltose. Qua một thời gian tác dụng dài, sản phẩm thủy phân của amylose chứa 13% glucose và 87% maltose. Tác dụng của α-amylase lên amylopectin cũng xảy ra tương tự nhưng vì không phân cắt được liên kết α-1,6 glycoside ở chỗ mạch nhánh trong phân tử amylopectin nên dù có chịu tác dụng lâu thì sản phẩm cuối cùng, ngoài các đường nói trên (72% maltose và 19% glucose) còn có dextrin phân tử thấp và isomaltose 8%. Tóm lại, dưới tác dụng của α-amylase, tinh bột có thể chuyển thành maltotetrose, maltose, glucose và dextrin phân tử thấp. Tuy nhiên, thông thường α-amylase chỉ thủy phân tinh bột thành chủ yếu là dextrin phân tử thấp không cho màu với iodine và một ít maltose. Khả năng dextrin hóa cao của α-amylase là tính chất đặc trưng của nó. Vì vậy, người ta thường gọi loại amylase này là amylase dextrin hóa hay amylase dịch hóa. 2.2.2 Cơ chế tác dụng của enzyme β-amylase Enzyme này xúc tác thủy phân các liên kết α-1,4 glycoside của amylose và amylopectin ở đầu không khử của mạch và giải phóng ra maltose có dạng β. Tác động của enzyme sẽ ngừng lại ở chỗ sát với liên kết α-1,6 glycoside. Amylose thường bị thủy phân hoàn toàn trong khi đó, trong cùng điều kiện thì chỉ có 55% amylopectin được chuyển thành β-maltose. Phần còn lại của sự thủy phân amylopectin là một β-dextrin giới hạn có phân tử lượng cao và có chứa tất cả các liên kết α-1,6 glycoside của phân tử ban đầu. Tinh bột β-amylase maltose (54 – 58%) + β-dextrin (42 – 46%) Các enzyme β-amylase tác dụng theo cơ chế tấn công bội, có nghĩa là enzyme sẽ thủy phân lần lượt nhiều liên kết glycoside của cùng một chuỗi trước khi được rời ra khỏi môi trường. Số lần tác động lặp lại của enzyme lên cùng một chuỗi mạch α-glucan phụ thuộc vào kích thước của chuỗi mạch này, thường khoảng bằng 4 đối với chuỗi mạch ngắn và tăng lên đối với chuỗi mạch dài hơn. 2.2.3 Cơ chế tác dụng của Amyloglycosidase Amyloglycosidase có thể giải phóng ra β-D glucose bằng cách thủy phân lặp lại nhiều lần các liên kết α-1,4 glycoside của mạch α-glucan từ đầu không khử. Chúng cũng thủy phân được các liên kết α-1,6 glycoside và α-1,3 glycoside nhưng mức độ rất chậm (chậm hơn 10 – 30lần). Tốc độ thủy phân cũng phụ thuộc vào bản chất của liên kết kề cận với liên kết glycoside được thủy phân, cũng như vào kích thước và cấu trúc của cơ chất bị thủy phân. Nhất là với các α-glucan mạch dài thì bị thủy phân nhanh hơn là với các maltodextrin và các oligosaccharide. Có lẽ đây là enzyme duy nhất có khă năng chuyển hóa hoàn toàn tinh bột thành glucose. Tuy nhiên, khi nồng độ β-glucose trong môi trường tăng lên do sự thủy phân các mạch α-glucan thì các amyloglycosidase có thể xúc tác ngưng tụ nhiều đơn vị glucose để tạo ra maltose và isomaltose. Một số amyloglycosidase kiểu I có khả năng tự hấp thụ vào hạt tinh bột sống và thủy phân từng phần. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHÀ MÁY TINH BỘT MÌ 3.1 Tình trạng ô nhiễm từ ngành sản xuất tinh bột mì hiện nay Thời gian gần đây số lượng các nhà máy chế biến tinh bột bị đình chỉ hoạt động như nhà máy chế biến tinh bột sắn Vedan tại Hà Tĩnh, nhà máy tinh bột sắn Thanh Chương Nghệ An; các nhà máy bị lên án về tình trạng ô nhiễm môi trường do xả nước thải chưa qua xử lý hay xả nước thải chưa đạt tiêu chuẩn ra môi trường như: nhà máy tinh bột sắn Intimex tỉnh Nghệ An; Nhà máy tinh bột sắn Pococev tỉnh Thừa Thiên Huế, cơ sở chế biến tinh bột mì Ngọc Thạch tỉnh Bình Thuận; Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Tịnh Phong, nhà máy chế biến tinh bột sắn Đalak,…Điều đó chứng tỏ rằng nước thải của nhà máy chế biến tinh bột mì gây tác động rất tiêu cực đến môi trường. Tại Việt Nam, các cơ sở chế biến tinh bột tập trung thành làng nghề với trang thiết bị còn lạc hậu và quy mô sản xuất nhỏ nên hầu như không có hệ thống xử lý nước thải riêng và đúng kỹ thuật. Còn các nhà máy sản xuất với quy mô lớn tuy đã trang bị hệ thống xử lý nước thải nhưng mới chỉ có rất ít hệ thống hoàn chỉnh có khả năng xử lý triệt để nước thải trước khi xả ra môi trường. Gần đây nhất là hậu quả tác động lên sông Thị Vải của Nhà máy Vedan – Đồng Nai. Theo kết quả mô phỏng của Viện Tài nguyên Môi trường, khu vực ô nhiễm khiến hoạt động nuôi trồng, đánh bắt thủy sản bị ảnh hưởng nặng có diện tích gần 2000ha thuộc địa bàn các xã Phước An, Long Thọ (huyện Nhơn Trạch), Long Phước, Phước Thái (huyện Long Thành) của tỉnh Đồng Nai cùng các xã Mỹ Xuân, Phước Hòa và thị trấn Phú Mỹ của huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu. Vùng ô nhiễm gây ảnh hưởng nhẹ đến nuôi trồng, đánh bắt thủy sản có diện tích gần 700ha thuộc các xã Phước An, Vĩnh Thanh (huyện Nhơn Trạch, Đồng Nai), Phước Hòa (huyện Tân Thành, Bà Rịa - Vũng Tàu) và xã Thạnh An, huyện Cần Giờ, TP.HCM. Trong đó, diện tích bị ảnh hưởng của xã Thạnh An ước tính chỉ gần 84ha. Trên sông Vàm Cỏ - Tây Ninh, chỉ tính riêng khu vực xã Phước Vinh, tháng 5/2009 đã có hơn 150000 con cá lăng nha 10 tháng tuổi và 1 tháng tuổi nuôi trong bè chết, gây thiệt hại nhiều tỷ đồng. Đầu tháng 4/2010 vừa qua, khoảng 80000 con cá nuôi của 16 hộ tại ấp Phước Lập, Phước Trung lại tiếp tục chết. Tại Báo cáo kết quả kiểm tra mẫu nước mặt trên sông Vàm Cỏ Ðông đoạn Ðồi Thơ - khu vực ranh giới giữa huyện Châu Thành và huyện Tân Biên (nơi có hai nhà máy chế biến khoai mì thường xuyên xả nước thải ra sông vào ban đêm) cho thấy hàm lượng COD vượt gấp 2.2 lần, hàm lượng BOD5 vượt 3.5 lần so với QCVN 08:2008/BTNMT quy định cho cấp nước sinh hoạt. Nguyên nhân chết cá nuôi ở những khu vực này được xác định do nước thải từ hơn 80 nhà máy sản xuất mì trong khu vực. 3.2 Chất thải nhà máy sản xuất tinh bột mì 3.2.1 Thành phần các chất thải Các chất thải từ công nghệ chế biến tinh bột khoai mì bao gồm: nước thải, khí thải, chất thải rắn. 3.2.1.1 Nước thải Trong công nghiệp chế biến tinh bột, nước sử dụng trong quá trình sản xuất chủ yếu là ở công đoạn rửa củ, ly tâm, sàng loại xơ, khử nước. Bảng 3.1 Thành phần tính chất nước thải từ sản xuất tinh bột mì Công đoạn sản xuất pH Cặn lơ lửng (mg/l) BOD5 (mg/l) COD (mg/l) Độ kiềm (mg/l) Rửa củ 6.5 995 1350 1687 122 Lọc thô 4.5 660 3850 4812 122 Lọc tinh 4.05 660 3850 4800 122 Hỗn hợp 6.1 1655 5200 6499 140 Trong công đoạn rửa, nước được sử dụng cho việc rửa khoai mì trước khi lột vỏ để loại bỏ các chất bẩn bám trên bề mặt. Nếu rửa không đầy đủ, bùn bám trên củ sẽ làm cho tinh bột có màu rất xấu. Trong công đoạn ly tâm và sàng lọc xơ, nước được sử dụng nhằm mục đích rửa và tách tinh bột từ bột xơ củ mì. Ngoài ra, nước còn được sử dụng trong quá trình nghiền củ mì nhưng với khối lượng không đáng kể. 3.2.1.2 Chất thải rắn Chất thải rắn là nguồn có khả năng gây ô nhiễm môi trường lớn thứ hai cả về hai yếu tố: khối lượng và nồng độ chất bẩn. Các loại chất thải phát sinh trong quá trình chế biến tinh bột khoai mì gồm có: - Vỏ gỗ củ mì và đất cát khối lượng sinh ra đạt tỷ lệ 3% nguyên liệu: chứa rất ít nước, khó bị phân hủy và thường dính đất cát là chủ yếu. - Vỏ thịt và sơ bã khối lượng sinh ra đạt 24% nguyên liệu: chứa nhiều nước có độ ẩm 78 – 80%, lượng tinh bột còn lại 5 – 7%, sản phẩm có dạng bột nhão và ngậm nước. Lượng tinh bột còn lại trong xơ bã rất dễ bị phân hủy gây mùi chua và hôi thối. 3.2.1.3 Khí thải Tùy thuộc vào loại nhiên liệu được sử dụng, quy mô công nghệ được sử dụng, quy mô công nghệ sản xuất, các loại thiết bị được sử dụng và hoạt động tổng thể của nhà máy sản xuất, các nguồn ô nhiễm không khí có thể là: Khí thải từ nguồn đốt lưu huỳnh (trong công đoạn tẩy trắng bột khoai mì) thành phần chủ yếu là SO2 và lưu huỳnh không bị oxy hóa hết. Khí thải lò đốt dầu (lấy nhiệt cho vào lò sấy tinh bột) và máy phát điện. Cả hai thiết bị này điều dùng dầu FO. Khí thải chứa NOx, SOx, CO và bụi. Mùi hôi thối sinh ra trong quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hồ sinh học, hoặc từ sự phân hủy các chất thải rắn thu được không kịp thời hoặc từ sự lên men chất hữa cơ có trong nước thải. Ô nhiễm bụi và tiếng ồn gây ra trong quá trình sản xuất. Ngoài ra, việc vận chuyển một khối lượng lớn nguyên liệu để sản xuất và thành phẩm của nhà máy bằng các phương tiện vận tải cũng sẽ phát sinh một lượng khí thải tương đối lớn. 3.2.2 Tác động của chất thải đến môi trường 3.2.2.1 Ảnh hưởng của nước thải Độ pH thấp: Độ pH của nước thải quá thấp sẽ làm mất khả năng tự làm sạch của nguồn nước tiếp nhận do các vi sinh vật có tự nhiên trong nước bị kìm hãm phát triển. Ngoài ra, khi nước thải có tính acid sẽ có tính ăn mòn, làm mất cân bằng trao đổi chất tế bào, ức chế sự phát triển bình thường của quá trình sống. Hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học cao: Nước thải chế biến tinh bột có hàm lượng chất hữu cơ cao, khi xả ra nguồn nước sẽ làm suy giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước do vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan để phân hủy các chất hữu cơ. Nồng độ oxy hòa tan dưới 50% bão hòa có khả năng gây ảnh hưởng đến sự phát triển của sinh vật khác (tôm, cá). Oxy hòa tan giảm không chỉ gây suy thoái tài nguyên thủy sản mà còn làm giảm khả năng tự làm sạch của nguồn nước, dẫn đến giảm chất lượng nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp. Hàm lượng chất lơ lửng cao: Các chất rắn lơ lửng làm cho nước đục màu và có màu, không những làm mất vẻ mỹ quan mà quan trọng nó hạn chế độ sâu tầng nước được ánh sáng chiếu xuống, gây ảnh hưởng đến quá trình quang hợp của tảo, rong rêu,… giảm quá trình trao đổi oxy và truyền sáng, dẫn nước đến tình trạng kị khí. Mặt khác một phần cặn lắng xuống đáy gây bồi lắng lòng sông, cản trở sự lưu thông nước và tàu bè đồng thời thực hiện quá trình thủy phân kị khí giải phóng ra mùi hôi thối gây ô nhiễm cho khu vực xung quanh. Hàm lượng chất dinh dưỡng cao: nồng độ các chất nito, phospho cao gây ra hiện tượng phát triển bùng nổ các loài tảo, đến mức độ giới hạn tảo sẽ bị chết và phân hủy gây ra hiện tượng thiếu oxy. Nếu nồng độ oxy giảm đến 0 gây ra hiện tượng thủy vực chết ảnh hưởng đến chất lượng nước của thủy vực. Ngoài ra, các loài tảo nổi trên mặt nước tạo thành lớp màng khiến cho bên dưới không có ánh sáng. Quá trình quang hợp của thực vật tầng dưới bị ngưng trệ. Tất cả các hiện tượng trên gây tác động xấu tới chất lượng nước, ảnh hưởng tới hệ thủy sản và cấp nước. Amonia rất độc cho tôm, cá dù ở nồng độ rất nhỏ. Nồng độ làm chết tôm, cá từ 1.2 – 1.3 mg/l. Mức độ ô nhiễm của một số loại nước thải tinh bột điển hình được trình bày trong các bảng 3.2, 3.3 và 3.4. Bảng 3.2 Thành phần nước thải nhà máy chế biến tinh bột mì (Nguồn: Báo cáo Dự án cấp Nhà nước (KC.05.11–2005), Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp) Các chỉ tiêu Đơn vị tính Giá trị BOD5 mg/l 5500 – 12500 COD - 13300 – 20000 SS - 1970 – 3850 Nito hữu cơ - 81 – 170 Phospho - 74 – 87 pH - 3.8 – 5.2 Nhiệt độ 0C 28 – 30 Bảng 3.3 Thành phần nước thải cơ sở tinh chế tinh bột mì làng nghề Mỹ Đức (Nguồn: Đề tài nghiên cứu khoa học (QMT06.03), Đại học Quốc gia Hà Nội) Thông số Hàm lượng COD 4768 mg/l BOD5 3190 mg/l BOD5/COD 0.76 NH4+ 37.69 mg/l NO2- 0.61 mg/l pH 3.54 Bảng 3.4 Thành phần nước thải cơ sở sản xuất bún (Nguồn: Đề tài nghiên cứu khoa học (QMT06.03), Đại học Quốc gia Hà Nội) Thông số Hàm lượng COD 3076.3 mg/l BOD5 2154.2 mg/l BOD5/COD 0.7 NH4+ 29.89 mg/l NO2- 0.56 mg/l pH 4.91 3.2.2.2 Ảnh hưởng của chất thải rắn Củ mì tươi có chứa một lượng chất độc dưới dạng glucoside linamarin C10H17O6N. Dưới tác dụng của dịch vị, chất này phân hủy và tạo thành acid cyanohydric (HCN) có hại đối với người. Liều lượng gây độc đối với người lớn là 20mg HCN/50kg thể trọng. Liều lượng gây chết là 50mg HCN/50kg thể trọng. Sau khi ăn vài giờ, có thể xuất hiện các hiện tượng ngộ độc như đau bụng, ói mửa, mất sự kiểm soát cơ bắp, co giật. Tùy thuộc vào giống mì, điều kiện đất đai, phương thức canh tác, thời gian thu hoạ._.