Tài liệu Hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất phân hữu cơ từ vỏ trái Cacao ở quy mô phòng thí nghiệm

Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường ĐHBRVT Đề tài: “Hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất phân bón hữu cơ từ vỏ trái cacao ở u t ệ ”. Mã số: 40101 Chủ nhiệm đề tài: Lê Đình Chí Công Danh sách cán bộ tham gia: Stt Tên Học vị Chức danh Đơ vị công tác 1 Lê Đình Chí Công Kỹ sư Sinh viên Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu 2 Trần Thị Duyên ThS Giảng viên Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu  Nộ du c : - Gia công thiết bị xử lí thô vỏ ca cao và thân cây đậu; - Tuyển chọn chế phẩm sinh học có khả năng phân hủy cellulose cao; - Phân tích các chỉ tiêu đầu vào của vỏ ca cao như: cacbon, cellulose thô, nitơ, nhiệt độ, độ ẩm; - Xác định công thức phối trộn của các thành phần cho đống ủ; - Theo dõi sự biến thiên trong quá trình ủ các chỉ tiêu: nhiệt độ, độ ẩm, pH, chất hữu cơ, hàm lượng cacbon, hàm lượng nitơ. - Đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của phân thành phẩm.  Kết uả đạt được: - Về k oa ọc: + Tuyển chọn được chế phẩm sinh học Compost Marker có khả năng phân giải cellulose cao, thích nghi tốt với môi trường đống ủ vỏ ca cao, hiệu suất phân giải cao. Tiết kiệm thời gian nghiên cứu và chi phí do không phải thực hiện khâu phân lập, tuyển chọn vi sinh vật phân hủy cellulose trong đống ủ; Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học i Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường ĐHBRVT + Gia công máy nghiền thô vỏ trái ca cao và thân cây đậu, đạt kích thước khoảng 0,5x0,5cm, góp phần rút ngắn thời gian phân hủy nguyên liệu thành mùn; + Xây dựng công thức ủ phân hữu cơ khá đơn giản có thể chuyển giao cho nông dân thực hiện. + Tạo ra được sản phẩm phân hữu cơ sau 36 ngày ủ có các thông số phù hợp với tiêu chuẩn phân bón quy định. - Về k tế - xã ộ : + Tận dụng nguồn phế phẩm vỏ trái ca cao, thân cây đậu để sản xuất thành phân hữu cơ giúp giảm bớt chi phí phân bón hóa học, góp phần làm tăng hàm lượng chất hữu cơ trong đất, tăng độ phì và cấu trúc đất từ đó tăng giá trị sử dụng đất. + Giảm kinh phí xử lý ô nhiễm môi trường sinh thái đất, nước, không khí do lượng lớn vỏ ca cao tạo ra trong quá trình sơ chế đã được tái chế thành phân hữu cơ, sản phẩm phân đạt chuẩn. + Tránh hiện tượng lây lan nấm bệnh từ vỏ sang cây ca cao cũng như sang các cây trồng khác. + Tăng thêm nguồn hàng hóa mới cho nhà nước, nghĩa là tăng thêm tổng thu nhập quốc dân. + Tạo thêm việc làm mới cho một số người lao động, thu nhập được ổn định, cuộc sống tốt hơn, văn minh hơn. - Về k ả ă ứ dụ : Kết quả của đề tài sẽ làm cơ sở khoa học và thực tiễn để chuyển giao quy trình công nghệ cho các đơn vị ứng dụng, người sản xuất, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế trong sản xuất của địa phương và các tỉnh lân cận, phục vụ chương trình sản xuất nông phẩm an toàn. T ờ a ê cứu: Từ 1/11/2013 đến 30/06/2014 Chủ nhiệ đề tài (ký, họ tên) Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học Trưởng Khoa (ký, họ tên) ii Phòng KH&CGCN (ký, họ tên) Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường ĐHBRVT LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài này tôi xin chân thành cảm ơn: - Ban Giám hiệu nhà Trường, PGS. TS Nguyễn Văn Thông- Trưởng Khoa Hóa học và Công nghệ Thực phẩm đã quan tâm và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đề tài. - ThS. Trần Thị Duyên, KS. Nguyễn Văn Tới đã nhiệt tình hướng dẫn, định hướng và giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành đề tài. - Thầy Huỳnh Minh Nhựt, cán bộ phòng thí nghiệm Vi sinh - Hóa Sinh, đã tạo điều kiện tốt nhất về trang thiết bị thí nghiệm trong suốt quá trình thực hiện đề tài. - Các thầy, cô khoa Công nghệ Thực phẩm đã tận tình đóng góp ý kiến giúp tôi hoàn thiện đề tài. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè tôi đã luôn động viên, ủng hộ tôi vượt qua khó khăn trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học iii Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường ĐHBRVT MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iii LỜI CAM ĐOAN .................................................... Error! Bookmark not defined. DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ vii DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................. ix CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU............................................................................................1 1.1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................... 1 1.2. Mục tiêu của đề tài ........................................................................................................ 2 1.3. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................................... 2 1.4. Ý ĩa t ực tiễ và ý ĩa k oa ọc của đề tài ...................................................... 3 1.5. Tính mới của đề tài ...................................................................................................... 3 CHƯƠNG : T NG 2.1. G ớ t ệu về c AN.....................................................................................4 ca cao ................................................................................................ 4 2.1.1. Nguồn gốc cây ca cao ............................................................................................. 4 2.1.2. Đặc điểm cây ca cao ................................................................................................ 5 2.1.3. Thành phần hóa học của vỏ trái ca cao ................................................................... 6 2.2. Giới thiệu về t c đậu ........................................................................................... 6 2.3. G ớ t ệu về compost ................................................................................................... 7 2.4. Chế phẩm sinh học........................................................................................................ 7 2.4.1. Chế phẩm GEM ....................................................................................................... 7 2.4.2. Chế phẩm Compost maker ....................................................................................... 9 2.5. Hệ vi sinh vật tro đống ủ compost ........................................................................ 10 2.4.1. Vi sinh vật phân hủy tinh bột trong đống ủ compost............................................. 10 2.4.2. Vi sinh vật phân hủy phosphate trong đống ủ compost ......................................... 10 2.4.3. Vi sinh vật phân giải protein trong đống ủ compost.............................................. 11 2.4.4. Vi sinh vật phân giải hemicellulose trong đống ủ compost ................................... 12 2.4.5.Vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp cellulase tốt trong tự nhiên ....................... 12 Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học iv Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường ĐHBRVT 2.5. Các phản ứng sinh hóa xảy ra trong quá trình ủ compost ..................................... 14 2.5.1. Phản ứng sinh hóa ............................................................................................... 14 2.6. Các yếu tố ả ưở đến quá trình ủ compost ...................................................... 16 2.6.1. Các yếu tố vật lý .................................................................................................... 16 2.6.2. Các yếu tố hóa sinh ................................................................................................ 18 2.7. Lợi ích và hạn chế của quá trình ủ compost ............................................................ 23 2.7.1. Lợi ích .................................................................................................................... 23 2.7.2. Hạn chế .................................................................................................................. 24 ươ 2.8. Một số á ủ compost trên thế giới .......................................................... 24 2.8.1. Phương pháp ủ theo luống dài và thổi khí thụ động có xáo trộn ........................... 24 2.8.2. Phương pháp ủ theo luống dài hoặc đống với thổi khí cưỡng bức ........................ 25 CHƯƠNG 3: VẬT LIỆ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................27 3.1. P ươ t ện nghiên cứu ............................................................................................. 27 3.1.1. Thời gian và địa điểm ............................................................................................ 27 3.1.2. Nguyên vật liệu ...................................................................................................... 27 3.1.3. Dụng cụ và thiết bị nghiên cứu .............................................................................. 27 3.2. P ươ á ê cứu ........................................................................................... 28 3.2.1. Tuyển chọn chế phẩm sinh học có khả năng phân hủy cellulose cao ................... 28 3.2.2. Gia công máy nghiền vỏ ca cao ............................................................................. 30 3.2.3. Xây dựng quy trình ủ và khảo sát sự biến đổi của các nhân tố chính trong quá trình ủ. ............................................................................................................................. 32 3.3. P ươ á t ống kê và xử lý số liệu ..................................................................... 35 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................36 4.1. Kết quả tuyển chọn chế phẩm sinh học có khả ă ải cellulose cao........ 36 4.1.1. Kết quả tuyển chọn định tính bằng phương pháp đục lỗ thạch ............................. 36 4.1.2. Kết quả tuyển chọn định lượng bằng phương pháp đo quang .............................. 40 4.1.3. Kết quả gia công máy nghiền vỏ ca cao và thân cây đậu ...................................... 46 4.2. Kết quả phân tích các chỉ t êu đầu vào. .................................................................... 47 44 ế t ê độ ẩ t ot ờ 4 ế t ê ot ờ Ht a ủ .............................................................................. 50 a ủ ................................................................................... 52 Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học v Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường 4 ế t ê à ượ xơ t 4 ế t ê à ượ tơ t o t ờ 4 ế t ê à ượ cac o t o t ờ 4 ế t ê tỷ ệ C N t ot ờ t ot ờ ĐHBRVT a ủ .......................................................... 54 a ủ .............................................................. 55 a ủ ......................................................... 57 a ủ ......................................................................... 58 4 10 Đặc tính sản phẩm ..........................................................................................60 CHƯƠNG : ĐÁNH GIÁ VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................61 1 ĐÁNH GIÁ .......................................................................................................61 5.2. KIẾN NGHỊ................................................................................................................. 61 PHỤ LỤC .................................................................................................................64 Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học vi Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường ĐHBRVT DANH MỤC HÌNH Hình 1. Cách bố trí thí nghiệm tuyển chọn chế phẩm.............................................................. 29 Hình 2a. Hình chiếu cạnh máy nghiền ............................................................................................. 26 Hình 2b. Hình chiếu đứng máy nghiền ............................................................................................ 31 Hình 3. Bố trí thí nghiệm quy trình ủ phân ............................................................................ 33 Hình 4. Đường kính vòng phân giải trên môi trường thạch ...................................................... 39 Hình 5. Máy nghiền vỏ ca cao và thân đậu ............................................................................ 46 Hình 6. Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình ủ ....................................................................... 48 Hình 7. Sự thay đổi độ ẩm trong quá trình ủ .......................................................................... 50 Hình 8. Sự thay đổi pH trong quá trình ủ .............................................................................. 53 Hình 9. Sự biến đổi hàm lượng xơ thô trong quá trình ủ.......................................................... 54 Hình 10. Sự thay đổi hàm lượng nitơ .................................................................................... 56 Hình 11. Sự thay đổi hàm lượng cacbon trong quá trình ủ ....................................................... 57 Hình 12. Biểu đồ sự thay đổi tỷ lệ C/N trong quá trình ủ ......................................................... 59 Hình 13. Biểu đồ đường glucose chuẩn................................................................................. 67 Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học vii Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường ĐHBRVT DANH MỤC ẢNG Bảng 1. Chủng vi sinh vật sinh enzyme cellulase ngoại bào ............................... 12 Bảng 2. Khoảng nhiệt độ của các nhóm vi sinh vật ............................................ 16 Bảng 3. Tỷ lệ C/N của một số chất thải............................................................. 19 Bảng 4. Các thông số quan trọng trong quá trình làm phân hữu cơ ...................... 22 Bảng 5. Thành phần nguyên liệu ủ phân ........................................................... 32 Bảng 6. Đường kính vòng phân giải hoạt hóa điều kiện hiếu khí ......................... 36 Bảng 7. Đường kính vòng phân giải hoạt hóa ở điều kiện kỵ khí ......................... 37 Bảng 8. Đường kính vòng phân giải hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí và kỵ khí ........ 38 Bảng 9. Kết quả đo quang sau 48h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí ....................... 40 Bảng 10. Kết quả đo quang sau 72h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí...................... 41 Bảng 11. Kết quả đo quang sau 48h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí ...................... 41 Bảng 12. Kết quả đo quang sau 48h hoạt hóa ở điều kiện kỵ khí ......................... 42 Bảng 13. Kết quả đo quang sau 72h hoạt hóa ở điều kiện kỵ khí ....................... 42 Bảng 14. Kết quả đo quang sau 96h hoạt hóa ở điều kiện kỵ khí ......................... 43 Bảng 15. Kết quả đo quang sau 48h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí và kỵ khí ....... 44 Bảng 16. Kết quả đo quang sau 72h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí và kỵ khí ....... 44 Bảng 17. Kết quả đo quang sau 48h hoạt hóa ở điều kiện hiếu khí và kỵ khí ....... 45 Bảng 18. Chỉ tiêu đầu vào của nguyên liệu ....................................................... 47 Bảng 19. Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình ủ ................................................. 48 Bảng 20. Sự thay đổi độ ẩm trong quá trình ủ ................................................... 50 Bảng 21. Sự thay đổi pH trong quá trình ủ ........................................................ 52 Bảng 22. Sự thay đổi hàm lượng xơ thô trong quá trình ủ ................................... 54 Bảng 23. Sự thay đổi hàm lượng nitơ ............................................................... 55 Bảng 24. Sự thay đổi hàm lượng Cacbon .......................................................... 57 Bảng 25. Sự thay đổi tỷ lệ C/N trong quá trình ủ ............................................... 58 Bảng 26. Đặc tính sản phẩm ............................................................................ 60 Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học viii Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường ĐHBRVT C.M : DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Compost maker T.england : Tricho england HCHC : Hợp chất hữu cơ CMC : Carboxyl methyl cellulose VSV : Vi sinh vật Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học ix Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường ĐHBRVT CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦ 1.1. T cấ t ết của đề tà Trong cuộc sống hàng ngày, con người không chỉ tiêu thụ và sử dụng một số lượng lớn các nguyên liệu, sản phẩm từ thiên nhiên để tồn tại và phát triển, đồng thời cũng vứt thải lại cho thiên nhiên và môi trường sống các phế thải, rác thải có nguy cơ huỷ hoại môi trường. Nhìn chung tình hình phát sinh rác thải gây ô nhiễm đều xảy ra hầu hết ở tất cả các ngành, cơ sở, hộ gia đình sản xuất khác nhau. Trong số đó hoạt động sản xuất cacao cũng là một trong những hoạt động phát sinh nguồn thải góp phần vào sự ô nhiễm môi trường. Vỏ cacao chiếm khoảng 50% trọng lượng quả cacao. Tại các vùng nhiệt đới, đây là nguồn phế thải quan trọng. Trong khi các nước trên thế giới đã có những công trình xử lý vỏ cacao để sản xuất thức ăn cho gia súc gia cầm, ứng dụng lên men tạo phân bón… thì ở nước ta, rất ít công trình nghiên cứu đến việc ứng dụng của phế phẩm này.[2] Có rất nhiều biện pháp xử lý rác thải hiệu quả và không gây ô nhiễm môi trường, tái sử dụng rác thành các sản phẩm có giá trị kinh tế. Trong đó biện pháp được ưu tiên hàng đầu hiện nay để xử lý chất thải là sử dụng biện pháp phân hủy sinh học, có hai phương pháp phân hủy sinh học chất thải hữu cơ là chế biến compost hiếu khí và phân hủy kị khí, trong đó chế biến compost hiếu khí là ít tốn kém, sản phẩm của quá trình là compost có thể sử dụng làm phân bón. Quá trình ủ compost giúp chuyển hóa các dạng hợp chất hữu cơ khó phân hủy như: hydrocacbon, cellulose, lignin… tạo thành các hợp chất đơn giản giàu protein, khoáng và vitamin… có lợi cho con người và môi trường. Bên cạnh đó nhiệt độ trong hệ thống tương đối cao có thể cho phép loại được các mầm bệnh do đó quá trình ủ compost được đánh giá là ít ảnh hưởng đến môi trường và nhất là phù hợp với các quy luật tự nhiên, có thể tái sử dụng làm phân bón cho các loại cây nông nghiệp.[21] Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học 1 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường ĐHBRVT Để tăng giá trị sử dụng của trái cacao; giúp người sản xuất giảm chi phí phân bón cho vườn cacao và vườn cây trồng khác; giảm chi phí xử lý ô nhiễm môi trường do lượng lớn vỏ cacao tạo ra trong quá trình sơ chế. Chúng tôi thực hiện đề tài: “Hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất phân bón hữu cơ từ vỏ trái cacao ở quy mô phòng thí nghiệm”. 1.2. Mục tiêu của đề tài - Tuyển chọn được chế phẩm sinh học có khả năng phân giải cellulose cao ứng dụng vào quá trình ủ vỏ trái ca cao và thân cây đậu; - Gia công máy nghiền vỏ ca cao và thân cây đậu; - Kiểm soát và điều chỉnh các yếu tố trong quá trình ủ; - Kiểm tra, đánh giá chất lượng phân thành phẩm. 1.3. Nội dung nghiên cứu - Gia công thiết bị xử lí thô vỏ ca cao và thân cây đậu; - Tuyển chọn chế phẩm sinh học có khả năng phân hủy cellulose cao; - Phân tích các chỉ tiêu đầu vào của vỏ ca cao như: cacbon, cellulose thô, nitơ, nhiệt độ, độ ẩm; - Xác định công thức phối trộn của các thành phần cho đống ủ; - So sánh tốc độ hoai mục và sự biến đổi của các yếu tố trong quá trình ủ ở 2 nghiệm thức:  A1 – Nghiệm thức 1: sử dụng chế phẩm Gem-P và Gem-K;  A2 – Nghiệm thức 2: sử dụng chế phẩm Compost Maker của Viện Thổ Nhưỡng Nông Hóa Việt Nam; - Theo dõi sự biến thiên trong quá trình ủ các chỉ tiêu: nhiệt độ, độ ẩm, pH, chất hữu cơ, hàm lượng cacbon, hàm lượng nitơ. - Đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của phân thành phẩm. Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học 2 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường 1.4. Ý ĩa t ực tiễ và ý ĐHBRVT ĩa k oa ọc của đề tài - Ý nghĩa khoa học: đề tài mở ra hướng mới cho việc tận dụng vỏ cacao và thân cây đậu tạo thành sản phẩm phân bón hữu ích, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và giảm đáng kể lượng phân bón hóa học, tiết kiệm chi phí cho người sản xuất; giảm thiểu thời gian và chi phi phân lập tuyển chọn vi sinh vật. Xây dựng được công thức phối trộn các thành phần hợp lý khi ủ. Gia công máy nghiền thô vỏ ca cao và thân cây đậu giúp rút ngắn thời gian chuyển hóa nguyên liệu thành mùn. Phân hữu cơ thành phẩm đạt các tiêu chuẩn của phân bón. - Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài có tính ứng dụng cao, có thể chuyển giao cho doanh nghiệp và người nông dân. Đáp ứng nhu cầu phân bón và cải tạo đất nông nghiệp, góp phần vào sản xuất nông nghiệp bền vững. 1.5. T ớ của đề tà - Sử dụng nguồn nguyên liệu chính là vỏ trái ca cao giàu carbohydrate kết hợp với thân cây họ đậu giàu protein và khoáng để cải thiện dinh dưỡng cho sản phẩm phân bón sau ủ. - Bổ sung thêm thân cây đậu để tạo độ xốp, thông thoáng cho đống ủ, giữ nước và hấp phụ mùi. - Tuyển chọn chế phẩm sinh học có khả năng thích nghi tốt với môi trường ủ và có khả năng phân hủy cellulose cao. - Gia công máy nghiền thô vỏ ca cao và thân cây đậu giúp rút ngắn thời gian chuyển hóa nguyên liệu thành mùn. - Kiểm soát và đánh giá được chất lượng phân thành phẩm. Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học 3 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường ĐHBRVT CHƯƠNG : T NG 2.1. G ớ t ệu về c AN ca cao 2.1.1. Nguồn gốc cây ca cao[4] Nguồn gốc của cây ca cao ở lưu vực sông amazon, Nam Mỹ. Từ đó cây ca cao phát triển sang các nước khác ở Trung và Nam Mỹ với hai loại chính là Criollo và Forastero. Criollo có dạng hạt tròn, có hương vị nhẹ nhưng tương đối dễ nhiễm bệnh. Forastero có dạng cây cao, khỏe, hạt to hơn Criollo nhưng hương vị nhạt hơn. Hạt Forastero dạng dẹp, lá mầm bên trong màu tím, chứa nhiều loại chất béo hơn Criollo. Do vậy, hầu hết các vùng trồng ca cao trên thế giới hiện nay đều trồng dạng Forastero. Thổ dân Nam Mỹ dùng ca cao làm đồ uống. Hạt cac cao được rang lên, nghiền nhỏ, trộn thêm bột ngô, vanilla và đôi khi cả ớt. Ngày nay, ở một số nước như Colombia, Philippin, dạng đồ uống đặc sệt như vậy còn tồn tại, mặc dù có thay đổi chút ít như thêm đường, vanilla hoặc tinh dầu quế. Ở Nicaragua, hạt ca cao có lúc được dùng như một thứ tiền tệ trong trao đổi mua bán. Ca cao được sử dụng rộng rãi từ thế kỷ thứ 6 ở các bộ tộc ở Maya và đến thế kỷ thứ 16 được lưu hành rộng tãi ở Trung Mỹ. Từ thế kỷ 16, ca cao bắt đầu phát triển rộng ra các nước khác trên thế giới, trước hết là các nước Nam Mỹ và vùng biển Caribe như Venezuela, Haiti, Jamaica. Cac cao vượt Thái Bình Dương và được trồng ở Philippin vào đầu thế kỷ 17, sau đó tiếp tục mở rộng qua Ấn Độ và Scrilanca vài chục năm sau. Cho đến thời gian này loại phụ Criollo vẫn chiếm diện tích chủ yếu. Brazil và Ecurador là những nước đầu tiên phát triển loại phụ Foratestero và đầu thế kỷ 19 ca cao bắt đầu được xuất khẩu với quy mô 2000-5000 tấn từ các nước Nam Mỹ. Cuối thế kỷ 19 ca cao mới được trồng tại các nước Tây Phi, trước hết là Ghana và Nigieria. Ngày nay, ca cao phát triển rất nhanh do có thị trường ởn Châu Âu. Năm 1900 Châu Phi chỉ chiếm 17% tổng sản lượng ca cao thê giới nhưng đến năm 1960, tỷ lệ này đã lên tới 73%. Từ năm 1985 trở lại đây, các nước Châu Á bắt đầu phát triển mạnh ca cao, trước hết là ở các nước Malaysia, Indonesia, Ấn Độ, Sri Lanka… Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học 4 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường ĐHBRVT Vào đầu thế kỷ 20, người Pháp đã đưa cây ca cao vào miền nam Việt Nam, tuy nhiên do một số yếu tố cây ca cao thời điểm đó chưa thật sự phát triển. Khoảng năm 1994, một dự án về trồng cây ca cao với quy mô 10.000 ha được thực hiện, chủ yếu ở tĩnh Quảng Ngãi tuy nhiên vẫn thất bại không thể phát triển mạnh như cà phê và cao su. 2.1.2. Đặc đ ểm cây ca cao Ca cao là loài thân gỗ nhỏ có thể cao đến 10-20 m nếu mọc tự nhiên trong rừng. Trong sản xuất người ta thường xén bớt để việc thu hoạch có thể dễ dàng hơn và độ cao của cây khi đã trưởng thành không vượt quá 7,5 m, đường kính thân cây từ 1015 cm. Cây ca cao sinh trưởng tốt dưới bóng che, do đó cây ca cao cần được che chắn để tránh bớt tia nắng mặt trời và gió, đặc biệt là trong những giai đoạn đầu của thời kỳ phát triển và có thể trồng xen canh cây ca cao với một số cây kinh tế khác. Thời kỳ kinh doanh hiệu quả có thể kéo dài từ 25 đến 40 năm. Mỗi năm cây ca cao cho đến hàng nghìn hoa ở thân chính và cành to nhưng chỉ từ 1-3% là đậu thành trái. Sau khi thụ phấn trái tăng trưởng chậm trong khoảng 40 ngày đầu và đạt tốc độ tối đa sau 75 ngày. Sau khi thụ phấn 85 ngày sự tăng trưởng của trái chậm lại, trong khi hạt bên trong trái bắt đầu tăng trưởng nhanh, đây cũng là thời kỳ hạt tích lũy chất béo. Lớp cơm nhầy hình thành khoảng 140 ngày sau khi thụ phấn đến khi trái chín kéo dài từ 5-6 tháng. Trái ca cao có thể đạt chiều dài từ 15-20 cm, khối lượng trung bình từ 200g-1kg. Tùy theo từng loài, hình dạng của trái thay đổi từ hình cầu, hình dài nhọn, hình trứng hoặc hình ống. Màu sắc của trái khá đa dạng: màu xanh, màu vàng, màu đỏ. Mỗi trái chứa khoảng 20-40 hạt. Lớp cơm nhầy chiếm khoảng 15-20% trọng lượng của hạt ca cao tươi và chứa một trữ lượng đường rất cao, có thể sử dụng lớp cơm nhầy này làm nước sinh tố, kem hoặc cô đặc làm nước cốt trái cây, hay sử dụng chế biến rượu vang… Vỏ quả ca cao chứa 3-4% kali trên trọng lượng chất khô, là nguồn phân bón giàu kali. Tro đốt từ vỏ dã từng được sử dụng để làm xà phòng. Vỏ quả ca cao khô, xay Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học 5 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường ĐHBRVT nhỏ có thể độn vào thức ăn cho bò, cừu, dê. Bò có thể ăn trực tiếp vỏ tươi thay thế được cho khẩu phần cỏ voi. 2.1.3. Thành phần hóa học của vỏ trái ca cao T à ầ a ọc Vỏ tố đa Nước 6.6 Chất béo 5.9 Tro 20.7 Nitơ tổng 3.2 Theobromine 0.9 Caffeine 0.3 Tinh bột 5.2 Chất xơ dạng thô 19.2 Nước, chất béo, cacbohydrate, nitrogen, acid hữu cơ, muối khoáng,… các thành phần này sẽ có hàm lượng khác nhau ở chất nhầy, vỏ hạt và thịt hạt. - Chất nhầy (thịt quả) có hàm lượng nước và đường cao nhất, ngoài ra còn có acid citric làm cho pH thịt quả luôn ở mức 3,5 - Vỏ hạt (quả) có hàm lượng cacbohydrate cao, hàm lượng khoáng trung bình có trong vỏ quả ca cao vào khoảng 8,2% trọng lượng vỏ. Trong đó đa số là Fe, K, Mg… 2.2. - Giới thiệu về t c đậu Hiện nay trên địa bàn tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, sản lượng cây đậu tương đối cao, chủ yếu tập trung ở các huyện như Đất Đỏ, Châu Đức,..., sau các vụ mùa chủ yếu được người dân đốt bỏ, một số ít tận dụng làm nguồn thức ăn cho bò, dê; Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học 6 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường - ĐHBRVT Qua các nghiên cứu cho thấy trong rễ các cây họ đậu có các loại vi khuẩn nốt sần thuộc chi Rhizobium có khả năng cố định đạm, rất có tiềm năng và triển vọng để ứng dụng sản xuất phân hữu cơ sinh học; - Ngoài ra khi bổ sung thân cây đậu còn tạo được độ xốp, thông thoáng cho đổng ủ, giúp oxy phân bố đều trong đống ủ. 2.3. G ớ t ệu về compost - Quá trình chế bến compost: là quá trình phân hủy sinh học và ổn định của chất hữu cơ dưới điều kiện nhiệt độ thermoliphic. Kết quả của quá trình phân hủy sinh học tạo ra nhiệt, sản phẩm cuối cùng ổn định, không mang mầm bệnh và có ích cho việc ứng dụng cho cây trồng.[1] - Compost: là sản phẩm của quá trình chế biến compost, đã được ổn định như chất mùn, không chứa các mầm bệnh, không lôi kéo các côn trùng, có thể được lưu trữ an toàn và có lợi cho sự phát triển của cây trồng.[1] 2.4. Chế phẩm sinh học [19] 2.4.1. Chế phẩm GEM GEM là chế phẩm sinh học bao gồm nhiều chủng vi sinh vật khác nhau trong đó 5 nhóm vi khuẩn lên men acid lactic, lên men rượu, vi khuẩn quang hợp, xạ khuẩn và nấm men. Năm nhóm vi khuẩn này tạo ra acid amin tự do, acid hữu cơ, vitamin hòa tan trong nước, kháng sinh tự nhiên và tạo ra các hoocmon tự nhiên. Vì thế các vi khuẩn này được sử dụng vào trong tự nhiên sẽ tạo ra mối liên kết nhằm khống chế các vi khuẩn gây hại đối với các loại cây trồng và vật nuôi. Chế phẩm GEM được tạo ra không phải bằng kỹ thuật di truyền và cũng không chứa các loài vi sinh vật được tạo ra bởi kỹ thuật di truyền. GEM rất an toàn, rẻ và ứng dụng có hiệu quả, cải thiện tốt môi trường. Các vi sinh vật tạo ra một môi trường sinh thái đồng nhất, sản sinh ra nhiều sản phẩm khác nhau cùng sinh trưởng, phát triển. Mỗi loại vi sinh vật trong chế phẩm GEM có chức năng năng hoạt động riêng của chúng. Các vi sinh vật này đều là những vi sinh vật có lợi chung sống trong cùng một môi trường, chúng sống cộng sinh với nhau, cùng hỗ trợ nhau do vậy hiệu quả của họat động tổng hợp của chế phẩm tăng lên rất nhiều. Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học 7 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường ĐHBRVT Trong bảo vệ môi trường: GEM có tác dụng tiêu diệt các vi sinh vật gây mùi thối do các loại khí H2S, SO2, NH3… gây ra, nên khi phun GEM vào rác thải, cống rãnh, toilet, chuồng trại chăn nuôi....Sẽ khử được mùi hôi một cách nhanh chóng. Đồng thời số lượng ruồi muỗi, ve các loại côn trùng bay khác giảm hẳn số lượng. Chức năng phân hủy rác thải hữu cơ tiêu diệt các vi sinh vật gây thối, làm tốc độ hóa mùn diễn ra nhanh hơn. Đây là sản phẩm thân thiện môi trường. Chế phẩm GEM sử dụng: GEM- P, GEM-K Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học 8 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường ĐHBRVT 2.4.2. Chế phẩm Compost maker Chế phẩm Compost maker chứa thành phần chính là nấm Trichoderma viri và Aspergillus niger và các enzyme thủy phân như cellulase, chitinase, xylanase…giúp cây trồng kháng bệnh. Khống chế và tiêu diệt các loại nấm bệnh như Rhizoctonia solani, Fusarium, Sclerotium gây bệnh thối rễ, chết yểu, héo rũ… tạo điều kiện cho vi sinh vật trong đất phát triển, kích thích sự tăng trưởng của bộ rễ, phân giải các chất xơ, chitin, pectin, lignin trong phế thải hữu cơ thành đơn chất dinh dưỡng làm đất tơi xốp hơn, giúp cây dễ dàng hấp thu, tăng hàm lượng chất mùn và mật độ côn trùng có ích, giữ độ phì của đất. Dùng ủ phân chuồng có tác dụng phân hủy nhanh, mau hoai mục có thể bón trực tiếp cho cây trồng như rau, hoa, cây ăn quả, cây công nghiệp, tăng khả năng kháng một số nấm bệnh. Các chế phẩm nấm Trichoderma được sản xuất và sử dụng như là chất kiểm soát sinh học một cách có hiệu quả. Hình thức sử dụng dưới dạng chế phẩm riêng biệt hoặc được phối trộn vào phân hữu cơ để bón cho cây trồng vừa cung cấp dinh dưỡng cho cây vừa tăng khả năng kháng bệnh của cây. Những lợi ích mà những loài nấm này mang lại đã được biết đến bao gồm việc kích thích sự tăng trưởng và phát triển của thực vật do việc kích thích sự hình thành nhiều hơn và phát triển mạnh hơn của bộ rễ so với thông thường. Những cơ chế giải thích cho các hiện tượng này chỉ mới được hiểu rõ ràng hơn trong thời gian gần đây. Hiện nay, một giống nấm Trichoderma đã được phát hiện là chúng có khả năng gia tăng số lượng rễ mọc sâu (sâu hơn 1 m dưới mặt đất). Những rễ sâu này giúp các loài cây có khả năng chịu được hạn hán. Nấm Trichoderma có khả năng phân huỷ cellulose, phân giải lân chậm tan . Lợi dụng đặc tính này người ta đã trộn Trichoderma vào quá trình sản xuất phân hữu cơ vi sinh để thúc đẩy quá trình phân huỷ hữu cơ được nhanh chóng. Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học 9 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường 2.5. Hệ vi sinh vật tro ĐHBRVT đống ủ compost 2.4.1. Vi sinh vật phân hủy tinh bột tro đống ủ compost Trong đống ủ có nhiều loại vi sinh vật có khả năng phân giải tinh bột [18]. Một số vi sinh vật có khả năng tiết ra môi trường đầy đủ các loại enzyme trong hệ enzyme amylase. Ví dụ như một số vi nấm bao gồm một số loài trong các chi Aspergillus, trong nhóm vi khuẩn có các loài thuộc chi Bacillus, Cytophaga…xạ khuẩn cũng có một số chi có khả năng phân giải tinh bột. Đa số các vi sinh vật không có khả năng tiết đầy đủ hệ enzyme amylase để phân hủy tinh bột. Chúng chỉ có thể tiết ra môi trường một hoặc một vài enzyme trong hệ đó. Ví dụ như các loài Aspergillus niger, Bacillus subtilis, Clostridium butiricum… chỉ tiết ra môi trường một loại enzyme -amylase. Các loài Aspergillus oryzae, Clostridium acetobutilicum…chỉ tiết ra môi trường enzyme -amylase. Một số loài khác chỉ tiết ra môi trường enzyme glucoamylase. Các nhóm này cộng tác với nhau trong quá trình phân hủy tinh bột thành đường. 2.4.2. Vi sinh vật phân hủy phosphate tro đống ủ compost Phospho là một thành phần khoáng rất quan trọng trong tế bào của vi sinh vật và là một yếu tố dinh dưỡng không thể thiếu được trong sự phát triển của các loài nấm [18]. Các hợp chất lân hữu cơ trong đống ủ rất nhiều và có nguồn gốc từ xác thực vật, phân gia súc, gia cầm…Sự chuyển hóa các hợp chất phospho hữu cơ thành muối của H3PO4 được thực hiện bởi nhóm vi sinh vật phân hủy phospho hữu cơ [20]. Những vi sinh vật này có khả năng tiết ra enzymes phosphatase để xúc tác cho quá trình phân giải. Vi sinh vật phân giải lân hữu cơ chủ yếu thuộc hai chi Bacillus và Pseudomonas. Các loài có khả năng phân giải mạnh là Bacillus megatherium, Bacillus mycoides và Pseudomonas sp. Các hợp chất lân khó tan còn nằm trong các hợp chất khoáng bổ sung vào trong đống ủ. Rất nhiều vi sinh vật tham gia phân giải lân vô cơ, trong đó vi khuẩn có rất nhiều loài phân giải mạnh như: Bacillus m gath rium, Bacillus butyricus… Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học 10 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Báo cáo đề tài khoa học và công nghệ cấp Trường ĐHBRVT Các vi khuẩn nitrat hóa sống trong đống ủ cũng có khả năng phân giải lân vô cơ, do nó có khả năng chuyển NH3 thành NO2-, rồi NO3-. Rồi NO-3 sẽ phản ứng với H+ tạo thành HNO3. HNO3 sẽ phản ứng với phosphate khó tan thành dạng dễ tan: Ca3(PO4)2 + 4HNO3 Ca(H2PO4 )2 + 2Ca(NO3)2 Ngoài ra một số vi nấm và xạ khuẩn cũng có khả năng phân hủy lân vô cơ. Trong nhóm vi nấm thì A.niger có khả năng phân giải lân mạnh nhất. 2.4.3. Vi sinh vật phân giải protein tro đống ủ compost Quá trình phân giải protein còn gọi là quá trình amon hóa. Vai trò của vi sinh vật chính là thông qua các quá trình amon hóa - phân giải prot in, urê, aci uric,… để biến các chất thải này thành dạng có ích [18]. Có nhiều vi sinh vật có khả năng phân giải protein: nấm mốc, xạ khuẩn và vi khuẩn. Muốn phân giải protein các vi sinh vật phải tiết vào môi trường enzyme protease ngoại bào. Chúng xúc tác quá trình thủy phân liên kết peptide và một số liên kết khác để phân cắt protein thành các phân tử nhỏ hơn. Các chất này tiếp tục được phân hủy thành các aminoacid nhờ enzyme peptidase hoặc hấp thu trực tiếp và phân hủy thành aminoacid sau khi vào tế bào, một phần các aminoacid được sử dụng để xây dựng protein của chúng, một phần tiếp tục bị phân hủy, sản phẩm của quá trình này là NH3, CO2 và nhiều sản phẩm trung gian khác. Quá trình phân giải protein có thể xảy ra trong điều kiện hiếu khí và kị khí. Trong điều kiện hiếu khí, các hợp chất hữu cơ chứa nitơ được phân giải bởi các loài thuộc chi Bacillus, Ps u omona…Một số loài trong chi Clostridium thực hiện quá trình amôn hóa kị khí. Quá trình amon hóa protein là sự phân giải protein kèm theo sự tạo thành amoniac. Quá trình này giữ vai trò quan trọng trong việc khép kín vòng tuần hoàn nitơ và chuyển nitơ từ dạng khó hấp thụ sang dạng muối amon dễ dàng được cây xanh sử dụng. NH3 được tạo ra có thể được oxy hóa để hình thành acid nitrit qua các giai đoạn trung gian, quá trình này gọi là quá trình nitrat hóa. Rất nhiều vi sinh vật có khả năng amon hóa protein: - Vi khuẩn: Bacillus mycoi s, Clostri ium… Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học 11 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm