Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nấu, đường hóa và lên men trong sản xuất cồn

Một số chế phẩm enzym được sử dụng để thủy phân tinh bột trong sản xuất cồn.. Trong số nhữngnguyên liệu chứa tinh bột của Việt Nam có tiềm năng để sản xuất cồn thì sắn lànguyên liệu có n

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin được gửi những lời cảm ơn chân thành đến toàn thể các

thầy cô trong Viện Công Nghệ Sinh Học – Công Nghệ Thực Phẩm nói chung

và trong Bộ Môn Các Sản Phẩm Lên Men nói riêng Các thầy cô đã cố gắng

truyền đạt những kiến thức cơ bản nhất trong suốt 3 năm học chuyên ngành củaem

Tiếp đến, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáo hướng dẫn của emPGS.TS Nguyễn Thanh Hằng Chính sự hướng dẫn tận tình của cô đã làm độnglực thúc đẩy em vượt qua những khó khăn trong quá trình nghiên cứu

Đồng thời em cũng xin cảm ơn chị Nguyễn Thúy Hường, người đã luônđộng viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Luận văn tốt nghiệp của em tuy đã hoàn thành nhưng không tránh khỏinhững thiếu sót Vì vậy, em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy

cô giáo để em có thể bổ sung thêm những kiến thức về ngành sản xuất cồn nóiriêng và ngành công nghệ các sản phẩm lên men nói chung

Hà Nội, ngày 31 tháng 5 năm 2011

SV thực hiện

Hoàng Huy Dũng

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 2

1.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn trên thế giới và Việt Nam 2

1.1.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn trên thế giới 2

1.1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn tại Việt Nam 2

1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn trên thế giới và Việt Nam 3

1.2.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn trên thế giới 3

1.2.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn tại Việt Nam 5

1.2.3 Nguyên liệu sản xuất cồn từ sắn 6

1.2.4 Thành phần cấu tạo của sắn 7

1.3 Một số chế phẩm enzym được sử dụng để thủy phân tinh bột trong sản xuất cồn .9 1.3.1 Spezyme Xtra 9

1.3.2 Termamyl SC 10

1.3.3 Stargen 001 10

1.3.3 Distillase ASP 11

1.3.4 Dextrozyme GA (DGA) 12

1.4 Công nghệ sản xuất cồn truyền thống 12

1.5 Công nghệ sản xuất cồn hiện nay ở một số nước trên thế giới 13

CHƯƠNG II NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16

2.1 Nguyên vật liệu 16

2.1.1 Sắn ( tinh bột ) 16

2.1.2 Nấm men 16

2.1.3 Enzyme 17

2.1.4 Hóa chất 17

2.1.5 Dụng cụ 17

2.2 Phương pháp nghiên cứu 18 2.2.1.Xác định độ ẩm nguyên liệu theo phương pháp sấy đến khối lượng

2.2.2 Xác định pH 18

2.2.3 Xác định hàm lượng tinh bột trong nguyên liệu theo phương pháp thủy

phân bằng axit 19

2.2.4 Xác định hàm lượng đường khử trong dịch đường theo phương pháp Graxianop 20

2.2.5 Xác định độ chua của dịch dấm chín 21

2.2.6 Xác định độ cồn trong dịch dấm chín bằng phương pháp chưng cất và đo điểm sôi 21

2.2.7 Xác định hiệu suất 23

2.2.8 Chuẩn bị mẫu nghiên cứu các điều kiện trong quá trình dịch hoá, dịch hóa và lên men đồng thời 25

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27

3.1 Kết quả phân tích thành phần nguyên liệu 27

3.1.1 Xác định thành phần nguyên liệu của sắn khô 27

3.1.2 Kết quả đếm mật độ tế bào nấm men 27

3.2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng của quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời 28

3.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ tinh bột đến hiệu quả lên men .28

3.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện dịch hóa 30

3.2.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ dịch hoá 30

3.2.2.2 Ảnh hưởng của thời gian dịch hoá 31

3.2.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ enzym dịch hóa 32

3.2.3 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đường hóa và lên men đồng thời 33

3.2.3.1 Chọn chủng nấm men 33

3.2.3.2 Ảnh hưởng của enzym đường hóa 34

3.2.3.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ men giống 35

3.2.3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng Nitơ 37

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hiện nay nhiên liệu sinh học là một trong những giải pháp ưu tiên hàngđầu của nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam Trong số nhữngnguyên liệu chứa tinh bột của Việt Nam có tiềm năng để sản xuất cồn thì sắn lànguyên liệu có nhiều điểm mạnh như giá rẻ, hàm lượng tinh bột cao, sản lượngcao… Với mục đích giảm thiểu năng lượng tiêu thụ và tăng hiệu quả sử dụngthiết bị trong quy trình sản xuất cồn sinh học từ nguyên sắn khô (tinh bột), vàkiểm nghiệm tính hiệu quả của các chế phẩm Enzyme đã được sử dụng, chúng

em đã lựa chọn và áp dụng một số chế phẩm Enzyme của hãng Genecor để sảnxuất cồn sinh học từ nguyên liệu sắn khô của Việt Nam và đã tiến hành đề tài: “

Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nấu, đường hóa và lên men trong sản xuất cồn ”

Kết quả nghiên cứu đã lựa chọn quy trình dịch hóa với điều kiện thích hợp là:

- Dịch sắn nồng độ 25% tinh bột được dịch hóa bởi Enzyme Spezyme Alpha

có (nồng độ 0,03% w/w), ở 700C thời gian 60 phút, pH 5,5 – 5,7

- Tiếp đến, quá trình đường hóa và lên men đồng thời (SSF) với điều kiện ở

300C, Enzyme đường hóa Stargen 001 có (nồng độ 0,300% w/w), và lượng nấmmen Fermentis nồng độ 0,5 g/l, Ure bổ sung cho nấm men sinh trưởng và pháttriển 1 g/l

- Sau 72h lên men nồng độ cồn thu được 15,8 % v/v, hiệu suất thu hồi 80,86 %

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1: Lượng cồn thu được theo nguyên liệu 24

Bảng 3.1 Bảng chỉ tiêu của nguyên liệu sắn khô 27

Bảng 3.2 Kết quả đếm mật độ tế bào nấm men Fermentis 28

Bảng 3.3 Kết quả đếm mật độ tế bào nấm men Mauri – La Ngà 28

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột đến hiệu quả lên men 29

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ dịch hoá 30

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian dịch hoá hiệu quả lên men 31

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của nồng độ enzym dịch hóa 32

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của nấm men đến hiệu quả lên men 33

Bảng 3.9 Ảnh hưởng của nồng độ Stagen001 đến hiệu quả lên men 34

Bảng 3.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ men giống đến hiệu quả lên men 36

Bảng 3.11 Ảnh hưởng của hàm lượng Ure bổ sung 37

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Quá trình thủy phân tinh bột của ngô với chế phẩm enzym Stargen 11

Hình 2.1 Chế phẩm nấm men: .16

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

SSF: Simultaneous Saccharification and Fermentation – đường hóa và lên men đồng thời

MỞ ĐẦU

Cồn là một sản phẩm đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân,được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống Cồn có thể được sử dụngtrong thực phẩm (pha chế rượu, đồ uống có cồn), trong y tế (thuốc sát trùng, phachế thuốc), trong công nghiệp (dệt, chế biến gỗ, công nghiệp nặng, công nghiệphóa chất và một số ngành công nghiệp khác), trong quốc phòng (thuốc súng,nhiên liệu hỏa tiễn) và ngành mỹ phẩm (để sản xuất nước hoa) Hiện nay, cồncòn được sử dụng như một nhiên liệu tiềm năng Khi mà các nhiên liệu hóa thạch

cổ sinh (than đá, dầu mỏ, khí đốt) đang cạn kiệt dần, giá nhiên liệu lại tăng lên vàvấn đề ô nhiễm môi trường thì cồn nhiên liệu là vẫn đề đang rất được chú ý.Hiện nay, 47% cồn nhiên liệu trên thế giới được sản xuất từ mía đường và53% được sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột Trong số những nguyên liệuchứa tinh bột của Việt Nam có tiềm năng để sản xuất cồn thì sắn là nguyên liệu

có nhiều ưu điểm như sắn dễ trồng trên các loại đất khác nhau và trong điều kiệnkhí hậu khác nhau, giá thành chi phí để trồng sắn thấp, nguyên liệu sắn sẵn cóquanh năm dưới dạng sắn củ hoặc sắn lát khô, hàm lượng tinh bột cao

Bên cạnh tiềm năng về nguồn nguyên liệu, hiện nay có một số giải phápđược đưa ra nhằm cải tiến công nghệ sản xuất cồn truyền thống, giảm năng lượngtiêu tốn cho quá trình dịch hóa, đường hóa mà vẫn đảm bảo hiệu suất thu hồi cao

và tăng giá trị kinh tế Trên thế giới các hãng sản xuất enzym đang giới thiệu một

số chế phẩm enzym mới có nhiều ưu điểm như có khả năng thủy phân tinh bộtmới được hồ hóa ở nhiệt độ 700C hoặc thủy phân tinh bột sống ở nhiệt độ 30 ÷

350C không cần qua quá trình dịch hóa Với mục đích giảm bớt năng lượng tiêutốn trong quy trình sản xuất, chúng em đã lựa chọn và áp dụng thử một số chếphẩm enzym của hãng Genencor cho quá trình dịch hóa, đường hóa và lên menđồng thời để sản xuất cồn trên nguyên liệu sắn khô của Việt Nam

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn trên thế giới và Việt Nam

1.1.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn trên thế giới

Năm 2003 toàn thế giới đã sản xuất được 38,5 tỷ lít cồn ( châu Mỹ chiếmkhoảng 70%, châu Á 17%, châu Âu 10%), trong đó 70 % được dùng làm nhiênliệu, 30% sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, y tế, hóa chất

Đến nắm 2007 lượng cồn sản xuất tăng lên 56 tỷ lít, trong đó sử dụng làmnhiên liệu tăng lên 75%

Năm 2009, lượng cồn trên thế giới khoảng 66 tỷ lít cồn Dự bào đến năm

2012 thì lượng cồn thế giới sẽ tăng lên 79,3 tỷ lít và tỷ lệ sử dụng làm nhiên liệutăng 85%

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều nước có ngành công nghiệp sản xuấtcồn phát triển rất mạnh với sản lượng cồn hàng năm rất lớn, trong đó 2 cườngquốc sản xuất lớn nhất với sản lượng chiếm khoảng 89% tổng sản lượng cồn củathế giới là Mỹ và Brazil (năm 2008)

Còn ở khu vực Đông Nam Á, Thái Lan là quốc gia phát triển rất nhanh vềsản xuất và sử dụng xăng pha cồn được sản xuất từ các loại phế phẩm của sắn,hạt ngô, cây ngô, đường, bã mía Từ năm 2002, Thái Lan đã xây dựng thêm 4nhà máy sản xuất cồn nhằm giảm chi phí nhập khẩu xăng dầu Năm 2004, TháiLan sản xuất được 280.000 m3 cồn, đầu tư thêm 20 nhà máy để đến năm 2015 đạttrên 2,5 tỷ lít cồn dùng làm nhiên liệu [5]

1.1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn tại Việt Nam.

Theo số liệu tổng hợp của Bộ Công Thương năm 2004 cả nước có 72 đơn

vị sản xuất rượu công nghiệp với công suất 103 triệu lít/ năm, sản lượng được

76,3 triệu lít/ năm, đạt 74% công suất thiết kế Năm 2005 sản lượng rượu sảnxuất đạt 80 triệu lít.

Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành quyết định số177/QĐ-TTG phê duyệt ” Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015”,tầm nhìn đến năm 2025 Mục tiêu tổng quát của đề án là phát triển nhiên liệusinh học nhằm thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống đảm bảo anninh năng lượng và bảo vệ môi trường Đến năm 2010, xây dựng và phát triểnđược các mô hình thử nghiệm, và sử dụng nhiên liệu sinh học quy mô 100 nghìntấn E5 và 50 nghìn tấn B5/ năm, bảo đảm đáp ứng 0,4% nhu cầu xăng dầu của cảnước Đến năm 2025, sản lượng cồn và dầu thực vật phấn đấu đạt 1,8 triệu tấn,đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước

Để đáp ứng được nhu cầu đó, trong nước nhiều dự án nghiên cứu sản xuấtcồn từ các nguồn khác nhau đã và đang được triển khai như sản xuất từ cácnguyên liệu giàu Cellulose, tinh bột Và đồng thời nhiều dự án nghiên cứu nhằmtối ưu hóa quá trình sản xuất cồn cũng được quan tâm nhằm giảm chi phí sảnxuất, tăng sản lượng cồn và giảm giá thành sản phẩm

1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn trên thế giới và Việt Nam

1.2.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn trên thế giới

Sắn được trồng trọt tại hơn 100 nước có khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đớithuộc châu Á, châu Phi và châu Mỹ La–tinh Tổ chức nông lương trên thế giớixếp cây sắn là cây lương thực quan trọng thứ 5 trên thế giới, sau cây ngô, gạo,lúa mỳ và khoai tây Ðồng thời, sắn cũng là cây thức ăn gia súc quan trọng tạinhiều nước và cũng là cây hàng hóa xuất khẩu có giá trị để chế biến bột ngọt,bánh kẹo, mì ăn liền, ván ép, bao bì, màng phủ sinh học và phụ gia dược phẩm.Trong thời gian tới, sắn là nguyên liệu chính cho công nghiệp cồn

Năm 2008, Trung Quốc đã sản xuất một triệu tấn ethanol và nhập khẩu sắn

từ các quốc gia lân cận Tại Thái-lan, nhiều nhà máy sản xuất cồn sử dụng sắn đãđược xây dựng vào năm 2008 Indonesia đã lên kế hoạch sử dụng sắn sản xuất

ethanol để pha vào xăng theo tỷ lệ bắt buộc 5% bắt đầu từ năm 2010 Các nướcnhư Lào, Papua New Guinea, đảo quốc Phigi, Nigeria, Colombia và Ugandacũng đang nghiên cứu thử nghiệm cho sản xuất ethanol [2]

Thái Lan chiếm trên 85% lượng xuất khẩu sắn toàn cầu, kế đến làIndonesia và Việt Nam Thị trường xuất khẩu sắn chủ yếu của Thái Lan là TrungQuốc, Đài Loan, Nhật Bản và cộng đồng châu Âu với tỷ trọng xuất khẩu sắnkhoảng 40% bột và tinh bột sắn, 25% là sắn lát và sắn viên (TTTA, 2006; FAO,2007)

Trung Quốc hiện là nước nhập khẩu sắn nhiều nhất thế giới để làm cồn sinhhọc (bio ethanol), tinh bột biến tính (modify starch), thức ăn gia súc và dùngtrong công nghiệp thực phẩm dược liệu Địa điểm chính tại tỉnh Quảng Tây Năm

2005, Trung Quốc đã nhập khẩu 1,03 triệu tấn tinh bột, bột sắn và 3,03 triệu tấnsắn lát, sắn viên Năm 2006, Trung Quốc đã nhập khẩu 1,15 triệu tấn tinh bột, bộtsắn và 3,40 triệu tấn sắn lát và sắn viên [6]

Viện Nghiên cứu Chính sách lương thực thế giới (IFPRI), đã tính toánnhiều mặt và dự báo tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn toàn cầu với tầm nhìn đếnnăm 2020 Năm 2020 sản lượng sắn toàn cầu ước đạt 275,10 triệu tấn, trong đósản xuất sắn chủ yếu ở các nước đang phát triển là 274,7 triệu tấn, các nước đãphát triển khoảng 0,40 triệu tấn Mức tiêu thụ sắn ở các nước đang phát triển dựbáo đạt 254,60 triệu tấn so với các nước đã phát triển là 20,5 triệu tấn Khốilượng sản phẩm sắn toàn cầu sử dụng làm lương thực thực phẩm dự báo nhu cầu

là 176,3 triệu tấn và thức ăn gia súc 53,4 triệu tấn Tốc độ tăng hàng năm của nhucầu sử dụng sản phẩm sắn làm lương thực, thực phẩm và thức ăn gia súc đạttương ứng là 1,98% và 0,95% Châu Phi vẫn là khu vực dẫn đầu sản lượng sắntoàn cầu với dự báo sản lượng năm 2020 sẽ đạt 168,6 triệu tấn Trong đó, khốilượng sản phẩm sử dụng làm lương thực thực phẩm là 77,2%, làm thức ăn giasúc là 4,4% Châu Mỹ La tinh giai đoạn 1993-2020, ước tốc độ tiêu thụ sản phẩmsắn tăng hàng năm là 1,3%, so với châu Phi là 2,44% và châu Á là 0,84 - 0,96%.Cây sắn tiếp tục giữ vai trò quan trọng trong nhiều nước châu Á, đặc biệt là các

nước vùng Đông Nam Á nơi cây sắn có tổng diện tích đứng thứ ba sau lúa và ngô

và tổng sản lượng đứng thứ ba sau lúa và mía Chiều hướng sản xuất sắn phụthuộc vào khả năng cạnh tranh cây trồng Giải pháp chính là tăng năng suất sắnbằng cách áp dụng giống mới và các biện pháp kỹ thuật tiến bộ [6]

1.2.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn tại Việt Nam

Ở Việt Nam, cây sắn đã nhanh chóng chuyển từ cây lương thực thành câycông nghiệp với năng suất và sản lượng sắn tăng nhanh Sắn là cây lương thực,thức ăn gia súc quan trọng sau lúa và ngô Năm 2005, cây sắn có diện tích thuhoạch 432 nghìn ha, năng suất 15.35 tấn/ha, sản lượng 6.6 triệu tấn, so với câylúa có diện tích 7326 ha, năng suất 4.88 tấn/ha, sản lượng 35.8 triệu tấn, cây ngô

có diện tích 995 ha, năng suất 3.51 tấn/ha, sản lượng gần một triệu tấn (FAO,2007) [3]

Đến năm 2009, sản lượng sắn của Việt Nam là 9.45 triệu tấn, với diện tíchtrồng tăng lên 560 ha, và năng suất là 16.9 tấn/ha

Tiêu thụ sắn hiện tại gồm ba nhóm chính là: sản xuất tinh bột; sản xuấtthức ăn chăn nuôi và sắn lát khô (sản xuất cồn) Sản xuất sắn tinh bột có hai loại:tinh bột ướt dùng cho sản xuất bột ngọt và tinh bột khô chủ yếu cho xuất khẩu.Còn sản xuất thức ăn chăn nuôi dùng sắn lát khô chất lượng cao Sắn sản xuấtcồn là sắn lát khô có chất lượng thấp hơn dùng để làm nguyên liệu cho các nhàmáy cồn Năm 2007, sắn dùng cho tinh bột chiếm 37%, sắn lát chiếm 34% và sắncho thức ăn chăn nuôi chiếm 28% Tổng lượng xuất khẩu chiếm hơn 50% sảnlượng sắn, bao gồm tinh bột sắn khô xuất khẩu và sắn cồn xuất khẩu Theo thống

kê, năm 2009, sắn là mặt hàng có khối lượng và kim ngạch xuất khẩu tăng độtbiến Bảy tháng đầu năm 2009, cả nước xuất khẩu được 2.66 triệu tấn sắn lát khô(sắn cồn) và tinh bột sắn, kim ngạch đạt 406 triệu USD, tăng 4.4 lần về sảnlượng, 2.8 lần về kim ngạch so với cùng kỳ năm trước Với kết quả trên, BộCông thương đã xếp sắn vào mặt hàng xuất khẩu chủ lực năm 2009

Với tiềm lực sản xuất sắn ở Việt Nam như vậy thì việc sử dụng sắn tươilàm nguyên liệu sản xuất cồn thực sự là rất khả quan.

1.2.3 Nguyên liệu sản xuất cồn từ sắn

Sản xuất cồn có thể đi từ nhiều nguyên liệu chứa tinh bột ( gạo, ngô,khoai, sắn…), hoặc một số nguyên liệu chứa đường ( như rỉ đường mía, củ cảiđường…), hay một số nguyên liệu chứa Cellulose ( rơm, rạ, gỗ…)

Mỹ sản xuất cồn từ ngô, Brazil sản xuất cồn từ cây mía, Thái Lan sản xuấtcồn chủ yếu từ sắn… Còn ở Việt Nam thì cồn được sản xuất chủ yếu từ mật rỉ vàtinh bột sắn, bên cạnh đó nước ta cũng đang tập trung vốn và kỹ thuật để pháttriển công nghệ sản xuất cồn từ Cellulose và từ nhiều loại cây trồng ( hay phếliệu từ nhiều loại cây trồng ), chủ yếu thay đổi nguồn nguyên liệu truyền thông

để đảm bảo an ninh lương thực của quốc gia

Tình hình một số nguyên liệu dùng để sản xuất cồn tại Việt Nam:

- Ngô: hiện nay thì sản lượng ngô ở Việt Nam không cao, không đủnguyên liệu cho sản xuất quy mô lớn Mặt khác, ngô cũng là một trong các câylương thực chủ yếu của nước ta

- Gạo: là cây lương thực chủ yếu ở Việt Nam, chi phí nếu sử dụng gạo đểsản xuất cồn là khá đắt và giá thành sẽ cao, với lại để đảm bảo an ninh lươngthực quốc gia, không nên sử dụng gạo để nghiên cứu và sản xuất cồn

- Mía: là nguyên liệu chủ yếu để sản xuất đường

- Rỉ đường: là nguyên liệu dùng để lên men luôn và không cần qua quátrình dịch hóa và đường hóa, do đó không thích hợp để sử dụng làm nguyên liệucho sản xuất cồn theo phương pháp đường hóa và lên men đồng thời

Hiện tại ở Việt Nam thì nguồn nguyên liệu có thể đáp ứng được nhữngyêu cầu sản xuất cồn theo phương pháp đường hóa và lên men đồng thời thì câysắn là có nhiều mặt lợi thế

- Diện tích trồng sắn tại nước ta là rất lớn, sản lượng sắn cao.

- Sắn có thể được giữ vùi trong đất nếu chưa cần thu hoạch, do đó sắn tươi

có thể thu hoạch được quanh năm, và đây cũng là cách để bảo quản sắn không bịsâu bộ và các loài gặm nhấm

- Giá thành của nguyên liệu sắn rẻ hơn so với các nguyên liệu chứa tinhbột khác

Do đó sắn là loại cây trồng được đánh giá có nhiều tiềm năng đáp ứng chonhu cầu sản xuất cồn ở quy mô công nghiệp theo phương pháp đường hóa và lênmen đồng thời

1.2.4 Thành phần cấu tạo của sắn

gỗ phụ thuộc giống sắn, độ già và khối lượng củ thường vào khoảng 1,5 – 2 %

Vỏ cùi dày khoảng 1 – 3 mm và chiếm 8 – 15 % khối lượng củ Vỏ cùigồm lớp tế bào mô cứng phủ ngoài Thành phần lớp này cũng chủ yếu làCellulose, hầu như không chứa tinh bột nhưng chứa nhiều dịch bào ( mủ sắn ).Trong thành phần dịch bào có chứ polyphenol Tiếp theo là tế bào mô mềm, lớpnày ngoài dịch bào còn chứa khoảng 5% tinh bột Các polyphenol, enzyme vàlinamarin có tác dụng bảo về củ phát triển bình thường trước thu hoạch, nhưngkhi đã đào bới củ khỏi đất chúng lại gây trở ngại cho bảo quản và chế biến Tổngcác chất polyphenol trong sắn khoảng 1 – 0,3 %, trong đó có tới 85 – 90 % tậptrung ở vỏ cùi

Sau vỏ cùi là khe mủ là nơi lưu thông mủ giữa vỏ cùi và thịt củ Do tácdụng này nên liên kết giữa vỏ và thịt sắn không bền, dễ tách vỏ khỏi thịt sắn Lớptiếp nối là tầng sinh gỗ, với củ phát triển bình thường thì lớp này chỉ nhìn rõ khiluộc chín Tiếp theo tầng sinh gỗ là thịt sắn chứa nhiều tinh bột, protein và các

chất dầu Đây là phần dự trữ chủ yếu các chất dinh dưỡng của củ [1]

Lõi sắn nằm ở trung tâm của củ, dọc suốt chiều dài Thành phần của lõichủ yếu là Cellulose Lõi có chức năng dẫn nước và các chất dinh dưỡng giữacây và củ, đồng thời giúp thoát nước khi sấy hoặc khi phơi khô

b Thành phần hóa học

Củ sắn tươi có tỷ lệ chất khô 38 – 40 %, tinh bột 16 – 32 %, giàu vitamin

C, calcium, vitamin B và các chất khoáng, nghèo chất béo, muối khoáng Trong

củ sắn thì hàm lượng acid amin không được cân đối, thừa arginin nhưng lại thiếucác acid amin chứa lưu huỳnh Thành phần dinh dưỡng khác biệt tùy giống, vụtrồng, số tháng thu hoạch sau khi trồng và kỹ thuật phân tích

Thành phần Sắn khô

Tinh bột (% chất khô) 75 – 85Protein (% chất khô) 1,5 – 3,0Chất béo (% chất khô) 0,2Chất tro (% chất khô) 2,0 – 4,0Chất xơ (% chất khô) 3,4 – 4,0

1.3 Một số chế phẩm enzym được sử dụng để thủy phân tinh bột trong sản xuất cồn

1.3.1 Spezyme Xtra

Enzym Spezyme Xtra là chế phẩm enzym có chứa enzym α-amylaza bềnnhiệt với tính ổn định ở pH thấp, enzym này được chuyển hóa từ chủng vi sinh

vật biến đổi gen là Bacillus Licheniformis Enzym amylaza nội mạch trong

Spezyme Xtra thủy phân ngẫu nhiên liên kết α-1,4 glucozit để làm giảm nhanhchóng độ nhớt của tinh bột bị hồ hóa tạo ra các dextrin và oligosaccharit hòa tandưới các điều kiện khác nhau của quá trình Chế phẩm enzym này có nhiệt độ tối

ưu theo khuyến cáo là >85oC nhưng vẫn hoạt động tốt ở nhiệt độ 70-800C[17]

Spezyme Xtra cho phép làm giảm nhanh độ nhớt với hàm lượng chất khôcao hơn, hoạt động ở pH 5,0-6,7 (pHopt = 5,4), quá trình công nghệ mềm dẻo

1.3.2 Termamyl SC

Termamyl SC là chế phẩm enzym -amylaza rất bền nhiệt dạng lỏng, thu

được từ chủng vi khuẩn biến đổi gen Bacillus Sản phẩm của các quá trình này là

các dextrin, oligosaccharit và glucoza Kết quả giảm nhanh chóng độ nhớt dịchcháo, tạo điều kiện cho quá trình đường hóa tiếp theo Tuy nhiên, nhiệt độ tối ưucủa enzym này khá cao 90-950C Khi áp dụng trong quy trình sản xuất cồn hiện

nay, các nhà máy cồn thường dịch hóa nguyên liệu trong khoảng 30 phút ở

90-950C sau đó lại đun sôi toàn bộ dịch trong khoảng 30-60 phút [11]

Stargen cho phép thủy phân hạt tinh bột không cần quá trình hồ hóa vàdịch hóa ; giữ hoạt độ cao và tạo ra glucoza liên tục trong các điều kiện của quátrình đường hóa lên men đồng thời dưới sự trợ giúp của nấm men cho sản xuấtetanol; loại trừ sự cần thiết của các tác nhân như canxi hay muối natri nhằm làmtăng hoạt tính enzym

Sự hoạt động của enzym trên hạt tinh bột và sự thủng lỗ, các lỗ thủng cókích thước to dần với sự thoát ra liên tục của đường glucoza cho phép tiến hànhquá trình đường hóa lên men liên tục chuyển hóa đường thành rượu dưới các điềukiện của quá trình lên men bởi nấm men mà không cần cấp năng lượng cho quátrình nấu

Hình 1.1 Quá trình thủy phân tinh bột của ngô với chế phẩm enzym Stargen

Việc sử dụng enzym có khả năng thủy phân tinh bột sống như Stargen có

nhiều ưu điểm về mặt năng lượng nhưng cũng có nhược điểm đó là lượng enzym

cần thiết để thủy phân tinh bột sống lớn hơn nhiều so với lượng enzym cần để

thủy phân tinh bột hòa tan Trong những trường hợp này, chi phí cho enzym chỉ

đứng thứ hai sau chi phí cho nguyên liệu thô Dựa trên những cơ sở về chi phí, sự

giảm chi phí enzym cũng là cần thiết để duy trì lợi ích từ việc tiết kiệm năng

lượng của phương pháp thủy phân tinh bột sống

Khi sử dụng trong một quá trình sản xuất đã thiết kế tốt, chế phẩm này

cho năng suất cồn cao trên một đơn vị ngũ cốc, giảm năng lượng đầu vào trên

một đơn vị cồn, giảm các đơn vị vận hành (chẳng hạn như nấu, dịch hóa, hiệu

chỉnh pH và nhiệt độ dịch lên men), giảm các chi phí sản xuất cồn tổng số

1.3.3 Distillase ASP

Chế phẩm enzym Distillase ASP là một hỗn hợp các enzym được tạo ra

bằng quá trình lên men có kiểm soát các chủng vi sinh vật biến đổi gen là

Bacillus licheniformis và Trichoderma reesei Distillase ASP được thiết kế để tạo

ra đường glucoza từ dịch cháo đã dịch hóa để sản xuất cồn nhiên liệu Chế phẩm

enzym Distillase ASP chứa enzym amyloglucosidaza và enzym pullulanaza của

vi khuẩn Gluco-amylaza xúc tác giải phóng các đơn vị glucoza lần lượt từ đầu

không khử của các dextrin hòa tan bằng cách thủy phân cả liên kết mạch thẳng

(1,4-α-D) và liên kết mạch nhánh (1,6-α-D) glucozit trong khi đó enzym

pullulanaza chỉ thủy phân liên kết mạch nhánh (1,6-α-D) glucozit

Distillase ASP được sử dụng để đường hóa dịch bột đã qua quá trình dịchhóa từ các nguồn nguyên liệu giàu tinh bột Distillase ASP cho phép tăng tốc độquá trình lên men, tăng hiệu suất tạo cồn, hàm lượng đường sót thấp, cải thiệntrạng thái của quá trình đường hóa, ít tinh bột sót trong dịch dấm chín.

Đối với các quy trình công nghệ sử dụng quá trình đường hóa lên menđồng thời, enzym này có thể được bổ sung trực tiếp vào thiết bị lên men Thờiđiểm bổ sung là khi dịch đường sau dịch hóa được làm nguội đến 65-600C Nếu

bổ sung khi nhiệt độ cao trên 650C enzym có thể bị mất hoạt tính [26]

1.3.4 Dextrozyme GA (DGA)

Dextrozyme GA chứa enzym glucoamylaza thu nhận từ chủng Aspergillus

đã được biến đổi gen chế phẩm DGA hiện đang được sử dụng tại nhiều nhà máycồn của nước ta, enzym này được sử dụng kết hợp cùng Termamyl và cũng chohiệu suất lên men khá cao (>90%) [10]

1.4 Công nghệ sản xuất cồn truyền thống

Quy trình sản xuất cồn từ sắn tươi truyền thống được tiến hành theophương pháp gián đoạn từ các nguyên liệu chứa tinh bột hoặc đường Cácnguyên liệu chứa đường sẽ được xử lý sơ bộ rồi tiến hành lên men luôn Cácnguyên liệu chứa tinh bột phải được nghiền nhằm phá vỡ cấu trúc màng tế bàothực vật, tạo điều kiện giải phóng các hạt tinh bột khỏi các mô, tăng bề mặt tiếpxúc của nguyên liệu với nước, giúp quá trình dịch hóa và đường hóa diễn ranhanh hơn, thu được triệt để đường Sau đó nguyên liệu được hòa với nước theo

tỷ lệ nhất định, rồi qua quá trình dịch hóa, đường hóa để chuyển tinh bột thànhđường, sau đó mới tiến hành lên men được Quá trình đó gồm các công đoạn sau:

- Dịch hóa: trong các dạng nguyên liệu như gạo, ngô, khoai, sắn… hạt tinh

bột luôn nằm trong các màng tế bào Khi nghiền, chỉ một phần các màng đó bịphá vỡ, phần lớn màng tế bào còn lại sẽ ngăn cản sự tiếp xúc của các enzymeamylase với tinh bột Mặt khác, ở trạng thái không hòa tan, amylase tác dụng lêntinh bột rất chậm, và kém hiệu quả Vì vậy, mục đích của nấu nguyên liệu là

nhằm phá vỡ màng tế bào của tinh bột, tạo điều kiện biến chúng thành trạng tháihòa tan trong dịch.

- Đường hóa: sau khi dịch hóa xong, hạt tinh bột trong dịch cháo đã

chuyển sang trạng thái hòa tan, nhưng chưa thể lên men trực tiếp để biến thànhrượu được, mà phải trải qua quá trình thủy phân do xúc tác của enzymeglucoamylase để biến thành đường Quá trình này có vai trò quan trọng trongcông nghệ sản xuất cồn Etylic, bởi nó quyết định hiệu suất thu hồi rượu do giảmbớt hoặc gia tăng đường và tinh bột sót sau lên men

- Lên men: dưới tác dụng của nấm men, đường sẽ biến thành rượu và khí

cacbonic cùng với nhiều sản phẩm trung gian khác Lên men xong, thu được hỗnhợp gồm rượu - nước – bã, gọi là dịch dấm chín hay cơm hèm

- Chưng cất: là quá trình tách rượu và các tạp chất dễ bay hơi như rượu,

este, aldehyt, alcol cao phân tử… khỏi dấm chín Kết quả là nhận được rượu thôhay cồn thô Tinh chế hay tinh luyện là quá trình tách các tạp chất khỏi cồn thô

và nâng cao nồng độ cồn [1].

1.5 Công nghệ sản xuất cồn hiện nay ở một số nước trên thế giới

Quy trình sản xuất cồn hiện nay ở một số nước đã được cải tiến thông quaviệc sử dụng một số loại enzym mới cho phép thực hiện hiệu quả quá trình hồhóa và dịch hóa ở nhiệt độ thấp hơn thay vì hồ hóa và dịch hóa ở nhiệt độ sôitheo quy trình truyền thống Hơn nữa, công nghệ sản xuất cồn còn dựa trên việc

sử dụng các enzym đặc biệt cho phép thực hiện quá trình đường hóa trực tiếp màkhông cần qua quá trình nấu chín tinh bột Ưu điểm đó không những giúp giảmđược thời gian sản xuất, tiết kiệm năng lượng và chi phí cho thiết bị, giảm điđáng kể lượng nước dội nguội để hạ nhiệt độ xuống nhiệt độ đường hóa và lênmen, đồng thời tạo điều kiện để thực hiện được quá trình đường hóa và lên menđồng thời Như vậy trong một thiết bị có thể bổ sung vừa enzym đường hóa, vừanấm men, thời gian cho một chu kỳ đường hóa cũng như lên men giảm rõ rệt [18][19] [20]

Enzym có thể thủy phân tinh bột sống (không cần gia nhiệt) đã được biếtđến từ năm 1944 Tuy nhiên, chỉ có Nhật Bản sản xuất được enzym thương phẩm

để thủy phân tinh bột sống dùng trong sản xuất rượu Sake Một lý do quan trọnglàm hạn chế sự phát triển của các loại enzym này là giá thành quá đắt do phải sửdụng phương pháp lên men rắn Hiện nay, hãng Genecor đã nghiên cứu và pháttriển thành công loại enzym thủy phân tinh bột sống với giá thành hợp lý và cóhoạt độ cao nên có thể ứng dụng thủy phân tinh bột sống trong công nghệ sảnxuất etanol [21]

Hiện nay, quá trình thủy phân tinh bột ít gia nhiệt kết hợp với quá trìnhđường hóa và lên men đồng thời đã được áp dụng thành công trong sản xuất cồn

từ ngô[68] Nhóm tác giả đã sử dụng chế phẩm enzym thủy phân và đường hóatinh bột sống ít gia nhiệt chứa hỗn hợp α-amylaza và glucoamylaza để thủy phântinh bột ngô (chỉ ủ ở 480C trong 2 giờ), đường hóa và lên men đồng thời với nồng

độ cồn tạo ra tương đương với phương pháp truyền thống Ngoài ra phương phápđường hóa và lên men đồng thời cho phép giảm đáng kể hàm lượng glucoza cótrong dịch đường tại thời điểm bắt đầu quá trình lên men: chỉ còn 7% so với 19%khi sử dụng phương pháp đường hóa xong với thực hiện quá trình lên men Điềunày làm giảm ảnh hưởng áp suất thẩm thấu lên tế bào nấm men đồng thời cũnglàm giảm nguy cơ nhiễm tạp vi sinh vật trong công đoạn lên men

Theo một số nghiên cứu mới được công bố của hãng Genecor, một số chếphẩm enzym của hãng có thể được sử dụng để sản xuất cồn theo công nghệ tiếtkiệm năng lượng (ít gia nhiệt) đối với các nguyên liệu như gạo, ngô(Stargen001), mạch đen, lúa mỳ, đại mạch (Stargen002) [22]

Những nghiên cứu gần đây nhất của Xu và Duan [19] cho thấy có thể sửdụng thế hệ enzym mới để sản xuất cồn không cần gia nhiệt ở nồng độ chất khôcao một cách có hiệu quả đối với nguyên liệu bobo (sorghum) Nồng độ etanol cóthể đạt tới 20%v/v sau 90 giờ lên men có sử dụng nấm men khô thương phẩm vớidịch được chuẩn bị từ bobo có nồng độ chất khô ban đầu là 35%

Công nghệ sản xuất mới này có nhiều ưu điểm như : giảm được thời giansản xuất, tiết kiệm năng lượng và chi phí cho thiết bị, giảm đi đáng kể lượngnước dội nguội để hạ nhiệt độ xuống nhiệt độ đường hóa và lên men, đồng thờitạo điều kiện để thực hiện được quá trình đường hóa và lên men đồng thời Nhưvậy trong một thiết bị có thể bổ sung vừa enzym đường hóa, vừa nấm men, thờigian cho một chu kỳ đường hóa cũng như lên men giảm rõ rệt [18] [19] [20] Ngoài ra, công nghệ nấu ít gia nhiệt hoặc không gia nhiệt cho phép sảnxuất dịch đường lên men có nồng độ cao làm nâng cao năng suất Hơn nữa côngnghệ này còn làm nâng cao hiệu suất do giảm thiểu lượng đường khử và axitamin trong phản ứng tạo melanoidin hoặc phản ứng caramen hóa đường xảy rakhi nấu ở nhiệt độ cao Tuy nhiên do không có thiết bị nấu ở áp suất cao vàkhông gia nhiệt đến nhiệt độ hồ hóa, kích thước hạt tinh bột phải được nghiềnmịn hơn so với quy trình truyền thống [23] [24] [25] Công nghệ mới này chi phíenzym cao hơn và do không có quá trình nấu chín nên nguy cơ nhiễm tạp caohơn, tuy vậy có thể hạn chế nhiễm tạp bằng sử dụng các chất sát trùng và hạ pHthấp.

CHƯƠNG II NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1 Nguyên vật liệu

2.1.1 Sắn ( tinh bột )

Tinh bột sắn được sử dụng trong nghiên cứu là sắn nguyên liệu lấy

từ công ty rượu Đồng Xuân, Thanh Ba, Phú Thọ

2.1.2 Nấm men

Nấm men sử dụng trong quá trình nghiên cứu là nấm men khô thuộc chủng

Saccharomyces cerevisiae của công ty Mauripan La Ngà (sản xuất tại Việt Nam)

và Fermentis (sản xuất tại Pháp)

a b.

Hình 2.1 Chế phẩm nấm men: a chế phẩm nấm men La Ngà

b chế phẩm nấm men Fermentis

- Chế phẩm nấm men Mauripan La Ngà, thành phần men khô:

Saccharomyces cerevisiae, Emulsifier (E419).

- Chế phẩm nấm men Ethanol Red của hãng Fermentis có khả nănglên men và chịu được nồng độ cồn cao, chịu được độ cồn 18%v/v ở 350C,nhiệt độ lên men 30 – 400C

2.1.3 Enzyme

a Enzyme dịch hóa

- Chế phẩm enzym Spezyme alpha (Genencor) chứa enzym α-amylase chịu

nhiệt thu được từ vi khuẩn Bacillus licheniformis Chế phẩm dạng lỏng màu hổ

phách, hoạt động trong khoảng pH 5.2 – 5.9, nhiệt độ 70 – 880C [17].

b Enzym đường hóa

- Chế phẩm enzym Stargen 001(Genencor) chứa enzym Aspergillus kawachi α-amylase thu được từ Trichoderma reesei và glucoamylase từ Aspergillus niger Nhờ nhóm nội α-amylase và nhóm ngoại glucoamylase,

Stargen 001 có khả năng thủy phân hoàn toàn hạt tinh bột trong các điều kiện lênmen khác nhau Chế phẩm dạng lỏng, có màu nâu sậm, pH 3.0 – 4.5, nhiệt độ 20– 400C [14].

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1.Xác định độ ẩm nguyên liệu theo phương pháp sấy đến khối lượng không đổi

m

m

m 

x 100 (% m/m)trong đó:

m1: Khối lượng mẫu trước sấy (g)

m2: Khối lượng mẫu sau sấy (g)

2.2.2 Xác định pH

Đo pH bằng pH mét để bàn