Nghiên cứu hệ enzyme thủy phân tinh bột ở nhiệt độ thấp ứng dụng trong quá trình sản xuất cồn từ nguyên liệu giàu tinh bột

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Sản lượng cồn nhiên liệu của một số nước/vùng trên thế giới Bảng 1.2: Sản lượng cồn của một số nhà máy sản xuất cồn có sản lượng lớn Bảng 3.1: Thành phần nguy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Thị Mai Hiên

NGHIÊN CỨU HỆ ENZYME THỦY PHÂN TINH BỘT Ở NHIỆT ĐỘ THẤP

ỨNG DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CỒN

TỪ NGUYÊN LIỆU GIÀU TINH BỘT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Thị Mai Hiên

NGHIÊN CỨU HỆ ENZYME THỦY PHÂN TINH BỘT Ở NHIỆT ĐỘ THẤP

ỨNG DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CỒN

TỪ NGUYÊN LIỆU GIÀU TINH BỘT

Chuyên ngành: Vi Sinh Vật Học

Mã số: 60.42.0107

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CBHD: TS TRẦN THỊ THANH HUYỀN

Hà Nội - 2014

Lời cảm ơn

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Trần Thị Thanh Huyền, Bộ môn

Vi sinh vật học, Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ rất nhiều để tôi hoàn thành bản luận văn này

Tôi xin cảm ơn toàn thể cán bộ phòng thí nghiệm trung tâm Công ty Cổ phần Cồn Rượu Hà Nội, đặc biệt là Kĩ sư Công nghệ Nguyễn Thị Hà đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi khi nghiên cứu tại phòng thí nghiệm

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo đã dạy bảo tôi trong suốt những năm học vừa qua Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã ở bên tôi, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn

Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2014

Học viên

Nguyễn Thị Mai Hiên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 3

1.1 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT CỒN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 3

1.1.1 Tình hình sản xuất cồn trên thế giới 3

1.1.2 Tình hình sản xuất cồn ở Việt Nam 5

1.2 NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT CỒN 8

1.2.1 Nguyên liệu chứa đường 8

1.2.2 Nguyên liệu xenluloza 8

1.2.3 Nguyên liệu giàu tinh bột 9

1.3 SẢN XUẤT CỒN TỪ NGUYÊN LIỆU GIÀU TINH BỘT 14

1.3.1 Sản xuất cồn theo công nghệ truyền thống 14

1.3.1.1 Quá trình nghiền nguyên liệu 14

1.3.1.2 Quá trình nấu nguyên liệu 15

1.3.1.3 Quá trình thuỷ phân nguyên liệu 15

1.3.1.4 Quá trình lên men 16

1.3.1.5 Quá trình chưng cất và tinh chế 17

1.3.2 Một số tiến bộ trong sản xuất cồn từ nguyên liệu giàu tinh bột 17

1.4 CÁC ENZIM THỦY PHÂN TINH BỘT Ở NHIỆT ĐỘ KHÔNG CAO 19 1.4.1 Hệ enzim thuỷ phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường (Stargen 001) 19

1.4.2 Enzim thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ thấp 21

Chương 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.1 NGUYÊN LIỆU 23

2.1.1 Sắn 23

2.1.2 Gạo 23

2.1.3 Enzim 23

2.1.4 Nấm men 23

2.1.5 Hoá chất 24

2.1.6 Dụng cụ và thiết bị 24

2.2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 24

2.2.1 Xác định độ ẩm của nguyên liệu bằng phương pháp sấy 24

2.2.2 Xác định hàm lượng chất khô 25

2.2.3 Đo pH 25

2.2.4 Xác định hàm lượng đường khử theo phương pháp Graxianop 25

2.2.5 Xác định thành phần dịch đường 26

2.2.6 Xác định hàm lượng tinh bột theo phương pháp thủy phân bằng HCl 26

2.2.7 Xác định độ rượu trong giấm chín 27

2.3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT LÊN MEN 29

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31

3.1 THÀNH PHẦN NGUYÊN LIỆU 31

3.2 ỨNG DỤNG HỆ ENZIM THỦY PHÂN TINH BỘT SỐNG Ở NHIỆT ĐỘ THƯỜNG (Stargen 001) TRONG QÚA TRÌNH SẢN XUẤT CỒN TỪ GẠO… 31

3.2.1 Khảo sát quy trình công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Rượu Hà Nội.32 3.2.2 Động học quá trình thuỷ phân tinh bột gạo bởi enzim Stargen 001 34

3.2.3 Ứng dụng enzim Stargen 001trong quá trình đường hoá và lên men đồng thời 36

3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ enzim Stargen 001 đến quá trình đường hoá và lên men đồng thời 41 3.2.5 Ứng dụng hệ enzim thuỷ phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường (Stargen 001) trong quá trình sản xuất cồn từ sắn lát 43 3.2.6 Lợi ích của việc sử dụng hệ enzim thủy phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường……….43 3.3 ỨNG DỤNG ENZIM DỊCH HÓA Ở NHIỆT ĐỘ KHÔNG CAO TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CỒN TỪ SẮN LÁT 44

3.3.1 Khảo sát quy trình công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Rượu Đồng Xuân 44 3.3.2 Khảo sát quy trình sản xuất cồn từ sắn có sử dụng enzim dịch hóa ở nhiệt

độ không cao Spezyme Extra 46

3.3.2.1 Sản xuất cồn từ sắn lát sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra và enzim đường hoá Dextrozyme GA 46 3.3.2.2 Sản xuất cồn từ sắn lát sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra và enzim đường hoá Distillase L-400 50 3.3.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến quá trình thuỷ phân tinh bột của Spezyme Extra 53 3.3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ enzim Spezyme Extra đến quá trình dịch hóa 55

KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Sản lượng cồn nhiên liệu của một số nước/vùng trên thế giới

Bảng 1.2: Sản lượng cồn của một số nhà máy sản xuất cồn có sản lượng lớn

Bảng 3.1: Thành phần nguyên liệu

Bảng 3.2: Kết quả khảo sát công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Rượu Hà Nội Bảng 3.3: Ảnh hưởng của thời điểm bổ sung nấm men đến hiệu quả quá trình

đường hoá và lên men đồng thời

Bảng 3.4: Ảnh hưởng của nồng độ enzim Stargen 001 đến quá trình đường hoá và lên men đồng thời

Bảng 3.5: Kết quả khảo sát công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Rượu Đồng Xuân Bảng 3.6: Kết quả khảo sát công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim dịch hóa

Spezyme Extra và enzim đường hóa Dextrozyme GA

Bảng 3.7: Thông số công nghệ của quy trình sản xuất cồn từ sắn sử dụng Spezyme

Extra và Distillase L-400

Bảng 3.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian dịch hoá tới khả năng thuỷ phân

tinh bột của enzim Spezyme Extra

Bảng 3.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian dịch hoá đến hiệu quả quá trình thủy phân sắn lát bằng enzim Spezyme Extra và Dextrozyme GA

Bảng 3.10: Ảnh hưởng của nồng độ enzim Spezyme Extra đến quá trình dịch hóa

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sản lượng cồn của một số nước/vùng trên thế giới qua các năm

Hình 1.1 Diện tích và sản lượng sắn cả nước

Hình 1.2 Sản lượng sắn thế giới giai đoạn 2005-2010

Hình 1.3 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cồn theo phương pháp truyền thống Hinh 1.4 Phân bố tiêu thụ năng lượng trong quá trình sản xuất cồn từ tinh bột Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim thuỷ phân tinh bột ở nhiệt

độ thường (Stargen 001)

Hình 1.6 Hạt tinh bột gạo chưa hồ hóa bị thủy phân bởi amylaza

Hình 3.1 Sơ đồ sản xuất cồn từ gạo theo công nghệ của nhà máy Rượu Hà Nội Hình 3.2 Động học quá trình thuỷ phân tinh bột gạo bởi enzim Stargen 001

Hình 3.3 Sắc ký đồ dịch thuỷ phân bột gạo bởi enzim Stargen 001

Hình 3.4 Sắc ký đồ dịch thuỷ phân bột gạo bởi Termamyl SC và Dextrozyme GA Hình 3.5 Sơ đồ quy trình đường hóa và lên men đồng thời sử dụng enzim Stargen

001

Hình 3.6 và 3.7 Nấm men giai đoạn bắt đầu vào thùng lên men

Hình 3.8 và 3.9 Nấm men sau 16h

Hình 3.10 và 3.11 Nấm men 32h

Hình 3.12 Động học quá trình đường hoá lên men đồng thời sử dụng enzim

thủy phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường Stargen 001

Hình 3.13 Quy trình sản xuất cồn theo công nghệ của nhà máy Rượu Đồng Xuân Hình 3.14 Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra

và enzim đường hoá Dextrozyme GA

Hình 3.15 Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra

và enzim đường hoá Distillase L-400

Hình 3.16 Động học sinh CO2 trong quá trình lên men dịch thủy phân sử dụng các hệ enzim thủy phân khác nhau

MỞ ĐẦU

Ethyl alcohol (etylic) hay được gọi là cồn, có công thức hoá học là C2H5OH,

có vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp (như công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm…), nông nghiệp, y tế Cồn là nguyên liệu để pha chế nhiều loại đồ uống phổ biến ở nhiều nước; cồn còn được dùng để sản xuất nhiều loại hoá chất quan trọng như: axetaldehyt, axit axetic, các este, butanol, glycol, vinyl axetat [6]… Những năm gần đây sản xuất cồn được xem là hướng ưu tiên số một làm nhiên liệu để thay thế xăng ở các nước phát triển nhất là Brazil, Mỹ

và một số nước khác như Trung Quốc, Thái Lan…

Ngành công nghiệp sản xuất cồn đã có từ rất lâu đời Kể từ năm 1800 khi nhà máy sản xuất cồn đầu tiên ở Hà Lan được xây dựng [6], thì cho tới nay có hàng loạt nhà máy đã được xây dựng ở nhiều nước trên thế giới Tính đến năm 2006, tổng sản lượng cồn trên thế giới đã đạt tới con số 51 tỷ lít [25] Trên thế giới cồn được sản xuất theo hai con đường Thứ nhất là lên men truyền thống từ các nguyên liệu thô như rỉ đường (là phế phẩm của nhà máy sản xuất đường từ mía hay củ cải đường) hoặc thuỷ phân các nguyên liệu có chứa tinh bột như ngô, lúa mạch, gạo… hoặc từ sắn để thu lấy dịch đường rồi cho lên men và chưng cất Thứ hai là tổng hợp

từ etylen Xét về hiệu quả kinh tế thì phương án thứ hai có lợi thế hơn vì nguyên liệu rẻ tiền Nhưng xét về mặt chất lượng sản phẩm và khả năng đáp ứng về công suất sản xuất và trang thiết bị đơn giản thì phương pháp lên men từ gluxit chiếm ưu thế hơn nhiều Hiện nay trên thế giới 95% cồn được sản xuất theo phương pháp lên men, chỉ có 5% được sản xuất theo con đường tổng hợp hoá học [10]

Quá trình sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu có chứa tinh bột như gạo, ngô, khoai, sắn…là một trong các quá trình công nghệ đã được biết đến từ lâu và phát triển qua hàng thế kỷ Công nghệ này đặc biệt phát triển với các nước có sản lượng cây lương thực dồi dào như Brazil, Mỹ, Thái Lan, Trung Quốc…Việt Nam là nước nằm ở vùng nhiệt đới, rất thích hợp cho việc trồng các cây lương thực như lúa, ngô,

khoai, sắn…không chỉ đảm bảo nguồn lương thực trong nước mà Việt Nam còn là nước xuất khẩu gạo lớn thứ hai trên thế giới Còn đối với sắn, hàng năm nước ta cũng xuất khẩu một lượng khá lớn (1,2 triệu tấn/1 năm) [4] Tuy nhiên việc sử dụng gạo trong sản xuất cồn còn bị hạn chế bởi phải đảm bảo vấn đề an ninh lương thực quốc gia Cồn được sản xuất từ gạo chỉ sản xuất với mục đích chính là làm cồn thực phẩm và cồn y tế Tuy nhiên, với xu hướng sử dụng cồn làm nhiên liệu thay thế xăng dầu như hiện nay thì nhu cầu về cồn là rất lớn Do đó, việc sản xuất cồn từ sắn

là một hướng đi thích hợp và đang được chú trọng ở Việt Nam cũng như một số nước trên thế giới

Công nghiệp sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột đã trải qua hàng thế

kỷ Tuy nhiên các công đoạn chính trong sản xuất cồn thì không thay đổi, vẫn bao gồm các quá trình chuyển hoá tinh bột thành đường có khả năng lên men và quá trình lên men đường bởi nấm men Công nghệ sản xuất cồn cũng từng bước được cải tiến Trước đây, các nhà máy sản xuất cồn sử dụng quy trình nấu ở nhiệt độ và

áp suất cao gây tổn thất lớn và hiệu suất thấp Tiếp đó, giai đoạn thuỷ phân tinh bột khi nấu đã giúp quá trình nấu trở nên dễ dàng hơn và hiệu quả hơn Tuy nhiên, quá trình nấu vẫn phải tiến hành ở nhiệt độ cao và tiêu tốn nhiều năng lượng Với mong muốn giảm năng lượng tiêu tốn và giảm tổn thất trong quá trình nấu, tăng năng suất cồn, các nhà nghiên cứu đã nỗ lực phát triển để tạo ra một thế hệ enzim có khả năng thuỷ phân tinh bột ngay ở nhiệt độ thường sử dụng trong quá trình sản xuất cồn Các enzim mới này mới chỉ được sử dụng ở một số nước châu Âu trên một số nguyên liệu như ngô, gạo, lúa mì Tuy nhiên do đặc điểm khí hậu, đất đai tại mỗi quốc gia khác nhau nên cây trồng ở mỗi quốc gia cũng khác nhau Vì vậy, chúng tôi đã tiến

hành nghiên cứu đề tài:"Nghiên cứu hệ enzyme thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ thấp ứng dụng trong quá trình sản xuất cồn từ nguyên liệu giàu tinh bột"

Mục tiêu của đề tài đặt ra là khảo sát hoạt động của một số enzim thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ thấp của hãng Gennencor (Stargen 001, Spezyme Extra, Distillase) sử dụng trong quá trình sản xuất cồn từ gạo và sắn lát

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT CỒN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1.1.1 Tình hình sản xuất cồn trên thế giới

Cồn etylic có vai trò quan trọng trong nhiều ngành, là nguyên liệu để sản xuất hơn 150 loại sản phẩm khác nhau Có thể tóm tắt vị trí của cồn etylic trong các ngành công nghiệp như sau [6]:

 Quốc phòng: thuốc súng không khói và nhiên liệu hoả tiễn bom bay

 Y tế: sát trùng và pha chế thuốc

 Thực phẩm: rượu mùi, giấm

 Nông nghiệp: thuốc trừ sâu

 Dệt: thuốc nhuộm, tơ nhân tạo

 Chế biến gỗ: sơn, vecni

 Giao thông vận tải: làm nhiên liệu

 Công nghiệp nặng: công nghiệp cao su tổng hợp

 Công nghiệp hoá chất: dung môi hữu cơ

 Công nghiệp khác: đồ nhựa, keo dán, hương liệu…

Khi cuộc khủng hoảng năng lượng diễn ra gay gắt vào những năm của thập niên 70 (thế kỷ 20), người ta nghĩ ngay đến một nguồn cung cấp năng lượng khác

để thay thế dầu mỏ Nguồn đầu tiên người ta nghĩ đến là cồn etylic Cồn kỹ thuật là nhiên liệu cho ô tô và các động cơ rất ưu việt Đặc biệt trong những năm đầu thế kỷ

21, khi giá dầu thô ngày càng tăng cao thì cồn và nhiên liệu sinh học đã trở thành một trong những ưu tiên hàng đầu trong những định hướng chiến lược nghiên cứu

về năng lượng của nhiều quốc gia phát triển trên thế giới Braxin đã sử dụng cồn để pha vào xăng với tỷ lệ đến 20% dùng trong giao thông vận tải Tại Mỹ, luật pháp

của nhiều bang bắt buộc phải sử dụng cồn nhiên liệu pha vào xăng với tỷ lệ là 10%…[22] Vì vậy mà sản lượng cồn trên thế giới không ngừng tăng trong những năm đầu thế kỷ 21 Sản lượng cồn trên thế giới năm 2004 đạt gần 41 tỷ lít, năm

2005 đạt 45,7 tỷ lít, đến năm 2006 thì sản lượng cồn thế giới đã đạt tới con số 51 tỷ lít và đến năm 2013, theo thống kê con số này đã xấp xỉ 89 tỷ lít[32] Việc sản xuất cồn chủ yếu từ hai nước lớn là Braxin và Mỹ (chiếm 70% sản lượng cồn thế giới) Braxin luôn đứng đầu sản lượng cồn trên thế giới nhưng đến năm 2007, Mỹ đã vượt lên đứng đầu với sản lượng cồn đạt khoảng 246000 lít, Braxin đã tụt xuống vị trí thứ hai với sản lượng xấp xỉ 190000 lít Sản lượng cồn của một số nước trên thế giới được thể hiện ở bảng 1.1 và hình 1.1

Bảng 1.1: Sản lượng cồn nhiên liệu của một số nước/vùng trên thế giới[31]

Sản lượng cồn nhiên liệu của một số nước/vùng trên thế giới

(Million Gallons)

USA 6521.00 9309.00 10938.00 13298.00 13948.00 13300.00 13300.00 Brazil 5019.20 6472.20 6578.00 6921.54 5573.24 5577.00 6267.00 Europe 570.30 733.60 1040.00 1208.58 1167.64 1179.00 1371.00 China 486.00 501.90 542.00 541.55 554.76 555.00 696.00 Canada 211.30 237.70 291.00 356.63 462.30 449.00 523.00 Phần còn

lại của

thế giới

315.30 389.40 914.00 984.61 698.15 752.00 1272.00 Thế giới 13123.10 17406.10 20303.00 23310.91 22404.09 21812.00 22058.00

Hình 1.1 Sản lượng cồn của một số nước/vùng trên thế giới qua các năm[31]

Ở Châu Á ba nước sản xuất cồn lớn nhất là Trung Quốc, Ấn Độ và Thái Lan Sản lượng cồn của ba quốc gia trên tăng nhanh qua từng năm bởi chính phủ mỗi nước đều có những kế hoạch xây dựng và phát triển thêm nhiều nhà máy sản xuất cồn với năng suất cao Thái Lan và Indonesia là hai nước trong khu vực có sự phát triển ổn định về công nghiệp sản xuất cồn trong những năm vừa qua Cả hai nước này đều xuất khẩu cồn tới Nhật Bản Thái Lan là nhà xuất khẩu cồn lớn nhất trong khu vực với những trung tâm sản xuất cồn mới có tầm cỡ đang được xây dựng ở Thái Lan

1.1.2 Tình hình sản xuất cồn ở Việt Nam

Sản xuất cồn quy mô công nghiệp ở Việt Nam được bắt đầu từ năm 1898 do người Pháp thiết kế và xây dựng Trước năm 1945 ở nước ta có các nhà máy rượu

Hà Nội, Hải Dương, Nam Định, Bình Tây, Chợ Quán và Cái Rằng Tất cả các nhà máy đều sản xuất theo phương pháp amilo Sau ngày hoà bình lập lại (1955), các nhà máy không còn thiết bị nguyên vẹn nên chính phủ tập trung cải tạo, sửa chữa

thành nhà máy rượu Hà Nội với năng suất 6 triệu lít/năm, nhằm cung cấp chủ yếu cho nhu cầu uống cho nhân dân và một phần dành cho xuất khẩu sang các nước Đông Âu Kể từ đó đến nay, các công đoạn trong công nghiệp sản xuất cồn liên tục được đổi mới và hiện đại hoá nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm

Tuy nhiên, ở Việt Nam rượu etylic sản xuất hầu như chỉ phục vụ cho ngành công nghiệp thực phẩm, các ngành khác còn hạn chế Trong khoảng thời gian những năm cuối thế kỷ 20, sau khi các nước Đông Âu tan rã, công nghiệp sản xuất rượu cồn ở Việt Nam gặp không ít khó khăn do thị trường tiêu thụ bị thu hẹp Tuy nhiên đến những năm đầu thế kỷ 21, ngành công nghiệp sản xuất cồn lại được chính phủ chú trọng đầu tư cả về mặt vốn đầu tư và thiết bị, công nghệ tiên tiến hiện đại [3] Chính vì thế mà sản lượng cồn của các nhà máy sẽ ngày càng tăng cao Sản lượng cồn của một số nhà máy có công suất lớn ở Việt Nam hiện nay được thể hiện

ở bảng 1.2

Bảng 1.2: Sản lượng cồn của một số nhà máy sản xuất cồn có sản lượng lớn [22]

STT Đơn vị sản xuất

Công suất (triệu lít/năm)

Nguyên liệu

sử dụng

Khi nhà máy cồn số 2 của Công ty cổ phần đường mía Lam Sơn (Thanh Hóa) đi vào hoạt động đã bổ sung công suất khoảng 25 triệu lít/ năm Như vậy tính đến năm 2005 sản lượng cồn của Việt Nam đạt khoảng 50 triệu lít và cn số này đến năm 2012 đã vào khoảng 60 triệu lít

Sản lượng cồn của Việt Nam trong những năm tới cũng sẽ không ngừng tăng Do hiện nay ở Việt Nam việc nghiên cứu sản xuất cồn sinh học đã được đề cập và triển khai Ngày 20/11/2007, thay mặt thay mặt Thủ tướng Chính phủ, Phó Thủ tướng Chính phủ Hoàng Trung Hải đã ra Quyết định số 177/2007/QĐ-TTG phê duyệt "Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025" Mục tiêu chủ yếu của Đề án là phát triển nhiên liệu sinh học góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường Theo mục tiêu này đến giai đoạn 2011-

2015, nước ta làm chủ và sản xuất các vật liệu, chất phụ gia phục vụ sản xuất nhiên liệu sinh học; ứng dụng thành công công nghệ lên men hiện đại để đa dạng hóa các nguồn nguyên liệu cho quá trình chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu sinh học Đến năm 2015, sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn, đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước Và tầm nhìn đến năm 2025, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở nước ta đạt trình độ tiên tiến trên thế giới Sản lượng ethanol

và dầu thực vật đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước

Thêm vào đó, công ty cổ phần Dịch vụ du lịch Dầu khí (Petrosetco) đã ký với tập đoàn Itochu Nhật Bản nhằm tiến tới liên doanh đầu tư nhà máy sản xuất ethanol từ sắn công suất 100 triệu lít/năm tại khu công nghiệp Hiệp Phước, thành phố Hồ Chí Minh Đây là nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học ở quy mô công nghiệp đầu tiên tại Việt Nam Đến khi đi vào hoạt động thương mại nhà máy sẽ cung cấp một lượng lớn nhiên liệu sinh học cho các tỉnh thành của đất nước ta[23]

1.2 NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT CỒN

Nguyên liệu sản xuất cồn theo phương pháp lên men có thể chia ra thành ba dạng chính như sau [15]:

 Nguyên liệu chứa đường

 Nguyên liệu giàu tinh bột

 Nguyên liệu xenluloza

1.2.1 Nguyên liệu chứa đường

Các nguyên liệu chứa đường ở dạng đơn giản và có khả năng lên men trực tiếp (glucoza, fructoza, maltoza) như đường mía, củ cải đường, đường hoa quả, rỉ đường…Rỉ đường, thứ phẩm của công nghệ sản xuất đường là nguyên liệu chính cho ngành công nghiệp sản xuất cồn ở một số nước có ngành công nghiệp mía đường phát triển như Braxin, Cuba, Ấn Độ…Còn đối với nước ta, hàng năm các nhà máy đường thải ra một lượng mật rỉ lớn 360.000 – 600.000 tấn [6] Tuy nhiên lượng mật rỉ này không chỉ cung cấp cho các nhà máy sản xuất cồn mà còn là nguồn nguyên liệu chính cho các nhà máy sản xuất axít glutamic, sinh khối nấm men Ngoài ra, giá thành sản xuất cồn tại các nhà máy sản xuất từ rỉ đường cũng thường xuyên biến động Nhìn chung giá bình quân của cồn sản xuất từ mật rỉ là khá cao

Vả lại giá cồn còn phụ thuộc vào giá mật rỉ và chi phí nhiên vật liệu Do vậy với mục tiêu trong giai đoạn tới là sản xuất cồn với giá thành rẻ để pha vào xăng nhằm

hạ giá thành cho nhu cầu năng lượng của người dân thì rỉ đường chưa thực sự là nguồn nguyên liệu tối ưu cho quá trình sản xuất

1.2.2 Nguyên liệu xenluloza

Xenluloza là một nguồn nguyên liệu dồi dào và có tiềm năng lớn cho ngành sản xuất cồn Nguyên liệu xenluloza có khả năng tái tạo nhanh, giá rẻ và có thể tận dụng được nguồn phế thải của ngành nông nghiệp hay ngành chế biến nông sản thực phẩm Tuy nhiên nguyên liệu xenluloza được cấu trúc bởi các lớp xenluloza, hemixenluloza và lignin rất bền Vì vậy quá trình biến đổi xenluloza thành đường

có khả năng lên men là rất hạn chế, năng suất cồn vẫn còn thấp [17, 20] Do đó để xenluloza trở thành nguồn nguyên liệu chính cho quá trình sản xuất cồn thì cần có nhiều nghiên cứu kỹ lưỡng hơn

1.2.3 Nguyên liệu giàu tinh bột

Có rất nhiều nguyên liệu có hàm lượng tinh bột khá cao được ứng dụng trong quá trình sản xuất cồn như ngô, gạo, lúa mỳ, đại mạch, khoai tây, khoai lang Mỗi vùng mỗi quốc gia lại sử dụng loại nguyên liệu thích hợp cho quá trình sản xuất cồn như: khoai tây là một trong những nguyên liệu thích hợp nhất để sản xuất cồn ở các nước châu Âu; hay ngô lại là nguyên liệu chính cho ngành công nghiệp cồn của Mỹ, sắn là nguyên liệu chính cho ngành sản xuất cồn của Thái Lan Còn đối với Việt Nam nguyên liệu chính cho quá trình sản xuất cồn là sắn, gạo, một phần ngô và khoai

Ngô

Thuộc loại hoà thảo (Graminae), loại Zea, loài Zea Mays Ngô là loại nguyên liệu rất tốt dùng để sản xuất cồn ở nhiều nước trên thế giới, vì trong ngô lượng gluxit rất lớn gồm tinh bột (43,47-61,8%), đường (1,76-4,62%), dextrin và pectin (1,09-14,67%) Năng suất ngô ở nước ta vẫn còn thấp (38,7 tạ/ha); trong khi đó năng suất lúa là 49,8 tạ/ha, khoai 82 tạ/ha, sắn 160,7 tạ/ha [24] Hiện nay, ở Việt Nam ngô chủ yếu dùng để làm thức ăn gia súc, một phần dùng làm lương thực cho con người và sản xuất một số sản phẩm khác như sản xuất rượu từ ngô Tuy nhiên sản lượng rượu từ ngô còn rất hạn chế, chủ yếu để xuất khẩu Do vậy ở nước ta ngô không phải là nguyên liệu hàng đầu cho quá trình sản xuất cồn với sản lượng lớn

Gạo

Nước ta có hai vùng trồng lúa chính là đồng bằng sông Hồng ở phía bắc và đồng bằng sông Cửu Long ở miền Nam Hàng năm sản lượng của cả nước đạt 33 -

34 triệu tấn thóc Theo tính toán của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, năm

2007 sản lượng cả nước đạt khoảng 36 triệu tấn Việt Nam đã xuất khẩu 4,53 triệu tấn gạo, đạt hơn 1,4 tỷ USD, đứng hàng thứ hai trên thế giới [24] Tuy nhiên sản

lượng lúa gạo thường không ổn định, do nước ta thường xuyên phải đối đầu với thiên tai: lụt lội, hạn hán, sâu bệnh…Hơn thế nữa tiềm năng lúa gạo của nước ta không thể tăng được nữa Về lâu dài cũng đứng ở mức đó Diện tích nông nghiệp thì trong 5 năm qua giảm 340 ngàn ha Sắp tới do quá trình công nghiệp hoá, mở rộng đường giao thông thì tiếp tục mất thêm một số đất nông nghiệp nữa Về mặt dân số thì hằng năm tăng chừng một triệu người, nên vấn đề an ninh lương thực sẽ trở nên cấp thiết

Như vậy, mặc dù gạo là nguồn lương thực chính của nước ta nhưng hiện nay

ở nước ta, gạo vẫn được sử dụng làm nguyên liệu chính cho quá trình sản xuất cồn bởi cồn sản xuất từ gạo có nhiều ưu điểm nổi bật Cồn gạo thích hợp dùng trong ngành công nghiệp thực phẩm như dùng để sản xuất giấm, dùng để pha chế thành các loại rượu có chất lượng cao với đủ loại hương vị khác nhau…

Hạt tinh bột gạo có kích thước từ 2 – 10 µm, màu trắng đục và có dạng hình

đa giác Thành phần chủ yếu của gạo là tinh bột (70-80%), protein (8-12%), chất béo (0,4-0,6%), xenluloza (0,6-0,8%) Độ ẩm của gạo thường trong khoảng 11% [6] Tinh bột gạo gồm hai thành phần: amiloza chiếm từ 13 – 35%, amilopectin chiếm khoảng hơn 65% tuỳ thuộc vào từng loại gạo Nhiệt độ hồ hoá của tinh bột gạo nằm trong khoảng 70 – 80oC [5]

có năng suất cao và hàm lượng tinh bột lớn nên sản lượng và năng suất sắn ngày càng tăng cao, diện tích trồng sắn cũng ngày càng được mở rộng (Hình 1.2) Hiện tại, sản lượng sắn của Việt Nam đứng thứ mười trên thế giới, đứng thứ năm ở châu

Á

Hình 1.2 Diện tích và sản lượng sắn cả nước

Hình 1.3 Sản lượng sắn thế giới giai đoạn 2005-2010

Ứng dụng chính của sắn ở nước ta hiện này là làm nguyên liệu cho các nhà máy sản xuất tinh bột, làm sắn lát để xuất khẩu, làm thức ăn gia súc Do vậy giá thành không cao Nếu đưa vào chế biến thành nhiên liệu sinh học, chẳng những ổn định được thị trường mà còn góp phần cải thiện đáng kể giá cả Chẳng hạn giá xuất khẩu một tấn sắn lát hiện khoảng 110 đô la Mỹ và với 1,2 triệu tấn, hàng năm sản phẩm này chỉ mang lại cho Việt Nam 132 triệu đô la Mỹ Nhưng nếu sử dụng làm nguyên liệu sản xuất ra 480.000 tấn ethanol (2,5 tấn sắn lát sản xuất được một tấn ethanol) thì Việt Nam sẽ tiết kiệm được khoảng 330 triệu đô la Mỹ dùng để nhập xăng Ngoài ra, Việt Nam có thể sử dụng giống biến đổi gen cho năng suất cao để sản xuất nguyên liệu cho ngành nhiên liệu sinh học, qua đó giúp nâng cao thu nhập cho nông dân đặc biệt ở khu vực trung du và miền núi

Khả năng cạnh tranh của sắn với mía trong quá trình sản xuất cồn sẽ phụ thuộc rất nhiều vào giá thành Sắn là cây dễ trồng cho năng suất cao nên giá thành thu mua rẻ, nên về lâu dài sắn sẽ có vị thế cạnh tranh – nếu không nói là tốt hơn – như nguyên liệu cho nền kinh tế nhiên liệu cồn Hơn thế nữa sắn có khả năng bảo

quản dưới dạng lát khô đảm bảo cho hoạt động sản xuất nhà máy quanh năm Như vậy thực tế ở Việt Nam cho thấy nếu phát triển ngành sản xuất cồn làm nhiên liệu sinh học thì sắn sẽ là nguyên liệu có nhiều tiềm năng

Cấu tạo của củ sắn gồm bốn phần chính [5]:

 Vỏ gỗ chiếm từ 0,5-3% khối lượng củ Lớp vỏ củ có thể có màu trắng, vàng hoặc nâu Vỏ gỗ gồm các tế bào sít, cấu tạo từ xenluloza, hầu như không có tinh bột Vỏ gỗ có tác dụng bảo vệ củ khỏi bị ảnh hưởng của ngoại cảnh

 Vỏ cùi hay vỏ thịt, chiếm từ 8 – 10% khối lượng toàn củ Vỏ cùi gồm các tế bào thành dày, ngoài xenluloza là chính còn chứa 5 – 8% tinh bột Trong vỏ cùi có các sắn tố, độc tố, enzim…

 Thịt sắn, là thành phần chủ yếu của củ sắn, bao gồm các tế bào nhu mô thành mỏng Thành phần vỏ tế bào nhu mô là xenluloza, pentozan, bên trong là các hạt tinh bột và nguyên sinh chất Lượng tinh bột trong thịt sắn phân bố không đều, nhiều nhất ở lớp ngoài rồi giảm dần vào bên trong

 Ngoài các tế bào nhu mô còn có các tế bào thành cứng không chứa tinh bột, cấu tạo từ xenluloza nên cứng như gỗ Loại tế bào này có nhiều ở đầu cuống và ở các củ sắn lưu niên

Thành phần chủ yếu của sắn là tinh bột (65 – 70%), protein (1,75%), chất béo (0,9%), xenluloza (3,4%), chất tro (1,8%) Độ ẩm của sắn thường trong khoảng 14% [6] Hạt tinh bột sắn có kích thước từ 5 đến 40 µm với những hạt lớn 25-35

µm, hạt nhỏ 5-15 µm và nhiều hình dạng Hạt tinh bột có cấu trúc dạng xốp, liên kết giữa các phần tử trong cấu trúc phân tử yếu nên nó dễ bị phân hủy bởi các tác nhân như axit và enzim hơn so với các hạt tinh bột khác như ngô và gạo [5]

Tinh bột sắn có hai thành phần cấu tạo: amiloza chiếm 18 - 22%, amilopectin chiếm 78 - 80% Nhiệt độ bắt đầu hồ hoá của tinh bột sắn là 58oC, nhiệt độ hồ hoá

là 65oC và nhiệt độ hồ hoá hoàn toàn là 68oC Tinh bột sắn có màu trắng sáng, óng ánh khi nhìn dưới nắng Tinh bột bị hồ hoá biến thành màu nâu trong hơi ngả về

xám Tinh bột sắn không có mùi đặc trưng, khi hồ hoá dậy mùi đặc trưng dễ phân biệt với các loại tinh bột khác Khi hồ hoá, độ nhớt tăng rất nhanh, độ dính rất cao

so với tinh bột khoai và các loại củ khác [1]

1.3 SẢN XUẤT CỒN TỪ NGUYÊN LIỆU GIÀU TINH BỘT

1.3.1 Sản xuất cồn theo công nghệ truyền thống [6]

Công nghệ sản xuất cồn theo phương pháp truyền thống được thể hiện tóm tắt ở hình 1.4

Hình 1.4 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cồn theo phương pháp truyền thống

Theo sơ đồ sản xuất này, quy trình sản xuất cồn có thể chia thành các công đoạn chính: nghiền nguyên liệu, nấu và đường hoá, lên men, chưng cất

1.3.1.1 Quá trình nghiền nguyên liệu

Mục đích của quá trình nghiền nguyên liệu là làm nhỏ nguyên liệu để tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với nước, làm cho sự xâm nhập của nước vào trong các thành phần của nội nhũ nhanh hơn, thúc đẩy quá trình nấu, đường hoá và các quá trình thuỷ phân khác nhanh và triệt để hơn Trước đây, nguyên liệu đưa vào quá trình nấu thường để nguyên hạt hay lát to nên thời gian nấu, đường hoá kéo dài và

sự thuỷ phân các chất không triệt để Ngày nay, nguyên liệu được nghiền nhỏ với mức độ nghiền khác nhau rồi đưa vào nấu ở áp suất và nhiệt độ phù hợp nhằm biến tinh bột thành trạng thái hoà tan

1.3.1.2 Quá trình nấu nguyên liệu (quá trình 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 bị phá vỡ, phần lớn các màng tế bào còn lại sẽ ngăn cản sự tiếp xúc của enzim amylaza với tinh bột Mặt khác, ở trạng thái không hòa tan, amylaza tác dụng lên tinh bột rất chậm và kém hiệu quả Vì vậy, mục đích chủ yếu của quá trình nấu nguyên liệu là nhằm làm trương nở hạt tinh bột, sau đó phá vỡ màng tế bào của tinh bột tạo điều kiện để chúng biến thành dạng hoà tan trong dung dịch

1.3.1.3 Quá trình thuỷ phân nguyên liệu

Sau khi kết thúc quá trình nấu tinh bột trong dịch cháo đã chuyển sang trạng thái hoà tan nhưng chưa thể lên men được mà phải trải qua quá trình thuỷ phân tinh bột để biến thành đường có khả năng lên men Quá trình chuyển hoá tinh bột thành đường được gọi là quá trình đường hoá Quá trình này đóng vai trò vô cùng quan trọng trong công nghệ sản xuất cồn Nó quyết định đến phần lớn hiệu suất thu hồi cồn

Muốn đạt hiệu quả cao trong quá trình thuỷ phân tinh bột thì vấn đề quan trọng trước tiên là chọn tác nhân đường hoá Trước kia người ta thường sử dụng axit HCl hoặc axit H2SO4 để thuỷ phân tinh bột, nhưng hiện nay rất ít dùng vì giá thành cao

mà hiệu suất thu hồi cồn lại thấp Ở một số nước trên thế giới vẫn còn sử dụng amylaza của thóc mầm (malt đại mạch) để thuỷ phân tinh bột trong sản xuất cồn nhưng phần lớn hiện nay các nước đều dùng amylaza có nguồn gốc vi sinh vật Tiêu biểu là hai chế phẩm enzim dịch hóa Termamyl SC và enzim đường hóa Dextrozyme GA của hãng Novo Đan Mạch

Termamyl SC là chế phẩm amylaza dạng lỏng chịu được nhiệt độ cao được

sản xuất từ chủng vi khuẩn Bacillus licheniformis Termamyl SC là một

endo-amylaza có tác dụng thủy phân liên kết α-1,4 glucozit của amyloza và amylopectin Tinh bột dưới tác dụng của Termamyl SC nhanh chóng tạo thành dextrin và oligosaccarit tan trong nước, làm giảm độ nhớt của dịch bột đã được hồ hóa Chế phẩm Termamyl dễ hòa tan trong nước ở một nồng độ nhất định trong điều kiện thường Điều kiện tối ưu cho enzim Termamyl SC hoạt động là vùng pH = 5 - 7 và nhiệt độ tối ưu là 90 - 95oC

Dextrozyme GA là một enzim glucoamylaza được thu nhận từ chủng

Aspergillus đã được biến đổi gen Dextrozyme GA có dạng lỏng màu nâu, tỷ trọng

1,15 g/ml Dextrozyme GA có tác dụng thủy phân các nối liên kết α-1,4 và 1,6-D glucozit của tinh bột đã được dịch hóa Trong quá trình thủy phân enzim tách từng đơn vị glucoza từ đầu không khử của mạch tinh bột Điều kiện tối ưu cho enzim hoạt động là nhiệt độ 60 - 62oC và pH = 4,1 - 4,3

1.3.1.4 Quá trình lên men

Sau khi đường hoá xong, dịch đường được làm nguội tới 28 - 32oC và bơm vào thùng lên men (còn gọi là thùng ủ) Ở đây dưới tác dụng của nấm men, đường

sẽ được biến thành rượu và khí cacbonic cùng nhiều sản phẩm trung gian khác Lên men xong ta thu được hỗn hợp gồm rượu - nước – bã gọi là giấm chín Quá trình lên men có thể được chia thành ba giai đoạn chính: lên men sơ bộ, lên men chính và lên men phụ Trong giai đoạn đầu, thời gian kéo dài gần 60 giờ đặc trưng cho thời kỳ tiềm phát, lượng đường được lên men rất ít Giai đoạn hai kéo dài khoảng từ giờ thứ

60 đến giờ thứ 120, sinh trưởng của nấm men và lên men tăng nhanh, đạt tới cực đại

- đặc trưng cho thời kỳ lên men chính Giai đoạn ba đặc trưng cho lên men phụ kéo dài, tốc độ lên men rất chậm vì lượng đường trong dịch còn rất ít, các dextrin chưa kịp biến thành đường Trong quá trình lên men còn tạo ra một số sản phẩm phụ như một số axit hữu cơ (axit axêtic, axeton ), rượu bậc cao (alcol propylic, izopropylic ) và một số este

1.3.1.5 Quá trình chưng cất và tinh chế

Chưng cất là quá trình tách rượu và các tạp chất bay hơi ra khỏi dấm chín Giấm chín là sản phẩm sau quá trình lên men bao gồm: các chất dễ bay hơi như rượu, este và một số alcol có số nguyên tử cacbon lớn hơn 2 và một lượng nhỏ tinh bột, đường, dextrin…

Chất lượng của cồn thành phẩm phụ thuộc nhiều vào quá trình chưng cất và tinh chế Để loại được tạp chất đòi hỏi hệ thống phải có những tháp cất tốt

Quá trình tinh chế là quá trình tách các tạp chất khỏi cồn thô và nâng cao độ cồn Sản phẩm của cồn tinh chế có độ cồn trong khoảng 90 – 96% thể tích

1.3.2 Một số tiến bộ trong sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột

Quy trình sản xuất cồn theo phương pháp truyền thống vẫn được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới và Việt Nam Tuy nhiên phương pháp này vần có nhiều nhược điểm như:

 Nấu ở nhiệt độ cao nên gây tổn thất đường do tinh bột bị cháy và biến đổi thành đường không lên men được Ngoài ra, nấu ở nhiệt độ cao đòi hỏi những thiết

bị phức tạp gồm bộ phận cấp hơi, làm lạnh…Do đó sẽ tốn vật liệu chế tạo thiết bị

 Độ nhớt của dịch cháo trong quá trình nấu rất cao do vậy cánh khuấy phải hoạt động với cường độ cao

 Nồng độ đường trong dịch đường trước khi lên men cao nên nấm men phải chịu áp suất thẩm thấu cao, ảnh hưởng tới sự phát triển và khả năng lên men của nấm men dẫn đến hiệu suất lên men thấp

 Đặc biệt, quá trình nấu ở nhiệt độ cao tiêu tốn nhiều năng lượng: tiêu tốn khoảng từ 10-15% tổng lượng năng lượng trong toàn bộ quá trình sản xuất cồn (tuỳ thuộc vào nhiệt độ của quá trình nấu) (Hình 1.5) [11]

0 10 20 30 40 50 60 70

%

đường hoá

Lên men Chưng

cất Tinh chế

Hinh 1.5 Phân bố tiêu thụ năng lượng trong quá trình sản xuất cồn từ tinh bột

Qua biểu đồ đồ này chúng ta cũng nhận thấy rõ giai đoạn chưng cất tiêu tốn rất nhiều năng lượng, chiếm tới gần 70% năng lượng cung cấp cho toàn bộ quá trình sản xuất cồn Tuy nhiên công nghệ màng thấm-bay hơi (pervaporation) có thể tách được hơn 95% etanol trong quá trình lên men mà không cần tới quá trình chưng cất Việc tinh chế loại bỏ tạp chất để thu được cồn cao độ chỉ cần thực hiện ở nhiệt độ thường (30oC) Ngoài ra khi sử dụng màng thấm-bay hơi, cồn được tách ra liên tục trong quá trình lên men nên không gây ảnh hưởng của nồng độ cồn tới sự sinh trưởng và phát triển của nấm men [14] Đó là một cải tiến mới trong quá trình chưng cất còn trong quá trình lên men cũng có nhiều nghiên cứu đáng quan tâm Phương pháp cố định tế bào nấm men được ứng dụng khá phổ biến trên thế giới, các tế bào nấm men được nuôi cấy và được giam giữ trong một không gian phản ứng mà vẫn giữ được tính chất xúc tác của chúng và làm cho chúng được tái sử dụng nhiều lần hoặc liên tục để tạo ra sản phẩm Ngoài phương pháp này còn có một số phương pháp khác như: lên men liên tục tái sử dụng tế bào hay tái sử dụng tế

bào với hệ thống chân không Và hiện nay đang có một hướng nghiên cứu rất mới

lạ Đó là ứng dụng nấm men có hệ enzim thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ thường vào quá trình sản xuất cồn [19] Khi nghiên cứu thành công, quá trình sản xuất cồn sẽ trở nên vô cùng đơn giản và không cần tới các enzim thuỷ phân tinh bột Việc áp dụng hệ enzim thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ thấp đã mang lại khá nhiều thành công cho quá trình sản xuất cồn ở một số nước trên thế giới Đặc biệt khi sử dụng hệ enzim thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ thường quá trình sản xuất cồn chỉ còn thực hiện

ở 30oC, các thiết bị nấu đường hoá được loại bỏ (Hình1.6), quá trình sản xuất cồn thực hiện quá trình đường hoá lên men đồng thời, rút ngắn thời gian sản xuất

Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim thuỷ phân tinh bột ở nhiệt

1.4 CÁC ENZIM THỦY PHÂN TINH BỘT Ở NHIỆT ĐỘ KHÔNG CAO 1.4.1 Hệ enzim thuỷ phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường (Stargen 001)

Stargen 001 là một hỗn hợp α-amylaza và glucoamylaza được thu nhận từ

hai chủng nấm mốc Aspergillus kawachi và Aspergillus niger Hỗn hợp enzim có

pH tối ưu nằm trong khoảng 4,0 - 4,5 Chúng có khả năng thuỷ phân tinh bột chưa

hồ hoá ở nhiệt độ thường (30oC), giải phóng trực tiếp ra đường glucoza [26, 27]

Đã có khá nhiều nghiên cứu về khả năng thủy phân tinh bột sống của hệ

enzim amylaza như amylaza từ chủng Lactobacillus amylovorus có thể hấp thụ lên

bề mặt hạt tinh bột khoai tây và thủy phân chúng; hay amyloglucosidaza của

Aspergillus awamori cũng có khả năng hấp phụ trên bề mặt hạt tinh bột và cắt liên

kết nhánh; hay Aspergillus Spezyme Extra.K-27 sản xuất một hệ α-amylaza và GA ngoại bào tác dụng đồng thời lên tinh bột ngô và tinh bột khoai tây sống Khác với các enzim thủy phân tinh bột đã hồ hóa, enzim thủy phân tinh bột sống hoạt động theo cơ chế hấp phụ trên bề mặt hạt tinh bột và tấn công hạt tinh bột bằng cách tạo nhiều lỗ trên bề mặt hạt Tuy nhiên khả năng thủy phân tinh bột sống phụ thuộc vào nguồn tinh bột và enzim Sự liên kết giữa hai thành phần amylose, amylopectin và cấu trúc tinh thể là những yếu tố ảnh hưởng tới khả năng thủy phân tinh bột sống của amylaza Khi hàm lượng amyloza trong hạt tinh bột càng cao thì khả năng thuỷ phân tinh bột sống của amylaza càng kém [5, 18] Quan sát trên kính hiển vi điện tử

ta có thể thấy được một phần cơ chế tấn công và thủy phân hạt tinh bột gạo sống

(Hình 1.7) Glucoamylaza từ A niger tấn công hạt tinh bột theo diện rộng bằng cách tạo nhiều lỗ nhỏ, còn α-amylaza từ chủng nấm mốc A kawachi lại có xu hướng tạo

những lỗ lớn và sâu trên bề mặt hạt tinh bột Đặc biệt khi kết hợp cả hai enzim trên trong chế phẩm enzim Stargen 001 thì hiệu quả thủy phân tinh bột tốt hơn hẳn Hạt tinh bột bị “khoan” sâu và rộng hơn [27, 13]

Hiện nay chế phẩm thủy phân tinh bột sống (Stargen 001) của hãng Genencor đang được sử dụng rất rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất cồn của

Mỹ Chế phẩm này đã được ứng dụng rất thành công trên nguyên liệu gạo, lúa mỳ

và ngô Do vậy chúng tôi tiến hành khảo sát hoạt động của enzim Stargen 001 trong quá trình sản xuất cồn từ hai nguyên liệu chính của Việt Nam là gạo và sắn lát

1.4.2 Enzim thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ thấp

Enzim dịch hoá ở nhiệt độ không cao (Spezyme Extra) là một α-amilaza chịu

nhiệt có nguồn gốc từ vi khuẩn B licheniformic thuỷ phân hiệu quả liên kết α-1,4

glucozit thành các dextrin và oligosaccarit; do đó làm giảm độ nhớt của dịch bột một cách nhanh chóng Spezyme Extra có khả năng thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ 70

- 75oC [28]

Distillase L-400 là một glucoamylaza có nguồn gốc từ nấm mốc Distillase

có tác dụng thuỷ phân các nối kết α-1,4 và 1,6-D glucozit của tinh bột đã được dịch

A: α-amylaza từ chủng nấm mốc

A kawachi

B: glucoamylaza từA niger

A+B: hỗn hợp α-amylaza và glucoamylaza

hoá Điều kiện tối ưu cho enzim hoạt động là nhiệt độ 60-62oC và pH = 4,0 - 4,5 [29]

Hệ enzim nấu đường hoá này đã được ứng dụng trong quá trình sản xuất cồn

từ sắn của Thái Lan [11] Do vậy chúng tôi tiếp tục nghiên cứu hệ enzim vào quá trình sản xuất cồn từ sắn của Việt Nam

Chương 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Enzim sử dụng trong nghiên cứu bao gồm những enzim sau:

 Enzim dịch hoá: Termamyl SC – NOVO, Đan Mạch

Spezyme Extra – Genencor, Mỹ

 Enzim đường hoá: Dextrzyme GA – NOVO, Đan Mạch

 Chủng nấm men: Saccharomyces cerevisae

 Nhiệt độ tối ưu: 28 – 32oC

 Tế bào hình ôvan, sinh sản chủ yếu bằng phương pháp nảy chồi

2.1.5 Hoá chất

Các hoá chất sử dụng trong nghiên cứu là các hóa chất cơ bản (NaOH, H2SO4,

K3Fe(CN)6 ), có độ tinh khiết phân tích, có sẵn trong phòng thí nghiệm trung tâm của Công ty Cổ phần Cồn Rượu Hà Nội

2.1.6 Dụng cụ và thiết bị

 Các dụng cụ thường sử dụng trong phòng thí nghiệm: ống nghiệm, bình tam giác, pipet

 Chiết quang kế

 Máy đo pH cầm tay

 Máy đo cồn cầm tay, để bàn

2.2.1 Xác định độ ẩm của nguyên liệu bằng phương pháp sấy

Nguyên tắc: Tách ẩm ra khỏi nguyên liệu bằng cách sấy ở 100 – 105oC đến khối lượng không đổi

Cách tiến hành: Cân khoảng 5 gam bột đã nghiền nhỏ trong hộp nhôm đã biết trọng lượng Mở nắp và đặt hộp nhôm vào tủ sấy có nhiệt độ 105oC, sau 3 giờ sấy đậy nắp và làm nguội trong bình hút ẩm, sau đó cân lại, ghi số cân Sấy tiếp 30

– 60 phút Sau đó đem làm nguội và cân lại lần 2 Nếu sai số hai lần không quá 0,001g thì xem như quá trình tách nước kết thúc

Độ ẩm của nguyên liệu (%)được tính theo công thức:

1001

2 1

Trong đó:

m1 - khối lượng mẫu trước khi sấy (g);

m2 - khối lượng mẫu sau khi sấy (g)

2.2.2 Xác định hàm lượng chất khô

Xác định theo phương pháp hoá lý dùng chiết quang kế

2.2.3 Đo pH

Đo pH theo phương pháp hoá lý bằng pH meter

2.2.4 Xác định hàm lượng đường khử theo phương pháp Graxianop

Nguyên tắc: Đường khử khi đun nóng với dung dịch kiềm cùng với ferixyanua sẽ khử ferixyanua thành feroxyanua và đường khử chuyển thành axit đường Dùng xanh metylen xanh làm chất chỉ thị sẽ mất màu xanh khi phản ứng kết thúc Phản ứng chính như sau:

2K3Fe(CN)6 + 2KOH + CH2OH(CHOH)4CHO  t o 2K4Fe(CN)6 + 2H2O + COOH(CHOH)4COOH

Cách tiến hành: Dùng pipet lấy đúng 20 ml dung dịch ferixyanua kali cho vào bình tam giác 250 ml, thêm vào đó 5 ml dung dịch KOH 2,5N và 3 – 4 giọt metylen (nếu nồng độ dịch đường thấp hơn 0,25% thì lấy 10 ml ferixyanua kali và 2,5 ml dung dịch KOH) Lắc nhẹ và đặt trên bếp điện hoặc bếp ga, đun sao cho sau

1 – 2 phút thì sôi Tiếp đó dùng dung dịch đường loãng để chuẩn tới mất màu của xanh metylen Chú ý màu của hỗn hợp phản ứng sẽ thay đổi từ xanh sang phớt hồng

và cuối cùng là vàng da cam thì kết thúc

Hàm lượng đường có trong dịch pha loãng được tính như sau:

ml dịch đường chuẩn vừa xác định)

2.2.5 Xác định thành phần dịch đường bằng sắc ký lỏng cao áp

Xác định theo phương pháp hoá lý bằng máy sắc ký lỏng cao áp (Dionex Summit, Mỹ) Đường được phân tách bằng cột Aminex HPX-87P (Biorad, CA, Mỹ) Nhiệt độ cột phân tích là 80°C và pha động sử dụng là nước với vận tốc dòng 0,6 ml/phút Thời gian phân tích 1 mẫu là 20 phút và kết quả phân tích được xử lý trên phần mềm Chromelon (Dionex, Mỹ) [22]

2.2.6 Xác định hàm lượng tinh bột theo phương pháp thủy phân bằng HCl

Nguyên tắc: Thuỷ phân tinh bột thành đường trong dung dịch HCl 2% ở điều kiện đun sôi trong bình cách thuỷ trong thời gian 2 giờ Dịch đã thuỷ phân được làm nguội và trung hoà bằng NaOH với chỉ thị methyl da cam Hàm lượng đường trong dung dịch được xác định theo phương pháp xác định Graxianop

Cách tiến hành: Cân khoảng 2g bột rồi chuyển toàn bộ vào bình tam giác hoặc bình cầu có dung tích 250 ml Tiếp theo cho thêm 100 ml HCl 2% (100 ml nước cất cộng thêm 6 ml HCl 35%), đậy nút cao su và nối với ống sinh hàn khí Lắc