Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men từ dịch sắn có nồng độ đến chất khô cao trong sản xuất cồn ethanol

trường đại học bách khoa hà nội --- Nguyễn thuý hường nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men từ dịch sắn có nồng độ chất khô cao trong sản xuất cồn ethanol Ngành: côn

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

-

Nguyễn thuý hường

nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men từ dịch sắn có nồng độ chất khô cao trong sản xuất cồn ethanol

luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: công nghệ thực phẩm

trường đại học bách khoa hà nội

-

Nguyễn thuý hường

nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

lên men từ dịch sắn có nồng độ chất khô cao

trong sản xuất cồn ethanol

Ngành: công nghệ thực phẩm

luận văn thạc sĩ khoa học

Người hướng dẫn khoa học Pgs.ts nguyễn thanh hằng

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ Giáo dục và đào tạo, Viện đào tạo sau Đại học

- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Viện công nghệ Sinh học - Công nghệ thực

phẩm đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập và hoàn thành bản Luận

văn Thạc sỹ

Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn khoa

học PGS.TS Nguyễn Thanh Hằng vì sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình cho tôi trong

suốt quá trình thực hiện luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các cán bộ phòng

thí nghiệm Bộ Môn Công nghệ lên men đã hết sức tạo điều kiện về cơ sở vật chất,

trang thiết bị giúp tôi hoàn thành tốt tiến độ công việc của mình

Cuối cùng, tôi xin gửi tới gia đình, bạn bè và nhưng người thân tình cảm

chân thành nhất vì sự động viên, giúp đỡ tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành Luận

văn này

Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2011

Formatted: Font: 13 pt

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học mà bản thân tôi đã trực

tiếp thực hiện Tất cả các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực,

khách quan và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2011

Nguyễn Thuý Hường

Formatted: Font: 18 pt

Formatted: Font: 13 pt

TÓM TẮT

Nhu cầu sử dụng cồn như một nguồn năng lượng sạch ngày càng tăng cao

đặt ra cho ngành công nghiệp sản xuất cồn yêu cầu cải tiến công nghệ nhằm sản

xuất cồn có hiệu suất cao và chi phí thấp Lên men rượu ở nồng độ chất khô cao

trong sản xuất cồn là một trong những biện pháp nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất

cồn, tiết kiệm chi phí và giảm khả năng nhiễm tạp trong quá trình lên men

Nội dung của đề tài là nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên

men từ dịch sắn có nồng độ chất khô cao trong sản xuất cồn ethanol Kết quả nghiên

cứu đã thu được các điều kiện thích hợp cho quá trình dịch hóa trong điều kiện lên

men ở nồng độ chất khô cao là Enzyme dịch hóa (Spezym Extra) 0,030%; nhiệt độ

dịch hóa 70oC; thời gian dịch hóa 60 phút Điều kiện thích hợp cho quá trình đường

hóa và lên men ở nồng độ chất khô cao là Enzyme đường hóa (Stargen001) 0,3%;

nấm men 0,5 g/l; Ure bổ sung 1 g/l; thời gian lên men 72h

Formatted: Font: 13 pt

ABSTRACT

The need to use ethanol as a clean energy source has been increasing that

requires manufacturing industry to improve technology in production with high

efficiency and low cost Fermentation at very-high-Gravity in the ethanol

production is one of methods in order to improve the efficiency of this industry,

lower cost savings and reduce susceptibility to impurities in the fermentation

process

The content of the diploma thesis topic is study for effects of factors on

fermentation of very-high-Gravity cassava mashes in the alcohol production The

obtained result is that, The optimal condition of liquefaction on fermentation at

very-high-Gravity: Enzyme liquefaction (Spezym Extra) is at 0,030%, temperature

of liquefaction is at 70oC; liquefaction time is 60 minutes; The optimal condition of

saccharification and fermentation at very-high-Gravity: Enzyme saccharification

(Stargen001) is 0,3%; yeast adding dosage is 0,5 g/l; Urea adding dosage is 1 g/l;

fermentation time is 72h

Formatted: Font: 13 pt

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 10

1.1 Tình hình sản xuất Cồn trên thế giới và ở Việt Nam .10

1.2 Nguyên liệu chính để sản xuất cồn etylic .14

1.3 Giới thiệu về một số enzym sử dụng trong đề tài nghiên cứu 20

1.4 Công nghệ sản xuất Cồn 22

PHẦN II 33

NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33

2.1 Nguyên vật liệu nghiên cứu 33

2.2 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 34

2.3 Các phương pháp phân tích 34

2.4 Phương pháp công nghệ: 42

PHẦN III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46

3.1 Đánh giá phân tích chất lượng nguyên vật liệu sử dụng cho nghiên cứu 46

3.2 Khảo sát khả năng lên men dịch đường nồng độ chất khô cao 47

3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện dịch hoá trong điều kiện lên men nồng độ chất khô cao 49

3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao 4952 3.5 Đề xuất qui trình công nghệ sản xuất cồn………58

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 60

Formatted: Font: 13 pt Deleted: MỤC LỤC 4¶ MỞ ĐẦU 7¶ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 9¶ 1.1 Tình hình sản xuất Cồn trên thế giới và ở Việt Nam………9¶ 1.2 Nguyên liệu để sản xuất Cồn etylic từ sắn 12¶

1.3 Giới thiệu về một số enzym sử dụng trong đề tài nghiên cứu 19¶

1.4 Công nghệ sản xuất Cồn 22¶

PHẦN II NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34¶

2.1 Nguyên vật liệu nghiên cứu (chuyển phụ lục) 34¶

2.2 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 35¶ 2.3 Các phương pháp phân tích 35¶ 2.4 Phương pháp nghiên cứu 42¶ PHẦN III KẾT QUẢ VÀ THẢO

LUẬN 47¶

3.1 Phân tích chất lượng nguyên vật liệu

sử dụng cho nghiên cứu 47¶

3.2 Khảo sát nồng độ tinh bột khả quan 48¶

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện dịch hoá 50¶

3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện đường hoá và lên men đồng thời 53¶ 3.4 Đề xuất qui trình công nghệ sản xuất cồn 58¶

KẾT LUẬN 59¶

ĐỀ NGHỊ Error! Bookmark not

defined.¶

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61¶

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Chỉ tiêu sản lượng rượu của Việt Nam Trang 11

Bảng 1.2 Các dự án xây dựng Nhà máy ethanol nhiên liệu tại Việt

Nam

Trang 12

Bảng 1.3 Thành phần hoá học của củ sắn tươi - sắn lát khô Trang 16

Bảng 1.4 Diện tích, năng suất và sản lượng sắn Việt Nam

Bảng 1.5 Tính chất của Spezyme XTRA Trang 19

Bảng 1.6 Tính chất của Stargen 001 Trang 20

Bảng 2.1 Lượng cồn thu được theo nguyên liệu Trang 20

Bảng 3.2 Hoạt độ của một số emzym sử dụng trong nghiên cứu Trang 36

Bảng 3.3 Kết quả đếm mật độ tế bào nấm men Fermentis Trang 47

Bảng 3.4 Kết quả đếm mật độ tế bào nấm men Mauri – La Ngà Trang 47

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của nồng độ chất khô đến hiệu quả lên men Trang 48

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ dịch hoá đến hiệu quả lên men Trang 49

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của thời gian dịch hoá dến hiệu quả lên men Trang 50

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của nồng độ enzym Spezyme Trang 52

Bảng 3.9 Ảnh hưởng của nấm men đến hiệu quả lên men Trang 53

Bảng 3.10 Ảnh hưởng của nồng độ Stargen001 đến hiệu quả lên men Trang 54

Bảng 3.11 Ảnh hưởng của tỷ lệ men giống đến hiệu quả lên men Trang 55

Bảng 3.12 Ảnh hưởng của hàm lượng Ure bổ sung Trang 57

Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: 18 pt Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: 13 pt

Formatted: Font: 13 pt

Deleted: ¶

Deleted: Bảng 1.1: Chỉ tiêu sản lượng

rượu của Việt Nam 11¶

Bảng 1.2 Các dự án xây dựng Nhà máy ethanol nhiên liệu tại Việt Nam 12¶ Bảng 1.3 Thành phần hoá học của củ sắn tươi - sắn lát khô 16¶

Bảng 1.4 Diện tích, năng suất và sản lượng sắn Việt Nam (1999-2008) 19¶ Bảng 1.5 Tính chất của Spezyme XTRA 19¶

Bảng 1.6 Tính chất của Stargen 001 20

Hình 2.1 Chế phẩm nấm men La Ngà và Chế phẩm nấm men

Fermentis

Trang 35

Hình 2.2 Sơ đồ nghiên cứu Trang 45

Hình 3.1: Quy trình công nghệ sản xuất cồn Trang 50

Formatted: Font: 18 pt

Formatted: Font: 13 pt Formatted Table Formatted: Font: 13 pt

Formatted: Justified

Formatted: Font: 13 pt Formatted: Normal

Formatted: Font color: Auto

Formatted: Font: 13 pt Formatted: Normal

Formatted: Font color: Auto Formatted: Normal Deleted: ¶

Deleted: , ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU

Sự cạn kiệt dần của các nguồn năng lượng hóa thạch đòi hỏi thế giới phải

tìm kiếm thêm những nguồn năng lượng khác thay thế và có khả năng phục hồi

được

Nhiên liệu sinh học là các dạng nhiên liệu có nguồn gốc động thực vật

nhưng khác với các dạng nhiên liệu hóa thạch được hình thành do quá trình phân

hủy xác sinh vật trong hàng triệu năm Hiện nay trên thế giới phổ biến nhất là dầu

diesel sinh học và ethanol [7]

Vì thế, nhiên liệu sinh học là một trong những giải pháp ưu tiên trong chính

sách năng lượng của nhiều nước trên thế giới Giải pháp này không những giúp

giảm sự phụ thuộc vào xăng dầu nhập khẩu mà còn thúc đẩy sản xuất nông nghiệp,

giúp xoá đói giảm nghèo, tăng việc làm và tăng thêm sản phẩm hàng hoá cho xã

hội

Ở Việt Nam, ngày 20/11/2007, thủ tướng chính phủ đã ban hành quyết định

số 177/QĐ-TTg phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm

nhìn đến 2025” Mục tiêu tổng quát của đề án là phát triển nhiên liệu sinh học thay

thế một phần nhiên liệu hoá thạch truyền thống nhằm góp phần đảm bảo an ninh

năng lượng và bảo vệ môi trường [7]

Ngành sản xuất cồn đã có từ rất lâu, nhưng cho đến khi con người biết đến

tác dụng của nó thì ngành sản xuất cồn mới thực sự phát triển Cồn dùng pha chế

các loại rượu khác nhau, dùng chế biến các loại hương hoa quả, dung môi hoà tan

các hợp chất vô cơ và hữu cơ, dùng trong cao su tổng hợp, trong y dược dùng làm

chất sát trùng, sản xuất dược phẩm và chữa bệnh Đặc biệt Cồn có thể sử dụng dưới

dạng nguyên chất (E100) hoặc pha với xăng có nguồn gốc dầu mỏ ở bất kỳ tỷ lệ nào

để chạy động cơ xăng

Hiện nay, 47% cồn nhiên liệu trên thế giới được sản xuất từ mía đường và

53% được sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột Trong số những nguyên liệu ở Việt

Nam có tiềm năng sản xuất cồn thì sắn là nguyên liệu có nhiều ưu điểm: sắn dễ

trồng trên các loại đất khác nhau và trong điều kiện khí hậu khác nhau, giá thành chi

Formatted: Font: 18 pt Formatted: Font: 13 pt

Deleted: Bảng 3.1 Độ ẩm và hàm lượn

tinh bột của bột sắn Đồng Xuân 41¶ Bảng 3.2 Hoạt độ của một số emzym sử dụng trong nghiên cứu 41¶ Bảng 3.3 Kết quả đếm mật độ tế bào nấm men Fermentis 42¶

Bảng 3.4 Kết quả đếm mật độ tế bào nấm men Mauri – La Ngà 42¶

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của nồng độ chất khô đến hiệu quả lên men 43¶ Bảng 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ dịch hoá đến hiệu quả lên men 44¶ Bảng 3.6 Ảnh hưởng của thời gian dịch hoá dến hiệu quả lên men 45¶ Bảng 3.7 Ảnh hưởng của nồng độ enzym Spezyme 46¶

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của nấm men đến hiệu quả lên men 47¶

Bảng 3.9 Ảnh hưởng của nồng độ Stargen001 đến hiệu quả lên men 48¶ Bảng 3.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ men giống đến hiệu quả lên men 49¶ Bảng 3.11 Ảnh hưởng của hàm lượng Ure

bổ sung 50¶

¶

phí để trồng sắn thấp, nguyên liệu sắn sẵn có quanh năm dưới dạng sắn củ tươi hoặc sắn lát khô, hàm lượng tinh bột cao, giá thành sản xuất cồn cạnh tranh so với các nguồn nguyên liệu khác

Bên cạnh tiềm năng về nguồn nguyên liệu, nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế trong sản xuất cồn người ta nghiên cứu nâng cao hàm lượng chất khô dịch lên men trong quá trình sản xuất cồn Nâng cao hàm lượng chất khô trong quá trình đường hóa và lên men đồng thời trong sản xuất Cồn giúp tăng năng suất thiết bị đường hóa

và lên men, giảm năng lượng tiêu tốn cho quá trình chưng cất và giảm tổn thất rượu trong bã rượu cũng như trong nước thải làm tăng hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất Đây là một giải pháp công nghệ rất đáng được xem xét, nghiên cứu và kiểm chứng trước khi vào sản xuất với quy mô lớn Chính vì vậy, chúng tôi tiến hành

nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men từ dịch sắn có nồng độ chất khô cao trong sản xuất cồn ethanol”

Mục đích của đề tài:

Đưa ra qui trình công nghệ sản xuất cồn từ dịch sắn có nồng độ chất khô cao

Nội dung nghiên cứu của đề tài:

1 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình dịch hóa đến quá trình lên men

ở nồng độ chất khô cao

2 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình đường hóa và lên men đồng thời

ở nồng độ chất khô cao đến hiệu suất lên men

C HƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Tình hình sản xuất Cồn trên thế giới và ở Việt Nam

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

Nhu cầu cho ethanol đang tăng lên nhanh chóng trên thế giới do giá dầu tăng

cao và sự khuyến khích sử dụng biofuel Nhu cầu của các nước Châu Á dường như

cũng tăng lên, với Nhật bản và Hàn quốc sẽ trở thành những nhà nhập khẩu lớn Mỹ

và Brazil thống trị việc sản xuất ethanol và tiêu thụ chúng với các kế hoạch mở rộng

sản xuất và đầu tư thiết bị tinh lọc

Năm 2003 toàn thế giới đã sản xuất được 38,5 tỷ lít cồn (châu Mỹ chiếm

70%, châu Á 17% và châu Âu 10%), trong đó 70% được dùng làm nhiên liệu, 30%

được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, y tế, hoá chất Đến năm 2007 lượng

cồn sản xuất được đã tăng lên 56 tỷ lít, trong đó tỷ lệ sử dụng làm nhiên liệu tăng

lên 75% Năm 2009, lượng cồn trên thế giới khoảng 66 tỷ lít Dự báo đến năm 2012

(khi nghị đinh thư Kyoto có hiệu lực), lượng cồn trên thế giới sẽ tăng lên 73,9 tỷ lít

và tỷ lệ sử dụng làm nhiên liệu sẽ tăng lên 85%

Braxin, Mỹ là 2 quốc gia đứng đầu trên thế giới về sản xuất và sử dụng cồn

nhiên liệu, chiếm 70% tổng sản lượng cồn thế giới

Những năm 70, Braxin bắt đầu phát triển nhiên liệu cồn để tận dụng triệt để

nguồn tài nguyên nông nghiệp quốc gia, đặc biệt là ưu thế của cây mía, họ đã coi

cây mía là nguồn nguyên liệu chính của kế hoạch phát triển cồn nhiên liệu Sau gần

30 năm nghiên cứu và ứng dụng cồn làm nhiên liệu thay thế xăng dầu, Braxin

không những trở thành quốc gia sản xuất cồn lớn nhất thế giới, mà còn là nước nắm

vững nhất kỹ thuật sản xuất cồn nhiên liệu, Sau 10 năm được chính phủ Braxin đề

xướng và ủng hộ, ngành công nghiệp cồn đã trở thành một ngành sản xuất hết sức

thịnh vượng

Formatted: Font: 18 pt Formatted: Font: 13 pt Deleted: C

Trong cuộc khủng hoảng năng lượng đầu thập kỷ 70 của thế kỷ 20, các nhà máy sản xuất cồn được chính phủ Mỹ trợ cấp và xăng pha cồn được dùng khá phổ biến trên thị trường Sang thập kỷ 80, giá dầu lại giảm mạnh làm cho giá cồn cao hơn giá xăng nên một lần nữa nhiên liệu này lại bị đẩy lùi Từ năm 1990 đến nay,

do giá dầu tăng liên tục trở lại nên cồn lại được đưa vào chương trình an ninh lương thực Mỹ Nước Mỹ có đất đai và khí hậu thuận lợi để sản xuất một lượng lớn cồn nhiên liệu từ cây ngô, góp phần hữu hiệu vào việc giảm nhẹ sự phụ thuộc ngày càng lớn vào dầu nhập khẩu [7]

Công nghiệp sản xuất cồn nhiên liệu cũng đang phát triển mạnh mẽ ở các nước châu Âu Với mục tiêu giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch, EU đặt mục tiêu đến năm 2010 các loại nhiên liệu sinh học sẽ chiếm 5,7% tổng mức tiêu thụ nhiên liệu trong giao thông vận tải [7]

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

Chính phủ Trung Quốc đang tăng cường hỗ trợ cho năng lượng sinh học và hoạt động sản xuất cồn Trong kế hoạch năm 2006 - 2010 chính phủ đạt mục tiêu sản xuất 6 triệu tấn Cồn [7]

Gần Việt Nam nhất là Thái Lan, một nước đã có chính sách sản xuất nhiên liệu sinh học từ 10 năm nay Từ năm 2002, Thái Lan đã xây dựng thêm 4 nhà máy sản xuất cồn nhằm giảm chi phí nhập khẩu xăng dầu Năm 2004, Thái Lan đã sản xuất trên 280.000 m3 cồn, đầu tư thêm 20 nhà máy để năm 2015 có trên 2,5 tỷ lít cồn dùng làm nhiên liệu [6]

1.1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn ở Việt Nam

Với nền tảng của một quốc gia có nền sản xuất nông nghiệp, các sản phẩm ngũ cốc dồi dào, phong phú đã tạo nên sự đa dạng trong nguồn nguyên liệu cung cấp cho ngành sản xuất rượu cồn

Theo thống kê năm 2007 ở Việt Nam có khoảng 328 cơ sở sản xuất rượu lớn với sản lượng 360 triệu lít/năm, 320 cơ sở sản xuất nhỏ với sản lượng dưới 1 triệu lít/năm, hộ gia đình tự sản xuất ước tính khoảng 250 triệu lít/năm

Theo khảo sát của Bộ Công Thương, hết quý I-2009, rượu tăng 16% so với cùng kỳ năm 2008 Cho đến năm 2010 chính phủ vẫn định hướng chỉ đạo việc tiếp tục gia tăng sản lượng rượu bia do nhiều thành phần kinh tế tham gia sản xuất, chỉ hạn chế dần lượng rượu dân tự nấu

Dự báo mức tiêu thụ rượu bia ở nước ta trong thời gian sắp tới vẫn tiếp tục gia tăng Trong những năm vừa qua, bình quân 1 năm mức tiêu thụ rượu bia tăng từ 8-10% Các chỉ tiêu sản lượng rượu bia được xác định trong quy hoạch tổng thể phát triển ngành rượu bia, nước giải khát Việt Nam (bảng 1.1)

Bảng 1.1: Chỉ tiêu sản lượng rượu của Việt Nam (Đơn vị: Triệu lít)

(Nguồn: Quyết định số 58/2003/QĐ-TTg sửa đổi bổ sung Quy hoạch tổng thể phát triển ngành Bia-Rượu-Nước giải khát Việt Nam đến năm 2010)

Như vậy cho đến năm 2010; Chính phủ vẫn định hướng chỉ đạo việc tiếp tục gia tăng sản lượng rượu bia do nhiều thành phần kinh tế tham gia sản xuất, chỉ hạn chế dần lượng rượu tự nấu trong cộng đồng

Ngoài ra, để thúc đẩy ngành sản xuất nhiên liệu sinh học phát triển, Thủ tướng Chính phủ ngày 20/11/2007 đã ra quyết định phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” với mục đích thay thế một phần nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng

và bảo vệ môi trường [7]

Nhận thức được tiềm năng thị trường Việt Nam, một số doanh nghiệp trong nước đã tiến hành đầu tư xây dựng các nhà máy ethanol tại các địa phương có nhiều nguyên liệu Một số công ty nước ngoài đến từ Anh, Hàn Quốc, Nhật Bản và Trung Quốc cũng đang đẩy mạnh việc tìm kiếm đối tác đầu tư trong nước [7]

Bảng 1.2 Các dự án xây dựng Nhà máy ethanol nhiên liệu tại Việt Nam

Tên nhà máy Công suất Ngày hoạt

động dự kiến Chủ đầu tư Nhà máy Đại Lộc -

Quảng Ninh

100 triệu lít/năm 03/2009 Công ty Đồng Xanh Nhà máy Cu - Dút

Đắc Nông

50 triệu lít/năm 12/2008 Công ty Đại Việt Nhà máy Tam Nông

Phú Thọ

100 triệu lít/năm 06/2011 Công ty PVB thuộc PVO

Nhà máy Dung Quất 100 triệu

lít/năm 07/2011

Petrosetco, NMLD Bình Sơn thuộc PetroVN

Nhà máy Bình Phước 100 triệu

lai ở Việt Nam.Các nhà máy ethanol của Tập đoàn sử dụng công nghệ tiên tiến của

Mỹ và Ấn độ Các công nghệ này đã được thực tế kiểm chứng mức độ thành công

và hiệu quả tại Thái Lan [7]

1.2 Nguyên liệu chính để sản xuất cồn etylic

Việt Nam là nước nông nghiệp nên những nguồn nguyên liệu chứa tinh bột

có sẵn và được phân bố rộng rãi khắp cả nước Nguyên liệu chủ yếu mà các nhà máy rượu cồn ở nước ta thường dùng là sắn do đó, trong đề tài này, chúng tôi dùng nguồn nguyên liệu bột sắn khô để nghiên cứu

1.2.1 Giới thiệu về củ sắn

1.2.1.1 Nguồn gốc của sắn

Sắn (Manihot esculenta Crantz) là cây lương thực ăn củ hàng năm, có thể

sống lâu năm, thuộc họ thầu dầu Euphorbiaceae [3]

Cây sắn có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới của châu Mỹ La tinh (Crantz, 1976)

và được trồng cách đây khoảng 5.000 năm (CIAT, 1993) Bằng chứng về nguồn gốc sắn trồng là những di tích khảo cổ ở Venezuela niên đại 2.700 năm trước Công nguyên, di vật thể hiện củ sắn ở vùng biển Peru khoảng 2000 năm trước Công nguyên, những lò nướng bánh sắn trong phức hệ Malabo ở phía Bắc Colombia niên đại khoảng 1.200 năm trước Công nguyên, những hạt tinh bột trong phân hoá thạch được phát hiện tại Mexico có tuổi từ năm 900 đến năm 200 trước Công nguyên (Rogers 1963, 1965) [3]

Sắn được trồng vào hai vụ trong năm:

Vụ Xuân: Cuối tháng 1 đến hết tháng 3

Vụ Thu: Tháng 9 – tháng 10

1.2.1.2 Cấu tạo của củ sắn

Củ sắn gồm ba phần chính: vỏ, thịt củ và lõi; ngoài ra còn có cuống và rễ củ

Vỏ gồm vỏ gỗ và vỏ cùi Vỏ gỗ cấu tạo chủ yếu xenluloza, có tác dụng bảo

vệ củ khỏi tác động bên ngoài; đồng thời hạn chế mất nước của củ Bản thân vỏ

cứng nhưng liên kết không bền với vỏ cùi, do đó rễ mất khi thu hoạch và vận chuyển Tỷ lệ vỏ gỗ phụ thuộc giống sắn, độ già và khối lượng củ - thường vào khoảng 1,5 đến 2% [11]

Vỏ cùi dày khoảng 1 đến 3 mm và chiếm 8 - 15% khối lượng củ Vỏ cùi gồm lớp tế bào mô cứng phủ ngoài Thành phần lớp này cũng chủ yếu là xenluloza, hầu như không chứa tinh bột nhưng chứa nhiều dịch bào (mủ sắn) Trong thành phần dịch bào có chứa các polyphenol Tiếp theo là lớp tế bào mô mềm, lớp này ngoài dịch bào còn chứa khoảng 5% tinh bột Các polyphenol, enzim và linamarin có tác dụng bảo vệ củ phát triển bình thường trước thu hoạch, nhưng khi đã đào bới củ khỏi đất chúng lại gây trở ngại cho bảo quản và chế biến Tổng lượng các chất polyphenol trong sắn khoảng 0,1 đến 0,3%, trong đó có tới 85-90% tập trung ở vỏ cùi [11]

Sau vỏ cùi là khe mủ - nơi lưu thông mủ giữa vỏ cùi và thịt củ Do tác dụng này nên liên kết giữa vỏ với thịt sắn không bền, dễ tách vỏ khỏi thịt sắn Lớp tiếp nối là tầng sinh gỗ, với củ phát triển bình thường thì lớp này chỉ nhìn rõ khi luộc 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 [11]

Lõi sắn nằm ở trung tâm củ, dọc suốt chiều dài Thành phần lõi chủ yếu là xenluloza Lõi có chức năng dẫn nước và các chất dinh dưỡng giữa cây và củ, đồng thời giúp thoát nước khi sấy hoặc phơi khô [11]

Hình 1.1 Cấu tạo của

củ sắn

Hình 1.2 Một số hình ảnh về củ sắn

1.2.1.3 Thành phần hoá học của sắn

Củ sắn tươi có tỷ lệ chất khô 38-40%, tinh bột 16-32%, giàu vitamin C, Calcium, VitaminB và các chất khoáng, nghèo chất béo, muối khoáng, vitamin và nghèo đạm Trong củ sắn, hàm lượng các acid amin không được cân đối, thừa arginin nhưng lại thiếu các acid amin chứa lưu huỳnh Thành phần dinh dưỡng khác biệt tuỳ giống, vụ trồng, số tháng thu hoạch sau khi trồng và kỹ thuật phân tích [11]

Bảng 1.3 Thành phần hoá học của củ sắn tươi - sắn lát khô

1.2.1.5 Đặc tính của tinh bột sắn

Tinh bột sắn có màu sáng trắng, có pH từ 4,5 đến 6,5 Hạt tinh bột sắn có kích thước 5- 40 µm, chủ yếu là hình tròn, có bề mặt nhẵn Hàm lượng amilopectin trong tinh bột sắn tương đối cao, chiếm 78- 80% Tinh bột sắn có độ nở, khả năng

hồ hoá và độ nhớt cao Nhiệt độ hồ hoá của tinh bột sắn 58 - 80oC Độ nhớt dung

dịch tinh bột sắn tăng nhanh và có độ dính cao so với tinh bột từ nguồn khác

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

I.2.2.1 Sản xuất và tiêu thụ sắn trên thế giới

Sắn hiện được trồng trên 100 nước có khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới Tổ chức Nông lương thế giới (FAO) xếp sắn là cây lương thực quan trọng ở các nước đang phát triển sau lúa gạo, ngô và lúa mì

Đặc biệt trong thời gian tới, sắn là nguyên liệu chính cho công nghiệp chế biến nhiên liệu sinh học (ethanol)

Năm 2008, sản lượng sắn thế giới đạt 238,45 triệu tấn củ tươi so với 223,75 triệu tấn năm 2007 và năm 1995 là 161,79 triệu tấn Nước sản xuất sắn nhiều nhất là Nigeria (45,72 triệu tấn), kế đến là Thái Lan (22,58 triệu tấn) và Indonesia (19,92 triệu tấn) Nước có năng suất sắn cao nhất là Ấn Độ (31,43 tấn/ha), kế đến là Thái Lan (21,09 tấn/ha), so với năng suất sắn bình quân của thế giới là 12,87 tấn/ha (FAO, 2008) Việt Nam đứng thứ mười về sản lượng sắn trên thế giới (9,38 triệu tấn) [7]

Sản lượng sắn củ của Nigeria và 6 nước châu Phi khác năm 2008 tăng 30%

Có được kết quả này là nhờ dự án tài trợ 5,3 triệu USD của Quỹ Phát triển Quốc tế của Mỹ, có thời hạn 2 năm Nigeria là nước sản xuất sắn củ lớn nhất thế giới, với sản lượng hàng năm đạt 38 triệu tấn Năng suất sắn của 7 nước nói trên hiện nay vào khoảng 7-12 tấn/hécta, sẽ tăng lên 12-30 tấn sau khi dự án trên kết thúc [7]

Là nước sản xuất ethanol lớn thứ ba trên thế giới, sau Mỹ và Bra-xin, nhiều địa phương của Trung Quốc đã bắt buộc sử dụng ethanol-blended xăng trong xe hơi Trung Quốc đã xây dựng nhiều nhà máy chế biến nhiên liệu sinh học trên cả

nước, đặc biệt là khu vực Quảng Tây, nơi chiếm 70% sản lượng sắn của cả nước,

đạt 7 triệu tấn/năm Trong đó lớn nhất là Nhà máy của China Oil and Food

Corporation (COFCO) tiêu thụ 1,5 triệu tấn sắn/năm

Đồng thời, Chính phủ Trung Quốc cũng liên kết với các nước Lào, Nigieria,

Philippin để trồng sắn tại các nước này, như kế hoạch trồng 4.498 ha tại Lào, trồng

4.500 ha tại Philippin nhằm tăng nguồn cung cho nhu cầu trong nước Nhu cầu đối

với mặt hàng sắn của Trung Quốc là rất lớn Dự kiến mỗi năm nước này phải nhập

khẩu từ 6 - 6,5 triệu tấn sắn/năm mới đáp ứng đủ nhu cầu

1.2.2.2 Sản xuất và tiêu thụ sắn ở Việt Nam

Cây sắn đựơc du nhập vào Việt Nam khoảng giữa thế kỷ 18, (Phạm Văn

Biên, Hoàng Kim, 1991) Sắn được canh tác phổ biến tại hầu hết các tỉnh của Việt

Nam từ Bắc đến Nam Sắn là cây lương thực, thức ăn gia súc quan trọng sau lúa và

ngô Cây sắn là nguồn thu nhập quan trọng của các hộ nông dân nghèo do sắn dễ

trồng, ít kén đất, ít vốn đầu tư, phù hợp sinh thái và điều kiện kinh tế nông hộ

Việt Nam đã đạt tiến bộ kỹ thuật nhanh nhất châu Á về chọn tạo và nhân

giống sắn Năng suất và sản lượng sắn của nhiều tỉnh đã tăng lên gấp đôi do trồng

các giống sắn mới năng suất cao và áp dụng kỹ thuật canh tác sắn thích hợp, bền

vững Năm 2008 sản lượng sắn Việt Nam đạt 9,40 triệu tấn so với sản lượng 1,99

triệu tấn của năm 2000 Đó là kết quả của việc mở rộng diện tích từ 237.600 ha lên

555.700 ha và tăng năng suất từ 8,36 tấn/ha năm 2000 lên 16,91 tấn/ha năm 2008

Nguồn: Niên gián thống kê năm 2008

1.3 Giới thiệu về một số enzym sử dụng trong đề tài nghiên cứu

1.3.1 Spezyme XTRA [17]

Spezyme XTRA là một chế phẩm enzym chịu nhiệt thuỷ phân tinh bột α- amylase

với độ bền rất cao ở pH thấp, được sinh tổng hợp từ Bacillus licheniforlis đã biến đổi

gen Endo- amylase có trong Spezyme phân cắt một cách ngẫu nhiên liên kết α- 1,4- glucozit làm giảm nhanh chóng độ nhớt của tinh bột hồ hoá thành dextrin và các oligosaccarit hoà tan được

Ưu điểm của Spezyme XTRA:

- Giúp giảm nhanh độ nhớt

- Có thể hoạt động tốt tại pH dịch hoá thấp khoảng 5,5

Hoạt tính của Spezyme XTRA được biểu diễn bằng đơn vi Anpha Amylase Units (AAU) Hoạt tính của enzym được xác định bởi tốc độ thuỷ phân tinh bột, dựa trên sự giảm khả năng tạo màu với iốt Một đơn vị AAU là lượng enzym cần thiết để thuỷ phân 10 mg tinh bột dưới những điều kiện xác định

Bảng 1.5 Tính chất của Spezyme XTRA

STARGEN 001 là một chế phẩm có chứa enzym α- amylase của Aspergillus

kawachi và glucoamylase của Aspergillus niger có tác động hiệp đồng để thuỷ phân

tinh bột sống thành glucose Enzym nội mạch α- amylase và ngoại mạch glucoamylase trong Stargen 001 xúc tác cho sự thuỷ phân hoàn toàn tinh bột sống dưới các điều kiện lên men khác nhau Quan trọng là Stargen 001 có nhiệt độ tối ưu rất thấp (20 - 40oC) đồng thời có pH thích hợp với quá trình lên men rượu Cồn (4 - 4.5) [18]

Hoạt tính của STARGEN 001 được biểu diễn bằng đơn vị Granular Starch Hydrolyzing Units (GSHU) được tính toán dựa vào mức hoạt tính của enzim đối với tinh bột sống và hoạt tính của glucoamylase đối với dextrin hoà tan với những điều kiện xác định

Ưu điểm của STARGEN 001:

- Thực hiện quá trình dịch hoá và đường hoá đồng thời ở nhiệt độ thường Trong đó glucoamylase thuỷ phân khoan sâu vào hạt tinh bột còn α amylase thuỷ phân để mở rộng những lỗ khoan này

- Giữ hoạt độ cao dưới các điều kiện của quá trình đường hoá lên men đồng thời dưới sự trợ giúp của nấm men trong sản xuất ethanol

- Tạo ra Glucose liên tục

- Loại trừ sự cần thiết của các tác nhân như Calci hay muối Natri nhằm làm tăng hoạt tính Enzym

- Khi sử dụng trong một quá trình sản xuất được thiết kế tốt, không có quá trình nấu và so sánh với các hệ thống enzyme có quá trình dịch hoá và đường hoá truyền thống có giai đoạn nấu, chế phẩm này cho:

+ Hiệu suất cồn cao

+ Giảm năng lượng đầu vào

+ Giảm các đơn vị vận hành

+ Giảm chi phí sản xuất

Các ứng dụng của Stargen 001

Stargen 001 là chế phẩm được sản xuất cho quá trình sản xuất Cồn từ ngũ cốc

và các nguyên liệu chứa tinh bột khác sử dụng cho quá trình đường hoá và lên men đồng thời không qua giai đoạn nấu

Việc sử dụng enzym có khả năng thuỷ phân tinh bột sống như Stargen có nhiều ưu điểm về mặt năng lượng nhưng cũng có nhược điểm đó là lượng enzyme cần thiết để thuỷ phân tinh bột sống lớn hơn nhiều so với lượng enzyme cần để thuỷ phân tinh bột hoà tan Trong những trường hợp này, chi phí cho enzyme chỉ đứng thứ hai sau chi phí cho nguyên liệu thô Dựa trên những cơ sở về chi phí, sự giảm chi phí Enzyme cũng là cần thiết để duy trì lợi ích từ việc tiết kiệm năng lượng của phương pháp thuỷ phân tinh bột sống

Hình 1.3 Quá trình thủy phân tinh bột với chế phẩm enzym Stargen 001

1.4 Công nghệ sản xuất Cồn

1.4.1 Công nghệ sản xuất cồn truyền thống

Công nghệ sản xuất cồn truyền thống đã và đang được áp dụng tại một số nước đang phát triển Do vấn đề an ninh lương thực nên hiện nay đa số các quốc gia đều chọn sắn làm nguyên liệu chủ yếu cho sản xuất Cồn Quy trình sản xuất gồm

các công đoạn chính là: nghiền, nấu, dịch hoá, đường hoá, lên men, chưng cất và tinh chế

- Nghiền nguyên liệu

Mục đích của quá trình nghiền nguyên liệu là làm phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật, giải phóng hạt tinh bột và tăng cường sự tiếp xúc giữa cơ chất với nước và enzyme, thúc đẩy quá trình nấu, đường hóa và các quá trình thủy phân khác nhanh và triệt để hơn [11]

- Dịch hoá nguyên liệu

Mục đích chủ yếu của của quá trình dịch hoá là nhằm phá vỡ màng tế bào của tinh bột, tạo điều kiện biến chúng thành dạng hoà tan trong dung dịch

Hiện nay, ở các nhà máy người ta sử dụng thêm các chế phẩm enzyme trong quá trình nấu nhằm làm giảm nhiệt độ nấu và thực hiện được ở áp suất thường nên chi phí năng lượng và thiết bị giảm đi đáng kể

Quá trình nấu nguyên liệu chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: nhiệt độ; pH dịch; nồng độ enzym; thời gian dịch hoá …

- 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 thành rượu được,

mà phải trải qua quá trình thủy phân do xúc tác của enzyme glucoamylase để biến thành đường Quá trình này có vai trò quan trọng trong công nghệ sản xuất cồn Etylic, bởi nó quyết định hiệu suất thu hồi rượu do giảm bớt hoặc gia tăng đường và tinh bột sót sau lên men

Hình 1.4 Sơ đồ công nghệ sản xuất Cồn truyền thống

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

Cacbonic cùng với nhiều sản phẩm trung gian khác Kết thúc quá trình lên men thu

được hỗn hợp gồm rượu - nước - bã, gọi là dịch dấm chín

- 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 thô hay cồn

thô Tinh chế hay tinh luyện là quá trình tách các tạp chất khỏi cồn thô và nâng cao

nồng độ cồn [11]

1.4.2 Công nghệ sản xuất cồn hiện nay trên thế giới

Ở một số nước trên thế giới đã bắt đầu nghiên cứu thử nghiệm và ứng dụng

công nghệ dịch hoá không qua nấu, với việc bổ sung một số chế phẩm enzyme mới

Người ta không cần tiến hành quá trình dịch hoá ở nhiệt độ 90-100oC nữa mà nhiệt

độ dịch hoá có thể hạ xuống thấp khoảng 60-70oC, thậm chí dịch hoá không gia

nhiệt Công nghệ này đã được áp dụng với một số nguyên liệu tinh bột tại một số

nước như Mỹ, Thái Lan… Công nghệ này cần nghiên cứu, kiểm chứng trước khi

ứng dụng vào sản xuất với điều kiện của nước ta

Formatted: Font: 13 pt

- Nghiền nguyên liệu:

Nguyên liệu được nghiền mịn để tạo điều kiện cho Enzym dễ dàng tiếp xúc với hạt tinh bột

- Dịch hóa nguyên liệu

Một số loại enzym mới cho phép thực hiện hiệu quả quá trình hồ hóa và dịch hóa ở nhiệt độ thấp hơn thay vì hồ hóa và dịch hóa ở nhiệt độ sôi theo quy trình truyền thống

Thậm chí, 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 mà không cần qua quá trình nấu chín tinh bột

Enzym có thể thủy phân tinh bột sống (không cần gia nhiệt) đã được biết đến

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 trọng làm hạn chế sự phát triển của các loại enzym này là giá thành quá đắt do phải sử dụng phương pháp lên men rắn Hiện nay, hãng Genecor đã nghiên cứu và phát triển thành công loại enzym thủy phân tinh bột sống với giá thành hợp lý và có hoạt độ cao nên có thể ứng dụng thủy phân tinh bột sống trong công nghệ sản xuất etanol [21]

Ưu điểm đó không những giúp giảm được thời gian sản xuất, tiết kiệm năng lượng và chi phí cho thiết bị, giảm đi thời gian và chi phí để hạ nhiệt độ xuống nhiệt

độ đường hóa và lên men, đồng thời tạo điều kiện để thực hiện được quá trình đường hóa và lên men đồng thời

Như vậy trong một thiết bị có thể bổ sung vừa enzym đường hóa, vừa nấm men, thời gian cho một chu kỳ đường hóa cũng như lên men giảm rõ rệt [18] [19] [20]

- Quá trình đường hóa và lên men đồng thời

Công nghệ đường hoá và lên men đồng thời (SSF) là công nghệ kết hợp quá trình đường hoá nguyên liệu tinh bột và quá trình lên men đồng thời trong cùng một

thiết bị và ở cùng một nhiệt độ với sự trợ giúp của emzyme mới Phương pháp này

có ưu điểm nổi bật hơn là đường tạo ra đến đâu được lên men đến đó nên nấm men không phải chịu áp suất thẩm thấu cao đồng thời làm giảm nguy cơ nhiễm tạp và nâng cao năng suất

Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ sản xuất Cồn hiện nay trên thế giới

Hiện nay, quá trình thủy phân tinh bột ít gia nhiệt kết hợp với quá trình đường hóa và lên men đồng thời đã được áp dụng thành công trong sản xuất cồn từ ngô Nhóm tác giả đã sử dụng chế phẩm enzym thủy phân và đường hóa tinh bột sống ít gia nhiệt chứa hỗn hợp α-amylaza và glucoamylaza để thủy phân tinh 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 pháp đường hóa và lên men đồng thời cho phép giảm đáng kể hàm lượng glucoza có trong dịch đường tại thời điểm bắt đầu quá trình lên men: chỉ còn 7% so với 19% khi sử dụng phương pháp đường hóa song song với thực hiện quá trình lên men Điều này làm giảm ảnh hưởng áp suất thẩm thấu lên tế bào nấm men đồng thời cũng làm 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 chế phẩm enzym của hãng có thể được sử dụng để sản xuất cồn theo công nghệ tiết kiệm 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 sử dụng thế hệ enzym mới để sản xuất cồn không cần gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao một cách có hiệu quả đối với nguyên liệu bobo (sorghum) Nồng độ etanol có thể đạt tới 20%v/v sau 90 giờ lên men có sử dụng nấm men khô thương phẩm với dịch 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 gian sản xuất, tiết kiệm năng lượng và chi phí cho thiết bị, giảm đi đáng kể lượng nước dội nguội để hạ nhiệt độ xuống nhiệt độ đường hóa và lên men, đồng thời tạo điều kiện để thực hiện được quá trình đường hóa và lên men đồng thời Như vậy trong một thiết bị có thể bổ sung vừa enzym đường hóa, vừa nấm men, thời gian 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 sản xuất dịch đường lên men có nồng độ cao làm nâng cao năng suất Hơn nữa công nghệ này còn làm nâng cao hiệu suất do giảm thiểu lượng đường khử và axit amin trong phản ứng tạo melanoidin hoặc phản ứng caramen hóa đường xảy ra khi nấu ở nhiệt

độ cao Tuy nhiên do không có thiết bị nấu ở áp suất cao và không gia nhiệt đến nhiệt độ hồ hóa, kích thước hạt tinh bột phải được nghiền mịn hơn so với quy trình

truyền thống [23] [24] [25] Công nghệ mới này chi phí enzym cao hơn và do không

có quá trình nấu chín nên nguy cơ nhiễm tạp cao hơn, tuy vậy có thể hạn chế nhiễm tạp bằng sử dụng các chất sát trùng và hạ pH thấp

1.4.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men ở nồng độ chất khô cao trong sản xuất ethanol

Sự cạn kiệt dần của các nguồn năng lượng hoá thạch đòi hỏi thế giới phải tìm kiếm thêm những nguồn năng lượng mới thay thế và có khả năng phục hồi được Cồn etylic đã được đầu tư rất rộng rãi vì nó là một loại nhiên liệu thay thế tốt hơn khí đốt cũng như nhiên liệu lỏng khác Tuy nhiên qua nhiều nghiên cứu người ta thấy rằng về mặt kinh tế, Cồn etylic không thể cạnh tranh được với khí đốt và xăng dầu bắt nguồn từ nguyên liệu hoá thạch Bởi vậy, cải tiến quy trình sản xuất cồn là

cơ hội chuyển đổi nhiên liệu, cồn sẽ là sản phẩm kinh tế đầy triển vọng Một trong những biện pháp cải tiến quy trình sản xuất cồn là lên men rượu ở nồng độ chất khô cao Kỹ thuật này giúp làm tăng cả về tốc độ lên men và nồng độ cồn thu được, do vậy làm giảm giá thành sản phẩm

Lên men ở nồng độ chất khô cao trong sản xuất cồn phụ thuộc và việc chuẩn bị

và lên men dịch có chứa nồng độ cacbonhydrat lớn hơn 30% thể tích là:

- Ảnh hưởng của quá trình dịch hoá

- Ảnh hưởng của quá trình đường hoá và lên men đồng thời

Quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau:

1.4.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ dịch hoá

Trong quá trình dịch hoá một phần tinh bột trong nguyên liệu được chuyển hóa thành đường, dextrin Nếu dịch hoá ở nhiệt độ cao, đường sẽ bị phân hủy do các phản ứng như phản ứng caramen hóa, phản ứng melanoidin, mức độ phân hủy đường phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, pH và thời gian nấu

Hiện nay qua nghiên cứu người ta thấy nếu sử dụng enzym để dịch hóa thì có thể giảm được nhiệt độ cũng như thời gian nấu đi rất nhiều Khi bổ sung enzym

Spezyme vào quá trình dịch hóa thì nhiệt độ dịch hóa chỉ vào khoảng 70oC – 80oC,

giúp hạn chế được sự tổn thất đường và chi phí trong quá trình nấu đi rất nhiều

Vì Enzym có bản chất Protein nên khi tăng nhiệt độ đến một giới hạn nào đó

thì protein sẽ bị biến tính, vận tốc phản ứng enzym sẽ bị giảm dần và có thể bị đình

chỉ hoàn toàn

Đối với quá trình dịch hóa có nồng độ chất khô cao, nhiệt độ dịch hóa cao

làm dịch bột dễ bị cháy, nên trong quá trình này kết hợp Enzyme dịch hóa có khả

năng dịch hóa cao ở nhiệt độ thấp là cần thiết

1.4.3.2 Ảnh hưởng của pH dịch hoá

Mỗi enzym có một pH tối ưu nhất định Trong điều kiện sản xuất, việc điều

chỉnh pH dịch hoá về gần với pH tối ưu của enzyme là rất cần thiết

1.4.3.3 Ảnh hưởng của nồng độ enzym dịch hoá

Khi nghiên cứu về động học enzym thấy rằng, trong điều kiện thừa cơ chất

thì vận tốc phản ứng thủy phân phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ enzym Nếu tăng

nồng độ enzym đến một giới hạn nào đó thì vận tốc thủy phân không tăng, lúc này

nồng độ enzym bão hòa Chính vì vậy, trong quá trình dịch hoá, phải tìm một nồng

độ enzym hợp lý để tránh gây lãng phí

Đối với quá trình dịch hóa có nồng độ chất khô cao, Nồng độ Enzyme dịch

hóa phải đạt nồng độ đủ để phản ứng Enzyme xảy ra hoàn toàn

1.4.3.4 Ảnh hưởng của thời gian dịch hoá

Quá trình dịch hoá tinh bột được thực hiện dưới tác dụng của enzym dịch

hoá, diễn ra trong thời gian nhất định Nếu thời gian dịch hoá ngắn thì quá trình

dịch hoá diễn ra chưa hoàn toàn, nếu kéo dài thời gian thì hiệu quả dịch hoá không

tăng

1.4.3.5 Ảnh hưởng của nồng độ enzym đường hoá

Formatted: Line spacing: 1.5 lines

Formatted: Line spacing: 1.5 lines Deleted: ợp

Deleted: ¶

Nồng độ enzym đường hoá đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định

lượng đường ban đầu để khởi động quá trình lên men Lượng chế phẩm tăng thì tốc

độ thuỷ phân tinh bột cũng tăng nhưng chỉ trong giai đoạn đầu khi phản ứng còn ở

bậc không Trong quá trình đường hoá và lên men đồng thời, mục tiêu cuối cùng

không phải là tạo được lượng đường cao nhất mà là lựa chọn nồng độ enzym đường

hoá sao cho hiệu suất lên men cao nhất

1.4.3.6 Ảnh hưởng của pH đến quá trình đường hoá

Trong quá trình lên men, pH tối ưu để tạo etylic nằm trong khoảng 4,5 ÷

5,0 Hiện nay, một số enzym đường hoá mới đang được hãng Genencor khuyến cáo

cũng có pH hoạt động là 4,0 – 4,5 rất phù hợp với việc kết hợp đồng thời quá trình

đường hoá và lên men Như vậy có thể lựa chọn pH thích hợp cho cả đường hoá và

lên men là 4,2 – 4,5

1.4.3.7 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến quá trình đường hoá và lên men

Nồng độ cơ chất ban đầu chủ yếu ảnh hưởng lên quá trình đường hoá và lên

men đồng thời Hàm lượng đường phù hợp cho quá trình lên men là khoảng

12 ÷ 20% Nếu nồng độ dịch đường thấp thì sẽ không kinh tế vì sẽ làm giảm năng

suất của thiết bị lên men, mặt khác sẽ tốn hơi khi chưng cất và tăng tổn thất rượu

trong bã rượu và nước thải

Hàm lượng đường cao hơn sẽ làm tăng áp suất và làm mất cân bằng trạng

thái sinh lý của nấm men, hầu hết nấm men không có khả năng lên men rượu khi

hàm lượng đường lớn Đường nhiều cũng sẽ dẫn đến tổn thất hoặc phải kéo dài thời

gian lên men, đồng thời, khi lên men ở nồng độ dịch đường cao, lượng cồn tạo ra

nhiều cũng sẽ ức chế cả nấm men và tạp khuẩn

Tuy vậy, với quá trình đường hóa và lên men đồng thời tạo điều kiện cho quá

trình lên men ở nồng độ chất khô cao Vì trong quá trình này, lượng đường tạo ra

đến đâu được lên men đến đó

1.4.3.8 Ảnh hưởng của tỷ lệ men giống đến quá trình lên men

Formatted: Font: 13 pt Formatted: Line spacing: 1.5 lines

Formatted: Line spacing: 1.5 lines

Formatted: Line spacing: 1.5 lines

Formatted: Line spacing: 1.5 lines

Deleted: Nếu nồng độ dịch đường thấp

thì sẽ không kinh tế vì sẽ làm giảm năng suất của thiết bị lên men, mặt khác sẽ tốn hơi khi chưng cất và tăng tổn thất rượu trong bã rượu và nước thải ¶