Công Nghệ Sản Xuất Cồn Etylic

Công Nghệ Sản Xuất Cồn Etylic

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN ETYLIC

NGUYÊN LIỆU

Nguyên tắc: nguyên liệu chứa polysaccharide

đều có thể sử dụng trong công nghệ sản xuất cồn

Yêu cầu:

 Đảm bảo đủ lượng dưỡng chất phục vụ cho

sự phát triển của vi sinh vật

 Hàm lượng đường hoặc tinh bột cao, có khả

năng đem lại hiệu quả kinh tế

 Sẵn có, giá thành thấp

 Vùng nguyên liệu tập trung và đủ cho nhu

cầu sản xuất

Chúng ta sẽ xem xét 2 loại nguyên liệu phổ

biến:

Tinh bột - Rỉ đường

– 20 – 32 % chất hữu cơ– 8 – 10 % chất vô cơMật rỉ có độ pH từ 6,8 – 7,2

- Mật rỉ nhận được từ sản xuất luôn chứa một lượng vi sinh vật Nguy hiểm nhất là vi khuẩn lactic và vi khuẩn acetic

- 1g mật rỉ chứa tới 100.000 vi sinh vật không nha bào và 15.000 có khả năng tạo bào tử Ơû mật rỉ bị nhiễm nặng, con số vi sinh vật có thể đạt 500.000 và 50.000

- Đối với rỉ đường có nồng độ trên 70%, hầu hết vi sinh vật đều chịu nằm yên, nhưng khi pha loãng chúng sẽ bắt đầu hoạt động và làm giảm hàm lượng đường, dẫn đến tăng tổn thất

- Trong quá trình sản xuất cần có biện pháp xử lý phù hợp nhằm diệt bớt và hạn chế hoạt động của tạp khuẩn

ỨNG DỤNG CỦA MẬT RỈ

 Sản xuất cồn

 Sản xuất acid acetic, acid citric

 Sản xuất nấm men bánh mì, nấm men cho chăn nuôi.

 Sản xuất bột ngọt

 Sản xuất glycerin

Ưu điểm của việc sử dụng rỉ đường để sản xuất cồn Etylic so với những nguyên liệu khác:

NGUYÊN LIỆU CHỨA TINH BỘT

Sắn, ngô, khoai và một phần gạo hoặc tấm.

 Sắn :

Loại Nước Protit Chất béo Gluxit Xenlulo Tro Sắn tươi

Sắn khơ 70,25 13,12 1,102 0,205 0,41 0,41 26,58 74,74 1,11 1,11 0,54 1,69

 Phazeolunatin không độc nhưng khi bị

thủy phân thì các glucozit này sẽ giải phóng HCN, là một chất gây độc cho cơ thể Tuy nhiên dễ bay hơi và dễ hòa tan trong nước lạnh hay nước vơi nên dễ loại bỏ

 Độc tố trong sắn có tên chung là

Phazeolunatin chứa nhiều trong sắn đắng,

chủ yếu ở vỏ và cùi, hàm lượng của

Phazeolunatin vào khoảng 0,001 – 0,04%

 Sắn thái lát, phơi khô giảm đáng kể số lượng HCN

 Khoai

Loại Nước Protit Chất béo Gluxit Xenlulo TroKhoai tây tươi

Khoai lang tươi

Khoai lang khô

74,968,112,9

1,991,66,1

0,150,50,5

20,8 27,9 76,7

0,980,91,4

1,091,002,4

 Ngô

Hạt ngô gồm hai phần chính: Phôi và nội nhũ Phôi chiếm 10 – 13% trọng lượng hạt, nội nhũ chiếm 83 – 85%, vỏ chiếm 2 – 5%

Loại Nước Protit Chất béo Gluxit Xenlulo Tro

106,710,512

4,61,92,11,7

67,9 63 66,4 68,2

2,210,44,52,0

1,35,22,51,6

 Các loại hạt khác

- Để sản xuất các loại rượu đặc biệt hoặc tận dụng các lô hàng thực phẩm hỏng

- Các loại hạt này có hàm lượng tinh bột cao, sản xuất

rượu tốtLoại Nước Protit Chất béo Gluxit Xenlulo Tro

99,18,913,1711

0,52,45110,121,7

77 74,79 77,38 72 69,6

0,40,650,614,051,9

0,51,40,711,141,8

 Tinh bột thường được thủy phân:

Thủy phân tinh bột bằng acid và nhiệt độ: thu được glucoza→ hiệu xuất không cao và gây

ô nhiễm môi trường

Dùng amylaza của mầm đại mạch ta sẽ thu được 70 – 80% là maltoza và 30 – 20% là dextran

Dùng amylaza của nấm mốc ta sẽ thu được

80 – 90% là glucoza

Celluloza dưới tác dụng của acid vô cơ loãng, nhiệt độ cao và áp suất cao sẽ bị phân hủy thành glucoza

Hemicelluloza (bán xơ): dễ bị thủy phân hơn celluloza để tạo thành glucoza

Trong công nghiệp sản xuất rượu, nước được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau:

• Xử lý nguyên liệu

• Nấu nguyên liệu

• Pha loãng dung dịch

• Vệ sinh thiết bị,…

Yêu cầu chất lượng của nước trong sản xuất

rượu

• Trong suốt, không màu, không mùi.

• Độ cứng: không quá 7 mg-E/l

• Độ oxy hóa: ≤ 2ml KMnO 4 /l

• Chất cặn: ≤ 1 mg/l

• Không có kim loại nặng

• Hàm lượng các muối phải thỏa yêu cầu sau:

+ Hàm lượng Clo ≤ 0,5 mg-E / lít + H2SO4 ≤ 80 mg-E / lít + Hàm lượng Asen ≤ 0,05 mg-E / lít + Hàm lượng Pb ≤ 0,1 mg-E / lít + Hàm lượng F ≤ 3 mg-E / lít + Hàm lượng Zn ≤ 5 mg-E / lít + Hàm lượng Cu ≤ 3 mg-E / lít + NH3 và các muối NO2-, NO3-: không có

Sơ đồ tổng quát công nghệ sản xuất cồn Etylic

NGUYÊN LIỆU

Xử lý – Nấu Pha loãng – Xử lý Đường hóa Chuẩn bị dịch lên men Lên men

Chưng cất

Lên men Chưng cất

PP Amylo PP Mycomalt Chỉnh pH Dinh dưỡng

Chất khô

Đặc điểm của phương pháp Amylo

• Đường hóa khá triệt để nên hiệu suất rượu so với

nguyên liệu cao

• Chu kỳ 1 mẻ rượu kéo dài nên năng suất của nhà máy

Đặc điểm của phương pháp Mycomalt

• Ưu điểm:

- Ít bị nhiễm chua, không đòi hỏi chế độ vô trùng

nghiêm ngặt

- Rút ngắn được chu kỳ sản xuất, dễ tăng năng suất

- Không kén chọn nguyên liệu

- Thích hợp cho quy mô sản xuất công nghiệp vừa và nhỏ

Đặc điểm của phương pháp Mycomalt

• Nhược điểm:

- Tốn nhiều diện tích để nuôi cấy nấm mốc

- Tốn nhiều bột ngô, trấu, cám để nuôi cấy nấm mốc

- Thao tác nuôi cấy nấm mốc vất vả hơn, gây men

giống phức tạp hơn

- Tốn nhiều thiết bị đường hóa, lên men

- Cần có máy lạnh để làm nguội nhanh dịch đường hóa

từ 60oC xuống 30oC

XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU TINH BỘT

1 NGHIỀN NGUYÊN

LIỆUMục đích: Phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực

vật, tạo điều kiện giải phóng hạt tinh bột khỏi các mô, để khi đưa vào nấu ở áp suất và nhiệt độ phù hợp biến tinh bột thành dạng hòa tan

-Nguyên liệu dạng hạt hoặc lát được đưa vào máy nghiền búa (Tại Việt Nam)

-Nghiền thô: búa có chiều dày = 6 – 10 mm

-Nghiền nhỏ: búa có chiều dày = 2 – 3 mm

-Tốc độ quay của máy nghiền: 2750 vòng/ phút

 Trong quá trình nghiền: các phần nhỏ lọt qua rây được quạt hút và đẩy ra ngoài, phần chưa lọt qua rây tiếp tục được nghiền nhỏ.

 Tùy theo chế độ nấu mà rây có kích thước khác nhau

 Năng suất của máy phụ thuộc vào mức độ nghiền và kích thước rây

Mục đích:

 Phá vỡ màng tế bào của các hạt tinh bột, giúp cho amylaza tiếp xúc được với tinh bột

 Tạo điều kiện đưa tinh bột về trạng thái hòa tan trong dung dịch

NẤU NGUYÊN LIỆU

Nấu nguyên liệu có thể tiến hành theo một trong ba phương pháp sau:

Gián đoạn

Bán liên tục

Liên tục

PHƯƠNG PHÁP NẤU GIÁN ĐOẠN

 Đặc điểm: toàn bộ quá trình nấu

đều được thực hiện trong cùng một nồi.

 Cho nước vào thiết bị, tỷ lệ 3,5 – 4 lít/kg nguyên liệu

 Bật cánh khuấy, cho nguyên liệu vào

 Mở van xả, đun 45 – 60’ Không khí và khí không ngưng tụ sẽ theo van xả thoát ra ngoài, cho tới khi chỉ còn hơi nước bão hòa.

 Đóng van xả Đợi đến khi áp suất đạt 3 – 3,5 kg/cm2 (tương ứng 135 –

1400C), trong 70 phút

 Kiểm tra cháo chín, mở van từ từ và phóng cháo sang thùng đường hóa.

Toàn bộ quá trình nấu diễn ra khoảng 2,5 – 3 giờ

Tiến hành nấu:

Có thể cho thêm H2SO4 300 Bome’ (2 – 4 kg/tấn nguyên liệu)

+ Ưu điểm: Nấu chóng chín, dịch cháo ít

PHƯƠNG PHÁP NẤU BÁN LIÊN TỤC

Đặc điểm: Nấu trong 3 nồi thành 3 giai đoạn:

+ Nấu sơ bộ+ Nấu chín+ Nấu chín thêm

Ưu điểm

 Giảm thời gian nấu ở áp suất và nhiệt độ cao

 Giảm tổn thất, tăng hiệu suất

 Tiết kiệm 15 – 30% lượng hơi

Nhược điểm:

Tốn thiết bị

Thiết bị nấu bán liên tục

 Cho lượng nước ở 40 – 500C vào nồi nấu sơ bộ theo tỷ lệ 3,5 – 4,0 lít/kg bột (Nồi nấu sơ bộ có dung tích tương đương nồi nấu chín)

 Cho cánh khuấy làm việc rồi đổ bột vào

 Dùng hơi thứ lấy từ nồi nấu chín thêm để đun dung dịch lên 70 – 850C, duy trì trong 50 –

60 phút

 Xả cháo vào nồi nấu chín Tiến hành giống như nấu gián đoạn, với áp suất nấu là 2,8 – 3,2 kg/cm2, nhiệt độ là 130 – 1350C trong 60 phút Sau đó chuyển sang nồi nấu chín thêm

 Tại nồi nấu chín thêm (có dung tích gấp 3 lần nồi nấu chín), áp suất được duy trì ở 0,5 – 0,7 at, nhiệt độ là 105 – 1060C, trong thời gian 50 – 60 phút

 Nấu sơ bộ và nấu chín là gián đoạn Nấu chín thêm là liên tục

Tiến hành nấu:

2.3 PHƯƠNG PHÁP NẤU LIÊN TỤC

Ưu điểm:

Tận dụng được nhiều hơi

Cho phép nấu ở t0 thấp hoặc thời gian ngắn làm giảm tổn thất đường nên

hiệu suất tăng

Dễ cơ khí hóa và tự động hóa

Tốn ít thiết bị, diện tích nhà xưởng

Nhược điểm:

 Nguyên liệu phải nghiền thật nhỏ

 Điện, hơi, nước phải ổn định

Tại thùng nấu nguyên liệu:

 Nguyên liệu được nghiền mịn tới kích

thước là 1mm, hòa với nước ở 30 –

400C theo tỷ lệ nước : bột là 4 : 1

 Khuấy đều, cho 80% lượng α - amylaza

chịu nhiệt (thường sử dụng Termamyl

120L của hãng Novo – Đan mạch) vào

với tỷ lệ 0,02 – 0,03% so với khối lượng

tinh bột

 Đun trong 40 – 50 phút, đạt tới 85 – 870C

Giữ ở nhiệt độ này 15 – 20 phút.

 Đun sôi trong vòng 50 – 60 phút nhằm

hòa tan các hạt tinh bột có kích thước

lớn chưa kịp hồ hóa hết.

 Chuyển sang thùng đường hóa

Phương pháp ứng dụng chủ yếu tại Việt Nam

Tại thùng đường hóa:

 Dịch bột được làm nguội đến 90 – 930C rồi cho hết 20% lượng enzym còn lại vào.

 Làm nguội đến 55 – 560C, để trong 30

phút Lúc này pH của dịch cháo sẽ là: 5,2 – 5,4

 Giảm được lượng hơi sử dụng do không

cần đưa nhiệt độ lên quá cao.

 Giảm được lượng bột chưa hòa tan xuống còn khoảng 0,2 – 0,25 g / 100ml

ĐƯỜNG HÓA DỊCH CHÁO

 Khái niệm: là quá trình dùng enzym

amylase để chuyển hóa tinh bột thành đường dễ lên men Quá trình này quyết định phần lớn hiệu suất thu hồi rượu.

 Có 2 loại amylase: từ mầm đại mạch và

từ vi sinh vật.

 Hầu hết các nhà máy rượu ở nước ta

đều dùng amylaza thu được từ nuôi cấy nấm mốc hoặc sử dụng chế phẩm amylase nhập từ nước ngoài (hãng Novo), đã có nhà máy tự sản xuất amylaza thô tuy nhiên chất lượng chưa cao

CHỨC NĂNG CỦA ENZYME TRONG

QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN TINH BỘT

α - amylaza: (enzym dịch hóa)

- Tác dụng lên nồi α – 1,4 glucozit ở vị trí bất kỳ, nhưng tập trung vào giữa mạch amyloza và amylopectin

- Dưới tác dụng của enzym, tinh bột chuyển hóa thành dextrin + maltoza + 1 ít glucoza→ độ nhớt của tinh bột giảm nhanh → α - amylaza còn được gọi là enzym dịch hóa

Nhiệt độ hoạt động của enzym:

-α – amylaza của vi khuẩn hoạt động tốt ở t0

pH của môi trường và t0 tối ưu cũng phụ

thuộc vào nhau: t0 tăng → pH tăng

β - amylaza (enzym đường hóa)

 Có tác dụng lên nối α - 1,4 – glucozit, bắt đầu từ vòng không có nhóm khử và cắt theo 2 gốc glucoza một trong phân tử của amyloza và amylopectin

 Sản phẩm tạo thành là maltoza nên β - amylaza còn được gọi là enzym đường hóa β

- amylaza có khả năng biến đổi amyloza

hoàn toàn thành maltoza, còn với amylopectin chỉ cắt được 50 – 55%

 PH tối ưu = 4,8 (β - amylaza của thóc

mầm)

 Dưới tác dụng của α và β - amylaza ta thu

được dịch chứa 78 – 80% maltoza và glucoza,

22 – 20% dextrin

VỊ TRÍ TÁC ĐỘNG CỦA

AMYLASE LÊN MẠCH TINH BỘT

Các enzym khác:

 Amylaza của nấm mốc còn chứa một

lượng glucoamylaza, isomaltaza và oligo – 1,6 – glucosidaza Trong đó:

 Glucoamylaza có khả năng cắt tại α –

1,4 và α –1,6– glucoza và biến 100% tinh bột thành glucoza.

 Isomaltaza chỉ phân cắt nối α –1,6 trong

phân tử isomaltoza.

 Oligo – 1,6 – glucosidaza (có trong nấm

mốc) cắt nối α –1,6 trong phân tử dextrin

 Ngoài ra còn có thể thấy maltaza,

pectinaza, hemicelluloza, proteaza (proteinaza, peptidaza) trong chế phẩm enzym.

Sự biến đổi của một số chất khác trong

quá trình đường hóa:

 Nếu dùng amylaza của nấm mốc:

 Pectin dưới tác dụng của pectinaza sẽ

chuyển hóa thành acid pectic và metanol.

 Hemicelluloza dưới tác dụng của

hemicellulaza sẽ chuyển hóa thành dextrin, glucoza và đường pentoza, trong đó dextrin tiếp tục bị phân giải thành maltoza

 protein dưới tác dụng của proteaza thì

chuyển thành các acid amin là nguồn

dưỡng chất cho nấm men sử

QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG HÓA

Có thể tiến hành đường hóa theo 2 phương pháp: gián đoạn hoặc liên tục Nhưng luôn bao gồm:

_ Làm lạnh dịch cháo tới nhiệt độ đường hóa

_ Cho chế phẩm amylaza vào dịch cháo và giữ ở nhiệt độ thích hợp trong thời gian xác định để amylaza chuyển hóa tinh bột thành đường.

_ Làm lạnh dịch đường hóa tới nhiệt độ lên men.

Sơ đồ chung:

ĐƯỜNG HÓA GIÁN ĐOẠN: CÓ 3

PHƯƠNG PHÁP Phương pháp 1:

 Cho 13 – 15% dịch amylaza của một mẻ vào khuấy đều, mở nước làm lạnh

 Cho cháo vào từ từ với tốc độ sao cho khi hết cháo thì t0 đạt 600C

 Sau đó cho hết dịch amylaza còn lại vào t0

lúc này sẽ là 57 – 580C

 Ngừng khuấy Đóng van làm lạnh, để yên

10 – 15’ (amylaza chuyển hóa tinh bột thành đường)

 Sau đó cho cánh khuấy làm việc, mở nước làm lạnh tới t0 = 28 – 300C rồi bơm sang hệ thống lên men

 Ưu điểm: Cháo được dịch hóa

 Nhược điểm: Thời gian kéo dài.; Làm mất

hoạt tính của 13- 15 % amylaza

Giảm năng suất của thiết bị

 Phương pháp 2:

Cho toàn bộ amylaza vào, bật cánh khuấy, mở nước làm lạnh cho cháo vào với tốc độ nhanh hơn nhưng vẫn phải khống chế t0 = 57 –

 Ưu điểm: Dịch cháo được làm loãng nhanh do

đó tránh sự lão hóa tinh bột

 Nhược điểm:

 Hoạt tính của amylaza dễ bị mất nhiều

 Mất nhiều công theo dõi quan sát t0

của quá trình

 Phương pháp 3: (Thường được áp dụng tại

Việt Nam)

 Cho toàn bộ dịch cháo vào

 Bật cánh khuấy Mở nước làm lạnh đến 700C

 Cho fluosilicat nattri 2% vào để sát trùng

 Cho 5 – 10% amylaza vào để dịch hóa Làm lạnh đến 600C

 Cho nốt 90 – 95% amylaza còn lại vào

 Thời gian đường hóa: 1h

 Sau đó làm lạnh đến t0 lên men

 Ưu điểm: Hoạt động của enzym giảm

không đáng kể

 Nhược điểm:

 Tinh bột bị lão hóa nhiều, dịch đặc, độ nhớt cao làm ảnh hưởng đến tốc độ của cánh khuấy

 Một phần hoạt tính của amylaza vẫn bị giảm

Đường hóa liên tục 2 lần cần chú ý tới :

Phương pháp làm lạnh bằng chân không

Dịch cháo được nấu trong môi trường áp suất thấp (0,2 kg/cm2) nên t0 nấu chỉ còn là 58 – 590C

 Ưu điểm:

Dịch cháo được dịch hóa và làm nguội nhanh nên hạn chế được sự lão hóa tinh bột

Aùp suất chân không nên hơi nước sẽ kéo theo: metanol, furfurol và các mùi lạ do đó nâng chất lượng nguyên liệu

Thời gian đường hóa ngắn (10 –15 phút) nên giảm diện tích cho thiết bị, hạn chế được sự mất hoạt tính của amylaza

Tăng năng suất lao động

Tăng hiệu suất rượu, tiết kiệm điện

ĐƯỜNG HÓA LIÊN TỤC

XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU MẬT RỈ

Pha loãng và xử lý dịch mật rỉ

Pha loãng dịch mật rỉ 50%

H2SO4 cho vào theo tỉ lệ 0,4 – 0,6% (tùy theo độ chua của rỉ đường)

Cho chất sát trùng vào: fluosilicat natri (2%o trong tổng số)

Nguồn nitơ theo tỷ lệ 1g (NH4)2SO4 hoặc 0,4 – 0,5g ure trong 1 lít dịch lên men

Sau đó khuấy trộn đều, để yên 1 – 4h

Bơm dịch trong lên thùng chứa rồi lọc loại tạp chất (chủ yếu là CaSO4, các kết tủa keo)

Cho vào thùng chứa giữ ở nhiệt độ 85 –

900C trong 1giờ, với mục đích CaSO4 kết tủa nhiều hơn, giúp cho hiệu suất lên men tăng khoảng 1%

pH = 4,5 – 5 tương đương độ chua: 1 – 1,5 g

H2SO4/ lít

 Pha loãng tới nồng độ gây men:

1 Lên men theo sơ đồ một nồng độ:

 Nồng độ chất khô 20 – 22%, tương đương

15 – 16% đường

 pH dịch đường 4,5 – 5,0, tương đương độ

chua 1 – 1,5g H2SO4/lit

 Ure cần bổ sung là 0,5 g/l

 Nồng độ fluosilicat natri: 2‰

2 Lên men theo sơ đồ hai nồng độ:

 Nồng độ chất khô: 12 – 14%

 pH: 4,5 – 5,0

 Ure cần bổ sung là 0,5 g/l

 Nồng độ fluosilicat natri: 2‰

 Dịch lên men cũng có các chỉ tiêu

tương tự chỉ khác là nồng độ chất khô từ 30 đến 32%