Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 độ từ nguyên liệu ngô hạt bằng phương pháp nghiền khô với năng suất 1 000 000 lít sản phẩm tháng

Trong đó lĩnh vực sản xuất cồn etylic bằng phương pháp lên men cũng đóng góp một phần không nhỏ trong nền công nghiệp thực phẩm, cồn không chỉ được sử dụng để làm giàu nguồn thư

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA HÓA

LIỆU NGÔ HẠT BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGHIỀN KHÔ VỚI NĂNG SUẤT 1.000.000 LÍT SẢN PHẨM/THÁNG

Sinh viên thực hiện: Lê Thị Hoàng Lan Số thẻ sinh viên: 107140075

Lớp: 14H2A

Đà Nẵng – Năm 2019

TÓM TẮT

Đề tài “Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 0 từ nguyên liệu ngô hạt bằng phương pháp nghiền khô với năng suất 1.000.000 lít sản phẩm/tháng”

Sinh viên thực hiện: Lê Thị Hoàng Lan

Số thẻ sinh viên: 107140075 Lớp: 14H2A

Nội dung chính của đồ án có 9 chương chính, bao gồm:

Chương 1: Lập luận kinh tế Chọn địa điểm đặt nhà máy là Khu công nghiệp Phú Bài, thuộc phường Phú Bài, thị xã Hương Thủy, tỉnh Thừa Thiên Huế và nêu rõ nội dung chính bao gồm: đặc điểm thiên nhiên, nguồn nguyên liệu, hệ thống giao thông, nguồn cung cấp điện, nguồn cung cấp hơi, nguồn cung cấp nước và vấn đề xử lý nước, thoát nước, năng suất nhà máy, nguồn nhân công và cán bộ khoa học kĩ thuật

Chương 2: Tổng quan Nội dung bao gồm khái quát về nguyên liệu sản xuất (ngô, nước, nấm men,…), cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất, tổng quan sản phẩm và tình hình sản xuất và sử dụng cồn trên thế giới và ở Việt Nam

Chương 3: Chọn và thuyết minh quy trình công nghệ Nội dung bao gồm chọn quy trình và thuyết minh quy trình công nghệ sản xuất cồn 960 từ ngô hạt bằng phương pháp nghiền khô

Chương 4: Tính cân bằng vật chất Nội dung bao gồm số liệu ban đầu, đưa ra kế hoạch sản xuất, tính toán và tổng kết cân bằng vật chất cho dây chuyền sản xuất trong nhà máy Chương 5: Tính và chọn thiết bị Nội dung bao gồm tính toán, lựa chọn thiết bị phù hợp với dây chuyền công nghệ và tổng kết số thiết bị

Chương 6: Tính nhiệt – hơi – nước Nội dung bao gồm các phần tính nhiệt, hơi, nước

sử dụng cho sản xuất và cho sinh hoạt nhà máy

Chương 7: Tổ chức và tính xây dựng Nội dung bao gồm tính tổ chức, tính xây dựng

và tính diện tích đất và hệ số sử dụng của nhà máy

Chương 8: An toàn lao động và vệ sinh nhà máy Nội dung bao gồm các vấn đề liên quan đến an toàn lao động và vệ sinh nhà máy

Chương 9: Kiểm tra sản xuất Em đã nêu rõ phương pháp kiểm tra sản xuất và phương pháp kiểm tra chất lượng nguyên liệu cũng như sản phẩm

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA HÓA

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Lê Thị Hoàng Lan Số thẻ sinh viên: 107140075

Lớp: 14H2A Khoa: Hóa Ngành: Công nghệ thực phẩm

1 Tên đề tài đồ án:

“Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 960 từ nguyên liệu ngô hạt bằng phương pháp nghiền khô năng suất 1.000.000 lít sản phẩm/tháng.”

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 960 từ nguyên liệu ngô hạt bằng phương pháp nghiền khô, năng suất 1.000.000 lít sản phẩm/tháng (30 ngày)

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

Lời mở đầu

Mục lục

Chương 1: Lập luận kinh tế kỹ thuật

Chương 2: Tổng quan

Chương 3: Chọn và thuyết minh quy trình công nghệ

Chương 4: Tính cân bằng vật chất

Chương 5: Tính và chọn thiết bị

Chương 6: Tính Nhiệt – Hơi – Nước

Chương 7: Tổ chức và tính xây dựng

Chương 8: An toàn lao động và vệ sinh nhà máy

Chương 9: Kiểm tra sản xuất

Kết luận

Tài liệu tham khảo

5 Các bản vẽ và đồ thị:

Bản vẽ số 1: Quy trình công nghệ (Ao)

Bản vẽ số 2: Mặt bằng phân xưởng sản xuất chính (Ao)

Bản vẽ số 3: Mặt cắt phân xưởng sản xuất chính (Ao)

Bản vẽ số 4: Tổng mặt bằng nhà máy (Ao)

Bản vẽ số 5: Sơ đồ Hơi – Nước phân xưởng sản xuất chính (Ao)

6 Họ và tên người hướng dẫn: Th.s Bùi Viết Cường

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án : 23/01/2019

8 Ngày hoàn thành đồ án : 24/05/2019

Đà Nẵng, ngày……tháng……năm 2019

và đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Công Nghệ Thực Phẩm đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường

Em xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Viết Cường, thầy là người đã hướng dẫn tận tình cho em những kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu, tạo điều kiện thuận lợi cho em có thể hoàn thành được đồ án tốt nghiệp

Cuối cùng em xin cảm ơn nhà trường đã tạo điều kiện trong quá trình học tập cũng như trong quá trình thực hiện đồ án

Em xin chân thành cảm ơn

Sinh viên thực hiện

Lê Thị Hoàng Lan

CAM ĐOAN

Em: Lê Thị Hoàng Lan, xin cam đoan về nội dung đồ án không sao chép nội dung cơ

bản từ các đồ án khác Các số liệu trong đồ án được sự hướng dẫn của thầy hướng dẫn và

tính toán của bản thân một cách trung thực, nguồn trích dẫn có chú thích rõ ràng, minh

bạch, có tính kế thừa, phát triển từ các tài liệu, tạp chí, các công trình nghiên cứu đã được

công bố, các website

Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này

Sinh viên thực hiện

Lê Thị Hoàng Lan

MỤC LỤC

TÓM TẮT

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI CẢM ƠN i

CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ viii

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT x

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1: LẬP LUẬN KINH TẾ KỸ THUẬT 2

1.1 Vị trí xây dựng nhà máy 2

1.2 Đặc điểm tự nhiên 2

1.3 Nguồn nguyên liệu 2

1.4 Hệ thống giao thông 2

1.5 Nguồn cung cấp điện 2

1.6 Nguồn cung cấp nước 2

1.7 Nguồn cung cấp hơi 3

1.8 Xử lý nước thải – Rác thải 3

1.9 Nguồn nhân lực 3

1.10 Thị trường tiêu thụ 3

1.11 Năng suất nhà máy 3

Chương 2: TỔNG QUAN 4

2.1 Tổng quan về nguyên liệu 4

2.1.1 Ngô 4

2.1.2 Nước 9

2.1.3 Nấm men 9

2.1.4 Các chất hỗ trợ kỹ thuật 11

2.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất 11

2.2.1 Quá trình nghiền 12

2.2.2 Quá trình tách phôi 13

2.2.3 Quá trình nấu 13

2.2.4 Quá trình đường hóa 15

2.2.5 Quá trình lên men 16

2.2.6 Quá trình chưng cất và tinh chế 18

2.2.7 Quá trình tách nước 19

2.3 Tổng quan về sản phẩm 21

2.3.1 Ethanol 21

2.3.2 Cồn 960 24

2.4 Tình hình sản xuất và sử dụng cồn trên thế giới và ở Việt Nam 24

2.4.1 Tình hình sản xuất và sử dụng cồn trên thế giới 24

2.4.2 Tình hình sản xuất và sử dụng cồn ở Việt Nam 25

Chương 3: CHỌN VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 26

3.1 Chọn quy trình công nghệ 26

3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ 27

3.2.1 Làm sạch 27

3.2.2 Nghiền 27

3.2.3 Hòa nước 28

3.2.4 Tách phôi 28

3.2.5 Nấu nguyên liệu 29

3.2.6 Làm nguội 30

3.2.7 Đường hóa 31

3.2.8 Lên men 32

3.2.9 Chưng cất và tinh chế 33

3.2.10 Gia nhiệt 34

3.2.11 Tách nước 35

3.2.12 Ngưng tụ – Làm nguội – Bảo quản 35

Chương 4: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT 37

4.1 Kế hoạch sản xuất của nhà máy 37

4.2 Tính cân bằng vật chất 37

4.2.1 Các thông số ban đầu 37

4.2.2 Tính toán cân bằng vật chất 38

Chương 5: TÍNH VÀ CHỌN THIẾT BỊ 52

5.1 Sàng rung làm sạch 52

5.2 Máy nghiền búa 52

5.3 Thùng chứa bột ngô sau khi nghiền 52

5.4 Thiết bị hòa nước 53

5.5 Thiết bị tách phôi 54

5.6 Nồi nấu sơ bộ 55

5.7 Thiết bị phun dịch hóa 56

5.8 Nồi nấu chín 56

5.9 Thiết bị tách hơi 57

5.10 Phao điều chỉnh mức 58

5.11 Thiết bị làm nguội ống lồng ống sau tách hơi 59

5.12 Thiết bị đường hóa 60

5.13 Thiết bị làm nguội sau đường hóa 61

5.14 Thiết bị lên men 62

5.14.1 Số thiết bị lên men 63

5.14.2 Thùng lên men chính 63

5.14.3 Thùng nhân giống cấp II 63

5.14.4 Thùng nhân giống cấp I 64

5.15 Thiết bị tách và thu hồi CO2 64

5.16 Tank chứa giấm chín 65

5.17 Tháp thô 66

5.18 Tháp tinh 67

5.19 Các thiết bị phụ trợ trong tháp thô 67

5.20 Các thiết bị phụ trợ trong tháp tinh 71

5.21 Thiết bị gia nhiệt 74

5.22 Tháp tách nước 76

5.23 Thiết bị ngưng tụ – Làm nguội 77

5.24 Tính các thùng chứa 79

5.24.1 Thùng chứa cồn thành phẩm 79

5.24.2 Thùng chứa dầu fusel 79

5.25 Thiết bị vận chuyển 80

5.25.1 Băng tải vận chuyển ngô từ kho đến sàn làm sạch 80

5.25.2 Gàu tải vận chuyển 80

5.25.3 Bơm 81

Chương 6: TÍNH NHIỆT – HƠI – NƯỚC 85

6.1 Tính nhiệt – hơi 85

6.1.1 Tính nhiệt – hơi cho nồi nấu sơ bộ 85

6.1.2 Tính nhiệt – hơi cho thiết bị phun dịch hóa 86

6.1.3 Tính nhiệt – hơi cho nồi nấu chín 87

6.1.4 Tính nhiệt – hơi cho quá trình chưng cất – tinh chế 90

6.1.5 Tính nhiệt – hơi cho quá trình gia nhiệt 90

6.1.6 Tính nhiệt – hơi cho quá trình hấp phụ – giải hấp phụ 90

6.1.7 Tổng lượng hơi dùng trong một ngày 92

6.1.8 Tính và chọn lò hơi 92

6.1.9 Tính nhiên liệu 93

6.2 Tính nước 93

6.2.1 Lượng nước dùng trong công đoạn hòa trộn 93

6.2.2 Lượng nước dùng trong công đoạn đường hóa 93

6.2.3 Lượng nước dùng cho 2 thiết bị làm nguội ống lồng ống 94

6.2.4 Lượng nước dùng cho phân xưởng lên men 94

6.2.5 Lượng nước sử dụng cho chưng cất – tinh chế 95

6.2.6 Lượng nước để ngưng tụ và làm nguội cồn thành phẩm 96

6.2.7 Lượng nước vệ sinh thiết bị 96

6.2.8 Lượng nước cho lò hơi 96

6.2.9 Lượng nước dùng cho sinh hoạt 96

6.2.10 Bơm cao áp để bơm nước cho toàn nhà máy 97

Chương 7: TỔ CHỨC VÀ TÍNH XÂY DỰNG 98

7.1 Tổ chức nhà máy 98

7.1.1 Sơ đồ hệ thống tổ chức nhà máy 98

7.1.2 Tổ chức lao động 98

7.2 Tính các công trình xây dựng 99

7.2.1 Khu sản xuất chính 99

7.2.2 Phân xưởng cơ điện 100

7.2.3 Kho nguyên liệu 100

7.2.4 Kho thành phẩm 100

7.2.5 Phân xưởng lò hơi 101

7.2.6 Nhà hành chính 101

7.2.7 Khu xử lý nước 101

7.2.8 Nhà vệ sinh, nhà tắm 101

7.2.9 Nhà ăn – căn tin 102

7.2.10 Nhà chứa máy phát điện dự phòng 102

7.2.11 Trạm biến áp 102

7.2.12 Gara ô tô 102

7.2.13 Nhà để xe 102

7.2.14 Phòng thường trực và bảo vệ 102

7.2.15 Khu xử lý bã và nước thải 102

7.2.16 Kho nhiên liệu 102

7.2.17 Trạm cân xe 103

7.2.18 Trạm bơm 103

7.2.19 Trạm máy nén và thu hồi CO2 103

7.3 Tính tổng mặt bằng nhà máy 103

7.3.1 Tính khu đất mở rộng 103

7.3.2 Diện tích khu đất xây dựng nhà máy 104

7.3.3 Tính hệ số sử dụng 104

Chương 8: AN TOÀN LAO ĐỘNG VÀ VỆ SINH NHÀ MÁY 105

8.1 An toàn lao động 105

8.1.1 Những nguyên nhân gây ra tai nạn lao động và các biện pháp hạn chế 105

8.1.2 Những yêu cầu cụ thể về an toàn lao động 105

8.2 Vệ sinh nhà máy 107

8.2.1 vệ sinh cá nhân của công nhân 107

8.2.2 Vệ sinh máy móc thiết bị 107

8.2.3 Vệ sinh xí nghiệp 107

8.2.4 Xử lý phế liệu trong nhà máy 107

8.2.5 Xử lý nước thải 107

8.2.6 Xử lý nước dùng trong sản xuất 107

Chương 9: KIỂM TRA SẢN XUẤT 108

9.1 Kiểm tra sản xuất 108

9.1.1 Xác định độ ẩm 108

9.1.2 Xác định hàm lượng tinh bột 108

9.2 Xác định hoạt độ của chế phẩm enzyme trong nấu và đường hóa tinh bột 109

9.3 Kiểm tra dịch đường hóa và giấm chín sau lên men 109

9.3.1 Độ rượu trong giấm 109

9.3.2 Xác định hàm lượng đường và tinh bột sót trong giấm chín 110

9.3.3 Xác định nồng độ chất hòa tan của dịch đường trong giấm chín 111

9.4 Kiểm tra chất lượng cồn sản phẩm 111

9.4.1 Nồng độ rượu 111

9.4.2 Hàm lượng acid và este trong cồn 111

9.4.3 Xác định lượng aldehyt theo phương pháp Iốt 112

9.4.4 Xác định lượng ancol cao phân tử 112

9.4.5 Xác định lượng ancol metylic 113

9.4.6 Xác định hàm lượng furfurol 113

KẾT LUẬN 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 PHỤ LỤC

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ

Bảng 2 1 Thành phần hóa học trong các bộ phận chính của hạt ngô (%) 7

Bảng 2 2 Chỉ tiêu của nước theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5502 : 2003) 9

Bảng 4 1 Biểu đồ hoạt động 37

Bảng 4 2 Biểu đồ sản xuất của nhà máy 37

Bảng 4 3 Độ ẩm và hàm lượng tinh bột trong nguyên liệu 38

Bảng 4 4 Bảng hao hụt và tổn thất qua các công đoạn 37

Bảng 4 5 Bảng khối lượng riêng của một số chất lỏng và dung dịch với nước thay đổi theo nhiệt độ 47

Bảng 4 6 Bảng tổng kết cân bằng vật chất 50

Bảng 5 1 Kích thước cyclon 55

Bảng 5 2 Bảng tổng kết thiết bị 83

Bảng 6 1 Nhiệt hấp phụ của ethanol và nước trên zeolit 3Ao 91

Bảng 6 2 Nhiệt giải hấp phụ của ethanol và nước trên zeolit 3Ao 91

Bảng 6 3 Bảng tổng kết tính hơi 92

Bảng 6 4 Lượng nước dùng trong nhà máy 97

Bảng 7 1 Nhân lực lao động sản xuất trực tiếp 98

Bảng 7 2 Bảng tổng kết mặt bằng các công trình 103

Hình 2 1 Ngô 4

Hình 2 2 Cấu tạo hạt ngô 5

Hình 2 3 Saccharomyces cerevisiae 10

Hình 2 4 Đường cong lên men (theo Lêbêdep) 17

Hình 2 5 Sản lượng Ethanol toàn cầu năm 2017(Hiệp hội Nhiên liệu Tái tạo (RFA))…… 25

Hình 3 1 Sàng rung 27

Hình 3 2 Máy nghiền búa 28

Hình 3 3 Thùng hòa trộn dạng đứng 28

Hình 3 4 Xyclo tách phôi 29

Hình 3 5 Sơ đồ nấu liên tục 29

Hình 3 6 Thiết bị phun dịch hóa 30

Hình 3 7 Nồi nấu chín 30

Hình 3 8 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống 31

Hình 3 9 Thiết bị đường hóa liên tục 31

Hình 3 10 Sơ đồ lên men liên tục 33

Hình 3 11 Sơ đồ chưng hai tháp gián tiếp một dòng 34

Hình 3 12 Thiết bị gia nhiệt 35

Hình 3 13 Tháp hấp phụ 35

Hình 3 14 Thiết bị ngưng tụ – làm nguội ống xoắn ruột gà 36

Hình 5 1 Sàng rung 52

Hình 5 2 Máy nghiền búa 52

Hình 5 3 Tank chứa bột ngô 53

Hình 5 4 Thùng hòa trộn 54

Hình 5 5 Thiết bị tách phôi 55

Hình 5 6 Nồi nấu sơ bộ 56

Hình 5 7 Thiết bị phun dịch hóa 56

Hình 5 8 Nồi nấu chín 57

Hình 5 9 Thiết bị tách hơi 58

Hình 5 10 Phao điều chỉnh mức 59

Hình 5 11 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống 60

Hình 5 12 Thiết bị đường hóa 60

Hình 5 13 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống 62

Hình 5 14 Thùng lên men chính 63

Hình 5 15 Thùng nhân giống cấp II 64

Hình 5 16 Thùng nhân giống cấp I 64

Hình 5 17 Thiết bị tách CO2 65

Hình 5 18 Thùng chứa giấm chín 66

Hình 5 19 Thiết bị hâm giấm 68

Hình 5 20 Thiết bị chống phụt giấm 69

Hình 5 21 Thiết bị ngưng tụ cồn thô 70

Hình 5 22 Thiết bị làm nguội ruột gà 71

Hình 5 23 Thiết bị ngưng tụ nằm ngang 71

Hình 5 24 Thiết bị ngưng tụ cồn thô 72

Hình 5 25 Thiết bị làm nguội ruột gà 74

Hình 5 26 Thiết bị làm nguội dầu fusel 74

Hình 5 27 Thiết bị gia nhiệt 75

Hình 5 28 Thiết bị tách nước 77

Hình 5 29 Thiết bị ngưng tụ – làm nguội cồn thành phẩm 78

Hình 5 30 Thùng chứa cồn thành phẩm 79

Hình 5 31 Thùng chứa dầu fusel 80

Hình 5 32 Băng tải 80

Hình 5 33 Gàu tải 80

Hình 5 34 Bơm 81

Sơ đồ 3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cồn 960 từ ngô hạt 26

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

CHỮ VIẾT TẮT

FO : Dầu Fuel Oil (còn gọi là dầu mazut)

DO : Dầu Diesel

KCS : Phòng kiểm tra chất lượng

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, ngành công nghệ thực phẩm với các sản phẩm sản xuất bằng phương pháp sinh học đóng một vai trò ngày càng quan trọng và được áp dụng sản xuất rộng rãi Trong đó lĩnh vực sản xuất cồn etylic bằng phương pháp lên men cũng đóng góp một phần không nhỏ trong nền công nghiệp thực phẩm, cồn không chỉ được sử dụng để làm giàu nguồn thực phẩm cho xã hội mà đồng thời còn phục vụ cho một số ngành công nghiệp khác

Sản phẩm cồn nói chung và cồn 960 nói riêng không chỉ dừng lại ở sản xuất đồ uống có cồn mà còn được dùng trong nhiều lĩnh vực như dung môi trong công nghệ; quốc phòng; sử dụng làm chất tẩy uế hoặc sát trùng y tế; trong công nghiệp sản xuất mỹ phẩm, dược phẩm, dệt may,… Đặc biệt, cồn etylic còn được sử dụng như một nhiên liệu sinh học

Việt Nam là một đất nước mang nền khí hậu nhiệt đới gió mùa với đặc thù nền nông nghiệp phát triển Tại Việt Nam, sắn lát và gạo hiện là hai nguyên liệu chính trong công nghiệp sản xuất cồn bằng phương pháp lên men Tuy nhiên ngô với hàm lượng tinh bột cao và là loại cây lương thực quan trọng thứ hai sau lúa ở Việt Nam, đang được chú trọng phát triển, sản lượng và chất lượng ngày càng tăng cũng là một nguồn nguyên liệu quan trọng và ngày càng được sử dụng phổ biến trong công nghiệp sản xuất cồn

Ethanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn ethanol sử dụng làm nhiên liệu, được sản xuất bằng phương pháp lên men: khi một số loài men rượu

nhất định (quan trọng nhất là Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóa đường trong điều

kiện không có Oxy, chúng sản xuất ra ethanol và khí CO2 Để sản xuất ethanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột như hạt ngũ cốc thì tinh bột đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường Nồng độ của rượu trong các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chưng cất–tinh chế

Với những điều kiện tự nhiên, nguồn nguyên liệu, sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghiệp sản xuất cồn ở nước ta đang ngày càng mở rộng để phục vụ nhu cầu nội địa và xuất khẩu, vì vậy việc thiết kế và xây dựng nhà máy sản xuất cồn từ nguyên liệu ngô là hoàn toàn có thể

Trên cơ sở đó, em được giao đề tài “Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 0 từ nguyên liệu ngô hạt bằng phương pháp nghiền khô năng suất 1.000.000 lít sản phẩm/tháng.”

Chương 1: LẬP LUẬN KINH TẾ KỸ THUẬT

1.1 Vị trí xây dựng nhà máy

Vị trí địa lí: Khu công nghiệp Phú Bài, thuộc phường Phú Bài, thị xã Hương Thủy, tỉnh Thừa Thiên Huế

Khu công nghiệp Phú Bài có tổng diện tích hơn 800 ha, là khu công nghiệp đầu tiên của tỉnh Thừa Thiên Huế, đã được đầu tư hạ tầng kỹ thuật hoàn thiện, có nhiều điều kiện thuận lợi về giao thông, lao động, đã có nhà máy xử lý nước thải, kho ngoại quan và địa điểm làm thủ tục hải quan phục vụ nhu cầu xuất nhập khẩu tại chỗ

1.2 Đặc điểm tự nhiên

Khu công nghiệp Phú Bài nằm dọc theo tuyến quốc lộ 1A và đường sắt Bắc Nam; cạnh sân bay quốc tế Phú Bài; cách cảng biển Chân Mây 40km về phía Nam

Điều kiện khí hậu: Có nền nhiệt độ cao, đặc trưng cho chế độ khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm Nhiệt độ trung bình cả năm 250C Thừa Thiên Huế là một trong các tỉnh

có lượng mưa nhiều nhất nước ta Độ ẩm tương đối trung bình năm của không khí tăng theo độ cao địa hình và có giá trị từ 83÷87% tùy theo vùng cụ thể [1]

Hướng gió chủ đạo: Tây Nam [1]

1.3 Nguồn nguyên liệu

Thừa Thiên Huế là khu vực nằm gần hai trong số các vùng trồng Ngô chính ở Việt Nam là Vùng ngô Bắc Trung Bộ và Nam Trung Bộ [22]

Vùng ngô Bắc Trung bộ gồm các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị và Thừa Thiên-Huế Vùng ngô Nam Trung bộ gồm các tỉnh từ Đà Nẵng đến Bình Thuận Tổng diện tích bao gồm: 77.300 ha Nguồn nguyên liệu chủ yếu được thu mua từ hai vùng trồng ngô này

1.4 Hệ thống giao thông

Giao thông nội bộ: Đường trục chính, lộ giới 31m÷54m; đường nội bộ và đường gom, lộ giới: 19,5m KCN Phú Bài nằm dọc theo tuyến Quốc lộ 1A và tuyến đường sắt Bắc – Nam; cạnh sân bay quốc tế Phú Bài, cách cảng biển Chân Mây 40km về phía Nam, cảng biển Thuận An 15km về phía Bắc [23]

1.5 Nguồn cung cấp điện

Điện được cung cấp từ hệ thống điện lưới quốc gia có dọc theo quốc lộ 1A, KCN

Có 02 Trạm biến áp 110/22KV-25 MVA [23]

Ngoài ra để đảm bảo cho quá trình sản xuất diễn ra thuận lợi, liên tục và an toàn thì nhà máy cần có máy phát điện dự phòng

1.6 Nguồn cung cấp nước

Hệ thống cung cấp nước: Nhà máy nước Phú Bài, công suất 15.000 m3/ngày đêm

Đã có hệ thống đường ống cấp nước D50 phục vụ KCN [23]

1.7 Nguồn cung cấp hơi

Nhà máy sử dụng hơi đốt cung cấp từ lò hơi riêng của nhà máy Lò hơi sử dụng nhiên liệu là dầu DO, dầu FO , Các loại này được cung cấp từ các trạm xăng dầu của địa phương

1.8 Xử lý nước thải – Rác thải

Nước thải nhà máy sau khi xử lí được đưa ra hệ thống xử lí nước thải riêng của nhà máy, sau đó đến khu xử lí nước thải chung của khu công nghiệp và được thải ra ngoài đúng nơi quy định

Nhà máy xử lý nước thải KCN công suất 6.500 m3/ngày – đêm; công suất xử lý hiện nay: 2.000÷2.200 m3/ngày – đêm KCN còn có nhà máy xử lý rác thải Thủy Phương [23]

1.9 Nguồn nhân lực

Nhà máy tuyển lao động địa phương và các vùng lân cận Công nhân được tuyển phần lớn có trình độ học vấn lớp 9÷12, được học qua khóa đào tạo vận hành thiết bị và mọi hoạt động khác, chắc chắn sẽ được đội ngũ công nhân lành nghề, đảm bảo cho nhà máy hoạt động tốt

Đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật và quản lý: nhà máy sẽ tiếp nhận các kỹ thuật của các trường đại học trên toàn quốc Đây là lực lượng nòng cốt của nhà máy, được đào tạo cơ bản, dễ dàng nắm bắt được các tiến bộ của các thành tựu khoa học kỹ thuật mới của các nước tiên tiến trên thế giới, góp phần cải tiến kỹ thuật, công nghệ của nhà máy

1.10 Thị trường tiêu thụ

Cồn 960 có ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như công nghiệp hóa chất, trong y tế,… thị trường tiêu thụ mục tiêu là các tỉnh Miền Trung như Thừa Thiên Huế, Quảng Trị, Quảng Nam, Đà Nẵng, Quảng Ngãi… Nhà máy được xây dựng với tiêu chí là cung cấp cồn thực phẩm và cồn kĩ thuật cho thị trường Việt Nam và có thể xuất khẩu sang các nước lân cận

1.11 Năng suất nhà máy

Với những điều kiện về nguồn nguyên liệu, giao thông đi lại, và thị trường tiêu thụ sản phẩm rộng lớn thì việc thiết kế và xây dựng nhà máy sản xuất cồn 960 năng suất 1.000.000 lít sản phẩm/tháng là hoàn toàn có tính khả thi

Chương 2: TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về nguyên liệu

2.1.1 Ngô

2.1.1.1 Giới thiệu về ngô

Ngô có tên khoa học là Zea mays L Ngô

thuộc họ hòa thảo (Gramineae hay Poacea), là

một loại cây lương thực được thuần canh tại khu

vực Trung Mỹ và sau đó lan tỏa ra khắp châu Mỹ

Ngô lan tỏa ra phần còn lại của thế giới sau khi

có tiếp xúc của người châu Âu với châu Mỹ vào

Chứng cứ di truyền học gần đây cho rằng quá trình thuần dưỡng ngô diễn ra vào khoảng năm 7.000 TCN tại miền trung Mexico, có thể trong khu vực cao nguyên nằm giữa Oaxaca và Jalisco Có lẽ sớm nhất khoảng năm 1.500 TCN, ngô bắt đầu phổ biến rộng và nhanh [24]

Ngô được đưa vào Việt Nam cách đây khoảng 300 năm Dù là cây lương thực thứ hai sau lúa song do truyền thống lúa nước nên ngô không được chú trọng vì vậy chưa phát huy được tiềm năng của nó ở Việt Nam Những năm gần đây nhờ có những chính sách khuyến khích của Đảng, Chính phủ và có nhiều tiến bộ kĩ thuật, đặc biệt về giống, ngô đã có những bước tiến đáng kể trong tăng trưởng về diện tích, năng suất và sản lượng [3]

2.1.1.2 Phân loại ngô

Ngô có nhiều loại, dựa vào sự khác nhau về hình dáng hạt, mức độ trắng trong của nội nhũ và ý nghĩa sử dụng mà phân thành 6 loại sau:

Ngô đá (Z N Indurata): Ngô đá có đầu hạt tròn, hạt có màu trắng hay vàng có giống màu tím, nội nhũ trắng trong, chỉ một ít ở giữa hạt trắng đục Hàm lượng tinh bột 56÷75% Ngô đá hạt cứng, khó nghiền, dùng để chế biến gạo ngô, tỷ lệ thành phẩm cao [16]

Ngô bột (Z M Amylaceae): Bắp ngô có độ dài khoảng 17÷20cm Hạt đầu tròn hay hơi vuông, màu trắng, phôi lớn Nội nhũ trắng đục nên mềm và dễ hút nước khi ngâm Hàm lượng tinh bột của hạt ngô khoảng 55÷ 80% Chủ yếu dùng sản xuất bột, tinh bột

và sản xuất rượu bia [16]

Ngô răng ngựa (Z M Indentata): Bắp ngô răng ngựa khá to, dài tới 20÷25cm Hạt đầu lõm giống như răng ngựa, hạt có màu vàng hay trắng Nội nhũ ở hai bên hạt có

cấu tạo trong, phần còn lại có cấu tạo đục Hàm lượng tinh bột khoảng 60÷63% Tỷ lệ nội nhũ trắng đục nhiều hơn ngô đá nên hạt mềm hơn, khi nghiền được nhiều bột ít mảnh, dùng sản xuất bột và tinh bột [16]

Ngô đường(Z M Sacharata): Hạt ngô thường nhăn nheo, vỏ vàng hoặc trắng Hàm lượng tinh bột 25÷37%, dextrin và đường tới 19÷31% Tinh bột ngô đường có tới 60÷98% amiloza Thường chỉ để chế biến thức ăn điểm tâm và đóng hộp [16]

Ngô nổ (Z M Everta): Hạt ngô nổ đầu hơi nhọn, nội nhũ trắng trong hoàn toàn, rất cứng nên khó nghiền Hàm lượng tinh bột khoảng 62÷72% Thường dùng sản xuất bỏng và gạo ngô [16]

Ngô nếp (Z M Ceratina): Ngô nếp còn gọi là ngô sáp Hạt nhỏ, đầu tròn màu trắng đục Phần ngoài của nội nhũ có cấu tạo trong phần trung tâm trắng đục Hàm lượng tinh bột khoảng 60% Thành phần tinh bột gồm gần 100% amilopectin, tỉ lệ amiloza coi như không đáng kể Khi nấu chín, nội nhũ ngô nếp khá dẻo và dính Dùng chế biến thức ăn điểm tâm và đóng hộp [16]

Chọn loại ngô có hàm lượng tinh bột cao và được trồng phổ biến tại Việt Nam (Ngô răng ngựa) để sử dụng làm nguyên liệu cho nhà máy sản xuất cồn

2.1.1.3 Cấu tạo hạt ngô

Hạt của các giống ngô khác nhau nhưng đều cấu tạo gồm từ 5 phần chính: vỏ, phôi, nội nhũ, lớp aloron và chân hạt

Hình 2 2 Cấu tạo hạt ngô a) Vỏ hạt:

Là lớp màng mỏng bao bọc quanh hạt để bảo vệ hạt, có chiều dày khoảng 35÷60µm Nó được cấu tạo từ 3 lớp tế bào khác nhau và chứa các chất màu như vàng, tím, tím hồng [4] Lớp ngoài cấu tạo bởi lớp tế bào đa giác, lớp giữa bởi 5÷12 lớp tế bào,lớp trong bởi 5÷7 lớp tế bào nhu mô Thành phần chủ yếu của các tế bào này là cenllulose, hemicenllulose và pentose

b) Lớp aleurone

Nằm dưới lớp vỏ hạt, cấu tạo từ các tế bào hình tứ giác có thành dày, thông thường lớp aleurone không có màu nhưng cũng có thể có màu xanh do bị nhiễm sắc thể từ vỏ ngoài Khối lượng vỏ và lớp aleurone chiếm 5÷11% khối lượng toàn hạt [4]

c) Nội nhũ

Chiếm 75÷83% khối lượng hạt và chứa đầy tinh bột, được phân biệt thành hai miền khác nhau về hình dáng, cấu trúc tế bào và thành phần hóa học của tinh bột Miền ngoài màu vàng nhạt, đặc và cứng như sừng (gọi là miền sừng) miền trong màu trắng, xốp, nhiều gluxit, ít protein (gọi là miền bột) [4]

Tỉ lệ giữa nội nhũ sừng và nội nhũ bột thay đổi tùy thuộc vào giống ngô Ví dụ với ngô răng ngựa tỉ lệ này là 2:1 phụ thuộc vào tỉ lệ giữa nội nhũ sừng và nội nhũ bột mà nhìn bên ngoài nội nhũ hạt ngô có thể trong hay đục Ngô đá thì hầu như toàn bộ nội nhũ trong còn ngô bột thì nội nhũ đục hoàn toàn

Độ trong của nội nhũ là một chỉ số thể hiện phẩm chất tốt của ngô (giàu protein), thể hiện độ bền cơ học của ngô Ngô có độ trong lớn là ngô cứng, rắn, đòi hỏi chi phí năng lượng lớn hơn khi chế biến

dưỡng như protein, lipit, vitamin và phần lớn các enzym Phôi hạt có kích thước và

khối lượng lớn hơn so với phôi của các loại hạt cốc khác, thường chiếm 10÷14% khối lượng hạt [4]

Qua quá trình nghiền hoặc xay phôi dễ dàng tách ra khỏi nội nhũ hoặc nhờ nước bởi sự khác biệt về tỷ trọng Phôi ngô có chứa nhiều chất dự trữ để nuôi mầm phát triển, đặc biệt là lipit khiến cho hạt ngô chứa phôi trở nên khó bảo quản Phôi ngô chứa 20% tổng số đạm, hơn 80% chất béo, gần 75% tro của hạt, vì vậy phôi ngô được coi là bộ phận không ổn định nhất trong toàn bộ hạt ngô Do hàm lượng đạm và chất béo của phôi cao, nên phôi là thức ăn thích hợp với các loại sâu bọ [5]

Khi sản xuất ngô mảnh, ngô bột,… để bảo quản được tốt và dễ dàng trong chế biến, người ta thường loại bỏ phôi Phôi được loại ra, tự bản thân nó cũng trở thành sản phẩm của quá trình chế biến, cũng như có thể trở thành nguyên liệu tốt cho sản

xuất dầu thực vật (dầu ngô), sản xuất thức ăn dinh dưỡng,…

e) Chân hạt

Phần nối hạt với lõi ngô, chủ yếu là xơ và có nhiều mao dẫn Là thành phần cấu trúc thực vật không có lợi cho chế biến thực phẩm, cần phải loại bỏ Chủ yếu là xơ và

có nhiều mao dẫn nên thường có tỷ trọng nhỏ Đây chính là nguyên lý hình thành nên kỹ thuật sử dụng nước để loại tạp này, cùng với các tạp nhẹ khác, ra khỏi hạt ngô trong sản xuất ngô mảnh hay bột ngô

2.1.1.4 Thành phần hóa học của hạt ngô

Thành phần hóa học của hạt ngô thay đổi tùy theo điều kiện khí hậu, giống, loại ngô, kỹ thuật canh tác, đất đai Thành phần hóa học của hạt ngô phân bố không đều trong hạt, nó có tỉ lệ khác nhau giữa 3 phần chính là vỏ, nội nhũ và phôi như bảng sau:

Bảng 2 1 Thành phần hóa học trong các bộ phận chính của hạt ngô (%)

Bộ phận Tỉ lệ các phần (%) Nước Tinh bột Chất khô

b) Tinh bột

Tinh bột ngô chiếm khoảng 60÷70% khối lượng hạt Kích thước hạt tinh bột 10÷30µm, có hình đa giác hay tròn Khối lượng riêng của tinh bột khoảng 1,5÷1,6 Tinh bột ngô chứa 21÷30% amylose và 70÷79% amylopectin, nhưng cũng có những loại ngô chứa đến 100% amylopectin Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột trong ngô nằm trong khoảng 62÷720C [16]

c) Protein:

Protit của ngô rất phức tạp Cơ bản gồm 4 nhóm: Prolamin – gein (30÷50%) chỉ hòa tan trong cồn 80÷90%; glutelin (14÷20%) không hòa tan trong nước, muối và rượu nhưng dễ hòa tan trong kiềm loãng (0,2%); globulin (5÷8%) hòa tan trong dung dịch muối (thường NaCl 10%); anbumin (13÷30%) hòa tan trong nước [16]

d) Chất béo:

Trong ngô, chất béo chiếm khoảng 3,5÷6,5%, tuy nhiên cũng có những giống ngô lại tới 9÷14% Phần lớn chất béo (khoảng 82%) tập trung ở phôi Chất béo trong ngô tới 98% tổng lượng ở dạng glixerit của các axit béo [16]

e) Tro:

Ngô chứa khoảng 1,3% khoáng, chỉ ít hơn chất xơ 1 chút Thành phần của chất tro trong hạt ngô gồm phần lớn là P2O5, SO2, Na2O,…

Tro trong ngô gồm nhiều thành phần nhưng nhiều hơn cả là Photpho, oxit kim loại kiềm và kiềm thổ [16]

f) Các Vitamin của ngô:

Vitamin của ngô tập trung ở lớp vỏ ngoài và trong phôi Ngô tương đối giàu vitamin B1, chủ yếu tập trung ở phôi với vitamin E Ngô vàng giàu carotene (0,04mg%), còn vitamin PP thì rất ít [2]

2.1.1.5 Tính chất vật lý của hạt ngô

a) Màu sắc và mùi vị

Hạt ngô ở trạng thái bình thường có màu sắc và mùi vị tự nhiên phụ thuộc từng loại ngô Hạt đã nảy mầm hay hạt có độ ẩm cao mà đưa vào bảo quản thì vỏ hạt không sáng nữa mà chuyển sang màu đục hay màu nhạt Tùy theo mức độ hư hỏng mà màu

vỏ hạt thay đổi từ màu nhạt đến màu nâu sẫm

Nếu mùi vị đặc trưng hay có mùi vị lạ thì chất lượng hạt giảm Mùi vị lạ hình thành

do trong hạt đã xảy ra quá trình phân hủy các chất hữu cơ hoặc do hạt đã hấp thụ hơi của các chất khác mùi nha, mùi bốc hơi hay mùi thối

b) Kích thước và hình dạng:

Trong sơ chế và chế biến, người ta đã lợi dụng sự khác nhau về kích thước hạt, hình dạng và trạng thái bề mặt hạt (nhẵn hay xù xì, tròn hay dài…) để kết cấu máy phù hợp khi phân loại và làm sạch Ngoài ra kích thước và hình dạng hạt cũng có ảnh hưởng nhiều đến độ hỏng và tính tản rời của khối hạt

c) Độ lớn của hạt:

Hạt có độ lớn càng cao thì giá trị về tỉ lệ nội nhũ càng nhiều, khi chế biến thu được

tỉ lệ thành phần càng cao Để đánh giá độ lớn của hạt không đơn thuần căn cứ vào kích thước hạt mà cần lưu ý một số chỉ số liên quan như khối lượng hạt 1.000 hạt, độ to, độ

đồng đều,…

d) Độ trong:

Khi độ trong cao thì độ trắng cũng cao Thường hạt có độ trong cao thì hàm lượng protein của hạt cũng cao Độ trong của hạt phụ thuộc vào loại giống và khí hậu khi cây phát triển

e) Độ ẩm:

Lượng nước tự do chứa trong hạt phụ thuộc vào độ ẩm của không khí bao quanh khối hạt Độ ẩm của không khí bao quanh lớn thì hạt sẽ hút thêm ẩm và thủy phần tăng lên, ngược lại độ ẩm của không khí nhỏ thì hạt nhả bớt hơi ẩm và thủy phần giảm Hai quá trình hút và nhả hơi ẩm tiến hành song song với nhau cho tới khi đạt tới trạng thái cân bằng (thuỷ phần của hạt không tăng và không giảm) ở một điều kiện nhiệt độ và

độ ẩm nhất định Độ ẩm cân bằng của hạt thường từ 10÷35%

Do ảnh hưởng của độ ẩm tương đối không khí tới khối hạt không đều nhau Lớp hạt ở trên mặt và xung quanh tường kho, gần cửa nhà chẳng hạn thì do tiếp xúc nhiều với không khí nên thường có độ thuỷ phân cao hơn Trong quá trình chế biến và bảo quản hạt luôn luôn hút và nhả hơi ẩm

2.1.2 Nước

Trong công nghiệp sản xuất cồn, nước được sử dụng với các mục đích như: xử lí nguyên liệu, nấu nguyên liệu, làm nguội bán thành phẩm và thành phẩm, vệ sinh thiết bị, cấp nước cho lò hơi… Ngoài ra nước còn dùng cho phòng chữa cháy trong khu vực sản xuất Thành phần, tính chất hoá lý và chất lượng của nước ảnh hưởng trực tiếp tới kỹ thuật sản xuất, chất lượng sản phẩm và hiệu xuất thu hồi Trong công nghiệp sản xuất cồn, yêu cầu chất lượng nước giống như tiêu chuẩn cho nước sinh hoạt

Bảng 2 2 Chỉ tiêu của nước theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5502 : 2003)

Mùi, vị Không có mùi, vị lạ Hàm lượng CaO 50÷100

Độ trong (ống Dienert) 100ml Hàm lượng SO42- 0,5

Tổng số vi khuẩn hiếu khí <100 con/ml Hàm lượng F 0,3÷0,5

2.1.3 Nấm men

Trong lên men ethanol, giống nấm men sử dụng là Saccharomyces cereviseae Các

chủng của loài này thường được gọi là các nòi men rượu Giữa các nòi cũng có những đặc điểm riêng biệt khác nhau Với nguồn nguyên liệu là tinh bột và rỉ đường, người ta cũng dùng những nòi riêng cho thích hợp Khi chọn chủng nấm men để đưa vào sản xuất cần phải chú ý đảm bảo các yêu cầu sau đây:

− Có tốc độ phát triển nhanh trong dịch đường lên men

− Có khả năng lên men ở nhiệt độ tương đối cao, chịu được ở môi trường acid, có

pH khoảng 4÷4,5 hoặc thấp hơn

− Chịu được áp suất thẩm thấu lớn, tức là chịu được nồng độ của dịch lên men lớn

− Có khả năng chịu được ở độ cồn tương đối (khoảng trên 10o) trong quá trình lên men

− Lên men được nhiều loại đường như: Glucose, Fructose, Saccharose, maltose… Tạo nhiều sản phẩm chính và ít sản phẩm phụ

Saccharomyces cerevisiae được sử dụng chính trong công nghiệp cồn – rượu

etylic, loài này có đặc điểm là lên men đường từ tinh bột được triệt để hơn các loài khác, vì chúng có khả năng lên men được các dextrin cuối (sản phẩm trung gian trong quá trình đường hóa tinh bột)

Để sản xuất cồn từ nguyên liệu tinh

bột có thể dùng các chủng II, XII, M,

R211 hay chủng MTB,

Trong công nghiệp sản xuất cồn, chọn

nấm men chủng XII để lên men dịch

đường từ tinh bột Chủng XII được xem là

tốt nhất để lên men dịch đường từ tinh bột Hình 2 3 Saccharomyces cerevisiae [20] Phát triển và sinh sản của nòi này rất nhanh Nó có thể lên men được glucose, galactose, maltose, mannose, 1/3 raffinose và có thể tạo thành 13% cồn trong môi trường lên men [2] Chủng XII thuộc loại lên men nổi, được phân bố rất đều trong toàn

bộ dịch lên men, không tạo thành đám trắng và có khả năng lên men ở nhiệt độ cao Thời gian lên men 72 giờ Đặc biệt nó còn có khả năng lên men nhiều loại tinh bột khác nhau như gạo, ngô, khoai, sắn,… với lượng đường trong dung dịch có thể lên đến 16÷18% [6]

Các yếu tố ảnh hưởng đến Nấm men chủng XII:

− Nhiệt độ: chúng hoạt động tốt ở nhiệt độ 28÷320C, nhiệt độ tối thiểu là 50C và tối đa là 380C [14]

− pH: trong môi trường pH= 2÷8 chúng vẫn có thể phát triển nhưng pH tối thích

là 4,5÷5 Tuy nhiên để tránh nhiễm khuẩn nên người ta thường khống chế ở pH=3,8÷4

− Nồng độ rượu: ảnh hưởng đến tốc độ và khả năng phát triển của nấm men Cùng một môi trường nuôi cấy, số lượng nấm men bằng nhau, điều kiện nuôi cấy giống nhau thì nồng độ rượu 1% chưa ảnh hưởng nhưng từ 4÷6% thì ảnh hưởng xấu

− Oxy: nấm men là loại vi sinh vật kị khí không bắt buộc Trong điều kiện không

có oxy sẽ lên men tạo rượu và CO2, còn có đầy đủ oxy sẽ oxy hóa đường thành rượu

và CO2, tăng sinh khối Vì vậy, oxy là thành phần giúp phát triển sinh khối, nhưng nó lại là nguyên nhân gây hư hỏng rượu trong công đoạn tiếp theo

2.1.4 Các chất hỗ trợ kỹ thuật

2.1.4.1 Các hóa chất

Axit sunfuric có tác dụng điều chỉnh pH môi trường, tiêu diệt vi sinh vật lạ trong quá trình đường hóa

Ure cung cấp để đảm bảo lượng đạm cho nấm men sinh trưởng, phát triển tạo ra nhiều rượu

Nhóm các hóa chất xử lý nước như: than hoạt tính, hạt nhựa,…

Hóa chất sát trùng như Na2SiF6 bổ sung trong quá trình đường hóa để hạn chế và

ngăn chặn sự nhiễm khuẩn trong quá trình đường hóa

2.1.4.2 Chế phẩm enzyme

Các chế phẩm enzyme được sử dụng để xúc tác cho quá trình dịch hóa và thủy phân tinh bột thành đường lên men, nâng cao hiệu xuất đường hóa Để dịch hóa và thủy phân tinh bột trong công nghệ sản xuất cồn, sử dụng hai chế phẩm enzyme của hãng Novo Đan Mạch: Termamyl 120L dùng để dịch hóa khi nấu và SAN super 240L dùng để đường hóa

Enzyme Termamyl 120L (Novo Nordisk – Đan Mạch) là chế phẩm enzyme chịu nhiệt lên tới 105÷1100C, thuộc nhóm α-amylase (EC 3.2.1.1), được sản xuất bởi vi

khuẩn Bacillus licheniformis Termamyl 120L hoạt động tối ưu ở điều kiện nhiệt độ

850C Termamyl xúc tác thủy phân tinh bột thành các dextrin hòa tan và oligosacarit

pHopt=5÷7, Topt = 50÷950C [17]

SAN super 240L là chế phẩm enzyme được tối ưu hóa có chứa chủ yếu là amyloglucosidase, alpha-amylase, protease và glucanase Các điều kiện làm việc chung cho SAN Super 240L là nhiệt độ 30÷650C (85÷1500F) và pH 4,0÷6,0 Các điều kiện tối ưu là 600C và pH=5

Kết luận: Trong quá trình nấu, sử dụng Termamyl 120L để thủy phân tinh bột thành dextrin, Termamyl được dùng vì nó có thể hoạt động ở nhiệt độ lên đến 1050C Trong quá trình nấu, enzyme Termamyl được bổ sung 0,02÷0,03% so với tổng lượng tinh bột [14]

Trong quá trình đường hóa sử dụng chế phẩm SAN super 240L để tăng hiệu suất đường hóa với hàm lượng 0,8÷1% so với tổng lượng tinh bột [14]

2.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất

Ethanol có thể được sản xuất bằng phương pháp hóa học hoặc phương pháp sinh học Hiện nay trên thế giới, ethanol được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp sinh học Sản phẩm thu được từ phương pháp sinh học gọi là cồn thực phẩm, nó không chỉ được sử dụng trong trong công nghiệp mà đặc biệt còn có thể sử dụng trong công nghệ thực phẩm với nhiều mục đích khác nhau Phương pháp sinh học tạo ít sản phẩm phụ

và an toàn Trong phương pháp này, người ta có thể sử dụng nhiều nguồn nguyên liệu như:

- Nguyên liệu chứa tinh bột: gạo, ngô, khoai mì, lúa mạch, khoai tây,…

- Nguyên liệu chứa đường: mật rỉ, nước ép mía, dịch chiết từ củ cải đường,…

- Nguyên liệu chứa cellulose như bã mía, mạt cưa,…

- Những nguồn nguyên liệu khác: huyết thanh sữa (phụ phẩm của công nghiệp sản xuất phô mai), waste sulphite – liquor (phụ phẩm công nghiệp sản xuất giấy),…

Ở Việt Nam, những nguồn nguyên liệu chính được dùng để sản xuất ethanol là gạo, khoai mì, mật rỉ từ mía và ngô

2.2.1 Quá trình nghiền

2.2.1.1 Cơ sở lý thuyết

Quá trình nghiền là quá trình tác dụng lực cơ học vào nguyên liệu để phân chia nguyên liệu thành nhiều phần tử nhỏ có kích thước phù hợp với yêu cầu sản xuất [11] Mục đích của quá trình nghiền làm làm cho diện tích bề mặt riêng tăng lên, làm tăng hiệu quả cho quá trình truyền nhiệt, thuận lợi cho quá trình nấu ở sau Tăng diện tích bề mặt cũng sẽ giúp quá trình đường hóa cũng như lên men diễn ra thuận lợi hơn Mật độ vi sinh vật trên vật liệu tăng và các phản ứng được xúc tác bởi enzyme sẽ dễ dàng hơn

Hiện nay có 2 phương pháp chính để sản xuất ethanol từ ngô là phương pháp nghiền ướt và nghiền khô

2.2.1.2 Phương pháp nghiền khô

Theo phương pháp nghiền khô, ngô sau khi được thu nhận sẽ qua quá trình xử lí (loại tạp chất, nghiền mịn, tách phôi) thì sẽ bổ sung nước để nấu tạo thành một hỗn hợp dịch ngô – nước để thực hiện quá trình đường hóa Ngô sau khi được nấu chín sẽ được bổ sung enzyme để lên men các loại đường, hỗn hợp thu được gồm ethanol và các chất rắn Quá trình chưng cất được thực hiện để tiến hành thu hồi được sản phẩm ethanol, các chất rắn còn lại sẽ được sấy khô để sản xuất bã rượu và được xem như là một thành phần để bổ sung vào thức ăn gia súc

Phương pháp nghiền khô được sử dụng phổ biến hiện nay, tuy nhiên phương pháp này có nhiều nhược điểm như hiện tượng tăng nhiệt, oxy hóa một số chất do tiếp xúc với oxy, sinh nhiều bụi, Để khắc phục nhược điểm này thì có thể sử dụng phương

pháp nghiền ướt để sản xuất ethanol

2.2.1.3 Phương pháp nghiền ướt

Nhằm để khắc phục một số nhược điểm của phương pháp nghiền khô như hiện tượng tăng nhiệt, hiện tượng oxy hóa một số chất do tiếp xúc với oxy, sinh nhiều bụi,… phương pháp nghiền ướt có thể sử dụng Trong quá trình nghiền ướt, nguyên

liệu được trộn với chất lỏng (thường là nước) để tạo thành hỗn hợp, sau khi nghiền, hỗn hợp này được xem như là huyền phù Tuy nhiên hạn chế của phương pháp nghiền ướt là tiêu hao năng lượng cho quá trình nghiền thường cao hơn so với phương pháp nghiền khô tương ứng Thông thường quá trình nghiền ướt được sử dụng cho mục đích nghiền tinh

Sử dụng phương pháp nghiền khô cho nhà máy sản xuất cồn Tuy có một số hạn chế nhưng phương pháp này đơn giản và tiết kiệm năng lượng hơn so với phương pháp nghiền ướt Phương pháp nghiền khô được sử dụng phổ biến hiện nay

2.2.2 Quá trình tách phôi

Để tách phôi thường dùng máy tuyển nổi hay xiclon nước dựa theo sự khác nhau

về tỷ trọng giữa phôi và các mảnh nội nhũ Biết rằng phôi chứa khoảng 50÷55% chất béo (tính theo phôi ngô) nên tỷ trọng của phôi nhỏ hơn tỷ trọng các mảnh nội nhũ, khi khuấy trộn vào nước phôi sẽ nổi lên trên mặt nước đi ra ngoài, còn ngô mảnh nặng hơn sẽ chìm xuống dưới Vì máy tuyển nổi cồng kềnh nên xiclon nước được sử dụng chủ yếu trong các nhà máy [16]

2.2.3 Quá trình nấu

2.2.3.1 Cơ sở lý thuyết

Hạt tinh bột của nguyên liệu luôn nằm trong các màng tế bào, khi nghiền chỉ một phần các màng bị phá vỡ, màng tế bào còn lại sẽ ngăn cản sự tiếp xúc của enzyme 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 nấu nguyên liệu là nhằm phá vỡ màng tế bào của tinh bột, tạo điều kiện biến chúng thành trạng thái hòa tan trong dung dịch

Trong quá trình nấu, phần lớn màng tế bào của nguyên liệu vẫn giữ nguyên cấu tạo của chúng và chỉ bị phá vỡ khi khuấy trộn hoặc phóng cháo qua van hẹp sang thiết bị lớn hơn Lúc đó sẽ xảy ra hiện tượng tự bay hơi nước trong tế bào, thể tích hơi tăng khoảng 1.500 lần so với thể tích nước trong tế bào, nhờ đó màng tế bào bị phá vỡ và tinh bột được giải phóng Tính chất này được áp dụng để chế tạo các thiết bị nấu liên tục

Có thể nói nấu nguyên liệu là quá trình ban đầu nhưng rất quan trọng trong sản xuất cồn etylic Các quá trình kỹ thuật tiếp theo tốt hay xấu phụ thuộc rất nhiều vào kết quả nấu nguyên liệu [14]

2.2.3.2 Các phương pháp nấu [14]

a) Nấu gián đoạn

Đặc điểm: Toàn bộ quá trình nấu được thực hiện trong cùng một nồi

Ưu điểm: Đơn giản Tốn ít vật liệu để chế tạo thiết bị

Nhược điểm: Tốn hơi vì không sử dụng được hơi thứ Nấu ở áp suất và nhiệt độ cao, thời gian dài nên gây tổn thất nhiều đường

b) Nấu bán liên tục

Đặc điểm: Tiến hành ba nồi khác nhau Nấu sơ bộ, nấu chín là gián đoạn, nấu chín thêm là liên tục

Ưu điểm: Giảm được thời gian nấu, áp suất, nhiệt độ do đó giảm được tổn thất và tăng hiệu suất Nhờ sử dụng hơi thứ và nấu sơ bộ nên tiết kiệm được lượng hơi dùng cho nấu rất nhiều

Nhược điểm: Tốn nhiều kim loại để chế tạo thiết bị

c) Nấu liên tục

Đặc điểm: Nấu trong nhiều nồi khác nhau Tất cả đều là liên tục

Ưu điểm: Tận dụng hơi thứ Nấu ở nhiệt độ thấp hoặc thời gian ngắn Tiêu hao vật liệu giảm so bán liên tục Dễ cơ giới hóa, tự động hóa và ít tốn diện tích đặt thiết bị Nhược điểm: Các điều kiện nghiêm ngặt như kích thước bột và điện, hơi, nước cung cấp phải ổn định

Kết luận: Chọn phương pháp nấu liên tục cho nhà máy sản xuất cồn Phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn so với nấu gián đoạn và bán liên tục, dễ cơ giới hóa, tự động hóa và phù hợp với quy mô công nghiệp

2.2.3.3 Các biến đổi trong quá trình nấu

a) Sự trương nở và hòa tan tinh bột [14]

Trương nở là tính chất của những cao phân tử rắn có khả năng hút dung môi để làm tăng thể tích Sự trương nở của các chấ trong nguyên liệu luôn kèm theo hiện tượng hiệu ứng nhiệt, co thể tích và giảm độ bay hơi so với dung môi nguyên chất

Khi tăng nhiệt độ thì áp suất thẩm thấu, sự hút nước và độ trương nở sẽ tăng, hạt tinh bột sẽ hút nước khoảng 25÷30 lần nhiều hơn so với thể tích hạt Amyloza dễ hòa tan trong nước nóng và bắt đầu khuếch tán vào môi trường xung quanh Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ tới giới hạn xác định thì dưới tác dụng của lực thẩm thấu (lực trương nở) các hạt tinh bột sẽ hút nước và tăng thể tích, có thể từ 50÷100 lần Do đó các nối liên kết giữa các phân tử sẽ yếu dần và bị đứt, lúc đó hạt tinh bột sẽ được giải phóng và xảy

ra hiện tượng hồ hóa

Nhiệt độ hồ hóa phụ thuộc vào nguyên liệu và kích thước hạt tinh bột Tinh bột của bất kỳ nguyên liệu nào cũng gồm một hỗn hợp chứa nhiều hạt có kích thước khác nhau, nên trong thực tế luôn tồn tại một khoảng nhiệt độ hồ hóa Ví dụ tinh bột khoai tây có nhiệt độ hồ hóa trong khoảng 55÷650C, tinh bột gạo 65÷850C, tinh bột ngô 50÷1150C,…

b) Những biến đổi của hemixenluloza, xenluloza, pectin

Trong quá trình nấu nguyên liệu, ở điều kiện môi trường axit yếu xenluloza không bị thủy phân Hemixenluloza cấu tạo chủ yếu từ pentozan có bị thủy phân ít nhiều Sự thủy phân này bắt đầu từ khi chuẩn bị dịch bột do tác dụng của xitaza chứa trong nguyên liệu và được tiếp tục trong quá trình nấu do tác dụng của ion H+ và nhiệt

độ cao Kết quả là tạo ra một lượng nhỏ dextrin và các hợp chất có phân tử thấp, kể cả đường 5 cacbon – arabinoza và kxiloza [14]

c) Những biến đổi của tinh bột và đường

Khi nấu có một lượng nhỏ tinh bột biến thành đường và dextrin do tác dụng của amylaza chứa trong nguyên liệu Sự có mặt của các chất đường trong dịch bột chưa nấu là điều không mong muốn vì sẽ gây tổn thất khi đun đến nhiệt độ cao Do đó khi nấu sơ bộ cần tăng nhanh nhiệt độ trong giới hạn từ 50÷600C nhằm rút ngắn thời gian

để hạn chế hoạt động của amylaza

Đường chứa trong nguyên liệu chủ yếu là saccaroza, glucoza, fructoza và một ít maltoza được tạo thành trong thời gian nấu Ở nhiệt độ cao các đường sẽ bị phân hủy

và mất nước để tạo thành caramen, furfurol, oxymetyl, melanoidin Mức tạo các chất được sắp xếp theo thứ tự: Tạo melanoidin > furfurol > caramen [14]

2.2.4 Quá trình đường hóa

2.2.4.1 Cơ sở lý thuyết

Đường hóa là quá trình dùng tác nhân để chuyển hóa tinh bột thành đường dễ lên men Quá trình này đóng vai trò qua trọng trong công nghệ sản xuất cồn etylic Nó quyết định phần lớn hiệu suất thu hồi cồn sau lên men Muốn đạt hiệu quả cao trong quá trình thủy phân tinh bột thì vấn đề quan trọng trước tiên là tác nhân đường hóa Trước kia người ta hay dùng axit HCl hoặc H2SO4 để thủy phân tinh bột, nhưng hiện nay rất ít dùng vì giá thành cao mà hiệu suất thu hồi thấp Ở nhiều nước Châu Âu vẫn còn dùng amylaza của thóc mầm (malt đại mạch) để thủy phân tinh bột trong sản xuất rượu, nhưng hiện nay phần lớn các nước đều dùng phương amylaza nhận được từ nuôi cấy vi sinh vật Ở Việt Nam đa số các nhà máy cồn đều dùng amylaza thu được từ nấm mốc, mấy năm gần đây có mua thêm chế phẩm amylaza của hãng Novo Đan Mạch để dùng trong nấu, dịch hóa và đường hóa [14]

2.2.4.2 Các phương pháp đường hóa

a) Đường hóa gián đoạn

Tất cả quá trình đường hóa chỉ diễn ra trong một nồi duy nhất

Ưu điểm: Thiết bị đơn giản dễ chế tạo, dễ thao tác, vận hành, sữa chữa, hoạt độ

enzyme ít bị giảm do ít tiếp xúc với nhiệt độ cao

Nhược điểm: Không hạn chế được lão hóa tinh bột do enzyme cho vào khi dịch bột ở 700C Năng lượng tốn nhiều do cánh khuấy bị cản trở lớn (dịch đặc, độ nhớt cao)

Khó cơ giới hóa tự động hóa, năng suất thấp Chất lượng dịch đường không ổn định,

dễ bị nhiễm trùng hơn so với phương pháp liên tục

b) Đường hóa liên tục

Quá trình đường hóa được thực hiện trong các thiết bị khác nhau, dịch cháo và enzyme amylaza liên tục đi vào hệ thống, dịch đường liên tục đi sang bộ phận lên

men

Ưu điểm: Thời gian đường hóa ngắn, tăng công suất thiết bị Dịch cháo ít bị lão hóa vì dịch cháo được làm nguội tức thời Hoạt tính amylaza ít bị vô hoạt do thời gian tiếp xúc với nhiệt độ cao được rút ngắn Dễ cơ khí và tự động hóa, cho phép tăng năng suất lao động Năng lượng sử dụng giảm do thời gian đường hóa giảm Tiết kiệm được diện tích nhà xưởng Giảm được khả năng nhiễm trùng do dịch đường hóa đi trong hệ thống kín Chất lượng dịch đường ổn định Khi kết hợp việc làm nguội bằng chân không phương pháp này cho phép nấu cháo ở nồng độ loãng hơn do đó giảm được tổn thất đường khi nấu

Nhược điểm: Thiết bị phức tạp Yêu cầu về điện, nước đầy đủ và ổn định Yêu cầu cao về kỷ thuật vận hành thiết bị Vệ sinh, sữa chữa cần có kế hoạch cụ thể

Dựa vào những phân tích ưu nhược điểm trên, chọn phương pháp đường hóa liên tục cho nhà máy sản xuất cồn 960

2.2.5 Quá trình lên men

2.2.5.1 Cơ sở lý thuyết

Quá trình lên men rượu là quá trình yếm khí, chuyển hoá đường thành rượu, giải phóng CO2và toả nhiệt

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + Q

Nấm men hấp thụ cơ chất vào tế bào, nhờ hoạt động của ezyme zymaza chuyển

hóa đường thành rượu và CO2

Rượu etylic được tạo thành khuyếch tán ra môi trường bên ngoài qua màng tế bào Rượu hòa tan trong nước ở bất kỳ tỉ lệ nào nên khuyếch tán rất nhanh CO2 cũng khuyếch tán vào nước nhưng độ hoà tan không lớn Khi bão hoà, CO2 bao quanh màng

tế bào nấm men thành bọt khí Bọt khí CO2 và tế bào nấm men thường dính liền nhau Bọt khí CO2 lớn đến mức độ nhất định thì lôi kéo bọt khí và tế bào nấm men cùng nổi lên trên bề mặt dung dịch Đến bề mặt của dung dịch do sức căng của bề mặt nên bọt khí bị vỡ, CO2 thoát ra ngoài, tế bào nấm men lúc này chìm xuống

Quá trình này diễn ra liên tục nên đã làm tế bào nấm men từ trạng thái không chuyển động sang trạng thái chuyển động làm tăng quá trình tiếp xúc giữa nấm men và

cơ chất nên quá trình lên men tăng nhanh

Tốc độ lên men rượu có thể xác định trực tiếp bằng lượng đường lên men hoặc gián tiếp xác định lượng rượu được tạo thành và lượng CO2 thoát ra trong một đơn vị thời gian từ đó cũng có thể xác định nhanh tốc độ lên men bằng cách đo nồng độ biểu kiến của dịch lên men [5]

Hình 2 4 Đường cong lên men (theo Lêbêdep) [14]

Theo hình 2.9 nhận thấy lên men được chia làm ba giai đoạn: Lên men sơ bộ, lên men chính và lên men phụ

Lên men sơ bộ kéo dài khoảng 60 giờ sự sinh trưởng của nấm men rất chậm, bởi

do sống trong môi trường mới nên đây có thể gọi là giai đoạn thích nghi Trong giai đoạn này cơ chất sử dụng ít nên sinh tổng hợp ít cồn và CO2

Lên men chính là giai đoạn lên men chính kéo dài trong khoảng thời gian từ 60÷120 giờ, nấm men sinh trưởng và phát triển ở mức độ cực đại, cơ chất sử dụng nhiều sinh nhiều cồn và CO2, sự lên men sau mỗi giờ tăng mạnh Cuối giai đoạn này tế bào nấm men già nên lên men chậm lại Thời kì này có sự biến đổi sâu sắc về thành phần trong môi trường, ảnh hưởng đến kết quả lên men

Lên men phụ là giai đoạn lên men phụ biểu hiện đường cong lên men là sự đi xuống tiệm cận trục hoành Tốc độ lên men rất chậm vì lượng đường trong dịch ít

2.2.5.2 Các phương pháp lên men

a) Lên men gián đoạn

Đặc điểm: Quá trình lên men chỉ diễn ra trong một thiết bị duy nhất, thời gian lên men kéo dài

Ưu điểm: Thao tác đơn giản, thiết bị dễ vệ sinh, sữa chữa, hiệu suất khá Ít bị nhiễm hàng loạt, nếu có thì chỉ xảy ra trong phạm vi của thùng lên men đó, xử lý đơn giản hơn

Nhược điểm: Chất lượng lên men không đồng đều, hiệu suất lên men thấp, thời gian lên men dài so với phương pháp khác

b) Lên men bán liên tục

Đặc điểm: Phương pháp này có sự kết hợp của 2 phương pháp: lên men liên tục ở giai đoạn lên men chính và lên men gián đoạn ở giai đoạn cuối Phương pháp này được cải tiến từ lên men gián đoạn và được áp dụng cho các nhà máy có công suất thấp hoặc trung bình, chưa có đủ điều kiện và nhu cầu cải tiến chưa thực sự cần thiết

Ưu điểm: Đơn giản, rút ngắn được chu kỳ lên men, đảm bảo được thời gian lên men cuối, nâng cao hiệu suất lên men Tế bào nấm men liên tục sinh sản trong giai đoạn lên men chính do đó không cần sử dụng nấm men giống thường xuyên

Nhược điểm: Thao tác phức tạp hơn, yêu cầu theo dõi chặt chẽ hơn so với lên men gián đoạn, các thiết bị lên men được nối với nhau bởi một đường ống chung nên lắp đặt phức tạp, cần chú ý việc giải phóng dấm chín và vệ sinh sát trùng các thùng, đặc biệt là các thùng đầu dây

c) Lên men liên tục

Đặc điểm: Dịch đường và nấm men giống liên tục đi vào và dịch dấm chín liên tục

đi ra Dịch đường phải đi qua nhiều các thùng lên men: Thùng lên men chính, các thùng lên men tiếp theo là lên men phụ Nhiệt độ lên men thấp hơn so với lên men gián đoạn

Ưu điểm: Hiệu suất lên men tăng, dễ cơ giới hóa và tự động hóa, thời gian lên men được rút ngắn, hạn chế được nhiễm tạp khuẩn do lượng nấm men giống ban đầu cao, chất lượng dấm chín là ổn định

Nhược điểm: Khi nhiễm tạp thì rất khó xử lý nên đòi hỏi vô trùng cao, vệ sinh, sữa chữa thiết bị cần có kế hoạch cụ thể, yêu cầu về kỹ thuật cao, điện nước ổn định [6] Dựa vào sự phân tích các ưu nhược điểm của các phương pháp, lựa chọn phương pháp lên men liên tục cho nhà máy sản xuất cồn

2.2.6 Quá trình chưng cất và tinh chế

2.2.6.1 Cơ sở lý thuyết về chưng cất

Chưng cất là quá trình tách rượu và các tạp chất dễ bay hơi khỏi giấm chín dựa vào

sự khác nhau về nhiệt độ sôi (áp suất bay hơi), đồng thời thu được cồn thô

Các phương pháp chưng cất rượu thông thường không thể đạt tới nồng độ trên 95,57% theo khối lượng Muốn có nồng độ rượu cao hơn phải dùng các phương pháp chưng cất đặc biệt [14]

2.2.6.2 Cơ sở lý thuyết tinh chế

Mục đích của tinh chế rượu là tách các tạp chất trong rượu thô ra khỏi rượu etylic

và nâng cao độ rượu đạt tiêu chuẩn chất lượng quy định, mặt khác cũng nâng cao nồng

độ tạp chất và thu hồi để sử dụng [14]

2.2.6.3 Các phương pháp chưng cất – tinh chế [14]:

a) Chưng luyện gián đoạn

Đặc điểm: Giấm chín được bơm vào thùng chứa chưng cất 1, sau đó mở hơi đun cho tới sôi Hơi rượu bay lên theo chiều cao tháp 2 và được nâng cao nồng độ ra khỏi tháp thiết bị ngưng tụ và làm lạnh rồi vào thùng chứa

Ưu điểm: Đơn giản, dễ thao tác, tốn ít thiết bị

Nhược điểm: Hiệu suất thu hồi rượu thấp do rượu còn lại trong bã nhiều Tốn hơi

do dấm chín đưa vào không được đun nóng bằng nhiệt ngưng tụ của cồn thô Thời gian cất kéo dài

b) Phương pháp chưng luyện bán liên tục (chưng gián đoạn, luyện liên tục)

Phương pháp này khắc phục được nhược điểm của chưng cất và tinh chế gián đoạn nhưng chưa triệt để và hiệu quả kinh tế của hệ thống chưa cao

c) Phương pháp chưng luyện liên tục

Chưng cất liên tục khắc phục được các nhược điểm trên của chưng cất gián đoạn

và bảo đảm hiệu quả kinh tế cao hơn Chưng luyện liên tục có thể thực hiện theo nhiều

sơ đồ khác nhau: 2 tháp, 3 tháp, 4 tháp Từ đó chia thành chưng luyện theo hệ thống một dòng (gián tiếp) hoặc hai dòng (vừa gián tiếp và vừa trực tiếp)

Hệ thống hai tháp gián tiếp một dòng: Hệ thống này tuy có tiên tiến hơn hệ thống chưng luyện gián đoạn và bán liên tục nhưng chất lượng cồn chưa cao hoặc muốn thu nhận cồn tốt phải tăng lượng cồn đầu lấy ra Sơ đồ gián tiếp một dòng có ưu điểm là

dễ thao tác, chất lượng cồn tốt và ổn định nhưng tốn hơi

Hệ thống ba tháp làm việc gián tiếp: Hệ thống cho phép nhận 70÷80% cồn loại I theo tiêu chuẩn TCVN 71, 20÷30% cồn loại II, 3÷5% cồn đầu Sơ đồ vừa gián tiếp vừa trực tiếp, hai dòng có ưu điểm là tiết kiệm được hơi nhưng đòi hỏi tự động hóa tốt

và chính xác

Sơ đồ chưng luyện 3 tháp và một tháp fusel: Hệ thống này khác với hệ thống khác

là dầu fusel được lấy ra nhiều hơn rồi đưa vào tháp riêng gọi là tháp fusel Tinh luyện theo phương pháp này có ưu điểm tách dầu fusel triệt để hơn, nhưng có nhược điểm là

có tổn thất rượu trong dầu

Sơ đồ chưng luyện 4 tháp (thêm một tháp làm sạch): Cồn thu được sau khi qua 3 tháp đầu không làm nguội mà được đưa vào tháp làm sạch để tách tạp chất đầu và tạp chất cuối Do vậy chất lượng cồn được nâng cao

Kết luận: Chọn phương pháp chưng cất hai tháp gián tiếp một dòng kết hợp với quá trình tách nước để sản xuất cồn 960 là phù hợp

2.2.7 Quá trình tách nước

2.2.7.1 Cơ sở lý thuyết

Do hiện tượng điểm đẳng phí của hỗn hợp ethanol-nước, nên sau công đoạn chưng cất thông thường, ethanol thu được chỉ đạt nồng độ tối đa 95,57% (v/v) Để đạt được cồn 96% (v/v), ethanol sau khi tinh chế được đưa qua công đoạn tách nước

2.2.7.2 Các phương pháp tách nước

a) Công nghệ chưng cất sử dụng hỗn hợp 3 cấu tử (như benzen)

Hệ đẳng phí là hệ gồm các cấu tử có nhiệt độ sôi gần bằng nhau Để phá vỡ điểm sôi hỗn hợp nhằm thực hiện việc chưng cất thì một lượng nhỏ benzen có thể thêm vào Benzen tạo ra điểm sôi hỗn hợp cấp ba với nước và ethanol nhằm loại bỏ ethanol ra khỏi nước, và điểm sôi hỗn hợp cấp hai với ethanol loại bỏ phần lớn benzen Ethanol được tạo ra không chứa nước

Yêu cầu của chất mới thêm vào: Có độ bay hơi lớn hơn các cấu tử tỏng hỗn hợp Tạo hỗn hợp đẳng phí với cấu tử cần tách (hoặc tạo hỗn hợp đẳng phí với 3 cấu tử) ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của hỗn hợp đẳng phí ban đầu Không hòa tan cấu tử cần tách, dễ dàng thu hồi và rẻ tiền, dễ kiếm

Ưu điểm: Công ghệ tương đối đơn giản, dễ vận hành

Nhược điểm: Tốn dung môi, tốn nhiệt làm bay hơi dung môi trong quá trình chưng cất, trong một số trường hợp dung môi có tính độc nên nếu thất thoát sẽ gây ô nhiễm môi trường

b) Công nghệ hấp phụ nước bằng rây phân tử (Zeolit)

Zeolit là các aluminosilicat tinh thể có cấu trúc không gian 3 chiều với hệ thống lỗ xốp đặc biệt và rất trật tự nên được gọi là rây phân tử Hệ mao quản trong zeolit có kích thước cỡ phân tử, dao động khoảng từ 3÷12A0

Nguyên tắc của phương pháp: Dựa vào kích thước mao quản của zeolit, chất hấp phụ này có thể hấp phụ những phân tử có kích thước nhỏ hơn kích thước mao quản và không hấp phụ những phân tử có kích thước lớn Khi sử dụng zeolit để hấp phụ sản xuất cồn tuyệt đối, bản chất là chất hấp phụ chọn lọc nước trong hỗn hợp nước và ethanol có nồng độ thấp hơn

Kích thước động học của ethanol là 4A0 > 3A0

Kích thước động học của nước là 2,5A0 < 3A0

Khi nhả hấp phụ dùng các tác nhân: Hơi nước bão hòa hoặc hơi nước quá nhiệt, hơi của các chất hữu cơ, khí trơ, … Nhả hấp phụ có thể tiến hành ở nhiệt độ cao hoặc thấp, ở áp suất thường, áp suất dư hoặc áp suất thấp (trong chân không)

Phương pháp hấp phụ nước bằng rây phân tử có các ưu điểm: Sử dụng ít nhân công, vận hành ổn định, hiệu suất thực tế gần với thiết kế, tiêu hao hơi thấp, hệ thống làm việc hoàn toàn tự động, hiện đại

c) Dùng Na 2 SO 4 , CaSO 4 , CaCO 3 , CuSO 4 khan hấp thụ nước

Phương pháp này dựa vào tính háo nước của Na2SO4, CaSO4, CaCO3, CuSO4 khan Sau khi hấp thụ nước chúng sẽ được đun nóng để tái sinh chất hấp thụ

Nhược điểm: Phương pháp này cho hiệu suất thu hồi rượu thấp ( từ 60÷65% so với nguyên liệu thô ban đầu, chỉ thích hợp với việc sản xuất có công suất nhỏ ở phòng thí nghiệm, không thích hợp trong việc sản xuất quy mô lớn

d) Công nghệ tách nước bằng áp suất chân không

Tiến hành chưng cất cồn công nghiệp ở áp suất chân không để phá vỡ điểm đẳng phí của hỗn hợp ethanol-nước Dưới áp suất chân không, hỗn hợp rượu nước có những điểm đẳng phí khác nhau Khi thay đổi áp suất thì nhiệt độ sôi của các cấu tử sẽ thay đổi theo những hướng khác nhau Lúc đó điểm đẳng phí sẽ không còn nữa Nhưng nếu chưng cất chân không thì rất đắc tiền, chi phí lắp đặt và vận hành khá lớn, dẫn đến chi phí cao

Kết luận: Trong các phương pháp trên, phương pháp hấp phụ nước bằng rây phân

tử (Zeolit) được sử dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm: Sử dụng ít nhân công, vận hành ổn định, hiệu suất thực tế gần với thiết kế, tiêu hao hơi thấp, hệ thống làm việc hoàn toàn tự động, hiện đại Vì vậy chọn phương pháp hấp phụ nước Zeolit để tách

nước trong quy trình công nghệ sản xuất cồn

2.3 Tổng quan về sản phẩm

2.3.1 Ethanol

2.3.1.1 Tổng quan về Ethanol

Ethanol, còn được biết đến như là rượu etylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn,

là một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic

Ethanol là một ancol mạch hở, công thức hóa học của nó là C2H6O hay C2H5OH Một công thức thay thế khác là CH3–CH2–OH thể hiện cacbon ở nhóm metyl (CH3–) liên kết với carbon ở nhóm metylen (–CH2–), nhóm này lại liên kết với oxy của nhóm hydroxyl (–OH) Nó là đồng phân nhóm chức của dimetyl ete Ethanol thường được viết tắt là EtOH, sử dụng cách ký hiệu hoá học thường dùng đại diện cho nhóm etyl (C2H5) là Et [25]

2.3.1.2 Tính chất vật lý [25]

Rượu etylic là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 150C), dễ bay hơi (sôi ở nhiệt độ 78,390C), hóa rắn ở -114,150C, tan trong nước vô hạn, tan trong ete và clorofom, hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời

Sở dĩ rượu etylic tan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehyde có khối lượng phân tử xấp xỉ là do sự tạo thành liên kết

hydro giữa các phân tử rượu với nhau và với nước

Ethanol có tính khúc xạ hơi cao hơn so với của nước, với hệ số khúc xạ là 1,36242 (ở λ=589,3 nm và 18,350C)

2.3.1.3 Tính chất hóa học

Công thức hóa học của nó là C2H5OH hay CH3CH2OH, viết tóm tắt là C2H6O Do cấu trúc phân tử rượu gồm hai thành phần: Gốc etyl và nhóm hydroxyl nên tính chất hóa học của rượu etylic phụ thuộc vào bản chất của hai thành phần hóa học đó

+ Tác dụng với oxi:

Tùy theo cường độ tác dụng với rượu mà cho sản phẩm khác nhau

2C2H5OH + O2 → 2CH3CHO + H2O (nhẹ)

C2H5OH + O2 → CH3COOH + H2O (đủ)

C2H5OH + O2 → 2CO2 + 3H2O + 326 kcal (mạnh)

+ Tác dụng với kim loại kiềm và kiềm thổ

Trong trường hợp này ethanol được coi như là một axit yếu và có phản ứng với kim loại kiềm và kiềm thổ tạo muối alcolat

C2H5OH + M → C2H5OM + 1/2H2  (alcolat kiềm)

+ Tác dụng với NH3

Ở nhiệt độ 2500C và có xúc tác, ethanol tác dụng với NH3 tạo thành amin

C2H5OH + NH3 → C2H5NH2 + H2O

+ Tác dụng với axit

Ethanol tác dụng với axit tạo thành este phức tạp Tùy theo từng loại axit khác nhau tạo thành este khác nhau, trong trường hợp này rượu đóng vai trò là kiềm yếu [6]

C2H5OH + CH3COOH → CH3COOC2H5 + H2O

C2H5OH + H2SO4 → (C2H5)2SO4 + 2H2O

2.3.1.4 Sản xuất Ethanol [25]

a) Hyđrat hóa etilen

Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hyđrat hóa êtylen bằng xúc tác axít, được trình bày theo phản ứng hóa học sau Cho etilen hợp nước ở 300 độ C, áp suất 70÷80 atm với chất xúc tác là axit wolframic hoặc axit

phosphoric:

H2C=CH2 + H2O → CH3CH2OH

Trong công nghệ cũ, lần đầu tiên được tiến hành ở mức độ công nghiệp vào năm

1930 bởi Union Carbide, nhưng ngày nay gần như đã bị loại bỏ thì êtylen đầu tiên

được hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với axít sulfuric đậm đặc để tạo

ra êtyl sulfat, sau đó chất này được thủy phân để tạo thành ethanol và tái tạo axít

sulfuric:

H2C=CH2 + H2SO4 → CH3CH2OSO3H

CH3CH2OSO3H + H2O → CH3CH2OH + H2SO4

Ethanol để sử dụng công nghiệp thông thường là không phù hợp với mục đích làm

đồ uống cho con người (biến tính) do nó có chứa một lượng nhỏ các chất có thể là độc hại (chẳng hạn metanol) hay khó chịu (chẳng hạn denatonium -C21H29N2O•C7H5O2-là một chất rất đắng, gây tê)

b) Lên men

Ethanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn ethanol sử dụng làm nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: khi một số loài men rượu nhất định

(quan trọng nhất là Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóa đường trong điều kiện

không có Oxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra ethanol và cacbon điôxít CO2 Phản ứng hóa học tổng quát có thể viết như sau:

C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2

Nồng độ của rượu trong các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chưng cất

Để sản xuất ethanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột như hạt ngũ cốc thì tinh bột đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường Để sản xuất ethanol làm nhiên liệu, quá trình thủy phân này của tinh bột thành glucoza được thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lý hạt với axít sulfuric loãng, enzym nấm amylas, hay là tổ hợp của cả hai phương pháp

Ethanol tinh chất và ethanol 95% là các dung môi tốt, chỉ ít phổ biến hơn so với nước một chút và được sử dụng trong các loại nước hoa, sơn và cồn thuốc Các tỷ lệ khác của ethanol với nước hay các dung môi khác cũng có thể dùng làm dung môi

Các loại đồ uống chứa cồn có hương vị khác nhau do có các hợp chất tạo mùi khác nhau được hòa tan trong nó trong quá trình ủ và nấu rượu Khi ethanol được sản xuất như là đồ uống hỗn hợp thì nó là rượu ngũ cốc tinh khiết

Dung dịch chứa 70% ethanol chủ yếu được sử dụng như là chất tẩy uế Ethanol cũng được sử dụng trong các gel vệ sinh kháng khuẩn phổ biến nhất ở nồng độ khoảng 62%

Khả năng khử trùng tốt nhất của ethanol khi nó ở trong dung dịch khoảng 70%;

nồng độ cao hơn hay thấp hơn của ethanol có khả năng kháng khuẩn kém hơn Ethanol giết chết các vi sinh vật bằng cách biến tính protein của chúng và hòa tan lipit của chúng Nó là hiệu quả trong việc chống lại phần lớn các loại vi khuẩn và nấm cũng như nhiều loại virus, nhưng không hiệu quả trong việc chống lại các bào tử vi khuẩn

2.3.2 Cồn 96 0

2.3.2.1 Định nghĩa

Độ rượu là số ml rượu nguyên chất có trong 100ml hỗn hợp rượu và nước

Cồn 960 là hỗn hợp của 96ml ethanol có trong 100ml hỗn hợp ethanol và nước

2.3.2.2 Ứng dụng

Có 2 loại cồn đó là cồn thực phẩm và cồn công nghiệp

Cồn thực phẩm: sản xuất rượu, đồ uống có cồn, nước ướp gia vị, chiết xuất dược liệu, pha chế thuốc, vệ sinh, sát trùng, mỹ phẩm,…

Cồn công nghiệp dùng trong công nghiệp in, công nghiệp điện tử, dệt may, sản xuất mỹ phẩm, dược phẩm,…

2.4 Tình hình sản xuất và sử dụng cồn trên thế giới và ở Việt Nam

2.4.1 Tình hình sản xuất và sử dụng cồn trên thế giới [19]

Mỹ hiện là nước tiêu thụ ethanol (để pha chế nhiên liệu sinh học) lớn nhất với khoảng 60% tổng sản lượng của thế giới Đồng thời cũng là quốc gia sản xuất ethanol lớn nhất thế giới với công suất 60 tỉ lít/năm và xuất khẩu ethanol nhiều nhất với trên năm 5 tỉ lít/ năm (năm 2017) Tuy nhiên, 90% ethanol cung cấp cho thị trường nội địa

và chỉ có 10% xuất khẩu Ethanol và các đồng sản phẩm đóng góp hơn 54 tỉ USD cho tổng sản phẩm quốc nội hằng năm của Mỹ Hiện nhân lực lao động tham gia trực tiếp

và gián tiếp vào lĩnh vực này trên 360.000 người

Dù rằng trên thực tế tình hình sử dụng ethanol toàn cầu nói chung còn thấp nhưng tăng trưởng tiêu thụ lại có mức tăng nhanh nhất thế giới Nhu cầu ethanol trên thế giới sẽ tiếp tục tăng bởi chất lượng không khí trên toàn cầu ngày càng xấu đi, đã ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người dân sẽ tác động mạnh khiến các chính phủ phải tích cực hơn nữa trong việc sử dụng xăng sinh học

Hiện tại trên thế giới có 60 quốc gia đã áp dụng chính sách nhiên liệu tái tạo Trong

đó nhiều nước đã xác định tăng cường sử dụng nhiên liệu tái tạo cho vận tải, bao gồm ethanol, là một phần trong chiến lược quốc gia để thực hiện thỏa thuận toàn cầu về giảm biến đổi khí hậu tại COP-21 (Hội nghị Liên Hiệp Quốc về Biến đổi Khí hậu 2015 tại Paris) Theo đó, nhiều chính phủ có mục tiêu rõ ràng và đi cùng với đó là các chính sách hợp lí, quy định tỉ lệ pha trộn ethanol 10% hoặc nhiều hơn Tuy nhiên, trên thực

tế phần lớn các nước vẫn có tỉ lệ pha trộn 5% ethanol Riêng Ấn Độ không thực thi đúng như cam kết, chỉ phối trộn 3% ethanol nên không thực sự hiệu quả

Bên cạnh Mỹ thì nhiều nước lớn trên thế giới đã bắt buộc sử dụng xăng sinh học

như Australia, New Zealand, Trung Quốc, Ấn Độ, Brazil Còn tại khu vực Đông

Nam Á, Philippines, Thái Lan là 2 quốc gia đi đầu trong việc sử dụng xăng sinh học từ

hơn 10 năm nay

Hình 2.5 Sản lượng Ethanol toàn cầu năm 2017(Hiệp hội Nhiên liệu Tái tạo (RFA))

2.4.2 Tình hình sản xuất và sử dụng cồn ở Việt Nam

Việt Nam đã sử dụng xăng sinh học (E5RON92) đại trà trên toàn quốc từ ngày

1/1/2018 và sản lượng tiêu thụ ngày càng tăng, khi chuyển sang dùng xăng E5 thì nhu

cầu nguồn cung ethanol được đặt ra: Liệu có đủ lượng ethanol cho việc phối trộn xăng

E5 hay không? Thực tế thì ethanol vẫn phải nhập khẩu mới đáp ứng kịp nhu cầu Hiện

tại, nước ta mới chỉ có Công ty Tùng Lâm cung cấp ethanol để pha chế, làm xăng E5

Trước đây, cả nước có 07 Nhà máy Ethanol với tổng mức đầu tư trên 500 triệu

USD, với công suất thiết kế 600.000 m3/năm, tập trung chủ yếu tại Miền Trung – Tây

Nguyên và Miền Nam Tuy nhiên, hiện ở Việt Nam chỉ có nhà máy của Công ty

TNHH Tùng Lâm hoạt động, được biết tổng sản lượng ethanol Công ty Tùng Lâm

cung cấp ra ngoài thị trường hiện nay là khoảng 200.000 m3/năm, tương đương

khoảng 200 triệu lít [21]

Ngoài ra nhà máy ethanol Bình Phước (công suất 100 triệu lít/năm) và Dung Quất

công suất 100 triệu lít/năm cũng đã được khởi động trở lại sau khi đóng cửa, các nhà

máy khác đã đóng cửa do nhiều nguyên nhân

Vì vậy việc nghiên cứu đầu tư công nghệ tiên tiến để xây dựng một nhà máy sản

xuất cồn chất lượng là cần thiết, phù hợp với nền kinh tế thị trường như hiện nay

European Union; 1415 China; 875

Canada; 450 Thailand; 395 Argentina; 310 India; 280 Các nước khác; 465

Chương 3: CHỌN VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

3.1 Chọn quy trình công nghệ

Sơ đồ 3.1 sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cồn 960 từ ngô hạt

NghiềnHòa nướcTách phôiNấu sơ bộ Phun dịch hóaNấu chínTách hơi

Lên menChưng cất

Làm nguộiĐường hóaLàm nguội

Tách nước

EnzymeHơi

Ngô

Phôi

Gia nhiệt

BãDầu fusel

T = 58÷600C, t = 30 phút

T = 300C, t = 30 phút

T = 28÷320C, t = 72 giờ

T = 58÷600C, t = 30 phút, pH = 4,5÷5,5