Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất cồn từ nguyên liệu gạo

Trong tiến trình hội nhập và phát triển, ngành công nghiệp Việt Nam đang tạo ra những bước ngoặt mới làm thay đổi bộ mặt nền kinh tế. Ngành công nghiệp nói chung và công nghiệp sản xuất thực phẩm nói riêng đang từng bước đổi mới về công nghệ để tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt nhất đáp ứng tối đa nhu cầu thị hiếu của người tiêu dùng. Một trong những ngành công nghiệp đang phát triển, đóng góp một phần không nhỏ vào ngân sách nhà nước là ngành sản xuất các sản phẩm lên men mà trong đó có ngành công nghiệp sản xuất rượu cồn. Trong xã hội ngày nay, đời sống nhân dân ngày càng được cải thiện, chất lượng cuộc sống ngày càng được nâng cao đi kèm với nó là nhu cầu về một sản phẩm đồ uống truyền thống có chất lượng tốt, do đó cần có sự đầu tư và nghiên cứu nghiêm túc về rượu cổ truyền. Khắp trên đất nước Việt Nam đều có rượu ngon, nghề nấu rượu thủ công vẫn tồn tại ở nhiều làng quê Việt Nam, nhiều sản phẩm rượu đã trở nên quen thuộc với người dân như: rượu Làng Vân, rượu Kim Sơn – Ninh Bình, rượu Bầu Đá – Bình Định, rượu Gò Đen – Long An, rượu San Lùng ở một số vùng núi phía bắc như Lào Cai, Hà Giang, rượu Mẫu Sơn – Lạng Sơn..v.v. Tuy nhiên vấn đề sản xuất rượu theo phương pháp thủ công còn nhiều vấn đề cần quan tâm về năng suất cũng như sự ổn định về chất lượng sản phẩm. Hiện nay có một số giải pháp được đưa ra nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi cồn mà vẫn đảm bảo chất lượng và giá thành, đây là một giải pháp công nghệ đáng được xem xét, nghiên cứu và kiểm chứng trước khi đưa vào sản xuất với quy mô lớn. Với mục đích nâng cao năng suất, hiệu suất và chất lượng cồn chúng tôi đã lựa chọn và áp dụng chế phẩm enzym mới của hãng Genencor vào quá trình dịch hóa và để nghiên cứu quá trình đường hóa và lên men đồng thời trong sản xuất cồn từ nguyên liệu gạo. Chúng tôi đã tiến hành đề tài: “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất cồn từ nguyên liệu gạo”.

-

NGUYỄN THỊ OANH

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH SẢN

XUẤT CỒN TỪ NGUYÊN LIỆU GẠO

LU ẬN VĂN THẠC SỸ

NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Thanh Hằng

HÀ NỘI – 2012

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thanh Hằng đã tận tình trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo trong viện công nghệ sinh học

và công nghệ thực phẩm – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã luôn tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt khóa học cũng như trong thời gian tôi thực hiện đề tài này

Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi được học tập và nghiên cứu trong suốt quá trình học

Cu ối cùng, tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn

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 5 tháng 10 năm 2012

Nguyễn Thị Oanh

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1: 15 nước sản xuất ethanol đứng đầu thế giới 7

Bảng 1.2: Sản lượng rượu của Việt Nam từ 2005 – 2011 8

Bảng 1.3: Các dự án xây dựng nhà máy ethanol nhiên liệu tại Việt Nam 10

Bảng 1.4: Thành phần hóa học trung bình của gạo vỏ quả đỏ và gạo vỏ quả trắng 11

Bảng 1.5: Tính chất của Spezyme alpha 20

Bảng 1.6: Tính chất của Distillase ASP 21

Bảng 1.7: Tính chất của Stagen 001 22

Bảng 3.1: Công suất tiêu thụ cồn của công ty cổ phần rượu Bình Tây 40

Bảng 3.2: Công suất tiêu thụ rượu của công ty cổ phần rượu Bình Tây 40

Bảng 3.3: Độ ẩm và hàm lượng tinh bột của gạo nghiên cứu 44

Bảng 3.4: Ảnh hưởng của tỷ lệ bột/ nước 45

Bảng 3.5: Ảnh hưởng của nồng độ enzyme đường hóa Distillase ASP 46

Bảng 3.6: Ảnh hưởng của tỷ lệ nấm men bổ sung 47

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1: Sản lượng và diện tích thu hoạch lúa gạo toàn cầu

Hình 1.2: Lượng gạo xuất khẩu của một số nước xuất khẩu chính 14

Hình 1.3: Xuất khẩu gạo của Việt Nam trong quý đầu tiên từ mùa vụ 2006

Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn truyền thống 16

Hình 1.5: Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn hiện nay trên thế giới 18

Hình 1.6: Quy trình sản xuất cồn của công ty cổ phần cồn, rượu Hà Nội 36

Hình 1.7: Quy trình sản xuất cồn của nhà máy rượu Đồng Xuân,

Hình 1.8: Quy trình sản xuất cồn của công ty cổ phần rượu Bình Tây 42

LỜI MỞ ĐẦU

Trong tiến trình hội nhập và phát triển, ngành công nghiệp Việt Nam đang tạo ra những bước ngoặt mới làm thay đổi bộ mặt nền kinh tế Ngành công nghiệp nói chung và công nghiệp sản xuất thực phẩm nói riêng đang từng bước đổi mới về công nghệ để tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt nhất đáp ứng tối đa nhu cầu thị hiếu của người tiêu dùng Một trong những ngành công nghiệp đang phát triển, đóng góp một phần không nhỏ vào ngân sách nhà nước là ngành sản xuất các sản phẩm lên men mà trong đó có ngành công nghiệp sản xuất rượu cồn

Trong xã hội ngày nay, đời sống nhân dân ngày càng được cải thiện, chất lượng cuộc sống ngày càng được nâng cao đi kèm với nó là nhu cầu về một sản phẩm đồ uống truyền thống có chất lượng tốt, do đó cần có sự đầu tư và nghiên cứu nghiêm túc về rượu cổ truyền Khắp trên đất nước Việt Nam đều có rượu ngon,

n ghề nấu rượu thủ công vẫn tồn tại ở nhiều làng quê Việt Nam, nhiều sản phẩm rượu đã trở nên quen thuộc với người dân như: rượu Làng Vân, rượu Kim Sơn – Ninh Bình, rượu Bầu Đá – Bình Định, rượu Gò Đen – Long An, rượu San Lùng ở một số vùng núi phía bắc như Lào Cai, Hà Giang, rượu Mẫu Sơn – Lạng Sơn v.v Tuy nhiên vấn đề sản xuất rượu theo phương pháp thủ công còn nhiều vấn đề cần quan tâm về năng suất cũng như sự ổn định về chất lượng sản phẩm Hiện nay có một số giải pháp được đưa ra nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi cồn mà vẫn đảm bảo chất lượng và giá thành, đây là một giải pháp công nghệ đáng được xem xét, nghiên cứu và kiểm chứng trước khi đưa vào sản xuất với quy mô lớn Với mục đích nâng cao năng suất, hiệu suất và chất lượng cồn chúng tôi đã lựa chọn và áp dụng chế phẩm enzym mới của hãng Genencor vào quá trình dịch hóa và để nghiên cứu quá trình đường hóa và lên men đồng thời trong sản xuất cồn từ nguyên liệu gạo Chúng tôi đã tiến hành đề tài: “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất cồn từ nguyên liệu gạo”

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ rượu cồn trên thế giới và ở Việt Nam

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

Tình hình tiêu thụ các loại rượu trên thế giới hiện nay vào khoảng 4- 6 lít/người/năm (tính ra cồn 1000), không tính bia và rượu vang Ngoài công dụng làm đồ uống, rượu cồn etylic còn có khả năng làm nguyên liệu cho một

số ngành kinh tế quan trọng: làm dung môi hữu cơ, dùng trong y tế, trong mỹ phẩm pha nước hoa, trong dược để trích ly các hoạt chất sinh học, sản xuất axit axetic và giấm ăn, sản xuất các loại este có mùi thơm, trong cao su tổng hợp và nhiều hợp chất khác v.v Đặc biệt với khả năng dùng làm nhiên liệu (chất đốt) của cồn tuyệt đối hứa hẹn cho một ngành sản xuất nhiên liệu với nguyên liệu tái sinh

Năm 2003, sản lượng cồn trên thế giới đạt 38,5 tỷ lít (châu Mỹ chiếm khoảng 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, hóa chất Đến năm 2007, lượng cồn sản xuất 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 và dự báo đến năm 2012 (khi nghị định Kyoto có hiệu lực) lượng cồn trên thế giới sẽ tăng lên 79,3 tỷ lít với tỷ lệ sử dụng làm nhiên liệu tăng lên tới

85% [12], [17], [18]

Trên thế giới, Hoa Kỳ, Braxin và Trung Quốc là ba quốc gia đứng đầu về sản xuất và sử dụng cồn nhiên liệu, trong khu vực Đông Nam Á, Thái Lan là quốc gia phát triển rất nhanh về sản xuất và sử dụng xăng pha cồn sản

xuất từ phế phẩm của sắn, hạt ngô, cây ngô, đường, bã mía [24], [25], [28]

Bảng 1.1: 15 nước sản xuất ethanol đứng đầu thế giới [23]

Tổng sản lượng ethanol hàng năm (tất cả

các loại) Đơn vị : triệu US gallon (1gallon

= 3,78 lít) ở dạng lỏng

Sản lượng ethanol nhiên liệu hàng năm Đơn vị: triệu US gallon (1gallon = 3,78 lít) ở dạng lỏng

Nguồn: Renewable Fuel Association, from F.O.Licht, 2007

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

Ở Việt Nam, nghề nấu rượu theo phương pháp cổ truyền đã có từ lâu đời và bắt đầu phát triển mạnh vào cuối thế kỷ thứ X Rượu gắn liền với đời sống văn hóa, tâm linh, kinh tế và xã hội của mỗi cộng đồng 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 1 triệu lít/năm, hộ gia đình tự sản xuất ước tính khoảng 250 triệu lít/năm Cho đến nay, có ba doanh nghiệp quốc doanh trung ương có công suất sản xuất rượu cồn lớn nhất nước ta: Công ty cổ phần cồn rượu Hà Nội có nhà máy mới sản xuất tại Yên Phong – Bắc Ninh có công suất 40 – 50 triệu lít rượu/năm và 20 triệu lít cồn/năm;

Công ty cổ phần rượu Bình Tây, công suất 4,5 triệu lít cồn/năm, và Công ty

cổ phần bia, rượu Sài Gòn – Đồng Xuân, Thanh Ba, Phú Thọ có công suất 1,5 triệu lít cồn/năm và 2 triệu lít rượu/năm Ngoài ra, còn có 26 doanh nghiệp quốc doanh địa phương có công suất thiết kế khoảng 25.8 triệu lít/năm, các cơ

sở sản xuất tư nhân và cổ phần có tổng công suất thiết kế khoảng 4,55 triệu lít/năm Mặt khác, cùng với sự phát triển của nền kinh tế thị trường, rượu do dân tự nấu có chất lượng tốt cũng được bung ra sản xuất như một ngành nghề, tạo nên những làng nghề nấu rượu Tổng sản lượng rượu dân tự nấu rất lớn,

theo báo cáo của các tỉnh và số liệu thống kê đạt: 242,412 triệu lít/năm [12]

Trong những năm vừa qua, bình quân 1 năm mức tiêu thụ rượu bia tăng

từ 8 – 10% Theo niên giám thống kê năm 2011 của Tổng cục thống kê, sản lượng rượu của nước ta sản xuất trong các năm như sau:

Bảng 1.2: Sản lượng rượu của Việt Nam từ 2005 – 2011[17]

quyết định số: 177/2007/QĐ-TTg về việc phê duyệt “Đề án phát triển nhiên

liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” với mục tiêu phát triển

nhiên liệu sinh học, một dạng năng lượng mới, tái tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng

lượng và bảo vệ môi trường [1]

Nhận thức được tiềm năng của 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 Các doanh nghiệp tư nhân Việt Nam xây dựng nhà máy sản xuất ethanol thường là các nhà kinh doanh sắn lát khô hoặc sản xuất tinh bột sắn có mối quan hệ với địa phương và có kinh nghiệm trong việc thu mua nguyên liệu Đa số các doanh nghiệp này sử dụng công nghệ sản xuất ethanol

từ Trung Quốc với chi phí đầu tư thấp, đặc biệt là chi phí đầu tư cho hệ thống

xử lý chất thải Tuy nhiên cho tới thời điểm hiện nay chưa có doanh nghiệp nào xây dựng và vận hành thành công nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu Tập đoàn Dầu khí quốc gia Việt Nam đã đi tiên phong trong việc đầu tư xây dựng và phân phối nhiên liệu sinh học ở Việt Nam Các công ty thành viên của Tập đoàn đã đầu tư ba nhà máy ethanol tại ba miền Bắc, Trung, Nam với công suất mỗi nhà máy 100 triệu lít/ năm đủ để cung cấp cho nhu cầu ethanol pha xăng trong tương 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.[27]

Bảng 1.3: Các dự án xây dựng nhà máy ethanol nhiên liệu

tại Việt Nam [27]

Tên nhà máy Công suất Ngày hoạt động dự kiến Chủ đầu tư

1.2 Nguyên liệu sản xuất cồn từ gạo

Để có được rượu ngon, chất lượng tốt thì trước hết phải có cồn chất lượng cao, vì vậy trong đề tài của mình, chúng tôi lựa chọn nguyên liệu là gạo

vì gạo đáp ứng được yêu cầu sản xuất rượu chất lượng cao ở quy mô công nghiệp:

+ Hàm lượng tinh bột cao

+ Có nhiều chất dinh dưỡng, không chứa độc tố và phù hợp với cồn chất lượng cao

+ Sản lượng lương thực lớn nhất cả nước

+ Được trồng phổ biến và nhiều nhất trên cả nước

+ Phù hợp với sở thích uống rượu gạo của người Việt Nam

1.2.1 Thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của gạo

Gạo là một sản phẩm lương thực thu từ cây lúa, hạt gạo thường có màu trắng, nâu hoặc đỏ thẫm, chứa nhiều dinh dưỡng Hạt gạo chính là nhân của thóc sau khi xay để tách bỏ vỏ trấu Hạt gạo sau khi xay được gọi là gạo lứt

Gạo là một nguồn cung cấp năng lượng cho cơ thể, con người hấp thụ chất bột và một số vitamin từ gạo Có khoảng 2 tỷ người ở Châu Á dùng gạo và các chế phẩm từ gạo để bổ sung 60 – 70% nguồn năng lượng hàng ngày của

cơ thể Thành phần hóa học của gạo có đầy đủ các đại dưỡng chất sinh năng lượng là protit, gluxit, lipit với các axit amin và axit béo chưa no cần thiết cao hơn so với loại thức ăn khác, ngoài ra nó có chứa nhiều vitamin (B1, B2, B5,

B6, B12, tiền vitamin A, C, E, K ), các chất khoáng (K, Na, Ca, P, Mg, Zn ), các chất xơ tan và không tan có lợi cho tiêu hóa Thành phần hóa học của gạo phụ thuộc vào giống lúa, đất đai trồng trọt, khí hậu và độ lớn của bản thân hạt gạo Cùng chung điều kiện trồng trọt và sinh trưởng nhưng thành phần hóa học của gạo vỏ ngoài đỏ khác với gạo vỏ trắng, điều này được thể hiện ở bảng 1.4 dưới đây

Bảng 1.4: Thành phần hóa học trung bình của gạo vỏ quả đỏ và gạo

vỏ quả trắng (% chất khô) [8]

Tinh bột: Hàm lượng tinh bột 62,4%, là nguồn cung cấp calo chủ yếu với giá

trị nhiệt lượng của lúa là 3594 calo Tinh bột được cấu tạo bởi amylose và amylopectin, amylose có cấu tạo mạch thẳng và có nhiều ở gạo tẻ còn amylopectin có cấu tạo mạch ngang và có nhiều ở gạo nếp

Protein: Các giống lúa Việt Nam có hàm lượng protein chủ yếu trong khoảng 7- 8% và các giống lúa nếp có hàm lượng protein cao hơn lúa tẻ

Lipit: Chủ yếu ở lớp vỏ gạo, ở gạo xay là 2,02% và ở gạo xát là 0,52%

Giống Protein Gluxit Chất béo Xenluloza Tro

Gạo vỏ quả trắng 6,2 - 7,8 76,0 - 78,2 1,4 - 1,6 1,2 - 1,6 1,6 - 1,9 Gạo vỏ quả đỏ 6,2 - 9,2 75,0 - 77,6 1,6 - 2,2 1,2 - 1,6 1,2 - 1,5

Vitamin: Trong lúa, gạo còn có một số vitamin nhất là vitamin nhóm B như

B1, B2, B6, , PP lượng vitamin B1 là 0,45 mg/100 hạt ( trong đó ở phôi 47%,

vỏ cám 34,5% và ở hạt gạo 3,8%).[7]

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

1.2.2.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ gạo trên thế giới

Gạo là nguồn lương thực phổ biến, là nguồn thu nhập và cuộc sống của hàng triệu nông dân trên toàn thế giới Họ dùng khoảng 150 triệu hecta hàng năm để trồng lúa với sản lượng khoảng 600 triệu tấn Châu Á là nơi sản xuất

và cũng là nơi tiêu thụ khoảng 90% lượng gạo toàn thế giới Căn cứ vào số liệu ước tính mới nhất, thương mại gạo thế giới năm 2011 có thể vẫn duy trì ở mức 31,4 triệu tấn Tuy nhiên, trong số các nước xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới, Thái Lan đóng vai trò chính trong năm 2011 với kim ngạch xuất khẩu tăng lên 9,7 triệu tấn, Campuchia tăng mục tiêu kim ngạch xuất khẩu lên 1,6 triệu tấn tăng 11% so với năm 2010 Ngoài ra, lượng gạo xuất khẩu của Trung Quốc dự kiến sẽ tăng trở lại ở mức 1 triệu tấn, Myanma là 800.000 tấn, Ấn

Độ tăng 4% ở mức 2.5 triệu tấn Các quan chức UDSA cũng cho biết, dự kiến lượng gạo xuất khẩu của Hoa Kỳ đạt mức 3.5 triệu tấn do nhu cầu tăng mạnh tại các nước Châu Phi và Mỹ LaTinh Căn cứ vào triển vọng về sản lượng, Australia dự kiến có thể xuất khẩu 180 nghìn tấn gạo trong năm 2011 FAO cũng dự báo kim ngạch xuất khẩu gạo năm 2011 của Pakistan là 1.8 triệu tấn,

giảm 50% so với ước tính trong báo cáo năm 2010.[8], [10], [11]

Hình 1.1: Sản lượng và diện tích thu hoạch lúa gạo toàn cầu

2002 – 2011 [10]

Tiêu thụ lúa gạo toàn cầu năm 2011 đạt mức 461.2 triệu tấn, tăng 3% so với năm 2010 Tiêu thụ gạo dùng cho lương thực đạt 391.4 triệu tấn (tăng 7.8 triệu tấn) chiếm 85% tổng tiêu thụ toàn thế giới

Hình 1.2 : Lượng gạo xuất khẩu của một số nước xuất khẩu chính[7]

1.2.2.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ gạo ở Việt Nam

Việt Nam là đất nước nông nghiệp với truyền thống trồng lúa từ rất lâu đời, chúng ta tự hào được xem là một trong những chiếc nôi của cây lúa Ở Việt Nam, dân số trên 80 triệu và 100% người Việt Nam sử dụng lúa gạo làm lương thực chính Từ những năm khó khăn phải nhập lương thực, chúng ta đã vươn lên thành nước xuất khẩu gạo đứng thứ hai trên thế giới Lượng lúa gạo Việt Nam chủ yếu tập chung ở vùng Đồng bằng sông cửu long và Đồng bằng sông hồng Hiện nay, thị trường xuất khẩu lúa gạo của Việt Nam đã đến hơn

20 quốc gia tập chung chủ yếu ở các nước Châu Á và vùng Trung Đông Sản lượng gạo xuất khẩu của Việt Nam trong những năm gần đây đạt xấp xỉ 25 triệu tấn với tổng kim ngạch xuất khẩu lúa gạo đạt 650 triệu USD Theo báo cáo của Hiệp hội lương thực Việt Nam mùa vụ 2010/2011, Việt Nam xuất

khẩu 7 triệu tấn gạo trong tổng sản lượng 26.37 triệu tấn so với 6.73 triệu tấn

1 3.1 Công nghệ sản xuất cồn truyền thống

Quy trình công nghệ sản xuất cồn etylic có thể chia thành các công đoạn chính sau:

- Nghiền nguyên liệu: Nhằm mục đích phá vỡ cấu trúc màng tế bào

thực vật, tạo điều kiện để giải phóng hạt tinh bột đồng thời tăng cường sự tiếp

xúc giữa enzyme và cơ chất [6]

- Nấu nguyên liệu: Trong các dạng nguyên liệu như gạo, ngô, khoai,

sắn…tinh bột luôn nằm trong các màng tế bào Khi nghiền chỉ một phần các màng đó bị phá vỡ, phần lớn màng tế bào còn lại sẽ ngăn cản sự tiếp xúc của enzyme amylase với tinh bột Mặt khác, ở trạng thái không hòa tan, amylase

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.[6]

- Đường hóa: Sau khi nấu xong, 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 amylase để biến thành đường Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong công nghệ sản xuất cồn etylic, nó quyết định phần lớn hiệu suất thu hồi rượu do giảm bớt hoặc gia

tăng đường và tinh bột sót sau khi lên men.[6]

- Lên men: Dưới tác dụng của nấm men, đường sẽ biến thành rượu và khí cacbonic cùng với nhiều sản phẩm trung gian khác Lên men xong, thu

được hỗn hợp gồm rượu – nước – bã gọi là giấm chín hay cơm hèm.[6]

- Chưng luyện: Là quá trình tách rượu và các tạp chất dễ bay hơi khỏi

giấm chín Kết quả ta nhận được rượu thô hoặc cồn thô Tinh chế hay tinh

luyện là quá trình tách các tạp chất khỏi cồn thô và nâng cao nồng độ cồn.[6]

Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn truyền thống

1 3.2 Công nghệ sản xuất cồn hiện nay trên thế giới [25 ]

Ở một số nước trên thế giới đã bắt đầu nghiên cứu thử nghiệm và ứng dụng công nghệ dịch hóa không qua nấu với việc bổ sung một số chế phẩm enzyme mới Người ta không cần tiến hành quá trình dịch hóa ở nhiệt độ 90 –

1000C nữa mà nhiệt độ dịch hóa có thể hạ xuống thấp khoảng 60 – 700C, thậm chí dịch hóa không gia nhiệt Công nghệ này đã được áp dụng với một số nguyên liệu tinh bột tại các như Mỹ, Thái Lan Tuy nhiên, công nghệ sản xuất mới này đang được nghiên cứu và kiểm chứng trước khi ứng dụng vào sản xuất với điều kiện tại Việt Nam

- Nghiền nguyên liệu:

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

- Dịch hóa nguyên liệu:

Một số loại enzyme 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 Enzyme 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 enzyme 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 enzyme này là giá thành quá đắt do phải sử dụng phương pháp lên men rắn Hiện nay, hãng Genencor đã nghiên cứu và phát triển thành công loại enzym ethủy 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 ethanol

- Quá trình đường hóa và lên men đồng thời:

Công nghệ đường hóa và lên men đồng thời là công nghệ kết hợp quá trình đường hóa 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 enzyme mới

- Chưng cất và tinh chế:

Giấm chín là sản phẩm sau quá trình đường hoá và lên men đồng thời bao gồm các chất dễ bay hơi như: rượu etylic, este và một số alcol cao phân

tử Ngoài ra trong giấm chín còn chứa tinh bột, đường, dextrin… Chưng cất

và tinh chế là quá trình tách cồn và nâng cao độ cồn Sản phẩm là cồn tinh chế

có nồng độ cồn trong khoảng 95 - 96%

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

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 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 Công nghệ mới này có nhiều ưu điểm như sau:

- Tiết kiệm năng lượng: Phần lớn năng lượng trong quá trình sản xuất cồn

truyền thống được dùng chủ yếu trong quá trình nấu vì quá trình này cần nhiệt

độ cao và thời gian dài để phá vỡ tinh bột Vì vậy sản xuất cồn theo công

nghệ mới hiện nay sẽ giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng vì nó không phải trải qua quá trình nấu chín

- Quá trình lên men xảy ra mạnh: sản xuất cồn theo phương pháp hiện đại

thực hiện đường hóa và lên men đồng thời trong cùng thiết bị nên lượng đường trong dịch luôn thấp do vậy không ảnh hưởng đến hoạt động của nấm men, ngoài ra nó giảm được nguy cơ nhiễm tạp vi sinh vật, tăng hiệu quả lên men

- Tiết kiệm nước: Vì phương pháp mới không trải qua quá trình nấu chín và

tiến hành đường hóa ở nhiệt độ cao nên giảm lượng nước trong quá trình làm nguội xuống nhiệt độ đường hóa và nhiệt độ lên men

- Giảm chi phí đầu tư thiết bị: Phương pháp sản xuất mới sử dụng hệ enzyme

chuyển hóa trực tiếp hạt tinh bột không qua quá trình nấu chín nên giảm được chi phí sản xuất thiết bị này

Tuy nhiên, do không có thiết bị nấu ở áp suất cao và không gia nhiệt đến nhiệt độ hồ hóa nên kích thước hạt phải được nghiền mịn hơn và với công nghệ mới này chi phí cho enzyme cao hơn so với quy trình truyền thống

1 4 Một số chế phẩm enzyme được sử dụng trong đề tài nghiên cứu

1.4.1 Spezyme alpha [19]

Spezyme alpha là một chế phẩm enzyme chịu nhiệt thuỷ phân tinh bột α- amylase với độ bền rất cao ở pH thấp, được sinh tổng hợp từ Bacillus licheniformis 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 alpha:

- Giúp giảm nhanh độ nhớt

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

Hoạt tính của Spezyme alpha được biểu diễn bằng đơn vị Anpha Amylase Units (AAU) Hoạt tính của enzyme 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 enzyme cần thiết để thuỷ phân 10 mg tinh bột dưới những điều kiện xác định

Bảng1.5: Tính chất của Spezyme alpha

từ các nguồn nguyên liệu giàu tinh bột Distillase ASP cho phép tăng tốc độ quá trình lên men, tăng hiệu suất tạo cồn, hàm lượng đường sót thấp, cải thiện trạng thái của quá trình đường hóa, ít tinh bột sót trong dịch giấm chín Quan trọng hơn là Distillase ASP có nhiệt độ hoạt động rất thấp (30 – 40

hợp với nhiệt độ lên men đồng thời có pH thích hợp cho quá trình lên men rượu cồn (pH = 4,0 – 4,5) nên hạn chế được nhiễm trùng

Đối với các quy trình công nghệ sử dụng quá trình đường hóa lên men đồng thời, enzyme này có thể được bổ sung trực tiếp vào thiết bị lên men Thời điểm bổ sung là khi dịch đường sau dịch hóa được làm nguội xuống 60

- 650C Nếu bổ sung khi nhiệt độ cao trên 650C enzyme có thể bị mất hoạt tính

Bảng1.6: Tính chất của Distillase ASP

1.4.3 Termamyl SC [21]

Termamyl SC là chế phẩm enzyme α – amylase rất bền nhiệt dạng

lỏng, thu được từ chủng vi khuẩn biến đổi gen Bacillus Sản phẩm của quá

trình này là các dextrin, oligosaccharit và glucose Kết quả giảm nhanh chóng

độ nhớt dịch cháo, tạo điều kiện cho quá trình đường hóa tiếp theo Tuy nhiên, nhiệt độ tối ưu của enzyme này khá cao 90 – 950C nên khi áp dụng trong quy trình sản xuất cồn hiện nay, các nhà máy cồn thường dịch hóa

nguyên liệu trong khoảng 30 phút ở 90 – 950C sau đó đun sôi toàn bộ dịch trong khoảng 30 – 60 phút

1.4.4 Stagen 001[20]

Enzyme Stagen 001 chứa α – amylase của nấm mốc Aspergillus

kawachi và glucoamylase từ nấm mốc Aspergillus niger tác động hiệp đồng

để thủy phân cơ chất tinh bột sống Enzyme nội mạch α – amylase và ngoại mạch glucoamylase trong Stagen 001 xúc tác quá trình thủy phân hoàn toàn hạt tinh bột dưới các điều kiện lên men rượu khác nhau Quan trọng hơn là Stagen 001 có nhiệt độ hoạt động rất thấp (20 – 400C) đồng thời có pH thích hợp cho quá trình lên men rượu cồn (pH = 4,0 – 4,5)

Ưu điểm của Stargen 001 :

- Thực hiện quá trình đường hóa và lên men đồng thời ở nhiệt độ thường trong đó glucoamylase thủy phân khoan sâu vào hạt tinh bột còn α – amylase thủy phân để mở rộng những lỗ khoan này

- Giữ hoạt độ cao ở các điều kiện của quá trình đường hóa 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 canxi hay muối Natri nhằm tăng hoạt tính enzyme

1.4.5 Dextrozyme GA (DGA)[22]

Dextrozyme GA là một enzyme glucoamylase được thu nhận từ chủng Aspergillus đã được biến đổi gen DGA thủy phân các mối liên kết 1,4 và 1,6 – α – glucozit của tinh bột đã được hồ hóa Trong quá trình thủy phân, enzyme tách từng đơn vị glucose đầu không khử của mạch tinh bột

DGA là chế phẩm enzyme do hãng Novo – Đan Mạch sản xuất, hiện đang được sử dụng tại nhiều nhà máy cồn của nước ta, enzyme này được sử dụng kết hợp cùng Termamyl cũng cho hiệu suất lên men khá cao (> 90%)

CHƯƠNG II: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên vật liệu

Các hóa chất sử dụng trong quá trình thí nghiệm là: NaOH, H2SO4,

K3Fe(CN)6, KOH, HCl… có nguồn gốc từ Trung Quốc Ngoài ra, còn sử dụng Ure (Trung Quốc) được sử dụng để bổ sung thêm vào cho nấm men sinh trưởng và phát triển

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2 1 Xác định độ ẩm của nguyên liệu theo phương pháp sấy đến khối lượng không đổi [5]

a Nguyên tắc

Gạo được nghiền mịn, sấy khô đến khối lượng không đổi ở nhiệt độ

105 – 1060C Hàm lượng nước được tính trên khối lượng mất đi của nguyên liệu trong quá trình sấy

c Kết quả

Độ ẩm của gạo (W%) được tính theo công thức sau:

)/(%

Trong đó: m1: Khối lượng mẫu trước sấy (g)

m2: Khối lượng mẫu sau sấy (g)

2.2.2 Xác định hàm lượng tinh bột trong nguyên liệu theo phương pháp thủy phân bằng axit [5]

a Nguyên tắc

Thủy phân tinh bột thành đường trong dung dịch HCl 2% ở điều kiện đun sôi trong bình cách thủy trong thời gian 2h Dịch thủy phân được

làm nguội và trung hòa bằng NaOH với chỉ thị metyl da cam Hàm lượng đường trong dung dịch được xác định theo phương pháp Graxianop

b Tiến hành

Cân khoảng 2g bột gạo rồi chuyển toàn bộ vào bình tam giác hoặc bình cầu có dung tích 250ml Tiếp theo thêm 100ml HCl 2% (100ml nước cất cộng với 6ml HCl 35%), đậy nút cao su và nối với ống sinh hàn khí Lắc nhẹ rồi đặt vào nồi đun cách thủy, đun tới sôi và cho sôi khoảng 2h Mức nước ở nồi cách thủy phải luôn cao hơn mức nước trong bình thủy phân (Muốn vậy ta phải chuẩn bị nước sôi để bổ sung vào) Sau 2h thủy phân, toàn bộ lượng tinh bột đã chuyển hóa thành glucose, làm nguội đến nhiệt độ phòng rồi thêm vào

4 – 5 giọt metyl da cam, dùng NaOH 10% để trung hòa axit tới đổi màu (Chú

ý, chỉ trung hòa khi đã làm nguội đến 300C vì ở nhiệt độ cao và kiềm cục bộ thì glucose sẽ bị phân hủy dẫn đến kém chính xác) Trung hòa xong, ta chuyển toàn bộ dung dịch vào bình định mức 250ml, tráng bình rồi thêm nước cất tới ngấn bình và đem lọc Dịch đường thu được ta đem xác định theo phương pháp Graxianop

Trong đó a: Số gam glucose tương ứng với 20ml ferixianua kali

b: Số ml dịch đường loãng tiêu hao khi định phân m: Số gam bột ở mẫu thí nghiệm

0.9: Hệ số chuyển glucose thành tinh bột

2.2.3 Xác định pH

Đo bằng máy đo pH mét để bàn