Chuong 1 rượu ETYLIC

Chuong 1 rượu ETYLIC

Dựa trên nguyên tắc đó, người ta chia ra ba nhóm nguyên liệu sau:

- Nguyên liệu chứa nhiều tinh bột: gạo, ngô, khoai, sắn, lúa mì, đại mạch…

- Nguyên liệu chứa đường: rỉ đường, nước mía, trái cây chín…

- Nguyên liệu chứa nhiều cellulose: rơm rạ, gỗ vụn, mùn cưa…

1.1 Nguyên liệu và yêu cầu kỹ thuật

Trên thực tế, chỉ có hai nhóm nguyên liệu đầu được sử dụng trong sản xuất, nhóm thứ ba do hiệu quả kinh tế kém nên không được sử dụng

Ở nước ta, gạo là cây lương thực chính, vì vậy không chủ trương dùng gạo để nấu rượu mà khuyến khích dùng ngô, sắn, khoai… thay thế

1.1.1 Ngô (bắp)

Được trồng nhiều ở vùng nhiệt đới và á nhiệt đới như Trung Mỹ, Châu Á…, Hạt ngô có chứa nhiều tinh bột, một ít đường, dùng để sản xuất rượu etylic rất tốt

Cấu tạo của hạt ngô gồm phôi và nội nhũ Phôi chiếm từ 12 ÷15% trọng lượng hạt còn lại là nội nhũ Tinh bột ngô chủ yếu nằm trong nội nhũ, trong đó gồm 10÷15% amylose và 85÷90% là amylopectin Ngoài ra trong nội nhũ còn 0.5÷06% acid béo Các hợp chất chứa Nitơ trong hạt ngô hầu hết protein, phần lớn thuộc nhóm zein, ngoài ra còn có prolamin, glutelin; albumin hầu như không có; globulin chiếm khoảng 0.4% trọng lượng hạt Zein là dạng protein không đầy đủ vì thiếu các acid amin không thay thế như: triptophan, lysin Đặc biệt, hàm lượng chất béo ở ngô nhiều hơn những loại ngũ cốc khác và tập trung chủ yếu ở phôi (chiếm 30÷40 trọng lượng phôi), chất béo này đa số là acid chưa

no, màu vàng nhạt, chiếm 72% tổng lượng chất béo, thường ta tách phôi ra để làm bơ nhân tạo hay dầu ăn, hạt ngô đã tách phôi dùng để nấu rượu.

Gluxit trong ngô gồm có:

10.0 6.7 10.5 12.0

4.6 1.9 2.1 1.7

67.9 63.8 66.4 68.2

2.2 10.4 4.5 2.0

1.3 5.2 2.5 1.6

1.1.2 Sắn (khoai mì)

Thường được trồng nhiều ở vùng đất đồi, không cần nhiều đến chăm bón, năng suất trung bình 8 – 10tấn/ha, thời gian sinh trưởng từ 10-12 tháng Có nhiều loại sắn khác nhau như sắn đắng, sắn ngọt hoặc dựa vào màu sắc chia ra sắn vàng và sắn trắng Thành phần hoá học của sắn tươi và khô như bảng 1.2

1.2 0.205

0.41 0.41

26.58 74.74

1.11 1.11

0.54 1.69Đặc biệt chú ý là trong sắn có acid HCN rất độc, với hàm lượng 0.007 – 0.24% trọng lượng, HCN thường tập trung ở vỏ và xơ Sắn càng đắng thì càng chứa nhiều HCN Để tách HCN ta có thể ngâm trong nước sạch hoặc nước vôi

1.1.3 Khoai

Trên thế giới khoai được dùng như một nguyên liệu chính để sản xuất cồn etylic Loại khoai được dùng phổ biến nhất là khoai lang, ngoài ra thỉnh thoảng cũng có dùng khoai tây Thành phần hoá học khoai lang, khoai tây (% khối lượng) theo bảng 1.3

Trong tinh bột khoai lang có chứa từ 13-25% là amylose và 77-87% là amylopectin Khoai lang tươi rất khó bảo quản, thường ta phải cắt lát phơi khô hoặc sấy.

Bảng 1.3

Loại Thành phần nước Protid Chất béo Gluxit Cellulo Tro

Khoai tây tươi

Khoai lang tươi

Khoai lang khô

74.9 68.1 12.9

1.99 1.6 6.1

0.15 0.50 0.50

20.8 27.9 76.7

0.98 0.90 1.4

1.09 1.00 2.4

9.00 9.10 8.90 13.17

0.5 2.45 1.00 10.12

77.0 74.79 77.0 38.72

0.40 0.65 0.60 14.05

0.50 1.41 0.70 11.44

1.1.5 Mật rỉ đường

Là phế liệu chứa nhiều đường không kết tinh trong sản xuất đường mía hoặc củ cải đường Thông thường tỉ lệ rỉ đường trong sản xuất đường mía khoảng 3-3.5% trọng lượng mía Tuỳ thuộc vào giống mía, điều kiện trồng trọt, công nghệ sản xuất… thành phần rỉ đường dao động như sau: nước 15-20%, chất khô 80-85% Trong đó 60% là đường (40% sacarose, 20% fructose và glucose), 40% chất phi đường)

Thành phần phi đường có khoảng 30-32% chất hữu cơ và 6-10% chất vô

cơ Trong những hợp chất hữu cơ gồm các chất chứa nitơ ở dạng acid amin: acid aspactic, glutamic, leuxin, izoleuxin Ngoài ra còn một số vitamin

Mặt khác, trong rỉ đường luôn có mặt vi sinh vật với mật độ rất lớn Thường gặp nhất là các vi sinh vật gây màng và gây chua, dẫn tới làm giảm chất

lượng rỉ đường Vì vậy, trong sản xuất ta hay dùng flosillicate natri 2%oo so với trọng lượng rỉ đường để bảo quản.

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

1.2.2 Các phương pháp sản xuất điển hình

1.2.2.1 Quy trình sản xuất etanol từ nguyên liệu chứa nhiều tinh bột

Dựa trên cơ sở sử dụng nấm mốc chia ra 2 phương pháp

A Phương pháp Amylo:

Đây là phương pháp cổ điển Nấm mốc dùng đường hoá tinh bột được nuôi cấy ban đầu trong phòng thí nghiệm ở điều kiện môi trường đặc, nhưng khi đưa vào sử dụng thì nấm mốc phát triển và đường hoá trong môi trường tương đối loãng (nấm được nuôi và phát triển theo phương thức chìm sâu) Hiện nay phương pháp này vẫn còn dùng phổ biến ở một số nước trên thế giới, trong đó

có Việt Nam

Phương pháp Amylo có những đặc điểm sau:

- Nhờ đường hoá khá triệt để nên hiệu suất rượu so với nguyên liệu cao

- Tuy nhiên, do chu kỳ một mẻ rượu kéo dài nên năng suất hạn chế

- Nhược điểm lớn của phương pháp này là kén chọn nguyên liệu: chỉ thích hợp với gạo, bắp (do độ nhớt thấp khi hồ hoá) Mặt khác do thiết bị dùng đường hoá (nấm mốc) và lên men (nấm men) nên chế độ kiểm soát vi sinh vật rất chặt chẽ

Sơ đồ quy trình công nghệ

1- Phiễu ngâm nguyên liệu; 2- Cửa nạp nguyên liệu vào nồi nấu; 3- Nồi nấu; 4-

Hệ thống truyền động; 5- Van an toàn; 6- Bình dầu chống tắt ống dẫn ra áp kế; 7- Áp kế; 8- Ống xả hơi thừa; 9- Ống hơi chính; 10- Ống hơi phụ thuộc vào nồi; 11- Ống lấy mẫu; 12- Ống dẫn khối nấu sang thùng ủ; 13- Bình chứa acid; 14- Ống nước

1- trục khuấy; 2- cánh khuấy máy chèo; 2’- cánh khấy mỏ neo; 3,3’- vòng xả nước làm nguội; 4- ống dẫn cháo vào; 5- ống cấy nấm mốc, nấm men; 6- ống đo nhiệt độ; 7- bình lọc khí; 8- kính quan sát; 9- bình lọc CO 2 ; 10- ống sang hèm từ thùng này sang thùng khác khi hư hỏng; 10’- ống ráp với ống sang hèm; 11- ống ra từ đáy có thể ráp với ống dẫn hèm ra 2 ống dẫn hơi khí nén; 12,12’- ống thăm dò.

B Phương pháp Mycomalt

Mycomalt là chế phẩm của nấm mốc, được nuôi cấy trên bề mặt của môi trường đặc gồm cám bổi hoặc bột ngô và trấu Lượng chế phẩm thô dùng đường hoá khá lớn, thường từ 10-12% so với trọng lượng nguyên liệu tinh bột, lượng nấm men dùng để lên men chiếm khoảng 10% so với thể tích dịch đường lên men

So với phương pháp Amylo, phương pháp Mycomalt có một số ưu điểm sau:

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

- Rút ngắn chu kỳ sản xuất, tăng năng suất dây chuyền

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

Nhược điểm:

- Tốn nhiều diện tích để nuôi cấy nấm mốc (1m2 chỉ nuôi được 10-16 kg)

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

- Thao tác nuôi cấy nấm mốc phức tạp, vất vả hơn

- Tốn nhiều thiết bị lên men, đường hoá

- Cần có máy lạnh để làm nguội nhanh dịch đường hoá từ 600C xuống 300C

Phương pháp này thường sử dụng giống mốc Asp.Ussami ( Asp.Niger)

Đặc điểm của giống mốc này là đường hoá tốt, song dịch hoá kém nên trong sản xuất rượu đang có xu hướng kết hợp với Asp Oryzae hoặc Asp.Awamory Để sản xuất etanol theo phương pháp Mycomalt, trước hết phải sản xuất ra mycomalt theo các bước sau:

a Sản xuất giống trong phong thí nghiệm:

- Làm môi trường

+ Ống nghiệm: Nước nấm vàng đường hoá + nước malt + agar

+ Bình tam giác: 100g bột ngô + 30g trấu giã nhỏ + 120g nước cất, hấp trong 2h, lấy ra 25-26g cho vào bình tam giác loại 500ml, vô trùng ở áp suất 1,5at trong 30phút

Sau khi phân lập để hộp petri vào tủ ấm 2-3 ngày, khi khuẩn lạc mọc thành bào tử lấy hộp petri đó ra, chọn khuẩn lạc nào có tơ màu vàng, phía dưới

có tơ cơ màu vàng nhăn nheo, bào tử có màu nâu bạc đem cấy vào 3-4ống nghiệm thạch Để có giống mốc ổn định người ta tiến hành cấy truyền và bảo quản lạnh (không quá 4 ngày)

b Sản xuất mốc trung gian:

Phối chế nguyên liệu: Bột ngô nhỏ100% + Trấu nhỏ 35% + nước 75% (theo trọng lượng bột ngô và trấu); hoặc Bột ngô to 100%, bột ngô nhỏ 20%, trấu nhỏ 20%, nước 80% (theo trọng lượng bột ngô và trấu)

Sau khi trộn đều xong, cho qua máy đánh tơi rồi đưa đi hấp ở áp suất thường trọng 3h đối với bột ngô nhỏ, 2h đối với bột ngô to

Làm nguội và trộn giống: Sau khi hấp xong, nguyên liệu được lấy ra cho qua máy đánh tơi và dùng quạt để làm nguội Khi nhiệt độ giảm xuống 36-380C, trộn giống mốc vào theo tỉ lệ 0.3% so với trọng lượng nguyên liệu Chú ý, trộn giống giống cho thật đều Khi nhiệt độ giảm xuống 30-310C, cho nguyên liệu đã trộn giống vào khay và đưa vào phòng ủ mốc Lúc đầu ta ủ mốc trong đống

nguyên liệu lớn nhằm giữ nhiệt, ẩm cho giống phát triển, cứ 3 giờ đảo trộn một lần, nhiệt độ phòng ủ là 29-300C, độ ẩm giữ ở 95-100% Sau 6h ủ đống lớn ta chia thành đống nhỏ trên khay, độ dày 1.5-2cm, nhiệt độ phòng ủ khoảng trên

300C, giữ ổn định độ ẩm, nhiệt độ trong giống khoảng 330C, sau 9-10h ủ đống nhỏ giống sẽ kết bánh Khi giống kết bánh ta tiến hành bẻ bánh nhỏ, nhiệt độ phòng duy trì 29-310C, nhiệt độ giống khoảng 33-350C Sau 5-10h thì tiến hành đậy vải sạch, ướt Thời gian đậy vải ướt phụ thuộc vào môi trường khô hay ẩm, nhiệt độ trong phòng cao hay thấp Thường sau khi đậy vải ướt thì tơ phát triển nhanh từ màu trắng thành màu vàng Đến giai đoạn giống phát triển mạnh thì không nên đậy vải vì nhiệt độ giống sẽ tăng nhanh, nấm dại phát triển Sau 32-40h, bào tử bắt đầu chín đen

Sau 40-50h tiếp tục tăng nhiệt độ phòng lên 360C để nhiệt độ của giống không thay đổi quá nhanh Khi giống chín đến bào từ đen hết thì sấy giống ở nhiệt độ 38-400C và độ ẩm cuối cùng của giống 14-15%

Bảo quản: Giống lấy ra chưa dùng hết phải được bảo quản tốt bằng cách sấy giống khô và đựng vào bao giấy khô và sạch

c Sản xuất mycomalt (giống sản xuất)

Quá trình này cũng gần giống như sản xuất mốc trung gian, với các công thức phối trộn như sau: Bột ngô nhỏ100% + Trấu nhỏ 35-40% + nước 50-55% (theo trọng lượng bột ngô và trấu); hoặc Cám 100%, bột ngô nhỏ 25-30%, trấu nhỏ 30%, nước 48-50% (theo trọng lượng bột ngô và trấu) Cách tiến hành giống như sản xuất mốc trung gian

Quy trình sản xuất etanol từ nguyên liệu bột theo phương pháp mycomalt

Hình 1.5

Nấu sơ bộ: tỉ lệ nước nóng/bột; 1.8-2.5L/kg, lượng acid tương tự như

phương pháp Amylo, nấu ở nhiệt độ 60-900C trong khoảng thời gian 30-75phút

Nấu chín: áp suất nấu 3.5 – 5at, nhiệt độ 110-1200C trong 40-90phút Sau

đó giảm áp suất xuống còn 0.2-0.5at và nhiệt độ giảm xuống khoảng 102-1050C trong 40-50phút

Đường hoá: bổ sung mycomalt 10-12% trọng lượng nguyên liệu, kiểm tra

hàm lượng đường và pH như phương pháp Amylo

Lên men: Bổ sung men giống 1lit giống phân lập trong bình tam giác cho

một tấn nguyên liệu ban đầu Sau 72-96h tiến hành kiểm tra độ rượu, đường sót,

pH để tiến hành dừng quá trình lên men

Quy trình sản xuất etanol từ rỉ đường bằng phương pháp mycomalt

Hình 1.6

Ở khâu pha loãng sơ bộ để thực hiện acid hoá và xử lý tạp chất trong mật

rỉ cần tuân thủ:

- Nồng độ mật rỉ khống chế từ 50-600Bx;

- Lượng acid cho vào từ 0.35 - 0.4% trọng lượng mật rỉ;

- Lượng clorua vôi 0.01 - 0.05%;

- Lượng KmnO4 không quá 5ml/1000l mật rỉ 50%;

- Thời gian acid hoá: 4-6h (2-3h cho khí nén, 2-3h cho lắng)

Với phương pháp lên men một nồng độ, vì là phương pháp đơn giản dễ áp dụng nên được sử dụng phổ biến Song, đây là phương pháp có nhiều nhược điểm:

- Cùng một nồng độ dịch mà phải thực hiện hai nhiệm vụ là gây giống và lên men nên nồng độ rượu trong dấm chín thấp

- Không chủ động kiểm soát được chất lượng men giống trước khi lên men kỵ khí tạo etanol Do vậy, hiệu suất lên men thường thấp, chất lượng rượu không cao

Để khắc phục những nhược điểm nêu trên đây, người ta chuyển sang phương pháp lên men với hai nồng độ khác nhau:

- Nồng độ loãng: dùng để nuôi và gây men giống

- Nồng độ đặc: dùng để lên men sinh rượu

Điều kiện kỹ thuật cần tuân thủ khi pha loãng lên men có nồng độ loãng:

- Nồng độ mật rỉ được pha về 10-120Bx, trong đó đường chiếm 6-8%

- Lượng (NH4)2SO4 cho vào tỷ lệ 0.35-0.4% so với trọng lượng mật rỉ

- Super – phosphat cho vào với tỷ lệ 1% so với trọng lượng mật rỉ

- Độ chua 0.8-10

- Nhiệt độ 27-300C

Điều kiện kỹ thuật cần tuân thủ khi pha dịch lên men có nồng độ đặc:

- Nồng độ mật rỉ được pha về 30-320Bx, trong đó đường chiếm 18-23%

- Lượng (NH4)2SO4 cho vào tỷ lệ 0.18-0.2% so với trọng lượng mật rỉ

- Super – phosphat cho vào với tỷ lệ 0.4-0.5% so với trọng lượng mật rỉ

- Độ chua 0.6-0.80

- Nhiệt độ 27-300C

Bằng phương pháp lên men hai nồng độ, kết hợp với điều kiện lên men gián đoạn, bán liên tục hay liên tục sẽ nâng cao được hiệu suất tổng thu hồi, đồng thời chất lượng cồn thu hồi sẽ tốt

Một số sự cố thường xảy ra trong quá trình lên men và biện pháp xử lý:

a Lên men chậm

Nguyên nhân:

- Nhiệt độ dịch lên men quá thấp, men giống sinh sản chậm

- Thiếu chất dinh dưỡng

- Số lượng tế bào nấm men sống không đủ

Biện pháp xử lý:

- Theo dõi ổn định nhiệt độ

- Bổ sung chất dinh dưỡng: cám, (NH4)2SO4 , Ca3(PO4)2…

- Tăng cường thoáng khí cho trong giai đoạn lên men

b Độ acid tăng nhanh

Nguyên nhân thường do vi khuẩn gây acid xâm nhập

Biện pháp xử lý:

- Bổ sung nấm men khoẻ vào

- Nâng hàm lượng H2SO4 hoặc cho thuốc sát trùng thích hợp

Biện pháp đề phòng:

- Tăng cường công tác quản lý, gây men tốt, làm vệ sinh thiết bị

- Tăng cường sát trùng, thay giống men mới

c Sinh màng (thường gặp khi lên men rỉ đường)

Nguyên nhân: Vi khuẩn sinh màng xâm nhập

Khắc phục: nâng cao độ acid khi lên men; giảm bớt (NH4)2SO4 , Ca3(PO4)2

d Lên men quá nhanh (tăng nhiệt độ)

Nguyên nhân:

- Đường sót tăng

- Nhiệt độ lên men cao

- Khi lên men có vi khuẩn xâm nhập Nấm men chết nhiều

Xử lý:

- Tăng cường kiểm tra nhiệt độ lên men, dội nguội kịp thời

- Xử lý, kiểm soát vi khuẩn

Khi quá trình lên men rượu đã chấm dứt, toàn bộ dịch đường đã chuyển thành dấm chín, chất lượng của dấm chín được đánh giá qua những chỉ tiêu kỹ thuật như: độ lên men, hàm lượng chất đường lên men, độ acid, hàm lượng etanol…

1.2.2.2 Chưng cất và tinh chế cồn etylic

Chưng cất là quá trình phân tách những thành phần riêng biệt trong hỗn hợp chất lỏng có nhiệt độ sôi khác nhau Hơi của những chất lỏng đó ở nhiệt độ khác nhau có áp suất riêng phần khác nhau, hơi chất lỏng nào có áp suất riêng phần lớn thì chất lỏng đó sôi ở nhiệt độ thấp hơn và dễ bay hơi hơn Nếu ở áp suất thường, nhiệt độ sôi của rượu nguyên chất là 780C và nước là 1000C, do đó rượu dễ bốc hơi hơn nước

Dấm chín bao gồm các chất dễ bay hơi như rượu etylic, ester, aldehyt, và các rượu bậc cao Các chất hoà tan không bay hơi như: destrin, protein, các chất

vô cơ… cùng với một ít đường maltose chưa lên men và các chất không hoà tan như: vỏ trấu, xác nấm men Do đó, dấm chín là một hỗn hợp nhiều cấu tử Hiện

nay, lý thuyết về chưng cất chỉ mới nghiên cứu hệ hai cấu tử, mặt khác, thành phần chủ yếu của dấm chín là nước và rượu etylic Vì vậy, ta xem dấm chín như

là một hỗn hợp 2 cấu tử

a Tiến hành chưng cất và tinh chế rượu etylic

Dịch đường sau khi lên men rượu xong đem đi chưng cất gọi là dấm chín Dấm chín là một hỗn hợp rất phức tạp, gồm nhiều thành phần, trong đó có chất rắn không hoà tan, nước, etanol và các tạp chất bay hơi Thành phần của dấm chín phụ thuộc nhiều và nguyên liệu ban đầu Khi sản xuất etanol từ nguyên liệu ngũ cốc, trong dấm chín có nhiều vỏ trấu, do đó, sự chuyển động trong các mâm

và ống chảy truyền của các thiết bị rất khó khăn Hàm lượng rượu trong dấm chín dao động phụ thuộc vào loại nguyên liệu và phương pháp công nghệ, thông thường từ mật rỉ có thể đạt 7-10% (thể tích), tinh bột khoảng 6-10% (thể tích)

Dấm chín từ thùng lên men nhờ bơm đưa lên thùng tạm chứa, rồi từ đây

sẽ đưa vào tháp chưng cất Rượu etylic và toàn bộ các tạp chất bay hơi của dấm chín bốc thành hơi và ngưng tụ thành cồn thô, phần còn lại chứa các chất rắn và huyền phù gọi chung là bã rượu Trong bã rượu có chứa các chất khô phụ thuộc vào nguyên liệu, như hàm lượng chất thô trong bã rượu nấu từ khoai tây là 4.5%, từ bắp là 6.8%, và từ rỉ đường là 5.5%

4.7 12.1

10.2 37.4

8.5 34.7