Tối ưu hóa một số yếu tố trong quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao để sản xuất cồn từ gạo

Nhan đề : Tối ưu hóa một số yếu tố trong quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao để sản xuất cồn từ gạo Tác giả : Vũ Thị Phượng Người hướng dẫn: Chu Kỳ Sơn Từ khoá : Rượu; Quy trình dịch hóa Năm xuất bản : 2020 Nhà xuất bản : Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Tóm tắt : Tổng quan về tình hình sản xuất và tiêu thụ cồnrượu trên thế giới và Việt Nam; công nghệ sản xuất cồnrượu; phương pháp quy hoạch thực nghiệm; vật liệu và phương pháp nghiên cứu; kết quả.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tối ưu hóa một số yếu tố trong quy trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men

đồng thời ở nồng độ chất khô cao để sản xuất cồn từ gạo

VŨ THỊ PHƯỢNG Phuong.VTCA180148@sis.hust.edu.vn Ngành Công nghệ Thực phẩm

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Chu Kỳ Sơn

Viện: Công nghệ Sinh học & Công nghệ Thực phẩm

HÀ NỘI, 11/2020

Chữ ký của GVHD

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Vũ Thị Phượng

Đề tài luận văn: Tối ưu hóa một số yếu tố trong quy trình Dịch hóa, Đường hóa

và Lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao để sản xuất cồn từ gạo

Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm

Mã số SV: CA180148

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 30/10/2020 với các nội dung sau:

+ Đã viết lại phần Tổng quan một cách ngắn gọn, cô đọng hơn

+ Phần Vật liệu và Phương pháp nghiên cứu: đã bố cục lại theo các nhóm: Đối tượng nghiên cứu, phương pháp quy hoạch thực nghiệm, phương pháp phân tích,

mô tả xử lý thống kê và xây dựng thông số thí nghiệm

- Đã bổ sung phương pháp xác định đường tổng và đường khử

- Làm rõ phương pháp xác định hiệu suất lên men

+ Phần Kết quả và Thảo luận:

- Đã bổ sung nội dung nhu cầu Nitơ trong quá trình lên men

- Thay cụm từ khoảng tin cậy thành mức ý nghĩa

+ Kết luận: Đã viết ngắn gọn lại

+ Tài liệu tham khảo: Đã chỉnh sửa lại theo mẫu quy định

+ Đã chỉnh sửa lại các lỗi chính tả, chế bản

Ngày 27 tháng 11 năm 2020

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Tối ưu hóa một số yếu tố trong quy trình Dịch hóa, Đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao để sản xuất cồn từ gạo

PGS.TS Chu Kỳ Sơn

Giáo viên hướng dẫn

Ký và ghi rõ họ tên

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Chu Kỳ Sơn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này Em cũng xin cảm ơn các thầy, cô trong Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm đã luôn tạo điều kiện tốt nhất cho em trong quá trình nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của viện

Em xin cảm ơn ban lãnh đạo Công ty CP Công nghệ Rượu và Đồ uống Việt Nam đã tạo điều kiện cho em được tìm hiểu công nghệ sản xuất cồn thực tế cũng như triển khai một số thí nghiệm tại Công ty

Cuối cùng, xin cảm ơn sự động viên của gia đình và bạn bè đã giúp em có nghị lực để vượt qua những khó khăn trong quá trình hoàn thành luận văn

Tóm tắt nội dung luận văn

- Vấn đề cần thực hiện: Khảo sát và nghiên cứu nguồn dinh dưỡng Nitơ phù hợp

cho quy trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao (SLSF-VHG) từ gạo để đảm bảo chất lượng an toàn thực phẩm cho sản phẩm Thực hiện tối ưu hóa một số yếu tố trong quy trình SLSF-VHG với mục đích tăng hiệu suất lên men và giảm thiểu giá ruột sản phẩm

- Phương pháp thực hiện: Kết hợp lý thuyết với thực nghiệm Thiết kế thí

nghiệm và xác định phương án tối ưu theo phương pháp Taguchi và phân tích phương sai ANOVA

- Công cụ sử dụng:

+ Phần cứng: Các dụng cụ, thiết bị phục vụ phân tích các chỉ tiêu hóa lý của

nguyên liệu và sản phẩm như: máy đo cồn, máy đo pH, dụng cụ thí nghiệm…

+ Phần mềm: Microsoft Office, Matlab

- Kết quả của luận văn phù hợp với các vấn đề đã đặt ra:

+ Quy trình không bổ sung thêm nguồn Nitơ từ Urê đạt hiệu suất 86,4%, tương đương với quy trình có bổ sung Urê

+ Xác định được các thông số tối ưu đối với lượng sử dụng nấm men (0,25 g/l)

và chế phẩm enzyme Stargen 002 (2 ml/kg NL), Fermgen (0,5 ml/kg NL), để hiệu suất đạt 86% nhưng giảm được giá ruột của sản phẩm là 1.527 đồng/lít cồn 96% vol so với quy trình ban đầu, kiểm chứng và tính toán được hiệu quả của việc tối ưu

- Tính khoa học thực tiễn của luận văn: Kết quả nghiên cứu của luận văn làm

cơ sở ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn từ gạo vào thực tế một cách hiệu quả

- Định hướng phát triển mở rộng luận văn: Triển khai kết quả tối ưu ở quy mô

pilot và nghiên cứu thu hồi xử lý phần bã rượu ứng dụng làm thực phẩm hoặc nguyên liệu thực phẩm

HỌC VIÊN

Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CỒN/RƯỢU VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN/RƯỢU 2

1.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn – rượu trên thế giới và ở Việt Nam 21.1.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn trên thế giới 21.1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn ở Việt Nam 31.2 Công nghệ sản xuất cồn 4

1.2.3 Công nghệ Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời (SLSF) 91.3 Kết quả đã nghiên cứu về quy trình SLSF-VHG 111.3.1 Một số kết quả đã công bố trên thế giới 11

1.4 Tổng quan về phương pháp quy hoạch thực nghiệm 141.4.1 Tổng quan về phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi 14

1.5 Xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luân văn 20

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

2.1 Đối tượng nghiên cứu 22

2.2 Phương pháp nghiên cứu 24

2.2.3 Phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi 30

2.3 Mô tả xử lý thống kê 32

2.3.1 Cách tính giá trị trung bình 32

2.4 Xác định các thông số và lựa chọn điều kiện thí nghiệm 33

2.4.1 Khảo sát quy trình SLSF-VHG 33 2.4.2 Khảo sát nguồn Nitơ phù hợp 34 2.4.3 Lựa chọn yếu tố tối ưu và các mức tiến hành thí nghiệm 34 2.4.4 Xác định ma trận thực nghiệm theo phương pháp của Taguchi 35 2.4.5 Quy trình Dịch hóa Đường hóa và Lên men Đồng thời ở nồng độ chất khô cao 37 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39

3.1 Đánh giá sơ bộ công nghệ sản xuất cồn theo phương pháp SLSF -VHG 39

3.2 Kết quả khảo sát thay thế hoặc loại bỏ nguồn Nitơ Ure 39

3.3 Tối ưu hóa hiệu suất lên men trong quy trình SLSF-VHG 41

3.3.1 Nồng độ cồn và hiệu suất các thí nghiệm 41 3.3.2 Xác định tỷ lệ ảnh hưởng và mức tối ưu của các yếu tố Stargen 002, Fermgen và nấm men tới hiệu suất lên men 42 3.3.3 Xây dựng hàm hồi quy giữa các yếu tố Stargen 002, Fermgen và nấm men tới hiệu suất lên men từ thực nghiệm 46 3.4 Tối ưu hóa chi phí nguyên liệu của quy trình SLSF-VHG 51

3.4.1 Kết quả tính toán chi phí nguyên liệu 51 3.4.2 Xác định mức độ ảnh hưởng và mức tối ưu của các thông số Stargen, Fermgen và Nấm men tới chi phí nguyên liệu 53 3.5 Xác định mức thông số Stargen 002, Fermgen và Nấm men đáp ứng đồng thời các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật 56

3.6 Kết quả thí nghiệm kiểm chứng 59

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

4.1 Kết luận 63

4.2 Kiến nghị 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

CHƯƠNG 5 PHỤ LỤC 67

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sản lượng cồn trên thế giới giai đoạn 2007-2017 2

Hình 1.2 Các nước tiêu thụ cồn nhiều nhất thế giới năm 2019 3

Hình 1.3 Tiêu thụ rượu bình quân đầu người ở Việt Nam và thế giới 4

Hình 1.4 Gạo tẻ 5

Hình 1.5 Cấu trúc tinh bột gạo 5

Hình 1.6 Nấm men Saccharomyces cerevisiae 5

Hình 1.7 Cấu trúc không gian của enzyme Amylase 6

Hình 1.8 Sự thủy phân tinh bột của enzyme Amylase 6

Hình 1.9 Quy trình sản xuất cồn truyền thống 8

Hình 1.10 Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời (SLSF) 9

Hình 1.11 Ảnh hưởng của các yếu tố đến nồng độ cồn thu được 13

Hình 1.12 Hướng tiếp cận cho bài toán tối ưu đa mục tiêu 17

Hình 2.1 Gạo tấm Miền Nam và bột gạo 22

Hình 2.2 Nấm men Red Ethanol 23

Hình 2.3 Sơ đồ chưng cất cồn quy mô PTN 28

Hình 2.4 Máy đo độ cồn DA-130N 28

Hình 2.5 Quy trình Dịch hóa Đường hóa và Lên men Đồng thời ở nồng độ chất khô cao 37

Hình 3.1 Biểu đồ tác động trung bình của các yếu tố tới hiệu suất lên men 45

Hình 3.2 Biểu đồ tỷ lệ ảnh hưởng của các yếu tố tới hiệu suất tạo cồn 45

Hình 3.3 Quy luật ảnh hưởng của các yếu tố đơn lẻ Stargen 002, Fermgen và Nấm men tới hiệu suất lên men 50

Hình 3.4 Quy luật ảnh hưởng đồng thời của hai yếu tố tới hiệu suất lên men 50

Hình 3.5 Biểu đồ phân mức của các yếu tố Stargen 002, Fermgen và Nấm men cho chi phí nguyên liệu 55

Hình 3.6 Biểu đồ tỷ lệ phần trăm ảnh hưởng của các yếu tố Stargen 002, Fermgen và Nấm men tới chi phí nguyên liệu 55

Hình 3.7 Biểu đồ phân mức của OEC ứng với các trọng số khác nhau 58

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Mô tả cách tính tổng chi phí nguyên liệu cho 1 lít dịch lên men 15

Bảng 2.1 Đặc tính của chế phẩm nấm men Red Ethanol 22

Bảng 2.2 Đặc tính của các loại enzyme sử dụng trong nghiên cứu 23

Bảng 2.3 Mô tả cách tính tổng chi phí nguyên liệu cho 1 lít dịch lên men 29

Bảng 2.4 Thông số quy trình SLSF-VHG ban đầu 33

Bảng 2.5 Bảng thông số thí nghiệm khảo sát loại nguồn Nitơ Ure 34

Bảng 2.6 Mức các yếu tố 35

Bảng 2.7 Phương án thực nghiệm khi thay giá trị các mức của các thông số 35

Bảng 2.8 Bố trí thí nghiệm theo mảng trực giao L9 36

Bảng 3.1 Kết quả khảo sát quy trình SLSF-VHG 39

Bảng 3.2 Kết quả quy trình SLSF-VHG trong nghiên cứu này với nghiên cứu trước 39

Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm khảo sát thay thế nguồn Nitơ 40

Bảng 3.4 Kết quả đo nồng độ cồn và hiệu suất các thí nghiệm 41

Bảng 3.5 Mức và giá trị các yếu tố ảnh hưởng 43

Bảng 3.6 Kết quả hiệu tính tỷ lệ S/N của các thí nghiệm 43

Bảng 3.7 Kết quả phân mức và tỷ lệ ảnh hưởng của các yếu tố tới hiệu suất lên men 44

Bảng 3.8 Sai số giữa số liệu thí nghiệm và hàm hồi quy, hệ số R2 và hệ số Fisher 47

Bảng 3.9 Giá trị hiệu suất nội suy và sai lệch giữa giá trị nội suy với giá trị thí nghiệm 49

Bảng 3.10 Hệ số tương quan và chuẩn số Fisher của các dạng hàm nội suy (hồi quy) 49

Bảng 3.11 Kết quả tính chi phí nguyên liệu của các thí nghiệm 52

Bảng 3.12 kết quả tính chi phí nguyên liệu và tỷ lệ S/N của các thí nghiệm 53

Bảng 3.13 Phân mức và tỷ lệ ảnh hưởng của các yêu tố tới chi phí nguyên liệu 53 Bảng 3.14 Các thông số đầu vào và kết quả OEC cho 9 thí nghiệm 57

Bảng 3.15 Giá trị OEC ứng với các trọng số khác nhau của các hàm mục tiêu 58

Bảng 3.16 Giá trị dự đoán của hiệu suất và chi phí ứng với OEC khi sử dụng các trọng số khác nhau 59

Bảng 3.17 Kết quả mẫu kiểm chứng về hiệu suất lên men 60

Bảng 3.18 Kết quả mẫu kiểm chứng về mục tiêu tổng thể 60

Bảng 3.19 So sánh kết quả tối ưu mục tiêu hiệu suất tạo cồn với nghiên cứu trước 61

Bảng 3.20 So sánh kết quả tối ưu 2 mục tiêu với nghiên cứu trước 61

Dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời

FAPRI Food and Agricultural Policy

Research Institute

Viện nghiên cứu chính sách Nông nghệp và Lương Thực RFA Renewable fuel association Hiệp hội nhiên liệu tái tạo

GLS Generalized Least Squares

regression

hồi quy bình phương tối thiểu

MVR Multivariate regression hồi quy nhiều biến

CPO Contour Plot Optimization Nhóm tiếp cận sử dụng các

đáp ứng bề mặt

OEC Overall Evaluation Criteria tiêu chí tổng thể

ngành và Tư vấn Việt Nam

nghiệp và Thương Mại – Bộ Công Thương

MỞ ĐẦU

Cồn có tên khoa học là Ethanol hay còn gọi là rượu Ethylic Đây là chất có nhiều ứng dụng trong các ngành khoa học kỹ thuật quan trọng, đặc biệt là ngành công nghiệp rượu và đồ uống có cồn, đem lại nguồn thu đáng kể cho ngân sách nhà nước nói chung

và các doanh nghiệp liên quan nói riêng

Cồn được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp lên men các nguyên liệu có chứa tinh bột (gạo, ngô, khoai, sắn…) hoặc đường (rỉ đường) trong đó, gạo vẫn được đánh giá là một trong những nguyên liệu cho chất lượng cồn thực phẩm tốt nhất

Hiện nay, công nghệ sản xuất cồn được sử dụng phổ biến ở Việt Nam bao gồm

4 công đoạn riêng rẽ: dịch hóa (90 - 1050C), đường hóa (60 – 650C), lên men (28 –

320C) và chưng cất Quy trình này có ưu điểm chính là nguyên liệu tinh bột được đường hóa khá triệt để, tạo môi trường thuận lợi ngay từ đầu để nấm men có thể hoạt động hiệu quả, cho hiệu suất thu hồi cao Tuy nhiên, nhược điểm của nó là tiêu tốn khá nhiều năng lượng, nước làm nguội, chi phí thiết bị và khó có thể thực hiện ở nồng độ chất khô cao vì dịch sau quá trình đường hóa có độ nhớt và hàm lượng đường quá cao,

ức chế sự phát triển của nấm men Do đó, cần phải nghiên cứu tìm ra giải pháp để giảm thiểu các hạn chế này

Quy trình sản xuất cồn theo công nghệ Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao (Simultaneous Liquefaction, Saccharification and Fermentation at Very High Gravity – SLSF-VHG) là quy trình sử dụng một số chế phẩm enzyme thế hệ mới cho phép thực hiện đồng thời và hiệu quả quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men dịch có nồng độ chất khô cao (>300 g/l) ở 300C trong cùng một thiết bị Ưu điểm của phương pháp này là tiết kiệm được nước, năng lượng, và giảm được chi phí đầu tư thiết bị, nhân công so với công nghệ sản xuất cồn có nấu và quy trình SLSF ở nồng độ chất khô thường (<200 g/l) Tuy nhiên hiện nay quy trình này vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi, một trong những nguyên nhân chính là thiếu các công trình nghiên cứu tối ưu hoá chế độ công nghệ để nâng cao hiệu quả quy trình và giảm chi phí sản xuất Vì vậy, chúng tôi nhận thấy việc triển khai đề tài nghiên cứu:

“Tối ưu hóa một số yếu tố trong quy trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao để sản xuất cồn từ gạo” là cần thiết và có ý nghĩa

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CỒN/RƯỢU VÀ CÔNG

NGHỆ SẢN XUẤT CỒN/RƯỢU 1.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn – rượu trên thế giới và ở Việt Nam

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

a) Tình hình sản xuất

Sản lượng cồn trên thế giới có biến động tăng trong giai đoạn 2007-2017 Nếu năm 2007 có khoảng 13 tỉ gallons (tương đương 49,2 tỉ lít) cồn được sản xuất thì đến năm 2017 sản lượng cồn đã là khoảng 27 tỉ Gallons, tăng khoảng 2 lần (Hình 1.1) [1], điều này là hoàn toàn hợp lý vì cồn có vai trò quan trọng trong rất nhiều ngành công nghiệp, khi xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu về tiêu dùng các sản phẩm mới càng tăng Tuy nhiên, đây là một trong những thách thức đối với ngành công nghệ thực phẩm, cần phải có những bước phát triển mạnh mẽ, nghiên cứu các phương pháp mới để sản xuất cồn nhanh hơn, hiệu quả hơn

Hình 1.1 Sản lượng cồn trên thế giới giai đoạn 2007-2017

1 gallon = 3.7854 lít

b) Tình hình tiêu thụ

Càng ngày thì lượng rượu tiêu thụ như một loại đồ uống thường nhật lại càng tăng đáng kể Nhìn vào hình 1.2 có thể thấy, lượng tiêu thụ cồn tính trên đầu người ở một số quốc gia là rất cao Lấy ví dụ với quốc gia xếp hạng nhất là Belarus,

bình quân là gần 18 lít cồn tuyệt đối/ người 15 tuổi trở lên Con số này nếu tính toán

trên lượng đồ uống chứa cồn là rất lớn [2]

Hình 1.2 Các nước tiêu thụ cồn nhiều nhất thế giới năm 2019

Với tất cả những thông tin được đưa ra ở trên, chúng ta có thể khẳng định rằng, lượng cồn được tiêu thụ dưới dạng thực phẩm là rất lớn, điều đó càng đòi hỏi cần phải nghiên cứu ứng dụng các quy trình sản xuất rượu/cồn có năng suất cao và đảm bảo chất lượng

và an toàn thực phẩm cho người sử dụng

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

a) Tình hình sản xuất

Ở Việt Nam có khá nhiều nhà máy sản xuất cồn với quy mô tương đối lớn Hiện nay, hầu hết các nhà máy đều cải tiến để nâng cao năng suất và công suất Bên cạnh đó, cũng có rất nhiều cơ sở nhỏ lẻ khác tham gia sản xuất để đáp ứng đủ nhu cầu của thị trường Theo nghiên cứu của VIRAC, 3 tháng đầu năm 2019, sản xuất rượu tăng 8,6% so với cùng kỳ năm trước [3], điều này cho thấy, sản xuất rượu trong nước cũng vẫn đang trong đà phát triển

b) Tình hình tiêu thụ

Lượng tiêu thụ rượu bình quân đầu người ở Việt Nam là cao trên thế giới, năm

2016, bình quân mỗi người trên 15 tuổi tiêu thụ hết 9 lít cồn, cao hơn cả lượng tiêu thụ

bình quân đầu người của thế giới (Hình 1.3) [4] Theo nghiên cứu của VIRAC, 3 tháng đầu năm 2019, tiêu thụ rượu tăng 8,95% so với cùng kỳ năm trước [3], điều này một

lần nữa khẳng định, cần quan tâm đẩy mạnh nghiên cứu các quy trình sản xuất rượu an toàn khi mà lượng tiêu thụ rượu/cồn như là một loại thực phẩm, đồ uống liên tục tăng cao

Hình 1.3 Tiêu thụ rượu bình quân đầu người ở Việt Nam và thế giới

(Người trên 15 tuổi, tính theo lít cồn tuyệt đối)

*Ghi chú: Tỉ lệ trên thế giới, tỉ lệ ở Việt Nam

1.2 Công nghệ sản xuất cồn

1.2.1 Nguyên liệu chính trong sản xuất cồn

Cồn có thể được sản xuất bằng con đường tổng hợp hóa học hoặc bằng lên men Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất cồn bằng phương pháp lên men là các nguyên liệu chứa đường (rỉ đường, củ cải đường ), tinh bột (gạo, lúa, ngô, sắn ), hoặc cenlulose (rơm, rạ ) Luận văn này sử dụng vật liệu nghiên cứu là gạo, vì vậy tác giả sẽ chỉ tập trung trình bày về nguyên liệu này Bên cạnh đó, nấm men và các loại enzym phù hợp cũng là những nguyên liệu không thể thiếu

a) Gạo

Gạo không chỉ được sử dụng như một thức ăn thiết yếu mà từ lâu đã được sử dụng như một nguyên liệu quan trọng để sản xuất rượu Cồn sản xuất từ gạo được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm để sản xuất những đồ uống có cồn có chất lượng cao, ngoài ra cũng được sử dụng để sản xuất dấm

Hình 1.4 Gạo tẻ Hình 1.5 Cấu trúc tinh bột gạo

Kích thước của hạt tinh bột trong gạo từ 2-10 µm, hàm lượng tinh bột (65-85%), protein (5-10%), lipid (0,4-0,6%), cellulose (0,6-0,8%) Tinh bột gạo gồm có hai loại: amylose (13-35%) và amylopectin chiếm trên 65% tùy thuộc vào từng loại gạo [5]

Hình 1.6 Nấm men Saccharomyces cerevisiae

Các α - amylase (1,4-α- D -glucan glucanohydrolase; glycogenase)

là canxi metalloenzymes Bằng cách hoạt động tại các vị trí ngẫu nhiên dọc theo chuỗi tinh bột, α-amylase phá vỡ các saccharit chuỗi dài, cuối cùng thu được maltotriose và maltose từ amylose hoặc maltose, glucose từ amylopectin Dạng

α-amylase cũng được tìm thấy trong thực vật, vi khuẩn (Bacillus) và nấm (Ascomycetes và Basidiomycetes)

β-Amylase

Một dạng khác của amylase, β -amylase (1,4-α- D -glucan maltohydrolase; glycogenase; saccharogen amylase) cũng được tổng hợp bởi vi khuẩn, nấm và thực vật Hoạt động từ đầu không khử, β -amylase xúc tác quá trình thủy phân liên kết glycosid thứ hai, tách ra hai đơn vị glucose (maltose) tại một thời điểm Độ pH tối ưu cho β -amylase là 4,0-5,0 [8]

γ-Amylase

γ-Amylase (glucan 1,4-α-glucosidase; amyloglucosidase; exo

-1,4-α-glucosidase; glucoamylase; lysosomal α-glucosidase; 1,4-α- D -glucan glucohydrolase) sẽ cắt các liên kết glycosid, cũng như liên kết glycosidic cuối cùng ở đầu không khử amylose và amylopectin, thu được glucose γ -Amylase có độ pH tối

ưu axit nhất trong tất cả các amylase vì nó hoạt động mạnh nhất xung quanh pH 3

Ngoài ra, enzyme protease cũng là enzyme có vai trò trong quy trình SLSF-VHG Đây

là nhóm enzyme có khả năng cắt mối liên kết peptide (-CO~NH-) trong các phân tử polypeptide, protein và một số cơ chất tương tự thành các amino axit tự do hoặc các peptide phân tử thấp [9] Nhờ đó, nó giúp phá vỡ các lớp protein bao quanh hạt tinh bột, giúp enzyme amylase dễ dàng tiếp xúc để phân cắt tinh bột thành đường, đồng thời tạo ra các Nitơ amin tự do (FAN) – là nguồn Nitơ mà nấm men có thể sử dụng [10],[11]

d) Các nguồn dinh dưỡng

Tùy thuộc thành phần dinh dưỡng của dịch hèm trước khi lên men mà người ta có thể

bổ sung thêm các nguồn dinh dưỡng Nitơ, Phốt pho… cho nấm men hoạt động hiệu quả [12]

1.2.2 Công nghệ sản xuất cồn truyền thống

Công nghệ sản xuất cồn truyền thống được mô tả trong hình 1.9 và được chia thành các công đoạn chính sau:

- Dịch hóa: trong các dạng nguyên liệu như gạo, ngô, khoai, sắn… hạt 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 các 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 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 dịch [13]

- Đường hóa: sau khi dịch hóa xong, hạt tinh bột trong dịch cháo đã chuyển sang

trạng thái hòa tan, nhưng chưa thể lên men trực tiếp để biến thành rượu được mà phải trải qua quá trình thủy phân do xúc tác của enzym glucoamylase để tạo thành đường Quá trình này có vai trò quan trọng trong công nghệ sản xuất cồn etylic bởi

nó quyết định hiệu suất thu hồi rượu do giảm bớt hoặc gia tăng đường và tinh bột sót sau lên men [13]

Hình 1.9 Quy trình sản xuất cồn truyền thống

- Lên men: dưới tác dụng của nấm men, đường sẽ được chuyển hóa 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 dịch dấm chín hay cơm hèm [13]

- Chưng cất: là quá trình tách rượu và các tạp chất dễ bay hơi như: este, aldehyt, alcol

cao phân tử… khỏi dấm chín Kết quả là nhận được rượu thô hay cồn thô Tinh chế hay tinh luyện là quá trình tách các tạp chất khỏi cồn thô và nâng cao nồng độ cồn [13]

* Quy trình sản xuất cồn truyền thống có một số hạn chế như sau:

+ Tiêu thụ một lượng lớn năng lượng cho quá trình dịch hóa: gia nhiệt dịch từ 300C lên 95-1050C và duy trì dich cháo ở nhiệt độ đó trong vòng 60 phút

+ Tổn thất một lượng đường và axit amin do phản ứng Maillard

+ Cần một lượng lớn nước làm mát

+ Cần nhiều thời gian để hạ nhiệt

+ Tốn kém chi phí đầu tư thiết bị ban đầu do các quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men ở trong các thiết bị khác nhau

Nhằm khắc phục những hạn chế trên của quy trình sản xuất cồn truyền thống, các nhà khoa học đã tiến hành nhiều nghiên cứu để tìm ra các phương pháp mới, một trong các phương pháp đó là quy trình đường hóa và lên men đồng thời (SLSF)[14],[15]

1.2.3 Công nghệ Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời (SLSF)

a) Đặc điểm của quy trình

Đây là một phương pháp mới để sản xuất cồn tiết kiệm năng lượng Với phương pháp này, cả 3 quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men được kết hợp lại trong một công đoạn duy nhất, trong cùng một thiết bị và ở cùng một nhiệt độ

Hình 1.10 Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời (SLSF)

Sau khi trộn bột gạo với nước, ta bổ sung thêm enzym alpha-amylase và amylase như chế phẩm Stargen 002 (Dupont), enzym có khả năng thủy phân tinh bột thành đường glucose ngay cả khi tinh bột chưa được hồ hóa Đồng thời, nấm men và các chất dinh dưỡng cũng được bổ sung vào trong dịch lên men

gluco-Để nâng cao hiệu quả của quy trình, nhiều công trình nhiên cứu về quá trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao (SLSF-VHG) đã được thực hiện

* Quy trình SLSF-VHG có một số ưu điểm sau:

- Giảm chi phí đầu tư thiết bị ban đầu (do giảm số lượng thiết bi sử dụng)

- Tiết kiệm năng lượng cho quá trình dịch hóa, đường hóa (do thực hiện đồng thời ở

300C)

- Tiết kiệm năng lượng chưng cất (do giảm lượng dịch hèm với cùng 1 lượng chất khô

sử dụng)

- Giảm thao tác các công đoạn (dich hoá, đường hóa, làm nguội)

- Giảm tổn thất trong sản xuất (nhiệt, phản ứng Maillard)

- Giảm lượng nước sử dụng để làm nguội dịch cháo cũng như lượng nước thải Bên cạnh đó, công nghệ Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời còn có ưu điểm nổi bật là đường lên men tạo ra đến đâu được nấm men sử dụng và lên men đến đó nên nấm men không phải chịu áp suất thẩm thấu cao như trong quá trình lên men theo công nghệ hiện hành

* Nhược điểm: Quy trình SLSF-VHG sử dụng nguyên liệu là tinh bột sống ở nồng độ cao nên có khả năng bột bị lắng chặt làm giàm khả năng tiếp xúc của enzyme với nguyên liệu, enzyme khó tiếp cận nguyên liệu tinh bột sống để thủy phân, thời gian lên men có thể bị kéo dài Cần có thêm các nghiên cứu về vấn đề này

b) Những yếu tố ảnh hưởng tới quy trình sản xuất cồn theo công nghệ SLSF

Các yếu tố ảnh hưởng tới quy trình SLSF bao gồm: nhiệt độ, pH ban đầu, nồng độ enzyme, số tế bào nấm men sử dụng, dinh dưỡng nấm men, nồng độ cơ chất, tốc độ khuấy

- Ảnh hưởng của nồng độ enzyme: Trong điều kiện thừa cơ chất, vận tốc thủy phân phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ enzyme Tuy nhiên, nếu tăng nồng độ enzyme đến một giá trị nào đó thì vận tốc thủy phân không còn tăng nữa Lúc này, nồng độ enzyme

đã bão hòa với nồng độ cơ chất Trong quá trình thủy phân tinh bột, ta chỉ cần một mức thủy phân nhất định, do vậy cần tìm một nồng độ enzyme hợp lý để tránh gây lãng phí enzyme [7]

- Ảnh hưởng của nồng độ enzyme và lượng nấm men: Hai yếu tố này có liên quan chặt chẽ đến nhau Nếu nồng độ Stargen 002 quá cao trong khi lượng nấm men thấp thì tốc độ đường hóa tạo đường khử của enzyme sẽ nhanh hơn tốc độ lên men tiêu thụ đường khử của nấm men, dẫn tới sự tăng nồng độ đường khử trong môi trường, dễ gây nhiễm tạp và có thể ức chế sự sinh trưởng phát triển của nấm men Trong trường hợp ngược lại, quá trình lên men sẽ bị đình trệ do lượng đường

tạo ra nhỏ trong khi lượng tế bào nấm men lớn Kết quả làm chậm và giảm hiệu suất của quá trình lên men, không có lợi về mặt kinh tế Do đó, lượng enzyme và lượng nấm men thích hợp sẽ cho hiệu suất lên men cao nhất [7],[16]

- Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất: Nếu nồng độ cơ chất thấp sẽ không có lợi về mặt kinh tế Tuy nhiên nếu nồng độ cơ chất quá cao lại gây kìm hãm hoạt động của enzyme, giảm hiệu suất thủy phân Do đó, một nồng độ cơ chất hợp lý sẽ cho ta hiệu quả cao nhất [7]

- Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn tới hoạt động của enzyme

và nấm men Các loại enzyme và nấm men sử dụng trong quy trình này có chung khoảng tối ưu là 30-350C Vì vậy, cần dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nhiệt độ khoảng 300C để cho hiệu quả lên men tốt nhất

- Ảnh hưởng của pH: Cũng giống như đối với các loại enzyme khác, pH có ảnh hưởng tới hoạt động của hệ enzyme thủy phân tinh bột ở nhiệt độ thấp có trong Stargen 002 Ngoài ra, pH cũng có ảnh hưởng lớn tới hoạt động của nấm men Các ion H+ làm thay đổi điện tích các chất của vỏ tế bào nấm men, làm tăng hoặc giảm mức độ thẩm thấu của các chất dinh dưỡng cũng như chiều hướng của quá trình lên men Trong điều kiện lên men rượu, pH tối ưu để tạo etylic nằm trong khoảng 4,5 – 5,0 Với khoảng pH này, nấm men sẽ sinh trưởng và phát triển mạnh Nếu pH tăng sẽ làm tăng khả năng nhiễm tạp, tạo ra nhiều glyxerin do đó làm giảm hiệu suất lên men [7],[16]

- Ngoài ra, vì bột gạo chưa hồ hóa có tốc độ lắng rất nhanh, cản trở sự tiếp xúc của enzyme với cơ chất Vì vậy, tốc độ khuấy cũng có khả năng ảnh hưởng tới thời gian lên men hoặc/và hiệu suất của quá trình

1.3 Kết quả đã nghiên cứu về quy trình SLSF-VHG

1.3.1 Một số kết quả đã công bố trên thế giới

Năm 2011, Vipul Gohel và Gang Duan [14] đã thực hiện tối ưu hóa một yếu tố

là lượng enzyme Stargen 002 đối với quy trình SLSF sử dụng gạo Ấn Độ và hạt kê với các thông số: nồng độ chất khô 25% (bột gạo Ấn Độ (68,45% tinh bột) và bột hạt kê (60% tinh bột) và nước RO) Độ pH được điều chỉnh thành 4,5 bằng H2SO4 6 N Nồng

độ Stargen 002 (GSHE) là 1,5, 2,0, 2,5 và 3,0 kg trên mỗi tấn nguyên liệu đã được sử dụng cho cả hai loại ngũ cốc Đồng thời Fermgen (protease), 0,2 kg mỗi tấn ngũ cốc; urê, 400 ppm; và men khô đã hoạt hóa, 0,25% đã được thêm vào Bình được đậy bằng

nút vô trùng và trọng lượng ban đầu được ghi lại trước khi ủ ở 32 ± 2°C trong máy lắc quay ở tốc độ 300 vòng / phút Kết quả cho thấy, lượng Stargen 002 sử dụng 2,5 kg/tấn nguyên liệu là tối ưu và cho độ cồn là 11,93% đối với gạo, 10,46% đối với kê Nghiên cứu này đã chứng minh quy trình SLSF có thể được thực hiện trên các nguồn nguyên liệu chứa tinh bột khác nhau và tìm ra được lượng chế phẩm Stargen 002 tối ưu trên điều kiện các thông số khác cố định, nhưng chưa xét đến sự ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố khác lên quy trình

Năm 2018, Moreno J.L và cộng sự đã nghiên cứu quy trình SLSF- VHG trên

tinh bột sắn với thông số: Nồng độ chất khô 300 g/l, bổ sung enzyme, nấm men khô,

KH2PO4 và Ure Trong các điều kiện này, quy trình SLSF-VHG kết thúc sau 160 giờ

và đạt được hàm lượng ethanol 17,6% v/v tương ứng với 88,1% độ cồn lý thuyết [17] Nghiên cứu đã cho thấy, quy trình có thể áp dụng trên nguồn nguyên liệu chứa tinh bột

là sắn và cho hiệu suất tạo cồn khá tốt Tuy nhiên, nghiên cứu mới dừng lại ở việc khảo sát quy trình trên nguyên liệu sắn và chưa tìm được các thông số nguyên liệu tối

ưu để áp dụng hiệu quả nhất

1.3.2 Một số kết quả đã công bố ở Việt Nam

Năm 2016, Chu Kỳ Sơn và cộng sự [15] đã thực hiện khảo sát quy trình SLSF (hàm lượng chất khô 186,9 g/l) và quy trình SLSF-VHG (hàm lượng chất khô 311,5 g/l) trên nguyên liệu bột gạo và xây dựng được quy trình SLSF-VHG các thông số: Hàm lượng chất khô là 311,5 g/l, hỗn hợp alpha amylase và gluco-amylase (Stargen

002 ở 991,8 GAU/kg RF), gluco-amylase (Amigase Mega L ở 0.035% w/w), protease

(Fermgen ở 600 SAPU/kg RF), nấm men khô Saccharomyces cerevisiae (Red Ethanol

ở 3,5 × 107 TB/ml), KH2PO4 (4,8 mM) and urea (16,0 mM/ml) Trong các điều kiện này, quy trình SLSF-VHG kết thúc sau 120 giờ và đạt được hàm lượng ethanol 17,6% v/v tương ứng với 86,3% độ cồn lý thuyết Ở quy mô 25 lít đạt được hàm lượng ethanol 17,0% v/v tương ứng với hiệu suất 83,2% độ cồn lý thuyết Trong nghiên cứu này, các tác giả đã chỉ ra rằng, ngoài 2 enzyme khong thể thiếu đối với quy trình SLSF-VHG là Alpha-amylase và Gluco-amylase thì việc bổ sung thêm enzyme protease là có ý nghĩa Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng cho thấy việc bổ sung thêm Beta-glucanase là không cần thiết, bước đầu đã khẳng định được tính khả thi của quy trình SLSF-VHG với đối tượng là gạo, đồng thời, lựa chọn được nguyên liệu và điều kiện phù hợpTuy nhiên, quy trình có sử dụng Ure (không được phép sử dụng trong sản

xuất cồn thực phẩm);các thông số lựa chọn để khảo sát chưa thể kết luận là thông số tối ưu cho quy trình: lượng enzyme, nấm men sử dụng đang ở mức cao so với khuyến nghị của nhà sản xuất, hiệu suất thu hồi mới chỉ đạt 86%, đây là 2 yếu tố có khả năng tối ưu được [15]

- Năm 2015, Lê Thanh Mai và cộng sự đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố trên đến quy trình SLSF bằng việc sử dụng quy hoạch thực nghiệm theo ma trận HADAMARD Kết quả cho thấy SLSF 4 yếu tố ảnh hưởng lớn nhất là: Nồng độ chất khô ban đầu, lượng Stargen 002, Fermgen và nấm men sử dụng và yếu tố ít ảnh hưởng nhất lượng Ure bổ sung [18] (hình 1.11) Trong hình 1.11 các ký hiệu b1, b2, b3, b4,

b5, b6, b7 lần lượt là hệ số ảnh hưởng của các yếu tố : nồng độ chất khô; lượng các

enzyme Stargen 002; Fermgen; Amigase Mega L; lượng nấm men; lượng Ure bổ sung,

pH ban đầu của dịch lên men lên nồng độ cồn thu được trong quy trình SLSF ở nghiên cứu đó

Hình 1.11 Ảnh hưởng của các yếu tố đến nồng độ cồn thu được

Như vậy đã có một số nghiên cứu về quy trình SLSF-VHG, các nghiên cứu đã chứng minh được hiệu quả và tính khả thi của quy trình, tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào đưa ra lượng Enzyme và Nấm men tối ưu cho quy trình Hơn nữa, các nghiên cứu cũng ít chú ý vào phân tích tỷ lệ ảnh hưởng của các yếu tố cũng như quy luật ảnh hưởng của đồng thời các yếu tố tới hiệu suất của quy trình Bên cạnh đó, việc sử dụng Urê làm nguồn dinh dưỡng Nitơ cho nấm men là chưa phù hợp quy định về an toàn để sản xuất cồn thực phẩm Vì vậy trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ khảo sát thay thế hoặc loại bỏ nguồn Nitơ Urê của quy trình SLSF- VHG, phân tích quy luật ảnh hưởng

của các yếu tố Stargen 002, Fermgen và Nấm men tới hiệu suất tạo cồn cũng như chi phí nguyên liệu và giá ruột sản phẩm, đồng thời đưa ra mức tối ưu của các thông số này cho hai mục tiêu trên nhằm nâng cao hiệu quả quy trình

1.4 Tổng quan về phương pháp quy hoạch thực nghiệm

1.4.1 Tổng quan về phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi

a) Ý tưởng của phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi

Phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi được phát triển bởi Genichi Taguchi, một kỹ sư người Nhật vào cuối những năm 40 của thế kỷ 20 [27] Taguchi cho rằng khoảng sai lệch giữa giá trị thực tế với giá trị mục tiêu của một đại lượng là một tổn thất cần khắc phục, do đó ông đã đưa ra dạng hàm tổn thất là hàm bậc 2:

L= k.(y – y0)2 (1-1) Với k, y, y0 lần lượt là hệ số tổn thất, giá trị đo và giá trị mục tiêu

Theo phương pháp Taguchi, sự kết hợp của các yếu tố ảnh hưởng tới hàm mục tiêu được thực hiện thông qua các mảng trực giao (OAs), ký hiệu tổng quát mảng trực giao

là Ln(xy), trong đó: n số hàng trong mảng tương ứng số thí nghiệm, x số mức trong cột,

y số yếu tố tối đa trong mảng Ví dụ xét 3 yếu tố và mỗi yếu tố 2 mức thì mảng trực giao là L4(23), 7 yếu tố và mỗi yếu tố 2 mức thì mảng trực giao là L8(27); xét 3 yếu tố

và mỗi yếu tố 3 mức thì mảng trực giao là L9(33), 4 yếu tố và mỗi yếu tố 3 mức thì mảng trực giao là L9(34)

Đặc tính của mảng trực giao:

- Số trong mảng miêu tả mức của các yếu tố

- Hàng miêu tả điều kiện thử nghiệm

- Cột chứa các yếu tố đang khảo sát

- Cột của mảng là trực giao

- Mỗi mảng dùng cho nhiều tình huống thực nghiệm

Các cột của mảng là trực giao hoặc cân bằng, điều này có nghĩa là trong một cột

có số lượng các mức là tương đương Giữa 2 cột bất kỳ cũng phải cân bằng, điều này

có nghĩa rằng các mức kết hợp tồn tại với số lượng bằng nhau

Các kết quả thử nghiệm được phân tích bằng phương pháp thống kê thông qua việc tính tỷ lệ tín hiệu/nhiễu (S/N) Tỉ lệ S/N là tỉ lệ giữa giá trị trung bình của tín hiệu (S) với độ lệch chuẩn (N), nó dùng để đo lường ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đến

hàm mục tiêu Thông qua việc tối đa hóa tỷ lệ S/N thì hàm tổn thất sẽ là tối thiểu, khi

đó chất lượng hệ thống sẽ được cải thiện Tỉ lệ S/N phụ thuộc vào đặc trưng chất lượng của hệ thống trong quá trình tối ưu Có 3 đặc trưng chất lượng ứng với hàm mục tiêu

mà Taguchi nghiên cứu cho ở bảng 1.1

Bảng 1.1 Mô tả cách tính tổng chi phí nguyên liệu cho 1 lít dịch lên men

Trong đó: S/N, y i , y ,  , n lần lượt là: tỷ lệ tín hiệu/ nhiễu; giá trị đo của thử nghiệm 2thứ i; giá trị trung bình của các lần đo; phương sai và số lần lặp của thử nghiệm thứ i Quá trình thiết kế chất lượng theo phương pháp Taguchi gồm 3 giai đoạn:

- Giai đoạn 1 Thiết kế hệ thống

Giai đoạn này giúp ta nhận biết đặc điểm của hệ thống, hàm mục tiêu và chọn các yếu tố ảnh hưởng

- Giai đoạn 2 Thiết kế tham số

Giai đoạn này cho phép ta thiết lập các mức tốt nhất cho các yếu tố ảnh hưởng, tối ưu hóa và thiết kế các phương pháp thí nghiệm đồng thời làm cho hệ thống không nhạy cảm với nhiễu mà không làm tăng chi phí

- Giai đoạn 3 Thiết kế dung sai

Giai đoạn này giúp ta cân bằng chất lượng và chi phí đồng thời thiết lập hàm tổn thất, phân tích tỷ lệ S/N và đo sự giảm biến thiên quanh giá trị mục tiêu

b) Các bước cơ bản tiến hành thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi

Bước 1: Xác định hàm mục tiêu, giá trị mong muốn và các yếu tố ảnh hưởng tới nó Bước 2: Xác định mức của các yếu tố, lựa chọn mảng trực giao và các điều kiện thử

nghiệm

Bước 3: Chạy các điều kiện thử nghiệm, đo các kết quả đáp ứng tương ứng với mỗi

điều kiện thử nghiệm

n

Bước 4: Phân tích dữ liệu, dự báo mức độ và chất lượng tối ưu

Bước 5: Thực nghiệm xác minh và lập kế hoạch hành động tiếp theo

1.4.2 Sơ lược về tối ưu đa mục tiêu

Quá trình thiết kế tối ưu công nghệ và sản phẩm hầu hết được đánh giá bởi nhiều hơn một tiêu chí chất lượng, để lựa chọn các thiết kế tốt nhất và mức các yếu tố ảnh hưởng đến mục tiêu mong muốn cần phải tính đến đồng thời tất cả các chỉ tiêu chất lượng, điều này được gọi là tối ưu hóa nhiều mục tiêu Thông thường có 4 nhóm tiếp cận chính hay được sử dụng để tối ưu đồng thời nhiều mục tiêu:

1 Nhóm tiếp cận liên quan đến phương pháp đáp ứng bề mặt

2 Nhóm tiếp cận sử dụng hàm hoặc giá trị mục tiêu mong muốn

3 Nhóm sử dụng các phương pháp số

4 Nhóm tiếp cận sử dụng lý thuyết thiết kế tối ưu bền vững của Taguchi

+ Nhóm tiếp cận sử dụng các đáp ứng bề mặt (Contour Plot Optimization - CPO): Sử

dụng mỗi đáp ứng của các thí nghiệm và vẽ các đường bao của chúng, xác định các vùng tối ưu riêng lẻ Bằng cách chồng các vùng tối ưu riêng lẻ ứng với từng hàm mục tiêu con lên nhau ta có thể tìm thấy một khu vực tốt nhất phù hợp với đồng thời nhiều tiêu chí riêng lẻ và sự chênh lệch với vùng mong muốn là nhỏ Hạn chế của CPO là số mục tiêu đồng thời được đáp ứng là nhỏ (thường là 2) và số lượng các yếu tố ảnh hưởng cũng nhỏ, với nhiều yếu tố ảnh hưởng và nhiều mục tiêu thì CPO đáp ứng không tốt

+ Nhóm tiếp cận sử dụng các hàm hoặc giá trị mục tiêu mong muốn: Được thực

hiện bằng việc tính toán giá trị mong muốn thông qua một hàm hồi quy rồi so sánh với từng kết quả thí nghiệm Các kết quả nằm trong vùng giới hạn trên và dưới có giá trị mong muốn quy ước là 1 Ngược lại, các kết quả nằm ngoài vùng giới hạn này có giá trị mong muốn bằng 0 Các kết quả khác nằm trong vùng giới hạn có giá trị giữa 0 và

1 Giá trị trung bình hình học của các kết quả mong muốn ứng với các đáp ứng khác nhau ở mỗi lần tính toán sẽ là thước đo của đáp ứng mong muốn tổng thể Mô hình hồi quy được sử dụng để tối ưu hóa đồng thời tất cả các đáp ứng khác nhau Ưu điểm của hướng tiếp cận này là có cơ sở toán học rõ ràng Các hàm hồi quy thu được là tường minh

+ Nhóm tiếp cận sử dụng phương pháp số: Hướng tiếp cận này chủ yếu dựa trên các

giải thuật tìm kiếm đa mục tiêu như Logic mờ, GA, quy hoạch phi tuyến SQP, PSO, lý

thuyết trò chơi…vv Với hướng tiếp cận này các bài toán với số lượng biến lớn và số

mục tiêu nhiều có thể giải quyết được Phạm vi áp dụng của hướng tiếp cận này tương đối rộng Với phương pháp quy hoạch phi tuyến SQP ta cần các điều kiện đầu và khoảng tìm kiếm cho trước, còn với phương pháp dùng giải thuật GA, PSO các biến được tạo ra một cách ngẫu nhiên, kết quả tối ưu thu được nằm trong khoảng rộng (đôi khi là toàn cục) Ưu điểm của hướng tiếp cận số là giải được nhiều lớp bài toán và chi phí thấp, các kết quả thu được gần sát với giá trị mục tiêu, tuy nhiên nó không liên tục

và đòi hỏi kỹ năng lập trình tốt

+ Nhóm tiếp cận sử dụng lý thuyết thiết kế tối ưu bền vững Taguchi [7],[27]: Dựa

trên việc thiết kế các điều kiện thử nghiệm thông qua mảng trực giao và sử dụng phương pháp thống kê thực nghiệm qua việc tính tỷ lệ Tín hiệu/ nhiễu (S/N), đồng thời đưa ra mô hình hàm tổn thất là hàm bậc 2 Mục tiêu của phương pháp Taguchi là tối thiểu hóa hàm tổn thất, khi đó chất lượng hệ thống sẽ được cải thiện Nhằm mục tiêu tối ưu hóa đồng thời nhiều mục tiêu Ranjit K Roy [27] đã đưa ra một chỉ số đánh giá tổng thể OEC có thể đại diện cho nhiều mục tiêu với các đặc trưng chất lượng khác nhau Quy trình thực hiện việc tính mục tiêu tổng thể OEC là đơn giản, dễ phân tích kết quả, nó tương đối phù hợp trong sản xuất, tuy nhiên việc sử dụng các trọng số

mang tính chủ quan của người thiết kế

Dưới đây là sơ đồ tóm tắt 1 số hướng tiếp cận cho bài toán tối ưu đa mục tiêu (hình 1.12)

Hình 1.12 Hướng tiếp cận cho bài toán tối ưu đa mục tiêu

1.4.3 Tiêu chuẩn đánh giá toàn diện (OEC)

Nhu cầu về một phương pháp đánh giá tổng thể phát sinh khi có nhiều hơn một mục tiêu kỳ vọng sẽ được đáp ứng Trong thực tế nhiều đánh giá có thể sử dụng tiêu chí trung bình, tuy nhiên việc sử dụng tiêu chí đánh giá trung bình như vậy lại không phổ biến trong kỹ thuật và khoa học vì:

Các đơn vị đo lường của các tiêu chí trong một vấn đề kỹ thuật thường không giống nhau: Ví dụ chiều dài đo bằng m, áp suất đo bằng Pa, vì thế việc kết hợp chúng

không dễ dàng

Trọng số tương đối của các mục tiêu là không giống nhau: Ví dụ, để xét một quá

trình lên men tốt là tốt hay không tốt ta đánh giá qua 2 tiêu chí là hiệu suất và chi phí của quá trình thì 2 yếu tố này có thể không quan trọng như nhau nên ta không thể tính trung bình các giá trị của các yếu tố được

Chỉ tiêu đánh giá chất lượng của mỗi tiêu chí là khác nhau: Ví dụ ta xét 2 chỉ

tiêu trong quá trình lên men gạo thành cồn là hiệu suất và chi phí chẳng hạn Với tiêu chí hiệu suất ta có thể chọn đặc trưng chất lượng là càng lớn thì càng tốt, còn tiêu chí chi phí bỏ ra thì ta chọn đặc trưng chất lượng càng nhỏ càng tốt, như vậy 2 tiêu chí không cùng đặc trưng chất lượng nên khó có thể kết hợp cơ học thành 1 chỉ tiêu chung được

Kết quả thực nghiệm thường được phân tích cho một tiêu chí tại một thời điểm, cách tiếp cận này thô và không đảm bảo rằng các thiết kế tốt nhất thu được cho một tiêu chí cũng phù hợp cho các tiêu chí khác, điều cần thiết đặt ra là cần một tiêu chuẩn đánh giá toàn diện (OEC- Overall Evaluation Criteria) để có thể đại diện phù hợp cho nhiều tiêu chí trong cùng một lần thử Do đó, khi có nhiều tiêu chí đánh giá, việc thiếu các công thức đó tạo ra trở ngại lớn cho việc phân tích các kết quả của DOE Kết hợp thiết kế thực nghiệm Taguchi và phân tích phương sai (ANOVA), Roy [20] đã đưa ra tiêu chí tổng thể OEC để đại diện phù hợp cho nhiều tiêu chí trong cùng một lần thử

Để xác định sự phù hợp của các mức yếu tố cho tất cả các mục tiêu riêng lẻ người

ta sử dụng một chỉ tiêu duy nhất, được gọi là tiêu chí đánh giá chung (hay tiêu chí đánh giá tổng thể OEC) Mỗi tiêu chí riêng biệt có thể có các đơn vị đo, đặc tính chất lượng và trọng số tương đối khác nhau Vì thế, để kết hợp các tiêu chí khác nhau này, trước hết chúng phải được đưa về cùng một tiêu chuẩn đánh giá và xác định trọng số tương đối cho từng tiêu chí riêng lẻ

- Nếu các chỉ tiêu chất lượng là giống nhau và theo đặc tính càng lớn càng tốt thì tính OEC dưới dạng

min max min

OECi là chỉ số đánh giá tổng thể ứng với điều kiện thử nghiệm thứ i

Gij: là giá trị đo được của thử nghiệm thứ i ứng với các tiêu chí thứ j

Gminj: là giá trị nhỏ nhất đo được trong các thử nghiệm ứng với tiêu chí thứ j

Gmaxj: là giá trị lớn nhất đo được trong các thử nghiệm ứng với tiêu chí thứ j

wj: là trọng số tương đối của tiêu chí thứ j

=



(1-6)

ở đây m là số tiêu chí đơn lẻ trong tiêu chí tổng thể

- Nếu các tiêu chí có cùng đặc tính chất lượng và theo đặc trưng càng nhỏ càng tốt thì OEC được tính như sau:

min max min

1 ij j w

G G OEC

1 j ij w

G G OEC

OECB

j1: là OEC ứng với các tiêu chí theo đặc trưng chất lượng càng lớn càng tốt

l: là số tiêu chí được đánh giá theo đặc trưng chất lượng càng lớn càng tốt

OECNj2: là OEC ứng với các tiêu chí theo đặc trưng chất lượng bình thường là tốt

m: là số tiêu chí được đánh giá theo đặc trưng chất lượng bình thường là tốt

OECS

j3: là OEC ứng với các tiêu chí theo đặc trưng chất lượng càng nhỏ càng tốt

k: là số tiêu chí được đánh giá theo đặc trưng chất lượng càng nhỏ càng tốt

Sau khi đã tính được giá trị của tiêu chí đánh giá chung OEC cho các điều kiện thử nghiệm thì việc phân tích kết quả và tìm mức tối ưu để đảm bảo mọi tiêu chí đều

có thể chấp nhận được có thể được thực hiện giống như khi thực hiện tìm mức tối ưu cho từng tiêu chí đơn lẻ, lúc này các giá trị sử dụng để phân tích là các giá trị OEC đã tính ứng với từng điều kiện thử nghiệm

Việc dự đoán kết quả tối ưu cho từng tiêu chí đơn lẻ ứng với các mức tìm được thông qua chỉ số đánh giá tổng thể OEC được thực hiện tương tự khi tính cho từng tiêu chí riêng lẻ Nghĩa là:

Y dd k : là giá trị đáp ứng dự đoán của tiêu chí k ứng với mức tối ưu của các yếu tố tìm

được thông qua chỉ số đánh giá tổng thể OEC

j: là các yếu tố ảnh hưởng tới hàm mục tiêu (j=A,B,C )

i: là mức tối ưu của yếu tố j tìm được từ chỉ số đánh giá tổng thể OEC

ioec

j : là tác động trung bình của yếu tố j (A,B,C…) ở mức tối ưu tìm được từ OEC

s: là số yếu tố khảo sát

T̅ k: là giá trị trung bình của các lần thử ứng với tiêu chí riêng lẻ k

1.5 Xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luân văn

Từ phân tích tổng quan về các quy trình sản xuất cồn cũng như phân tích kết quả của một số nghiên cứu trong và ngoài nước về quy trình SLSF-VHG, chúng tôi thấy còn một số vấn đề cần tiếp tục được nghiên cứu:

Vấn đề thứ nhất: Khảo sát và nghiên cứu nguồn nitơ phù hợp (không sử dụng Ure)

trong quy trình SLSF-VHG để đảm bảo chất lượng an toàn thực phẩm cho sản phẩm

Vấn đề thứ hai: Sử dụng công cụ thiết kế thực nghiệm theo Taguchi và phân tích

phương sai ANOVA để xác định tỷ lệ ảnh hưởng và mức phù hợp của các thông số

Stargen 002, Fermgen, Nấm men trong quy trình SLSF-VHG nhằm đảm bảo hiệu suất lên cao nhất và chi phí nguyên liệu thấp nhất Điều này là rất cần thiết vì giảm được chi phí đồng nghĩa với tăng lợi nhuận có ý nghĩa lớn trong thương mại

Vấn đề thứ ba: Xây dựng mô hình toán học từ dữ liệu thực nghiệm mô tả quan hệ giữa

hiệu suất lên men và chi phí nguyên liệu của quy trình SLSF-VHG với các thông số công nghệ (Stargen 002, Fermgen, Nấm men), từ đó phân tích quy luật ảnh hưởng của các thông số này tới hiệu suất lên men và chi phí nguyên liệu làm cơ sở lựa chọn các thông số công nghệ tối ưu sử dụng trong sản xuất

Vấn đề thứ tư: Tối ưu đồng thời hai chỉ tiêu chất lượng là hiệu suất lên men và chi phí

nguyên liệu để đảm bảo hiệu suất quá trình SLSF-VHG là chấp nhận được với chi phí hợp lý

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Việc xây dựng mô hình thực nghiệm, vật liệu và phương pháp nghiên cứu nhằm xác định các thành phần, yếu tố đầu vào, đầu ra của quá trình và giải quyết các mục tiêu của đề tài yêu cầu, từ đó lựa chọn trang thiết bị, vật liệu, lựa chọn các thông số công nghệ, chuẩn bị mẫu và xác định điều kiện thực hiện các thí nghiệm

2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Vật liệu

a) Bột gạo

Nguyên liệu chính được sử dụng trong nghiên cứu ở quy trình SLSF- VHG là bột gạo tấm Miền Nam, giống OM – giống gạo chủ lực ở đồng bằng sông Cửu Long loại nguyên liệu sản xuất cồn ở nhà máy, với nguồn cung dồi dào và giá cả hợp lý Gạo được nghiền mịn, qua rây 0,3 mm Chúng tôi cũng đã xác định một số chỉ tiêu hóa lý của nguyên liệu gạo bao gồm: Độ ẩm: 10,1 ± 0,3%, Hàm lượng tinh bột: 80,4 ± 0,5%, Hàm lượng protein: 7,5 ± 0,2%

Hình 2.1 Gạo tấm Miền Nam và bột gạo b) Nấm men

Chúng tôi sử dụng nấm men khô Red Ethanol (Saccharomyces cerevisiae) của

hãng Fermentis (Pháp) cho quá trình lên men [19] Theo nhà sản xuất, độ cồn có thể đạt được 18% v/v ở nồng độ chất khô cao và nhiệt độ lên men 300C

Bảng 2.1 Đặc tính của chế phẩm nấm men Red Ethanol

Chủng giống Saccharomyces cerevisiae

Số tế bào sống trên 1g 2,5×1010 TB/g

% trọng lượng khô 94 – 96,5%

Nhiệt độ lên men tối ưu 30 - 400 C

Lượng dùng khuyến nghị 20 – 70 g/hl (~5-15 triệu tế

bào/ml)

Hình 2.2 Nấm men Red Ethanol c) Chế phẩm enzyme

Thông tin và đặc tính của các chế phẩm enzyme sử dụng trong nghiên cứu được thể hiện ở bảng 2.2

Bảng 2.2 Đặc tính của các loại enzyme sử dụng trong nghiên cứu

Loại enzyme Tên chế phẩm Nhà sản xuất Hoạt lực pH tối ưu

Nhiệt

độ tối

ưu ( 0 C)

Liều lượng

*(kg/tấn NL)

Glucoamylase Amigase

Mega L

DSM Food specialties

36000 AGI/g 3,5- 5,0 55 - 60 0,8 - 3,2

Protease Fermgen Dupont 1000

SAPU/g 4,0 to 5,0 28 - 35 0,5 - 1,0

*Liều lượng khuyến nghị của nhà sản xuất

GAU: Một đơn vị [GAU] là số lượng enzym sẽ giải phóng một gram đường khử được tính theo glucose mỗi giờ từ cơ chất tinh bột hòa tan trong các điều kiện thử nghiệm [20]

SAPU: Một SAPU là lượng hoạt động của enzyme giải phóng một micromole tyrosine mỗi phút từ chất nền casein trong các điều kiện của khảo nghiệm [20]

AGI: Hoạt tính của enzym glucoamylase được biểu thị bằng đơn vị AGI (Amyloglucosidase) Một đơn vị AGI được định nghĩa là lượng enzyme tạo ra 1 μmol glucose mỗi phút ở pH 4,3 và ở 60 ° C từ cơ chất là tinh bột hòa tan [21]

Các thiết bị dùng trong nghiên cứu thuộc Công ty Cổ phần công nghệ rượu và đồ uống Việt Nam bao gồm: Bộ cất cồn, máy đo cồn Kyoto electronics DA-130N, bể ổn nhiệt, cân phân tích

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Các phương pháp phân tích hoá lý

a) Xác định độ ẩm của nguyên liệu

- Nguyên tắc: Sấy nguyên liệu đến khối lượng không đổi, độ ẩm sẽ được tính từ khối lượng nguyên liệu mất đi trong quá trình sấy [22]

- Tiến hành: Cân khoảng 5 (g) bột đã nghiền nhỏ vào trong cốc nhôm có nắp đã biết

trước khối lượng và mang sấy trong tủ sấy có nhiệt độ 1050C trong 3 giờ Sau đó làm nguội trong bình hút ẩm khoảng 30 phút trước khi mang cân lại Nếu sai số giữa 2 lần

không quá 0,001 g thì quá trình sấy kết thúc

- Kết quả: Độ ẩm của nguyên liệu (%) được tính theo công thức:

W = 1 2

1

100%

m m m

− 

, (% m/m) (2-1)

Trong đó: m1, m2 – khối lượng nguyên liệu trước và sau khi sấy, g

b) Xác định hàm lượng đường sót bằng phương pháp Graxianop [22]

- Nguyên tắc

Đường khử khi đun nóng với dung dịch kiềm cùng với ferixyanua sẽ khử ferixianua thành feroxyanua và đường khử chuyển thành axit đường Dùng metylen xanh làm chất chỉ thị sẽ mất màu xanh khi phản ứng kết thúc

Phản ứng chính như sau:

2K3Fe(CN)6 + 2KOH + CH2OH(CHOH)4CHO -> 2K4Fe(CN)6 + 2H2O + COOH(CHOH)4COOH

- Tiến hành

+ Dịch lên men được lọc (hoặc đem ly tâm) để thu dịch trong, dịch trong này được đem sử dụng để xác định lựợng đường khử bằng phương pháp Graxianop

+ Dùng pipet lấy đúng 20 ml dung dịch ferixyanua kali cho vào bình tam giác

250 ml, thêm vào đó 5 ml dung dịch KOH 2,5N và 3 - 4 giọt xanh metylen Lắc nhẹ và đặt trên bếp điện hoặc bếp ga, đun sao cho sau 1 - 2 phút thì sôi Tiếp đó dùng dung dịch đường loãng để chuẩn tới mất màu của xanh metylen Chú ý màu của hỗn hợp phản ứng sẽ thay đổi từ xanh sang phớt hồng và cuối cùng là vàng da cam thì kết thúc Nếu để nguội màu của hỗn hợp sẽ trở lại tím hồng do bị oxy hoá

Khi trong hỗn hợp phản ứng còn ferixyanua thì khi nhỏ dịch đường vào, đường sẽ khử ferixyanua kali, khi vừa hết ferixyanua thì ngay lập tức 1 giọt đường dư sẽ khử và làm mất màu của xanh metylen- chất chỉ thị của phản ứng

Muốn xác định xem 20 ml ferixyanua kali tương ứng với bao nhiêu mg glucoza,

ta làm thí nghiệm như trên nhưng dung dịch chuẩn là dung dịch glucoza đã biết trước nồng độ

Giả sử 20 ml ferixianua 1,2% cộng với 5 ml KOH 2,5 N cộng 3 - 4 giọt xanh metylen khi đun sôi và chuẩn hết 5ml dung dịch glucoza 0,5 g/100ml Như vậy 20 ml feixyanua 1% tương đương với 5 × 5 mg = 25 mg hay 0,025 g

c) Xác định hàm lượng tinh bột bằng phương pháp thủy phân bằng axit [22]

- Nguyên tắc: Thủy phân tinh bột thành đường trong dung dịch HCl 2% ở điều kiện

đun sôi trong bình cách thủy 2 giờ Dịch thủy phân được làm nguội và trung hòa bằng NaOH với chỉ thị phenolphtalein Hàm lượng tinh bột gạo sẽ tỷ lệ với hàm lượng đường khử (glucose) trong dịch sau thủy phân

- Tiến hành: Cân 2g bột nghiền mịn rồi cho vào bình tam giác Sau đó bổ sung thêm

100ml HCl 2% (100 ml nước cất với 6ml HCl 35%) và lắc đều Sau đó lắp sinh hàn khí và đặt bình tam giác vào bình ổn nhiệt và đun sôi trong 2 giờ Dịch thủy phân xong được làm nguội đến nhiệt độ 300C và cho thêm 4-5 giọt phenolphtalein Trung hòa lượng axit dư bằng dung dịch NaOH 10%, chuyển toàn bộ vào bình định mức 250 ml

và định mức bằng nước cất tới ngấn bình, đem lọc Hàm lương đường khử thu được sau khi lọc sẽ được xác định bằng phương pháp Graxianop

- Kết quả: Hàm lượng tinh bột trong gạo được xác định theo công thức:

a- Số gam glucose tương ứng với 20ml ferixyanua 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 đổi glucose thành tinh bột

d) Xác định hàm lượng đường tổng bằng phương pháp thủy phân bằng axit [22]

- Nguyên tắc: Thủy phân dịch lên men trong dung dịch HCl 2% ở điều kiện đun sôi

trong bình cách thủy 2 giờ Dịch thủy phân được làm nguội và trung hòa bằng NaOH với chỉ thị phenolphtalein Hàm lượng đường tổng sẽ tỷ lệ với hàm lượng đường khử (glucose) trong dịch sau thủy phân

- Tiến hành: Làm đều dịch lên men, lấy 10 ml dịch lên men rồi cho vào bình tam

giác Sau đó bổ sung thêm 100ml HCl 2% (100 ml nước cất với 6ml HCl 35%) và lắc đều Sau đó lắp sinh hàn khí và đặt bình tam giác vào bình ổn nhiệt và đun sôi trong 2 giờ Dịch thủy phân xong được làm nguội đến nhiệt độ 300C và cho thêm 4-5 giọt phenolphtalein Trung hòa lượng axit dư bằng dung dịch NaOH 10%, chuyển toàn bộ vào bình định mức 250ml và định mức bằng nước cất tới ngấn bình, đem lọc Hàm lương đường khử thu được sau khi lọc sẽ được xác định bằng phương pháp Graxianop

- Kết quả: Hàm lượng đường tổng sót trong dịch lên men được xác định theo

a- Số gam glucose tương ứng với 20ml ferixyanua kali

b- Số ml dịch đường loãng tiêu hao khi định phân

m- Số ml mẫu thí nghiệm

e) Xác định nồng độ cồn bằng phương pháp chưng cất và đo tỉ trọng

Sau lên men, trước hết ta cần kiểm tra nồng độ rượu trong dấm chín Muốn xác đinh nồng độ rượu trong dung dich bất kỳ, trước hết phải tách rượu khỏi các chất hoà tan khác bằng chưng cất, rồi đo nồng độ rượu bằng máy đo cồn

- Chưng cất

+ Lấy 100 ml dich lọc giấm chín có nhiệt độ xấp xỉ 200C cho vào bình định mức 100

ml, rót dịch giấm vào bình cất rồi tráng bình bằng 100 ml nước cất rồi cũng đổ vào bình cất có dung tích khoảng 500 ml Nối bình với hệ thống cất như ở hình 2.4, tiến hành chưng cất cho tới khi nước ngưng ở bình đạt khoảng 95 ml Sau đó, định mức lên

100 ml, đậy kín và đo nồng độ rượu bằng thiết bị đo Kyoto Electronics DA-130N theo nguyên tắc đo tỉ trọng Một số thông số của thiết bị như sau:

– Thang đo tỷ trọng: 0.00- 2.00 g/cm3

– Độ chính xác: ±0.001g/cm3

– Độ đọc được: 0.0001g/cm3

– Thang đo nhiệt độ: 0 - 40°C

– Hiển thị nhiệt độ °C/ °F, số mẫu, tự động ổn định, tự động lưu dữ liệu, tự động truy xuất dự liệu…

– Tự động bù nhiệt đến 10 hệ số trên 1 mẫu

Cách đo như sau:

+ Nhấn giữ phím On/Off cho đến khi màn hình máy hiển thị

+ Tráng ống mao quản của máy 3 lần bằng nước cất

+ Tráng lại ống mao quản của máy 3 lần bằng mẫu cân đo

+ Hút mẫu cần đo vào mao quản sao cho không có bọt khí trong ống

+ Đọc độ cồn của mẫu hiển thị trên màn hình

+ Đẩy mẫu ra và tráng mao quản bằng nước cất

ĐT

a) Tính toán hiệu suất lên men

Hiệu suất lên men được tính theo công thức sau:

TT 100%

TH LT

C H C

= 

(2-5)Trong đó:

HTH: Hiệu suất lên men (%);

CTT: Nồng độ cồn tạo ra trong quá trình sản xuất (% v/v);

CLT: Nồng độ cồn tạo ra theo lý thuyết từ tinh bột (% v/v)

Từ tinh bột ban đầu ta có phương trình tổng quát thủy phân tinh bột thành đường như sau:

n( C 6 H 10 O 5 ) + nH 2 O n(C 6 H 12 O 6 )

Khối lượng phân tử 162 18 180

Sau đó đường được chuyển hóa thành rượu theo phương trình tổng quát:

C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2CO 2

Khối lượng phân tử 180 92 44

Như vậy từ A (g/L) gạo tấm ban đầu, theo lý thuyết tạo ra được CLT cồn theo công thức sau:

A: Khối lượng bột gạo tấm ban đầu (g);

B: Phần trăm tinh bột sắn trong mẫu (%);