Nghiên cứu phát triển công nghệ dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời để sản xuất từ gạo

Nghiên cứu phát triển công nghệ dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời để sản xuất từ gạo Nghiên cứu phát triển công nghệ dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời để sản xuất từ gạo Nghiên cứu phát triển công nghệ dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời để sản xuất từ gạo luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- PHENGMEANGKHUNE Thipphaphone

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ DỊCH HÓA, ĐƯỜNG HÓA

VÀ LEN MEN ĐỒNG THỜI ĐỂ SẢN XUẤT TỪ GẠO

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B

L ỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ của tôi được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm,Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn này đã được hoàn thành với sự giúp đỡ và ủng hộ của rất nhiều người

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Chu Kỳ Sơn Kiến thức chuyên ngành, sự lắng nghe, thấu hiểu và hướng dẫn nhiệt tình của thầy đã giúp cho tôi có thể hoàn thành được tốt luận văn này

Tôi cũng xin gửi những lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, tới phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, tới ThS Nguyễn Thị Hoài Đức, cán bộ phụ trách phòng thí nghiệm vì sự giúp đỡ nhiệt tình của cô trong khi tôi thực hiện luận văn này

Tôi cũng xin được cảm ơn các bạn ThS Nguyễn Chính Nghĩa, Trương Tuấn Nghĩa vì sự giúp đỡ và đã cho tôi những lời khuyên hữu ích để hoàn thành luận văn

Cuối cùng, tôi xin gửi những lời cảm ơn chân thành nhất tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn động viên và ở bên cạnh tôi trông những thời điểm khó khăn

Hà Nội, ngày 16 tháng 3 năm 2013

TÓM T ẮT NỘI DUNG

Tại Việt Nam, hầu hết các nhà máy đều sử dụng quy trình truyền thống để sản xuất cồn Quy trình này bao gồm bốn công đoạn chính: Dịch hóa, Đường hóa, Lên men và Chưng cất Trong các giai đoạn đó thì công đoạn Dịch hóa và Chưng cất tiêu tốn khá nhiều năng lượng Với mục đích nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm thiểu chi phí đầu tư thiết bị và tiết kiệm năng lượng sử dụng cho công đoạn Dịch hóa trong khi vẫn đảm bảo được hiệu suất cũng như thời gian lên men, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu và phát triển Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời (SLSF) để sản xuất cồn từ nguyên liệu gạo

Luận văn của tôi tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:

- Nghiên cứu phát triển quy trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời (SLSF) để sản xuất cồn từ gạo ở nồng độ chất khô 185 g/l: theo quy trình này, dịch bột gạo sẽ được dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở 30-320C trong vòng 72h với sự bổ sung đồng thời các enzym alpha-amylaza và gluco-amylaza: Stargen 002 (1,5 ml/kg nguyên liệu) và Amigase L (0,5 ml/kg nguyên liệu); nấm men khô Red Ethanol (0,25 g/l) và chất dinh dưỡng Urê (0,8 g/l) Sau 72h lên men, độ cồn thu được đạt 10,9 % v/v, tương ứng với hiệu suất thu hồi 91,3%

- Tiến hành tối ưu hóa quy trình SLSF trên gạo ở nồng độ chất khô 185 g/l: với mục đích làm giảm lượng enzym cũng như nấm men sử dụng trong quy trình trên trong khi vẫn giữ nguyên được hiệu suất cũng như không làm kéo dài thời gian lên men, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu nhằm tối ưu hóa quy trình SLSF trên gạo Tuy nhiên, do việc lựa chọn điểm giữa cũng như bước nhảy của các yếu

tố chưa được tốt, hệ số tương quan giữa mô hình và thực tế không cao Vì vậy, kết quả tối ưu chúng tôi thu được không thật sự chính xác

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

TÓM TẮT NỘI DUNG 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC VIẾT TẮT 6

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 9

1.1 Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam 9

1.1.1 Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới 9

1.2 Nguyên liệu để sản xuất cồn 10

1.2.1 Nguyên liệu chứa đường 10

1.2.2 Nguồn nguyên liệu chứa xenluloza 11

1.2.3 Nguồn nguyên liệu chứa tinh bột 11

1.3 Công nghệ sản xuất cồn 14

1.3.1 Quy trình truyền thống 14

1.3.2 Quy trình đường hóa và lên men đồng thời SSF 15

(Simultaneous Saccharification and Fermentation) 15

1.3.3 Quy trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời (SLSF) 16

1.3.4 So sánh ba quy trình 18

1.3.5 Mục đích của luận văn thạc sĩ 19

CHƯƠNG 2: VẬT LIẸU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C ỨU 20

2.1 Vật liệu 20

2.1.1 Gạo tẻ 20

2.1.2 Enzym 20

2.1.3 Nấm men khô 21

2.1.4 Những nguyên liệu khác 21

2.2 Các phương pháp phân tích 21

2.2.1 Xác định độ ẩm của nguyên liệu 21

2.2.2 Xác định hàm lượng tinh bột bằng phương pháp thủy phân axit 22

2.2.3 Xác định đường khử bằng phương pháp DNS (Axit dinitro salixylic) 23

2.3.4 Xác định hàm lượng cồn 24

2.3 Các phương pháp nghiên cứu 26

2.3.1 Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời 26

2.3.2 Tối ưu hóa quy trình SLSF bằng ma trận Doehlert 28

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30

3.1.Nguyên liệu gạo và thành phần 30

3.2 Khảo sát quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời 1(quy trình SLSF1) 31

3.2.1.Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa va lên men đồng thời 1 (quy trình SLSF1) 31

3.2.2.Kết quả 32

3.3.Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời cải tiến (SLSF2) 34

3.3.1.Kết quả 35

3.3 Tối ưu hóa quy trình SLSF sử dụng ma trận Doehlert 36

3.3.1 Đánh gia ảnh hưởng của các biến số đối với đường sót của dịch hèm sau 72h lên men (Y1) 38

3.3.2 Đánh giá ảnh hưởng của các biến số đối với độ cồn của dịch hèm sau 72h lên men (Y2) 39

3.3.3 Đánh giá ảnh hưởng của các biến số đối với hiệu suất thu hồi của quy trình sau 72h lên men (Y3) 41

3.3.4 Kết luận về ảnh hưởng của các yếu tố đối với quy trình 41

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG 43

4.1 Kết luận 43

4.2 Triển vọng 43

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 44

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B

DANH M ỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH

Bảng 2.1: Các đặc tính chính của các enzym đã sử dụng trong nghiên

cứu 20

Bảng 2.2: Các yếu tố ảnh hưởng được lựa chọn cho nghiên cứu 28

Bảng 2.3: Ma trận thực nghiệm xây dựng từ phương pháp Doehlert cho 3 yếu tố ảnh hưởng 29

Bảng 3.1: Gạo tẻ và bột nghiền mịn 30

Biểu đồ 3.1 Biến đổi hàm lượng đường khử, đường sót và độ cồn của dịch trong quá trình lên men quy trình SLSF1 32

Biểu đồ 3.2: Đường khử, đường sót và độ cồn của dịch trong quá trình lên men ở quy trình cải tiến (SLSF2) 35

Biểu đồ 3.3: Hiệu suất thu hồi theo quy trình 2 (SLSF2) 36

Hình 1.1: Sản lượng sắn tại Việt Nam 2005-2011 12

Hình 1.2: Sản lượng gạo tại Việt Nam 2005-2011 13

Hình 1.3: Quy trình sản xuất cồn truyền thống 14

Hình 1.4: Quy trình đường hóa và lên men đồng thời SSF 16 Hình 1.5: Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời (SLSF) 18

Hình 2.1: Gạo tẻ và bột gạo đã nghiền mịn 20

Hình 2.2: Hệ thống chưng cất cồn 24

Hình 2.3: Máy đo điẻm sôi DUJARDIN-SALLERON 25

Hình 2.5: Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời (SLSF1)

26 Hình 2.6: Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời (SLSF2)

27

Hình 3.1: Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời1

(SLSF1)

31

Hình 3.2: Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời

Commented [NN1]:

DANH MỤC VIẾT TẮT

1 SSF: Đường hóa và lên men đồng thời

2 SLSF: Dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời

3 USD: Đô la Mỹ (United States Dollar)

4 CD: Catalylic domain

5 SBD: Starch binding domain

6 ASAA: Acid Stable Alpha Amylase

7 MhL: triệu Hectolit

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B

Ethanol đóng vai trò quan trọng rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống Trong các lĩnh vực, vai trò của ethanol trong lĩnh vực nhiên liệu ngày càng trở nên quan trọng Trong bối cảnh nguồn nguyên liệu hóa thạch đang ngày một cạn kiệt, ethanol nhiên liệu được xem như một nguồn thay thế hữu hiệu và thân thiện với môi trường Nhu cầu sử dụng ethanol càng ngày càng cao đã thúc đẩy ngành công nghiệp sản xuất ethanol trên toàn cầu Sản lượng ethanol liên tục tăng qua các năm

Ngành sản xuất cồn của Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ trong thời gian qua để phục vụ mục tiêu chương trình nhiên liệu sinh học đã được Chính phủđể đáp ứng được nhu cầu sử dụng trong ngành sản xuất đồ uống có cồn Ta

có thế nói rằng ngành công nghệ sản xuất cồn tại Việt Nam sẽ có một tố độ phát triển không ngừng và đáng kinh ngạc

Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời (SLSF), đây là một phương pháp mới để sản xuất cồn 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

Công nghệ dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời (SLSF) là công nghệ kết hợp quá trình dịch hóa, đường hóa nguyên liệu tinh bột và quá trình lên men trong cùng một thiết bị Với sự trợ giúp của một hỗn hợp enzym có tác dụng tương hỗ để chuyển hóa trực tiếp hạt tinh bột chưa được hồ hóa thành các dạng đường lên men, mà nấm men có thể sử dụng được để chuyển hóa thành ethanol Hỗn hợp enzym sử dụng chứa chủ yếu là hai enzym alpha amylaza và glucoamylaza Ngoài ra có thể bổ sung một số enzym khác để tăng hiệu quả quá trình đường hóa như cellulaza và beta glucanaza Enzym 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 sản phẩm enzym để thủy phân tinh bột sống dung trong sản xuất rượu sake Một lý do quan trọng làm hạn chế sự phát triển của các loại enzym này là giá thành quá đắt do phải sử dụng phương pháp lên men rắn Hiện nay, với sự tiến bộ của công nghệ sinh học, loại enzym thủy phân tinh bột với giá thành rẻ và có hoạt độ cao đã được nghiên cứu và sản xuất ở quy mô công nghiệp Đây là hai yếu tố quan trọng để ứng dụng quá trình thủy phân tinh bột sống kết hợp với quá trình đường hóa và lên men đồng thời trong công nghệ sản xuất cồn

1 M ục đích của nghiên cứu này

Luận văn thạc sĩ của tôi tập trung nghiên cứu và quy trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men Đồng thời (SLSF) để sản xuất cồn từ nguyên liệu gạo tẻ

Luận văn cũng nhằm mục tiêu tối ưu quy trình SLSF nhằm đảm bảo hiệu suất quá trình lên men cũng như giảm thiểu chi phí (enzym, nấm men, thời gian)

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam

1.1.1 Tình hình s ản xuất ethanol trên thế giới

Ethanol đóng vai trò quan trọng rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống, ta có thể

kể ra các lĩnh vực như:

- Quốc phòng: thuốc súng, bom…

- Y học: dung môi pha thuốc, chất sát trùng…

- Thực phẩm: rượu, giấm, đồ uống có cồn

- Nông nghiệp: thuốc trừ sâu…

- Giao thông: nhiên liệu sinh học

- Hóa học: dung môi…

Trong các lĩnh vực trên, vai trò của ethanol trong lĩnh vực nhiên liệu ngày

càng trở nên quan trọng Trong bối cảnh nguồn nguyên liệu hóa thạch đang ngày

một cạn kiệt, ethanol nhiên liệu được xem như một nguồn thay thế hữu hiệu và

thân thiện với môi trường Nhu cầu sử dụng ethanol càng ngày càng cao đã thúc

đẩy ngành công nghiệp sản xuất ethanol trên toàn cầu Sản lượng ethanol liên tục

tăng qua các năm, trong đó Hoa Kỳ và Brazil là hai quốc gia đi đầu trong ngành

công nghiệp này Chỉ tính riêng trong năm 2011,cùng với nhau, Mỹ và Brazil đã

sản xuất tới 87% sản lượng ethanol toàn cầu Phần lớn ethanol của Hoa Kỳ được

sản xuất từ ngô, trong khi tại Brazil, ethanol chủ yếu được sản xuất từ rỉ đường

Có thể nói rằng, với nhu cầu về nhiên liệu ngày một tăng như hiện nay, sản lượng

ethanol sẽ tăng lên không ngừng trong tương lai

Commented [CKS2]: TLTK

1.1.2 Tình tr ạng sản xuất cồn ở Việt Nam

Ngành sản xuất cồn của Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ trong thời

gian qua để phục vụ mục tiêu chương trình nhiên liệu sinh học đã được Chính

phủ phê duyệt trong ngày 20/11/2007 và để đáp ứng được nhu cầu sử dụng trong

ngành sản xuất đồ uống có cồn

Theo quy hoạch phát triển ngành bia, rượu, nước giải khát Việt Nam đến

năm 2015, tầm nhìn đến năm (2025)[2], ngành công nghiệp sản xuất bia, rượu,

nước giải khát sẽ được phát triển theo hướng bền vững, chú trọng bảo đảm vệ

sinh, an toàn thực phẩm cho người tiêu dùng và bảo vệ môi trường sinh thái Đến

năm 2010 sản lượng sản xuất đạt 2,5 tỷ lít bia, 80 triệu lít rượu công nghiệp, 2 tỷ

lít nước giải khát Kim ngạch xuất khẩu từ 70-80 triệu USD Đến năm 2015, sản

lượng sản xuất đạt 4 tỷ lít bia, 188 triệu lít rượu công nghiệp, 4 tỷ lít nước giải

khát Kim ngạch xuất khẩu từ 140-150 triệu USD Đến năm 2025, sản lượng sản

xuất đạt 6 tỷ lít bia, 440 triệu lít rượu công nghiệp, 11 tỷ lít nước giải khát Bên

cạnh đó, nhà nước cũng khuyến khích phát triển cồn sinh học làm nhiên liệu

Theo Bộ Công thương, sản lượng nhiên liệu sinh học trong nước sẽ đạt 1,8 triệu

tấn vào năm 2025, đáp ứng 5 % nhu cầu của quốc gia[3] Ngoài ra, chính phủ sẽ

thực hiện quy hoạch và phát triển các vùng chuyên canh nguyên liệu cho sản suất

cồn sinh học, dầu động vật và thực vật (mía, sắn, ngô, dầu động vật và thực vật

thu hồi,v.v…) Hơn nữa, chúng ta sẽ tiếp cận và áp dụng những công nghệ sản

xuất cồn tiên tiến từ những nguồn sinh khối khác nhau nhằm đáp ứng hoàn toàn

nhu cầu ethanol để sản xuất xăng E5

Tại một quốc gia có nhiều tiềm năng sản xuất cồn như sự đa dạng về

nguyên liệu, thị trường tiêu thụ lớn, ta có thể nói rằng ngành công nghiệp sản

xuất cồn sinh học tại Việt Nam sẽ có một tốc độ phát triển không ngừng và đáng

kinh ngạc

1.2 Nguyên li ệu để sản xuất cồn

Có thể chia nguyên liệu để sản xuất cồn ra làm 3 nhóm chính: nguồn

nguyên liệu chứa đường, nguồn nguyên liệu chứa xenluloza và nguồn nguyên

liệu chứa tinh bột

1.2.1 Nguyên liệu chứa đường

Những nguyên liệu chứa đường giúp cho quá trình lên men dễ dàng hơn

như là mía, củ cải đường và rỉ đường Rỉ đường chính là nguồn nguyên liệu quan

trọng trong sản xuất cồn ở rất nhiều quốc gia như: Brazil, Cuba, Ấn Độ… Tại

Việt Nam, chúng ta thường sử dụng những nguyên liệu đó để sản xuất đường, mì

Commented [CKS3]: TLTK????

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Page

chính hay tạo sinh khối nấm men Trên thực tế, việc sử dụng những nguyên liệu này để sản xuất cồn không còn được sử dụng nữa

1.2.2 Ngu ồn nguyên liệu chứa xenluloza

Nguồn sinh khối chứa xenluloza là một trong những nguồn nguyên liệu tái tạo phổ biến nhất trên trái đất, và đặc biệt là một trong những nguồn rẻ nhất Việc sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu này sẽ cho phép đáp ứng một phần nhu cầu năng lượng toàn cầu, mà hiện nay chủ yếu được đảm bảo bởi các sản phẩm dầu khí, mở ra những cơ hội mới đối với ngành nông nghiệp Đặc biệt tại Việt Nam, những phụ phẩm nông nghiệp và của ngành công nghiệp thực phẩm rất đa dạng,

ví dụ như rơm rạ hay bã mía Vì vậy, chúng ta có một tiềm năng rất lớn để phát triển việc sản xuất cồn sinh học từ nguồn nguyên liệu này

Tuy nhiên, với cấu trúc bao gồm xenluloza, hemi-xenluloza và lignin, xenluloza có một cấu trúc rất bền và khó bị phá vỡ Hơn nữa, việc chuyển hóa nguyên liệu này thành đường lên men được là hết sức khó khăn và tốn kém Do vậy, hiệu suất thu hồi cũng như hàm lượng cồn thu được là thấp Trên thực tế, người ta coi xenluloza là nguồn nguyên liệu của tương lai

1.2.3 Ngu ồn nguyên liệu chứa tinh bột

Quy trình sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu chứa tinh bột là phương pháp lâu đời và phổ biến nhất trên thế giới Có rất nhiều nguyên liệu chứa tinh bột như ngô, gạo, gạo nếp, sắn, lúa mì, khoai tây… Tại Việt Nam, nguyên liệu được sử dụng nhiều nhất là gạo tẻ, sắn, ngô và gạo nếp

1.2.3.1 S ắn

Sắn chiếm vị trí thứ sáu trong số những loại cây được trồng nhiều nhất trên thế giới.Sắn có rất nhiều ưu điểm: khả năng thích nghi ở điều kiện khắc nghiệp, sản lượng cao, giá thành thấp…

Hình 1.1: S ản lượng sắn tại Việt Nam từ (2005 –2011)[4]

1.2.3.2 G ạo

Gạo là lương thực quan trọng nhất ở Việt Nam Nó cũng là nguồn tinh bột

chính trong bữa ăn của một nửa dân số toàn cầu, nhất là ở các nước Đông Á,

Đông Nam Á và Nam Á.Từ nhiều năm nay, Việt nam liên tục đứng trong nhóm

các quốc gia xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới Theo Hiệp hội lương thực Việt

Nam, trong năm 2011, cả nước đã sản xuất được trên 42 triệu tấn gạo, trong đó

xuất khẩu 7,105 triệu tấn, giá trị xuất khẩu đạt 3,651 tỷ USD [5]

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Page

Hình 1.2: S ản lượng gạo tại Việt Nam từ (2005 – 2011)[4]

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

Kích thước của hạt tinh bột từ 2-10 µm, gạo chứa tinh bột (70-80%), protein (8-12%), lipid (0,4-0,6%), xenluloza (0,6-0,8%) Trong tinh bột gạo, amyloza chiếm13-35% và amylopectin chiếm trên 65% tùy thuộc vào từng loại gạo

1.3 Công ngh ệ sản xuất cồn

1.3.1 Quy trình truyền thống

Quy trình sản xuất hiện tại bao gồm những công đoạn chính: dịch hóa,

đường hóa, lên men và chưng cất Trước những giai đoạn đó, nguyên liệu phải

được nghiền và trộn với nước

Hình 1.3: Quy trình sản xuất cồn truyền thống

Hiện nay, hầu hết các nhà máy tại Việt Nam đều sử dụng quy trình truyền

thống để sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu chứa tinh bột Phương pháp này bao

gồm các công đoạn sau: Dịch hóa (95-1050C trong 60 phút), Đường hóa

(60-620C trong 30 phút), Lên men (30-320C trong 72h đến 84h) và chưng cất để thu

được cồn 96% v/v) Nồng độ chất khô thường nhỏ hơn 200 g/l

Mục đích của công đoạn này là chuyển hóa tinh bột thành các dextrin và

oligosaccharit nhờ hoạt động của enzym alpha-amylaza bền nhiệt Quá trình dịch

hóa thường được thực hiện ở 95-1050C trong 1-2h pH được sử dụng ở giai đoạn

này thường từ 5,5-6,0

Sau khi kết thúc quá trình dịch hóa, dịch chứa dextrin và các

oligosaccharit Trong quá trình đường hóa, các chất này sẽ được cắt thành đường

glucose dưới tác dụng của enzym gluco-amylaza Quá trình đường hóa thường

được thực hiện ở nhiệt độ 60-620C ở pH từ 4,5-5,0 trong vòng 30 phút

Commented [CKS6]: TLTK???, tiếng Việt

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Page

1.3.1.3 Lên men

Sau khi kết thúc quá trình đường hóa, nấm men và các chất dinh dưỡng sẽ được bổ sung vào dịch hèm Trong quá trình lên men, nấm men sẽ sử dụng đường glucoza để tạo ra ethanol, CO2 và một số chất khác (glycerol, các axit hữu

cơ, andehyt, v.v…) Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong sản xuất cồn Thông thường quá trình lên men kết thúc sau 72-84h

Mục đích của giai đoạn này là loại bỏ những tạp chất và những chất không mong muốn (andehyt, ceton, các axít hữu cơ, rượu bậc cao, v.v…) để thu được ethanol ở nồng độ cao (96%v/v) Chất lượng của cồn thu được phụ thuộc vào hệ thống chưng cất Hiện nay, người ta rất chú ý đến việc quản lý chất lượng của cồn sinh học sao cho nó có chất lượng cao tương đương với cồn thực phẩm

• Quy trình truy ền thống đã bộc lộ một số hạn chế như sau:

- Sử dụng một lượng nhiệt lớn cho quá trình dịch hóa : gia nhiệt dịch từ

300C lên 95-1050C và duy trì dịch cháo ở nhiệt độ cao trong thời gian vòng 1-2h

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

- Cần một lượng lớn nước và nhiều thời gian để hạ nhiệt

Nhằm khắc phục những hạn chế trên của quy trình sản xuất cồn truyền thống, các nhà khoa học đã tiến hành các nghiên cứu nhằm tìm ra một phương pháp mới

1.3.2 Quy trình đường hóa và lên men đồng thời SSF (Simultaneous Saccharification and Fermentation)

Việc sản xuất cồn theo quy trình đường hóa và lên men đồng thời SSF bao gồm 3 giai đoạn: dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời, chưng cất

- Đường hóa và Lên men đồng thời:

Sau khi kết thúc quá trình dịch hóa, dịch cháo sẽ được làm lạnh ngay lập tức xuống 300C Tại nhiệt độ này,enzym đường hóa gluco-amylaza được bổ sung đồng thời cùng với nấm men và những hợp chất cần thiết khác như urê, (NH4)2SO4 để thực hiện quá trình Đường hóa và Lên men đồng thời Quá trình chuyển hóa những hợp chất trong dịch đã dịch hóa (dextrin, maltoza…) thành glucoza được thực hiện song song với quá trình lên men cồn Khi nấm men sử dụng hết những đường lên men, quá trình SSF kết thúc

- Chưng cất: quá trình này được thực hiện giống như ở quy trình truyền thống

Hình 1.4: Quy trình đường hóa và lên men đồng thời SSF

(Saccharification Fermentation Simulaneous)

1.3.3 Quy trình D ịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời (SLSF) 1.3.3.1 Enzym thủy phân tinh bột ở nhiệt thường

Cơ sở khoa học của công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt đối với một

số loại nguyên liệu tinh bột trong dự án này là dựa trên khả năng ứng dụng hệ enzym amylaza có tác dụng tương hỗ để chuyển hóa trực tiếp hạt tinh bột sống (không cần gia nhiệt và chưa được hồ hóa) thành các dạng đường lên men [6][8] Hỗn hợp enzym sử dụng chứa chủ yếu là hai enzym alpha-amylaza và gluco-amylaza Ngoài ra, có thể bổ sung một số enzym khác để tăng hiệu quả quá trình đường hóa như beta glucanaza, xelluloza… [6] Enzym 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 enzym thương phẩm để thủy phân tinh bột sống dùng trong sản xuất rượu sakê Một lý do quan trọng làm hạn chế sự phát triển của các loại

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Page

enzym này là giá thành quá đắt do phải sử dụng phương pháp lên men rắn Hãng Genencor (nay là Dupont) đã nghiên cứu và phát triển thành công loại enzym thủy phân tinh bột sống với giá thành rẻ hơn và có hoạt độ cao Đây là hai yếu tố quan trọng để ứng dụng quá trình thủy phân tinh bột sống trong công nghệ sản xuất cồn Điểm đặc trưng của loại enzym này là bên cạnh vùng xúc tác (catalytic domain - CD) còn có một cầu nối (linker) chứa nhiều serin và threonin với độ dài thay đổi Vai trò của cầu nối này chưa được làm rõ Tuy nhiên, nếu chiều dài của cầu nối này ngắn đi thì khả năng sinh tổng hợp enzym này sẽ giảm và nếu chiều dài của cầu nối này tăng lên thì hoạt độ thủy phân tinh bột của enzym này cũng tăng lên Cầu nối này cũng được liên kết với vùng kết nối tinh bột (starch binding domain - SBD) Vùng SBD có hai chức năng chính là phân cắt tinh bột và đưa vùng xúc tác (CD) đến gần cơ chất hơn Enzym amylaza không chứa vùng SBD không bị ảnh hưởng đến hoạt độ thủy phân đối với tinh bột hòa tan tuy nhiên hoạt độ thủy phân bị giảm đi đáng kể đối với tinh bột không hòa tan (tinh bột sống chưa được gia nhiệt) [6] Đến thời điểm hiện tại, phần lớn các loại enzym alpha-amylaza có nguồn gốc từ nấm mốc chỉ có vùng xúc tác CD mà không có cầu nối (linker) hoặc vùng SBD Gần đây, enzym alpha-amylaza bền axit (Acid Stable Alpha Amylase - ASAA) đã được tìm thấy ở Aspergillus kawachii Khi

thay đổi gen mã hóa cho enzym ASAA để làm mất vùng SBD thì enzym mới tạo thành không thể thủy phân tinh bột sống Ngoài ra, enzym có thể thủy phân tinh bột sống cũng đã được tìm thấy ở Aspergillus awamori và Aspergillus

nidunlans[6] Sử dụng hệ enzym thủy phân và đường hóa tinh bột sống (ở nhiệt

độ thường) cho phép loại bỏ thiết bị dịch hóa và đường hóa tinh bột, tiết kiệm

được chi phí đầu tư và năng lượng cần thiết cho quá trình thủy phân tinh bột

1.3.3.2 Đặc điểm của quy trình SLSF.

Đây là một phương pháp mới để sản xuất cồn 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 Sau khi trộn bột sắn với nước, ta bổ sung thêm enzym alpha-amylaza như Stargen 001, Stargen 002 (hãng Dupont) Đồng thời, nấm men và chất dinh dưỡng cũng được bổ sung vào trong dịch Enzym có khả năng thủy phân tinh bột thành đường glucoza ngay cả ở điều kiện nhiệt độ bình thường (300C) Trong quá trình này, lượng glucoza sinh ra sẽ được nấm men tiêu thụ ngay lập tức, nhờ đó giúp giảm nguy cơ nhiễm tạp trong quá trình lên men Quá trình SLSF kết thúc khi tinh bột được sử dụng hết

Hình 1.5: Quy trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời

(SLSF)

1.3.4 So sánh ba quy trình

B ảng1.1: So sánh 3 phương pháp sản xuất cồn

Quy trình truyền thống

1000C : 30-60 min

700C (hoặc 800C) : 60- 90 min SLSF ở 300C : 72h

độ đó ; trong khi với những phương pháp mới, nhiệt độ dịch hóa không vượt quá

800C, đặc biệt là chỉ ở 300C trong trường hợp của quy trình SLSF

Hơn nữa, chúng ta cũng có thể tiết kiệm được chi phí đầu tư với các phương pháp mới: với việc không thực hiện công đoạn Đường hóa riêng biệt, ta có thể giảm được tối thiểu 1 thiết bị đường hóa

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Page

Cuối cùng, chúng ta có thể đi đến kết luận rằng: những quy trình mới có tiềm năng rất lớn để thay thế phương pháp truyền thống trong ngành công nghiệp sản xuất cồn

1.3.5 Mục đích của luận văn thạc sĩ

Luận văn thạc sĩ của tôi tập trung nghiên cứu và quy trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men Đồng thời (SLSF) để sản xuất cồn từ nguyên liệu gạo tẻ Luận văn cũng nhằm mục tiêu tối ưu quy trình SLSF nhằm đảm bảo hiệu suất quá trình lên men cũng như giảm thiểu chi phí (enzym, nấm men, thời gian)

CHƯƠNG 2: VẬT LIẸU VÀ PHƯƠNG PHÁP

2.1 V ật liệu

2.1.1 G ạo tẻ

Gạo tẻ được lựa chọn là nguyên liệu của phương pháp này Gạo tẻ sử

dụng trong nghiên cứu này có nguồn gốc từ Điện Biên Gạo được nghiền mịn,

bảo quản ở nhiệt độ thường nơi khô mát trong PTN

Hình2.1: G ạo tẻ và bột gạo đã nghiền mịn 2.1.2 Enzym

Trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi đã sử dụng các chế phẩm enzym

thương phẩm: Stargen 002 (hãng Dupont) và Amigase Mega L (hãng DSM Food

Specialties, Hà Lan) Các đặc tính chính của các enzym được nêu trong bảng sau:

Bảng 2.1: Các đặc tính chính của các enzym đã sử dụng trong nghiên cứu

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Page

2.1.3 N ấm men khô

Chúng tôi đã sử dụng nấm men khô thương phẩm Red Ethanol

(Saccharomyces cerevisiae) của hãng Fermentis (Pháp) cho quá trình lên men

Theo nhà sản xuất, đây là một loại nấm men có khả năng sinh cồn ở nồng độ chất

khô cao: độ cồn có thể đạt được 18%v/v, lượng tế bào sống là trên 2.1010 tế

bào/g

2.1.4 Nh ững nguyên liệu khác

- Urê: có nguồn gốc từ Trung Quốc, được bổ sung vào như một nguồn nitơ cho

sự sinh trưởng của nấm men

- Những hóa chất khác trong phòng thí nghiệm: HCl, H2SO4, NaOH…

2.2 Các phương pháp phân tích

2.2.1 Xác định độ ẩm của nguyên liệu [9]

2.2.1.1 Nguyên t ắc

Mẫu cần phân tích sẽ được sấy đến khối lượng không đổi Độ ẩm sẽ được

tính từ khối lượng bị mất đi trong quá trình sấy

2.2.1.2 Ti ến hành

Cân khoảng 5g bột đã nghiền mịn vào trong một hộp nhôm đã biết trọng

lượng Mở nắp và đặt hộp nhôm vào tủ sấy có nhiệt độ 1050C, sau 3 giờ sấy, lấy

hộp ra, đậy nắp và làm nguội trong bình hút ẩm, sau đó cân lại, ghi số cân Sấy

tiếp 30-60 phút Sau đó làm nguội và cân lại lần 2 Nếu sai số giữa hai lần không

quá 0,001g thì xem như quá trình tách nước kết thúc

2.2.1.3 Công th ức

Độ ẩm của gạo được tính toán theo công thức sau:

%1001 2

=

M M M W

Trong đó:

W : Độ ẩm của gạo (%)

M1 : khối lượng mẫu trước khi sấy (g)

M2 : khối lượng mẫu sau khi sấy (g)

Commented [CKS8]: bổ sung TLTK????