TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM CÔNG NGHỆ sản XUẤT cồn ETYLIC

I. GIỚI THIỆU CHUNG: Cồn etylic có CTHH: C2H5OH Được tạo ra từ 2 phương pháp: hóa học và sinh học Hóa học: từ các phản ứng hóa học Sinh học (lên men): từ đường đơn hya còn gọi là glucose, dưới xúc tác của nấm men. II. TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU: Để sản xuất cồn etylic, về nguyên tắc có thể dùng bất kỳ nguyên liệu nào chứa đường hoặc polysaccarit nhưng sau thủy phân sẽ biến thành đường lên men được. Yêu cầu đối với nguyên liệu phải thỏa mãn: Hàm lượng đường hoặc tinh bột cao, có khả năng đem lại hiệu quả kinh tế cao. Vùng nguyên liệu phải tập trung và đáp ứng đủ nhu cầu cho sản xuất 1. Nguyên liệu chứa tinh bột: Nguyên liệu chủ yếu ở nước ta bao gồm sắn, ngô, khoai lang, khoai tây, một phần là gạo hoặc tấm, những nguyên liệu này có hàm lượng tinh bột khá cao: Sắn: 20 – 34% Ngô: 43.47 – 61.8% Khoai: trên thế giới thường sử dụng khoai tây như ở châu Âu, ở một số nước vùng nhiệt đới như Trung Quốc, Việt Nam thường sử dụng khoai lang. Nguyên liệu phổ biến nhất thường sử dụng nhất là sắn hay còn gọi là khoai mì.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC- THỰC PHẨM

ĐHTP12ATT MÔN: CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN ĐỒ UỐNG

Đề tài tiểu luận CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN ETYLIC

GVHD: Nguyễn Đắc TrườngNhóm thực hiện: nhóm 1

Vũ Nguyễn Phương Thảo – 16050711Trịnh Nguyễn Thanh Nhàn – 16055831

Hà Ngọc Phấn – 16027991Lâm Khánh Nghi – 16039541Bùi Bảo Kỳ - 16009721Chế Thanh Phong – 16058951

1

I GIỚI THIỆU CHUNG:

Để sản xuất cồn etylic, về nguyên tắc có thể dùng bất kỳ nguyên liệu nào chứađường hoặc polysaccarit nhưng sau thủy phân sẽ biến thành đường lên men được

Yêu cầu đối với nguyên liệu phải thỏa mãn:

- Hàm lượng đường hoặc tinh bột cao, có khả năng đem lại hiệu quả kinh tế

cao

- Vùng nguyên liệu phải tập trung và đáp ứng đủ nhu cầu cho sản xuất

1 Nguyên liệu chứa tinh bột:

Nguyên liệu chủ yếu ở nước ta bao gồm sắn, ngô, khoai lang, khoai tây, một phần là gạo hoặc tấm, những nguyên liệu này có hàm lượng tinh bột khá cao:

- Sắn: 20 – 34%

- Ngô: 43.47 – 61.8%

- Khoai: trên thế giới thường sử dụng khoai tây như ở châu Âu, ở một số

nước vùng nhiệt đới như Trung Quốc, Việt Nam thường sử dụng khoai lang

Nguyên liệu phổ biến nhất thường sử dụng nhất là sắn hay còn gọi là khoai mì

2

2 Nguyên liệu chứa đường – mật rỉ (rỉ đường):

Mật rỉ hay còn gọi là rỉ đường là phụ phẩm của công nghê sản xuất đường, thường chiếm khoảng 3 -5%/ lượng mía tùy vào chất lượng mía và công nghệ sản xuất

Thông thường hàm lượng chất khô trong mật rỉ chiếm 80 – 85%, trong đó:

- 60% đường gồm: 35 – 40% saccaroza, 20 – 25% đường khử.

- 40% chất phi đường: 20 – 32% chất hữu cơ, 8 – 10% chất vô cơ.

Mật rỉ nhận được từ sản xuất luôn chứa một lượng vi sinh vật Tong đó nguy hiểm nhất là vi khuẩn lactic và axetic Mức độ nhiễm khuẩn được xác định bằng sự tăng độ chua khi để mật rỉ tự lên men Mức tăng độ chua (khi tự lên men sau 24h) trong phạm vi từ 0.2 – 0.30 được xem là bình thường

Thực tế trong một gam mật rỉ chứa tới 100000 vi sinh vật không nha bào và

15000 có khả năng tạo bào tử Ở mật rỉ bị nhiễm nặng con số vi sinh vật có thể đạt tới

500000 và 50000 Tuy nhiên, đối với rỉ đường có nồng độ trên 70%, hầu hết vi sinh vật không hoạt động, nhưng khi pha loãng chúng sẽ bắt đầu hoạt động và làm giảm hàm lượng đường, ảnh hưởng đến quá trình lên men và làm tổn thất khá lớn Trong quá trình sản xuất cồn cần có biện pháp xử lý phù hợp nhằm diệt bớt và hạn chế hoạt động của tạp khuẩn

3 Nguyên liệu giàu xenlulose:

Từ các phụ phẩm như bã mía, răm bào, mạt cưa hay phụ phẩm trong sản xuất phomai Tuy nhiên nó không đem lại hiệu quả kinh tế cao

 Vì thế, nguồn nguyên liệu chính để sản xuất cồn etylic là nguyên liệu chứa tinh bột và nguyên liệu chứa đường (mật rỉ - rỉ đường)

XUẤT CỒN:

 NẤM MEN:

Loại nấm men thường sử dụng là Saccharomyces Có 2 loại:

- Nấm men nổi: Saccharomyces cerevisiae

3

- Nấm men chìm: Saccharomyces carlsbergensis

1 Môi trường dinh dưỡng:

Môi trường dinh dưỡng có nồng độ đường khoảng 15 – 18% Nếu ít hơn thì sẽgiảm năng suất của thiết bị, làm tổn thất cồn Trong trường hợp nhiều hơn sẽ dẫn đến

áp suất thẩm thấu tăng làm quá trình lên men kéo dài, còn sót đường lại Sau khi lên men khoảng 95% đường sẽ chuyển hóa thành cồn và CO2, 5% còn lại là đường sót và các sản phẩm khác

Nhiệt độ lên men trong khoảng 28 – 320C, pH = 4.5 – 5.2

- Nếu nhiệt độ lên men cao hơn sẽ dẫn đến tạp khuẩn dễ phát triển do đó tạo

nhiều este và andehit

- Nếu nhiệt độ lên men thấp hơn thì nấm men sẽ phát triển chậm.

- Nếu pH cao sẽ làm tổn thất tăng nhanh.

Hàm lượng Nito khoảng 0.35 – 0.4 g/l đối với nguyên liệu sắn và 0.15 – 0.2 g/

l đối với rỉ đường

2 Cơ chế sinh học (chu trình phân giải tinh bột):

C6H12O6 enzyme → 2CO2 + 2C2H5OH + Q

- Sản phẩm phụ: axit axetic, axit citric, axit succinic, các ancol cao phân tử

(dầu fusel)

- Nguyên liệu sắn tạo nhiều dầu fusel hơn rỉ đường Lượng dầu fusel hình

thành phụ thuộc vào t0, pH, lượng khí sục vào, giống men, nguyên liệu

3 Các vi khuẩn có hại cho nấm men:

Vi khuẩn lactic tác dụng lên men đường thành axit lactic, ancol, CO2, aceton

Vi khuẩn axetic lên men cồn thành axit axetic Đây là loại vi khuẩn hiếu khí, rất có hại cho quá trình sản xuất

Vi khuẩn butyric và một số loại khác: điều kiện lên men cồn không thích hợp với sự phát triển của chúng

4

4 Nuôi cấy nấm men giống:

a Nhân giống trong phòng thí nghiệm:

Môi trường: gồm nước và malt đại mạch nghiên nhỏ theo tỷ lệ 5:1

- Giai đoạn 1: t0 = 48 – 530C, t = 20 – 30p, chuyển hóa protein thành

aminoaxit dưới tác dụng của proteaza

- Giai đoạn 2: t0 = 60 – 620C, t = 30p, dưới tác dụng của amylaza tinh bột được chuyển hóa thành đường

- Giai đoạn 3: t0 = 70 – 720C, quá trình đường hóa xảy ra hoàn toàn

Sau đó lọc qua vải, rồi dùng axit sunfuric 13 – 16% điều chỉnh pH đến 4.5 – 5.Thanh trùng ở áp suất thêm 0.5 – 0.7 kg/cm3 trong 30s

b Nhân giống trong sản xuất:

Chất lượng men giống đạt yêu cầu:

- Số tế bào trong 1ml: 100 – 120 triệu.

- Số tế bào nảy chồi: 10 – 15%

Quy trình nuôi cấy theo các bước sau:

- Dịch đường hóa được cho vào thùng đường hóa thêm, duy trì đường hóa

- Trong quá trình phát triển, nhiệt độ được điều chỉnh bằng cách dội nước

lạnh ở bên ngoài thùng

- Song song với việc nấm men phát triển trong thùng nhân giống nấm men,

tại thùng đường hóa thêm người ta tiếp tục cho dịch đường hóa vào và xử

lý như bước 1

- Sau 15 – 18h, cho dịch đường hóa thêm xuống thùng nhân giống nấm men,

rồi trộn đều

- Để nấm men phát triển thêm trong vòng 5 – 8h Rồi tháo 50% lượng men ở

2 thùng nhân giống nấm men vào thùng lên men

6

- Song song với bước 4, lại cho dịch đường vào thùng đường hóa thêm và

tiến hành như bước 1

 CHỨC NĂNG CỦA ENZYME TRONG QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN TINH BỘT:

Dưới tác dụng của enzyme thuộc họ amylaza và nước, tinh bột sẽ chuyển hóa thành các sản phẩm đường Nấm men chỉ có khả năng lên men đường, do đó chỉ sau quá trình đường hóa, quá trình lên men mới bắt đầu tiến hành

1 Enzyme α – amylaza (enzyme dịch hóa):

Có tác dụng lên vị trí α – 1,4 glucozit ở vị trí bất kỳ, nhưng tập trung vào giữa mạch amylose và amylopectin Dưới tác dụng của enzyme, tinh bột sẽ chuyển hóa thành dextrin, mantose, 1 ít glucose

Nhiệt độ hoạt động: 90 – 950C và chịu nhiệt ở 1050C

2 Enzyme β – amylaza (enzyme đường hóa):

Có tác dụng lên vị trí α – 1,4 glucozit, nhưng bắt đầu từ vòng không có nhóm khử và cắt theo 2 gốc glucose một một trong phân tử của amylose và amylopectin Sảnphẩm tạo thành là mantose nên β – amylaza còn được gọi là enzyme đường hóa β – amylaza có khả năng biến đổi amylose hoàn toàn thành mantose và glucose, còn với amylopectin chỉ cắt được 50 – 55%

Nhiệt độ hoạt động và khả năng chịu nhiệt tương tự α – amylaza

 Dưới tác dụng của α – amylaza và β – amylaza thu được dịch chứa 78 – 80% mantose và glucose, 20 – 22% dextrin

3 Glucoamyaza:

Có khả năng cắt tại α – 1,4 và α – 1,6 glucose và biến 100% tinh bột thành glucose Nhiệt độ hoạt động: 45 – 650C

7

IV SƠ ĐỒ QUY TRÌNH SẢN XUẤT:

8

Nguyên liệu

Chỉnh pHDinh dưỡngChất khô

Đặc điểm của phương pháp Amylo:

- Đường hóa khá triệt để nên hiệu suất cồn so với nguyê nliệu cao.

- Chu kỳ một mẻ cồn kéo dài nên năng suất của nhà máy bị hạn chế.

- Kén chọn nguyên liệu: chỉ thích hợp với gạo, ngô (không thích hợp với

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

 Rút ngắn được chu kỳ sản xuất, dễ tăng năng suất

 Không kén chọn nguyên liệu

 Thích hợp cho quy mô sản xuất công nghiệp vừa và nhỏ

- Nhược điểm:

 Tốn nhiều diện tích để nuôi cây nấm mốc

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

 Thao tác nuôi cấy nấm mốc vất vả hơn, gây men giống phức tạp hơn

9

Amylose/

Mengiống, O2Chưng cất

Cồn tinhluyện

 Tốn nhiều thiết bị đường hóa, lên men.

 Cần có máy lạnh để làm nguội nhanh dịch đường hóa từ 600C xuống

300C

 Với nguyên liệu chứa tinh bột: điển hình là sắn.

1 Nấu nguyên liệu:

Là quá trình phá vỡ các lớp vỏ tế bào của các hạt tinh bột, giúp cho enzyme amylaza tiếp xúc được với tinh bột, tạo điều kiện cho tinh bột về trạng thái hòa tan

a Các biến đổi hóa lý:

- Sự trương nở và hòa tan tinh bột:

Trương nở là quá trình mà các phân tử hút dung môi để làm tăng thể tích.Trong dịch hồ tinh bột amylopectin trương nở, đan chéo nhau, trong đó lẫn vào là các hạt amylaza Ở nhiệt độ 85 – 1000C, amylopectin hòa tan vào dung dịch

Nhiệt độ hồ hóa phụ thuộc vào nguyên liệu và kích thước của nguyên liệu

- Sự biến đối tinh bột và đường:

Đường: trong khi nấu một phần tinh bột biến thành đường Đường nấu tham

gia vào các phản ứng melannoidin, furfurol, caramen Trong đó:

+ Caramen: là chất kìm hãm quá trình lên men cồn Khi có trong dịch đường khoảng 5% thì hiệu suất lên men sẽ giảm khoảng 6%

+ Furfurol: tạo màu và mùi khó chịu

10

+ Melannoidin: là chất keo màu sẫm, mang tính axit, gây ảnh hưởng tới hoạt động của nấm men và enzyme

Tuy nhiên, hàm lượng các chất hình thành rất thấp nên gây ảnh hưởng không đang kể đến quá trình lên men cồn

Tinh bột: trong quá trình nấu nguyên liệu, sự có mặt của các chất đường là

không cần thiết, gây tổn thất khi đun ở nhiệt độ cao Do đó cần phải giới hạn hoạt động của enzyme amylaza lên tinh bột:

+ 550C amylaza tác động yếu đến tinh bột

+ Khi quá trình nấu sơ bộ tăng nhanh đên 50 – 600C sẽ hạn chế hoạt động của amylaza Điều này giảm tối thiểu quá trình tạo đường vào trước thời gian nấu

b Phương pháp nấu:

Có 3 phương pháp được sử dụng trong quá trình nấu nguyên liệu:

- Phương pháp gián đoạn: là phương pháp mà trong đó toàn bộ quá trình

nấu đều được thực hiện trong một nồi

 Cấu tạo nồi nấu:

 Đặc điểm chung:

 Toàn bộ quá trình nấu đều thực hiện trong cùng 1 nồi

 Ít tốn vật liệu để chế tạo thiết bị Thao tác đơn giản

 Tốn năng lượng do không sử dụng được hơi dư thừa

 Dễ gây tổn thất đường do phải nấu ở nhiệt độ cao

 Ưu điểm: nấu nhanh chín, dịch cháo ít bị lão hóa

11

 Nhược điểm: ăn mòn thiết bị, ảnh hưởng đến hoạt độ của

enzyme amylaza

 Quá trình nấu:

 Cho nước vào nồi theo tỷ lệ 3.5 – 4 lít/kg nguyên liệu

 Cho cánh khuấy làm việc Tiếp đó cho bột nguyên liệu vào

 Đun đến 45 – 600C (lưu ý mở van xả)

 Không khí và khí không ngưng tụ sẽ theo van xả thoát ra ngoài, cho tới khi chỉ còn hơi nước bão hòa

 Đóng van xả, đợi đến khi áp suất đạt tới mức yêu cầu, bắt đầu tính thời gian

 Gần cuối giai đoạn phải kiểm tra độ nấu chín của tinh bột:

 Cháo chín: mùi thơm nhẹ, màu vàng rơm hoặc cánh gián

 Cháo bị cháy: mùi khét, màu tối, vị đắng

 Chưa chín: màu bột trắng, mùi ngác

 Nấu xong, mở van từ từ và phóng cháo sang thùng đường hóa trong thời gian 10 – 15p

 Áp suất, nhiệt độ nấu phụ thuộc vào loại nguyên liệu và kích thước nguyên liệu: ví dụ đối với sắn lát cần áp suất ở 4.5 – 5 kg/

cm2 trong thời gian 80 – 90p, đối với sắn nghiền lại cần áp suất 3– 3.5 kg/cm2 trong thời gian 70p

 Toàn bộ quá trình nấu diễn ra khoảng 2.5 – 3h

- Phương pháp bán liên tục:

 Cấu tạo nồi nấu:

12

 Đặc điểm:

 Nấu trong 3 nồi thành 3 giai đoạn: nấu sơ bộ, nấu chín, nấu chín thêm Nồi nấu chính thêm có dung tích gấp 3 lần sao với nồi nấuchín Chú ý chỉ đổ đầy 2/3 nồi, phần còn lại là không gian chứa hơi Nấu sơ bộ và nấu chín là gián đoạn còn nấu chín thêm là liên tục

 Ưu điểm:

 Giảm thời gian nấu ở áp suất và nhiệt độ cao

 Tăng hiệu suất lên 7l cồn/tấn tinh bột

 Tiết kiệm được 15 – 30% lượng hơi

 Nhược điểm: tốn thiết bị

 Dùng hơi nước lấy từ nồi nấu chín thêm để đun dung dịch lên 70– 850C Duy trì trong vòng 50 – 60p.

 Xả cháo vào nối nấu chín Tiến hành giống như nấu gián đoạn, với áp suất nấu là 2.8 – 3.2 kg/cm2, nhiệt độ 130 – 1350C trong 60p Sau đó chuyển sang nồi nấu chín thêm

 Tại nồi nấu chính thêm áp suất được duy trì ở 0.5 – 0.7 at, nhiệt

độ là 105 – 1060C, trong thời gian 50 – 60p

- Phương pháp nấu liên tục:

 Đặc điểm:

 Ưu điểm:

 Tận dụng được nhiều hơi

 Cho phép nấu ở nhiệt độ thấp hoặc thời gian ngắn làm giảm được lượng đường bị cháy (nếu cháy sẽ tạo thành melannoidin)

 Hiệu suất tăng 5l so với nấu bán liên tục và 12l so với nấugián đoạn

 Lượng kim loại dùng để chế tạo thiết bị giảm khoảng 50% so với bán liên tục

 Dễ cơ khí hóa và tự động hóa

 Tốn ít diện tích đặt thiết bị

 Nhược điểm:

 Nguyên liệu phải nghiền thật nhỏ

 Điện, hơi, nước phải ổn định

Các phương pháp nấu trình bày ở trên vẫn tồn tại nhược điểm: lượng đường khi nấu và lượng tinh bột chưa hòa tan vẫn chiếm tỷ lệ khá cao (3 – 5%) Do đó tại cácnhà máy sản xuất cồn lớn tại Việt Nam đã nghiên cứu và ứng dụng phương pháp sau:

- Sắn được nghiền mịn, hòa với nước ở 30 – 400C theo tỷ lệ nước:bột là 4:1 Sau đó khuấy đều, cho 80% lượng α – amylaza chịu nhiệt vào với tỷ lệ 0.02 – 0.03 so với khối lượng sắn Đun trong 40 – 50p, đạt tới mức 85 –

870C Giữ nhiệt độ này 15 – 20p Đun sôi tiếp trong vòng 50 – 60p nhằm

14

hòa tan hết các hạt tinh bột có kích thước lớn chưa kịp hồ hóa Sau đó chuyển sang thùng đường hóa

2 Đường hóa dịch cháo:

Tinh bột sau khi được nấu đã chuyển từ trạng thái không hòa tan sang hòa tan nhưng vẫn chưa thể lên men được, phải dùng enzyme amylaza để chuyển hóa thành đường Qúa trình này được gọi là đường hóa

Sự biến đổi của một số chất trong quá trình đường hóa: phụ thuộc vào nguồn amylaza sử dụng mà các chất trong dịch cháo sẽ bị đường hóa khác nhau, ví dụ đối vớiamylaza từ nấm mốc:

- Pectin dưới tác dụng của pectinaza sẽ chuyển hóa thành axit pectin và

methanol

- Hemicellulose dưới tác dụng của hemicellulose sẽ chuyển hóa thành

dextrin và đường proteaza, trong đó dextrin tiếp tục bị phân giải thành đường mantose

- Protein dưới tác dụng của proteaza sẽ chuyển thành các axit amin là nguồn

dinh dưỡng cho nấm men phát triển

a Phương pháp:

Có 2 phương pháp: gián đoạn và liên tục

Sơ đồ chung:

Dịch cháo làm lạnh → nồi chứa (bổ sung enzyme amylaza) làm lạnh → lên men

- Đường hóa liên tục: sử dụng phương pháp đường hóa liên tục 2 lần và

làm lạnh bằng chân không Dịch cháo được nấu trong môi trường áp suất thấp 0.2kg/cm2 ở nhiệt độ 58 – 590C

 Sơ đồ đường hóa:

15

 Ưu điểm:

 Hạn chế được sự lão hóa tinh bột

 Dùng áp suất chân không nên hơi nước sẽ kéo theo: methanol, furfurol và các mùi lạ do đó nâng cao chất lượng sản phẩm

 Thời gina đường hóa ngắn chỉ khoảng 10 – 15p nên giảm diện tích cho thiết bị, hạn chế sự mất hoạt tính của

amylaza

 Tăng năng suất lao động, tăng hiệu suất cồn

- Đường hóa gián đoạn: được thực hiện trong thùng đường hóa Các yếu tố

kỹ thuật của thùng đường hóa:

 Dung tích được tính dựa vào thể tích của mẻ nấu và theo tỷ lệ 1.3m3 thùng/1m3 dịch cháo

 Chiều cao bằng 0.5 – 0.6 so với đường kính

 Bên trong có cách khuấy với tốc độ 50 – 60 vòng/phút có tác dụng giúp cho quá trình làm lạnh được nhanh

- Cho 13 – 15% dịch amylaza của một mẻ vào, khuấy đều, mở nước làm

lạnh

- Cho cháo vào từ từ với tốc độ sao cho khi hết cháo nhiệt độ đạt 600C

- Sau đó cho hết dịch amylaza vào, lúc này nhiệt độ sẽ là 57 – 580C

- Ngừng khuấy, đóng van làm lạnh, để yên 10 – 15p để amylaza chuyển hóa

 Thời gian kéo dài, làm mất hoạt tính của 13 – 15% amylaza

 Giảm năng suất của thiết bị

Phương pháp 2:

- Cho toàn bộ amylaza vào, bật cánh khuấy, mơ nước làm lạnh cho cháo vào

với tốc độ nhanh hơn nhưng vẫn phải khống chế nhiệt độ 57 – 580C

- Khi cho hết cháo vào, ngừng khuấy, đóng van làm lạnh, để yên 10 – 15p.

- Bật cánh khuấy, mở nước làm lạnh đến 28 – 300C rồi bơm sang hệ thống lên men

- Ưu điểm: dịch cháo được làm loãng nhanh do đó tránh sự lão hóa tinh bột.

- Nhược điểm:

 Hoạt tính của amylaza dễ bị mất nhiều

 Phải có người giám sát theo dõi quan sát nhiệt độ của quá trình

c Lên men:

- Lên men gián đoạn:

 Đặc điểm: quá trình lên men diễn ra trong 1 thùng

 Quá trình lên men:

 Vệ sinh thùng, ống dẫn, van

 Thanh trùng bằng hơi nước ở 95 – 1000C trong 50 – 60p Sau đó làm lạnh tới 300C

17