Ch ng II thuyot minh d y chuyon c ng ngh

Nguyên liệu sản xuất Trong thực tế để sản xuất rợu có thể sử dụng bất kì nguyênliệu gì chứa đờng hoặc chứa Polysaccarit sau thuỷ phân sẽbiến thành đờng và lên men đợc.. Khi chế biến hạt

Chơng II: thuyết minh dây chuyền công nghệ

I Nguyên liệu sản xuất

Trong thực tế để sản xuất rợu có thể sử dụng bất kì nguyênliệu gì chứa đờng hoặc chứa Polysaccarit sau thuỷ phân sẽbiến thành đờng và lên men đợc Tuy nhiên trên thế giới thờng

sử dụng nguyên liệu nh: khoai Tây, đại mạch để sản xuấtVodka Trong điều kiện sản xuất ở nớc ta để sản xuất Vodkachỉ nên dùng nguyên liệu là tinh bột Để đảm bảo chất lợng rợuVodka em chọn nguyên liệu sản xuất từ gạo… Các nguyên liệuchính trong sản xuất rợu gồm có: gạo, nấm men, nớc…

1 gạo

Hạt gạo là sản phẩm từ hạt lúa, là một trong các hạt cốc giầutinh bột (hàm lợng tinh bột 70 ữ 75%) là một nguyên liệu tốttrong sản xuất rợu Về cơ bản hạt gạo có cấu trúc và thành phần

nh sau:

Vỏ hạt: chiếm 1 ữ 2,5% khối lợng hạt, gồm hai lớp tế bào: mộtlớp tế bào hình chữ nhật nhỏ, sít, có chứa các sắc tốantoxyan, flavon; một lớp tế bào có hình dạng không đều, xốp,

dễ dàng cho ẩm đi qua Vỏ hạt liên kết chặt với lớp alơrông Vỏhạt chứa ít xenluloza hơn nhng lại nhiều hợp chất nitơ và đờnghơn ở vỏ quả

Lớp alơrông: chiếm 6 ữ 12% khối lợng hạt, là một lớp tế bàolớn thành dày Lớp alơrông rất giàu protein (35 ữ 45%), đờng (6

ữ 8%), chất béo (8 ữ 9%), vitamin và tro (11 ữ 14%), xenluloza

(7 ữ 10%) và pentozan (15 ữ 17%) Khi chế biến hạt, lớp này bịtách đi cùng với vỏ.

Nội nhũ: là phần đợc sử dụng lớn nhất, gồm các tế bào lớn có

thành mỏng, chứa đầy các hạt tinh bột, protein, một ítxenluloza, chất béo, tro và đờng Trong nội nhũ, tinh bột chiếmtới 80% Tuỳ theo giống, điều kiện canh tác và phát triển, nộinhũ có thể trắng trong hay trắng đục Nếu nội nhũ có độtrắng trong cao thì trong quá trình xay, sát gạo sẽ bị ít đớnnát và cho tỷ lệ thành phẩm cao Ngợc lại nội nhũ có độ trắng

đục cao thì qua chế biến hạt sẽ bị gẫy nát nhiều

Phôi hạt: nằm ở đầu nhọn của hạt lúa, chiếm 2,25% khối

l-ợng hạt gạo Trong phôi có ngù liên kết phôi với nội nhũ, và có rễmầm, thân và lá Phôi gồm các tế bào sống có khả năng phânchia, phát triển và tổng hợp chất

Trong thành phần của phôi có một phức hệ các chất thờng cómặt trong tế bào sống: protein (30 ữ 40%), chất béo (15 ữ

35%), tro (5 ữ 10%), xenluloza (2 ữ 3%), pentozan, AND, ARN,Vitamin B1, B2, E… Phôi là bộ phận chứa nhiều chất dinh dỡng,

nhân tố này có thể nói gạo là nguyên liệu rất tốt để sản xuấtrợu, cho chất lợng rợu cao.

Tổng lợng các chất trong thành phần gạo có thể tổng hợp nhsau:

2 Nớc

Nớc là một nguyên liệu chính trong công nghiệp sản xuất rợu,

đợc sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích khác nhau Trong quátrình công nghệ, nớc dùng để: xử lý nguyên liệu, vận chuyểnnguyên liệu, nấu nguyên liệu, pha loãng dung dịch, làm nguộibán thành phẩm và thành phẩm, vệ sinh thiết bị, cấp nớc cho lòhơi, chng cất…Ngoài ra nớc còn dùng cho nhu cầu sinh hoạt,chữa cháy trong khu vực sản xuất

Lợng nớc sử dụng trong quá trình sản xuất rợu nhiều hơn sovới nhiều ngành sản xuất công nghiệp khác Lợng nớc tiêu haocho sản xuất 1 tấn rợu từ nguyên liệu tinh bột khoảng 250 ữ

300m3 Nhng trong quá trình sản xuất rợu, khoảng 50% lợng nớc

đợc sử dụng tuần hoàn, hoặc nớc thải của công đoạn này cóthể sử dụng vào mục đích khác, do đó lợng nớc cung cấp củanguồn có giảm Nguồn cung cấp nớc cho nhà máy thờng là nớcmặt (sông, ngòi) hoặc nớc ngầm (giếng) qua xử lý

Nớc thiên nhiên thờng chảy qua các lớp nham thạch, đất… nên

đã mang theo nhiều chất vô cơ, hữu cơ và cả các loài vi sinh

vật khác nhau Nếu nguồn nớc ở gần khu dân c thì trong nớccòn chứa nhiều hợp chất khác nh NO3, NO2, NH3…

Các muối cacbonat và sunfat của canxi và kali có trong nớc tạothành độ cứng của nớc Ngời ta phân loại độ cứng của nớc nhsau: độ cứng tạm thời (muối CO32-), độ cứng vĩnh cửu (khôngphải CO32-) và độ cứng toàn phần (độ cứng tạm thời + độ cứngvĩnh cửu) Độ cứng của nớc thờng biểu thị bằng độ Đức (0H),hoặc miligam đơng lợng/lít nớc; 1 độ cứng tơng đơng 10 mgCaO có trong 1 lít nớc; 1 mg đơng lợng độ cứng tơng đơng20,04 mg Ca trong 1 lít nớc

Tuỳ theo độ cứng trong nớc mà phân ra nh sau:

khuẩn, Escherichia coli (E.coli) pseudomonas, chromobacter,

achromobacter, cầu khuẩn sarcinae.

Bằng phơng pháp Vincent để tìm vi khuẩn Escherichia coli

(E.coli) trong nớc, ngời ta đánh giá đợng nớc sạch, nớc bẩn nh sau

Nớc sạch: trong 1 ống Vincent đặc có sinh hôi (+) 20 coli/lít Nớc bẩn: trong 1 ống Vincent đặc có sinh hôi (+) 100 coli/lít

Trong công nghệ, yêu cầu chất lợng giống nh nớc sinh hoạt, độcứng không quá 7 mg đơng lợng/lít, phải trong suốt, khôngmàu, không mùi Hàm lợng muối không vợt quá yêu cầu sau:(mg/lít)

Cl — - 0,5 SO4 2— - 80 As - 0,05 Pb - 0,1 F - 3

Cl — - 0,5 Zn - 5 Cu - 3 Fe - 0,3 NO3 — - 0,5

Không cho phép có NH3 và muối của axit (HNO3) Không cóhoặc chỉ có vết của các muối kim loại nặng nh Hg, Ba… khảnăng oxy hoá 1 lít nớc không vợt quá 2 ml dung dịch KMnO4 0,01

N Chất cặn không vợt quá 1 mg/lít Nớc mặt (các sông và ao hồlớn) thờng chứa lợng muối khoáng thấp, giao động từ 40 ữ 500mg/lít, tạp chất hữu cơ vào khoảng 2 ữ 100 mg/lít Nớc ngầm(giếng khoan) hàm lợng muối khoáng nhiều hơn, vào khoảng

500 ữ 3000 mg/lít, hàm lợng các chất hữu cơ không vợt quá 4mg/lít và vi sinh vật hầu nh không có

Trong công nghiệp sản xuất rợu độ cứng của nớc quá lớn ảnhhởng tới quá trình nấu nguyên liệu, đờng hoá và lên men Đối vớinớc cung cấp cho lò hơi yêu cầu phải là nớc mềm

Khi nấu nguyên liệu độ pH của nớc có ảnh hởng đến quátrình phá vỡ các tế bào tinh bột Nớc kiềm tính nấu nguyên liệukhông tốt và vi sinh vật có hại lại dễ phát triển Quá trình lênmen, nếu pH > 7 sẽ thúc đẩy quá trình tạo thành glyxêrin

Độ cứng của nớc lớn (nhiều muối canxi, magiê) lại có tác dụngtốt đối với quá trình nấu Muối canxi sẽ tác dụng với axitphotphoric có trong nguyên liệu, tạo thành muối canxi photphatkhông hoà tan, trong quá trình sản xuất không cần đến muối

này Muối magiê tác dụng với muối của axit photphoric trongnguyên liệu, tạo thành muối magiê photphat hoà tan và tạothành môi trờng kiềm theo phản ứng hoá học:

2KH2PO4 + MgCO3 → K2HPO4 + MgHPO4 + CO2 + H2O

Trong thực tế, nếu nớc dùng để nấu nguyên liệu có độ cứngquá cao ≥ 12 mg đơng lợng/lít, thờng phải dùng axit sunfuric

để trung hoà Nớc dùng để chế biến dịch amylaza có độ cứngcao quá 8 mg/lít cũng cần phải axit hoá đến pH 4,5-5,0 là pHthích hợp cho amylaza hoạt động

Muối CaSO4, MgCl2 và NaCl với lợng 300 ữ 400 mg/lít có tácdụng làm tăng tính hoạt động của amylaza, lợng đờng khử tănglên, nhng độ thuần khiết của dung dịch đờng hoá lại giảm

Muối bicacbonat với lợng 200 ữ 400 mg/lít không ảnh hởng rõrệt đến quá trình đờng hoá Nhng với lợng lớn hơn có ảnh hởng

rõ rệt đến hoạt động của amylaza

Các muối nitrat, nitric, photphat và silicat, với lợng 200 mg/lítkhông ảnh hởng tới quá trình đờng hoá

Đối với quá trình lên men rợu, tổng hàm lợng các muối có trongnớc là 2.000 mg/lít có tác dụng kích thích lại quá trình lên men,nhng với hàm lợng 3.000 mg/lít lại có tác dụng xấu đến quátrình lên men Riêng đối với NH3 với hàm lợng 20 mg/lít lại có tácdụng làm tăng hoạt tính của enzym, do đó làm tăng hiệu suấtlên men rợu

3 Các nguyên liệu phụ khác

Enzym: Dùng chế phẩm enzym Termamyl để phá vỡ màng

tinh bột biến chúng thành trạng thái hoà tan trong dung dịch vàthuỷ phân một phần màng tế bào Chế phẩm Sansuper (AMGE,Enzym Glucoamylaza) dùng trong công đoạn đờng hoá

Chế phẩm termamyl cơ bản là enzym α-amylaza chịu nhiệt,

có pH trung tính, ở dạng lỏng, đợc sản xuất từ dịch nuôi cấy vi

khuẩn Bacilus licheniformiss Trong phân tử có ion Ca2+ vì vậytinh bột dễ bị phân giải thành đờng và các dextrin

Nấm men: là vi sinh vật có cấu tạo đơn bào, hô hấp hiếu

khí tuỳ tiện Trong điều kiện hiếu khí nấm men sử dụng đờng

và các hợp chất nitơ, phốt pho và các muối khoáng… để tạo rasinh khối Trong điều kiện yếm khí, nấm men phân giải đờngthành rợu và các sản phẩm khác Để thu đợc rợu có chất lợng caothì yếu tố quan trọng là phải chọn đợc chủng nấm men có chấtlợng tốt Nấm men trong sản xuất rợu thờng là một chủng trong

giống sacharomyces thuộc họ Endomycetaceae Vì nguyên liệu

sản xuất chứa tinh bột vì vậy chọn giống nấm men

sacharomyces cerevisiae Đặc điểm của nấm men này là có

tốc độ phát triển nhanh, sau 24 giờ một tế bào có thể pháttriển thêm 55 tế bào mới Không bào nhỏ, ít sinh bọt, tế bàohình trứng hoặc hình tròn, có kích thớc vào khoảng 5-8 μm.Lên men ở nhiệt độ cao và lên men đợc các đờng glucoza,fructoza, saccaroza, maltoza, maltotrioza và 1/3 đờng rafinoza,không lên men đợc các đờng melibioza, galactoza, lactoza,

kxiloza, arabioza và inulin Có thể lên men đạt 13% rợu trongmôi trờng.

Nấm men S cerevisiae thuộc loại lên men nổi, đợc phân bố

rất đều trong toàn bộ dịch lên men (dạng bụi mù), không tạothành đám trắng

Yêu cầu của nấm men trong sản xuất rợu

• Lên men nhanh và hiệu quả, lên men đợc nhiềuloại đờng khác nhau

• Có khả năng chịu đợc nhiệt độ cao, độ acid cao

• Sinh nhiệt tối thiểu trong suốt quá trình lên men

• Có hoạt tính sát khuẩn

• Có khả năng chịu đợc một số chất độc

II Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất rợu vodka

Nguyên liệu và xử lý

nguyên liệu

Nấu nguyên liệu

Đ ờng hoá dịch cháo

Lên men dịch đ ờng

Ch ng cất và tinh chế cồn

N ớc

Bổ xung Enzym

Bổ xung nấm men

Thu CO2

Thu bã r ợu

Giải thích tính tối u của sơ đồ công nghệ:

Nh vậy toàn bộ quá trình công nghệ sản xuất rợu Vodka baogồm 6 giai đoạn

1 Nguyên liệu và xử lý nguyên liệu

2 Nấu nguyên liệu

3 Đờng hoá dịch cháo

4 Lên men dịch đờng

5 Chng cất và tinh chế cồn

6 Pha chế và đóng chai

Gạo đợc nghiền nhỏ với mức độ lọt qua rây có đờng kính d

= 1mm Bột gạo đợc hoà với nớc theo tỷ lệ 1/3,5 - 4 và choTermamyl với tỷ lệ 160 ml/1 tấn tinh bột Tiến hành dịch hoá ởnhiệt độ 900C trong thời gian 30 phút, sau đó đun sôi trong 60phút Tiếp theo đem làm nguội đến nhiệt độ 900C, bổ xungTermamyl lần 2 với liều lợng 40 ml/1 tấn tinh bột và làm nguộixuống nhiệt độ đờng hoá 55 - 600C Tiến hành đờng hoá ởnhiệt độ này trong thời gian 30 phút với chế phẩm enzym đờnghoá Sansuper với tỷ lệ 0,9 ml/kg tinh bột Tiếp đó làm nguội

đến nhiệt độ lên men 28 - 300C, tiếp tục bổ xung chế phẩmenzym Sansuper với tỷ lệ 0,22 ml/tấn tinh bột

Dịch đờng lên men có nồng độ chất khô 21 - 23%, nhiệt độlên men 28 - 300C, pH = 4,5 - 5 Thời gian lên men khoảng 72 -

80 giờ Độ rợu thu đợc khoảng 9 - 12% Hiệu suất lên menkhoảng 88 - 90% Dịch dấm chín sau lên men đa vào hệ thốngchng cất và tinh chế

Trong các giai đoạn này thì giai đoạn chng cất và tinh chếcồn là quan trọng nhất, giai đoạn này có tính chất quyết định

đến chất lợng và độ an toàn của sản phẩm Tuy nhiên chất lợngrợu và bí quyết công nghệ sản xuất lại ở khâu pha chế rợu,trong khâu này quan trọng là bổ xung các chất phụ gia với một

tỷ lệ nhất định, tạo hơng vị đặc trng cho sản phẩm Cáckhâu còn lại chủ yếu ảnh hởng đến hiệu suất tổng thu hồi r-ợu

III Thuyết minh dây chuyền công nghệ sản xuất rợu vodka

1 Nguyên liệu và xử lý nguyên liệu

Trong công nghệ sản xuất rợu bằng phơng pháp lên men, cóthể sử dụng bất kỳ nguyên liệu gì chứa đờng lên men đợc nh:

rỉ đờng, nớc quả ; chứa tinh bột nh: gạo, ngô, khoai, sắn vàcác nguyên liệu chứa xenluloza nh gỗ, mùn Tuy nhiên còn phụthuộc vào mục đích, và công nghệ sản xuất của nhà máy Đểchất lợng rợu tốt ta chọn nguyên liệu là gạo, gạo đợc thu muatrong tỉnh và các tỉnh lân cận

Gạo đợc thu mua, kiểm tra và phân loại, tiếp theo đợc đavào máy nghiền thành bột mịn

Nghiền nguyên liệu nhằm mục đích phá vỡ cấu trúc màng tếbào thực vật, tạo điều kiện giải phóng các hạt tinh bột khỏi cácmô thuận lợi cho quá trình nấu sau này

Tinh bột trong gạo ở trạng thái bình thờng đợc bao bọc bởimột lớp vỏ đặc biệt bền vững để có thể tiến hành đờng hoácần tiến hành nghiền nguyên liệu để phá vỡ lớp vỏ

Gạo và tấm khi thu mua phải đợc kiểm tra chất lợng kỹ càng,sau đó đem cân, cho vào máy nghiền Sử dụng thiết bịnghiền búa.

2 Nấu nguyên liệu

Sau khi nghiền nguyên liệu, chỉ một phần rất ít tế bào tinhbột bị phá vỡ Mặt khác tinh bột sống không hoà tan trong nớc,khi đờng hoá men amylaza tác dụng rất chậm Vì vậy mục

đích của nấu nguyên liệu là để phá vỡ tế bào tinh bột hoặclàm trơng nở tế bào tinh bột và làm yếu các liên kết trongphân tử tinh bột, biến tinh bột thành trạng thái hoà tan trong n-ớc

Trong quá trình nấu, phần lớn các tế bào tinh bột không đợcnghiền nhỏ vẫn giữ nguyên cấu trúc của nó Cấu trúc này sẽ tựphá huỷ khi tháo khối nấu ra khỏi thiết bị nấu, áp suất giảmxuống, nớc trong tế bào tự bốc hơi, sự tăng lên của thể tích hơnnày gấp 1.500 lần so với cùng một thể tích nớc bốc hơi Mặtkhác, do sự va chạm của các tế bào tinh bột này qua các thànhchắn ở cửa (hoặc van) tháo khối nấu đã làm cho tế bào tinhbột một lần nữa bị phá vỡ Ngoài ra còn có các quá trình tạo cácsản phẩm không mong muốn xảy ra trong quá trình nấunguyên liệu nh: melanoidin, caramen, furfurol, oxymetylfurfurol…gây tổn thất đờng

Có thể thực hiện nấu nguyên liệu theo phơng pháp dùng chếphẩm enzym, nhằm nấu ở nhiệt độ thấp và thời gian ngắnhơn so với các phơng pháp khác

2.1 Các phơng pháp nấu nguyên liệu

Phơng pháp nấu gián đoạn: Đặc điểm của phơng pháp là

toàn bộ quá trình nấu đều đợc thực hiện trong cùng một thiết

bị Nguyên liệu và nớc nấu đợc cho vào thiết bị chỉ một lần,dịch cháo sau nấu cũng lấy ra một lần Phơng pháp này có u

điểm là tốn ít vật liệu để chế tạo thiết bị, thao tác đơn giảnnhng bộc lộ nhiều nhớc điểm lớn nh tổn thất đờng nhiều vàkhông tận dụng đợc hơi thứ

Phơng pháp nấu bán liên tục: Đặc điểm của phơng pháp

là quá trình nấu đợc tiến hành trong ba nồi khác nhau và chiathành nấu sơ bộ, nấu chín và nấu chín thêm Phơng pháp này

có u điểm là giảm đợc thời gian nấu ở áp suất và nhiệt độ cao,

do đó giảm đợc tổn thất và tăng hiệu suất đến 7 lít cồn100%/tấn tinh bột Nhờ sử dụng đợc hơi thứ vào nấu sơ bộ nêntiết kiệm 15-30% lợng hơi thứ dùng cho quá trình nấu Nhợc

điểm của phơng pháp này là tốn nhiều kim loại để chế tạothiết bị Phơng pháp nấu này đợc áp dụng nhiều ở các nhà máysản xuất rợu cồn ở Việt Nam

Khi điều kiện cho phép chúng ta có thể cải tạo các nồi nấu

để biến chúng thành liên tục Quá trình nấu cũng chia thành

ba giai đoạn và thực hiện trong ba thiết bị khác nhau: nồi nấusơ bộ, nồi nấu chín và nồi nấu chín thêm, còn gọi là thiết bịtách hơi

Phơng pháp nấu liên tục: Nấu liên tục có nhiều u điểm

hơn so với nấu gián đoạn và bán liên tục do:

• Tận dụng đợc nhiều hơi thứ do có thể đun dịch cháo tớinhiệt độ cao mà không ảnh hởng tới làm việc của thiết bị

• Cho phép nấu ở nhịêt độ thấp hoặc thời gian ngắn nêngiảm đợc tổn thất đờng do cháy và tạo melanoidin Nhờ đóhiệu suất rợu tăng 5 lít so với nấu bán liên tục và 12 lít/tấn tinhbột so với nấu gián đoạn Năng suất riêng của thiết bị tăngkhoảng 7 lần Tiêu hao kim loại để chế tạo thiết bị giảmkhoảng 50% so với bán liên tục Dễ cơ khí hoá, tự động hoá, tốn

ít diện tích lắp đặt thiết bị

Tuy nhiên phơng pháp nấu liên tục còn nhiều mặt hạn chế:nguyên liệu phải nghiền thật nhỏ, bột nằm trên mặt rây có đ-ờng kính d = 3mm không quá 10% Bột lọt qua rây có đờngkính d = 1 mm phải nhiều hơn 40% Cung cấp điện nớc hơi,phải thật ổn định Nấu liên tục có thể tiến hành trong cácthiết bị khác nhau

Nấu nguyên liệu là một khâu công nghệ rất quan trọng củaquá trình sản xuất Những kết quả của các quá trình côngnghệ sau này, mà biểu hiện kết quả cuối cùng là hiệu suấttổng thu hồi rợu, phụ thuộc vào nhiều nguyên nhân, nhng trong

đó nguyên nhân lớn nhất là quá trình nấu nguyên liệu tốt haykhông

2.2 Tiến hành nấu nguyên liệu

Tiến hành nấu nguyên liệu trong thiết bị nấu một vỏ, thểtích nồi nấu là 15 m3 chế độ nấu gián đoạn Chu kỳ nấu là3,33 giờ Mỗi ca làm việc là 8 giờ, nấu hai mẻ, số nồi nấu chọn là

3, áp suất hơi 2,5 kg/m2, cấp hơi trực tiếp chế độ khuấy trộn

40 - 60 vòng/phút

3 Đờng hoá dịch cháo

Sau khi nấu xong, tinh bột trong dịch cháo đã chuyển sangtrạng thái hoà tan nhng không thể hạ nhiệt độ xuống và tiếnhành lên men trực tiếp đợc, vì trong tế bào nấm men không cóphức hệ amylaza để thuỷ phân tinh bột Vì vậy phải tiếnhành bổ xung phức hệ amylaza từ nấm mốc hoặc từ malt Quá trình đờng hoá có bản chất là quá trình thuỷ phân tinhbột bằng phức hệ enzym amylaza của nấm mốc hoặc của malt

Hệ enzym amylaza gồm rất nhiều enzym, tuy nhiên điển hình

và đặc trng là phức hệ enzym α-amylaza và β-amylaza Là haienzym xúc tác đặc hiệu cho các phản ứng thuỷ phân tinh bột

• α-amylaza chỉ tác dụng lên nối α-1,4-glucozit ở vị trí bất

kì nhng tập trung vào giữa mạch amyloza và amylopectin Nhờ

đó tinh bột nhanh chóng đợc phân cắt thành những dextrin cóphân tử khác nhau, ít nhớt hơn

Enzym α- amilaza: t opt : 70 ữ 75 0 C pH opt : 5,6 ữ 5,8

Do làm giảm nhanh độ nhớt của dịch tinh bột nên α-amylazacòn đợc gọi là enzym dịch hoá Sản phẩm do α-amylaza tạothành chủ yếu là dextrin, một ít glucoza, maltoza

• β-amylaza cũng phân cắt nối α-1,4-glucozit nhng bắt đầu

từ vòng không có nhóm khử và cắt theo hai gốc glucoza một,trong phân tử amyloza và amylopectin

Enzym β- amilaza: t opt : 60 ữ 65 0 C pH opt : 5,4

ữ 5,6

Sản phẩm tạo thành là đờng maltoza nên β-amylaza còn đợcgọi là enzym đờng hoá β-amylaza phân cắt hoàn toàn mạchamyloza thành maltoza, với mạch amylopectin chỉ cắt đợc 5 ữ

55% Cả hai enzym α-amylaza và β-amylaza đều không cắt đợcnối α-1,6-glucozit trong phân tử tinh bột

Trong công nghiệp sản xuất rợu thờng chỉ sử dụng hệ enzymamylaza từ malt hoặc từ nấm mốc Theo một số nghiên cứu thìsản phẩm thuỷ phân tinh bột của hệ amylaza từ malt chủ yếuthu đợc là đờng maltoza, còn nếu sử dụng hệ amylaza từ một

số loài nấm mốc thì sản phẩm thuỷ phân có nhiều đờngglucoza hơn Điều này đợc giải thích là do trong amylaza từnấm mốc có enzym glucoamylaza, có khả năng phân cắt nối α-1,6-glucozit thành các đờng glucoza Trong khi hệ amylaza từmalt không chứa loại enzym này Ngoài ra còn có một số hệenzym khác cũng tham gia vào quá trình đờng hoá:

Enzym proteinaza: topt : 50 ữ 600C pHopt : 5,2 ữ 5,6Enzym lipaza: 35 ữ 370C

Enzym sitaza và photphataza: 40 ữ 430C

Enzym izomaltaza, oligo-1,6-glucozidaza…mỗi enzym có chứcnăng phân cắt liên kết đặc hiệu của mình

Enzym đợc sử dụng trong quá trình đờng hoá là chế phẩmSansuper (Enzim gluco-Amyloza AMGE)

• Cho chế phẩm amylaza vào dịch cháo và giữ ở nhiệt độtrên trong thời gian xác định để amylaza chuyển hoá tinhbột thành đờng

• Làm lạnh dịch đờng tới nhiệt độ lên men

Có ba phơng pháp đờng hoá:

Phơng pháp đờng hoá gián đoạn: Đặc điểm của phơng

pháp là cả ba giai đoạn trên đều đợc thực hiện trong một thiết

bị Các quá trình: làm nguội khối nấu từ nhiệt độ 105 ữ 1100Cxuống xuống nhiệt độ đờng hoá 58 ữ 600C (gọi là giai đoạnlàm nguội đợt I); tiến hành đờng hoá trong thời gian nhất định

ở nhiệt độ 58 ữ 600C Tiếp theo là giai đoạn làm nguội dịch ờng hoá từ nhiệt độ đờng hoá 58 ữ 600C xuống nhiệt độ lênmen 35 ữ 360C (gọi là giai đoạn làm nguội đợt II) Hầu hết cácnhà máy ở nớc ta đều tiến hành theo phơng pháp này Với mộtthiết bị đờng hoá ngời ta có thể thay đổi nhiều cách và chế

đ-độ vận hành, tuy nhiên các cách này bản chất không khác nhaunhiều lắm Có thể rút ra u điểm và nhợc điểm của phơngpháp đờng hoá gián đoạn nh sau

u điểm: Phơng pháp đờng hoá gián đoạn có u điểm làthích hợp cho các sản xuất nhỏ do đầu t ban đầu không lớn,vận hành, thao tác đơn giản

Nhợc điểm: Hoạt độ enzym amylaza giảm nhanh, tinh bột dễ

bị lão hoá, năng suất nhỏ…

Phơng pháp đờng hoá bán liên tục: Đặc điểm của phơng

pháp là sử dụng nhiều thiết bị đờng hoá; toàn bộ quá trình

đ-ờng hoá là liên tục nhng trong mỗi thiết bị đđ-ờng hoá quá trình

Phơng pháp đờng hoá liên tục: Dịch cháo và dịch

amylaza liên tục đi vào hệ thống, dịch đờng liên tục đi sang

bộ phận lên men

u điểm: Thời gian đờng hoá ngắn, tăng đợc công suất thiết

bị do đó tiết kiệm đợc diện tích nhà xởng, dịch cháo ít bị lãohoá hơn khi làm lạnh tới nhiệt độ đờng hoá so với các phơngpháp khác Hoạt tính amylaza ít bị vô hoạt do thời gian tiếp xúcvới nhiệt độ cao đợc rút ngắn, dễ cơ khí hoá, tự động hoá.Nhợc điểm: Khó xử lý khi hệ thống có sự cố Khó thao tác,vận hành vì vậy cần có đội ngũ công nhân, cán bộ có trình

độ cao Trong thực tế sản xuất nếu khống chế không tốt quátrình công nghệ, sẽ dẫn đến không ổn định thậm chí gâytổn thất lớn

Ngày nay nhiều nhà máy đã cải tiến và sử dụng phơng pháp

“đờng hoá liên tục theo phơng pháp làm lạnh bằng chânkhông” Phơng pháp này dựa trên nguyên tắc là áp suất hơicàng giảm thì nhiệt độ sôi cũng giảm theo Theo nguyên tắc

này ngời ta có thể làm nguội dịch cháo từ nhiệt độ nấu (105 ữ

1100C) xuống nhiệt độ đờng hoá (60 ữ 620C) nhanh hơn Tiếnhành đờng hoá theo phơng pháp này có nhiều u điểm: dịchcháo đợc dịch hoá và làm nguội nhanh nên hạn chế đợc lão hoátinh bột Do bay hơi ở áp suất chân không nên hơi nớc sẽ kéotheo các chất nh alcol metylic, furfurol và các mùi lạ do nguyênliệu đa vào, nhờ đó nâng cao chất lợng sản phẩm Do thời gian

đờng hoá ngắn, 10 ữ 15 phút nên giảm đợc kích thớc thiết bị,diện tích nhà xởng, đồng thời hạn chế đợc sự mất hoạt tínhcủa amylaza Dễ cơ khí hoá và tự động hoá sản xuất, chophép tăng năng suất lao động, áp dụng phơng pháp này còncho thấy tăng hiệu suất thu hồi rợu từ 0,6 ữ 1%, tăng 3 lít cồn100%/1 tấn tinh bột, tiết kiệm điện từ 20 ữ 30% so với các ph-

ơng pháp khác, giảm 16% lợng nấm mốc hoặc sữa malt dùng

để đờng hoá Hạn chế của phơng pháp này là: thiết bị bốchơi và ngng tụ baromet phải đặt ở độ cao ít nhất 11 ữ 12 m

để tạo độ chân không, hoặc phải sử dụng bơm chân không

Đòi hỏi phải có đội ngũ công nhân kỹ thuật lành nghề về lĩnhvực cơ khí và tự động hoá

3.2 Tiến hành đờng hoá

Tiến hành đờng hoá gián đoạn trong thiết bị đờng hoá thểtích 15 m3, tơng ứng 3 nồi nấu thì có 3 nồi đờng hoá Thiết bị

đờng hoá đáy côn, đỉnh nón có cánh khuấy, có ống xoắn ruột

gà kép làm nguội dịch đờng Tổng thời gian cho một chu kỳ

đờng hoá là 3,42 giờ

4 Lên men dịch đờng

Đờng hoá xong, dịch đờng đợc làm lạnh tới 28 ữ 300C và bơmvào thùng lên men (còn gọi là thùng ủ) ở đây dới tác dụng củanấm men, đờng sẽ biến thành rợu và khí cacbonic cùng với nhiềusản phẩm trung gian khác Lên men xong ta thu đợc hỗn hợpgồm rợu - nớc - bã gọi là giấm chín hay cơm hèm

4.1 Nấm men trong công nghiệp sản xuất rợu

Để lên men đờng rợu ngời ta thờng sử dụng nấm men nuôicấy thuần chủng Trong sản xuất hiện nay ngời ta hay sử dụng

chủng Saccharomyces cerevisiae thuộc họ Endomycetaceae.

Yêu cầu chủng của nấm men dùng trong sản xuất rợu là phải cónăng lực lên men cao, tức là phải có khả năng biến đờng thànhrợu nhanh và hoàn toàn, đồng thời tạo ít các sản phẩm trunggian và chịu đợc những thay đổi của môi trờng trong điềukiện sản xuất nh nhiệt độ, pH, nồng độ đờng, độ cồn

4.1.1 Hình thái và kích thớc nấm men

Nấm men thờng có cấu tạo đơn bào, nó có nhiều hình dạngkhác nhau nh hình cầu, hình ô van, hình bầu dục, hìnhtrứng Trong sản xuất rợu, các loại nấm men thờng có kích thớckhoảng 3-5 ì 5-10àm

4.1.2 Đặc điểm sinh lý sinh hoá

Nấm men là vi sinh vật kị khí tuỳ tiện Trong điều kiện đủoxi, chúng sẽ chuyển các chất dinh dỡng có trong môi trờng đểcung cấp năng lợng và bộ xung cacbon cho việc xây dựng cơthể theo phơng trình sau:

C6H12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H20 + ( 4ATP )

Saccharomyces cerevisiae có thể lên men các loại đờng sau:

glucoza, fructoza và saccharoza đợc sử dụng tốt nhất và nhanhnhất, tiếp theo là đờng maltoza rồi cuối cùng là đờngmaltotrioza Phần còn lại là đờng melibioza không đợc nấm men

sử dụng do không có enzim

α-galactozidaza Các loại hợp chất nitơ thích hợp nhất đối vớinấm men là các axit amin rồi đến các nitơ vô cơ nh :(NH4)2HPO4, (NH4)2SO4, urê

4.1.3 Sinh sản và phát triển của nấm men

Trong môi trờng đầy đủ chất dinh dỡng, oxi, nấm men pháttriển rất nhanh

sinh sản là quá trình tăng các tế bào bằng chính các tế bào

đang có trong môi trơng Nấm men có thể sinh sản theo 2cách là nảy chồi vô tính và sinh sản hữu tính Trong điều kiệnkhông thuận lợi nấm men có thể tạo bào tử để duy trì sự sống.Nhng nảy chồi là phơng pháp chủ yếu của nấm men Do đó

đó trong bản đồ án này chỉ trình bày bản chất của phơngpháp nảy chồi.

Khi tế bào nấm men phát triển đến một giới hạn nhất địnhthì bắt đầu xảy ra hiện tợng nảy chồi Trong khi tạo chồi, chồi

và tế bào nấm men mẹ đợc ngăn với nhau bởi một màng vàmột thành tế bào đặc biệt, nhân của tế bào mẹ lớn dần vàchuyển dịch về phía chồi Màng nhân bóp nghẹt nhân saocho 1/2 nhân ở lại tế bào mẹ và nữa kia thì ở trong tế bàocon đồng thời màng khép lại xung quanh mỗi nhân chồi lớndần và phát triển tới kích thớc của tế bào mẹ và tạo ra váchngăn phân cách ở chỗ nối giữa tế bào mẹ và tế bào mới Sau

đó tế bào con tách khỏi tế bào mẹ và sống độc lập Nấm men

có thể nảy 1 hoặc nhiều chồi cùng một lúc ở vị trí bất kì trên

tế bào nấm men Nhng đối với Saccharomyces thì trong một

lúc chỉ nảy từng chồi một, thời gian sinh sản cho một thế hệ là1,5-2 h, số lần nảy chồi của một tế bào ≈ 43 lần (theo Miller1983)

4.1.4 Các giai đoạn sinh trởng và phát triển của nấm men

Sự phát triển và sinh trởng của vi sinh vật trong hệ kín đótuân theo một qui luật nhất định gồm bốn giai đoạn:

Giai đoạn 1: giai đoạn này gọi là pha log-pha tiềm phát Giai

đoạn này đợc tính từ lúc bắt đầu nuôi cấy đến lúc bắt đầu

thấy sự sinh trởng và phát triển nhanh ở giai đoạn này vi sinhvật cha tiến hành sinh sản mà chỉ xẩy ra quá trình thích nghimôi trờng nuôi cấy

Giai đoạn 2: còn gọi là pha cấp số hay pha log Pha này đợc

biểu hiện rõ nét bởi tốc độ sinh sản của vi sinh vật đạt cực

đại Tế bào vừa sinh sản mạnh, vừa tăng sinh khối Pha này đợcbiểu hiện nh một cấp số nhân, nó tăng theo phơng trình:

N1 = N0.2n

No : lợng tế bào lúc đầu

n : số thế hệ

N : lợng tế bào sau n thế hệ

Giai đoạn 3: còn gọi là pha cân bằng Trong giai đoạn này

mật độ tế bào đạt cực đại, lợng sinh khối thu đợc là lớn nhất

Giai đoạn 4: Còn gọi là pha tử vong Trong pha này chất dinh

dỡng cạn dần, để đảm bảo hoạt động sống của mình tế bàophải sử dụng các chất dự trữ trong tế bào Số lợng tế bào chếttăng rất nhanh

Đờng cong sinh trởng của nấm men

4.1.5 Cơ chế vận chuyển chất dinh dỡng vào tế bào nấm men

Nấm men giống nh các vi sinh vật khác cần nguồn năng lợngkhác để phát triển và sinh sản Từ tế bào nấm men không thểtạo ra hoặc làm mất năng lợng khi xung quanh chúng không cógì cả, chúng chỉ có khả năng chuyển năng lợng từ dạng nàysang dạng khác mà thôi Sự chuyển hoá này chỉ đợc thực hiệnkhi chất dinh dỡng đã vào trong tế bào nấm men Do đó sự vậnchuyển chất dinh dỡng vào trong tế bào nấm men đặc biệtquan trọng Vận chuyển chất dinh dỡng từ môi trờng bên ngoàivào nấm men đợc thực hiện theo các hình thức sau.

Khuếch tán đơn giản (khuếch tán thụ động): sự khuếch

tán này không phụ thuộc nhiệt độ và các chất kìm hãm cótrong môi trờng mà theo định luật thẩm thấu (các chất vậnchuyển theo phơng pháp này phải có phân tử lợng nhỏ nh nớc,

CO2, O2, urê, glixerol, các muối vô cơ hoặc axit hữu cơ khôngphân li và các axit béo Đối với chất béo thì mức độ hấp thụ tỉ

lệ với khả năng hoà tan các chất này

khuếch tán dễ dàng (khuếch tán có điều kiện): đây là

sự kết hợp thụân nghịch các chất hoà tan với các chất vậnchuyển trung gian Các chất vận chuyển nằy thờng là protein

và đợc gọi là các pecmeaza Nguyên tắc vận chuyển cũng tuântheo định luật thẩm thấu, không phụ thuộc chất ức chế, khôngcần năng lợng nhng phụ thuộc nhiệt độ và bị ức chế bởi cácchất có cấu trúc tơng tự Các loại đờng mono saccharit thờngkhuếch tán qua màng tế bào theo cách này

Vận chuyển chủ động: là quá trình vận chuyển chất cần

có năng lợng (ATP) và các chất vận chuyển này nằm ở ngay

màng nguyên sinh chất và liên kết với các chất dinh dỡng thànhmột phức chất tạm thời để đa cơ chất qua màng tế bào, quamàng nguyên sinh chất để vào nguyên sinh chất (mỗi chất dinhdỡng có các enzym pecmeaza tơng ứng, ví dụ nh maltoza vàtriomaltoza đợc hấp thụ vào tế bào nhờ enzym đặc biệtmaltaza và triomaltaza Các axit amin cũng đợc vận chuyểntheo phơng pháp này.

4.2 Cơ chế của quá trình lên men rợu

Lên men là quá trình trao đổi chất qua đó đờng sẽ biếnthành rợu và khí cacbonic cùng với nhiều sản phẩm trung giankhác nhờ tác dụng của nấm men Lên men xong ta thu đợc hỗnhợp gồm rợu - nớc - bã gọi là cơm hèm

Lý thuyết lên men rợu đã đợc nhiều nhà sinh học nghiên cứu

từ lâu và đa ra cơ chế lên men rợu nh sau:

Đờng và các chất dinh dỡng đợc hấp thụ qua bề mặt tế bàorồi thẩm thấu vào bên trong ở đó các enzym sẽ tác dụng quanhiều giai đoạn trung gian để cuối cùng tao ra sản phẩm là rợu

và khí cacbonic Hai chất này đều khuyếch tán và tan vào môitrờng xung quanh Do rợu hoà tan trong nớc với bất kì tỉ lệ nàonên khuyếch tán vào môi trờng một cách nhanh chóng còn khícacbonic cũng khuyếch tán vào môi trờng nhng kém (ở nhiệt

độ 25-300C và áp suất 760 mmHg, một lít nớc hoà tan đợc0,837-0,865 lít CO2) Lúc đầu thì hoà tan hoàn toàn, khi môitrờng bão hoà khí Cacbonic thì chúng tạo thành các bọt khíbám quanh tế bào nấm men Khi các bọt khí đạt đến độ lớnnào đó thì lực đẩy acimet lớn hơn trọng lợng tế bào nấm men

+ bọt khí, lúc đó tế bào nấm men cùng bọt khí nổi dần lên khitới bề mặt thì các bọt khí sẽ tan ra vỡ và hợp thành tiếng ràorào ( ta quên gọi là men ăn) khí bay lên tế bào nấm men lạichìm xuống tiếp xúc với dịch đờng và tiếp tục quá trình trên.

nh vậy bản chất của tế bào nấm men không di động trở nênchuyển động đợc trong môi trờng lên men Nhờ đó mà tăngnhanh tốc độ hấp thụ và chuyển hoá đờng thành rợu Khi chấtdinh dỡng trong môi trờng còn ít thì tế bào nấm men lắng dầnxuống đáy thùng, dich lên men trong dần

Lên men rợu là một quá trình sinh học phức tạp, xảy ra dới tácdụng của enzym Đờng glucoza và fructoza là những loại đờng

đơn giản đợc lên men nhanh nhất sau đó đến đờng maltoza

và galactoza Đầu tiên nấm men sẽ thuỷ phân saccharoza thành

glucoza và fructoza nhờ enzym invectaza.

Theo lý thuyết hiện đại, sự tạo thành rợu từ glucoza đợc trảiqua các giai đạn sau:

1 - Đầu tiên, do xúc tác của glucokinaza, glucoza kết hợp vớigốc photphat cầu phân tử ATP (Adenozin tri photphat) trong tếbào men để tạo thành gluco-6 photphat và ADP:

C6H12O6 + ATP CH2O(H2PO3)(CHOH)4CHO + ADP

2 - Gluco-6 photphat do tác dụng của enzym đồng phân:Gluco photphat- izomeraza, sẽ biến thành fructophotphat

CH2(H2PO3)(CHOH)4CHO CH2(H2PO3)(CHOH)3COCH2OH

3 - Giai đoạn thứ 3: dới tác dụng của enzym fructokinaza,phân tử ATP thứ hai sẽ đính thêm một gốc photphat nữa vào

fructo-6 photphat để tạo thành fructo-1,6 diphotphat và phân

tử ADP thứ hai:

CH2O(H2PO3)(CHOH)3COCH2OH+ATP

CH2O(H2PO3)CO(CHOH)3CH2O(H2PO3)+ ADP

Sự tạo thành fructo-1,6- diphotphat đánh dấu kết thúc giai

đoạn chuẩn bị của lên men rợu Giai đoạn thực hiện chuyển hoácác nối liên kết cao năng thành dạng dễ biến đổi dới tác dụngcủa các enzim

4 - Giai đoạn quan trọng tiếp theo là phân cắt mạch cacboncủa fructo diphotphat thành hai phân tử trioza: andehitphotphoglyxeric và photphodioxyaxeton Phản ứng này đợc xúctác bởi aldolaza

CH2O(H2PO3)CO(CHOH)3CH2O(H2PO3

CH2O(H2PO3)COCH2OH +

CH2O( H2PO3)CHOHCHOGiữ vai trò chủ yếu trong các biến đổi tiếp theo của quátrình lên men rợu là andehit-photphoglyceric, nhng trong dịch

đang lên men chúng chứa rất ít Điều này đợc giải thích bằnghiện tợng đồng phân dới tác dụng của enzymtriphotphatiiomeraza

5 - CH2(H2PO3)COCH2OH CH2O(H2PO3)CHOHCHO

Nh vậy là trong quá trình lên men, andehit-photphoglyxericluôn đợc tạo thành từ photphodioxyaxeton

6 - Giai đoạn tiếp theo là hai phân tử photphoglyxeric bị oxy hoá Phản ứng này có sự tham gia của

andehit-axit photphoric trong canh trờng nhờ xúc tác của enzymtriphotphatdihidronaza-coenzim của nó là NAD (Nicotin amitisAdeninis Dinucleotit).

2CH2O(H2PO3)CHOHCHO + 2H2PO4 + 2NADH+

2CH2O(H2PO3)CHOHCOO~H2PO +2NADH2

1-3 diphotphoglyxeric axit Phân tử 3- Photphoglyxero aldehyt kết hợp với photphat, cònHydro chuyển sang coenzim NAD Năng lợng đợc giải phóng dooxy hoá 3-photphoglyxero aldehyt sẽ tích tụ trong liên kết caonăng của axit 1,3 diphotphoglyxeric mới tạo thành

7 - Tiếp theo sự tham gia của photphoglyxeratkinaza,photphat chứa cao năng của axit 1,3 diphotphoglyxeric sẽchuyển vào phân tử ADP Kết quả là 3-photphoglyxeric đợc tạothành còn ADP nhận thêm năng lợng và biến thành ATP

2CH2O(H2PO3)CHOHCOO~(H2PO3) + 2ADP

2CH2O(H2PO3)CHOHCOOH+2ATP

8 - Dới tác dụng của enzim photphoglyxeromutaza, gốc axitphotphoric sẽ chuyển từ vị trí cacbon thứ ba sang vị trí cacbonthứ hai Kết quả là 3-photphoglyxeric biến thành axit 2-photphoglyxeric theo phản ứng:

2CH2O(H2PO3)CHOHCOOOH 2 CH2OHCHO(H2PO3)COOH

9 - Dới tác dụng của enolaza, axit 2- photphoglyxeric sẽ mất

n-ớc và biến thành axit photphopyruvic:

2CH2OHCHO(H2PO3)COOH 2CH3CO(H2PO3)COOH + 2H2O

10 - Axit photphopyruvic rất không bền nên dễ bị mất gốcaxit photphoric do enzim pyruvatkinaza và do đó pyruvic đợctạo thành :

2CH2=CO~(H2PO3)COOH + 2ADP 2CH3COCOOH +2ATP

11 - Tới đây axit pyruvic bị decoacboxyl hoá tạo thànhaldehit axetic:

2CH3COCOOH 2CO2 + 2CH3CHO

12 - Giai đoạn cuối cùng của lên men rợu là aldehit axetic bịkhử bởi NAD.H2

2CH3CHO + 2NADH2 2CH3CH2OH + 2NAD

Phơng trình tổng quát của quá trình lên men rợu nh sau:

C6H12O6 2CO2 + 2C2H5OH + QTrong quá trình lên men rợu, mỗi phân tử gam glucoza sẽ giảiphóng khoảng 50 Kcal Năng lợng này đợc nấm men sử dụngchừng 20Kcal, số còn lại thải ra canh trờng, do đó làm tăngnhiệt độ của dịch men Theo Euler, nhiệt này chiếm 28Kcal/phân tử glucoza

Trong quá trình lên men rợu, ngoài sản phẩm chính là rợuetylic còn thu đợc một phổ rất lớn các chất hữu cơ khác gâykhó khăn cho quá trình thu hồi cồn tinh khiết

4.3 Các điều kiện ảnh hởng tới quá trình lên men

Chủng nấm men: Chủng nấm men là yếu tố cực kì quan

trọng trong sản xuất, có tính quyết định sản phẩm tạo thànhsau quá trình lên men Vì vậy việc tiến hành chọn và phân