1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
à trên
thế giới ……………………………………………………………………….
5
1.1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng cồn ở nước ta………………………
5
1.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng cồn rượu trên thế giới…… ……
8
1.2 Tổng quan về cồn………………………………………………………
12
1.3 Nguyên liệu dùng trong sản xuất cồn ……………………………………
13
1.3.1 Tổng quan về sắn (khoai mì)…………………………………………
14
1.3.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn trên thế giới và Việt Nam………
15
1.3.3 Tổng quan về enzyme amylase dùng trong sản xuất cồn…………….
23
1.4 Dự kiến quy trình sản xuất cồn từ nguyên liệu bột sắn khô…………… 31
1.5 Những công trình nghiên cứu về cồn đã có ở trong và ngoài nước…… 34
1.5.1 Sản xuất cồn sử dụng axit trong công đoạn đường hóa…………… 34
1.5.2 Phương pháp men thuốc bắc………………………………………… 34
1.5.3 Phương pháp maltase……………………………………………… 34
44
3.1.2 Tìm mô hình thực nghiệm và tối ưu hóa các thông s
ố cho enzyme
termamyl…………………………………………………………………
45
3.2 Tìm thông số thủy phân tối ưu cho enzyme Fungamyl…………………. 49
3.2.1 Kết quả 16 thí nghiệm biên và 3 thí nghiệm ở tâm…………………. 49
3.2.2 Tìm mô hình thực nghiệm và tối ưu hóa các thông số cho enzyme
fungamyl………………………………………………………………….
50
50
3.3 Sơ đồ nấu dịch đường…………………………………………………… 55
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………… 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………… 59
MỤC LỤC……………………………………………………………………
60
4
LỜI CẢM ƠN.
Để hoàn thành đề tài này chúng em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của
thầy cô, gia đình và bè bạn. Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến:
- Tất cả các thầy cô tham gia giúp đỡ chúng em trong thời gian qua.
- Các cán bộ viên chức của trường và khoa đã tạo điều kiện cho chúng em
học tập tốt.
thơm…Đặc biệt trong tương lai, sản xuất cồn từ sắn tại Việt Nam được đánh
giá là có tiềm năng lớn, do chi phí nguyên liệu thấp và sắn rất phù hợp với
điều kiện canh tác ở các nước vùng nhiệt đới.
Các nghiên cứu được tiến hành trước đây cho thấy đối với sản xuất
ethanol từ sắn và mía, khoảng 35% chi phí cuối cùng là giá thành sản xuất và
65% còn lại là chi phí nguyên liệu. Vì sắn là một cây chịu hạn, chịu rét, có thể
trồng được ở những nơi đất xấu, khó trồng trọt, không thích hợp với loại cây
khác như mía chẳng hạn, nên về lâu dài sắn sẽ có vị thế cạnh tranh – nếu
không nói là tốt hơn – như nguyên liệu cho nền kinh tế nguyên liệu cồn. Sắn
với khả năng bảo quản ở dạng tinh bột sẽ mở rộng phạm vi hoạt động của nhà
máy chưng cất rượu; nhà máy có thể hoạt động nhiều thời gian hơn trong một
năm so với các nhà máy trên cơ sở cây mía chỉ hoạt động theo mùa.
Một yếu tố quan trọng trong sản xuất nhiên liệu từ tinh bột là quá trình
thủy phân và việc sử dụng một tác nhân đường hóa hiệu quả, ít tốn kém.
Trước đây, người ta thường dùng axit để thủy phân. Tuy axit có thể chuyển
hóa 98% tinh bột sắn thành đường khử nhưng nó có một số hạn chế là: một số
phản ứng phụ gây giảm hiệu suất thủy phân, hàm lượng muối vô cơ cao do
điều chỉnh pH và hiện tượng ăn mòn thiết bị, không đảm bảo an toàn thực
phẩm. Việc sử dụng enzyme để thay thế axit trong công đoạn thủy phân tinh
bột thành đường lên men là một hướng giải quyết tốt cho vấn đề này. Từ thực
6
trạng này em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu sử dụng enzyme cho
công đoạn đường hóa tinh bột trong công nghệ sản xuất cồn”.
Sau gần 3 tháng thực hiện đề tài được sự giúp đỡ tận tình của cô Trần
Thị Luyến nay em đã hoàn thành cơ bản về nội dung đề tài. Trong quá trình
thực hiện đề tài em còn gặp nhiều khó khăn về điều kiện thiết bị máy móc,
thời gian, tài liệu tham khảo còn nhiều hạn chế và do bước đầu thực hiện công
việc nghiên cứu nên không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong quý thầy
cô và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài được hoàn chỉnh hơn.
8
1.1. Sơ lược về tình hình sản xuất và nhu cầu sử dụng cồn ở nước ta và
trên thế giới.
1.1.1. Tình hình sản xuất và sử dụng cồn ở nước ta.
Từ xa xưa loài người đã biết sản xuất ra rượu êtylic làm đồ uống.
Ngày nay nghề làm rượu – cồn vẫn còn đang phát triển và chiếm tỉ lệ khá lớn
trong các ngành kinh tế quốc dân.
Sản xuất cồn rượu theo kiểu công nghiệp ở nước ta chỉ mới bắt đầu từ
năm 1898 do người pháp thiết kế và xây dựng.
Trước Cách mạng tháng tám ở nước ta có nhà máy rượu Hà Nội, Hải Dương,
Nam Định, Bình Tây, Chợ Quán. Tất cả đều sản xuất từ ngô theo phương
pháp amylo. Theo số liệu chưa đầy đủ, các nhà máy rượu Miền Bắc hàng năm
sản xuất ra lượng cồn khá lớn ( bảng 1.1 ).
Bảng 1.1. Sản lượng cồn trước Cách mạng tháng 8.
Công suất cồn ở nhà máy 10
6
lit Năm
Nam Định Hải Dương Hà Nội Tổng cộng
1939 7,324 7,944 - 15,170
1940 7,064 7,083 - 17,267
1941 6,885 7,017 - 18,425
1942 7,783 8,814 - 21,868
đương khoảng 50 triệu lit cồn tinh khiết. Trong đó cồn từ tinh bột chiếm 30 –
40%, số còn lại là cồn từ rỉ đường. Tuy nhiên, hiện nay ở nước ta cồn được
sản xuất chủ yếu từ rỉ đường mía do giá nguyên liệu quá đắt và công nghệ lạc
hậu, tốn nhiều chi phí sản xuất nên sản phẩm cồn không có sức cạnh tranh
cao. Để thu được 1 lit cồn cần 4kg rỉ đường, giá 6400 đồng cho chi phí
nguyên liệu, còn nếu dùng sắn thì chỉ tốn 2,5 kg và chi phí là 1200 đồng.
Cũng có thể sản xuất cồn từ bã sắn – nguồn phế phẩm của các nhà máy chế
biến tinh bột sắn (hiện cả nước có khoảng 28 nhà máy bột mì).Mỗi lít cồn cần
10
khoảng 15kg bã. Do vậy mà trong tương lai sản xuất cồn từ sắn và bã sắn có
ưu thế hơn nhiều.
Cồn làm ra sẽ được sử dụng ra sao? Trước mắt cần sử dụng pha chế
vang quả hỗn hợp, vang cẩm, vang nếp để phục vụ người tiêu dùng trong các
ngày lễ tết. Ngoài ra cần sản xuất ra các loại rượu mạnh như Lúa Mới, Hoàng
Đế…để bán trong khách sạn, đồng thời khai thác thị trường xuất khẩu. Bên
cạnh đó cần làm ra nhiều loại rượu phổ thông khác nhau – chất lượng tốt
nhưng giá cả phù hợp với đa số thu nhập của người tiêu dùng.
Chúng ta cũng cần đổi mới quan niệm “cồn chỉ để pha rượu uống”. Trong
tương lai không xa nữa, chắc chắn rằng cồn ở nước ta cũng trở thành nguyên
liệu cho ngành sản xuất khác như ở nhiều nước đã và đang làm. Đặc biệt là
nguyên liệu cho ngành năng lượng.
Trong cuộc trao đổi với phóng viên báo An ninh thủ đô xung quanh
ứng dụng loại xăng ethanol, ông Nguyễn Phú Cường – phó Vụ trưởng Vụ
Khoa học và Côn nghệ, Bộ Công Thương, người chủ trì đề án phát triển nhiên
liệu sinh học đến năm 2015 đã nói: “Nhiều công trình nghiên cứu ở nước
ngoài đã khẳng định nếu tỉ lệ pha trộn cồn ethanol vào xăng truyền thống thấp
hon 10% thì khi sử dụng các động cơ xe không phải điều chỉnh lại cho phù
hợp. Song song với việc thực hiện đề án, Bộ Khoa học và Công nghệ đã ban
hành các tiêu chuẩn về chất lượng cồn ethanol có thể pha vào xăng, trong đó
ethanol đạt chuẩn phải có hàm lượng cồn là 99,5% trở lên”.
trong các ngành rất đa dạng và khác nhau.
Ở các nước có công nghiệp rượu vang phát triển như: Italia, Pháp, Tây
Ban Nha…cồn được dùng để tăng thêm nồng độ rượu. một lượng lớn cồn
được dùng để pha chế các loại rượu mạnh, cao độ như: wisky, Martin,
Brandy, Napoleon, Rhum.
Trong thời 1954 – 1955, ở Nhật chỉ có 19,1% cồn đưa vào pha chế
rượu, Đan Mạch (11,6%), Bỉ (39%). Ở liên xô (cũ) cồn đưa vào sản xuất các
đồ uống chiếm tới 40%; 60% cồn còn lại được dùng vào các ngành kinh tế
khác. Sau đây là một số thông tin về số lượng cồn rượu được làm ra và tình
hình sử dụng chúng ở một số nước (bảng 1.2, 1.3, 1.4).
12
Bảng 1.2. Tình hình sản xuất cồn etylic ở một số nước. Stt
Nước sản xuất
Lượng cồn sản xuất,
10
6
lit
Bình quân đầu người,
lit/người
1 Mĩ 887.000 6,6
2 Anh 151.000 3,3
3 Pháp 240.000 6,8
4 CHLB Đức 169.000 3,2
5 Italia 102.000 1,2
Nam Tư(cũ) 17.500
Ở Mĩ cồn được sử dụng rất đa dạng, tỉ lệ sử dụng vào các ngành cũng thay
đổi theo từng thời kỳ. Tình hình sử dụng cồn ở Mĩ được thể hiện ở bảng (1.3).
13
Bảng 1.3. Tình hình sử dụng cồn ở Mĩ.
1944
1950
1958 SttLĩnh vực
sử dụng cồn
10
3
tấn
% 10
3
tấn % 10
Tình hình tiêu thụ các loại đồ uống chứa rượu trong năm 1957 tính theo đầu
người lit/năm ở một số nước ghi trong bảng (1.4).
14
Bảng 1.4. Tình hình sử dụng cồn rượu ở một số nước.
Trong đó
Tên nước Đồ uống có rượu qui ra
cồn 100
0
lit/người
Rượu
mạnh
Rượu
vang
cồn là chất thay thế rõ ràng hơn cả cho nhiên liệu dầu hỏa. Ở một số khía
cạnh, cồn etylic là một nhiên liệu tốt hơn dầu lửa và có nhiều phẩm chất có lợi
15
để sử dụng như một loại nhiên liệu dành cho động cơ đốt trong. Tại Brazil,
cồn etylic được coi như loại nhiên liệu không hóa thạch và có khả năng tái sử
dụng hứa hẹn nhất.
Cồn từ tinh bột sắn vì thế có thể là một năng lượng lỏng tốt để thay thế
xăng dầu, tuy nó không nhất thiết là một nhiên liệu rẻ tiền.
Các nghiên cứu đã được tiến hành ở nhiều quốc gia cho thấy lợi ích của
hệ thống sản xuất năng lượng sử dụng sắn làm nguyên liệu. Người ta nhấn
mạnh tầm quan trọng của các cơ sở sản xuất cồn từ sắn qui mô nhỏ tại các
quốc gia nhiệt đới đang phát triển và của các qui mô nhỏ cho qui mô làng xã.
Các báo cáo từ Brazil cho thấy mỗi triệu lit etanol sắn tạo ra 96 – 280 việc
làm và cần đến 320 – 660 ha đất. Vì thế, ở nhiều nước nhiệt đới đang phát
triển có đủ đất đai để sản xuất các loại cây như sắn, những trang trại như vậy
có thể giúp tạo ra đủ cơ hội việc làm và đẩy mạnh kinh tế nông thôn.
1.2. Tổng quan về cồn.
Cồn etylic hay ethanol: C
6
H
5
OH là một chất lỏng không màu, trong, có vị
nóng gắt và mùi đặc trưng.
Những hằng số của cồn etylic:
- Tỉ trạng tương đối:
79067,0
78927,0
20
20
20
tế bào vi khuẩn. Khi trộn 50% thể tích cồn với 50% thể tích nước ta thu được
96,4% thể tích hỗn hợp. Như vậy, cồn trộn với nước bị co thể tích.
Cồn etylic tinh khiết có phản ứng trung tính, nhưng cồn thu đươc từ
phương pháp lên men có lẫn một lượng nhỏ axit hữu cơ, vì vậy nó có phản
ứng axit nhẹ. Cồn và dung dịch cồn (nặng) – nước dễ bắt lửa bùng cháy với
ngọn lửa xanh nhẹ và không có muội.
Hơi cồn trong không khí gây độc cho người, động vật và vi sinh vật. Giới
hạn cho phép nồng độ ở không khí là
1mg/l. Hỗn hợp không khí với hơi cồn ở
nồng độ nào đó có thể là nguy hiểm, vì dễ phát nổ khi gặp tia lửa. Giới hạn nồng
độ gây nổ của hơi cồn trong hỗn hợp là 2,8 – 13,7% thể tích không khí.
Cồn etylic có thể được sản xuất bằng hai phương pháp chính là lên men
và tổng hợp theo con đường hóa học.
Cồn sản xuất theo phương pháp lên men được dùng làm thực phẩm(đồ
uống) và cồn kỹ thuật dùng cho các ngành khác. Cồn tổng hợp chỉ là nguyên
liệu kỹ thuật không được dùng làm đồ uống.
Cồn kỹ thuật có thể sản xuất từ khí chứa etylen, dịch thủy phân từ gỗ,
dịch kiềm sulfite trong công nghiệp giấy(lên men). Loại cồn này dùng làm
nguyên liệu cho hàng loạt ngành công nghiệp khác nhau, như dung môi trong
sản xuất cao su tổng hợp, sợi tổng hợp, lông – len tổng hợp, da nhân tạo, chất
dẻo, phim ảnh, thủy tinh hữu cơ, chất nổ, chất độn, sơn, chất màu…Có tới
150 ngành kinh tế quốc dân sử dụng cồn etylic.
1.3. Nguyên liệu dùng trong sản xuất cồn.
Nguyên liệu dùng trong sản xuất cồn etylic gồm có:
Các loại hạt, củ chứa nhiều tinh bột như các hạt ngũ cốc (gạo, ngô, đại
mạch, hạt mì, cao lương…) và các loại củ (sắn, khoai tây…).
17
Các loại rỉ đường (từ mía hoặc từ củ cải đường).
Dịch thủy phân từ gỗ (chủ yếu từ xenlulose và hemixelulose). Đối với
19
Mức bình quân tiêu thụ trên thế giới khoảng 18kg/người/năm. Sản
lượng sắn được tiêu dùng trong nước khoảng 85%(lương thực 58%, thức ăn
gia súc 28%, chế biến công nghiệp 3%, hao hụt 11%), còn lại 15%(gần 30
triệu tấn) được xuất khẩu dưới dạng sắn lát khô, sắn viên và tinh bột
(CIAT,1993).
Buôn bán sắn năm 2006 ước đạt 6,9 triệu tấn sản phẩm, tăng 11% so
với năm 2005(6,2 triệu tấn), giảm14,8% so với năm 2004(8,1 triệu tấn), trong
năng xuất bằng cách áp dụng giống mới và các biện pháp kĩ thuật tiến bộ.
Sản xuất và tiêu thụ sắn tại Việt Nam.
Ở Việt Nam, sắn là cây lương thực sau lúa, ngô. Năm 2005, cây sắn có
diện tích thu hoạch 432.000 ha, năng xuất 15,35 tấn/ha, sản lượng 6,6 triệu
21
tấn (FAO, 2007). Cây sắn là nguồn thu nhập quan trọng của các hộ nông dân
nghèo, do sắn dễ trồng, ít kén đất, ít vốn đầu tư, phù hợp sinh thái và kinh tế
nông hộ. Sắn chủ yếu dùng để bán (48,6%), kế đến dùng làm thức ăn gia súc
(22,4%), chế biến thủ công (16,8%), chỉ có 12,2% dùng tiêu thụ tươi.
Sắn cũng là cây công nghiệp có giá trị xuất khẩu và tiêu thụ trong nước.
Sắn là nguyên liệu chính để chế biến bột ngọt, bio ethanol, mì ăn liền, bánh kẹo,
siro, nước giải khát…Toàn quôc hiện có trên 60 nhà máy chế biến tinh bột sắn
với tổng công suất 3,8 triệu tấn củ tươi/năm và nhiều cơ sở chế biến tinh bột sắn
với tổng công suất khoảng 3,8 triệu tấn củ tươi/năm và nhiều cơ sở chế biến sắn
thủ công rải rác tại hầu hết các tỉnh trồng sắn.Việt Nam hiện sản xuất mỗi năm
khoảng 800.000 – 1.200.000 tấn tinh bột sắn, trong đó trên 70% xuất khẩu và
gần 30% tiêu thụ trong nước. Sản phẩm xuất khẩu chủ yếu là tinh bột, sắn lát và
bột sắn. Thị trường chính là Trung Quốc, Đài Loan, Nhật Bản, Singapo, Hàn
Quốc. Đầu tư nhà máy bio ethanol là một hướng lớn triển vọng.
22
Sản xuất lương thực là ngành trọng tâm và có thế mạnh của Việt Nam
tầm nhìn đến năm 2020 Chính phủ Việt Nam chủ trương đẩy mạnh sản xuất
lúa, ngô và coi trọng việc sản xuất sắn, khoai lang ở những vùng, những vụ có
điều kiện phát triển. Thị trường xuất khẩu và tinh bột sắn Việt Nam dự báo
thuận lợi và có lợi thế cạnh tranh cao do có nhu cầu cao về chế biến bio
ethanol, bột ngọt, thức ăn gia súc và những sản phẩm tinh bột biến tính. Diện
tích sắn của Việt Nam dự kiến ổn định khoảng 450.000 ha nhưng sẽ tăng năng
suất và sản lượng bằng cách chọn tạo và phát triển các giống sắn tốt có năng
- Thịt sắn: chứa nhiều tinh bột, protein và các chất dầu. Đây là phần dự trữ chủ
yếu các chất dinh dưỡng của củ. Các chất polyphenol, độc tố và enzyme chứa ở
thịt củ tuy không nhiều (10 – 15%) nhưng vẫn gây trở ngại trong chế biến như
làm biến màu, sắn bị chảy mủ sẽ khó thoát nước khi sấy hoặc phơi khô.
24
Lõi sắn:
- Lõi sắn nằm ở trung tâm của củ, dọc suốt chiều dài. Thành phần lõi chủ yếu
là xenlulose. Lõi có chức năng dẫn nước và các chất dinh dưỡng giữa cây và
củ, đồng thời giúp thoát nước khi sấy hoặc phơi khô.
b – Thành phần hóa học.
Bảng 1.6. Thành phần hóa học của sắn
Thành phần(%) Sắn tươi Sắn khô
Nước 60 – 74,2 14
Tinh bột 20 – 34 67,6
Protein 0,8 – 1,2 1,75
Chất béo 0,3 – 0,4 0,87
Xenlulose 1 - 3,1 3,38
Chất tro 0,54 1,79
Polyphenol 0,1 – 0,3 -
Vitamin 0,12 -
Độc tố trong sắn.
Độc tố trong sắn có tên chung là phazeolunatin gồm 2 glucozit Linamarin
và Lotaustralin. Hàm lượng của phaseolunatin chỉ vào khoảng 0.001 – 0,04
mg% và chứa nhiều trong sắn đắng, tập chung chủ yếu ở vỏ cùi.
- Linamarin (C
10
H
17
Tính chất của tinh bột sắn.
Tinh bột sắn có màu rất trắng. Trong quá trình sản xuất nếu củ được
nghiền khi chưa bóc vỏ, tinh bột thu được thường có màu tối. Màu xám của
tinh bột sắn ảnh hưởng tới chất lượng cũng như giá của sản phẩm.
Củ sắn và bột sắn thường có pH trong khoảng 6,0 – 6,3. Theo tiêu
chuẩn của Viện Tiêu chuẩn Ấn Độ, các loại sắn ăn được có pH trong khoảng
4,7- 7. Còn theo tiêu chuẩn của Mĩ, các loại sắn tốt có pH từ 4,5 – 6,5 và độ
axit thấp.
Hạt tinh bột sắn có kích thước từ 5 - 40
m với những hạt lớn 25 -
35
m, hạt nhỏ 5 - 15
m và nhiều hình dạng, chủ yếu là hình tròn, bề mặt
nhẫn, một bên mặt có chỗ lõm hình nón và một núm ở giữa.
Khi hạt tinh bột sắn bị vỡ, có thể quan sát được các rãnh tạo cấu trúc xốp
của hạt. Các rãnh vô định hình kéo dài từ bề mặt tới tâm của hạt tạo thành các lỗ
Copyright: Tài liệu đại học ©