Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo

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

TIỀN TIẾN NAM

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH DỊCH HĨA, ĐƯỜNG HĨA VÀ
LÊN MEN ETHANOL ĐỒNG THỜI Ở NỒNG ĐỘ CHẤT KHÔ
CAO TỪ GẠO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Hà Nội - 2023


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

TIỀN TIẾN NAM

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH DỊCH HĨA, ĐƯỜNG HĨA VÀ
LÊN MEN ETHANOL ĐỒNG THỜI Ở NỒNG ĐỘ CHẤT KHÔ
CAO TỪ GẠO

Ngành: Công nghệ Thực phẩm
Mã số: 9540101

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Chu Kỳ Sơn
2. TS. Phạm Tuấn Anh

Hà Nội - 2023


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận án này là trung
thực và chưa được các tác giả khác công bố.
Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ trong việc hoàn thành Luận án đã được cảm ơn
và các thơng tin trích dẫn trong Luận án đã được ghi rõ nguồn gốc.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong Luận án này.
Hà Nội, ngày tháng

năm 2023

Tiền Tiến Nam

Tập thể GVHD
1. PGS.TS. Chu Kỳ Sơn

2. TS. Phạm Tuấn Anh

i


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới các Thầy giáo hướng dẫn khoa học là
PGS. TS. Chu Kỳ Sơn và TS. Phạm Tuấn Anh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ và động
viên trong suốt thời gian thực hiện luận án.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy, cô giáo Bộ môn Công nghệ Thực phẩm
- Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm - Đại học Bách khoa Hà Nội
cũng như bạn bè, đồng nghiệp đã hết sức giúp đỡ và hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt

thời gian thực hiện luận án. Tơi cũng xin cảm ơn Phịng Đào tạo của Đại học Bách
khoa Hà Nội đã luôn ủng hộ tinh thần và tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hồn
thành luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Cơng nghiệp Thực phẩm TP. Hồ
Chí Minh đã tạo mọi điều kiện để tôi tham gia học tập và luôn ủng hộ vật chất, tinh
thần trong quá trình thực hiện luận án. Tơi xin chân thành cám ơn Trung tâm thực
hành thí nghiệm - Trường Đại học Cơng nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh cùng
các sinh viên đã giúp đỡ tôi trong các nghiên cứu của mình.
Tơi cũng xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình, những người
bạn đã động viên và khích lệ cho tơi có được sự chun tâm và động lực phấn đấu
thực hiện luận án này.
Hà Nội, ngày tháng

năm 2023

Tiền Tiến Nam

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................ii
MỤC LỤC................................................................................................................iii
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.......................................................vi
DANH MỤC HÌNH...............................................................................................viii
DANH MỤC BẢNG..................................................................................................x
MỞ ĐẦU....................................................................................................................1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU.................................................................4
Tình hình sản xuất cồn trên thế giới và Việt Nam.......................................4

Tình hình sản xuất cồn trên thế giới..............................................................4
Tình hình sản xuất cồn ở Việt Nam..............................................................5
Một số công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột hiện nay........6
Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt.......................................................7
Nguyên liệu sản xuất cồn............................................................................11
Nguồn cơ chất trong sản xuất cồn...............................................................11
Nguyên liệu gạo trong sản xuất cồn............................................................12
Enzym trong sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột.............................16
Nấm men dùng trong công nghệ sản xuất cồn............................................22
Các yếu tố công nghệ và cơ chế thủy phân ngun liệu trong quy trình sản
xuất cồn khơng gia nhiệt nồng độ chất khô cao.....................................................26
Ảnh hưởng của chế độ nghiền và kích thước nguyên liệu..........................26
Ảnh hưởng của nồng độ enzym thủy phân nguyên liệu sống.....................27
Cơ chế thủy phân của enzym trên nguyên liệu trong quy trình SLSF-VHG
.................................................................................................................... 27
Động học trong quy trình sản xuất cồn khơng gia nhiệt.............................30
Ảnh hưởng của nồng độ chất khô................................................................31
Ảnh hưởng của mật độ nấm men................................................................32
Ảnh hưởng của một số yếu tố cơng nghệ khác...........................................32
Tình hình ứng dụng quy trình sản xuất cồn khơng gia nhiệt.......................33
Ứng dụng chân khơng tách cồn đồng thời trong q trình lên men.........34

iii


NGUYÊN VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU........................................................................................................38
Nguyên vật liệu.............................................................................................38
Gạo..............................................................................................................38
Chế phẩm enzym.........................................................................................38

Chế phẩm nấm men.....................................................................................39
Chất bổ sung................................................................................................39
Hóa chất, thiết bị, địa điểm nghiên cứu.......................................................39
Nội dung nghiên cứu...................................................................................40
Nội dung 1: Lựa chọn loại gạo, enzym, nấm men cho quy trình sản xuất
cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao........................................................40
Nội dung 2: Nghiên cứu điều kiện công nghệ, động học và cơ chế biến đổi
thành phần dịch lên men trong quy trình SLSF-VHG..........................................40
Nội dung 3: Nghiên cứu ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn ở
quy mơ 100 L dịch lên men..................................................................................40
Nội dung 4: Nghiên cứu lên men và chưng cất chân không tách cồn đồng
thời trong quy trình SLSF-VHG...........................................................................41
Phương pháp nghiên cứu............................................................................41
Bố trí thí nghiệm.........................................................................................42
Phương pháp phân tích................................................................................49
Phương pháp thống kê và xử lý số liệu thực nghiệm..................................53
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................................54
Lựa chọn loại gạo, enzym, nấm men cho quy trình SLSF-VHG...............54
Lựa chọn gạo cho quy trình SLSF-VHG.....................................................54
Lựa chọn enzym đường hóa phụ trợ cho quy trình SLSF-VHG.................57
Lựa chọn chế phẩm nấm men......................................................................59
Nghiên cứu điều kiện công nghệ, động học và cơ chế biến đổi thành phần
dịch lên men trong quy trình SLSF-VHG...............................................................64
Lựa chọn kích thước lưới nghiền bột gạo...................................................64
Ảnh hưởng của nồng độ enzym đường hóa chính (Stargen 002)................66
Ảnh hưởng nguồn nitơ................................................................................69
Ảnh hưởng của nồng độ chất khô................................................................81
Ảnh hưởng của mật độ nấm men................................................................83

iv

Xây dựng quy trình cơng nghệ sản xuất cồn SLSF-VHG ở quy mơ phịng
thí nghiệm (1 L dịch lên men)..............................................................................85
Động học của q trình sản xuất cồn khơng gia nhiệt ở nồng độ chất khơ
cao.........................................................................................................................87
Hình thái, cấu trúc bột gạo trong quy trình SLSF-VHG.............................91
Nghiên cứu ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn ở quy mô
100 L dịch lên men...................................................................................................95
Nghiên cứu quy trình SLSF-VHG quy mơ 100 L dịch lên men.................96
Thống kê điện, nước và chi phí sản xuất cồn ở quy mô 100 L.................100
Nghiên cứu lên men và chưng cất chân khơng tách cồn đồng thời trong
quy trình SLSF-VHG.............................................................................................102
Ảnh hưởng của thời gian chưng cất chân không đến hiệu suất và thời gian
lên men................................................................................................................102
Nghiên cứu nâng cao nồng độ chất khơ trong quy trình SLSF-VHG bằng
chưng cất chân khơng.........................................................................................104
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..............................................................................112
Kết luận..................................................................................................................112
Kiến nghị................................................................................................................113
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN..............114
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................115
PHỤ LỤC...................................................................................................................1

v


DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu viết tắt

Tên tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

SLSF

Simultaneous liquefaction,
saccharification and
fermentation

Dịch hóa, đường hóa và lên
men đồng thời

VHG

Very high gravity

Nồng độ chất khô cao

SSF

Simultaneous saccharification
and fermentation

Đường hóa và lên men
đồng thời

DP

Degree of polymerization

Độ trùng hợp (chiều dài
mạch)

RF

Rice flour

Bột gạo

tb

cells

Tế bào

CFU

Colony form units

Đơn vị hình thành khuẩn
lạc

DNS

3,5-Dinitrosalicylic acid

Thuốc thử DNS

SEM

Scanning electron microscope

Kính hiển vi điện tử quét

XRD

X-ray diffraction

Phổ nhiễu xạ tia X

CrI

Crystallinity Index

Chỉ số tinh thể

GA

Glucoamylase

Enzym glucoamylase

μmax

Maximum specific growth rate

Tốc độ tăng trưởng riêng
cực đại

QP

Ethanol productivity

Tốc độ tạo cồn

YP/S

The yield coefficient of ethanol Hiệu suất tạo sản phẩm/đơn
production
vị cơ chất

HSLM

Fermentation yield

Hiệu suất lên men

GAU

Glucoamylase unit

Đơn vị hoạt độ enzym
glucoamylase

SAPU

Spectrophotometric acid
protease units

Đơn vị hoạt độ enzym
protease

vi


HPLC

High-performance liquid
chromatography

Sắc ký lỏng hiệu năng cao

GC

Gas chromatography

Sắc ký khí

kDa

Kilodalton

Kilodalton

TCVN

Vietnamese National Standards Tiêu chuẩn Việt Nam

FAN

Free amino nitrogen

Nitơ amin tự do

v/v

Volume/volume

Thể tích/thể tích

w/v

Weight/volume

Khối lượng/thể tích

w/w

Weight/weight

Khối lượng/khối lượng

AML

Amigase Mega L

SC

Spirizyme

DA

Distillase ASP

ER

Ethanol Red

TD

Thermosacc Dry

AS

Angel super alcohol

CK

Dry solid

Chất khô

SBD

Starch - binding domain

Vùng gắn tinh bột

CD

Catalytic domain

Vùng xúc tác

cs

et al.

Cộng sự

SLSFD

Simultaneous liquefaction,
saccharification and
fermentation and distillation

Dịch hóa, đường hóa và lên
men chưng cất đồng thời

vi


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Tình hình sản xuất cồn trên thế giới............................................................4
Hình 1.2 Sản lượng cồn nhiên liệu theo quốc gia năm 2021.....................................5
Hình 1.3 Quy trình sản xuất cồn tiết kiệm năng lượng..............................................7
Hình 1.4 Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khơ
cao.............................................................................................................................10
Hình 1.5 Hình ảnh tinh bột gạo [73]........................................................................14

Hình 1.6 Cấu tạo bột gạo [68,73].............................................................................16
Hình 1.7 Cấu tạo enzym α-amylase [99,102]...........................................................17
Hình 1.8 Cơ chế phân cắt nhóm glycosyl của α-amylase từ vi khuẩn Bacillus [104]
.................................................................................................................................. 18
Hình 1.9 Cấu tạo glucoamylase từ A. niger [96]......................................................18
Hình 1.10 Cơ chế thủy phân của glucoamylase [109,110]......................................19
Hình 1.11 Cơ chế thủy phân của enzym Stargen 001 trên tinh bột ngơ [32]...........28
Hình 1.12 Hình thái bột sắn bị thủy phân [162].......................................................29
Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm xác định loại gạo, enzym đường hóa phụ trợ, nấm men
.................................................................................................................................. 42
Hình 2.2 Mơ hình thí nghiệm lên men và chưng cất cân khơng tách cồn đồng thời
[173]..........................................................................................................................48
Hình 3.1 Biến đổi nồng độ cồn theo loại gạo trong quy trình SLSF-VHG..............55
Hình 3.2 Ảnh hưởng enzym phụ trợ đến đường tổng, độ cồn..................................58
Hình 3.3 Biến đổi độ cồn và đường tổng (a), đường khử (b) theo loại nấm men....60
Hình 3.4 Đường cong sinh trưởng của nấm men ER, TD và AS.............................62
Hình 3.5 Hình ảnh tế bào nấm men ER, TD và AS.................................................63
Hình 3.6 Phân bố kích thước hạt theo kích thước lưới nghiền.................................64
Hình 3.7 Nồng độ cồn theo kích thước lưới nghiền.................................................65
Hình 3.8 Biến đổi đường tổng-độ cồn (a), đường khử (b) theo nồng độ enzym
Stargen 002...............................................................................................................67
Hình 3.9 Ảnh hưởng urea và protease đến độ cồn - đường tổng (a), đường khử (b)
.................................................................................................................................. 70
Hình 3.10 Biến đổi protein hịa tan (a), FAN (b) trong dịch lên men......................72

vi


Hình 3.11 Ảnh hưởng của urea và protease đến đường cong sinh trưởng nấm men
.................................................................................................................................. 77

Hình 3.12 Ảnh SEM của bột gạo ở 24 h lên men (a)-R, (b)-U, (c)-P và (d)-UP.....77
Hình 3.13 Ảnh hưởng của urea và protease đến kích thước lỗ trên bề mặt bột gạo 78
Hình 3.14 Biến đổi cấu trúc bột gạo qua phổ XRD. (a)-R, (b)-U, (c)-P, (d)-UP.....80
Hình 3.15 Đường cong sinh trưởng theo mật độ nấm men......................................83
Hình 3.16 Biến đổi nồng độ cồn theo mật độ nấm men...........................................84
Hình 3.17 Sơ đồ quy trình cơng nghệ sản xuất cồn SLSF-VHG ở quy mô 1 L dịch
lên men......................................................................................................................85
Hình 3.18 Biến đổi thành phần đường tan trong dịch lên men................................88
Hình 3.19 Biến đổi sinh khối, tỉ lệ tế bào sống, nảy chồi trong quá trình lên men . 90
Hình 3.20 Ảnh SEM hình thái bột gạo ở các chế độ khác nhau..............................92
Hình 3.21 Biến đổi thành phần amylose trong bột gạo............................................95
Hình 3.22 Biến đổi độ cồn, đường tổng đường khử quy mô 100 L dịch lên men. . .96
Hình 3.23 Đường cong sinh trưởng nấm men ở quy mơ 100 L dịch lên men.........97
Hình 3.24 Biến đổi nồng độ cồn theo thời gian chưng cất chân khơng.................102
Hình 3.25 Ảnh hưởng thời gian chưng cất chân không đến mật độ nấm men.......103
Hình 3.26 Biến đổi pH trong quá trình áp dụng chưng chân khơng theo nồng độ
chất khơ...................................................................................................................105
Hình 3.27 Đường tổng (a), đường khử (b) khi áp dụng chưng cất chân không ở các
nồng độ chất khô khác nhau....................................................................................106
Hình 3.28 Biến đổi nồng độ cồn trong quá trình lên men và chưng cất chân khơng
................................................................................................................................ 107
Hình 3.29 Ảnh hưởng của nồng độ chất khô trong lên men và chưng cất chân
khơng đến mật độ tế bào nấm men.........................................................................109
Hình 3.30 Biến đổi nồng độ glycerol ở nồng độ chất khô khác nhau trong lên men
và chưng cất chân không.........................................................................................110

ix


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của gạo [68].............................................................13
Bảng 1.2 Nguồn vi sinh vật tạo α – amylase............................................................17
Bảng 1.3 Nguồn và đặc điểm một số GA [96].........................................................19
Bảng 1.4 Một số chế phẩm enzym thương mại dùng trong sản xuất cồn.................21
Bảng 1.5 Một số chế phẩm enzym protease thương mại dùng trong sản xuất cồn . 22
Bảng 1.6 Một số chế phẩm nấm men thương mại dùng trong sản xuất cồn............26
Bảng 1.7 Tình hình ứng dụng cơng nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt..................33
Bảng 2.1 Tổng hợp nguyên liệu gạo sử dụng cho nghiên cứu.................................38
Bảng 2.2 Thông số các enzym sử dụng trong nghiên cứu........................................38
Bảng 2.3 Các chế phẩm nấm men sử dụng trong nghiên cứu..................................39
Bảng 2.4 Lựa chọn cố định một số yếu tố trong quy trình SLSF-VHG...................41
Bảng 2.5 Hoạt độ và lượng sử dụng của enzym phụ trợ..........................................43
Bảng 2.6 Thành phần thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng nguồn nitơ..........................44
Bảng 2.7 Chế độ chưng cất chân không với nồng độ chất khơ khác nhau...............49
Bảng 2.8 Cách tính các thơng số hóa lý, vật lý trong q trình lên men..................52
Bảng 3.1 Thành phần dinh dưỡng các loại gạo dùng cho sản xuất cồn...................54
Bảng 3.2 Chi phí nguyên liệu cho sản xuất cồn (quy về 1 L cồn tuyệt đối)............56
Bảng 3.3 Ảnh hưởng enzym đường hóa phụ trợ đến đường khử.............................59
Bảng 3.4 Thơng số q trình lên men của nấm men ER, TD và AS........................61
Bảng 3.5 So sánh thời gian và năng lượng nghiền theo kích thước lưới nghiền......66
Bảng 3.6 Tốc độ tạo cồn, hiệu suất sản phẩm theo nồng độ enzym Stargen 002....68
Bảng 3.7 Ảnh hưởng của urea và protease đến các sản phẩm phụ...........................74
Bảng 3.8 Ảnh hưởng nồng độ protease đến độ cồn và hiệu suất lên men................81
Bảng 3.9 Ảnh hưởng nồng độ chất khô đến độ cồn và hiệu suất lên men theo thời
gian............................................................................................................................81
Bảng 3.10 Ảnh hưởng nồng độ chất khô đến nồng độ đường..................................82
Bảng 3.11 Các thơng số cơng nghệ thích hợp của quy trình SLSF-VHG................86
Bảng 3.12 Biến đổi một số thành phần trong dịch lên men.....................................88
Bảng 3.13 Thơng số động học q trình lên men.....................................................91
Bảng 3.14 Độ tinh thể và kích thước tinh thể bột gạo trong quá trình lên men.......94

x


Bảng 3.15 Sản phẩm phụ trong quy trình SLSF-VHG quy mô 100 L.....................98
Bảng 3.16 Sản phẩm chưng cất................................................................................98
Bảng 3.17 Đánh giá chất lượng rượu chưng cất.......................................................99
Bảng 3.18 Thống kê điện và nước tiêu thụ quy mô 100 L dịch lên men...............100
Bảng 3.19 Chi phí sản xuất cồn trên thiết bị tích hợp SLSF-VHG quy mơ 100 L 101
Bảng 3.20 Độ cồn, hiệu suất lên men theo thời gian chưng cất chân không..........104
Bảng 3.21 Hiệu suất, thời gian lên men theo nồng độ chất khô ở chế độ chưng cất
chân không..............................................................................................................108
Bảng 3.22 Thể tích và nồng độ cồn tách ra trong q trình chưng cất chân khơng
................................................................................................................................ 108
Bảng 3.23 Thành phần bã rượu ở nồng độ chất khô khác nhau trong lên men và
chưng cất chân không.............................................................................................111

xi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Ethanol (cồn) là sản phẩm có vai trị quan trọng trong nền kinh tế. Trong công
nghiệp thực phẩm, các sản phẩm chứa cồn được sử dụng làm đồ uống có từ lâu đời
và phổ biến trên thế giới. Trong công nghiệp cồn được dùng làm dung môi và
nguyên liệu cho nhiều lĩnh vực như hóa chất, mỹ phẩm, sinh học, dược, chế biến và
bảo quản nông sản thực phẩm…Ngày nay, khi nhu cầu năng lượng thế giới tiếp tục
tăng cao và các nguồn nhiên liệu truyền thống (dầu mỏ, than đá, khí đốt...) đang
ngày càng cạn kiệt, nhiên liệu sinh học là giải pháp thay thế thích hợp. Trong đó,
cồn là nhiên liệu thay thế quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi ở hầu hết các

quốc gia trên thế giới.
Nguyên liệu để sản xuất cồn là các nguyên liệu chứa đường (đường mía, rỉ
đường, củ cải đường…), chứa tinh bột (củ, hạt, ngũ cốc), nguyên liệu chứa cellulose
và nguyên liệu từ sinh khối tảo [1]. Công nghệ sản xuất và sản lượng cồn hiện nay
chủ yếu sử dụng nguồn nguyên liệu chứa đường và tinh bột [1,2]. Trên thế giới
nguyên liệu sản xuất cồn được sử dụng nhiều nhất là ngô, đường mía. Các nguyên
liệu như cellulose và sinh khối tảo vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện
[2,3]. Tại Việt Nam, nguồn nguyên liệu chứa tinh bột thường được sử dụng trong
sản xuất cồn thực phẩm là gạo. Đây là loại cây lương thực chính, là nguyên liệu
chính để sản xuất rượu truyền thống và sản xuất cồn thực phẩm ở nước ta. Đây cũng
là cây trồng chủ lực có sản lượng lớn của Việt Nam, và hàng năm nước ta là một
trong ba nước có sản lượng gạo xuất khẩu cao nhất thế giới [4]. Do đó, trong nội
dung nghiên cứu của luận án này chủ yếu đề cập đến công nghệ sản xuất cồn từ
nguyên liệu chứa tinh bột, cụ thể là từ gạo tại Việt Nam.
Công nghệ sản xuất cồn truyền thống từ nguyên liệu chứa tinh bột được thực
hiện qua bốn giai đoạn: dịch hóa, đường hóa, lên men và chưng cất. Q trình này
bao gồm nhiều công đoạn và sử dụng nhiều thiết bị, năng lượng và tiêu tốn nhiều
nước cho các công đoạn chính và các cơng đoạn trung gian (làm nguội) trong sản
xuất [5]. Hiện nay, cơng nghệ đường hóa và lên men đồng thời (SSF) đang được
ứng dụng phổ biến trong công nghiệp sản xuất cồn. Trong công nghệ này q trình
hồ hóa và dịch hóa thường được thực hiện ở nhiệt độ trên 80 oC, q trình đường hóa
và lên men đồng thời được thực hiện với tác dụng của các enzym thế hệ mới và nấm
men đã giúp nâng cao hiệu suất lên men (HSLM), giảm chi phí sản xuất cồn [3,6,7].
Trong những năm gần đây, công nghệ sản xuất cồn tiết kiệm năng lượng không gia
nhiệt đã được phát triển và nghiên cứu. Với việc sử dụng các enzym thế hệ mới, q
trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời được thực hiện ở điều kiện nhiệt độ
thường trong cùng một thiết bị đã làm giảm bớt chi phí sử dụng tài nguyên (năng
lượng, nước, thiết bị…), giảm chất thải (nước thải, khí CO2) ra môi trường và giảm
giá thành sản phẩm [5,8]. Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất
khô cao hay cịn gọi là quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng

độ chất khơ cao để sản xuất cồn (SLSF-VHG) cũng đã được tập trung nghiên cứu
do những ưu điểm về năng suất, tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí đầu tư thiết bị
và giảm thành phần chất thải [8]. Tuy nhiên, đây là công nghệ mới phát triển trong
thời gian gần đây nên cịn ít nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ trên các loại ngun
liệu khác nhau, chưa có nhiều ứng dụng cơng nghệ này ở các quy mô pilot và quy
mô công nghiệp.
1


Việc ứng dụng cơng nghệ SLSF-VHG từ gạo cịn một số tồn tại như sau: chưa
tối ưu nguyên liệu, enzym, chất bổ sung (nguồn nitơ); Hiệu suất lên men còn thấp,
thời gian lên men còn dài, cơ chế biến đổi thành phần dịch lên men, cơ chế tấn công
của enzym vào nguyên liệu bột gạo sống chưa được giải thích đầy đủ; Chưa có
thống kê năng lượng, đánh giá hiệu quả và chi phí sản xuất của quy trình ở quy mô
sản xuất nhỏ. Xuất phát từ những vấn đề thực tế trên, chúng tôi thực hiện đề tài
“Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng
độ chất khô cao từ gạo”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu xác định nguyên liệu, các thông số cơng nghệ và giải thích cơ chế
thủy phân lên men bột gạo sống trong quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men
đồng thời ở nồng độ chất khơ cao. Phát triển ứng dụng quy trình dịch hóa, đường
hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao ở quy mô pilot. Nghiên cứu ứng
dụng chưng cất chân không tách cồn đồng thời để nâng cao hiệu suất, rút ngắn thời
gian lên men và nâng cao nồng độ chất khơ trong quy trình sản xuất cồn khơng gia
nhiệt ở nồng độ chất khô cao từ gạo.
3. Nội dung nghiên cứu
Nội dung 1: Lựa chọn loại gạo, enzym, nấm men cho quy trình sản xuất cồn
khơng gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao.
Nội dung 2: Nghiên cứu điều kiện công nghệ, động học và cơ chế biến đổi
thành phần dịch lên men trong quy trình SLSF-VHG.

Nội dung 3: Nghiên cứu ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn ở quy
mô 100 L dịch lên men.
Nội dung 4: Nghiên cứu lên men và chưng cất chân không tách cồn đồng thời
trong quy trình SLSF-VHG.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu đã bổ sung kết quả để lựa chọn loại nguyên liệu (gạo, enzym, nấm
men) phù hợp cho quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao tại
Việt Nam.
Luận án đã cung cấp những thông tin khoa học và giải thích khá đầy đủ về động
học của q trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol trong quy trình SLSFVHG dưới tác dụng của nhiều yếu tố mới: sử dụng hệ enzym thế hệ mới, nâng cao
nồng độ cơ chất, phương thức lên men, phương thức giảm ức chế của sản phẩm cuối
làm cơ sở khoa học cho cải tiến công nghệ lên men ethanol. Đánh giá hiệu quả việc
sử dụng enzym protease trên cơ sở thủy phân protein trong nguyên liệu và khả năng
thay thế hoàn toàn nitơ bổ sung bên ngoài.
Đã phát triển giải pháp ứng dụng chưng cất chân không tách cồn để nâng cao
nồng độ chất khô và rút ngắn thời gian lên men trong quy trình sản xuất cồn không
gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao.

2


Ý nghĩa thực tiễn
Xác lập được điều kiện công nghệ và thử nghiệm sản xuất cồn không gia nhiệt
với nồng độ chất khô cao quy mô 100 L làm cơ sở phát triển quy trình và nâng cao
hiệu quả sản xuất cồn từ gạo Việt Nam, tiết kiệm chi phí và giảm thiểu tác động mơi
trường.
5. Những đóng góp mới của luận án
Nghiên cứu đã cho thấy loại gạo IR50404 và các loại gạo có hàm lượng
amylose nhỏ hơn 26,32% là phù hợp nhất cho quy trình sản xuất cồn không gia

nhiệt, đây là cơ sở để lựa chọn nguyên liệu cho sản xuất cồn thực phẩm từ gạo tại
Việt Nam.
Luận án đã đề xuất các thông số công nghệ, giải thích được động học của q
trình lên men cồn, giải thích cơ chế hoạt động của tổ hợp enzym thế hệ mới thơng
qua cơng nghệ dịch hóa đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ
gạo, làm cơ sở khoa học cho thiết lập cải tiến công nghệ trong lên men cồn từ gạo
Việt Nam. Kết quả nghiên cứu của luận án cũng cho thấy ưu điểm nổi bật khi sử
dụng enzym protease thay thế urea trong quy trình SLSF-VHG.
Đã bước đầu ứng dụng quy trình sản xuất cồn khơng gia nhiệt ở nồng độ chất
khô cao quy mô 100 L dịch lên men. Hiệu suất lên men 89,07%, nồng độ cồn trong
dịch lên men 17,73 %, tạo sản phẩm đảm bảo chất lượng và an toàn thực phẩm đáp
ứng TCVN 7043:2013.
Ứng dụng thành công chưng cất chân không tách cồn ở nồng độ chất khô 350
g/L đạt nồng độ cồn 19,98% v/v, hiệu suất lên men 89,09% và thời gian lên men 72
h, kết quả này nâng cao được nồng độ chất khô 12,6%, nồng độ cồn tăng 2,16% v/v,
rút ngắn thời gian lên men 24 h so với quy trình SLSF-VHG tối ưu (ở nồng độ chất
khô 310,8 g/L). Lần đầu tiên ứng dụng chưng cất chân không tách cồn nâng cao
được nồng độ chất khơ trong quy trình SLSF-VHG lên 500 g/L đạt hiệu suất và thời
gian lên men tương đương với q trình lên men ở nồng độ chất khơ 310,8 g/L.

3


TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Tình hình sản xuất cồn trên thế giới và Việt Nam
Tình hình sản xuất cồn trên thế giới
Cồn là một thành phần chính trong một số sản phẩm đồ uống có truyền thống
lâu đời. Ngày nay, ngồi việc sử dụng làm thức uống, cồn còn được sử dụng làm
nhiên liệu thay thế cho các nguồn nhiên liệu truyền thống. Theo thống kê trong
Hình 1.1, tính đến năm 2020, tổng sản lượng cồn trên thế giới khoảng 120 tỉ lít

[9,10], trong đó dùng làm thức uống và dùng trong cơng nghiệp khoảng 13 – 15%,
cịn lại dùng cho nhiên liệu [11]. Theo dự báo của Tổ chức nông lương thế giới
(FAO) trong các năm tới lượng cồn sử dụng (đặc biệt trong lĩnh vực làm nhiên liệu
thay thế) tiếp tục tăng trưởng đạt khoảng 134,5 tỉ lít vào năm 2024 [12]. Ngoài ra,
do các nguồn nhiên liệu truyền thống (dầu mỏ, khí đốt, than đá…) ngày càng cạn
kiệt nên cồn đang trở thành nguồn nhiên liệu thay thế quan trọng.

Hình 1.1 Tình hình sản xuất cồn trên thế giới
Cồn dùng để pha chế rượu và dùng trong hóa học, y tế, và các ngành công
nghiệp khác. Đồ uống chứa cồn là sản phẩm có vị trí quan trọng trong ngành công
nghiệp thực phẩm. Cồn được dùng để pha chế các loại rượu cao độ có giá trị cao
như whisky, vodka…
Mỹ và Braxin là hai quốc gia sản xuất cồn hàng đầu thế giới. Theo hiệp hội
năng lượng tái tạo (RFA) năm 2021, Mỹ sản xuất sản lượng cồn dùng cho nhiên
liệu đạt 15,02 tỉ gallon, chiếm 55% sản lượng cồn nhiên liệu trên thế giới. Braxin
sản xuất 7,43 tỉ gallon, chiếm 27% sản lượng cồn trên thế giới [13]. Kết quả được
thể hiện trong Hình 1.2.

4


3%
3%

1% 1%
3%
2%

Mỹ Braxin Châu Âu
Trung Quốc Ấn Độ

Canada

5%

55%

27%

Thái Lan Argentina
Phần cịn lại Thế Giới

Nguồn: RFA (2021)
Hình 1.2 Sản lượng cồn nhiên liệu theo quốc gia năm 2021
Tình hình sản xuất cồn ở Việt Nam
Sản xuất cồn ở quy mô công nghiệp tại Việt Nam đã bắt đầu từ năm 1898 khi
người Pháp cho xây dựng các nhà máy cồn ở Hà Nội, Hải Dương, Nam Định, Cái
Rằng, Bình Tây… Hiện nay, Việt Nam có những nhà máy cồn rượu hiện đại với
công suất lớn như Công ty cổ phần Rượu và Nước giải khát Hà Nội (HALICO) với
công suất 12 triệu lít cồn/năm, 40 triệu lít rượu/năm, nhà máy rượu Bình Tây (cơng
suất 6 triệu lít cồn/năm) và một số nhà máy cồn rượu tại các địa phương khác.
Năm 2011, sản lượng rượu cơng nghiệp là 127 triệu lít, rượu thủ cơng được cấp
phép là 32 triệu lít. Theo ước tính hiện nay mỗi năm vẫn cịn khoảng 300 triệu lít
rượu thủ cơng có chất lượng chưa ổn định, khơng nhãn mác, khơng cơng bố và
khơng được kiểm sốt chất lượng được sản xuất và tiêu thụ, đây là nguy cơ gây mất
an toàn cho sử dụng sản phẩm rượu [14]. Hiện nay, theo Tổng cục Thống kê (2021),
sản lượng rượu mạnh và rượu trắng Việt Nam năm 2021 là 315,3 triệu lít [15].
Cồn nhiên liệu ở Việt Nam đã được chính phủ ưu tiên phát triển và đã triển khai
nhiều dự án sản xuất lớn. Tuy nhiên, tốc độ phát triển năng lượng tái tạo trong đó có
sản xuất cồn vẫn chưa đáp ứng được với quy mô nền kinh tế. Ngun nhân do thiếu
năng lực tài chính, cơng nghệ tiên tiến và các chính sách hỗ trợ, đặc biệt quy hoạch

về các vùng nguyên liệu chưa đáp ứng được yêu cầu thực tế nên đã hạn chế sự phát
triển của sản xuất cồn nhiên liệu [10]. Một loạt các nhà máy cồn nhiên liệu ra đời đã
phải đóng cửa. Hiện nay nước ta chỉ có Cơng ty TNHH cồn Tùng Lâm (cơng suất
160 triệu lít/năm) hoạt động hiệu quả cung cấp cồn cho pha xăng nhiên liệu.

5


Ngày 21/5/2009 Bộ trưởng Bộ Công Thương ký Quyết định số 2435/QĐ-BCT
ban hành “Quy hoạch phát triển ngành Bia - Rượu - Nước giải khát đến năm 2015,
tầm nhìn đến năm 2025”. Mục tiêu phát triển ngành theo bản Quy hoạch đã xác
định sản lượng rượu công nghiệp đến năm 2025 đạt 440 triệu lít [16].
Theo “Quy hoạch phát triển ngành bia, rượu, nước giải khát Việt Nam đến năm
2025 và tầm nhìn đến năm 2035” của Bộ Cơng Thương ngày 12/9/2016, ngành phải
phát triển trên cơ sở áp dụng thiết bị tiên tiến; không ngừng đổi mới nâng cao chất
lượng sản phẩm; nghiên cứu sản phẩm mới có chất lượng cao; phát triển bền vững,
đảm bảo an toàn thực phẩm, môi trường và sinh thái. Mục tiêu đến các năm 2025,
2035 sản xuất đạt tương ứng 350 triệu lít rượu (trong đó sản lượng dùng cho sản
xuất cơng nghiệp chiếm tỉ lệ tương ứng là 50% ) [17].
Một số công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột hiện nay
Hiện nay, công nghệ sản suất cồn ở quy mô nhỏ và quy mô công nghiệp đều
được thực hiện với q trình có gia nhiệt ngun liệu. Cơng nghệ sản xuất cồn
truyền thống được thực hiện với các cơng đoạn nghiền ngun liệu, hồ hóa và dịch
hóa bằng enzym amylase (95 – 105oC trong 60-70 phút), làm nguội dịch cháo về
60-62oC và đường hóa bằng enzym glucoamylase ở nhiệt độ này, sau đó dịch cháo
được hạ nhiệt độ về 28-32 oC và thực hiện quá trình lên men [18–21]. Nhược điểm
của quy trình này là tiêu tốn nhiều năng lượng cho q trình dịch hóa, tốn thời gian
và nước giải nhiệt, tăng chi phí đầu tư thiết bị, tăng nguy cơ nhiễm tạp làm giảm
hiệu quả lên men [21]. Mặt khác, nồng độ chất khơ thấp nên kích thước thiết bị lớn,
tăng chi phí chưng cất và thu hồi sản phẩm. Tổn thất đường và axit amin do phản

ứng Maillard. Ngồi ra, quy trình này địi hỏi thiết bị phức tạp gồm bộ phận cấp hơi,
làm nguội, khuấy trộn…
Trong những năm gần đây, cơng nghệ đường hóa và lên men đồng thời (SSF)
để sản xuất cồn đã được nghiên cứu và ứng dụng để thay thế quy trình truyền thống
trên nhiều loại nguyên liệu khác nhau như ngô, lúa mạch, sắn...Tại Mỹ đây là quy
trình được áp dụng trong sản xuất cồn chủ yếu từ nguyên liệu ngô [22]. Tại các
quốc gia khác hầu hết các quy trình sản xuất cồn hiện nay đều áp dụng công nghệ
này [1]. Trong quy trình này, q trình dịch hóa dưới tác dụng của enzym αamylase được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn so với phương pháp truyền thống
(>80oC) [18,23–25], một số quy trình thực hiện dưới nhiệt độ hồ hóa [24,26,27].
Sau khi dịch hóa, dịch cháo sẽ được làm lạnh ngay xuống 30°C [23,25,26]. Ở nhiệt
độ này, enzym glucoamylase, nấm men và các chất dinh dưỡng được bổ sung để
thực hiện q trình đường hóa và lên men đồng thời. Đường glucose được giải
phóng đồng thời với q trình lên men tạo cồn, điều này làm giảm bớt ảnh hưởng
“stress” do nồng độ đường cao cho nấm men. Hiện nay, quy trình SSF thường thực
hiện ở nồng độ chất khô cao (very high gravity-VHG). Nồng độ chất khô cao trong
sản xuất cồn tương ứng với nồng độ chất khô trên 300 g/L [28,29]. Ứng với lượng
chất khô này nồng độ cồn thu được trong dịch lên men có thể lên đến 18% v/v, một
số nghiên cứu ở điều kiện phịng thí nghiệm quy trình VHG có thể đạt tới nồng độ
cồn 23,8% v/v [18,30]. Quy trình này có ưu điểm là tiết kiệm năng lượng, giảm bớt
thiết bị và lượng nước sử dụng [1], có thể lên men ở nồng chất khô cao do ảnh
hưởng của áp suất thẩm thấu thấp, giảm giá thành sản phẩm, tăng nồng độ cồn trong
dịch lên men, giảm chi phí chưng cất và xử lý chất thải…[89].
6


Cơng nghệ sản xuất cồn khơng gia nhiệt

Hình 1.3 Quy trình sản xuất cồn tiết kiệm năng lượng
Các quy trình sản xuất cồn hiện nay vẫn có những nhược điểm như tiêu tốn
năng lượng (hơi và nhiệt), nước làm nguội, nhiều công đoạn sản xuất phức tạp. Việc

nghiên cứu, cải tiến quy trình sản xuất cồn nhằm giảm tiêu hao năng lượng, đơn
giản quy trình, giảm chi phí đầu tư, tăng giá trị, giảm chất thải được đặt ra. Quy
trình sản xuất cồn tiết kiệm năng lượng (không gia nhiệt) hay còn gọi là “no-cook”,
“cold-cook” hoặc “one-step fermentation” ra đời cũng đã bước đầu giải quyết được
những vấn đề đó. Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt được đề cập bởi Balls và
Schwimmer vào năm 1944 [31]. Cơ sở của q trình là sử dụng hệ enzym có khả
năng thủy phân tinh bột ở nhiệt độ 30-34°C hoặc thấp hơn so với nhiệt độ hồ hóa
tinh bột [1,32–35]. Ứng dụng phương pháp này, cả 3 q trình dịch hóa, đường hóa
và lên men được kết hợp trong một cơng đoạn duy nhất, trong cùng một thiết bị và ở
cùng một nhiệt độ như được trình bày trong Hình 1.3. Nguyên liệu, enzym, nấm
men được vào cùng lúc trong thiết bị và xảy ra đồng thời các quá trình thủy phân
tạo đường, nấm men sử dụng đường tạo cồn và các sản phẩm phụ. Ngoài ưu điểm
tiết kiệm năng lượng do hồn tồn khơng sử dụng nhiệt, đơn giản quy trình (bỏ bớt
các cơng đoạn dịch hóa, đường hóa), quy trình này cịn giảm được thời gian sản
xuất và lượng nước làm mát dịch cháo trước và sau công đoạn đường hóa. Quy trình
cịn có ưu điểm nổi bật là đường lên men tạo ra đến đâu được nấm men sử dụng và
lên men đến đó nên nấm men khơng phải chịu áp suất thẩm thấu cao như trong quá
trình lên men theo một số công nghệ sản xuất cồn hiện nay [8].
1.1.4.1 Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt với nồng độ chất khô dưới 300 g/L
Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt đã được nghiên cứu trên các loại
nguyên liệu khác nhau. Đối với nguyên liệu ngơ, Matsumoto và cs (1982) thử
nghiệm quy trình sản xuất cồn không nấu từ bột ngô (nồng độ chất khô 20-30%) với
hỗn hợp enzym (dịch hóa, đường hóa, protease, cellulase, pectinase), trong đó
enzym đường hóa chính từ Rhizopus sp. Q trình lên men thực hiện trong 96 h,
nồng độ cồn đạt được khi kết thúc lên men là 14,2% v/v. Nghiên cứu cho thấy hiệu
suất lên men tương đương với quy trình sản xuất cồn có gia nhiệt, giảm nhiên liệu
sử dụng, tiết kiệm năng lượng so với quy trình truyền thống [36]. Shigechi và cs
(2004) đã sản xuất cồn từ bột ngô (20% chất khô) bằng cách sử dụng nấm men S.
cerevisiae, glucoamylase
7