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 nguyên liệu trong quy trình sản
xuất cồn khơng gia nhiệt nồng độ chất khơ 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 không tách cồn đồng thời trong quá 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 khơng 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 không 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 khô 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

vii


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 ngô [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 hòa tan (a), FAN (b) trong dịch lên men ..................... 72

viii

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 mô 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 q trình lên men và chưng cất chân khơng
................................................................................................................................ 107
Hình 3.29 Ảnh hưởng của nồng độ chất khơ trong lên men và chưng cất chân
không 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 khô khác nhau .............. 49
Bảng 2.8 Cách tính các thơng số hóa lý, vật lý trong quá 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 thông số công 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 mô 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 80oC, 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 mơi 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 khô
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 còn 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 khơ 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 SLSF-VHG
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 khơng
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 quá trình lên men ở nồng độ chất khô 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


1% 1%
3%
3% 2%

Mỹ
Braxin

3%

Châu Âu
Trung Quốc

5%

Ấn Độ
Canada

55%
27%

Thái Lan
Argentina
Phần còn 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 cơng
suất lớn như Công ty cổ phần Rượu và Nước giải khát Hà Nội (HALICO) với cơng
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. Nguyên 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
28-32oC 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 α-amylase 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 (khơng 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
cơng 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


(Rhizopus oryzae) và α-amylase (Streptococcus bovis) có khả năng thủy phân tinh
bột sống với đặc tính cấu trúc miền liên kết “C-terminal-half” và vùng chức năng
“Flo1p” của các enzym tương ứng. Trong quá trình lên men ở 30oC, 72 h, các chủng
này tạo ra cồn với nồng độ 61,8 g/L, hiệu suất lên men 86,5% trên cơ sở lượng cồn
theo lý thuyết [33]. Ngoài ra, tác giả cũng kết luận rằng đặc tính cấu trúc của enzym
có ảnh hưởng lớn đến q trình sản xuất cồn bằng phương pháp khơng gia nhiệt. Cũng
trên nguyên liệu ngô ở nồng độ chất khô 25%, Shihadeh và cs (2013) đã thực hiện
sản xuất cồn không gia nhiệt đạt được hiệu suất lên men khá cao với nồng độ cồn đạt
12,5% v/v [37]. Các thí nghiệm sản xuất cồn khơng gia nhiệt được thực hiện trong
thiết bị lên men 5 L chứa 4 L bột ngô nồng độ 250 g/L, pH 5,0, dùng axit protease
(GC106) và Stargen 001 để thủy phân nguyên liệu, sử dụng chế phẩm nấm men
Ethanol Red. Quá trình lên men ở 35°C, tốc độ khuấy trộn liên tục 200 vòng/phút
trong 72 h. Dịch sau chưng cất được ly tâm lấy phần nước sử dụng lại cho các lần lên
men tiếp theo. Tác giả tiếp tục nghiên cứu mở rộng ở quy mô 5, 30, 150, 1500 và
8000 L kết quả nồng độ cồn đạt 117, 109, 101, 93 và 76 g/L tương ứng. Nghiên cứu
cũng đưa ra kết luận việc tái sử dụng dịch sau chưng cất ảnh hưởng không đáng kể
đến các kết quả thí nghiệm [38].
Đối với nguyên liệu gạo Ấn Độ và hạt kê ở trong quy trình sản xuất cồn khơng
gia nhiệt. Q trình này được thực hiện bằng enzym α-amylase, glucoamylase kết
hợp với nấm men từ AB Mauri (MIDC−415 722, India). Ở nồng độ chất khô 25% đối
với gạo cho nồng độ cồn thu được trên 11% v/v sau 72 h lên men. Đối với nguyên
liệu là bột kê ở nồng độ chất khô và thời gian lên men tương tự cho nồng độ cồn trên

9,6% v/v [5]. Masiero và cs (2014) dùng enzym Stargen 002 lên men khoai lang với
nồng độ 200 g/L. Khoai được tiền xử lý ở các nhiệt độ 30 - 62°C trong 1 h trước khi
thủy phân và lên men. Quá trình lên men ở 30°C trong 96 h với sự cố định pH và
không cố định pH. Kết quả cho thấy kiểm sốt pH có hiệu suất lên men cao (hơn 54%
so với khơng kiểm sốt pH). Tiền xử lý 60 phút với Stargen 002 ở nhiệt độ 52oC cho
lượng đường glucose cao nhất, nhưng ở 62°C khả năng thủy phân lại giảm, tác giả
nhận định rằng có thể do hiện tượng hồ hóa tinh bột làm ảnh hưởng đến khả năng
thủy phân của Stargen 002 [39].
Tinh bột sắn được thủy phân bởi Stargen 002 ở nhiệt độ 40°C và pH 4,0. Quá
trình này đã chuyển đổi 81,19% tinh bột sắn thành glucose ở nồng độ 176,41 g/L
trong 72 h với tốc độ tạo glucose 2,45 g/L/h. Thực hiện lên men ở quy mô 5 L và 200
L với nấm men S. cerevisiae ở nhiệt độ và thời gian trên đạt được nồng độ cồn là 8,0
và 8,2% w/v tương ứng với tốc độ tạo cồn là 1,12 và 1,14 g/L/h hiệu suất lên men đạt
71,44 và 72,47%. Những kết quả này cho thấy quy trình sản xuất cồn “một cơng
đoạn” từ tinh bột sắn có thể được nâng lên cho quy mô sản xuất công nghiệp [40].
Graczyk và cs (2019) nghiên cứu công nghệ không gia nhiệt trên nguyên liệu lúa
mạch, lúa mì và tiểu hắc mạch (triticale) với nồng độ chất khô 280 g/L đạt nồng độ
cồn tương ứng là 94,5; 97,22 và 98,7 g/L. Đây là giải pháp sản xuất cồn tiềm năng có
chi phí thấp, thân thiện mơi trường và có thể ứng dụng để sản xuất rượu mạnh, cồn
thực phẩm ở quy mô công nghiệp [41].
Ở Việt Nam cũng đã có nghiên cứu về thủy phân, lên men không gia nhiệt ở nồng
độ chất khơ tương đối thấp. Nghiên cứu của Hồng Kim Anh thủy phân tinh bột sắn
(1% chất khô) bằng các enzym khác nhau và quan sát cấu trúc hạt tinh bột trên kính
8


hiển vi điện tử quét (SEM), kết quả nghiên cứu này cho thấy một số enzym có khả
năng thủy phân tinh bột sống nhưng hiệu suất còn thấp và ở nồng độ chất khô rất thấp
(1%), nghiên cứu này cũng là cơ sở để cho thấy khả năng phát triển công nghệ thủy
phân tinh bột sống bằng enzym [42]. Khi nghiên cứu quy trình sản xuất cồn khơng

gia nhiệt từ sắn lát ở nồng độ chất khô 184,8 g/L đã thu được kết quả nồng độ cồn
sau 96 h đạt 10,8% v/v, tương ứng với hiệu suất thu hồi 91,3% [43]. Một nghiên cứu
khác về quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô 19,8% bằng enzym
thế hệ mới Stargen 001 (Dupont) với nguyên liệu là gạo sống trong thời gian lên men
70 h nồng độ cồn đạt gần 11% v/v [43]. Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men
đồng thời trên nguyên liệu gạo ở nồng độ chất khô 186,9 g/L, với enzym Stargen 002
và các enzym phụ trợ cho kết quả nồng độ cồn sau 72 h đạt 10,8% v/v, tương ứng với
hiệu suất thu hồi 88,5% [8].
1.1.4.2 Công nghệ sản xuất cồn tích hợp khơng gia nhiệt ở nồng độ chất khơ cao
Cơng nghệ tích hợp sản xuất cồn khơng gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao là công
nghệ sản xuất cồn kết hợp hai yếu tố lên men hoàn toàn không gia nhiệt và nồng độ
chất khô cao (VHG). Theo Thomas và cs (1993), khái niệm VHG là trong 100g dịch
lên men có nhiều hơn 27 g chất khơ, nếu quy về đơn vị thể tích thì tương đương với
nồng độ chất khô lớn hơn 300 g/L [44], nồng độ cồn khi kết thúc quá trình lên men
đạt nồng độ trên 15% v/v [28,45]. Ở 20oC, Thomas và Ingledew (1992) đã thực hiện
q trình lên men có cơng đoạn dịch hóa với nồng độ chất khơ 35% w/v đạt được
nồng độ cồn 21,5% v/v. Tuy nhiên ở điều kiện nhiệt độ lên men thông thường nồng
độ VHG ảnh hưởng tiêu cực đến nấm men, enzym và quá trình lên men bởi áp suất
thẩm thấu và nồng độ cồn cao [28,46]. Ngược lại, VHG lại có lợi thế về sản lượng,
năng suất thiết bị, giảm chi phí năng lượng và xử lý chất thải [3,6,28] nên đây là công
nghệ đang được nhiều quan tâm nghiên cứu.
Sự kết hợp của công nghệ tích hợp khơng gia nhiệt ở nồng độ chất khơ cao để
sản xuất cồn hứa hẹn mang đến những thành tựu trong việc phát triển công nghệ sản
xuất cồn trên thế giới. Nghiên cứu về quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt của Xu
và Duan (2010) sử dụng enzym thủy phân tinh bột thế hệ mới kết hợp với chế độ
kiểm soát ở nhiệt độ thấp, nguyên liệu sử dụng là lúa miến với nồng độ chất khô trong
dịch lên men là 35%, thời gian lên men là 90 h, nồng độ cồn thu được lên đến 20%
v/v [47]. Đánh giá ảnh hưởng của urea và protease trong sản xuất cồn không gia nhiệt,
Wang và cs (2009) lên men bột ngô ở nồng độ 32% chất khô với các nồng độ khác
nhau của enzym Stargen 001, GC106 (protease), urea. Kết quả cho thấy cùng lượng

Stargen 001 và protease là 0,4 mL/100 g bột ngô cho độ cồn cao nhất đạt 18% v/v
sau 72 h lên men, sử dụng urea kết hợp với protease không cho thấy hiệu quả trọng
việc nâng cao nồng độ cồn trong dịch lên men [48]. Mặt khác, cơ chế của tác động
của protease và urea đến hiệu suất lên men của quy trình chưa được giải thích và đề
cập đến. Ngồi ra, các nghiên cứu này sử dụng lượng enzym khá lớn trong điều kiện
chi phí enzym cao nên việc ứng dụng cơng nghệ khơng gia nhiệt để sản xuất cồn ở
quy mơ lớn cịn hạn chế. Các nghiên cứu về công nghệ sản xuất cồn khơng gia nhiệt
ở nồng độ chất khơ cao cịn chưa nhiều, hiệu suất lên men còn thấp, việc nâng cao
nồng độ chất khô thực sự là một rào cản của cơng nghệ này. Điển hình là một nghiên
cứu ảnh hưởng của nồng độ chất khơ trong quy trình khơng gia nhiệt, ở các nồng độ
30, 40 và 45% hiệu suất lên men sau 72 h chỉ đạt tương ứng là 78,1; 62,3 và 45,2%
9


[49]. Kết quả này cho thấy cơng nghệ tích hợp không gia nhiệt sản xuất cồn ở điều
kiện VHG trên ngơ cịn nhiều vấn đề phải cải thiện cơng nghệ và hiệu suất lên men.
Như vậy đã có một số nghiên cứu trên thế giới về công nghệ sản xuất cồn không gia
nhiệt ở nồng độ chất khô cao chủ yếu trên nguyên liệu ngô, tuy nhiên hiệu quả (hiệu
suất, chi phí) chưa cao nên cơng nghệ này hiện nay vẫn chưa được triển khai ứng
dụng trong thực tế.
Bột gạo + Nước
(311,5 g CK/L)

Chỉnh pH (4,5)

Stargen 002
(992 GAU/kg RF)

Ethanol Red
7

3,5 × 10 CFU/mL

Urea (16 mM)
KH2PO4 (4,8 mM)

Dịch hóa,
Đường hóa và
Lên men đồng
thời
30°C, 120 h

Fermgen
(600 SAPU/kg RF)

Amigase Mega L
(0,035% w/w)

Chưng cất

Bã
Cồn
Chu-Ky và cs (2016)
Hình 1.4 Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô
cao
CK: chất khô, RF: bột gạo

Đối với các nghiên cứu trong nước, Chu-Ky và cs (2016) nghiên cứu cơng nghệ
tích hợp không gia nhiệt trên gạo nghiền nồng độ chất khô 311,5 g/L để sản xuất cồn
10

ở quy mơ phịng thí nghiệm và quy mơ pilot (25 L), quy trình được mơ tả trong Hình
1.4. Nhiệt độ thực hiện quá trình lên men là 30°C. Bột gạo được trộn đều trong nước
và thực hiện quy trình SLSF-VHG trong cùng một thiết bị. Nghiên cứu sử dụng hỗn
hợp enzym α-amylase và glucoamylase (Stargen 002 ở 992 GAU/kg nguyên liệu),
glucoamylase (Amigase Mega L ở 0.035% w/w), protease (Fermgen 600 SAPU/kg
nguyên liệu), nấm men khô S. cerevisiae (Red Ethanol 3.5 × 107 CFU/mL), KH2PO4
(4.8 mM), và urea (16.0 mM). Thực hiện khuấy trộn liên tục trong 24 h đầu lên men
với tốc độ khuấy 50 vịng/phút. Q trình SLSF-VHG kết thúc sau 120 h, dịch lên
men được đem chưng cất thu hồi cồn và phụ phẩm. Kết quả lên men của quy trình
này đạt nồng độ cồn 17,6% v/v, hiệu suất lên men 86,3% trên tổng sản lượng cồn
theo lý thuyết. Mơ hình pilot (25 L) đạt được nồng độ cồn 17,0% v/v và hiệu suất lên
men 83,2% [8]. Nghiên cứu này có một số hạn chế là chưa đề cập đến cơ chế và động
học thủy phân hạt tinh bột ở nồng độ chất khô cao, chưa khảo sát ảnh hưởng nồng độ
cơ chất lên quá trình thủy phân và lên men, hiệu suất quá trình lên men chưa cao (tinh
bột sót nhiều, ảnh hưởng nồng độ cồn lên hoạt động của nấm men), thời gian kết thúc
quá trình lên men dài, chưa tối ưu hóa quy trình sản xuất cồn (enzym, nấm men, thời
gian, nồng độ cơ chất). Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu này cho thấy triển vọng khả
thi để phát triển công nghệ SLSF-VHG để sản xuất cồn từ gạo. Nghiên cứu này cũng
là cơ sở để luận án tiếp tục nghiên cứu góp phần hồn thiện quy trình cơng nghệ, giải
thích cơ sở khoa học và mở rộng quy mô sản xuất, tiến tới áp dụng quy trình này trên
nguyên liệu gạo tại Việt Nam.
Tóm lại, tuy cịn chưa được nghiên cứu nhiều nhưng cơng nghệ này lại có những
ưu điểm và có tiềm năng để ứng dụng trong sản xuất cồn. Đầu tiên là độ nhớt của
dịch lên men thấp, đường khử được phân giải ra từ từ, nấm men sử dụng ngay nên
giảm ảnh hưởng của áp suất thẩm thấu đối với nấm men. Cơng nghệ này tích hợp
được các ưu điểm nổi bật của cả 2 quy trình: (i) nồng độ chất khô ban đầu cao (>300
g/L) nên nồng độ cồn thu được cao hơn đáng kể so với quy trình truyền thống (>17%
v/v), nhờ đó làm giảm nguy cơ nhiễm tạp vi sinh vật, đồng thời làm tăng hiệu quả sử

dụng thiết bị. Ngoài ra, với việc thực hiện quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men
trong cùng một thiết bị, giúp làm giảm số lượng thiết bị cần sử dụng, qua đó làm giảm
chi phí đầu tư ban đầu; (ii) nâng cao năng suất của nhà máy mà khơng cần đầu tư bổ
sung thiết bị (giảm chi phí đầu tư); (iii) nâng cao hiệu quả sản xuất của nhà máy và
giảm chi phí cho 1 lít cồn thành phẩm; (iv) giảm chi phí năng lượng (sử dụng ít nước,
giảm năng lượng cho chưng cất, giảm chi phí vệ sinh và thời gian sản xuất; (v) giảm
chi phí xử lý nước thải; (vi) có thể sản xuất thực phẩm từ phụ phẩm của nhà máy cồn
với chất lượng cao và tận thu lượng lớn protein từ nấm men.
Nguyên liệu sản xuất cồn
Nguồn cơ chất trong sản xuất cồn
1.2.1.1 Cơ chất chứa đường
Các nguồn nguyên liệu chính để sản xuất cồn là nguyên liệu chứa đường, chứa
tinh bột và nguyên liệu chứa cellulose. Theo Hoang và Nghiem (2021), trên thế giới
60% cồn được sản xuất từ ngơ, 25% đường mía, 3% từ lúa mì, 2% từ rỉ đường, và
một số hạt, củ khác [10]. Mía là nguyên liệu chứa đường phổ biến nhất để sản xuất
cồn, tổng sản lượng cồn từ đường mía chiếm 34% sản lượng cồn thế giới. Trong đó

11


Braxin là quốc gia sản xuất cồn từ đường mía lớn nhất thế giới [50]. Củ cải đường
được sử dụng nhiều để sản xuất cồn ở Châu Âu, đặc biệt là ở Pháp [51]. Rỉ đường
cũng là nguồn nguyên liệu sản xuất cồn, tuy nhiên chi phí sản xuất từ rỉ đường cao
do phải làm sạch nguyên liệu trước khi sản xuất. Tại Việt Nam, nguồn nguyên liệu
chứa đường chủ yếu là mía và rỉ đường, sản lượng mía năm 2021 khoảng 10,74 triệu
tấn [15]. Do nhu cầu sử dụng mía làm đường và mật rỉ dùng để lên men sản xuất mì
chính, nấm men… nên cồn sản xuất từ nguyên liệu này ở nước ta không cao.
1.2.1.2 Cơ chất chứa tinh bột
Tinh bột là nguồn nguyên liệu phổ biến dùng trong sản xuất cồn. Ở Mỹ, ngô là
nguyên liệu chính để sản xuất cồn và sản lượng cồn từ ngô hàng năm chiếm 44% sản

lượng cồn thế giới [52]. Bột khoai tây cũng là nguyên liệu được nghiên cứu ứng dụng
trong lên men sản xuất cồn [23,53]. Một số nghiên cứu sử dụng nguyên liệu là khoai
lang [6,25]. Sắn cũng là nguyên liệu chứa tinh bột có tiềm năng lớn đển sản xuất cồn
với nhiều nghiên cứu ứng dụng [40,54–59]. Nguyên liệu chứa tinh bột là gạo cũng
được quan tâm để sản xuất cồn [5,8,60,61]. Và một số loại nguyên liệu chứa tinh bột
khác cũng được ứng dụng để tạo sản phẩm cồn như lúa miến, cao lương...
Ở Việt Nam, gạo được sử dụng trong bữa ăn chính hàng ngày và là sản phẩm
nơng nghiệp chủ lực có sản lượng sản xuất lớn. Hàng năm sản lượng của gạo đáp ứng
đủ nhu cầu tiêu dùng trong nước và phục vụ cho xuất khẩu. Đây cũng là nguyên liệu
có chứa hàm lượng tinh bột cao, đang được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cồn thực
phẩm ở quy mô công nghiệp và sản xuất rượu quy mơ hộ gia đình tại Việt Nam.
1.2.1.3 Cơ chất chứa cellulose và sinh khối tảo
Cồn cũng có thể được sản xuất từ nguyên liệu chứa cellulose, thường được gọi
là cồn sinh học thế hệ thứ hai bao gồm cỏ, gỗ và các phụ phẩm nơng nghiệp. Tuy
nhiên, do hiệu suất cịn thấp, cơng nghệ phức tạp, thời gian chuyển hóa thành cồn dài
nên việc ứng dụng nguyên liệu chứa cellulose để sản xuất cồn cịn hạn chế và chưa
có ứng dụng rộng rãi ở quy mô công nghiệp [62]. Sử dụng tảo làm nguyên liệu sản
xuất cồn sinh học có lợi thế vì tảo có thể hấp thụ nhanh chóng CO2, tích tụ nồng độ
chất béo và carbohydrate cao, dễ trồng trọt và cần ít đất hơn so với thực vật trên cạn
[63]. Giống như cồn sinh học thế hệ thứ hai, sản xuất cồn sinh học thế hệ thứ ba cũng
đang trong giai đoạn nghiên cứu cơng nghệ và quy trình nên trong tương lai cơng
nghệ này mới có thể ứng dụng rộng rãi.
Nguyên liệu gạo trong sản xuất cồn
1.2.2.1 Tình hình sản xuất và sử dụng gạo trong sản xuất cồn
Thống kê của tổ chức lương thực thế giới (FAO) cho thấy, có 114 nước trồng
lúa, trong đó có 18 nước có diện tích trồng lúa trên 1.000.000 ha tập trung chủ yếu ở
Châu Á với sản lượng khoảng 90%. Năm 2021 sản lượng gạo thế giới là 514 triệu
tấn, dự kiến năm 2022 sản lượng gạo thế giới là 519,1 triệu tấn [4]. Việt Nam là quốc
gia sản xuất và xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới. Sản lượng lúa Việt Nam năm 2021
đạt trên 43,85 triệu tấn [15] (tương đương 27,9 triệu tấn gạo) và là nước sản xuất lúa

thứ 5 thế giới [4]. Năm 2021, gạo xuất khẩu của Việt Nam xếp thứ 3 thế giới với sản
lượng khoảng 7 triệu tấn [4].

12