Nghiên cứu sử dụng Enzyme cho công đoạn đường hóa tinh bột trong công nghệ sản xuất cồn

1























BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC




NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ENZYME CHO CÔNG
ĐOẠN ĐƯỜNG HÓA TINH BỘT TRONG CÔNG
NGHỆ SẢN XUẤT CỒN





Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Hiếu
MSSV: 46134014
GVHD: Trần Thị Luyến


2

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………… 1
LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………… 2
CHƯƠNG I…………………………………………………………………

4
TỔNG QUAN……………………………………………………………… 4
1.1 Sơ lược về tình hình sản xuất và nhu cầu sử dụng cồn ở nước ta v

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

Chương II…………………………………………………………………….

35
ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……… 35
2.1 Vật liệu nghiên cứu…………………………………………………… 36
2.2 Nội dung nghiên cứu……………………………………………………. 37
2.2.1 Nghiên cứu các thông số tối ưu cho enzyme termamyl……………

37
2.2.2 Nghiên cứu các thông số tối ưu cho enzyme fungamyl……………

37
3
2.3 Phương pháp nghiên cứu……………………………………………… 37
2.3.1 Xác định các thông số cần nghiên cứu……………………………….

37
2.3.2. Xác định miền thí nghiệm…………………………………………

37
2.3.3 Bố trí thí nghiệm tổng quát………………………………………… 38
2.3.4 Bố trí thí nghiệm thủy phân tối ưu cho enzyme termamyl………… 40
2.3.5 Bố trí thí nghiệm thủy phân tối ưu cho enzyme fungamyl………… 41
2.3.6 Các phương pháp xác định………………………………………… 42
CHƯƠNG III………………………………………………………………

43
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN……………………………. 43
3.1 Tìm thông số tối ưu cho enzyme termamyl…………………………… 44
3.1.1 Kết quả 8 thí nghiệm biên và 3 thí nghiệm ở tâm……………………

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.

- Cô hướng dẫn: Gs – Ts. Trần Thị Luyến.
- Thầy cô quản lý phòng thí nghiệm bộ môn Công nghệ Thực phẩm.
- Cán bộ, nhân viên nhà máy bia Việt Đức.
- Gia đình.
Cảm ơn tất cả các bạn lớp 46tp-1 đã động viên, giúp đỡ và đóng góp ý kiến
giúp tôi học tâp trong thời gian qua.
Xin chân thành cảm ơn.
Nha trang, ngày 21 tháng 11 năm 2008
Sinh viên thực hiện


Nguyễn Thị Hiếu










5
LỜI NÓI ĐẦU.
Từ xa xưa loài người đã biết sản xuất ra rượu etylic làm đồ uống. Ngày
nay nghề làm rượu – cồn còn đang phát triển và chiếm tỉ lệ khá lớn trong
ngành kinh tế quốc dân. Ngoài công dụng làm đồ uống, rượu – cồn etylic còn
có khả năng làm nguyên liệu cho một số ngành kinh tế quan trọng: làm dung
môi hữu cơ, nhiên liệu, dụng trong y tế, trong mĩ phẩm pha nước hoa, trong
dược để trích ly các hoạt chất sinh học, sản xuất giấm ăn, các loại ester có mùi

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.

Nha Trang, ngày 21 tháng 11 năm 2008
Sinh viên thực hiện.


Nguyễn Thị Hiếu.














7




CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN.

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

1943 5,774 5,125 2,680 13,597
1944 0,850 3,386 0,326 4,162

Sau ngày hòa bình lặp lại (1955 ) các nhà máy không còn thiết bị nguyên
vẹn nên chính phủ ta tập trung cải tạo, sửa chữa thành nhà máy rượu Hà Nội
với năng xuất 6 triệu lit/năm.
Đến năm 1960 chúng ta có thêm hai nhà máy sản xuất cồn từ rỉ đường là Việt
Trì – Phú Thọ và Sông Lam – Nghệ An. Năng xuất mỗi nhà máy là 1 triệu lit
cồn/năm. Trong những năm kháng chiến chống Mĩ cứu nước các tỉnh và địa
phương cũng xây dựng thêm hàng loạt nhà máy sản xuất rượu năng xuất 100.000
9
lit cồn/năm như: Lục Ngạn – Bắc Giang, Hưng Nhân – Thái Bình. Ngoài ra ở hầu
hết các tỉnh đều có xây dựng phân xưởng cồn cỡ nhỏ 100.000 lit cồn/năm như:
Quảng Bình, Sông Con Nghệ An, Bá Thước và Hàm Rồng Thanh Hóa.
Sau 1975, chúng ta tiếp quản và xây dựng thêm các nhà máy sản xuất cồn
từ rỉ đường và một số cơ sở tư nhân khác. Thời điểm1980 – 1985 tổng lượng
sản xuất cồn hàng năm là trên 30 triệu lit. Có thể nói, thời gian này lượng cồn
trên cả nước là lớn nhất, vừa xuất khẩu vừa tiêu thụ trong nước.
Năm 1986 – 1987, do đổi mới cơ chế quản lý, nhiều xí nghiệp làm ăn thua
lỗ, sản phẩm làm ra tiêu thụ chậm nên hàng loạt cơ sở sản xuất cồn bị xóa sổ.
Tuy vậy, thì cồn của chúng ta làm ra nói chung chưa đạt TCVN – 71 về cồn
rượu, nhưng bản thân TCVN – 71 về cồn rượu cũng thuộc loại thấp so với các
nước tiên tiến trên thế giới. Hiện tại trên lãnh thổ Việt Nam chỉ có 3 cơ sở làm
ra được cồn loại I thỏa mãn TCVN – 71. Đó là công ty rượu Đồng Xuân Phú
Thọ, công ty rượu Hà Nội và Bình Tây, tỉ lệ đạt cồn loại I cũng còn chưa
nhiều. Muốn có cồn tinh khiết chất lượng cao cần phải có hệ thống chưng
luyện tốt và biết cách sử dụng nó.
Trước tình hình đó, trong hội thảo “ Dự án chiến lược phát triển khoa học
công nghệ ngành rượu bia nước giải khát”, theo đề nghị của chuyên gia đến
năm 2005 nước ta nên có khoảng 180 đến 200 triệu lit rượu các loại, tương

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”.

Ông Cường cũng cho biết thêm: mỗi năm chúng ta phải nhập khẩu
khoảng 13 triệu tấn xăng dầu, trong đó khoảng 3 triệu tấn xăng. Tính ra sẽ cần
khoảng 150 - 300.000 tấn cồn ethanol. Vấn đề là cồn ở đâu ra để pha chế?
Chúng ta không thể nhập xăng rồi lại nhập cả cồn được. Vì thế, vì thế tỉ lệ pha
cồn cũng phải cân nhắc lợi ích giữa các bên. Đồng thời việc phát triển nhiên
liệu sinh học này sẽ tạo ra nguồn đầu ra lớn cho ngành nông – lâm nghiệp, tạo
thêm việc làm cho người nông dân. Và tới đây không những chỉ ứng dụng sản
11
xuất cồn từ mía, sắn mà sẽ tận dụng bã mía, phế thải của gỗ…Theo đề án đến
năm 2010 sẽ phát triển các mô hình sản xuất thử nghiệm và sử dụng nguyên
liệu cồn ở quy mô 100.000 tấn xăng E
5
và 50.000 tấn xăng B
5
. Nghĩa là chúng
ta cần 5 tấn cồn ethanol. Như tình hình hiện nay thì ngay cuối năm nay (2008)
và năm 2009, chúng ta sẽ đạt và vượt mục tiêu đó.
Như vậy, trong tương lai không xa với khả năng dùng làm nhiên liệu
(chất đốt) của cồn tuyệt đối hứa hẹn cho một ngành sản xuất nhiên liệu thích
hợp và nguyên liệu với nhiên liệu tái sinh – một viễn cảnh sáng sủa và rộng
lớn. Mai đây các mỏ dầu và khí đốt trong lòng đất cạn kiệt thì cồn tuyệt đối có
lẽ là một loại nhiên liệu thích hợp và nguyên liệu để sản xuất ra cồn có lẽ
không bao giờ hết. Hiện nay nhiều hãng ô tô đã thử nghiệm thành công các
mẫu động cơ chạy bằng hỗn hợp cồn – xăng. Còn đối với ngành Công nghệ
sinh học nói chung cũng như ngành Công nghệ lên men sẽ cố gắng sản xuất ra
các loại cồn thích hợp và giá rẻ có thể cạnh tranh được với xăng dầu, khí đốt.
1.1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng cồn rượu trên thế giới.
Hầu hết các nước trên thế giới đều dùng cồn để pha chế rượu và cho
các nhu cầu khác nhau như: y tế, nhiên liệu và nguyên liệu cho các ngành
công nghiệp khác. Tùy theo tình hình phát triển ở mỗi nước, tỉ lệ cồn dùng

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

6 Bỉ 6.000 -
7 Achentina 120.000 3,3
8 Đan Mạch 13.000 3,9
9 Braxin 246.000 0,3
10

Nhật Bản 27.000 6,3
11

Canada 108.000 3,6
12

Phần Lan 17.000 6,0
13

Liên Xô(cũ) 1323.000 0,1
14

Ấn Độ 50.000 -
15

Ba Lan(cũ) 190.000 -
16

Tiệp Khắc(cũ) 17.000 -
17

CHDC Đức(cũ) 40.000 -
18

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


Stt


Lĩnh vực
sử dụng cồn
10
3
tấn

% 10
3
tấn % 10

3
tấn %
1 Làm dung môi 64,9 4,5 64,3 11,7

89,0 12,8
2 Nhiên liệu - - 1,5 0,3 1,2 0,2
3 Các dạng khác 137,8 9,8 31,4 5,9 53,2 7,6
4 Nước hoa 11,2 0,8 16,5 3,2 28,4 4,0
5 Y tế 28,9 2,0 31,2 5,8 6,6 0,9
6 Dược 3,0 0,2 10,0 1,9 12,0 1,7
7 Axit axetic 16,1 1,2 21,3 4,0 9,0 1,3
8 Aldehyt axetic 178,5 12,0 260,5 48,8

378,0 54,2
9 Etyl axetat 31,5 2,3 18,6 3,5 20,0 2,9
10

Etyl clorua 42,9 3,0 13,8 2,6 12,0 1,7
11

Các hóa chất khác 42,8 3,0 35,6 6,8 57,1 8,2
12

Cao su tổng hợp 854,7 58,9 11,6 2,2 - -
13

Tổng cộng 1435,0

100 543,1 10 697,6 100

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

Bia
Pháp 17,04 0,82 15,32 0,9
Italia 15,09 0,64 14,34 0,11
Anh 4,11 0,80 0,30 2,,97
CHLB Đức(cũ)

3,24 0,94 1,45 0,85
Bỉ 4,99 0,56 0,23 4,20
Bắc Ailen 3,09 0,42 0,24 2,43
Đan Mạch 2,81 0,46 0,41 1,94
Áo 4,84 0,47 1,08 3,25
Thụy Sĩ 2,58 1,96 0,31 0,31
Mĩ 3,99 1,62 0,58 1,79

Riêng rượu mạnh năm 1961 sản lượng ở một số nước được ghi trong bảng (1.5).
Bảng 1.5. Sản lượng rượu mạnh ở một số nước.
Tên nước. Sản lượng, triệu lit.

Tên nước. Sản lượng, triệu lit.

Bungari 26,130 Pháp 154,340
Nam Tư 3,740 Italia 13,900
CHDC Đức(cũ)

70.000 Áo 32,000
Tiệp Khắc(cũ) 32,120 Bỉ 23,060
Liên Xô(cũ) 1456,880 Phần Lan 14,060
Mĩ 770,000

Trong tình hình xăng dầu hiện nay trên thế giới có thể thấy rằng, nhiên liệu

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

4


d
d

- Nhiệt độ nóng chảy: -114,3
0
C
- Nhiệt độ sôi: 78,5
0
C.
- Nhiệt độ bốc cháy: 12
0
C.
- Nhiệt lượng cháy: 26665 KJ/kg.
- Nhiệt lượng bay hơi ở 20
0
C: 910.
- Nhiệt lượng nóng chảy: 4,94 KJ/mol.
- Độ nhớt ở 0
0
C: 1,78 cP.
- Độ nhớt ở 20
0
C: 1,19 cP.
16
Ethanol rất hút nước từ độ ẩm không khí cũng như từ các tổ chức (mô)
động vật, thực vật, đặc biệt từ tế bào vi sinh vật. Do vậy, nó có tinh sát khuẩn,
vì khi cồn hút một lượng lớn nước từ tế bào sẽ có thể làm vỡ hoặc biến dạng

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

loại nguyên liệu này hiện nay ở nước ta chưa có cơ sở sản xuất nào sử dụng
để sản xuất lên men rượu.
Trong phạm vi của đề tài tôi chỉ đề cặp đến loại nguyên liệu từ củ để
sản xuất cồn. Đó là củ sắn (khoai mì).
1.3.1. Tổng quan về sắn (khoai mì).

- Tên khoa học: Manihot esculenta crantz.
- Tên khác: khoai mì, cassava, taioca, yucca, madioca, manioc, manioc,
singkong, ubi kayu, aipim, macaxeri, kappa, maracheeni
Sắn là loại cây ăn củ hàng năm, có thể sống lâu năm thuộc họ thầu dầu
Euphorbiaceae.
Cây sắn cao 2 – 3 m, đường kính tán 50 – 100 cm, lá khía thành nhiều thùy,
có thể làm thức ăn cho gia súc. Rễ ngang phát triển thành củ và tích lũy tinh bột.
Củ sắn dài 20 – 25 cm, khi luộc chín có mầu trắng đục, hàm lượng tinh
bột cao. Sắn luộc chín có vị dẻo, thơm đặc trưng.
Sắn có thời gian sinh trưởng thay đổi từ 6 – 12 tháng, có nơi 18 tháng,
tùy thuộc vào giống, vụ trồng, địa bàn trồng và mục đích sử dụng.
18
1.3.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn trên thế giới và Việt Nam.

Sản xuất và tiêu thụ sắn trên thế giới.
Sản lượng sắn thế giới năm 2006/2007 đạt 226,34 triệu tấn củ tươi so với
năm 2005/2006 là 221,26 triệu tấn và năm1961 là 71,26 triệu tấn. Nước có
sản lượng sắn cao nhất trên thế giới là Nigeria (45,72 triệu tấn), kế đến là Thái
Lan (22,58 triệu tấn) và Indonesia (19,92 triệu tấn). Việt Nam đứng thứ 10 về
sản lượng sắn (7,71 triệu tấn). Nước có năng xuất sắn cao nhất hiện nay là Ấn
Độ (31,43 tấn/ha) kế đến là Thái Lan (21,09 tấn/ha), so với năng xuất bình
quân thế giới là 21,16 tấn/ha (FAO, 2008).

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

đó tinh bột sắn và bột sắn chiếm 3,5 triệu tấn, sắn lát và sắn viên 3,4 triệu tấn.
Trung Quốc hiện là nước nhập khẩu sắn nhiều nhất thế giới để làm cồn
sinh học (bio ethanol), tinh bột biến tính (modify starch), thức ăn gia súc và
dùng trong công nghiệp thực phẩm dược liệu. Năm 2006 Trung Quốc đã nhập
khẩu 1,15 triệu tấn tinh bột , bột sắn và 3,40 triệu sắn lát, sắn viên.
Thái Lan chiếm trên 85% lượng xuất khẩu sắn toàn cầu, kế đến là
Indonesia và Việt Nam. Thị trường xuất khẩu chủ yếu của Thái Lan là Trung
Quốc, Đài Loan, Nhật Bản và cộng đồng châu Âu với tỉ trọng xuất khẩu sắn
khoảng 40% bột và tinh bột sắn, 25% sắn lát và sắn lát và sắn viên (TTTA,
2006; FAO, 2007).
Năm 2006 được coi là năm có giá sắn cao đối với cả bột, tinh bột và
sắn lát, việc xuất khẩu sắn làm thức ăn gia súc sang các nước cộng đồng châu
20
Âu hiện đã giảm sút nhưng giá sắn năm 2006 vẫn được duy trì ở mức cao do
có thị trường lớn tại Trung Quốc, Nhật Bản (FAO, 2007).

Viện nghiên cứu chính sách lương thực thế giới (IFPRI) đã tính toán
nhiều mặt và dự báo tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn toàn cầu đến năm 2020.
Năm 2020 sản lượng sắn toàn cầu ước đạt 275,10 triệu tấn, trong đó sản xuất
sắn chủ yếu ở các nước đang phát triển là 247,7 triệu tấn, các nước đã phát
triển khoảng 0,40 triệu tấn. Mức tiêu thụ sắn ở các nước đang phát triển được
dự báo đạt 254,60 triệu tấn so với các nước đã phát triển là 20,5 triệu tấn.
Khối lượng sản phẩm sắn toàn cầu sử dụng làm lương thực, thực phẩm dự báo
nhu cầu là 176,3 triệu tấn và thức ăn gia súc là 53,4 triệu tấn. Tốc độ tăng
hàng năm của nhu cầu sử dụng sắn làm lương thực, thực phẩm và thức ăn gia
súc đạt tương ứng là 1,98% và 0.95%.
Cây sắn tiếp tục giữ vai trò quan trọng trong nhiều nước châu Á, đặc
biệt là các nước vùng Đông Nam Á – nơi cây sắn có tổng diện tích đứng thứ 3
sau lúa và ngô và tổng sản lượng đứng thứ 3 sau lúa, mía. Chiều hướng sản
xuất sắn phụ thuộc vào khả năng cạnh tranh cây trồng. Giải pháp chính là tăng

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

suất củ tươi và hàm lượng tinh bột cao, xây dựng và hoàn thiện quy trình kĩ
thuật canh tác sắn bền vững và thích hợp vùng sinh thái.
Cấu tạo và thành phần hóa học của sắn.
a – Cấu tạo.

Củ sắn là loại củ chứa nhiều tinhh bột. Củ sắn gồm 3 phần chính: vỏ, thịt
củ và lõi.


23
 Vỏ: gồm vỏ gỗ và vỏ cùi.
- Vỏ gỗ: cấu tạo chủ yếu là xenlulose, có tác dụng bảo vệ củ khỏi tác động
bên ngoài, đồng thời hạn chế mất nước của củ. Vỏ gỗ liên kết không bền với
vỏ cùi, do đó dễ mất khi thu hoạch và vận chuyển. Tỉ lệ vỏ gỗ phụ thuộc vào
giống sắn, độ già và khối lượng củ, thường vào khoảng 1,5 – 2% củ.
- Vỏ cùi: dày từ 1 – 3mm, chiếm 8 – 15% khối lượng củ. Vỏ cùi gồm lớp tế
bào mô cứng phủ ngoài. Thành phần lớp này cũng chủ yếu là xenlulose, hầu
như không chứa tinh bột nhưng chứa nhiều dịch bào(mủ sắn). Trong thành
phần dịch bào có chứa các polyphenol. Tiếp theo là lớp tế bào mô mềm, lớp
này ngoài dịch bào còn chứa 5% tinh bột. Các polphenol, enzyme và
linamarin có tác dụng bảo vệ củ phát triển bình thường trước thu hoạch,
nhưng khi đã đào bới củ khỏi mặt đất chúng lại gây trở ngại cho bảo quản và
chế biến. Tổng lượng các chất polyphenol trong sắn khoảng 0,1 – 0,3%, trong
đó 85 – 95% tập trung ở vỏ cùi. Sau vỏ cùi là khe mủ - nơi lưu thông giữa vỏ
cùi và thịt củ. Do tác dụng này nên liên kết giữa vỏ với thịt sắn không bền, dễ
tách vỏ khỏi thịt sắn.
 Thịt củ: gồm có thịt sắn được bao bên ngoài bởi tầng sinh gỗ.
- Tầng sinh gỗ: đối với củ phát triển bình thường thì lớp này chỉ nhìn thấy rõ
sau khi luộc chín.

- 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

O
6
) có phân tử lượng M = 247,2, kết tinh trong etyl
axetat, nhiệt độ nóng chảy 143 – 144
0
C.
25
- Lotaustralin(C
11
H
19
O
6
), có phân tử lượng M = 261,2 , nhiệt độ nóng chảy
123,5 – 124,5
0
C.
Bình thường phazeolunatin không độc nhưng khi bị thủy phân thì các
glucozit này sẽ giải phóng HCN.
- Hàm lượng HCN trong củ sắn tươi nhỏ hơn 50mg/kg chưa gây độc hại
cho người, từ 50 – 100 mg/kg, người sẽ bị ngộ độc và trên 100mg/kg thì
người ăn sẽ bị tử vong (tùy ăn nhiều hay ăn ít). Để tránh bị ngộ độc sắn trước
khi luộc cần ngâm và bóc vỏ cùi.
- Sắn tươi đã thái lát và phơi khô sẽ giảm đáng kể hàm lượng glucozit gây
độc ở trên. Trong sản xuất rượu cồn khi nấu lâu ở nhiệt độ cao đã đã pha
loãng nước nên với hàm lượng ít chưa ảnh hưởng đến nấm men. Hơn nữa các
muối xyanat khi chưng cất không bay hơi nên bị loại cùng bã rượu.
- Sắn dùng trong sản xuất rượu chủ yếu là sắn lát khô hoặc sắn dui,
thường dùng sắn khô, nhằm dễ bảo quản, chủ động được nguồn nguyên liệu
và giảm đáng kể hàm lượng chất độc trong sắn.

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