Phân tích các điều kiện ảnh hưởng tới quá trình lên men và tối ưu hóa hiếu suất lên men

Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tun
TỐI ƯU HĨA HIỆU SUẤT LÊN MEN 1

CƠNG TY CỔ PHẦN MÍA ĐƯỜNG LAM SƠN
NHÀ MÁY CỒN SỐ 2

Bài thu hoạch:
PHÂN TÍCH CÁC ĐIỀU KIỆN ẢNH HƯỞNG TỚI Q TRÌNH
LÊN MEN VÀ TỐI ƯU HĨA HIẾU SUẤT LÊN MEN

Người thực hiện: KS Nguyễn Mạnh Tun

I. Mở đầu
Trong cơng nghệ sản xuất cồn, phân xưởng lên men được coi là trái tim của nhà
máy. Hiệu suất của q trình lên men quyết định trực tiếp tới hiệu quả kinh tế của tồn
nhà máy. Chình vì thế việc tối ưu hóa hiệu suất lên men có thể nói là vấn đề sống còn
đối với các nhà máy cồn. Ở Việt Nam, ngun liệu để sản xuất cồn chủ yếu là sắn lát
và mật rỉ. Hình 1 dưới đây là sơ đồ khối cơ bản của cơng nghệ sản xuất cồn từ hai loại
ngun liệu này
Hiệu suất của q trình lên men là chỉ tiêu được sử dụng để đánh giá hiệu quả
làm việc của các cơng đoạn thuộc phân xưởng lên men. Đó là tồn bộ lượng cồn nhận
được trong sản xuất từ lượng ngun liệu xác định (thường tính theo 100kg đường
hoặc tinh bột) chia cho lượng cồn nhận được theo phương trình lý thuyết và biểu thò
theo %.
Lượng cồn nhận được theo lý thuyết tính theo phương trình Gaylussac:
C
6
H
12
O
6

2C
2
H
5
OH + 2 CO
2
180,1 92,1 88
Từ phương trình này suy ra, cứ 100 kg đường đơn giản ( glucose, fructose, …)
khi lên men sẽ cho ta 51,14 kg cồn etylic và 48,66 kg CO
2
. Đem chia cho khối
lượng riêng của cồn ở 20
0
C, d = 0,78927, ta có :
51,14/ 0,78927 = 64,794 l 100%
Nếu tính cho 100kg đường đôi ( maltose, saccharose) thì cần nhân với hệ số
1,0526, với tinh bột thì nhân 1,11104. kết quả có thể xem trong bảng sau:



Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tun
TỐI ƯU HĨA HIỆU SUẤT LÊN MEN 2


Nguồn glucid
Lượng cồn thu được từ 100kg
Theo lít
Theo kg
Tinh bột
Đường đôi

Đường đơn
71,998
68,20
64,794
56,818
53,83
51,14

Hình 1: Sơ đồ cơng nghệ sản xuất cồn
Ngun liệu

Gluco
Amilaza

amylas
e của
nấm
mốc
Cồn tinh
luyện
Tinh bột
Xử lý ngun liệu
Q trình dịch hóa
Đường hóa
Lên men rượu
Chưng cất
Tinh chế
Mật rỉ
Nấm
men

Chuẩn bị dịch lên men
Lên men rượu
Tinh chế
O
2

Chưng cất
Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tun
TỐI ƯU HĨA HIỆU SUẤT LÊN MEN 3

Thực tế lượng cồn thu được luôn ít hơn so với lý thuyết. Tùy theo nguyên
liệu cũng như sơ đồ công nghệ, hiệu suất thực tế có thể rất khác nhau, từ 75- 93%.
Với sự phát triển của khoa học và công nghệ, hiệu thực tế ngày càng tiệm cận với
lý thuyết nhưng không bao giờ đạt tới 100%
Ví dụ: Sau 1 ca đưa vào sản xuất 10 tấn nguyên liệu có hàm lượng tinh bột
trung bình 65%. Lượng giấm thu được tương ứng 48 m
3
với nồng độ cồn 8,8% V.
Hiệu suất sau lên men là :
  

 
Sở dĩ hiệu suất thu hồi cồn thực tế ln khơng đạt được tới hiệu suất thu hồi cồn
lý thuyết vì có các tổn thất sau:
1- Tổn thất do nghiền, vận chuyển nội bộ 0,2 đến 0,3%;
2- Tổn thất do nấu, đường hóa và lên men 6 đến 12% ( tinh bột sót, đường sót,
tạo men)
3- Tổn thất không xác đònh, đổ ra ngoài, đọng lại ở thiết bò, đường ống và bay
theo CO
2

từ 1 đến 2%
Ta thấy rằng tổn thất do nghiền, vận chuyển nội bộ, do cồn bay theo CO
2
và các
tổn thất khơng xác định là nhỏ và khó tránh khỏi. Tổn thất chủ yếu dẫn tới giảm hiệu
suất lên men nằm ở q trình đường hóa và lên men. Trong phạm vi bài viết này chủ
yếu đưa ra các biện pháp tối ưu hóa q trình đường hóa và lên men
II. Tối ưu hóa q trình lên men
1. Tối ưu hóa q trình đường hóa
Với nguồn ngun liệu là mật rỉ thì cơng nghệ sản xuất cồn khơng có q trình
đường hóa do thành phần mật rỉ hầu hết là các đường có thể lên men được. Ta chỉ xét
tới q trình đường hóa cho cơng nghệ sản xuất cồn từ tinh bột. Sản phẩm của q
trình đường hóa là ngun đã liệu cho q trình lên men. Mặt khác q trình đường
hóa xảy ra trong một thời gian ngắn, tinh bột khơng hồn tồn bị thủy phân, mà q
trình thủy phân tinh bột còn tiếp tục cho đến khi kết thúc q trình lên men. Chình vì
thế mà muốn tối ưu hóa q trình lên men thì trước hết phải tối ưu q trình đường
hóa.
a/ Tối ưu hóa ảnh hưởng của phức hệ enzim amilaza
Amilose và Amilopectin là hai thành phần chính của nguyên liệu tinh bột,
sau khi nấu, chúng được giải phóng ra và ở trạng thái hòa tan. Dưới tác dụng của
phức hệ men Amylase, trong những điều kiện thích hợp, Amilose và Amilopectin bò
Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tun
TỐI ƯU HĨA HIỆU SUẤT LÊN MEN 4

phân cắt, tạo thành những sản phẩm trung gian khác nhau (còn gọi chung là
Dextrin) và các sản phẩm cuối cùng là Maltose và Glucose.
Sản phẩm trung gian và cuối cùng được tạo ra phụ thuộc và cấu trúc của
mạch Amilose và Amilopectin và vào phức hệ men Amylase sử dụng. Trong cơng
nghệ sản xuất cồn từ sắn thì cấu trúc mạch Amilose và Amilopectin của mỗi loại sắn
và thậm chí là mỗi vùng trồng sắn là khác nhau. Phức hệ enzim amilaza tối ưu vì thế

mà khơng có một định lượng cụ thể. Để có được định lượng phức hệ enzim amilaza tối
ưu ta phải qua q trình nghiên cứu và điều chỉnh trong sản xuất thực tiễn. Dưới đây là
các hợp phần định danh và định lượng của một hệ enzim amilaza thơng thường cho
ngun liệu sắn:
o Super star/ Termosacc: 2 ÷ 4 pao/ 1000 galon dịch.
o Lactoside : 1 ÷ 3 ppm.
o Alcoholaza II L400: 0,06% khối lượng bột đầu vào
o Thermosaoc
o Rhyzozim: 0,03 ÷ 0,04 % so với khối lượng bột đầu vào.
Bốn loại enzim gồm Super star/Termosacc, Alcoholaza II L400, Thermosaoc,
Lactoside, chính là các hợp phần của enzim Gluco Amilaza. Ta có thể lý giải việc
dùng hệ enzim Gluco Amilaza mà khơng phải α – Amilaza như sau:
Trong cơng nghệ sản xuất cồn từ tinh bột, ngun liệu cho q trình sản xuất
cồn chính là sản phẩm của q trình đường hóa. Thơng thường hợp phần chính của
chúng là các dạng đường C
5
, C
6
, C
7
. Chúng được phân loại theo bảng dưới đây:
C5
C6
C7
C
5
H
10
O
5

C
6
H
12
O
7

C
7
H
14
O
7
Pentoza
Hexoza
D-Sedo
D-Lyboza
D-Glucoza


D-Fructoza


D-Galactoza


D-Maltoza


Trong số các dạng đường C

5
, C
6
, C
7
thì hàm lượng C
6
là chủ yếu. Và hiệu suất
chuyển hóa đường thành cồn của men đối với đường C
6
là lớn nhất. Đối với loại đường
C
6
khả năng chuyển hóa thành cồn của các hợp phần cũng có sự khác biệt rõ rệt. Dưới
đây là biểu đồ thể hiện khả năng chuyển hóa thành cồn của các hợp phần đường C
6
.
Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tuyên
TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT LÊN MEN 5


Hình 2: Biểu đổ thể hiện khả năng chuyển hóa thành cồn của các hợp phần C
6

(1): Maltoza
(2): Glucoza
(3): Matotrioza
(4): Maltotetraroza
(5): Fructoza
(6): Saccaroza

Nhìn vào biểu đồ ta thấy lượng đường sót C
6
còn lại chủ yếu là Matotrioza và
Maltotetraroza. Để tối ưu hóa quá trình lên men cần tối ưu hóa quá trình đường hóa
đối với nguyên liệu tinh bột. Hay nói cách khác phải làm sao để thu được lượng đường
C
6
lớn nhất mà trong đó phải hạn chế tối đa các hợp phần Matotrioza và
Maltotetraroza. Đồng thời phải hạn chế các sản phẩm khác C
6
.
Nếu duy trì được thời gian đường hóa tối ưu thì sản phẩm cuối cùng của nó là
đường Mal vaø Glucose. Khi ta sử dụng hệ enzim α – Amilaza thì sản phẩm cuối cùng
của quá trình đường hóa chủ yếu là đường Mal. Trái lại khi sử dụng hệ enzim Gluco
Amilaza thì sản phẩm ưu tiên là đường Glucose. Tóm lại dùng hệ emzim Gluco
Amilaza ta sẽ thu được tối đa lượng đường có thể lên men được
Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tun
TỐI ƯU HĨA HIỆU SUẤT LÊN MEN 6

Rhyzozim là Enzym có tác dụng chuyển xellulose thành đường từ đó cũng làm
tăng hàm lượng đường có thể len men được
b/ Tối ưu hóa ảnh hưởng của nhiệt độ
Đặc trưng của phản ứng thủy phân tinh bột bằng Amylase là diễn ra trong
phạm vi nhiệt độ tương đối hẹp, giới hạn là 35 - 63
o
C ( đây là khoảng nhiệt độ tối
thích của Enzym Amylase).
Nếu đường hóa ở nhiệt độ cao thì lượng Dextrin tạo ra sẽ nhiều trong khi đó
Maltose sinh ra ít, hiệu suất quá trình thủy phân bò giảm. Tác dụng của nhiệt độ lên
các Enzym không phải tức thời, các Enzym giữ được hoạt tính cao trong 1 thời gian

ngắn.
Đôi khi, trong quá trình làm nguội từ 105 - 109
o
C xuống nhiệt độ thấp hơn
(55 - 60
o
C) ta có thể thêm vào Enzym để tiến hành phân cắt sơ bộ, làm loãng khối
nấu, dễ đưa chúng vào máy làm nguôi.
Nếu đường hóa ở nhiệt độ khoảng 40 - 50
o
C thì thực ra không có lợi vì chúng
dễ nhiễm khuẩn mặc dù có thể tạo ra lượng đường khử lớn hơn.
Nhìn chung, nhiệt độ tối ưu khoảng 35 - 62
o
C.
c/ Tối ưu hóa ảnh hưởng của pH
Bản chất của men gần giống như bản chất của Protein, hầu hết Protein là
những hợp chất lưỡng tính. Các Enzym cũng có bản chất là Protein với các trung
tâm hoạt động.
Ion H
+
có thể tác dụng vào trung tâm hoạt động và các nhóm bên một cách
trực tiếp hay gián tiếp (nhóm bên là nhóm amin NH
2
hay nhóm carboxylic COOH).
Qua nghiên cứu hệ Enzym Amylase ta thấy pH tối thích là 4 ÷ 5, khi pH = 2
hay pH = 10 thì Enzym bò vô hoạt.
nh hưởng pH của Enzym phụ thuộc vào nhiệt độ và các yếu tố khác (nếu
nhiệt độ tăng thì pH

tăng hướng về phía kiềm)
Độ pH khối nấu phụ thuộc 2 yếu tố:
o Bản thân nguyên liệu nấu (tinh bột và nước)
o Các chất phụ trợ trong quá trình nấu (H
2
SO
4
, acid lactic…)
Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tun
TỐI ƯU HĨA HIỆU SUẤT LÊN MEN 7

Bởi vì các nguyên liệu trên có độ acid thường khoảng từ 0.2 ÷ 0.5
o
tương
đương pH của nguên liệu là 4.9 ÷ 5.6, pH này không thích hợp vì không bằng với
pH tối thích của enzym Amylase vì thế khi nấu nguyên liệu người ta hay cho thêm
vào acid vô cơ (H
2
SO
4
hay HCl) hay acid hữu cơ như acid Lactic được nuôi cấy
riêng, hay sử dụng bã rượu trong để nấu nguyên liệu.
Nhiều nghiên cứu cũng cho thấy rõ ràng rằng khi dùng acid Lactic để điều
chỉnh pH trong quá trình nấu và đường hóa đã nâng cao hiệu suất tổng thu hồi rượu
2 ÷ 3% so với dùng các acid vô vơ như HCl hay H
2
SO
4
.

Ngoài việc điều chỉnh pH
thích hợp acid Lactic còn là nguồân thức ăn cho nấm men sau này.
d/ Tối ưu hóa ảnh hưởng thời gian đường hóa
Chọn thời gian đường hóa thích hợp không những có ý nghóa về mặt lý
thuyết mà còn có ý nghóa lớn trong sản xuất thực tiễn. Việc lựa chọn thời gian
đường hóa còn phụ thuộc vào phương pháp làm nguội khối nấu và phương pháp
đường hóa. Thời gian làm nguội và đường hóa quyết đònh năng suất thiết bò, chất
lượng của dung dòch đường hóa và hiệu suất tổng thu hồi.
Theo lý thuyết, thời gian đường hóa có ảnh hưởng đến sự hòa tan tinh bột
không đường hóa. Khi đường hóa khối nấu ở nhiệt độ 55 - 58
o
C trong khoảng thời
gian từ 15 ÷ 120 phút, hầu như đường lên men trong dòch đường hóa không tăng,
nhưng nồng độ chất tan chung của dung dòch lại tăng một cách rõ rệt. Sau 15 phút
đường hóa, nồng độ chất tan là 13.8% và sau đó 120 phút thì nồng độ chất tan là
14.8%, nhưng đường lên men không tăng. Như vậy, thời gian đường hóa nâng cao
hàm lượng chất khô hòa tan (chủ yếu là đạm hòa tan) và nâng cao tính đệm của
dung dòch. Song, kéo dài thời gian đường hóa ở nhiệt độ 55 - 58
o
C sẽ làm giảm
hoạt tính của enzym Amylase, khả năng nhiễm khuẩn tăng lên và hiệu suất tổng
thu hồi giảm. Theo một số nghiên cứu thời gian đường hóa tốt nhất là 5 phút, cho
hiệu suất tổng thu hồi tăng 37lit cồn/tấn tinh bột so với đường hóa ở 60 phút.
Ở các nhà máy sản xuất rượu có thiết bò làm nguội chân không đều thực
hiện thời gian đường hóa là 5 phút. Nếu làm nguội bằng phương pháp trao đổi nhiệt
bề mặt thông thường thời gian đường hóa là 15 ÷ 30 phút
2. Tối ưu hóa cơng nghệ lên men
Việc lựa chọn cơng nghệ sản xuất cồn là yếu tố vĩ mơ quyết định tới hiệu suất
của tồn nhà máy. Trong thực tế hầu hết các phân xưởng chưng cất đều được thiết kế
khơng mấy khác biệt. Cơng nghệ sản xuất cồn được quyết định bởi cơng nghệ lên men.

Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tuyên
TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT LÊN MEN 8

Hiện nay có hai công nghệ chính đó là: Lên men liên tục và lên men gián đoạn, ngoài
ra còn có công nghệ lên men bán liên tục.
2.1 Các công nghệ lên men
 Công nghệ lên men gián đoạn
- Thùng phải được vệ sinh sạch sẽ, các đường ống và van phải được sát trùng
thường xuyên. Sau đó toàn bộ được thanh trùng bằng hơi nước. Thời gian giữ ở 95-
100
0
C kéo dài 50-60 phút. Thanh trùng xong thùng được làm lạnh đến 30
0
C, tháo hết
nước ngưng rồi đóng van đáy. Men giống và dịch đường ban đầu có thể bơm song
song để nấm men được hòa đều ngay từ đầu. Lượng men giống thường chiếm 10% so
với thể tích thùng lên men, nhưng dịch đường không bơm đầy thùng ngay mà thời gian
đổ đầy một thùng lên men kéo dài từ 6-8 giờ. Nhờ đó tỉ lệ men giống lúc đầu tăng và
hạn chế được sự phát triển của tạp khuẩn.
- Sau khi đổ đầy thùng ta để cho lên men và cứ 8 giờ lấy đường lên men đem lọc
để xác định độ chua. Đồng thời theo dõi nhiệt độ và luôn khống chế thấp hơn 33
0
C.
Về cuối nhiệt độ có thể giảm đến 28
0
C.
- Lên men được xem là bình thường nếu sau 50 giờ, độ đường biểu kiến của dịch
lên men đã xuống tới 0 (với rỉ đường sẽ khác), còn độ chua không tăng quá 0,8 gam
H
2

SO
4
/lít so với độ chua của dịch đường trước khi lên men.
- Trường hơp độ chua khi lên men tăng nhanh, độ đường biểu kiến giảm chậm thì
phải nghĩ ngay tới nhiễm khuẩn, cần kiểm tra vi sinh vật và xử lí kịp thời.
- Lên men được xem là kết thúc nếu sau 8 giờ độ đường biểu kiến không giảm
hoặc chỉ giảm 0,1 ÷ 0,2 %.
- Lên men gián đoạn ở các thùng riêng biệt có ưu điểm dễ làm, khi nhiễm dễ xử
lí nhưng năng suất thu được từ 1 m
3
thiết bị thấp. Tuy nhiên, phương pháp này vẫn
đang được áp dụng chủ yếu ở nước ta và cũng cho hiệu suất khá.
 Lên men liên tục
- Đặc điểm của lên men liên tục là dịch đường và men giống được cho vào thùng
đầu (thùng lên men chính) luôn chứa một lượng lớn tế bào trong 1 ml dịch. Khi đầy
thùng đầu thì dịch men sẽ chảy tiếp sang các thùng bên cạnh và cuối cùng là thùng
chứa giấm chín.
- Ưu điểm nổi bật của sơ đồ lên men liên tục là dùng một lượng lớn men giống
nên lên men xảy ra nhanh, hạn chế được sự phát triển của tạp khuẩn. Khác với lên men
gián đoạn là lượng giống ban đầu chỉ 12 ÷ 15 triệu tế bào/ml nên lên men xảy ra chậm.
- Nhiều men giống không những áp đảo được tạp khuẩn mà còn tạo rượu nhanh,
hạn chế sự phát triển của chúng. Mặt khác do độ chua của dịch đường cao, pH thấp
cũng là một yếu tố không thuận lợi cho vi khuẩn và nấm men hoang dại. Sau 24 giờ đã
có 78 % đường được lên men, trong khi đó ở lên men gián đoạn mới chỉ đạt 42 %.
Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tuyên
TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT LÊN MEN 9

- Lên men liên tục là phương pháp tiến bộ và cho hiệu quả cao. Tuy nhiên khi áp
dụng cần tính toán cẩn thận và có biện pháp công nghệ phù hợp, nếu không sẽ phản tác
dụng, dễ nhiễm khuẩn hàng loạt dẫn đến giảm hiệu suất lên men.

- Lên men liên tục sẽ kết thúc sau 60-62 giờ, còn lên men gián đoạn vẫn phải kéo
dài tới 72 giờ và hơn nữa.
 Lên men cải tiến – lên men bán liên tục
- Để tăng cường tỉ lệ lên men giống mà không cần thêm thiết bị gây men, ta thực
hiên dùng ngay lượng men ở các thùng đang lên men mạnh ở giai đoạn lên men chính,
bằng cách dùng acid sulfuric đưa pH về 4,0-4,2; kết hợp với bơm tuần hoàn và làm
lạnh. Sau 1-2 giờ tan bơm ½ dịch lên men sang thùng khác để làm men giống. Tiếp đó
từ từ thêm dịch đường vào cả hai thùng cho tới đầy và để cho lên men tiếp.
2.2 Đánh giá các công nghệ lên men
 Công nghệ lên men gián đoạn:
- Thông thường thời gian đòi hỏi cho việc sử dụng hoàn toàn cơ chất là từ 36 ÷
48 giờ. Nhiệt độ được giữ ở 20 ÷ 30
o
C và pH ban đầu được điều chỉnh tới 4,5. Tùy
thuộc vào bản chất của nguyên liệu hidrat C, hệ số chuyển hóa nằm vào khỏang 90 ÷
95%. Con số lý thuyết với một nồng độ etanol cuối cùng đạt được là 10-16 % (w/v).
Công nghệ lên men gián đoạn đã được vận hành nhiều trong quá khứ vì có thể vận
hành dễ dàng, đòi hỏi thấp về khử trùng triệt để, không cần nhân công có tay nghề cao,
không có nguy cơ tổn hại về tài chính và nguyên liệu dễ xử lý. Tuy nhiên những nhược
điểm vốn có của hệ thống này như hiệu suất lên men thấp do thời gian quay vòng cao
và độ dài của pha lag kéo dài đã dẫn đến yêu cầu phải có những cải tiến.
- Để tăng năng suất lên men song vẫn giữ tính đơn giản của quá trình lên men
gián đoạn, trong nhiều trường hợp người ta đã sử dụng sự quay vòng tế bào. Kỹ thuật
này không làm tăng chỉ số chuyển hóa của đường thành etanol, song thời gian yêu cầu
từ lúc bắt đầu lên men đến khi kết thúc quá trình đã giảm tới 60- 70% so với các
phương pháp lên men gián đoạn truyền thống. Theo một số tác giả việc cấy vào dịch
thủy phân bã mía 1 dịch tế bào nấm men đậm đặc (23,6g/l) đã rút ngắn thời gian lên
men hoàn toàn 1 dung dịch glucoza có nồng độ ban đầu là 22% xuống còn 6 giờ. Độ
sống sót của tế bào trong trường hợp lên men nhanh như vậy bị giảm nhanh vì nồng độ
etanol cực kỳ cao trong tế bào. Hạ nhiệt độ lên men và tăng nồng độ oxy có thể hạn

chế mức độ kìm hãm song lại hao hụt về năng suất lên men
 Công nghệ lên men liên tục
- Lên men liên tục loại bỏ được sự hao tốn thời gian trong lên men tĩnh. Đó là
thời gian dành cho việc tẩy rửa và làm sạch thiết bị, tái nạp môi trường, thời gian tiêu
tốn cho pha lag. Ngoài ra, vì vi sinh vật luôn được giữ trong pha sinh trưởng lũy thừa
nên năng suất tính theo thời gian tổng số yêu cầu sẽ tăng lên.
- Hai nhược điểm chủ yếu trong các hệ thống liên tục là:
Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tuyên
TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT LÊN MEN 10

o Nhiễm tạp do đột biến xảy ra trong lòng dịch lên men hoặc do cơ thể lạ
xâm nhập từ bên ngoài vào.
o Khó khăn trong việc giữ 1 tốc độ lên men cao. Sở dĩ tốc độ lên men trong
các hệ thống này thường thấp là vì tế bào bị chết nhiều do thiếu oxi. Để
khắc phục người ta thêm 1 số chất như tween 80, ecgosterol, hay axit
linolenic vào môi trường lên men hoặc cho nấm men hoặc cho nấm men
sinh trưởng trong điều kiện hiếu khí trước khi giai đọan lên men kỵ khí.
- Hiệu suất etanol trong một nồi lên men liên tục đơn giản thường bị giới hạn do
sự kìm hãm bởi etanol và bởi 1 nồng độ tế bào thấp. Khi nồng độ đường trong dung
dịch nạp tăng, hiệu suất etanol sẽ giảm do hiệu quả kìm hãm bởi sản phẩm. Ở nồng độ
hidrat C thấp, sự kìm hãm dường như giảm đi song nồng độ sinh khối tế bào cũng
giảm. Do vậy năng suất lên men tối ưu sẽ đạt được ở nồng độ glucoza nạp khoảng
10%
2.3 Lựa chọn công nghệ lên men tối ưu
Phải căn cứ vào nguyên liệu đầu vào và chủng lên men phù hợp với nguyên liệu
đó để có thể lựa chọn được công nghệ lên men tối ưu
Đối với nguyên liệu đầu vào là mật rỉ ta nên lựa chon công nghệ lên men liên
tục. Do mật rỉ là nguồn nguyên liệu khá an toàn, có khả năng tránh nhiễm trùng tốt.
Bên cạnh đó chủng men thích hợp để lên men mật rỉ là chủng men chìm với mật độ
trung bình của tế bào lớn, khả năng chống chịu môi trường cao, khả năng cạnh tranh

với khuẩn dại tốt. Đồng thời ta hoàn toàn có thể thu hồi lại lượng men khỏe do dịch
dấm chín sau lên men sạch, men chìm xuống nên dễ dàng tách ra nhờ quá trình ly tâm.
Khi sử dụng công nghệ lên men liên tục với mật rỉ sẽ cho ta hiệu suất lên men tối ưu.
Mặc dù công nghệ lên men liên tục có rất nhiều ưu điểm nhưng nó lại không
thích hợp để áp dụng cho nguồn nguyên liệu tinh bột sắn. Tinh bột sắn là nguồn
nguyên liệu rất dễ bị nhiễm trùng. Nhiễm trùng có thể được gây ra bởi rất nhiều công
đoạn từ phơi khô, tồn chứa tới vận hành thiết bị. Chủng men phù hợp để lên men tinh
bột sắn là chủng men nổi. Mật độ tồn tại của chúng là thấp, khả năng cạnh tranh với
các loại men hoang dại không cao. Mặt khác chúng ta không thể thu hồi lại được
lượng men khỏe sau lên men do dịch men lẫn một lượng lớn sơ và men nổi có tỷ trọng
gần với nước nên không thể tách bằng thiết bị ly tâm. Chính vì thế hầu hết các nhà
máy sản xuất etanol từ tinh bột sắn đều sử dụng công nghệ lên men gián đoạn để đảm
bảo khả năng chống nhiễm khuẩn.
Ta cũng phải chú ý tới các chi tiết thiết kế. Chẳng hạn như kiểu dáng thùng lên
men phải được thiết kế sao cho dễ xả đáy, xả nhanh, xả kiệt. Vật liệu chế tạo bồn bể
cũng phải được lựa chon sao cho có khả năng chống nhiễm khuẩn tốt nhất. Thông
thường người ta thường sử dụng thép SS304 hoặc thép đen CF,… Hệ thống đường ống
Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tuyên
TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT LÊN MEN 11

thiết bị phải thiết kế hạn chế khúc cua, điểm chết để dễ dàng cho công tác vệ sinh. Các
thiết bị làm mát phải được đặc biệt quan tâm để đảm bảo nhiệt độ làm việc tối ưu cho
quá trình lên men,…
3. Tối ưu hóa quá trình nhân men
Quá trình nhân men giống là quá trình nuôi cấy nấm men giống, trong đó,
người ta tạo ra một môi trường nuôi cấy thích hợp và cung cấp các chất dinh dưỡng
cần thiết cho sự phát triển của nấm men nhằm đảm bảo cung cấp cho quá trình lên men
một lượng tế bào men cần thiết, có khả năng lên men cao và có thể thích nghi với môi
trường sản xuất thực tế. Tác động của các yếu tố như nhiệt độ, áp suất, pH, hàm lượng
chất khô hòa tan tới quá trình nhân men tương tự với quá trình lên men và sẽ được đề

cấp tới ở phần sau. Ta chỉ đưa ra các yếu tố được quan tâm đặc biệt trong quá trình
nhân men.
Quá trình nhân men các cấp đầu tiên phải đòi hỏi môi trường tiệt trùng cho men
phát triển vì lúc đầu men chưa thể thích nghi ngay với môi trường và rất dễ bị nhiễm
khuẩn. Thông thường ta tiệt trùng môi trường cho men bằng cách nâng nhiệt tới
khoảng 120
0
C trong vòng 30’. Phải tính toán thời gian làm môi trường cho hợp lý sao
cho cấp lên men trước vừa đạt thì môi trường lên cấp men sau vừa phải sẵn sàng. Làm
như vậy để tránh nhiễm trùng môi trường và đảm bảo dinh dưỡng đầy đủ cho men
Đối với nguyên liệu tinh bột sắn ta phải bổ sung hệ enzim tương tự như đối với
quá trình đường hóa do quá trình đường hóa tiếp tục xảy ra trong các thùng lên men
o Super star/ Termosacc: 2 ÷ 4 pao/ 1000 galon dịch.
o Lactoside : 1 ÷ 3 ppm.
o Alcoholaza II L400: 0,06% khối lượng bột đầu vào
o Thermosaoc
o Rhyzozim: 0,03 ÷ 0,04 % so với khối lượng bột đầu vào.
4. Tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lên men
4.1 Lựa chọn giống men
Nấm men là tác nhân trực tiếp cho quá trình lên men. Vì vây muốn tối ưu hóa
quá trình lên men thì trước hết phải trọn được chủng nấm men có hoạt lực lên men
mạnh, phù hợp với nguồn nguyên liệu và công nghệ lên men của nhà máy. Nấm men
dùng trong sản xuất cồn thường là các chủng thuộc giống Saccharomyces, chúng có
khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng như các loại đường hòa tan, các hợp chất nitơ
(các amin, peptit), vitamin và các nguyên tố vi lượng… qua màng tế bào. Chủng này
có tốc độ phát triển mạnh và hoạt lực lên men cao, lên men được nhiều loại đường
khác nhau và lên men nhanh, có khả năng chịu được độ etanol cao từ 10  12%. Các
chủng nấm men này được chia làm 2 loại: nấm men chìm và nấm men nổi.
Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tuyên
TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT LÊN MEN 12

 Đặc tính hình thái
- Nấm men chìm: Hầu hết các tế bào khi quan sát thì nảy chồi đứng riêng lẻ hoặc
cặp đôi. Hình dạnh chủ yếu là hình cầu
- Nấm men nổi: Tế bào nấm men mẹ và con sau nảy chồi thường dính lại với
nhau tạo thành chuỗi các tế bào nấm men. Hình dạn chủ yếu là hình cầu hoặc hình
ovan với kích thước 7 µ
 Đặc tính sinh lý: Sự khác nhau giữa nấm men nổi và nấm men chìm là khả năng
lên men các loại đường trisacarit, ví dụ raffinoza. Trong nấm men chìm có enzyme có
thể sử dụng hoàn toàn đường raffinoza trong khi đó nấm men nổi chỉ sử dụng được 1/3
đường sacaroza. Ngoài ra chúng còn khác nhau về khả năng hô hấp, khả năng trao đổi
chất khi lên men và khả năng hình thành bào tử. Quá trình trao đổi chất của nấm men
chìm chủ yếu xảy ra trong quá trình lên men, còn của nấm men nổi xảy ra mạnh trong
quá trình hô hấp
 Sự khác nhau về công nghệ lên men: Tên gọi nấm men nổi hay nấm men chìm
xuất phát từ quan sát quá trình lên men. Nấm men nổi nổi lên bề mặt dịch, trong và
cuối quá trình lên men chính tạo trên bền mặt một lớp bọt dày, trong khi đó nầm men
chìm lắng xuống đáy thiết bị khi kết thúc lên men chính và tạo thành lớp men xít bám
chắc ở đáy thùng.
 Ngoài ra nhiệt độ lên men của mỗi chủng cũng khác nhau: Nấm men chìm có
thể lên men trong khoảng 4  
0
C, nấm men nổi là 14  
0
C
Như vậy, đối với mỗi loại nguyên liệu và loại công nghệ đi kèm ta phải chọn
một chủng men phù hợp riêng. Chủng men này phải có hoạt lực lên men mạnh, ổn
định, chịu được những biến đổi của môi trường lên men. Một chủng tốt ở nơi này chưa
hẳn đã thích nghi ngay ở một nơi khác. Vì vậy trước khi áp dụng cần nghiên cứu kĩ
đặc tính sinh lí và khả năng sinh sản cũng như sản lượng sản phẩn tạo thành. Trong

sản xuất có những trường hợp ngẫu nhiên người ta được chủng tốt hơn bằng cách phân
lập từ các thùng lên men
4.2 Ảnh hưởng của nguồn Các bon
Là nguồn vật chất cung cấp C trong quá trình sinh trưởng của vi sinh vật. Trong
tế bào nguồn C trải qua một loạt quá trình biến hóa hóa học phức tạp sẽ biến thành vật
chất của bản thân tế bào và các sản phẩm trao đổi chất. C có thể chiếm đến khoảng
một nửa trọng lượng khô của tế bào. Đồng thời hầu hết các nguồn C trong quá trình
phản ứng sinh hóa còn sinh ra trong tế bào nguồn năng lượng cần thiết cho hoạt động
sống của vi sinh vật. Men sử dụng một cách chọn lọc các nguồn C. Đường là nguồn C
và nguồn năng lượng tôt nhất cho men. Nhưng tùy từng loại đường mà vi sinh vật có
khả năng sử dụng khác nhau. Như đã nói ở phần đường hóa, men ưu tiên tiêu thụ
đường glucose và kém tiêu thụ đường Mal. Men có khả năng đồng hóa đường Mal rất
kém. Đường Mal gần như không được hấp thụ vào tế bào nấm men. Khi hàm lượng
đường glucose cao thì lượng dinh dưỡng cho nấm men cao và men dễ dàng phát triển.
Ngược lại hàm lượng đường Mal cao sẽ ức chế quá trình sinh trưởng và phát triển của
Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tuyên
TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT LÊN MEN 13

nấm men. Vấn đề tối ưu hóa ảnh hưởng của nguồn Các bon đã được đề cập trong phần
tối ưu hóa quá trình đường hóa.
4.3 Bổ sung Nitơ
Nitơ là chất không thể thiếu cho sự sinh tồn và phát triển của tế bào nấm men.
Vì Nitơ tham gia vào tất cả các cấu trúc trong tế bào vi sinh vật, giúp tế bào hoàn thiện
mọi chức năng của hoạt động sống. Tế bào men cần nitơ cho sự tổng hợp protein và
axit nucleic. Nguồn Nitơ là nguồn dinh dưỡng quan trọng không kém nguồn Carbon.
Nếu thiếu Nitơ, nấm men sẽ phát triển chậm, thời gian lên men kéo dài và hiệu suất lên
men giảm. Nếu thiếu nitơ thì sức khỏe của tế bào men kém đi, sự phát triển chậm lại
và mật độ tế bào men có thể bị suy giảm. Ở Việt Nam nguyên liệu để sản xuất etanol
chủ yếu là sắn và mật rỉ. Nguyên liệu sắn có chứa ít protid nên lượng nitơ không đảm
bảo cho sự phát triển của nấm men. Do đó cần phải thường xuyên bổ sung nitơ với số

lượng khoảng 30mg/ml quá trình lên men mới đạt được hiệu quả cao. Dưới đây là
bảng số liệu so sánh quá trình lên men có bổ sung nitơ và không bổ sung nitơ
Các chỉ tiêu

Mẫu kiểm chứng
không bổ sung
nitơ
Nguồn nitơ từ
(NH
4
)
2
SO
4

(NH
2
)
2
CO

Nồng độ chất khô
dịch đường , %

16,5

16,5


16,5

Đường khử tính
theo
maltoseg/100ml

4,09


4,09


4,09

pH dịch đường hóa

5,26

5,26

5,26
pH giấm chín
4,55
4,00
4,93
Tăng độ chua
0,31
0,42
0,12
Độ khô biểu kiến
giấm chín

-0,35

-0,40

-0,77

Chất khử sót, %
0,43
0,34
0,14
Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tuyên
TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT LÊN MEN 14

Tinh bột sót, %
0,05
0,046
0,042
Nồng độ rượu
trong giấm chín,
%V

9,66


9,78


10,04

Hiệu suất rượu so

với lý thuyết, %
91,21
92,35
94,80

Bổ sung nitơ với số lượng 30 mg/100ml sẽ rút ngắn thời gian từ 84 giờ xuống
60 giờ, đồng thời lên men cũng tốt và đạt hiệu quả cao hơn mẫu đối chứng. Trong thực
tế có rất nhiều nguồn cung cấp nitơ tuy nhiên người ta hay sử dụng ammoniac, các
muối amoni và tối ưu nhất là sử dụng urê.
4.4 Ảnh hưởng của nguồn muối vô cơ
Các muối vô cơ là nguồn chất dinh dưỡng không thể thiếu đối với sự sinh
trưởng của vi sinh vật. Chúng có các chức năng sinh lý chủ yếu là tham gia vào thành
phần của các trung tâm hoạt tính ở các enzim của vi sinh vật, duy trì tính ổn định của
kết cấu đại phân tử và tế bào, điều tiết và duy trì cân bằng áp suất thẩm thấu của tế
bào, khống chế điện thế oxy hóa khử của tế bào và còn có thể là nguồn vật chất sinh
năng lượng đối với một số chủng men.
Phot pho tham gia vào quá trình tổng hợp các hợp chất cao năng như ATP và
ADP. Ngoài ra nó còn có tác dụng hoạt hóa photphataza trong quá trình lên men, làm
nên hệ thống đệm giúp điều chỉnh pH môi trường. Thiếu phốt pho tế bào men sẽ bị suy
yếu, giảm khả năng phát triển. Nếu soi trên kính hiển vi sẽ thấy con men tròn, nhỏ.
Photpho thường ở dạng liên kết hữu cơ, có trong thành phần của photphatit,
nucleoproteit và axit nucleic. Trong mỗi loại nguyên liệu hàm lượng P là khác nhau.
Hàm lượng P trong tinh bột sắn là thấp nên việc thêm một lượng phốt pho bổ sung là
tất yếu. Định lượng P thêm vào tùy thuộc vào từng loại nguyên liệu. Thực tế người ta
bổ sung P bằng cách thêm vào một lượng diamoniphotphat (DAP), KH
2
PO
4
hay
K

2
PO
4
. Còn đối với công nghệ sản xuất rượu từ mật rỉ thì việc bổ sung P là không cần
thiết vì lượng P có trong mật rỉ là đủ lớn.
Mg (MgSO
4
): có tác dụng kích thích quá trình phân bào. Tế bào nấm men sinh
sản bằng cách nảy chồi. Một chồi nhỏ được tạo thành trên bề mặt của tế bào trưởng
thành. Chồi sinh trưởng và được làm đầy các nguyên liệu nhân và tế bào chất từ tế bào
bố mẹ. Khi chồi lớn bằng bố mẹ, thì bộ máy nhân ở cả hai tế bào được thay đổi và tế
bào được phân cắt, nếu tế bào đã quá già hoặc thiếu chất dinh dưỡng thì sẽ không phân
Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tuyên
TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT LÊN MEN 15

cắt được. Khi đó ta cần cung cấp MgSO
4
để kích thích quá trình phân bào, đảm bảo tế
bào men phát triển đủ số lượng trong quá trình lên men.
Dưới đây là bảng thống kê việc sử dụng một số muối vô cơ khác và vai trò tác
dụng của chúng
Nguyên tố
Hợp chất sử dụng
Chức năng sinh lý
S
(NH
4
)
2
SO

4
,
MgSO
4
Là thành phần của các aminoacid chứa S, một số
vitamin, glutathione có tác dụng điều chỉnh điện
thế oxy hóa khử trong tế bao
Mg
MgSO
4
Là thành phần trung tâm hoạt tính của enzym
phosphoryl hóa hexose dehydrogenase của axit
nucleic, thành phần của chlorophyll và bacterio-
cholorophyll
Ca
CaCl
2
, Ca(NO
3
)
2
Tạo tính ổn định của một số cofactor, enzym duy
trì, cần cho sự xây dựng trạng thái cảm thụ của tế
bào
Na
Na Cl
Thành phần của hệ thống vận chuyển của tế bào,
duy trì áp suất thẩm thấu, duy trì tính ổn định của
một số enzym.
K

KH
2
PO
4

Là cofactor của một số enzym, duy trì áp suất
thẩm thấu của tế bào, là nhân tố ổn định của
ribosome
Fe
FeSO
4
Là thành phần của sắc tố vi khuẩn và một số
enzym, cần thiết để tổng hợp chlorophyll và độc
tố vi khuẩn bạch hầu
Định lượng của các muối này khi cho thêm vào dịch lên men là khác nhau đối
với từng loại nguyên liệu. Việc thêm vào cần phải được nghiên cứu, tìm hiểu trong
phòng thí nghiêm và điều chỉnh trong quá trình sản xuất. Thông thường lượng thêm
vào là không nhiều. Tuy nhiên vai trò của nó là không thể thiếu
4.5 Ảnh hưởng của pH
Nồng độ ion H
+
trong có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nấm men. Chúng có
khả năng làm thay đổi diện tích các chất của vỏ tế bào, làm tăng hay giảm mức độ
thẩm thấu các chất dinh dưỡng cũng như chiều hướng của quá trình lên men. Mỗi vi
sinh vật hoạt động tốt ở một pH nhất định.
Trong điều kiện lên men rượu, pH tối ưu để tạo alcohol ethylic là 4,5 ÷ 5,0. Đối
với dịch đường từ nguyên liệu tinh bột thường khống chế ở pH = 4,8 ÷ 5,2; nhằm giữ
cho amylase tiếp tục chuyển hóa tinh bột và dextrin thành đường lên men được.
Tăng pH sẽ dễ bị nhiễm khuẩn, glyxerin tạo nhiều hơn và giảm hiệu suất lên
men. Vì vậy, khi gây men giống trong điều kiện sản xuất, người ta điều chỉnh pH tới

3,8 ÷ 4,0 để hạn chế sự phát triển của vi khuẩn lactic và nấm men hoang dại.
Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tuyên
TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT LÊN MEN 16

Ở pH

4,2 nấm men tuy phát triển chậm hơn so với pH = 4,5 ÷ 5,0 nhưng tạp
khuẩn hầu như không phát triển. Tới lúc nào đó nấm men phát triển nhiều và đủ mạnh
ta tăng pH đến tối ưu cho nấm men phát triển nhanh hơn. Lúc này điều kiện cũng tốt
cho các tạp khuẩn nhưng vì nấm men đã nhiều và đủ mạnh để lấn át nên tạp khuẩn
cũng khó gây tác hại cho lên men.
Phương pháp này được áp dụng để gây men trong điều kiện sản xuất và gọi là
nuôi cấy nấm men thuần khiết tự nhiên.
Khi cho acid sulfuric vào đường dịch, chúng sẽ không ở dạng tự do mà liên kết
hóa học với các muối và giải phóng acid hữu cơ, phosphoric tự do, chủ yếu ở dạng
KH
2
SO
4
và NaH
2
PO
4
.
Giữa ion H
+
và lượng acid có tương quan nhất định đối với mỗi dung dịch nào
đó, ví dụ cùng một pH nhưng độ chua của dịch đường hóa từ ngô bao giờ cũng lớn
hơn từ sắn. Trong thực tế sản xuất không phải cơ sở nào cũng có điều kiện đo pH, mà
thường chỉ xác định độ chua. Đối với mỗi dung dịch nào đó thì pH có thể xem như gần

ổn định còn độ chua lại thay đổi nhiều phụ thuộc vào mức độ nhiễm khuẩn của nguyên
liệu và dịch lên men. Khi nhiễm khuẩn sẽ tạo acid hữu cơ có độ phân ly thấp nên ít
làm thay đổi pH. Vì vậy trong sản xuất rượu không chỉ xác định pH mà còn xác định
độ chua. Độ chua có thể biểu diễn theo độ hay theo gam acid/lít.
Một độ chua được biểu diễn bằng 1ml dung dịch NaOH 2N vừa đủ để trung hòa
acid tự do chứa trong 20 ml dịch hoặc biểu diễn độ chua bằng gam H
2
SO
4
/lít dịch, 1
0

chua = 2,45 g /l.
4.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ tối ưu của nấm men saccharomyces là khoảng 28 ÷ 32
0
C. Tuy nhiên
nếu bắt đầu lên men ở nhiệt độ thấp thì khả năng lên men sẽ cao và kéo dài hơn. Mặt
khác làm lạnh dịch đường tới 20 ÷ 22
0
C sẽ hạn chế sự phát triển của tạp khuẩn.
Sau 8 ÷ 10 giờ, nhiệt độ lên men sẽ tăng đến 28 ÷ 30
0
C, tiếp đó cần làm lạnh để
ổn định nhiệt độ trong giới hạn tối ưu.
Ở nhiệt độ cao hoạt tính của nấm men giảm nhanh, chủ yếu là dễ bị nhiễm
lactic và nấm men hoang dại. Ở nhiệt độ 30
0
C men hoang dại phát triển nhanh hơn
Saccharomyces 2 ÷ 3 lần, còn ở nhiệt độ 35 ÷ 38

0
C chúng phát triển nhanh gấp 6 ÷ 8
lần.
Khi lên men ở 29,5
0
C, tổn thất do tạo men là 7,37 %, ở 17,5
0
C tổn thất do tạo
men là 5,32 % và nếu lên men dịch đường ở 10
0
C thì tổn thất do tạo men chỉ chiếm
4,42 % lượng đường có trong dung dịch.
Khi lên men ở nhiệt độ cao sẽ tạo nhiều esther, aldehyde và tổn thất rượu theo
CO
2
sẽ tăng.
Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tuyên
TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT LÊN MEN 17

4.7 Ảnh hưởng của nồng độ lên dịch men
Nồng độ dịch đường cao làm tăng áp suất, mất cân bằng trạng thái sinh lý của
nấm men. Kết quả là cồn nhiều sẽ ức chế không những tạp khuẩn mà cả nấm men, dẫn
đến tổn thất hoặc phải kéo dài thời gian lên men.
Nồng độ dịch đường thấp làm giảm năng suất thiết bị lên men, tốn hơi khi
chưng cất, tăng tổn thất rượu trong bã rượu và nước thải.
Bình thường người ta khống chế nồng độ chất khô của dịch đường từ 16 ÷ 18 %
( tùy theo mức độ thuần khiết), tương đương 13 – 15% đường, để sau khi lên men sẽ
nhận được nồng độ rượu trong giấm chín là 8,5 – 9,5 % V.
4.8 Ảnh hưởng của một số hóa chất và chất sát trùng
Trong điều kiện sản xuất, dù có vệ sinh sạch đến mấy cũng khó đảm bảo vô

trùng tuyệt đối, vì vậy cần phải dùng chất sát trùng để ngăn ngừa và hạn chế tạp
khuẩn.
Có thể dùng hóa chất khác nhau như clorua vôi, formalin, fluosilicat natri. Tùy
theo chất lượng của hóa chất mà dùng nhiều hay ít, cốt sao hạn chế được phát triển của
tạp khuẩn nhưng không làm ảnh hưởng xấu đến hoạt động của nấm men. Khi dùng
formalin hay fluosilicat natri, nồng độ không vượt quá 0,02% so với dịch lên men.
Ảnh hưởng của một số acid tới nấm men:

Acid

Nồng độ
Thời gian tiêu diệt, giờ
Làm ngừng sinh trưởng
Tiêu diệt men
%
Mol/l
%
Mol/l
HCl
0,14
0,038
0,72
0,195
0,46
H
2
SO
4
0,39
0,039

1,30
0,123
2,04
H
3
PO
4
0,30
0,031
2,00
0,204
1,28
CH
3
COOH
0,75
0,125
3,00
0,500
1,25
Acid lactic
0,90
0,100
3,00
0,333
1,27
Tùy theo tính chất và mức độ phân ly của mỗi acid mà tác hại của chúng lên
nấm men sẽ không giống nhau.
Ngoài ra, trong dịch đường lên men luôn chứa một lượng furfurol, melanoidin,
cũng gây ảnh hưởng tới nấm men.

Furfurol hạn chế khả năng nảy chồi và kích thước tế bào, tạo ra các hạt trong
không bào. Furfurol chứa nhiều trong mật rỉ có thể làm giảm khả năng tạo rượu và
tăng các tạp chất, giảm hoạt độ của maltase và zymase của nấm men.

Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tuyên
TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT LÊN MEN 18

Khi dịch chứa 4 ÷ 6 triệu tế bào/ml thì 0,002% furfurol sẽ ảnh hưởng xấu đến
sinh trưởng và sinh lý của dịch lên men; khi dịch lên men chứa 90 triệu/ml thì 0,006%
furfurol mới ảnh hưởng tới sinh lý nấm men.
Hàm lượng furfurol trong mật rỉ thường vào khoảng 6 đến 8 g/100 g chất khô.
Nếu mật rỉ pha loãng tới 20 ÷ 22% thì nồng độ sẽ khoảng 1,5 ÷ 2,0 mg/100ml (0,0015
÷ 0,002%). Trong điều kiện lên men với tỉ lệ men giống lớm hơn 10%, ảnh hưởng của
furfurol xem như không đáng kể.
Melanoidin có ảnh hưởng không tốt tới khả năng sinh sản của nấm men
4.9 Ảnh hưởng của sục khí
Sục khí để hòa tan oxy vào dịch đường, giúp cho nấm men phát triển nhanh
hơn. Tuy nhiên, sục khí không cần thiết đối với dịch đường từ nguyên liệu tinh bột.
Sục khí sẽ làm tăng lượng đường bay hơi. Mặt khác nếu dư dẫn đến tạo nhiều sinh
khối và aldehyde, do đó làm giảm hiệu suất lên men rượu.
Thực tế thì không cần sục khí vào dịch đường. Một lượng nhỏ oxy sẽ được hòa
tan trong thời gian khuấy và làm lạnh, đủ đảm bảo cho sinh trưởng phát triển và lên
men. Với tỉ lệ men giống 10%, sau 50 giờ lên men nồng độ biểu kiến của dịch đã giảm
tới số lượng không đổi với hầu hết thùng lên men. Sau 70 ÷ 72 giờ nồng độ rượu trong
giấm chín đạt trung bình 9% V, đường sót chỉ vào khoảng 0,3 ÷ 0,5 %.
4.10 Ảnh hưởng của việc thêm các yếu tố vi lượng
Trong quá trình sinh trưởng men còn cần tới một số nguyên tố vi lượng. Chúng
có vai trò quan trọng mặc dù chỉ cần với một số lượng rất nhỏ (khoảng 10
-8
÷10

-6
mol/l
môi trường nuôi cấy). Nguyên tố vi lượng tham gia vào thành phần enzym và làm hoạt
hóa ezym.
Bảng dưới đây thể hiện tác dụng sinh lý của các nguyên tố vi lượng
Nguyên tố
Tác dụng sinh lý
Zn
Có mặt trong lactodehdrogenase, phosphatase kiềm,
ARNplymerase, ANDpolymerase
Mn
Có mặt trong peroxyd dismutase, cacrbonxylase ciitric synthetase
Se
Có mặt trong reductase nitrate, nitrogenase, dehydrogenase formic
Cu
Có mặt trong cytochrome oxydase
Co
Có mặt trong mutase glutamic
W
Có mặt trong dehydrogenase formic
Br
Có mặt trong urease, cần cho sự sinh trưởng của vi khuẩn hydrogen
Axit Molic
Có khả năng kích thích vi sinh vật (men) phát triển rất nhanh


Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tuyên
TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT LÊN MEN 19

Nếu thiếu nguyên tố vi lượng trong quá trình sinh trưởng thì hoạt tính sinh lý

của vi sinh vật bị giảm sút, thậm chí ngừng sinh trưởng. Do nhu cầu dinh dưỡng của vi
sinh vật là không giống nhau cho nên khái niệm về nguyên tố vi lượng là chỉ có ý
nghĩa tương đối. Vi sinh vật thường tiếp nhận nguyên tố vi lượng từ các chất dinh
dưỡng hữu cơ tự nhiên, các hóa chất vô cơ, nước máy hay ngay từ trong các dụng cụ
nuôi cấy bằng thủy tinh. Chỉ trong những trường hợp đặc biệt mới cần bổ sung nguyên
tố vi lượng vào môi trường nuôi cấy và làm việc của nấm men. Mặt khác vì nhiều
nguyên tố vi lượng là kim loại nặng nên nếu dư thừa sẽ gây hại cho vi sinh vật. Khi
cần bổ sung thêm nguyên tố vi lượng cần lưu ý khống chế chính xác liều lượng
4.11 Chống nhiễm tạp, nhiễm khuẩn cho men
Một số yếu tố gây sốc cho men:
- Axit lactic: Hàm lượng axit lactic cao sẽ gây ức chế cho men, nếu > 0,8% w/v
sẽ làm men chết. Axit lactic chủ yếu là do nhiễm khuẩn mà có
- Axit axetic: Hàm lượng axit axetic cao sẽ gây ức chế cho men, nếu > 0,05%
w/v sẽ làm men chết. Axit axetic chủ yếu là do nhiễm khuẩn mà có
- Gốc sunfit gây ức chế cho men, nếu hàm lượng cao > 100 mg/l sẽ gây chết cho
men. Thường gặp nhiều đối với nguyên liệu mật rỉ do công nghệ tẩy trắng mật
đường sử dụng hợp Na
2
S
2
O
3

- Ion Na
+
, K
+
, gây ức chế cho men nếu hàm lượng > 500mg/l sẽ gây chết cho
men
- Ion Cl

-
, Br
-
, CN
-
cũng gây stress cho men
Trong số các yếu tố trên quan trọng và hay gặp phải trong thực tế nhất là sự
stress của men do axit lactic và axit axetic. Mà nguyên nhân của nó là do men bị
nhiễm khuẩn. Men bị nhiễm khuẩn sẽ dẫn đến hiệu suất quá trình lên men gián đoạn
giảm mạnh và quá trình lên men liên tục giảm liên hoàn. Nhiễm khuẩn có thể do nhiều
nguyên nhân như: nguyên liệu đầu vào, trục trặc về trang thiết bị hay do quá trình vệ
sinh kém. Ta đưa ra một số phương pháp để phòng chống nhiếm khuẩn cho men:
 Thực hiện đúng, đủ các thao tác và yêu cầu trong quá trình tẩy rửa
o Thời gian từ lúc điền đầy tới lúc rút đáy phải vừa đủ lâu để đảm bảo cho công
tác vệ sinh diệt khuẩn và vừa kịp để chuẩn bị cho chu trình làm việc tiếp theo
o Nhiệt độ tẩy rửa phải đủ lớn để có thể tiêu diệt các tế bào vi khuẩn (thông
thường người ta duy trì nhiệt độ tẩy rửa vào khoảng 135
0
F
o Phải lựa chọn hiệu quả các loại hóa chất tẩy rửa. Chẳng hạn dùng một số chất
hypoclorit, peoxit của axit acetic, nước raven, mục đích tạo các ion Cl
-
hay tạo
nguyên tử oxy hoạt động để tiêu diệt vi khuẩn tốt hơn. Nồng độ chất tẩy rửa càng cao
thì khả năng diệt trùng càng tốt. Sử dụng hóa chất tẩy rửa vào các mục đích khác nhau
cho thích hợp chẳng hạn như dùng kiềm để tẩy rửa các tác nhân hữu cơ, dùng axit để
tẩy rửa các tác nhân vô cơ hay dùng nồng độ cao cho các quá trình đòi hỏi tiệt trùng.
Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tuyên
TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT LÊN MEN 20

o Đảm bảo tốc độ bơm đủ lớn để có thể vệ sinh được tất cả các vị trí trên đườn
ống, những khúc cua, những điểm chết. Tốc độ thông thường phải lớn  1,5 lần tốc độ
dòng công nghệ (~1m/s). Phải tiến hành bơm xuôi và bơm ngược khi vệ sinh đường
ống. Đối với các thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm hay các đoạn khúc cua, đường ống
phân nhánh nên tiến hành ngâm rửa khi có thời gian (tạm ngừng sản xuất)
 Khi tiến hành sửa chữa, tháo lắp trang thiết bị phải đưa tới nhiệt độ diệt trùng
đủ cao và duy trì trong thời gian đủ lâu. Đảm bảo bộ lọc khí luôn trong trạng thái làm
việc tốt, đạt chỉ tiêu chất lượng. Thường xuyên kiểm tra các thiết bị như máy bơm,
máy nén, van, thiết bị trao đổi nhiệt, tránh dò dỉ tại bất cứ điểm nào trên toàn hệ
thống
Các ion Na
+
, K
+
,Cl
-
, Br
-
có mặt là do quá trình vệ sinh rửa lại bằng nước chưa
triệt để. Các hóa chất diệt trùng vẫn còn bám trên bề mặt các thiết bị. Để giảm hiện
tượng này phải lưu ý sử dụng nồng độ và lượng chất tẩy rửa vừa đủ, tiến hành súc rửa
lại nhiều lần bằng nước.
Gốc sunfit có trong mật rỉ hay gốc CN
-
có trong nguồn nguyên liệu tinh bột sắn
là điều không thể tránh khỏi. Để đảm bảo men không bị stress ta phải tính toán pha
loãng nguyên liệu tới độ Bx phù hợp đảm bảo trong giới hạn sinh trưởng và phát triển
bình thường của nấm men.
4.12 Phá bọt trong thùng lên men
Phản ứng lên men sinh CO

2
. Lượng CO
2
này tạo ra một lượng bọt khí lớn trên
bề mặt dịch lên men, trong thùng lên men. Lớp bọt dày điền đầy một thể tích đáng kể
phía trên thùng lên men (phần thể tích chứa CO
2
thu hồi). Áp suất CO
2
cao hay hàm
lượng CO
2
trong thùng lên men cao gây ức chế phản ứng lên men và làm giảm đáng kể
hiệu suất lên men. Bên cạnh đó, nếu bọt dâng quá cao sẽ bị tràn ra khỏi thùng lên men
dẫn tới hao tổn dịch lên men (làm giảm hiệu suất lên men)
Việc phá bọt trong thùng lên men là hết sức cần thiết để nâng cao hiệu suất lên
men. Thông thường người ta hay sử dụng các chất có khả năng phá sức căng bề mặt
tốt, rẻ tiền và không gây stress cho men. Người ta có thể sử dụng các chiết suất dầu
thực vật,… Thông thường một lượng chất phá sức căng bề mặt sẽ được bơm vào thùng
lên men khi chiều cao bọt đạt tới một giới hạn xác định.
III. Các thông số kỹ thuật và lưu ý vận hành để thu được hiệu xuất lên men tối ưu
1 Các thông số kỹ thuật chính
Qua việc phân tích, tìm hiểu tất cả các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lên men
ta có thể thống kê lại một số thông số kỹ thuật chính cho quá trình lên men như sau:

Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tuyên
TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT LÊN MEN 21

Các thông số kỹ thuật
tối ưu

Nguyên liệu đầu vào
Mật rỉ đường
Sắn lát
Lựa chọn công nghệ
Liện tục, có hồi lưu men
Gián đoạn, không hồi lưu men
Chủng men
Chìm
Nổi
Nhiệt độ đường hóa

35 ÷ 62
0
C
pH đường hóa

4 ÷ 5



Hệ enzym dùng trong
đường hóa và nhân
giống men




Không cần dùng
- Super star/ Termosacc: 2 ÷ 4
pao/ 1000 galon dịch.

- Lactoside : 1 ÷ 3 ppm.
- Alcoholaza II L400: 0,06%
khối lượng bột đầu vào
- Thermosaoc
- Rhyzozim: 0,03 ÷ 0,04 % so
với khối lượng bột đầu vào.

Nồng độ đường trong
lên men
13 – 15%
1 ÷ 2%
% Rượu trong lên men
7 ÷ 8%
7 ÷ 8%
pH trong lên men
4,2 ÷ 4,6
4 ÷ 5
Nhiệt độ lên men
32 ÷ 34
0
C
28 – 30
0
C
Bổ sung N
Khoảng 30 mg/100ml
Khoảng 30 mg/100ml
Bổ sung P
Không cần
Có bổ sung

S,Mg,Ni,…
Vết
Vết

Đối với mỗi loại nguyên liệu, mỗi loại công nghệ, mỗi chủng men đều có sự
khác biệt nhất định trong việc tìm ra các thông số làm việc tối ưu. Chính vì thế trong
các trường hợp cụ thể ta phải xem xét, thí nghiệm để có thể tìm ra các điều kiện tối ưu
riêng. Các thông số được nêu ra trên đây chỉ mang tính chất tương đối.
2. Lưu ý vận hành để thu được hiệu xuất lên men tối ưu
Đảm bảo thùng chứa, thùng lên men, đường ống, máy bơm, máy nén và các
thiết bị liên quan khác phải được thanh trùng trước khi sử dụng. Khi vệ sinh diệt trùng
phải tuân thủ đầy đủ, đúng đắn các bước tiêu chuẩn đã đề ra.
Đảm bảo môi trường tiệt trùng cho quá trình nhân giống. Thời gian chuẩn bị
môi trường ở cấp nhân giống sau được tính toán sao cho khớp với thời gian đạt chỉ tiêu
nhân giống ở cấp trước
Cố gắng đưa các thông số kỹ thuật tới mức tối ưu sau đó duy trì và ổn định các
thông số đó
Người thực hiện: Nguyễn Mạnh Tuyên
TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT LÊN MEN 22

Trong khi vận hành dây chuyền công nghệ phải chú ý theo dõi sát sao, tỉ mỉ, ghi
chép lại các thông số kỹ thuật của quá trình lên men. Phát hiện kịp thời khi có sự thay
đổi bất thường.
Phòng KCS phải lấy mẫu, phân tích mẫu đúng điểm, đúng thời gian quy định.
Phân tích mẫu cẩn thận, chính xác. Cung cấp kết quả nhanh chóng cho kỹ thuật vận
hành.
Khi gặp sự cố, ngay lập tức tiến hành thu thập thông tin, đánh giá xem xét
thông tin, phân chia mức độ ưu tiên và xây dựng, vạch ra kế hoạch hành động. Sau khi
xử lý sự cố xong phải nhìn nhận lại vấn đề, lập báo cáo và rút kinh nghiệm.