Nguyên lý quá trình lên men ethanol và ứng dụng

Chương VII:
CÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN
LÊN MEN ETHANOL & ỨNG DỤNG


I. MỞ ĐẦU


I.1. Định nghĩa
• Lên men ethanol là sự chuyển đường thành rượu ethanol
trong điều kiện yếm khí nhờ VSV.
• Cơ sở sinh hóa của quá trình lên men rượu?
• Hiệu ứng Pasteur: là sự ức chế quá trình lên men ethanol khi
có mặt của O2.


I.2. Vi sinh vật
• Nấm men
– Saccharomyces
cerevisiae, Sac. uvarum
(Sac. carlsbergensis).
– Schizosaccharomyces
pombe: hình que, sinh
sản bằng phân cắt.
– Kluyveromyces: sinh sản
bằng bào tử túi 1-60 bào
tử / túi.

• Vi khuẩn
– Sarcira ventriculi: con
đường tạo thành ethanol

theo kiểu nấm men.
– Zygomonas
mobilis:
glucose được phân giải
theo con đường KDPG.
– Một số vi khuẩn đường
ruột và Clostridium
– Leuconostoc
mesenteroides


Sacchromyces cerevisiae
• Hình thái
• Sinh sản
• Nguồn cơ chất
– Cacbon:
•
•

Dùng đường: glucose, fructose,
maltose, saccharose, raffinose…
Không
dùng:
galactose,
xylose,
arabinose, lactose, cellobiose, dextrin,
tinh bột…

– Nitơ
•

•

+
Vô cơ: NH4 (dạng phosphate, sunphate), không dùng
nitrate, nitrite.
Hữu cơ: acid amin, peptide

– Khoáng và các yếu tố sinh trưởng
– Sinh trưởng: Topt 28-30oC, pHopt
4-5,5
– Trao đổi chất & năng lượng:
•
•

Hô hấp hiếu khí: cơ chất đường → EMP, chu trình Krebs,
chuỗi hô hấp → H2O, CO2, ATP
Lên men: cơ chất đường → EMP → ethanol, CO2, ATP.


I.3. Ứng dụng
• Sản xuất ethanol
• Sản xuất thức uống lên men: bia, rượu vang, nước quả lên
men (không chung cất), cognac, rhum, whisky (có chưng cất)…
• Chế biến các sản phẩm truyền thống: cơm rượu, bánh mì…


II. SẢN XUẤT ETHANOL


Quy trình công nghệ

Nguyên liệu

Xử lý nguyên liệu

Lên men

Chưng cất

Tinh chế

Cồn tinh luyện


Nguyên liệu

• Nguyên tắc:
– Nguyên liệu có chứa đường lên men được,
– Nguyên liệu chứa glucid có thể chuyển hoá thành đường lên
men được → sản xuất cồn etylic.

• 3 nhóm nguyên liệu:
– Nguyên liệu chứa đường: rỉ đường từ mía hoặc củ cải
đường, nước mía, trái cây chín…
– Nguyên liệu chứa tinh bột: gạo, ngô, lúa mì, đại mạch, khoai
củ…
– Nguyên liệu chứa nhiều cellulose: rơm rạ, gỗ vụn, mùn cưa…


Nguyên liệu
Xử lý nguyên liệu

• Rỉ đường: là phế phẩm
của CNSX đường.
– 50-60% chất khô, tách tạp
chất
– Diệt khuẩn: gia nhiệt hoặc
dùng natri fluosilicate
– Hiệu chỉnh pH
– Bổ sung dung dịch: nitơ
(đạm), các yếu tố sinh
trưởng khoáng…
– Pha loãng tới nồng độ lên
men: 14-16% chất khô.

• Tinh bột:

– Tinh bột + nước → huyền phù
(tinh bột không tan / nước).
– Hồ hóa: tinh bột + nước + to →
tinh bột hút nước (nhờ nhóm
OH-) – hydrate hóa.
– Đường hóa: tinh bột – thủy phân
→ dextrin → đường.
•
•
•

Amilase / malt
Amilase / nấm mốc (Asp.oryzae, Rhizopus…), vi khuẩn
(Bacillus subtilis…)

o
Termamyl (Bacillus licheniformic 93 C), Fungamyl
(Asp.oryzae)

– Hiệu chỉnh pH;
– Hiệu chỉnh nồng độ cơ chất cho
lên men.


Nguyên liệu
Xử lý nguyên liệu
Lên men

• Nhân giống nấm men:
– Gia tăng số lượng (sinh khối)
và chất lượng (trạng thái
sinh lý tối ưu của tế bào).
– ổn định đặc tính của tế bào
– Lam quen voi moi truong len
men thuc te
– Yêu cầu của dịch giống:
•
•
•

6
100-120.10 tế bào/ml
10-11% nẩy chồi
Tế bào chết < 5%

– Nguyên tắc:
•
•
•
•

Tăng dần về thể tích (5-10 lần).
o
Điều kiện: 25-28 C, thời gian 12-24 giờ. Nấm men
ở cuối pha sinh trưởng đầu pha ổn định.
Thay thế dần dịch nha - bằng môi trường lên men.
Thay thế dần điều kiện & thiết bị nhân giống bằng điều kiện & thiết bị lên men.


Nguyên liệu
Xử lý nguyên liệu
Lên men

• Lên men:
– Mục đích: thu nhiều rượu
– Các yếu tố ảnh hưởng:
•
•
•
•
•

o
Nhiệt độ: Topt 28-32 C
pH: pHopt 4,5-5,0

Nồng độ dịch lên men: nồng độ chất khô 16-18%, khoảng 13-15% đường.
Sục khí: O2

o

giai doan dau cua qua trinh len men

Nồng độ rượu tạo thành: 12-14%

– Chỉ tiêu đánh giá chất lượng: thời gian lên men, hiệu suất
sinh tổng hợp ethanol, đường sót.


Nguyên liệu

Xử lý nguyên liệu

• Dịch sau lên men (dấm chín) 8-10%
ethanol, nước, ester, aldehyde, rượu
cao phân tử, đường sót… → tách rượu
khỏi dấm chín.
• Chưng cất: tách rượu và tạp chất dễ bay
khỏi dấm chín → cồn thô (82-87% thể
tích).
• Tinh chế: tách tạp chất khỏi cồn thô →
nâng cao nồng độ cồn (94-96% thể
tích).

Lên men

Chưng cất

Tinh chế

Cồn tinh luyện


•

Chưng cất: là quá trình tách
những thành phần riêng biệt
trong một hỗn hợp chất lỏng có to
sôi khác nhau (to bay hơi khác
nhau).

•

– Ở áp suất thường, to sôi của rượu
78oC, nước 100oC
– Khi chưng cất → rượu sẽ bốc hơi
trước → tách rượu ra khỏi nước.
– Cồn thô: rượu etylic, các tạp chất
dễ bay hơi (ester, aldehyde, acid,
rượu cao phân tử…).

•

Tinh chế (chưng cất phân đoạn):
là tách tạp chất dễ bay hơi ra khỏi
rượu, dựa vào to bay hơi khác

nhau của các cấu tử có trong cồn
thô.
3 loại tạp chất:
– Đầu: to sôi < to sôi rượu, gồm
những chất dễ bay hơi hơn rượu
(ester, aldehyde).
– Cuối: to sôi > to sôi rượu, tồn tại
dưới đáy tháp (dầu fusel).
– Giữa: khó tách ra khỏi rượu
(isobutyrate,
isovalerianate
etyl…).


• Hiệu suất:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
180
2.46
100
H? → H = 51%
– Theo lý thuyết: H ~ 50%
– Thực tế: thấp hơn vì:
•
•
•

Có sản phẩm phụ lẫn vào môi trường.
Có một phần cồn bị bay hơi trong quá trình phản ứng.
Luôn có một lượng đường sót vì cồn sinh ra ức chế sự hoạt động của nấm men.

Phương pháp sản xuất rượu điển hình
• Amylo:
– Dùng nấm mốc Amylomyces rouxii (Mucor
rouxii) vừa có tác dụng đường hóa vừa rượu
hóa.
– Nấm mốc → cấy trực tiếp vào MT tinh bột
→ mốc phát triển, thủy phân tinh bột thành
đường.
– Sau 1 ngày, cho nấm men vào, xảy ra đồng
thời 2 QT đường hóa, rượu hóa.
– Sau 3 ngày mốc → chết, vì độ rượu cao.
– Lên men rượu 5-7 ngày → dừng.
– Thuỷ phân & lên men trong cùng một thiết
bị.


• Mycomalt:
– Dùng nấm mốc Aspergillus oryzae.
– Nuôi riêng nấm mốc trên MT cám → đưa
vào MT có tinh bột, để thủy phân, t 4-6h.
– Cho nấm men vào lên men tiếp tục trong
48h → kết thúc.
– Thuỷ phân và lên men ở 2 thiết bị riêng.


III. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
MỘT SỐ LOẠI RƯỢU ĐẶC SẢN
Ở VIỆT NAM & THẾ GIỚI

III.1. CNSX rượu nếp than
Gạo nếp than

• Rượu nếp than có 2
loại:
– Rượu nếp than dạng
đục,
– Rượu nếp than dạng
trong, sau khi hãm cồn
→ lọc → thu dịch lọc
đem tàng trữ, tạo
hương.

Xử lý
Nấu chín
Men thuốc bắc

Để nguội

Nghiền mịn

Phối trộn
Lên men
Làm nhuyễn
Hãm cồn
Thành phẩm


•

•

•

Gạo nếp than: trồng nhiều ở vùng Nam Bộ → Rượu nếp than chỉ được sản
xuất ở vùng Nam Bộ.
Bánh men thuốc Bắc: là một loại men được sản xuất thủ công, từ các NL
sau: bột gạo, men giống, các vị thuốc Bắc. Bánh men chứa giống VSV: VK
(VK lactic, VK acetic), nấm mốc (Aspergillus, Mucor, Rhizopus, Penicillium),
nấm men (Sacharomyces, Endomycopsis).
Các QT VSV:
– Thời gian đầu của QTLM, các VK thường làm chua MT → giảm pH →
thích hợp cho nấm mốc, nấm men hoạt động.
– Nấm mốc chỉ phát triển mạnh trong GD chuyển tinh bột thành đường.
– Thực chất sự phát triển của VSV trong khối LM là đồng thời, nhưng
không cùng một mức độ. Nó không có sự phân chia rỏ ràng như trên.


• Giải thích QTCN:
– Xử lý: NL được ngâm vào nước sạch → tách các chất bẩn bám vào NL,
ngoài ra còn nhằm mục đích làm mềm gạo, làm trương nở để dễ nấu
chín sau này.
– Phối trộn: rắc men thuốc Bắc (28-30g men/kg NL) → trộn đều → cho
vào hủ có miệng nhỏ, không đậy nắp trong t 4h (nhằm cung cấp oxy
cho QT tăng sinh khối VSV) → đậy nắp, tiến hành QTLM.
– Lên men: ở t thường, 3 QT sảy ra: tăng SK, đường hóa, rượu hóa.
– Hãm cồn: sau khi LM HL cồn đạt 7-10%, với HL cồn này sẽ rất khó BQ,
chất lượng rượu không cao → thêm cồn, tăng HL cồn trong SP, tăng
khả năng BQ → tàng trữ ít nhất 6 tháng → ổn định rượu và tạo hương.
Màu rượu tương tự như màu của NL, mùi đặc trưng, HL cồn thấp.

III.2. CNSX rượu làng Vân
• Rượu Làng Vân là loại rượu được SX
ở một vùng quê Hà Bắc, rất nổi
tiếng ở miền Bắc. Rượu này được
SX từ loại gạo nếp đặc biệt của vùng
này.
• Khi chưng cất → thu 2 đợt rượu:
– Đợt đầu: thu được rượu có nồng
độ 45-65%
– Đợt sau: thu được rượu có nồng độ
25-30%

• Rượu sau chưng cất trong suốt.
• Công nghệ này giống với công nghệ
SX rượu cao độ ở các nước phương
Tây (Whisky, Voska)

Nguyên liệu
Xử lý
Nấu chín
Men thuốc bắc

Để nguội

Nghiền mịn

Phối trộn
Lên men

Chưng cất
Thành phẩm




III.3. CNSX rượu cần
Nguyên liệu
Xử lý
Nấu chín
Để nguội
Trấu, Men lá

Phối trộn
Ủ trong gùi
Lên men/ché
Thành phẩm