TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BỂ PHẢN ỨNG CHO QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG HÓA BỔ SUNG ENZYME AMYLASE TRONG SẢN XUẤT ETHANOL TỪ TINH BỘT SẮN VỚI NĂNG SUẤT 30000 LÍTNGÀY

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC & KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

THIẾT KẾ BỂ PHẢN ỨNG SINH HỌC

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BỂ PHẢN ỨNG
CHO QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG HÓA BỔ SUNG
ENZYME AMYLASE TRONG SẢN XUẤT
ETHANOL TỪ TINH BỘT SẮN VỚI
NĂNG SUẤT 30000 LÍT/NGÀY

NHÓM: 1
GVHD: TS. PHẠM MINH TUẤN

TP.HCM, tháng 10 năm 2017DANH SÁCH NHÓM


Thiết kế bể phản ứng sinh học
STT
1
2
3
4
5

Họ và tên
Trần Hạ Nghi
Văn Mỹ Diệu
Huỳnh Thị Duyên
Dương Thị Diễm My

Lê Hoàng Yến Vy

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn
MSSV
2008140452
2008140436
2008140052
2008140398
2008140378


Thiết kế bể phản ứng sinh học

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU
Tinh bột là sản phẩm tự nhiên quan trọng nhất có nhiều ứng dụng trong kỹ
thuật và trong đời sống con người, đặc biệt là trong công nghiệp thực phẩm. Để thuỷ
phân tinh bột từ lâu người ta đã sử dụng acid vô cơ như HCl và H 2SO4. Nhưng kết quả
cho thấy, thuỷ phân bằng acid rất khó kiểm soát và thường tạo nhiều sản phẩm không
mong muốn và không đáp ứng tiêu chuẩn an toàn thực phẩm. Do vậy, việc thay thế và
ứng dụng enzyme để thuỷ phân tinh bột là một kết quả tất yếu của lịch sử phát triển.
Enzyme amylase được dùng rất phổ biến và đóng vai trò rất quan trọng cho
nhiều ngành công nghiệp chế biến thực phẩm như sản xuất bánh mì, rượu, bia, nhiên
liệu sạch,…
Trong những năm gần đây, cùng với sự leo thang của giá xăng dầu gây nhiều
tác động tiêu cực đến nền kinh tế thế giới việc tìm kiếm những nguồn năng lượng
sạch, có khả năng tái tạo để thay thế một phần xăng dầu trở thành một vấn đề cấp thiết

và được nhiều quốc gia quan tâm. Một trong những hướng đi hiệu quả là sử dụng
ethanol để pha vào xăng vừa làm tăng chỉ số octane, vừa có tác dụng giảm ô nhiễm
môi trường tác động tích cực đến nền kinh tế thế giới.
Do vậy, việc sử dụng enzyme amylase ở giai đoạn đường hóa mang lại nhiều
lợi ích trong quá trình sản xuất ethanol như tăng năng suất, giảm chi phí cho quá trình
tinh sạch,...
Với những lí do như trên, đề tài: “Tính toán, thiết kế bể phản ứng cho quá
trình đường hóa bổ sung enzyme amylase trong sản xuất ethanol với năng suất
30000 lít/ngày” nhằm bước đầu xây dựng quy trình sản xuất ethanol nhiên liệu phục
vụ cho nhu cầu năng lượng ngày càng tăng ở nước ta cũng như trên thế giới.

Nhóm 1

Trang 3


Thiết kế bể phản ứng sinh học

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Tổng quan về ethanol

1.1.1. Lịch sử phát triển nguồn nhiên liệu ethanol
Từ lâu ethanol đã được con người sử dụng như một thành phần gây cảm giác say
trong đồ uống chứa cồn. Việc chưng cất thu nhận ethanol dưới dạng tương đối tinh
khiết được thực hiện lần đầu tiên bởi các nhà giả kim thuật Hồi Giáo và họ là những
người đầu tiên đã phát triển công nghệ chưng cất rượu trong thời kỳ ấy. Từ 801-873,

Al-Kindi đã miêu tả quá trình chưng cất rượu, việc loại bỏ ethanol ra khỏi nước có thể
tạo ra các sản phẩm chứa đến 96% ethanol tinh khiết. Ethanol tinh khiết lần đầu tiên
được nhà khoa học Johann Tobias Lowitz thu nhận vào năm 1796 bằng cách lọc qua
than củi [1].
Năm 1807, ethanol được Antoine Lavoisier mô tả như là một hợp chất của cacbon,
hidro và oxi, không lâu sau đó Nicolas-Théodore de Saussure đã xác định được công
thức hóa học của nó. Năm 1858, Archibald Scott Couper đã công bố công thức hóa
học của ethanol, ethanol là 1 trong những hợp chất hóa học đầu tiên được xác định
công thức hóa học [2] .
Năm 1825, Michael Faraday đã tổng hợp thành công ethanol nhân tạo. Khoảng
những năm 1840, ethanol đã được sử dụng làm nhiên liệu đốt đèn ở Hoa Kỳ sau này
nó được biết đến như nguồn nhiên liệu cho động cơ đốt và được ứng dụng ở nhiều
nước như Anh, Pháp, Mĩ, Canada, Brazil…
Năm 1826, nguyên mẫu đầu tiên của động cơ đốt trong được đưa ra bởi Samuel
Morey, USA là tiền đề quan trọng cho việc phát triển của nguồn nhiên liệu ethanol.
Động cơ nổ đầu tiên trên thế giới do Nikolaus August Otto (người Đức) thiết kế
sử dụng nhiên liệu sinh học thể lỏng là rượu cồn – ethanol.
Năm 1908, Henry Ford xây dựng mô hình sử dụng ethanol để cung cấp nguồn
năng lượng cho động cơ. Nhưng cuối cùng công nghiệp dầu mỏ vẫn “chiến thắng” khi
cạnh tranh với ethanol vì vậy trong suốt thập niên 1970, vấn đề “thương mại hóa”
ethanol trong giao thông vận tải luôn được thúc đẩy phát triển.
Năm 1972, cuộc khủng hoảng dầu mỏ do khối OPEC (Organization of Petroleum
Exporting Countries – tổ chức các nước xuất khẩu dầu mỏ) diễn ra và làm ảnh hưởng
đến vấn đề an ninh năng lượng quốc gia. Vào thời điểm đó cơ quan bảo vệ môi trường
(EPA) đã tìm kiếm một chất thay thế cho chì trong gasoline để gia tăng chỉ số octane
và ethanol trở nên có giá trị.
Đầu thế kỷ 21, ethanol đã trở thành nhiên liệu được ưu tiên hàng đầu trong xây
dựng chiến lược về năng lượng tại Mỹ, Tây Âu, Nhật, Brazil [2].
Nhóm 1

Trang 4


Thiết kế bể phản ứng sinh học

•
-

+
+
+
+
+
+
+

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

1.1.2. Các tính chất lý – hóa của ethanol
Tính chất vật lý
Ethanol là chất lỏng, không màu, trong suốt, nhẹ hơn nước, có mùi thơm đặc trưng, dễ
bay hơi, dễ cháy.
Hòa tan trong nước và nhiều chất vô cơ như: CaCl 2, MgCl2, SiCl4, KOH…và nhiều
chất khí: H2, N2, O2, SO2, CO2…, hòa tan được nhiều chất hữu cơ nhưng không hòa tan
được tinh bột disaccharit…
Các thông số vật lý của ethanol.
Tỷ trọng: d420 = 0.789 (g/cm3), d415 = 0.794(g/cm3)…
Phân tử lượng: 46.07 g/mol.
Nhiệt độ sôi: 78.320C ở áp suất 760 mmHg, nhiệt độ bắt lửa 1200C.
Nhiệt dung riêng: 0.548 kJ/kg.độ (ở 200C) và 0.769 kJ/kg.độ (ở 600C).

Năng suất tỏa nhiệt: 6642÷7100 kJ/kg.độ.
Hệ số khúc xạ là 1.362 ( ở = 589,3 nm và 18.35oC).
• Tính chất hóa học
Công thức hóa học là C2H5OH hay CH3CH2OH viết tóm tắt là C2H6O.

Hình 1. Cấu trúc phân tử của ethanol
+ Do cấu trúc phân tử rượu gồm hai thành phần: gốc etyl và nhóm hydroxyl nên tính
chất hóa học của rượu etylic phụ thuộc vào bản chất của hai thành phần hóa học đó.
+ Phản ứng oxy hóa
Tùy theo cường độ oxy tác dụng, rượu sẽ bị oxy hóa theo ba mức thành aldehyde,acid
hữu cơ hoặc thành CO2 và H2O.
2C2H5 OH + O2
Nhẹ
2CH3CHO + 2H2O
2C2H5OH + O2
Vừa đủ
CH3COOH + 2H2O
C2H5OH + 3O2
Mãnh liệt
2CO2 + 3H2O
+ Ngoài ra còn có phản ứng thế với kim loại kiềm và kiềm thổ, phản ứng este hóa giữa
rượu và acid, phản ứng loại nước,...
1.1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới
• Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới
- Trong sản xuất xăng dầu, việc dùng thanol để thay thế các chất phụ gia MTBE
(metyltert butyl ete) đã được nghiên cứu, tiến hành trong nhiều năm qua được nhiều
quốc gia quan tâm. Người ta sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu khác nhau
như: ngô, sắn, mía, đường...
Nhóm 1

Trang 5


Thiết kế bể phản ứng sinh học
-

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

Mỹ: Là một trong 2 nước sản xuất ethanol lớn nhất thế giới với một chương trình
ethanol nhiên liệu cụ thể do lệnh cấm sử dụng MTBE vào năm 2003.Tổng công suất
sản xuất ethanol nhiên liệu ở Mỹ đến năm 2003 sẽ đạt 3,5 tỷ galon, tương đương 13 tỷ
lít. Tương lai, Mỹ có thể vượt Braxin, nước sản xuất etanol lớn nhất trên thế giới hiện
nay vào năm 2004.
Bảng 1: Tình hình sản xuất ethanol tại Mỹ từ năm 1981 – 2010 (đơn vị 1000 lít)
Năm
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995

+

+

+

•

Sản xuất
Năm
Sản xuất
314
1996
3685
854
1997
4877
1572
1998
5319
1932
1999
5546
2336
2000
6414
2695
2001
6682

3100
2002
8101
3145
2003
10616
3190
2004
12887
2830
2005
14780
3279
2006
18489
3729
2007
24685
4370
2008
35237
4879
2009
41404
5139
2010
50338
(Nguồn: www.eia.doe.gov)
Tây Ban Nha: sẽ trở thành nhà sản xuất ethanol sinh học lớn nhất ở châu âu vào năm
2004, khi nhà máy thứ 3 và là nhà máy lớn nhất của nước này đi vào hoạt động vào

năm 2004.
Trung Quốc: Chính phủ nước này vừa công bố các dự án tăng cường công suất sản
xuất etanol nhiên liệu tới 1,6 triệu tấn, tương đương 2 tỷ lít/năm. Ngoài ra, một nhà
máy sản xuất etanol tổng hợp mới được xây dựng sẽ đi vào hoạt động vào năm 2005.
Thái Lan: Chính phủ nước này có kế hoạch tăng sản lượng etanol nhiên liệu lên tới
650 triệu lít vào năm 2003 từ nguyên liệu chính là sắn, ngô, mía đường.
Trong quá trình sản xuất ethanol sinh học có thể phân thành 2 công đoạn là công
đoạn lên men nhằm sản xuất ethanol có nồng độ thấp và công đoạn làm khan để sản
xuất ethanol có nồng độ cao để phối trộn vào xăng.
Tình hình tiêu thụ ethanol trên toàn thế giới
Hiện nay, tình hình sử dụng ethanol trên thế giới phát triển rất mạnh mẽ. Nhiều nhất là
ở Brazil, tiếp theo đó là các nước Mỹ, Eu, Trung Quốc,…Tại Đông Nam Á, Thái Lan
là nước đứng đầu về sản xuất và sử dụng ethanol làm nhiên liệu, khoảng 1,5-1,6 triệu
tấn/năm.
Bảng 2: Sản lượng bio-ethanol được sử dụng trên thế giới (năm 2006)
Nhóm 1

Trang 6


Thiết kế bể phản ứng sinh học
Quốc gia
Braxin
Mỹ
EU
Trung Quốc
Ấn Độ
Thái Lan

-

-

-

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn
Số lít sản xuất mỗi năm
20.5 tỷ lít
22.3 tỷ lít
341250000 lít
3.8 tỷ lít
1.7 tỷ lít
400000000 lít

1.1.4. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol ở nước ta
Việt Nam có tiềm năng lớn về nguồn nguyên liệu mía đường, sắn, có sức lao động dồi
dào, bên cạnh đó, khu công nghiệp lọc hóa dầu Dung Quất có tốc độ đầu tư đang phát
triển nhất khu vực, là môi trường thuận lợi, tiềm năng cho sự phát triển các ngành
công nghiệp chiến lược của đất nước.
Sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam cũng được nhiều đối tác nước ngoài rất quan
tâm. Đáng chú ý trong số này là các dự án JICA – Nhật Bản hỗ trợ Việt Nam nghiên
cứu sản xuất nhiên liệu sinh học sử dụng các loại phế phẩm bã mía, rơm rạ, dự án do
chính phủ Hà Lan tài trợ sử dụng trấu, vỏ cà phê, trái điều vỏ điều,...
Tổng công suất hằng năm của các nhà máy sản xuất bio-ethanol tại Việt Nam khoảng
106 triệu lít, trong đó nhà máy cồn Lam Sơn có công suất lớn nhất (27 triệu lít, chiếm
27%). Các nhà máy còn lại đều có công suất nhỏ hơn 10 triệu lít/năm (phổ biến từ 3-6
triệu/năm). Trong số 14 nhà máy thì có 9 nhà máy được sử dụng nguyên liệu đầu vào
là mật rỉ, 5 nhà máy sử dụng tinh bột.
Bảng 3: Công suất nhà máy sản xuất ethanol ở Việt Nam năm 2007
STT

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

Nhóm 1

Cơ sở sản xuất
NM rượu Hà Nội
NM rượu Đồng Xuân
NM cồn Quảng Ngãi
NM rượu Bình Tây
NM đường Lam Sơn
NM đường Hòa Bình
NM đường Sông Lam
NM cồn Hiệp Hòa
NM rượu Bình Định
NM một số cơ sở tư nhân
NM cồn Tuy Hòa
NM cồn Nagarjuna

NM cồn Xuân Lộc, Đồng Nai
NM cồn Bình Tây

Công suất ( triệu lít/năm)
3.0
3.0
3.0
3.0
27
2.0
1.0
6.0
9.0
10
6.0
2.0
6.0
6.0

Trang 7

Nguyên liệu
Tinh bột sắn
Tinh bột sắn
Mật rỉ
Tinh bột sắn
Mật rỉ
Mật rỉ
Mật rỉ
Mật rỉ

Mật rỉ
Mật rỉ
Mật rỉ
Mật rỉ
Tinh bột sắn
Tinh bột sắn


Thiết kế bể phản ứng sinh học
1.2.

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

Tổng quan về sắn

1.2.1. Vị trí và phân loại
• Vị trí

•
+
+

+

+
+
+

Giới:
Plantaeae

Ngành: Angiospermae
Lớp:
Eudicots
Bộ:
Malpighiales
Họ:
Euphorbiaceae
Chi:
Manihot
Loài:
M. Esculenta
Tên khoa học: Manihot Esculenta
Hình 2. Cây sắn (Manihot esculenta)
Tên gọi khác: Khoai mì
Phân loại
Sắn gồm nhiều giống khác nhau. Nhân dân ta thường căn cứ vào kích thước, màu sắc
củ, thân, gân lá mà phân loại:
Sắn dù: Cây thấp (không quá 1,2m), đốt ngắn, thân cây khi non màu xanh nhạt, cuống
và gân lá màu hơi trắng, lá xòe như cái ô. Vỏ gỗ nâu sẫm, vỏ cùi và thịt sắn đều trắng.
Hàm lượng axit xyanuahydric cao ăn bị ngộ độc, hàm lượng bột cao.
Sắn vàng: Khi còn non thân cây màu xanh sẫm, cuống lá màu đỏ, có sọc nhạt. Củ sắn
dài, to, vỏ gỗ màu vàng nâu, vỏ cùi màu trắng, thịt sắn màu vàng nhạt, khi luộc màu
vàng rõ rệt hơn, mềm, ít xơ, ít nhựa, ăn dẻo thơm, không gây ngộ độc.
Sắn đỏ: Thân cây cao (3m), khi non màu xanh thẫm, đốt dài, cuống và gân lá màu đỏ
thẫm. Củ dài, to, vỏ gỗ màu nâu đậm, vỏ cùi dày màu hơi đỏ, thịt trắng.
Sắn trắng: Thân cây cao, khi non màu xanh nhạt, cuống và gân lá đỏ. Củ ngắn, mập,
vỏ gỗ màu xám nhạt, thịt trắng. Khi luộc bở, thơm, ít nhựa.
Trong công nghệ sản xuất tinh bột người ta phân thành hai loại là sắn đắng và sắn
ngọt. Sắn đắng có hàm lượng axit xyanuahydric cao, ăn bị ngộ độc, hàm lượng tinh bột
cũng cao, không dùng để ăn tươi mà chỉ để sản xuất bột và sắn lát. Sắn ngọt có hàm

lượng axit xyanuahydric thấp, hàm lượng bột cũng thấp hơn, dễ chế biến và sử dụng.
1.2.2. Nguồn gốc và phân bố
Là cây lương thực có nguồn gốc từ lưu vực sông Amazone Nam Mỹ. Đến thế kỉ
XVI, sắn được trồng nhiều ở Châu Á và Châu Phi.
Sắn là cây dễ trồng, có thể thích hợp với đất đồi, gò. Sản lượng sắn tương đối ổn
định và cao. Củ sắn nhiều tinh bột, nên sản lượng tinh bột trên một đơn vị diện tích
canh tác khá hơn so với nhiều loại cây trồng khác.

Nhóm 1

Trang 8


Thiết kế bể phản ứng sinh học

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

Ở Việt Nam sắn được trồng từ Bắc tới Nam, được trồng nhiều ở các vùng trung
du. Hằng năm, nước ta xuất khẩu khoảng 1.2 triệu tấn lát xuất khẩu, chúng ta có thể
sản xuất được ít nhất 400 triệu lít ethanol/năm và với tỷ lệ 10% ethanol pha vào xăng
thì lượng ethanol nói trên đủ đáp ứng 50% nhu cầu ethanol sinh học hiện tại của thị
trường xăng [3]

+
+

+
+

1.2.3. Đặc điểm sinh học

Thân
Thân có chiều cao trung bình 1,5 m; có khi cao 2÷3 m. Đường kính ở gốc thân biến
động từ 2÷6cm. Thân có thể phân nhánh hoặc không phân nhánh tuỳ vào giống.
Các giống sắn khác nhau thì thân sắn có màu sắc khác nhau. Thông thường thân non
có màu xanh hoặc có màu đỏ tía, thân càng già màu sắc thân cũng biến đổi thành màu
vàng tro hay xám lục.
Trên thân sắn có nhiều mắt xếp xen kẽ nhau, đó là dấu vết của lá rụng để lại. Chiều dài
lóng được tính từ mắt lá này đến mắt lá khác thẳng hàng trên thân.
Cấu tạo của thân gồm các phần chính:
Tầng biểu bì (lớp bần): mỏng, có màu sắc đặc trưng của thân cây sắn, có nhiệm
vụ bảo vệ các phần trong thân.
Tầng nhu mô vỏ: tế bào khá lớn, bao gồm các mô mềm của vỏ.
Tầng tế bào hóa gỗ (còn gọi là tầng ligin): cứng, ở giữa có lõi thẳng giúp cây sắn
cứng và đứng thẳng được.
Lõi (ruột rỗng): là một khối hình trụ màu trắng, xốp, kéo dọc suốt giữa thân,
chứa nhiều khí và nước.

Hình 3. Thân sắn và cấu trúc của thân sắn
Lá
Có gân lá nổi rõ ở mặt sau. Lá mọc so le, xếp trên thân theo đường xoắn ốc.
Lá non ở ngọn sắn có màu xanh hay tím. Lá già màu xanh, chiều dài từ 8÷20 cm, chiều
rộng 1÷6 cm. Mặt trên lá có màu xanh thẫm, mặt dưới có màu xanh nhạt.
+ Cuống lá dài khoảng 9÷20 cm có màu xanh, tím hoặc xanh điểm tím tùy giống
+
+

Nhóm 1

Trang 9

Thiết kế bể phản ứng sinh học

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

Hình 4. Lá sắn
Rễ
Mọc từ mắt và mô sẹo của hom, lúc đầu mọc ngang sau đó cắm sâu xuống đất. Theo
thời gian chúng phình to ra và tích lũy bột thành củ.
- Củ
+ Củ sắn có hai đầu nhọn, chiều dài biến động từ 25÷200 cm, trung bình khoảng 40÷50
cm. Đuờng kính củ thay đổi từ 2÷25 cm, trung bình 5÷7 cm. Nhìn chung, kích thước
và trọng lượng củ thay đổi theo giống, điều kiện canh tác và độ màu của đất.
-

-

Hình 5. Củ sắn và cấu tạo củ sắn

Cấu
tạo
của
củ

sắn bao gồm:
+ Vỏ gồm vỏ gỗ và vỏ cùi
Vỏ gỗ: Bao bọc ngoài cùng củ sắn. Màu sắc từ trắng xám tới vàng, vàng sẫm
hay nâu tùy thuộc loại giống. Thành phần cấu tạo chủ yếu là xenlulloza và
hemixenlulloza, hầu như không có tinh bột vì vậy nó rất bền, giữ vai trò bảo vệ cho củ
ít bị tác động từ bên ngoài. Vỏ gỗ rất mỏng, chiếm khoảng 0,5÷3% khối lượng toàn củ.

Vỏ cùi: Vỏ cùi dày hơn vỏ gỗ, chiếm khoảng 8÷20% khối lượng toàn củ. Vỏ cùi
mềm, ngoài xenlulloza còn có khá nhiều tinh bột (5÷8%), vì vậy để tận dụng lượng bột
này khi chế biến không tách vỏ cùi ra. Mủ sắn cũng tập trung chủ yếu trong vỏ cùi.
Trong mủ chứa nhiều tanin, enzyme, sắc tố, độc tố,…

Nhóm 1

Trang 10


Thiết kế bể phản ứng sinh học

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

Lõi sắn: Lõi sắn nằm ở trung tâm củ, dọc suốt chiều dài của củ. Thành phần chủ yếu là
xenluloza. Lõi sắn có chức năng dẫn nước và các chất dinh dưỡng giữa cây và củ,
đồng thời giúp thoát nước khi sấy hoặc phơi khô.
+ Thịt củ: Thịt củ sắn chứa nhiều tinh bột, protein và các chất khác. 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 chỉ 10÷15% so với thành phần của chúng có trong củ nhưng
vẫn gây trở ngại khi chế biến như làm biến màu.
+

-

-

1.2.4. Thành phần hoá học của củ sắn
Thành phần hóa học của sắn tươi: tinh bột 20÷34%; protein 0,8÷1,2%; chất béo
0,3÷0,4%, xenlulose 1÷3,1%, chất tro 0,54%, polyphenol 0,1÷0,3% và nước

60÷74,2%.
Sắn khô: nước 13,12%; protit 0,205%; gluxit 74,74%; chất béo 0,41%; xenlulose
1,11%; tro 1,69%.
Ngoài ra các chất kể trên trong sắn còn chứa một số vitamin và độc tố.
Trong các vitamin thì vitamin B1 và B2 mỗi loại chiếm 0,03 mg%, còn B6 chiếm 0,06
mg%. Các vitamin này sẽ mất một phần khi chế biến nhất là khi nấu.
Chất độc có trong sắn ngày nay đã được nghiên cứu và xác định tương đối rõ đó chính
là HCN tồn tại dưới dạng phazeolunatin gồm hai glucozit linamarin (C 10H17O6N) và
lotaustralin (C11H19O6N). Bình thường phazeolunatin không độc nhưng khi thủy phân
dưới tác dụng của enzyme hay axit thì các glucozit này sẽ giải phóng axit HCN gây
độc. Thông thường thì các độc tố tập trung ở cùi vỏ và ở vỏ củ.
C10H17O6N + H2O -> C6H12O6 + C3H6O + HCN
1.3.

Enzyme amylase

1.3.1. Khái niệm
Amylase là một hệ Enzyme rất phổ biến trong thế giới sinh vật . Các Enzyme này
thuộc nhóm Enzyme thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân tử trong nhóm
polysaccharide với sự tham gia của nước.
Amylase thủy phân tính bột, glycogen và dextrin thành glucose, maltose và dextrin
hạn chế. Các enzyme amylase có trong nước bọt, trong dịch tiêu hóa của người và
động vật, trong hạt nảy mầm, nấm sợi, xạ khuẩn, nấm men và vi khuẩn [5]. Amylase
của malt thủy phân tính bột lúa mạch thành disaccharide làm cơ chất cho quá trình lên
men bởi nấm men.
Amylase là một trong những loại Enzyme được ứng dụng rộng rãi nhất trong công
nghiệp, y tế, và nhiều lĩnh vực kinh tế khác, đặc biệt là trong ngành công nghiệp thực
phẩm.
Nhóm 1

Trang 11


Thiết kế bể phản ứng sinh học

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

1.3.2. Phân loại
Hiện nay, có sáu loại Enzyme Amylase được xếp vào 2 nhóm: Endoamylase (
Enzyme nội bào ) và Exoamylase ( Enzyme ngoại bào )[6].
Amylase cố nguồn gốc khác nhau sẽ có thành phần, tính chất, nhiệt độ hoạt động,
pH tối ưu và các đặc điểm thủy phân khác nhau.

Sơ đồ 1. Phân loại enzyme amylase
1.3.3. Cơ chế xúc tác
Quá trình thủy phân tinh bột bởi a-Amylase là quá trình đa giai đoạn:
+ Giai đoạn 1 (giai đoạn dextrin hóa): Chỉ một số phân tử cơ chất bị thủy phân
tạo thành một lượng lớn dextrin phân tử thấp (a-dextrin ), độ nhớt của hồ tinh bột giảm
nhanh ( các amylose và amylopectin đều bị dịch hóa nhanh ).
+ Giai đoạn 2 (giai đoạn đường hóa): Các dextrin phân tử thấp tạo thành bị thủy
phân tiếp tục tạo ra các tetra-trimaltose không cho màu với iodine. Các chất này bị
thủy phân rất chậm bởi a-Amylase cho tới disaccharide và monosaccharide. Dưới tác
dụng của a- Amylase, amylose bị phân giải khá nhanh thành oligosaccharide gồm 6-7
gốc glucose ( vì vậy, người ta cho rằng a-Amylase luôn phân cắt amylose thành từng
đoạn 6-7 gốc glucopữanose 1 ).
Nhóm 1

Trang 12

Thiết kế bể phản ứng sinh học

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

+ Giai đoạn 3 các poliglucose này bị phân cắt tiếp tục tạo nên các mạch
polyglucose colagen cứ ngắn dần và bị phân giải chậm đến maltotetrose, maltotriose
và maltose. Qua một thời gian tác dụng dài, sản phẩm thủy phân của amylose chứa
13% glucose và 87% maltose. Tác dụng của a-Amylase lên amylopectin cũng xảy ra
tương tự nhưng vì không phân cắt được liên kết a-l,6-glycoside ở chỗ mạch nhánh
trong phân tử amylopectin nên dù có chịu tác dụng lâu thì sản phẩm cuối cùng, ngoài
các đường nói trên ( 72% maltose và 19% glucose ) còn có dextrin phân tử thấp và
isomaltose 8%.
Tóm lại, dưới tác dụng của a-Amylase, tinh bột có thể chuyển thành
maltotetrose, maltose, glucose và dextrin phân tử thấp [5]. Tuy nhiên, thông thường aamylase chỉ thủy phân tình bột chủ yếu thành dextrin phân tử thấp không cho màu với
Iodine và một ít maltose. Khả năng dextrin hóa cao của a-Amylase là tính chất đặc
trưng của nó. Vì vậy, người ta thường gọi loại Amylase này là Amylase dextrin hóa
hay Amylase dịch hóa.
Trong công nghệ sản xuất ancol, emzym xúc tác cho quá trình thủy phân tinh bột
thành đường lên men là khá quan trọng. Các enzym này thuộc loại amylase.
Chế phẩm enzym Novo amylase được được sản xuất từ vi sinh vật không gây bệnh
trong điều kiện vệ sinh cao, sự lựa chọn, sàng lọc gắt gao. Các enzyme này thường
được tinh chế, cô đặc và tiêu chuẩn hóa ở dạng lỏng để có hoạt động cao. Các enzyme
này có thể lưu trữ 6 tháng mà không có những biến đổi nào về đặt tính trong điều kiện
bảo quản không lớn hơn 250C.
Trong công nghệ sản xuất ethnol, mặc dù tồn tại song song 2 công nghệ hồ
hóa - đường hóa bằng acid và bằng chế phẩm enzyme amylase. Tuy nhiên, hầu hết các
nhà cung cấp công nghệ sản xuất ethanol hiện nay đều lựa chọn công nghệ hồ hóa đường hóa bằng chế phẩm enzyme amylase.
Tinh bột có màng tế bào bảo vệ nên enzyme amylase không thể tác động trực tiếp
được. Khi nghiền nguyên liệu, chỉ một phần rất ít tế bào tinh bột bị phá vỡ. Mặt khác ở
nhiệt độ môi trường tinh bột không hòa tan trong nước, khi đường hóa,enzyme

amylase tác dụng rất chậm.
Quá trình hồ hóa tiếp tục phá vỡ tế bào tinh bột, biến tinh bột ở trạng thái
không hòa tan trong nước thành trạng thái hoà tan, giúp cho quá trình đường hóa thuận
lợi hơn.
Quá trình đường hóa sử dụng enzyme amylase chuyển hóa tinh bột hòa tan
thành đường có thể lên men được. Trên cơ sở phát triển của công nghệ enzyme chủ
yếu do các nhà sản xuất enzyme hàng đầu thế giới như NOVO ENZYME (Đan Mạch),
GENENCOR (Mỹ)...
Nhóm 1

Trang 13


Thiết kế bể phản ứng sinh học

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

1.3.4. Ứng dụng của enzyme amylase
 Công nghiệp sản xuất rượu bia

Trong công nghệ sản xuất bia truyền thống, các nước phương Tây chủ yếu sử
dụng amylase từ malt để thủy phân tinh bột ở giai đoạn đường hóa. Như vậy cần rất
nhiều mầm đại mạch để sản xuất bia ở quy mô lớn, dẫn đến chi phí cao cho sản xuất
và giá thành sản phẩm. Để khắc phục điều này, các nhà sản xuất sử dụng chế phẩm
enzyme amylase thay thế một phần malt. Nhờ vậy, giá thành của sản phẩm được giảm
trong khi đó sản phẩm vẫn giữ được đặc trưng của bia.
Trong công nghiệp sản xuất rượu từ nguồn nguyên liệu tinh bột, mỗi nước sử
dụng một nguồn nguyên liệu khác nhau. Ở Mỹ, người ta sử dụng nguyên liệu từ bột
ngô để sản xuất cồn, còn ở Brazin lại sử dụng khoai mỳ, ở nước ta và một số nước
khác sử thì sử dụng gạo. Trong giai đoạn đường hóa người ta bắt buộc phải sử dụng

enzyme amylase. Người Nhật đã biết sử dụng enzyme của nấm mốc trong quá trính
đường hóa để sản xuất rượu sake cách đây hơn 1700 năm. Ở Mỹ, mãi đến thế kỷ XIX
khi người Nhật đưa nấm mốc Aspergillus sang mới biết sử dụng enzyme này thay cho
amylase của malt trong sản xuất bia. Nhờ sự du nhập này mà người Mỹ đã tiết kiệm
được chi phí khổng lồ cho công nghiệp sản xuất rượu, bia.
 Sản xuất bánh mỳ

Đây là ngành tiêu thụ một lượng lớn tinh bột và enzyme thủy phân tinh bột.
Amylase được thêm vào trong hỗn hợp bột để phân giải tinh bột thành các dextrin
ngắn hơn và những dextrin này sẽ được lên men. Sự thêm malt và amylase vào hỗn
hợp bột làm tăng thể tích và cải thiện kết cấu sản phẩm nướng.
Từ lúc bắt đầu, amylase được thêm vào trong suốt quá trình chuẩn bị bột nhão để
sinh ra những hỗn hợp lên men. Bên cạnh việc sinh ra hỗn hợp lên men, amylase cũng
có tác dụng chống ôi trong việc nướng bánh mỳ và duy trì độ mềm mịn cho sản phẩm
nướng (Olesen, 1991).
 Công nghiệp dệt

Người ta sử dụng enzyme amylase của vi khuẩn để tẩy tinh bột và làm cho mềm
vải. Trong vải thô thường chứa khoảng 5% tinh bột và các tạp chất khác. Do đó, để
làm mềm vải và tang khả năng nhúng nước, người ta dung enzyme từ vi khuẩn hay
nấm mốc. Phương pháp dung enzyme không làm tổn hại vải, độ mao dẫn tốt, đảm bảo
vệ sinh
 Y học

Nhóm 1

Trang 14


Thiết kế bể phản ứng sinh học

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

Amylase cùng các enzyme khác được dùng trong y học để làm thuốc chữa một số
bệnh do thiếu enzyme, kém khả năng chuyển hóa vật chất, bệnh về tiêu hóa, thần kinh,
… Amylase được sử dụng phối hợp với coenzyme A, cytocrom C, ATP để điều chế
thuốc trị bệnh tim mạch, thần kinh,..

Nhóm 1

Trang 15


Thiết kế bể phản ứng sinh học

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
2.1. Quy trình công nghệ
Nguyên liệu

Làm sạch, Nghiền

Enzyme termamyl

Nấu sơ bộ (T=80-85oC)

Phun dịch hóa (T=94-96oC)
Hơi thứ

Nấu chín (T=100-105oC)

Tách hơi

Làm nguội

Enzyme spirit

Đường hóa (T=70-90oC)

Lên men (T=30-32oC)

H2SO4, Na2SiF6

Nấm men

Chưng cất

Tinh chế

Ethanol

Sơ đồ 2: Quy trình công nghệ sản xuất ethanol từ tinh bột sắn [7,8,9]

Nhóm 1

Trang 16


Thiết kế bể phản ứng sinh học

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

2.2. Thuyết minh quy trình công nghệ
- Làm sạch
+ Mục đích: Quá trình làm sạch để tách các tạp chất đất, đá có kích thước lớn và kim
loại có trong nguyên liệu. Quá trình này đảm bảo nguyên liệu sạch, không lẫn tạp chất,
thuận lợi cho quá trình nghiền, tránh hư hỏng thiết bị và ảnh hưởng đến chất lượng sản
phẩm.
+ Cách tiến hành: Nguyên liệu sắn lát sau khi được định lượng được đưa qua sàng rung
làm sạch để loại bỏ bụi bẩn, tạp chất, những lát bị hỏng chất lượng kém…

Nghiền
tinh Hình 6. Thiết bị sàng rung
bột
Mục
đích:
Nghiền làm phá
vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật, tạo điều kiện giải phóng các hạt tinh bột khỏi các
mô, làm tăng bề mặt tiếp xúc của tinh bột với nước, giúp cho quá trình trương nở, hòa
tan tốt hơn. Do đó sẽ rút ngắn thời gian nấu đường hóa, tiết kiệm hơi, nâng cao hiệu
suất thu hồi rượu.
+ Cách tiến hành: Nguyên liệu có thể được nghiền với nhiều loại máy nghiền khác nhau
như máy nghiền búa, máy nghiền trục, máy nghiền đĩa, máy nghiền siêu tốc…
+ Đối với nguyên liệu dạng hạt hoặc dạng lát thường sử dụng máy nghiền búa .
+

Hình 7. Máy nghiền búa
Phễu nạp liệu, 2. Búa, 3. Lưới, 4. Đĩa treo búa, 5. Trục quay
• Yêu cầu bột sắn sau khi nghiền

+ Bột nghiền càng mịn càng tốt, kích thước bột đồng đều, tối thiểu phải có 60% bột mịn
lọt qua rây có đường kính 1mm và ≤ 10% nằm trên rây có đường kính 2mm.
Nhóm 1

Trang 17


Thiết kế bể phản ứng sinh học
+
+
+
-

+

+

-

+
+

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

Hàm lượng tinh bột ≥ 63%
Độ ẩm: ≤ 14%
Đạt chỉ tiêu chất lượng cảm quan: Không có lẫn tạp chất, không mối mọt, bột màu
trắng, mịn, mùi thơm đặc trưng của sắn.
Nấu tinh bột
Mục đích: Hạt tinh bột do có màng tế bào bảo vệ, khi nghiền chỉ phá vỡ được một

phần các màng đó, phần còn lại sẽ ngăn cản sự tiếp xúc giữa enzyme và tinh bột khi
đường hóa. Hơn nữa, ở trạng thái không hòa tan enzyme amylase tác dụng lên tinh bột
rất kém. Do vậy, để đường hóa tinh bột dễ dàng cần tiến hành nấu nguyên liệu để
chuyển tinh bột sang trạng thái hòa tan.
Đường hóa
Mục đích: Dùng enzyme amylase chuyển hóa tinh bột phân tán trong dịch hồ hóa
trong quá trình nấu thành đường lên men được, quyết định hiệu suất lên men, khâu này
là khâu then chốt trong sản xuất cồn. Muốn đạt hiệu quả cao trong quá trình thủy phân
tinh bột thì vấn đề quan trọng trước tiên là chọn tác nhân đường hóa.
Cách tiến hành
Dịch cháo từ nồi nấu theo ống dẫn cháo vào thiết bị làm nguội ống lồng ống. Ở
đây dịch cháo đi trong ống còn nước làm nguội đi bên ngoài ống thực hiện quá trình
trao đổi nhiệt làm cho nhiệt độ của dịch cháo giảm xuống t o=60÷620C. Sau đó dịch
cháo liên tục đưa vào thùng đường hóa.
Quá trình đường hóa có bổ sung dịch enzyme Spirit và H 2SO4 nhờ bộ phận phân
phối. Thời gian đường hóa kéo dài khoảng 30 phút, sau đó dịch đường được làm lạnh
đến nhiệt độ lên men.
Quá trình làm lạnh dịch đường đến nhiệt độ lên men cũng được thực hiện trong
thiết bị làm nguội ống lồng ống. Sau khi đường hoá và làm nguội xong thì 10% dịch
đường được đưa sang phân xưởng nhân giống nấm men, 90% còn lại được đưa vào
thùng lên men.
Lên men
Mục đích: Quá trình lên men chính là quá trình chuyển hoá các chất đường và dextrin
thấp phân tử trong dịch lên men thành C 2H5OH, CO2 và một số chất hữu cơ khác nhờ
hoạt động của nấm men. Đồng thời lên men còn tạo các sản phẩm phụ như este, axit
hữu cơ, rượu bậc cao, aldehit, glyxerin… hoà tan vào dịch lên men.
Chưng cất, tinh chế
Chưng cất: Chưng cất là quá trình tách cồn cùng các chất dễ bay hơi ra khỏi giấm chín
để thu được cồn thô và bã rượu.
Tinh chế là quá trình tách các tạp chất ra khỏi cồn thô và nâng cao nồng độ cồn và cuối

cùng nhận được cồn tinh chế.
Nhóm 1

Trang 18


Thiết kế bể phản ứng sinh học

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

2.3. Lựa chọn dây chuyền công nghệ

•
+
+
+
+
+
+
+
•
+
+
+
+
+
+
+
•
-

+
+
+
+

2.2.1. Các phương pháp nấu
Mục đích: Phá vỡ màng tế bào của tinh bột, tạo điều kiện cho tinh bột chuyển sang
trạng thái hòa tan trong nước
Nấu gián đoạn.
Đặc điểm: Toàn bộ quá trình nấu thực hiện trong một nồi. Nấu được tiến hành trong áp
suất và nhiệt độ cao trong thời gian dài.
Ưu điểm
Tốn ít vật liệu chế tạo thiết bị.
Thao tác vận hành đơn giản.
Dễ vệ sinh và sửa chữa (nếu cần).
Nhược điểm
Tốn hơi do không tận dụng được hơi thứ.
Nấu ở nhiệt độ và áp suất cao gây tổn thất đường, tạo nhiều sản phẩm phụ (caramen,
melanoidin, furfurol…) không tốt cho hoạt động của amylase và nấm men
Khi dùng acid thêm vào nấu ở nhiệt độ cao thời gian dài sẽ làm chóng ăn mòn thiết bị.
Năng suất thiết bị thấp hơn các phương pháp nấu khác do làm việc gián đoạn (thời
gian giữa các mẻ).
Nấu bán liên tục.
Đặc điểm: Nấu được tiến hành trong 3 nồi nấu khác nhau: nấu sơ bộ, nấu chín (làm
việc gián đoạn) và nấu chín thêm (làm việc liên tục).
Ưu điểm
Giảm được thời gian ở nhiệt độ và áp suất nấu cao do đó giảm tổn thất đường tăng
hiệu suất lên 7 lít cồn/tấn tinh bột.
Dùng được hơi thứ nên giảm được 15÷30 % hơi dùng cho nấu.

Năng suất thiết bị tăng so với nấu gián đoạn.
Nhược điểm
Tốn nhiều kim loại để chế tạo thiết bị.
Thiết bị cồng kềnh chiếm nhiều diện tích.
Nhiệt độ nấu chín vẫn cao gây tổn thất đường và tạo các sản phẩm không mong muốn.
Khó vệ sinh do nhiều thiết bị và thiết bị nấu chín thêm có cấu tạo phức tạp.
Nấu liên tục
Đặc điểm: Quá trình nấu chia ra làm 3 giai đoạn: nấu sơ bộ nấu chín và nấu chín thêm
và cuối cùng là thiết bị tách hơi. Thiết bị nấu chín là trao đổi nhiệt ngược chiều đi từ
dưới lên, cháo nhiệt đi từ trên xuống cho nên hiệu quả trao đổi nhiệt rất cao và thời
gian dịch cháo ở nhiệt độ cao được rút ngắn.
Ưu điểm
Tận dụng được nhiều hơi thứ do đó giảm được chi phí hơi khi nấu.
Thời gian nấu ở nhiệt độ cao được rút ngắn nên giảm tổn thất đường nâng cao năng
suất cồn lên 10÷12 lít cồn / tấn tinh bột so với nấu gián đoạn.
Năng suất riêng trên 1 m3 thiết bị tăng khoảng 7 lần.
Tiêu hao kim loại để chế tạo thiết bị giảm khoảng 1/2 so với bán liên tục.
Nhóm 1

Trang 19


Thiết kế bể phản ứng sinh học

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

Dễ cơ khí và tự động hóa.
Năng suất cao cho chất lượng dịch cháo ổn định vì thế cho chất lượng cồn ổn định.
Tốn ít nhân lực do tự động hóa cao.
Nhược điểm

Yêu cầu nghiêm ngặt về kích thước bột nghiền: thường trên rây d = 3mm không quá
10% và lọt rây d = 1mm > 40%.
+ Yêu cầu vận hành, thao tác, sửa chữa cần kỹ thuật cao.
+ Yêu cầu về điện nước đầy đủ và ổn định.
•
Nấu có sử dụng enzyme
+
+
+
+

-

+
+
+
+
+
+
+

Bảng 4. Đặc điểm các loại enzyme thủy phân tinh bột sản xuất từ vi sinh vật
Đặc điểm: Nấu ở áp suất thường nhiệt độ nấu không quá 100 oC. Sử dụng enzyme αamylase chịu nhiệt. Enzyme này thu nhận từ vi khuẩn B.Licheniformic có pH khoảng
6,5 tùy loại cụ thể, nhiệt độ chịu được có thể 85÷105 oC. Các chế phẩm enzyme sản
xuất từ vi sinh vật thường có hoạt tính xúc tác rất mạnh, có khả năng hoạt động ở nhiệt
độ cao, điều này rất thuận lợi cho quá trình dịch hóa và đường hóa.
Ưu điểm.
Cấu tạo thiết bị đơn giản dễ chế tạo, không đòi hỏi thiết bị chịu áp lực cao.
Dễ thao tác, vận hành, dễ vệ sinh, sửa chữa khi cần.
Nhiệt độ, áp suất, thời gian nấu giảm do đó rất ít tổn thất đường, tinh bột vì vậy nâng

cao năng suất cồn.
Năng lượng giảm do quá trình nấu thực hiện ở áp suất và nhiệt độ thấp.
Tránh được hiện tượng lão hóa tinh bột (do amylose và amylopectin đã được thủy
phân thành các dextrin).
Nhược điểm
Kích thước bột nghiền phải nhỏ khoảng 1 mm.
Không cơ khí và tự động hóa được.
 Lựa chọn phương pháp nấu
Dựa vào sự phân tích những ưu nhược điểm của các phương pháp nấu ở trên nhóm
chọn phương pháp nấu có sử dụng enzyme vì chúng có nhiều ưu điểm và có tính khả
Nhóm 1

Trang 20


Thiết kế bể phản ứng sinh học

+
+
+
+

+
-

+
+

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

thi hơn khi thực hiện sản xuất ethanol với năng suất 30000 lít cồn/ ngày mà nhà máy
đặt ra.
Cách tiến hành
Kiểm tra các đường ống dẫn hơi và hệ thống cung cấp hơi.
Nồi cần được vệ sinh bằng cách xông hơi trực tiếp 95÷100 0C trong 15÷20 phút.
Chuẩn bị lượng enzyme Termamyl 120L, khoảng 0,02÷0,03 % so với khối lượng tinh
bột.
Bật cánh khuấy. Lượng Termamyl chia làm 4 phần, lần lượt cho vào nồi nấu như sau:
Lần 1: Khi bơm dịch bột chạm đến ống dẫn hơi dưới đáy nồi để tránh tắc ống dẫn hơi.
Lần 2: Khi bơm dịch bột đến 1/3.
Lần 3: Khi bơm dịch bột đến 2/3.
Lần 4: Khi bơm đầy nồi.
Cấp hơi nâng nhiệt độ lên tới 100 0C, giữ ở nhiệt độ này trong khoảng 60 phút. Thời
gian từ lúc bơm bột đến xuống thùng đường hóa là khoảng 3h.
Yêu cầu dịch cháo sau khi nấu.
Dịch cháo sau khi nấu phải chín đều, cháo có mùi thơm nhẹ, màu vàng rơm hoặc cánh
gián, không vón cục, không cháy khét, không đặc hoặc quá loãng.
Các phương pháp đánh giá dịch cháo.
Phương pháp cảm quan: Dựa vào kinh nghiệm của người công nhân để nhận biết mùi
thơm, màu sắc của dịch cháo sau khi nấu để biết được độ chín của dịch cháo.
Phương pháp hóa lý: Lọc dịch nấu qua giấy lọc (giấy bản), sau đó quan sát tốc độ lọc
80÷100 giọt/phút được coi là đạt được yêu cầu.
2.2.2. Các phương pháp đường hóa
Đường hóa là công đoạn sản xuất ethanol rất quan trọng, trong đó lượng đường tạo
ra sẽ quyết định khả năng lên men. Chính vì thế, nhiều nhà máy sản xuất ethanol trên
thế giới đã cho thêm enzyme với số lượng lớn trong giai đoạn này. Các enzyme này
phần lớn là enzyme chịu nhiệt.
Biến đổi sinh hóa của quá trình đường hóa là thủy phân tinh bột thành dextrin và
đường đơn giản (maltose, glucose,…) dễ tan và lên men dưới tác dụng của amylase.

Mục đích: thủy phân chuyển hóa tinh bột thành đường để tinh bột có thể lên men trực
tiếp. Đây là bước quan trọng vì quyết định phần lớn hiệu suất thu hồi rượu
- Một số tác nhân đường hóa:
+ Dùng acid HCl hoặc H2SO4: Phương pháp này ít dùng vì giá thành cao mà hiệu suất
thu hồi thấp.
+ Dùng amylase của thóc mầm (malt đại mạch) một số nước Châu Âu vẫn còn dùng
phương pháp này.
+ Dùng amylase nhận được từ nuôi cấy vi sinh vật: Đây là phương pháp được hầu hết
các nước sử dụng trong sản xuất cồn.
-

Nhóm 1

Trang 21


Thiết kế bể phản ứng sinh học
•

+
+
+
+
+

•

+
+
+

+
+
+

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

Một số phương pháp đường hóa
Đường hóa liên tục
Phương pháp đường hóa liên tục được tiến hành trong các thiết bị khác nhau, dịch
cháo và dịch amylase liên tục đi vào hệ thống, dịch đường liên tục đi sang bộ phận lên
men.
Ưu điểm
Dịch cháo ít bị lão hóa khi làm lạnh tới nhiệt độ đường hóa.
Thời gian đường hóa ngắn, tăng được công suất của thiết bị và do đó tiết kiệm được
diện tích của nhà xưởng.
Hoạt tính amylase ít bị vô hoạt do thời gian tiếp xúc với nhiệt độ cao được rút ngắn.
Nhược điểm
Yêu cầu người vận hành có thao tác, sửa chữa cần kỹ thuật cao.
Yêu cầu các yêu cầu đúng kỹ thuật và ổn định.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đường hóa:
+ Nhiệt độ: 35 – 62oC (khoảng nhiệt độ tối thích cho enzyme amylase).
+ pH: 4-5 (pH<2 và pH>10 enzyme amylase sẽ ngừng hoạt động).
+ Nồng độ enzyme: tốc độ thủy phân tinh bột sẽ tăng và tỉ lệ thuận với lượng
enzyme.
+ Nồng độ rượu: nồng độ rượu >6% sẽ ảnh hưởng rõ rệt đến hoạt tính của enzyme.
Đường hóa bán liên tục
Đường hóa gián đoạn được thực hiện trong một thiết bị, quá trình đương hóa kéo dài.
Phương pháp này có ưu điểm là dịch cháo được dịch hóa, nhưng thời gian đổ cháo kéo
dài, enzym amylase giảm hoạt tính, đồng thời làm giảm năng suất của thiết bị.
 Chọn phương pháp đường hóa

Lựa chọn phương pháp đường hóa liên tục là phương pháp có nhiều ưu điểm và phù
hợp với năng suất 30000 lít cồn/ ngày mà nhà máy đề ra.
Cách tiến hành
Dịch cháo từ nồi nấu theo ống dẫn cháo vào thiết bị làm nguội ống lồng ống.
Ở đây dịch cháo đi trong ống còn nước làm nguội đi bên ngoài ống thực hiện quá trình
trao đổi nhiệt làm cho nhiệt độ của dịch cháo giảm xuống to=60÷620C.
Sau đó dịch cháo liên tục đưa vào thùng đường hóa. Quá trình đường hóa có bổ sung
dịch enzyme Spirit và H2SO4 nhờ bộ phận phân phối.
Thời gian đường hóa kéo dài khoảng 30 phút (t o=70-90oC), sau đó dịch đường được
làm lạnh đến nhiệt độ lên men.
Quá trình làm lạnh dịch đường đến nhiệt độ lên men cũng được thực hiện trong thiết bị
làm nguội ống lồng ống.
Sau khi đường hoá và làm nguội xong thì 10% dịch đường được đưa sang phân xưởng
nhân giống nấm men, 90% còn lại được đưa vào thùng lên men.

Nhóm 1

Trang 22


Thiết kế bể phản ứng sinh học

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

CHƯƠNG 3. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Giả sử một năm sản xuất là 327 ngày. 1 ngày làm việc 3 ca (1 ca 8 tiếng). (đã trừ
các ngày nghỉ trong năm và thời gian trùng tu, bảo dưỡng máy móc thiết bị).
Với năng suất 30000 lít/ngày (24h) thì suy ra 1 giờ sẽ sản xuất được 1250 lít
ethanol.
3.1. Tính hiệu suất lý thuyết

Phương trình phản ứng tạo rượu từ tinh bột

( C6 H10O5 ) n

+

n

H 2O

C6 H12O6

→

n
180

162

C6 H12O6

C2 H 5OH

→

2

+2

CO2

(1)

(2)

180
92
88
Từ phương trình (2) ta có
Cứ 180 kg glucose tạo ra 92 kg cồn khan
Vậy cứ 100 kg glucoza tạo ra X kg cồn khan
⇒

X = = 51.11 (kg)
Mặt khác, theo phương trình (1) ta xác định được hệ số chuyển tinh bộ thành đường là
k= = 1.11
Vậy từ 100 kg tinh bột sẽ tạo ra Y kg cồn khan.
Y = X×k = 51.11×1.11 = 56.73 kg.
Ta có khối lượng riêng của ethanol là d420 = 0.789 (g/cm3).
Tương đương với số lít cồn khan là = 71.9 lít.
3.2. Tính hiệu suất thực tế
Hiệu suất thực tế luôn nhỏ hơn hiệu suất lý thuyết vì có tổn thất trong các công đoạn
sản xuất. Trong sản xuất cồn có các dạng tổn thất sau:
Tổn thất 1: do nghiền, vận chuyển nội bộ: 0.2%÷0.3%.
Tổn thất 2: do nấu, đường hóa và lên men giấm: 0.5%÷12%.
(tinh bột sót, đường sót, nấm men sử dụng).
Tổn thất 3: không xác định, đổ ra ngoài, đọng lại ở thiết bị, đường ống và bay
theo

CO2

Nhóm 1

từ 1%÷2%
Trang 23


Thiết kế bể phản ứng sinh học

-

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

Tổn thất 4: do chưng cất, do bay hơi, cồn còn lại trong bã rượu, nước thải:
1%÷10%
Tổn thất 5: do nhiễm khuẩn làm tăng độ chua so với bình thường: 1% (tổn thất
này nằm trong tổn thất do lên men).
Ta lựa chọn các tổn thất như sau:
Các thông số ban đầu
Năng suất: 30.000 lít cồn 96o/ ngày.
Thành phần nguyên liệu: 100% sắn lát khô.
Nồng độ chất khô của dịch sau khi nấu: 18%, nồng độ dịch lên men: 16%.
Hiệu suất đường hoá: 98%.
Hiệu suất lên men: 98%.
Hiệu suất chưng cất tinh chế: 97%.
Hiệu suất thu hồi:
η = η dh × η lm × η cc = 0,98 × 0,98 × 0,97 = 0,931 = 93,1%

Bảng 5: Tổn thất trong quá trình sản xuất.
Làm sạch

Nghiền, vận chuyển
Tổn thất do nấu sơ bộ
Phun dịch hóa
Tổn thất do nấu chin
Tổn thất do làm nguội
Tổn thất do đường hóa
Tổn thất do làm lạnh
Tổn thất do lên men
Chưng cất
Tinh chế
Tổn thất không xác định
Tổng tổn thất

2%
0,2%
0,8%
0,5%
0,8%
0,5%
2%
0,5%
2%
1%
1%
1%
12,3%

Nguyên liệu Độ ẩm
Chất khô Tinh bột
Sắn

13%
87%
73%
Do vậy hiệu suất thu hồi rượu thực tế là 100 –12,3 = 87,7 %.
Có nghĩa là trong sản xuất thì cứ 100 kg tinh bột thu được lượng rượu khan là:
R= lít.
3.3. Tính cân bằng cho nguyên liệu.
Lượng tinh bột cần thiết để sản xuất ra 30000 lít cồn khan được xác định như sau:
Theo tính toán ở trên ta biết:
Cứ 100 kg tinh bột tạo ra 63,056 lít cồn khan.
Nhóm 1

Trang 24


Thiết kế bể phản ứng sinh học

GVHD: TS. Phạm Minh Tuấn

Vậy mtb kg tinh bột tạo ra 30000 lít cồn khan.
→

m tb = kg
Mà biết rằng hàm lượng tinh bột trong sắn dùng để sản xuất là: 73%, từ đó ta tính
được lượng bột cần cung cấp để tạo ra 30000 lít / ngày.
M bột sắn = kg
Độ ẩm của bột sắn chọn là: 13%
→

Lượng nước có trong lượng bột sắn trên là:

mnước = kg
Lượng chất khô có trong lượng bột sắn đó là:
mchất khô = – = 56701,068 kg
Lượng chất khô không phải là tinh bột là:
m’ck = mchất khô – mtinh bột =56701,068 – = 9124,311 kg
3.4. Tính toán cân bằng vật chất
3.4.1. Công đoạn làm sạch (tổn thất 2%)
Khối lượng nguyên liệu đem vào làm sạch: M (kg) = kg
Lượng nguyên liệu thu được sau làm sạch:
m1= (kg)
Khối lượng chất khô có trong nguyên liệu sau làm sạch:
mck1 = = 55567,045 (kg)
Khối lượng tinh bột có trong nguyên liệu sau làm sạch:
mtb1 = = 46625,222 (kg)
Khối lượng nước có trong nguyên liệu sau làm sạch:
mH2O (1) = = 8303,122 (kg)
3.4.2. Công đoạn nghiền (tổn thất 0,2 %)
Khối lượng nguyên liệu thu được sau khi nghiền:
m2 = = 62592,764 (kg)
Khối lượng chất khô có trong nguyên liệu sau khi nghiền:
mck2 = = 54455,705 (kg)
Khối lượng tinh bột có trong nguyên liệu sau khi nghiền:
mtb2 = = 45692,718 (kg)
Khối lượng nước có trong nguyên liệu sau khi nghiền:
mH2O (2) = = 8137,059 (kg)
3.4.3. Công đoạn nấu sơ bộ (tổn thất 0,8 %)
Lượng enzyme bổ sung quá trình nấu và đường hóa bằng 1,8‰
bột có trong nguyên liệu:
Nhóm 1

Trang 25

[10]

so với lượng tinh