Nghiên cứu hệ enzyme thủy phân tinh bột ở nhiệt độ thấp ứng dụng trong quá trình sản xuất cồn từ nguyên liệu giàu tinh bột 07

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Thị Mai Hiên

NGHIÊN CỨU HỆ ENZYME THỦY PHÂN TINH BỘT Ở NHIỆT ĐỘ THẤP
ỨNG DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CỒN TỪ NGUYÊN LIỆU
GIÀU TINH BỘT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Thị Mai Hiên

NGHIÊN CỨU HỆ ENZYME THỦY PHÂN TINH BỘT Ở NHIỆT ĐỘ THẤP
ỨNG DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CỒN TỪ NGUYÊN LIỆU
GIÀU TINH BỘT
Chuyên ngành: Vi Sinh Vật Học
Mã số: 60.42.0107

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CBHD: TS. TRẦN THỊ THANH HUYỀN

Hà Nội - 2014


Lời cảm ơn
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Trần Thị Thanh Huyền, Bộ môn Vi
sinh vật học, Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội người đã trực
tiếp hướng dẫn và giúp đỡ rất nhiều để tôi hoàn thành bản luận văn này.
Tôi xin cảm ơn toàn thể cán bộ phòng thí nghiệm trung tâm Công ty Cổ phần
Cồn Rượu Hà Nội, đặc biệt là Kĩ sư Công nghệ Nguyễn Thị Hà đã tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi khi nghiên cứu tại phòng thí nghiệm.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo đã dạy bảo tôi trong
suốt những năm học vừa qua. Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã ở bên
tôi, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn.
Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2014
Học viên
Nguyễn Thị Mai Hiên


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN....................................................................................................... 3
1.1 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT CỒN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM.................... 3
1.1.1 Tình hình sản xuất cồn trên thế giới................................................................. 3
1.1.2 Tình hình sản xuất cồn ở Việt Nam.................................................................. 5
1.2 NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT CỒN.............................................................................. 8
1.2.1 Nguyên liệu chứa đường..................................................................................... 8
1.2.2 Nguyên liệu xenluloza......................................................................................... 8
1.2.3 Nguyên liệu giàu tinh bột................................................................................... 9
1.3 SẢN XUẤT CỒN TỪ NGUYÊN LIỆU GIÀU TINH BỘT................................. 14
1.3.1 Sản xuất cồn theo công nghệ truyền thống................................................... 14

1.3.1.1 Quá trình nghiền nguyên liệu............................................................. 14
1.3.1.2 Quá trình nấu nguyên liệu................................................................... 15
1.3.1.3 Quá trình thuỷ phân nguyên liệu....................................................... 15
1.3.1.4 Quá trình lên men.................................................................................. 16
1.3.1.5 Quá trình chưng cất và tinh chế........................................................ 17
1.3.2 Một số tiến bộ trong sản xuất cồn từ nguyên liệu giàu tinh bột..............17
1.4 CÁC ENZIM THỦY PHÂN TINH BỘT Ở NHIỆT ĐỘ KHÔNG CAO 19
1.4.1 Hệ enzim thuỷ phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường (Stargen 001) .. 19
1.4.2 Enzim thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ thấp..................................................... 21
Chương 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..........................23
2.1 NGUYÊN LIỆU............................................................................................................... 23


2.1.1 Sắn......................................................................................................................... 23
2.1.2 Gạo......................................................................................................................... 23
2.1.3 Enzim.................................................................................................................... 23
2.1.4 Nấm men.............................................................................................................. 23
2.1.5 Hoá chất................................................................................................................ 24
2.1.6 Dụng cụ và thiết bị............................................................................................. 24
2.2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH.................................................................................... 24
2.2.1 Xác định độ ẩm của nguyên liệu bằng phương pháp sấy.......................... 24
2.2.2 Xác định hàm lượng chất khô.......................................................................... 25
2.2.3 Đo pH.................................................................................................................... 25
2.2.4 Xác định hàm lượng đường khử theo phương pháp Graxianop..............25
2.2.5 Xác định thành phần dịch đường.................................................................... 26
2.2.6 Xác định hàm lượng tinh bột theo phương pháp thủy phân bằng HCl..26
2.2.7 Xác định độ rượu trong giấm chín................................................................. 27
2.3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT LÊN MEN....................................... 29
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................................................ 31
3.1 THÀNH PHẦN NGUYÊN LIỆU................................................................................ 31

3.2 ỨNG DỤNG HỆ ENZIM THỦY PHÂN TINH BỘT SỐNG Ở NHIỆT ĐỘ
THƯỜNG (Stargen 001) TRONG QÚA TRÌNH SẢN XUẤT CỒN TỪ
GẠO…..31
3.2.1 Khảo sát quy trình công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Rượu Hà Nội.32
3.2.2 Động học quá trình thuỷ phân tinh bột gạo bởi enzim Stargen 001......34
3.2.3 Ứng dụng enzim Stargen 001trong quá trình đường hoá và lên men đồng
thời................................................................................................................................... 36


3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ enzim Stargen 001 đến quá trình đường hoá và
lên men đồng thời......................................................................................................... 41
3.2.5 Ứng dụng hệ enzim thuỷ phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường (Stargen
001) trong quá trình sản xuất cồn từ sắn lát........................................................... 43
3.2.6 Lợi ích của việc sử dụng hệ enzim thủy phân tinh bột sống ở nhiệt độ
thường……………………………………………………………………….43
3.3 ỨNG DỤNG ENZIM DỊCH HÓA Ở NHIỆT ĐỘ KHÔNG CAO TRONG
QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CỒN TỪ SẮN LÁT............................................................ 44
3.3.1 Khảo sát quy trình công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Rượu Đồng
Xuân................................................................................................................................. 44
3.3.2 Khảo sát quy trình sản xuất cồn từ sắn có sử dụng enzim dịch hóa ở nhiệt
độ không cao Spezyme Extra..................................................................................... 46
3.3.2.1 Sản xuất cồn từ sắn lát sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra và
enzim đường hoá Dextrozyme GA................................................................... 46
3.3.2.2 Sản xuất cồn từ sắn lát sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra và
enzim đường hoá Distillase L-400.................................................................. 50
3.3.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến quá trình thuỷ phân tinh
bột của Spezyme Extra....................................................................................... 53
3.3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ enzim Spezyme Extra đến quá trình dịch
hóa.......................................................................................................................... 55
KẾT LUẬN.............................................................................................................................. 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................... 59


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Sản lượng cồn nhiên liệu của một số nước/vùng trên thế giới
Bảng 1.2: Sản lượng cồn của một số nhà máy sản xuất cồn có sản lượng lớn
Bảng 3.1: Thành phần nguyên liệu
Bảng 3.2: Kết quả khảo sát công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Rượu Hà Nội
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của thời điểm bổ sung nấm men đến hiệu quả quá trình đường
hoá và lên men đồng thời
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của nồng độ enzim Stargen 001 đến quá trình đường hoá và
lên men đồng thời
Bảng 3.5: Kết quả khảo sát công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Rượu Đồng Xuân
Bảng 3.6: Kết quả khảo sát công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim dịch hóa Spezyme
Extra và enzim đường hóa Dextrozyme GA
Bảng 3.7: Thông số công nghệ của quy trình sản xuất cồn từ sắn sử dụng Spezyme
Extra và Distillase L-400
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian dịch hoá tới khả năng thuỷ phân tinh
bột của enzim Spezyme Extra
Bảng 3.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian dịch hoá đến hiệu quả quá trình
thủy phân sắn lát bằng enzim Spezyme Extra và Dextrozyme GA
Bảng 3.10: Ảnh hưởng của nồng độ enzim Spezyme Extra đến quá trình dịch hóa


DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sản lượng cồn của một số nước/vùng trên thế giới qua các năm
Hình 1.1 Diện tích và sản lượng sắn cả nước
Hình 1.2 Sản lượng sắn thế giới giai đoạn 2005-2010

Hình 1.3 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cồn theo phương pháp truyền thống
Hinh 1.4 Phân bố tiêu thụ năng lượng trong quá trình sản xuất cồn từ tinh bột
Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim thuỷ phân tinh bột ở nhiệt
độ thường (Stargen 001)
Hình 1.6 Hạt tinh bột gạo chưa hồ hóa bị thủy phân bởi amylaza
Hình 3.1 Sơ đồ sản xuất cồn từ gạo theo công nghệ của nhà máy Rượu Hà Nội
Hình 3.2 Động học quá trình thuỷ phân tinh bột gạo bởi enzim Stargen 001
Hình 3.3 Sắc ký đồ dịch thuỷ phân bột gạo bởi enzim Stargen 001
Hình 3.4 Sắc ký đồ dịch thuỷ phân bột gạo bởi Termamyl SC và Dextrozyme GA
Hình 3.5 Sơ đồ quy trình đường hóa và lên men đồng thời sử dụng enzim Stargen
001
Hình 3.6 và 3.7 Nấm men giai đoạn bắt đầu vào thùng lên men
Hình 3.8 và 3.9 Nấm men sau 16h
Hình 3.10 và 3.11 Nấm men 32h
Hình 3.12 Động học quá trình đường hoá lên men đồng thời sử dụng enzim
thủy phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường Stargen 001
Hình 3.13 Quy trình sản xuất cồn theo công nghệ của nhà máy Rượu Đồng Xuân
Hình 3.14 Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra
và enzim đường hoá Dextrozyme GA


Hình 3.15 Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra
và enzim đường hoá Distillase L-400
Hình 3.16 Động học sinh CO2 trong quá trình lên men dịch thủy phân sử dụng
các hệ enzim thủy phân khác nhau


MỞ ĐẦU

Ethyl alcohol (etylic) hay được gọi là cồn, có công thức hoá học là C 2H5OH,

có vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp (như công nghiệp nặng, công
nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm…), nông nghiệp, y tế. Cồn là nguyên liệu để pha
chế nhiều loại đồ uống phổ biến ở nhiều nước; cồn còn được dùng để sản xuất nhiều
loại hoá chất quan trọng như: axetaldehyt, axit axetic, các este, butanol, glycol, vinyl
axetat [6]… Những năm gần đây sản xuất cồn được xem là hướng ưu tiên số một làm
nhiên liệu để thay thế xăng ở các nước phát triển nhất là Brazil, Mỹ và một số nước
khác như Trung Quốc, Thái Lan…
Ngành công nghiệp sản xuất cồn đã có từ rất lâu đời. Kể từ năm 1800 khi nhà
máy sản xuất cồn đầu tiên ở Hà Lan được xây dựng [6], thì cho tới nay có hàng loạt
nhà máy đã được xây dựng ở nhiều nước trên thế giới. Tính đến năm 2006, tổng sản
lượng cồn trên thế giới đã đạt tới con số 51 tỷ lít [25]. Trên thế giới cồn được sản xuất
theo hai con đường. Thứ nhất là lên men truyền thống từ các nguyên liệu thô như rỉ
đường (là phế phẩm của nhà máy sản xuất đường từ mía hay củ cải đường) hoặc thuỷ
phân các nguyên liệu có chứa tinh bột như ngô, lúa mạch, gạo… hoặc từ sắn để thu
lấy dịch đường rồi cho lên men và chưng cất. Thứ hai là tổng hợp từ etylen. Xét về
hiệu quả kinh tế thì phương án thứ hai có lợi thế hơn vì nguyên liệu rẻ tiền. Nhưng
xét về mặt chất lượng sản phẩm và khả năng đáp ứng về công suất sản xuất và trang
thiết bị đơn giản thì phương pháp lên men từ gluxit chiếm ưu thế hơn nhiều. Hiện nay
trên thế giới 95% cồn được sản xuất theo phương pháp lên men, chỉ có 5% được sản
xuất theo con đường tổng hợp hoá học [10].
Quá trình sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu có chứa tinh bột như gạo, ngô,
khoai, sắn…là một trong các quá trình công nghệ đã được biết đến từ lâu và phát triển
qua hàng thế kỷ. Công nghệ này đặc biệt phát triển với các nước có sản lượng cây
lương thực dồi dào như Brazil, Mỹ, Thái Lan, Trung Quốc…Việt Nam là nước nằm ở
vùng nhiệt đới, rất thích hợp cho việc trồng các cây lương thực như lúa, ngô,

1


khoai, sắn…không chỉ đảm bảo nguồn lương thực trong nước mà Việt Nam còn là

nước xuất khẩu gạo lớn thứ hai trên thế giới. Còn đối với sắn, hàng năm nước ta cũng
xuất khẩu một lượng khá lớn (1,2 triệu tấn/1 năm) [4]. Tuy nhiên việc sử dụng gạo
trong sản xuất cồn còn bị hạn chế bởi phải đảm bảo vấn đề an ninh lương thực quốc
gia. Cồn được sản xuất từ gạo chỉ sản xuất với mục đích chính là làm cồn thực phẩm
và cồn y tế. Tuy nhiên, với xu hướng sử dụng cồn làm nhiên liệu thay thế xăng dầu
như hiện nay thì nhu cầu về cồn là rất lớn. Do đó, việc sản xuất cồn từ sắn là một
hướng đi thích hợp và đang được chú trọng ở Việt Nam cũng như một số nước trên
thế giới.
Công nghiệp sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột đã trải qua hàng thế kỷ.
Tuy nhiên các công đoạn chính trong sản xuất cồn thì không thay đổi, vẫn bao gồm
các quá trình chuyển hoá tinh bột thành đường có khả năng lên men và quá trình lên
men đường bởi nấm men. Công nghệ sản xuất cồn cũng từng bước được cải tiến.
Trước đây, các nhà máy sản xuất cồn sử dụng quy trình nấu ở nhiệt độ và áp suất cao
gây tổn thất lớn và hiệu suất thấp. Tiếp đó, giai đoạn thuỷ phân tinh bột khi nấu đã
giúp quá trình nấu trở nên dễ dàng hơn và hiệu quả hơn. Tuy nhiên, quá trình nấu vẫn
phải tiến hành ở nhiệt độ cao và tiêu tốn nhiều năng lượng. Với mong muốn giảm
năng lượng tiêu tốn và giảm tổn thất trong quá trình nấu, tăng năng suất cồn, các nhà
nghiên cứu đã nỗ lực phát triển để tạo ra một thế hệ enzim có khả năng thuỷ phân tinh
bột ngay ở nhiệt độ thường sử dụng trong quá trình sản xuất cồn. Các enzim mới này
mới chỉ được sử dụng ở một số nước châu Âu trên một số nguyên liệu như ngô, gạo,
lúa mì. Tuy nhiên do đặc điểm khí hậu, đất đai tại mỗi quốc gia khác nhau nên cây
trồng ở mỗi quốc gia cũng khác nhau. Vì vậy, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu đề
tài:"Nghiên cứu hệ enzyme thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ thấp ứng dụng trong quá
trình sản xuất cồn từ nguyên liệu giàu tinh bột".
Mục tiêu của đề tài đặt ra là khảo sát hoạt động của một số enzim thuỷ phân
tinh bột ở nhiệt độ thấp của hãng Gennencor (Stargen 001, Spezyme Extra, Distillase)
sử dụng trong quá trình sản xuất cồn từ gạo và sắn lát.

2

Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT CỒN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
1.1.1 Tình hình sản xuất cồn trên thế giới
Cồn etylic có vai trò quan trọng trong nhiều ngành, là nguyên liệu để sản xuất hơn
150 loại sản phẩm khác nhau. Có thể tóm tắt vị trí của cồn etylic trong các ngành
công nghiệp như sau [6]:
Quốc phòng: thuốc súng không khói và nhiên liệu hoả tiễn bom bay.
Y tế: sát trùng và pha chế thuốc.
Thực phẩm: rượu mùi, giấm.
Nông nghiệp: thuốc trừ sâu.
Dệt: thuốc nhuộm, tơ nhân tạo.
Chế biến gỗ: sơn, vecni.
Giao thông vận tải: làm nhiên liệu.
Công nghiệp nặng: công nghiệp cao su tổng hợp.
Công nghiệp hoá chất: dung môi hữu cơ.
Công nghiệp khác: đồ nhựa, keo dán, hương liệu…
Khi cuộc khủng hoảng năng lượng diễn ra gay gắt vào những năm của thập
niên 70 (thế kỷ 20), người ta nghĩ ngay đến một nguồn cung cấp năng lượng khác để
thay thế dầu mỏ. Nguồn đầu tiên người ta nghĩ đến là cồn etylic. Cồn kỹ thuật là
nhiên liệu cho ô tô và các động cơ rất ưu việt. Đặc biệt trong những năm đầu thế kỷ
21, khi giá dầu thô ngày càng tăng cao thì cồn và nhiên liệu sinh học đã trở thành một
trong những ưu tiên hàng đầu trong những định hướng chiến lược nghiên cứu về năng
lượng của nhiều quốc gia phát triển trên thế giới. Braxin đã sử dụng cồn để pha vào
xăng với tỷ lệ đến 20% dùng trong giao thông vận tải. Tại Mỹ, luật pháp

3

của nhiều bang bắt buộc phải sử dụng cồn nhiên liệu pha vào xăng với tỷ lệ là 10%…
[22]. Vì vậy mà sản lượng cồn trên thế giới không ngừng tăng trong những năm đầu
thế kỷ 21. Sản lượng cồn trên thế giới năm 2004 đạt gần 41 tỷ lít, năm 2005 đạt 45,7
tỷ lít, đến năm 2006 thì sản lượng cồn thế giới đã đạt tới con số 51 tỷ lít và đến năm
2013, theo thống kê con số này đã xấp xỉ 89 tỷ lít[32]. Việc sản xuất cồn chủ yếu từ
hai nước lớn là Braxin và Mỹ (chiếm 70% sản lượng cồn thế giới). Braxin luôn đứng
đầu sản lượng cồn trên thế giới nhưng đến năm 2007, Mỹ đã vượt lên đứng đầu với
sản lượng cồn đạt khoảng 246000 lít, Braxin đã tụt xuống vị trí thứ hai với sản lượng
xấp xỉ 190000 lít. Sản lượng cồn của một số nước trên thế giới được thể hiện ở bảng
1.1 và hình 1.1

Bảng 1.1: Sản lượng cồn nhiên liệu của một số nước/vùng trên thế giới[31]

Sản lượng cồn nhiên liệu của một số nước/vùng trên thế giới
(Million Gallons)

Nước
USA
Brazil
Europe
China
Canada
Phần còn
lại của
thế giới
Thế giới

4

Hình 1.1 Sản lượng cồn của một số nước/vùng trên thế giới qua các năm[31]

Ở

Châu Á ba nước sản xuất cồn lớn nhất là Trung Quốc, Ấn Độ và Thái Lan.

Sản lượng cồn của ba quốc gia trên tăng nhanh qua từng năm bởi chính phủ mỗi nước
đều có những kế hoạch xây dựng và phát triển thêm nhiều nhà máy sản xuất cồn với
năng suất cao. Thái Lan và Indonesia là hai nước trong khu vực có sự phát triển ổn
định về công nghiệp sản xuất cồn trong những năm vừa qua. Cả hai nước này đều
xuất khẩu cồn tới Nhật Bản. Thái Lan là nhà xuất khẩu cồn lớn nhất trong khu vực
với những trung tâm sản xuất cồn mới có tầm cỡ đang được xây dựng ở Thái Lan.

1.1.2 Tình hình sản xuất cồn ở Việt Nam
Sản xuất cồn quy mô công nghiệp ở Việt Nam được bắt đầu từ năm 1898 do
người Pháp thiết kế và xây dựng. Trước năm 1945 ở nước ta có các nhà máy rượu Hà
Nội, Hải Dương, Nam Định, Bình Tây, Chợ Quán và Cái Rằng. Tất cả các nhà máy
đều sản xuất theo phương pháp amilo. Sau ngày hoà bình lập lại (1955), các nhà máy
không còn thiết bị nguyên vẹn nên chính phủ tập trung cải tạo, sửa chữa

5


thành nhà máy rượu Hà Nội với năng suất 6 triệu lít/năm, nhằm cung cấp chủ yếu cho
nhu cầu uống cho nhân dân và một phần dành cho xuất khẩu sang các nước Đông Âu.
Kể từ đó đến nay, các công đoạn trong công nghiệp sản xuất cồn liên tục được đổi
mới và hiện đại hoá nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
Tuy nhiên, ở Việt Nam rượu etylic sản xuất hầu như chỉ phục vụ cho ngành
công nghiệp thực phẩm, các ngành khác còn hạn chế. Trong khoảng thời gian những
năm cuối thế kỷ 20, sau khi các nước Đông Âu tan rã, công nghiệp sản xuất rượu cồn

ở Việt Nam gặp không ít khó khăn do thị trường tiêu thụ bị thu hẹp. Tuy nhiên đến
những năm đầu thế kỷ 21, ngành công nghiệp sản xuất cồn lại được chính phủ chú
trọng đầu tư cả về mặt vốn đầu tư và thiết bị, công nghệ tiên tiến hiện đại
[3]. Chính vì thế mà sản lượng cồn của các nhà máy sẽ ngày càng tăng cao. Sản
lượng cồn của một số nhà máy có công suất lớn ở Việt Nam hiện nay được thể hiện ở
bảng 1.2.

Bảng 1.2: Sản lượng cồn của một số nhà máy sản xuất cồn có sản lượng lớn [22]

STT

Đơn vị sản xuất

1

Nhà máy rượu Hà Nội

2

Nhà máy rượu Đồng Xu

3

Nhà máy cồn Quảng Ng

6

Công ty đường Hiệp Hòa

7

Công ty đường Bình Hòa

8

Công ty rượu Bình Tây


6


Khi nhà máy cồn số 2 của Công ty cổ phần đường mía Lam Sơn (Thanh Hóa)
đi vào hoạt động đã bổ sung công suất khoảng 25 triệu lít/ năm. Như vậy tính đến
năm 2005 sản lượng cồn của Việt Nam đạt khoảng 50 triệu lít và cn số này đến năm
2012 đã vào khoảng 60 triệu lít.
Sản lượng cồn của Việt Nam trong những năm tới cũng sẽ không ngừng tăng.
Do hiện nay ở Việt Nam việc nghiên cứu sản xuất cồn sinh học đã được đề cập và
triển khai. Ngày 20/11/2007, thay mặt thay mặt Thủ tướng Chính phủ, Phó Thủ tướng
Chính phủ Hoàng Trung Hải đã ra Quyết định số 177/2007/QĐ-TTG phê duyệt "Đề
án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025". Mục tiêu
chủ yếu của Đề án là phát triển nhiên liệu sinh học góp phần bảo đảm an ninh năng
lượng và bảo vệ môi trường. Theo mục tiêu này đến giai đoạn 2011-2015, nước ta
làm chủ và sản xuất các vật liệu, chất phụ gia phục vụ sản xuất nhiên liệu sinh học;
ứng dụng thành công công nghệ lên men hiện đại để đa dạng hóa các nguồn nguyên
liệu cho quá trình chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu sinh học. Đến năm 2015, sản
lượng ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn, đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của
cả nước. Và tầm nhìn đến năm 2025, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở nước
ta đạt trình độ tiên tiến trên thế giới. Sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 1,8 triệu
tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước.
Thêm vào đó, công ty cổ phần Dịch vụ du lịch Dầu khí (Petrosetco) đã ký với

tập đoàn Itochu Nhật Bản nhằm tiến tới liên doanh đầu tư nhà máy sản xuất ethanol
từ sắn công suất 100 triệu lít/năm tại khu công nghiệp Hiệp Phước, thành phố Hồ Chí
Minh. Đây là nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học ở quy mô công nghiệp đầu tiên tại
Việt Nam. Đến khi đi vào hoạt động thương mại nhà máy sẽ cung cấp một lượng lớn
nhiên liệu sinh học cho các tỉnh thành của đất nước ta[23].

7


1.2 NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT CỒN
Nguyên liệu sản xuất cồn theo phương pháp lên men có thể chia ra thành ba dạng
chính như sau [15]:
Nguyên liệu chứa đường
Nguyên liệu giàu tinh bột
Nguyên liệu xenluloza
1.2.1 Nguyên liệu chứa đường
Các nguyên liệu chứa đường ở dạng đơn giản và có khả năng lên men trực tiếp
(glucoza, fructoza, maltoza) như đường mía, củ cải đường, đường hoa quả, rỉ
đường…Rỉ đường, thứ phẩm của công nghệ sản xuất đường là nguyên liệu chính cho
ngành công nghiệp sản xuất cồn ở một số nước có ngành công nghiệp mía đường phát
triển như Braxin, Cuba, Ấn Độ…Còn đối với nước ta, hàng năm các nhà máy đường
thải ra một lượng mật rỉ lớn 360.000 – 600.000 tấn [6]. Tuy nhiên lượng mật rỉ này
không chỉ cung cấp cho các nhà máy sản xuất cồn mà còn là nguồn nguyên liệu chính
cho các nhà máy sản xuất axít glutamic, sinh khối nấm men. Ngoài ra, giá thành sản
xuất cồn tại các nhà máy sản xuất từ rỉ đường cũng thường xuyên biến động. Nhìn
chung giá bình quân của cồn sản xuất từ mật rỉ là khá cao. Vả lại giá cồn còn phụ
thuộc vào giá mật rỉ và chi phí nhiên vật liệu. Do vậy với mục tiêu trong giai đoạn tới
là sản xuất cồn với giá thành rẻ để pha vào xăng nhằm hạ giá thành cho nhu cầu năng
lượng của người dân thì rỉ đường chưa thực sự là nguồn nguyên liệu tối ưu cho quá
trình sản xuất.

1.2.2 Nguyên liệu xenluloza
Xenluloza là một nguồn nguyên liệu dồi dào và có tiềm năng lớn cho ngành
sản xuất cồn. Nguyên liệu xenluloza có khả năng tái tạo nhanh, giá rẻ và có thể tận
dụng được nguồn phế thải của ngành nông nghiệp hay ngành chế biến nông sản thực
phẩm. Tuy nhiên nguyên liệu xenluloza được cấu trúc bởi các lớp xenluloza,
hemixenluloza và lignin rất bền. Vì vậy quá trình biến đổi xenluloza thành đường

8


có khả năng lên men là rất hạn chế, năng suất cồn vẫn còn thấp [17, 20]. Do đó để
xenluloza trở thành nguồn nguyên liệu chính cho quá trình sản xuất cồn thì cần có
nhiều nghiên cứu kỹ lưỡng hơn.
1.2.3 Nguyên liệu giàu tinh bột
Có rất nhiều nguyên liệu có hàm lượng tinh bột khá cao được ứng dụng trong
quá trình sản xuất cồn như ngô, gạo, lúa mỳ, đại mạch, khoai tây, khoai lang...Mỗi
vùng mỗi quốc gia lại sử dụng loại nguyên liệu thích hợp cho quá trình sản xuất cồn
như: khoai tây là một trong những nguyên liệu thích hợp nhất để sản xuất cồn ở các
nước châu Âu; hay ngô lại là nguyên liệu chính cho ngành công nghiệp cồn của Mỹ,
sắn là nguyên liệu chính cho ngành sản xuất cồn của Thái Lan...Còn đối với Việt Nam
nguyên liệu chính cho quá trình sản xuất cồn là sắn, gạo, một phần ngô và khoai.
Ngô
Thuộc loại hoà thảo (Graminae), loại Zea, loài Zea Mays. Ngô là loại nguyên
liệu rất tốt dùng để sản xuất cồn ở nhiều nước trên thế giới, vì trong ngô lượng gluxit
rất lớn gồm tinh bột (43,47-61,8%), đường (1,76-4,62%), dextrin và pectin (1,0914,67%). Năng suất ngô ở nước ta vẫn còn thấp (38,7 tạ/ha); trong khi đó năng suất
lúa là 49,8 tạ/ha, khoai 82 tạ/ha, sắn 160,7 tạ/ha [24]. Hiện nay, ở Việt Nam ngô chủ
yếu dùng để làm thức ăn gia súc, một phần dùng làm lương thực cho con người và
sản xuất một số sản phẩm khác như sản xuất rượu từ ngô. Tuy nhiên sản lượng rượu
từ ngô còn rất hạn chế, chủ yếu để xuất khẩu. Do vậy ở nước ta ngô không phải là
nguyên liệu hàng đầu cho quá trình sản xuất cồn với sản lượng lớn.

Gạo
Nước ta có hai vùng trồng lúa chính là đồng bằng sông Hồng ở phía bắc và
đồng bằng sông Cửu Long ở miền Nam. Hàng năm sản lượng của cả nước đạt 33 - 34
triệu tấn thóc. Theo tính toán của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, năm 2007
sản lượng cả nước đạt khoảng 36 triệu tấn. Việt Nam đã xuất khẩu 4,53 triệu tấn gạo,
đạt hơn 1,4 tỷ USD, đứng hàng thứ hai trên thế giới [24]. Tuy nhiên sản

9


lượng lúa gạo thường không ổn định, do nước ta thường xuyên phải đối đầu với thiên
tai: lụt lội, hạn hán, sâu bệnh…Hơn thế nữa tiềm năng lúa gạo của nước ta không thể
tăng được nữa. Về lâu dài cũng đứng ở mức đó. Diện tích nông nghiệp thì trong 5
năm qua giảm 340 ngàn ha. Sắp tới do quá trình công nghiệp hoá, mở rộng đường
giao thông thì tiếp tục mất thêm một số đất nông nghiệp nữa. Về mặt dân số thì hằng
năm tăng chừng một triệu người, nên vấn đề an ninh lương thực sẽ trở nên cấp thiết.

Như vậy, mặc dù gạo là nguồn lương thực chính của nước ta nhưng hiện nay
ở nước ta, gạo vẫn được sử dụng làm nguyên liệu chính cho quá trình sản xuất cồn
bởi cồn sản xuất từ gạo có nhiều ưu điểm nổi bật. Cồn gạo thích hợp dùng trong
ngành công nghiệp thực phẩm như dùng để sản xuất giấm, dùng để pha chế thành các
loại rượu có chất lượng cao với đủ loại hương vị khác nhau…
Hạt tinh bột gạo có kích thước từ 2 – 10 µm, màu trắng đục và có dạng hình đa
giác. Thành phần chủ yếu của gạo là tinh bột (70-80%), protein (8-12%), chất béo
(0,4-0,6%), xenluloza (0,6-0,8%). Độ ẩm của gạo thường trong khoảng 11%
[6]. Tinh bột gạo gồm hai thành phần: amiloza chiếm từ 13 – 35%, amilopectin
chiếm khoảng hơn 65% tuỳ thuộc vào từng loại gạo. Nhiệt độ hồ hoá của tinh bột gạo
o

nằm trong khoảng 70 – 80 C [5].

10


Sắn
Sắn là cây lương thực đứng hàng thứ sáu trên thế giới và là một trong 15 cây
trồng chiếm diện tích lớn nhất trong sản xuất nông nghiệp của loài người. Cây sắn có
nhiều ưu điểm như: cây sử dụng tốt những đất đã kiệt, sản lượng ổn định, năng suất
cao, sử dụng lao động tối thiểu và có chứa hàm lượng tinh bột khá cao, thích hợp với
khí hậu nhiệt đới ẩm...[2]. Hiện tại, sắn được trồng trên 100 nước của vùng nhiệt đới,
cận nhiệt đới. Ở Việt Nam, sắn là cây lương thực có sản lượng đứng thứ hai sau lúa.
Trong các cây lấy củ, sắn có diện tích thấp hơn ngô nhưng năng suất và sản lượng thì
cao hơn hẳn [24]. Hơn nữa, hiện nay nhà nước ta đang có những chính sách khuyến
khích người nông dân trồng sắn và nhờ việc áp dụng các giống sắn mới có năng suất
cao và hàm lượng tinh bột lớn nên sản lượng và năng suất sắn ngày càng tăng cao,
diện tích trồng sắn cũng ngày càng được mở rộng (Hình 1.2). Hiện tại, sản lượng sắn
của Việt Nam đứng thứ mười trên thế giới, đứng thứ năm ở châu Á.

Hình 1.2 Diện tích và sản lượng sắn cả nước

11


Hình 1.3 Sản lượng sắn thế giới giai đoạn 2005-2010

Ứng dụng chính của sắn ở nước ta hiện này là làm nguyên liệu cho các nhà
máy sản xuất tinh bột, làm sắn lát để xuất khẩu, làm thức ăn gia súc. Do vậy giá thành
không cao. Nếu đưa vào chế biến thành nhiên liệu sinh học, chẳng những ổn định
được thị trường mà còn góp phần cải thiện đáng kể giá cả. Chẳng hạn giá xuất khẩu
một tấn sắn lát hiện khoảng 110 đô la Mỹ và với 1,2 triệu tấn, hàng năm sản phẩm

này chỉ mang lại cho Việt Nam 132 triệu đô la Mỹ. Nhưng nếu sử dụng làm nguyên
liệu sản xuất ra 480.000 tấn ethanol (2,5 tấn sắn lát sản xuất được một tấn ethanol) thì
Việt Nam sẽ tiết kiệm được khoảng 330 triệu đô la Mỹ dùng để nhập xăng. Ngoài ra,
Việt Nam có thể sử dụng giống biến đổi gen cho năng suất cao để sản xuất nguyên
liệu cho ngành nhiên liệu sinh học, qua đó giúp nâng cao thu nhập cho nông dân đặc
biệt ở khu vực trung du và miền núi.
Khả năng cạnh tranh của sắn với mía trong quá trình sản xuất cồn sẽ phụ thuộc
rất nhiều vào giá thành. Sắn là cây dễ trồng cho năng suất cao nên giá thành thu mua
rẻ, nên về lâu dài sắn sẽ có vị thế cạnh tranh – nếu không nói là tốt hơn – như nguyên
liệu cho nền kinh tế nhiên liệu cồn. Hơn thế nữa sắn có khả năng bảo

12


quản dưới dạng lát khô đảm bảo cho hoạt động sản xuất nhà máy quanh năm. Như
vậy thực tế ở Việt Nam cho thấy nếu phát triển ngành sản xuất cồn làm nhiên liệu
sinh học thì sắn sẽ là nguyên liệu có nhiều tiềm năng.
Cấu tạo của củ sắn gồm bốn phần chính [5]:
Vỏ gỗ chiếm từ 0,5-3% khối lượng củ. Lớp vỏ củ có thể có màu trắng, vàng
hoặc nâu. Vỏ gỗ gồm các tế bào sít, cấu tạo từ xenluloza, hầu như không có tinh bột.
Vỏ gỗ có tác dụng bảo vệ củ khỏi bị ảnh hưởng của ngoại cảnh.
Vỏ cùi hay vỏ thịt, chiếm từ 8 – 10% khối lượng toàn củ. Vỏ cùi gồm các tế
bào thành dày, ngoài xenluloza là chính còn chứa 5 – 8% tinh bột. Trong vỏ cùi có
các sắn tố, độc tố, enzim…
Thịt sắn, là thành phần chủ yếu của củ sắn, bao gồm các tế bào nhu mô thành
mỏng. Thành phần vỏ tế bào nhu mô là xenluloza, pentozan, bên trong là các hạt tinh
bột và nguyên sinh chất. Lượng tinh bột trong thịt sắn phân bố không đều, nhiều nhất
ở lớp ngoài rồi giảm dần vào bên trong.
Ngoài các tế bào nhu mô còn có các tế bào thành cứng không chứa tinh bột,
cấu tạo từ xenluloza nên cứng như gỗ. Loại tế bào này có nhiều ở đầu cuống và ở các

củ sắn lưu niên.
Thành phần chủ yếu của sắn là tinh bột (65 – 70%), protein (1,75%), chất béo
(0,9%), xenluloza (3,4%), chất tro (1,8%). Độ ẩm của sắn thường trong khoảng 14%
[6]. Hạt tinh bột sắn có kích thước từ 5 đến 40 µm với những hạt lớn 25-35 µm, hạt
nhỏ 5-15 µm và nhiều hình dạng. Hạt tinh bột có cấu trúc dạng xốp, liên kết giữa các
phần tử trong cấu trúc phân tử yếu nên nó dễ bị phân hủy bởi các tác nhân như axit và
enzim hơn so với các hạt tinh bột khác như ngô và gạo [5].
Tinh bột sắn có hai thành phần cấu tạo: amiloza chiếm 18 - 22%, amilopectin
o

chiếm 78 - 80%. Nhiệt độ bắt đầu hồ hoá của tinh bột sắn là 58 C, nhiệt độ hồ hoá là
o

o

65 C và nhiệt độ hồ hoá hoàn toàn là 68 C. Tinh bột sắn có màu trắng sáng, óng ánh
khi nhìn dưới nắng. Tinh bột bị hồ hoá biến thành màu nâu trong hơi ngả về

13


xám. Tinh bột sắn không có mùi đặc trưng, khi hồ hoá dậy mùi đặc trưng dễ phân biệt
với các loại tinh bột khác. Khi hồ hoá, độ nhớt tăng rất nhanh, độ dính rất cao so với
tinh bột khoai và các loại củ khác [1].

1.3 SẢN XUẤT CỒN TỪ NGUYÊN LIỆU GIÀU TINH BỘT
1.3.1 Sản xuất cồn theo công nghệ truyền thống [6]
Công nghệ sản xuất cồn theo phương pháp truyền thống được thể hiện tóm
tắt ở hình 1.4.

Hình 1.4 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cồn theo phương pháp truyền thống
Theo sơ đồ sản xuất này, quy trình sản xuất cồn có thể chia thành các công
đoạn chính: nghiền nguyên liệu, nấu và đường hoá, lên men, chưng cất.
1.3.1.1 Quá trình nghiền nguyên liệu
Mục đích của quá trình nghiền nguyên liệu là làm nhỏ nguyên liệu để tăng
diện tích bề mặt tiếp xúc với nước, làm cho sự xâm nhập của nước vào trong các
thành phần của nội nhũ nhanh hơn, thúc đẩy quá trình nấu, đường hoá và các quá
trình thuỷ phân khác nhanh và triệt để hơn. Trước đây, nguyên liệu đưa vào quá trình
nấu thường để nguyên hạt hay lát to nên thời gian nấu, đường hoá kéo dài và

14


sự thuỷ phân các chất không triệt để. Ngày nay, nguyên liệu được nghiền nhỏ với mức
độ nghiền khác nhau rồi đưa vào nấu ở áp suất và nhiệt độ phù hợp nhằm biến tinh
bột thành trạng thái hoà tan.
1.3.1.2 Quá trình nấu nguyên liệu (quá trình dịch hóa)
Trong các dạng nguyên liệu như gạo, ngô, khoai, sắn,.. hạt tinh bột luôn nằm
trong các màng tế bào. Khi nghiền, chỉ một phần các màng đó bị phá vỡ, phần lớn các
màng tế bào còn lại sẽ ngăn cản sự tiếp xúc của enzim amylaza với tinh bột. Mặt
khác, ở trạng thái không hòa tan, amylaza tác dụng lên tinh bột rất chậm và kém hiệu
quả. Vì vậy, mục đích chủ yếu của quá trình nấu nguyên liệu là nhằm làm trương nở
hạt tinh bột, sau đó phá vỡ màng tế bào của tinh bột tạo điều kiện để chúng biến thành
dạng hoà tan trong dung dịch.
1.3.1.3 Quá trình thuỷ phân nguyên liệu
Sau khi kết thúc quá trình nấu tinh bột trong dịch cháo đã chuyển sang trạng thái
hoà tan nhưng chưa thể lên men được mà phải trải qua quá trình thuỷ phân tinh bột để
biến thành đường có khả năng lên men. Quá trình chuyển hoá tinh bột thành đường
được gọi là quá trình đường hoá. Quá trình này đóng vai trò vô cùng quan trọng trong
công nghệ sản xuất cồn. Nó quyết định đến phần lớn hiệu suất thu hồi cồn.

Muốn đạt hiệu quả cao trong quá trình thuỷ phân tinh bột thì vấn đề quan trọng
trước tiên là chọn tác nhân đường hoá. Trước kia người ta thường sử dụng axit HCl
hoặc axit H2SO4 để thuỷ phân tinh bột, nhưng hiện nay rất ít dùng vì giá thành cao
mà hiệu suất thu hồi cồn lại thấp. Ở một số nước trên thế giới vẫn còn sử dụng
amylaza của thóc mầm (malt đại mạch) để thuỷ phân tinh bột trong sản xuất cồn
nhưng phần lớn hiện nay các nước đều dùng amylaza có nguồn gốc vi sinh vật. Tiêu
biểu là hai chế phẩm enzim dịch hóa Termamyl SC và enzim đường hóa Dextrozyme
GA của hãng Novo Đan Mạch.
Termamyl SC là chế phẩm amylaza dạng lỏng chịu được nhiệt độ cao được sản
xuất từ chủng vi khuẩn Bacillus licheniformis. Termamyl SC là một endo-

15