Nghiên cứu phát triển công nghệ dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời để sản xuất từ gạo

PHENGMEANGKHUNE
Thipphaphone

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHENGMEANGKHUNE Thipphaphone

CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ DỊCH HÓA, ĐƯỜNG
HÓA VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI ĐỂ SẢN XUẤT CỒN TỪ GẠO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Công nghệ Thực Phẩm

KHOÁ 10B
Hà Nội – Năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHENGMEANGKHUNE Thipphaphone

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CƠNG NGHỆ DỊCH HĨA, ĐƯỜNG HÓA
VÀ LEN MEN ĐỒNG THỜI ĐỂ SẢN XUẤT TỪ GẠO

Chuyên ngành : Công nghệ Thực Phẩm

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Chu Kỳ Sơn

Hà Nội – Năm 2013


Luận văn thạc sĩ

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ của tơi được thực hiện tại Phịng thí nghiệm Bộ mơn
Cơng nghệ Thực phẩm, Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực
phẩm,Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
người.

Luận văn này đã được hoàn thành với sự giúp đỡ và ủng hộ của rất nhiều

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Chu Kỳ Sơn. Kiến
thức chuyên ngành, sự lắng nghe, thấu hiểu và hướng dẫn nhiệt tình của thầy đã
giúp cho tơi có thể hồn thành được tốt luận văn này.
Tôi cũng xin gửi những lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô trong Bộ mơn
Cơng nghệ Thực phẩm, tới phịng thí nghiệm Bộ mơn Cơng nghệ Thực phẩm,
tới ThS. Nguyễn Thị Hồi Đức, cán bộ phụ trách phịng thí nghiệm vì sự giúp đỡ
nhiệt tình của cơ trong khi tơi thực hiện luận văn này.
Tôi cũng xin được cảm ơn các bạn ThS. Nguyễn Chính Nghĩa, Trương
Tuấn Nghĩa vì sự giúp đỡ và đã cho tơi những lời khun hữu ích để hồn thành
luận văn.
Cuối cùng, tôi xin gửi những lời cảm ơn chân thành nhất tới gia đình và

bạn bè, những người đã luôn động viên và ở bên cạnh tôi trông những thời điểm
khó khăn.

Hà Nội, ngày 16 tháng 3 năm 2013

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page 1

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B


Luận văn thạc sĩ

TÓM TẮT NỘI DUNG

Tại Việt Nam, hầu hết các nhà máy đều sử dụng quy trình truyền thống để
sản xuất cồn. Quy trình này bao gồm bốn cơng đoạn chính: Dịch hóa, Đường
hóa, Lên men và Chưng cất. Trong các giai đoạn đó thì cơng đoạn Dịch hóa và
Chưng cất tiêu tốn khá nhiều năng lượng. Với mục đích nâng cao hiệu quả sản
xuất, giảm thiểu chi phí đầu tư thiết bị và tiết kiệm năng lượng sử dụng cho cơng
đoạn Dịch hóa trong khi vẫn đảm bảo được hiệu suất cũng như thời gian lên men,
chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu và phát triển Dịch hóa, Đường hóa và Lên men
đồng thời (SLSF) để sản xuất cồn từ nguyên liệu gạo.
Luận văn của tôi tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:
Nghiên cứu phát triển quy trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng
thời (SLSF) để sản xuất cồn từ gạo ở nồng độ chất khơ 185 g/l: theo quy trình
này, dịch bột gạo sẽ được dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở 30-320C
trong vòng 72h với sự bổ sung đồng thời các enzym alpha-amylaza và glucoamylaza: Stargen 002 (1,5 ml/kg nguyên liệu) và Amigase L (0,5 ml/kg nguyên
liệu); nấm men khô Red Ethanol (0,25 g/l) và chất dinh dưỡng Urê (0,8 g/l). Sau

72h lên men, độ cồn thu được đạt 10,9 % v/v, tương ứng với hiệu suất thu hồi
91,3%.
Tiến hành tối ưu hóa quy trình SLSF trên gạo ở nồng độ chất khơ 185 g/l:
với mục đích làm giảm lượng enzym cũng như nấm men sử dụng trong quy trình
trên trong khi vẫn giữ nguyên được hiệu suất cũng như không làm kéo dài thời
gian lên men, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu nhằm tối ưu hóa quy trình SLSF
trên gạo. Tuy nhiên, do việc lựa chọn điểm giữa cũng như bước nhảy của các yếu
tố chưa được tốt, hệ số tương quan giữa mơ hình và thực tế khơng cao. Vì vậy,
kết quả tối ưu chúng tơi thu được khơng thật sự chính xác.

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page 2

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B


Luận văn thạc sĩ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN............................................................................... 1
TÓM TẮT NỘI DUNG ............................................................... 2
MỤC LỤC .................................................................................... 3
DANH MỤC VIẾT TẮT ............................................................. 6
MỞ ĐẦU ....................................................................................... 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU..................................... 9
1.1.

Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam..............................9

1.1.1.
1.2.

Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới ............................................ 9

Nguyên liệu để sản xuất cồn .................................................................. 10

1.2.1.

Nguyên liệu chứa đường. ................................................................ 10

1.2.2.

Nguồn nguyên liệu chứa xenluloza ................................................. 11

1.2.3.

Nguồn nguyên liệu chứa tinh bột .................................................... 11

1.3.

Công nghệ sản xuất cồn ......................................................................... 14

1.3.1.

Quy trình truyền thống .................................................................... 14

1.3.2.

Quy trình đường hóa và lên men đồng thời SSF .............................15

(Simultaneous Saccharification and Fermentation) ...................................... 15
1.3.3.

Quy trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời (SLSF) ......16

1.3.4.

So sánh ba quy trình ........................................................................ 18

1.3.5.

Mục đích của luận văn thạc sĩ ......................................................... 19

CHƯƠNG 2: VẬT LIẸU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU ............................................................................................ 20
2.1. Vật liệu ..................................................................................................... 20
2.1.1. Gạo tẻ ................................................................................................. 20
2.1.2. Enzym ................................................................................................ 20
2.1.3 Nấm men khô ...................................................................................... 21
Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page 3

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B


Luận văn thạc sĩ

2.1.4. Những nguyên liệu khác ..................................................................... 21
2.2. Các phương pháp phân tích....................................................................... 21
2.2.1. Xác định độ ẩm của nguyên liệu ........................................................ 21
2.2.2. Xác định hàm lượng tinh bột bằng phương pháp thủy phân axit. .......22
2.2.3. Xác định đường khử bằng phương pháp DNS (Axit dinitro salixylic).
..................................................................................................................... 23
2.3.4. Xác định hàm lượng cồn..................................................................... 24
2.3. Các phương pháp nghiên cứu.................................................................... 26
2.3.1. Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời. ........................26
2.3.2. Tối ưu hóa quy trình SLSF bằng ma trận Doehlert . ...........................28

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................ 30
3.1.Nguyên liệu gạo và thành phần .................................................................. 30
3.2. Khảo sát quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời 1(quy trình
SLSF1)............................................................................................................. 31
3.2.1.Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa va lên men đồng thời 1 (quy trình
SLSF1) ......................................................................................................... 31
3.2.2.Kết quả ................................................................................................ 32
3.3.Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời cải tiến (SLSF2) ....34
3.3.1.Kết quả ................................................................................................ 35
3.3. Tối ưu hóa quy trình SLSF sử dụng ma trận Doehlert. .............................36
3.3.1. Đánh gia ảnh hưởng của các biến số đối với đường sót của dịch hèm
sau 72h lên men (Y 1 ). ................................................................................... 38
3.3.2. Đánh giá ảnh hưởng của các biến số đối với độ cồn của dịch hèm sau
72h lên men (Y 2 ). ......................................................................................... 39
3.3.3. Đánh giá ảnh hưởng của các biến số đối với hiệu suất thu hồi của quy
trình sau 72h lên men (Y 3 ). .......................................................................... 41
3.3.4. Kết luận về ảnh hưởng của các yếu tố đối với quy trình. ....................41

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG ........................ 43

4.1.

Kết luận ................................................................................................. 43

4.2.

Triển vọng ............................................................................................. 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................... 44
Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page 4

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B


Luận văn thạc sĩ

Commented [NN1]:

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH
Sản lượng ethanol của một số nước trên thế giới
So sánh 3 phương pháp sản xuất cồn
Các đặc tính chính của các enzym đã sử dụng trong nghiên
cứu
Bảng 2.2:
Các yếu tố ảnh hưởng được lựa chọn cho nghiên cứu
Bảng 2.3:
Ma trận thực nghiệm xây dựng từ phương pháp Doehlert
cho 3 yếu tố ảnh hưởng

Bảng 3.1:
Gạo tẻ và bột nghiền mịn
Biểu đồ 3.1 Biến đổi hàm lượng đường khử, đường sót và độ cồn của
dịch trong quá trình lên men quy trình SLSF1
Biểu đồ 3.2: Đường khử, đường sót và độ cồn của dịch trong quá trình
lên men ở quy trình cải tiến (SLSF2)
Biểu đồ 3.3: Hiệu suất thu hồi theo quy trình 2 (SLSF2)
Hình 1.1:
Sản lượng sắn tại Việt Nam 2005-2011
Hình 1.2:
Sản lượng gạo tại Việt Nam 2005-2011
Hình 1.3:
Quy trình sản xuất cồn truyền thống
Hình 1.4:
Quy trình đường hóa và lên men đồng thời SSF
Hình 1.5:
Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời (SLSF)
Hình 2.1:
Gạo tẻ và bột gạo đã nghiền mịn
Hình 2.2:
Hệ thống chưng cất cồn
Hình 2.3:
Máy đo điẻm sơi DUJARDIN-SALLERON
Hình 2.5:
Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời
(SLSF1)
Hình 2.6:
Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời
(SLSF2)
Hình 3.1:

Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời1
(SLSF1)
Hình 3.2:
Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời
cải tiến (SLSF2)
Bảng 1.1:
Bảng 1.2:
Bảng 2.1:

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page 5

9
18
20
28
29
30
32
35
36
12
13
14
16
18
20
24
25

26
27
31
34

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B


Luận văn thạc sĩ

DANH MỤC VIẾT TẮT
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

SSF: Đường hóa và lên men đồng thời.
SLSF: Dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời.
USD: Đô la Mỹ (United States Dollar).
CD: Catalylic domain.
SBD: Starch binding domain.
ASAA: Acid Stable Alpha Amylase.
MhL: triệu Hectolit.

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page 6

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B


Luận văn thạc sĩ

MỞ ĐẦU
Ethanol đóng vai trị quan trọng rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Trong
các lĩnh vực, vai trò của ethanol trong lĩnh vực nhiên liệu ngày càng trở nên quan
trọng. Trong bối cảnh nguồn nguyên liệu hóa thạch đang ngày một cạn kiệt,
ethanol nhiên liệu được xem như một nguồn thay thế hữu hiệu và thân thiện với
môi trường. Nhu cầu sử dụng ethanol càng ngày càng cao đã thúc đẩy ngành
công nghiệp sản xuất ethanol trên toàn cầu. Sản lượng ethanol liên tục tăng qua
các năm.
Ngành sản xuất cồn của Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ trong thời
gian qua để phục vụ mục tiêu chương trình nhiên liệu sinh học đã được Chính
phủ để đáp ứng được nhu cầu sử dụng trong ngành sản xuất đồ uống có cồn. Ta
có thế nói rằng ngành cơng nghệ sản xuất cồn tại Việt Nam sẽ có một tố độ phát
triển không ngừng và đáng kinh ngạc.
Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời (SLSF), đây là một
phương pháp mới để sản xuất cồn. với phương pháp này, cả 3 q trình dịch hóa,
đường hóa và lên men được kết hợp lại trong một công đoạn duy nhất, trong
cùng một thiết bị và ở cùng một nhiệt độ.
Cơng nghệ dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời (SLSF) là công
nghệ kết hợp quá trình dịch hóa, đường hóa ngun liệu tinh bột và quá trình lên
men trong cùng một thiết bị. Với sự trợ giúp của một hỗn hợp enzym có tác dụng
tương hỗ để chuyển hóa trực tiếp hạt tinh bột chưa được hồ hóa thành các dạng
đường lên men, mà nấm men có thể sử dụng được để chuyển hóa thành ethanol.
Hỗn hợp enzym sử dụng chứa chủ yếu là hai enzym alpha amylaza và
glucoamylaza. Ngồi ra có thể bổ sung một số enzym khác để tăng hiệu quả quá

trình đường hóa như cellulaza và beta glucanaza. Enzym có thể thủy phân tinh
bột sống (không cần gia nhiệt) đã được biết đến từ năm 1944. Tuy nhiên chỉ có
Nhật Bản sản xuất được sản phẩm enzym để thủy phân tinh bột sống dung trong
sản xuất rượu sake. Một lý do quan trọng làm hạn chế sự phát triển của các loại
enzym này là giá thành quá đắt do phải sử dụng phương pháp lên men rắn. Hiện
nay, với sự tiến bộ của công nghệ sinh học, loại enzym thủy phân tinh bột với giá
thành rẻ và có hoạt độ cao đã được nghiên cứu và sản xuất ở quy mô công
nghiệp. Đây là hai yếu tố quan trọng để ứng dụng quá trình thủy phân tinh bột
sống kết hợp với quá trình đường hóa và lên men đồng thời trong cơng nghệ sản
xuất cồn.
Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page 7

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B


Luận văn thạc sĩ

1. Mục đích của nghiên cứu này
Luận văn thạc sĩ của tôi tập trung nghiên cứu và quy trình Dịch hóa,
Đường hóa và Lên men Đồng thời (SLSF) để sản xuất cồn từ nguyên liệu
gạo tẻ.
Luận văn cũng nhằm mục tiêu tối ưu quy trình SLSF nhằm đảm bảo hiệu
suất quá trình lên men cũng như giảm thiểu chi phí (enzym, nấm men, thời
gian).

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page 8

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B


Luận văn thạc sĩ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1.

Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam

1.1.1. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới
Ethanol đóng vai trị quan trọng rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống, ta có thể
kể ra các lĩnh vực như:
-

Quốc phịng: thuốc súng, bom…
Y học: dung môi pha thuốc, chất sát trùng…
Thực phẩm: rượu, giấm, đồ uống có cồn...
Nơng nghiệp: thuốc trừ sâu…
Giao thơng: nhiên liệu sinh học...
Hóa học: dung mơi…
Các ứng dụng khác: vecni, hồ dán, sơn…

Bảng 1.1: Sản lượng ethanol của một số nước trên thế giới (Mhl)[1]
Nước
Hoa Kỳ
Brazil
Liên minh
Châu Âu

Trung Quốc
Canada
Châu Á
Thái Lan
Ấn Độ
Australia

2009
401,21
248,97

2010
519,34
216,98

2011
545,09
210,95

39,35
20,50
11,00
16,47
3,47
2,15

45,74
20,50
13,49
29,75

2,49

44,19
20,99
17,49
33,67
3,30

Trong các lĩnh vực trên, vai trò của ethanol trong lĩnh vực nhiên liệu ngày
càng trở nên quan trọng. Trong bối cảnh nguồn nguyên liệu hóa thạch đang ngày
một cạn kiệt, ethanol nhiên liệu được xem như một nguồn thay thế hữu hiệu và
thân thiện với môi trường. Nhu cầu sử dụng ethanol càng ngày càng cao đã thúc
đẩy ngành cơng nghiệp sản xuất ethanol trên tồn cầu. Sản lượng ethanol liên tục
tăng qua các năm, trong đó Hoa Kỳ và Brazil là hai quốc gia đi đầu trong ngành
cơng nghiệp này. Chỉ tính riêng trong năm 2011,cùng với nhau, Mỹ và Brazil đã
sản xuất tới 87% sản lượng ethanol toàn cầu. Phần lớn ethanol của Hoa Kỳ được
sản xuất từ ngô, trong khi tại Brazil, ethanol chủ yếu được sản xuất từ rỉ đường.
Có thể nói rằng, với nhu cầu về nhiên liệu ngày một tăng như hiện nay, sản lượng
ethanol sẽ tăng lên không ngừng trong tương lai.
Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page 9

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B

Commented [CKS2]: TLTK


Luận văn thạc sĩ

1.1.2. Tình trạng sản xuất cồn ở Việt Nam
Ngành sản xuất cồn của Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ trong thời
gian qua để phục vụ mục tiêu chương trình nhiên liệu sinh học đã được Chính
phủ phê duyệt trong ngày 20/11/2007 và để đáp ứng được nhu cầu sử dụng trong
ngành sản xuất đồ uống có cồn.
Theo quy hoạch phát triển ngành bia, rượu, nước giải khát Việt Nam đến
năm 2015, tầm nhìn đến năm (2025)[2], ngành công nghiệp sản xuất bia, rượu,
nước giải khát sẽ được phát triển theo hướng bền vững, chú trọng bảo đảm vệ
sinh, an toàn thực phẩm cho người tiêu dùng và bảo vệ môi trường sinh thái. Đến
năm 2010 sản lượng sản xuất đạt 2,5 tỷ lít bia, 80 triệu lít rượu cơng nghiệp, 2 tỷ
lít nước giải khát. Kim ngạch xuất khẩu từ 70-80 triệu USD. Đến năm 2015, sản
lượng sản xuất đạt 4 tỷ lít bia, 188 triệu lít rượu cơng nghiệp, 4 tỷ lít nước giải
khát. Kim ngạch xuất khẩu từ 140-150 triệu USD. Đến năm 2025, sản lượng sản
xuất đạt 6 tỷ lít bia, 440 triệu lít rượu cơng nghiệp, 11 tỷ lít nước giải khát. Bên
cạnh đó, nhà nước cũng khuyến khích phát triển cồn sinh học làm nhiên liệu.
Theo Bộ Công thương, sản lượng nhiên liệu sinh học trong nước sẽ đạt 1,8 triệu
tấn vào năm 2025, đáp ứng 5 % nhu cầu của quốc gia[3]. Ngồi ra, chính phủ sẽ
thực hiện quy hoạch và phát triển các vùng chuyên canh nguyên liệu cho sản suất
cồn sinh học, dầu động vật và thực vật (mía, sắn, ngơ, dầu động vật và thực vật
thu hồi,v.v…). Hơn nữa, chúng ta sẽ tiếp cận và áp dụng những công nghệ sản
xuất cồn tiên tiến từ những nguồn sinh khối khác nhau nhằm đáp ứng hoàn toàn
nhu cầu ethanol để sản xuất xăng E5.
Tại một quốc gia có nhiều tiềm năng sản xuất cồn như sự đa dạng về
nguyên liệu, thị trường tiêu thụ lớn, ta có thể nói rằng ngành cơng nghiệp sản
xuất cồn sinh học tại Việt Nam sẽ có một tốc độ phát triển khơng ngừng và đáng
kinh ngạc.
1.2.

Nguyên liệu để sản xuất cồn

Có thể chia nguyên liệu để sản xuất cồn ra làm 3 nhóm chính: nguồn
ngun liệu chứa đường, nguồn ngun liệu chứa xenluloza và nguồn nguyên
liệu chứa tinh bột.
1.2.1. Nguyên liệu chứa đường.
Những nguyên liệu chứa đường giúp cho quá trình lên men dễ dàng hơn
như là mía, củ cải đường và rỉ đường. Rỉ đường chính là nguồn nguyên liệu quan
trọng trong sản xuất cồn ở rất nhiều quốc gia như: Brazil, Cuba, Ấn Độ… Tại
Việt Nam, chúng ta thường sử dụng những ngun liệu đó để sản xuất đường, mì
Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page
10

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B

Commented [CKS3]: TLTK????


Luận văn thạc sĩ

chính hay tạo sinh khối nấm men. Trên thực tế, việc sử dụng những nguyên liệu
này để sản xuất cồn khơng cịn được sử dụng nữa.
1.2.2. Nguồn nguyên liệu chứa xenluloza
Nguồn sinh khối chứa xenluloza là một trong những nguồn nguyên liệu tái
tạo phổ biến nhất trên trái đất, và đặc biệt là một trong những nguồn rẻ nhất. Việc
sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu này sẽ cho phép đáp ứng một phần nhu cầu
năng lượng toàn cầu, mà hiện nay chủ yếu được đảm bảo bởi các sản phẩm dầu
khí, mở ra những cơ hội mới đối với ngành nông nghiệp. Đặc biệt tại Việt Nam,
những phụ phẩm nông nghiệp và của ngành công nghiệp thực phẩm rất đa dạng,
ví dụ như rơm rạ hay bã mía. Vì vậy, chúng ta có một tiềm năng rất lớn để phát

triển việc sản xuất cồn sinh học từ nguồn nguyên liệu này.
Tuy nhiên, với cấu trúc bao gồm xenluloza, hemi-xenluloza và lignin,
xenluloza có một cấu trúc rất bền và khó bị phá vỡ. Hơn nữa, việc chuyển hóa
nguyên liệu này thành đường lên men được là hết sức khó khăn và tốn kém. Do
vậy, hiệu suất thu hồi cũng như hàm lượng cồn thu được là thấp. Trên thực tế,
người ta coi xenluloza là nguồn nguyên liệu của tương lai.
1.2.3. Nguồn nguyên liệu chứa tinh bột
Quy trình sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu chứa tinh bột là phương pháp
lâu đời và phổ biến nhất trên thế giới. Có rất nhiều ngun liệu chứa tinh bột như
ngơ, gạo, gạo nếp, sắn, lúa mì, khoai tây… Tại Việt Nam, nguyên liệu được sử
dụng nhiều nhất là gạo tẻ, sắn, ngơ và gạo nếp.
1.2.3.1.

Sắn

Sắn chiếm vị trí thứ sáu trong số những loại cây được trồng nhiều nhất
trên thế giới.Sắn có rất nhiều ưu điểm: khả năng thích nghi ở điều kiện khắc
nghiệp, sản lượng cao, giá thành thấp…

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page
11

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B


Luận văn thạc sĩ

12000

Sản lượng sắn (nghìn tấn)

10000

8000

6000

sắn

4000

2000

0
2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

Hình 1.1: Sản lượng sắn tại Việt Nam từ (2005 –2011)[4]
1.2.3.2.

Commented [CKS4]: TLTK

Gạo

Gạo là lương thực quan trọng nhất ở Việt Nam. Nó cũng là nguồn tinh bột
chính trong bữa ăn của một nửa dân số toàn cầu, nhất là ở các nước Đông Á,
Đông Nam Á và Nam Á.Từ nhiều năm nay, Việt nam liên tục đứng trong nhóm
các quốc gia xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới. Theo Hiệp hội lương thực Việt
Nam, trong năm 2011, cả nước đã sản xuất được trên 42 triệu tấn gạo, trong đó
xuất khẩu 7,105 triệu tấn, giá trị xuất khẩu đạt 3,651 tỷ USD [5].

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page
12

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B

Commented [CKS5]: Nghĩa là gì?????


Luận văn thạc sĩ

44000

Sản lượng gạo (nghìn tấn)

42000
40000
38000

gạo

36000
34000
32000
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

Hình 1.2: Sản lượng gạo tại Việt Nam từ (2005 – 2011)[4]
Gạo không chỉ được sử dụng như một thức ăn thiết yếu mà từ lâu đã được
sử dụng như một nguyên liệu quan trọng để sản xuất rượu. Cồn sản xuất từ gạo
được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm để sản xuất những đồ uống có cồn có
chất lượng cao, ngồi ra cũng được sử dụng để sản xuất dấm.
Kích thước của hạt tinh bột từ 2-10 µm, gạo chứa tinh bột (70-80%),
protein (8-12%), lipid (0,4-0,6%), xenluloza (0,6-0,8%). Trong tinh bột gạo,
amyloza chiếm13-35% và amylopectin chiếm trên 65% tùy thuộc vào từng loại
gạo.

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page
13

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B


Luận văn thạc sĩ

1.3. Công nghệ sản xuất cồn
1.3.1. Quy trình truyền thống
Quy trình sản xuất hiện tại bao gồm những cơng đoạn chính: dịch hóa,
đường hóa, lên men và chưng cất. Trước những giai đoạn đó, nguyên liệu phải
được nghiền và trộn với nước.

Hình 1.3: Quy trình sản xuất cồn truyền thống
Hiện nay, hầu hết các nhà máy tại Việt Nam đều sử dụng quy trình truyền
thống để sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu chứa tinh bột. Phương pháp này bao
gồm các cơng đoạn sau: Dịch hóa (95-1050C trong 60 phút), Đường hóa (60620C trong 30 phút), Lên men (30-320C trong 72h đến 84h) và chưng cất để thu
được cồn 96% v/v). Nồng độ chất khô thường nhỏ hơn 200 g/l.

1.3.1.1. Dịch hóa.
Mục đích của cơng đoạn này là chuyển hóa tinh bột thành các dextrin và
oligosaccharit nhờ hoạt động của enzym alpha-amylaza bền nhiệt. Q trình dịch
hóa thường được thực hiện ở 95-1050C trong 1-2h. pH được sử dụng ở giai đoạn
này thường từ 5,5-6,0.

1.3.1.2. Đường hóa.
Sau khi kết thúc q trình dịch hóa, dịch chứa dextrin và các
oligosaccharit. Trong q trình đường hóa, các chất này sẽ được cắt thành đường
glucose dưới tác dụng của enzym gluco-amylaza. Q trình đường hóa thường
được thực hiện ở nhiệt độ 60-620C ở pH từ 4,5-5,0 trong vòng 30 phút.

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page
14

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B

Commented [CKS6]: TLTK???, tiếng Việt


Luận văn thạc sĩ

1.3.1.3. Lên men.
Sau khi kết thúc quá trình đường hóa, nấm men và các chất dinh dưỡng sẽ
được bổ sung vào dịch hèm. Trong quá trình lên men, nấm men sẽ sử dụng
đường glucoza để tạo ra ethanol, CO 2 và một số chất khác (glycerol, các axit hữu
cơ, andehyt, v.v…). Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong sản xuất cồn. Thơng
thường q trình lên men kết thúc sau 72-84h.

1.3.1.4. Chưng cất.
Mục đích của giai đoạn này là loại bỏ những tạp chất và những chất khơng
mong muốn (andehyt, ceton, các axít hữu cơ, rượu bậc cao, v.v…) để thu được
ethanol ở nồng độ cao (96%v/v). Chất lượng của cồn thu được phụ thuộc vào hệ
thống chưng cất. Hiện nay, người ta rất chú ý đến việc quản lý chất lượng của
cồn sinh học sao cho nó có chất lượng cao tương đương với cồn thực phẩm.
• Quy trình truyền thống đã bộc lộ một số hạn chế như sau:
- Sử dụng một lượng nhiệt lớn cho q trình dịch hóa : gia nhiệt dịch từ
300C lên 95-1050C và duy trì dịch cháo ở nhiệt độ cao trong thời gian
vòng 1-2h.
- Tổn thất một lượng đường và axit amin do phản ứng Maillard.
- Cần một lượng lớn nước và nhiều thời gian để hạ nhiệt.
Nhằm khắc phục những hạn chế trên của quy trình sản xuất cồn truyền
thống, các nhà khoa học đã tiến hành các nghiên cứu nhằm tìm ra một phương
pháp mới.

1.3.2. Quy trình đường hóa và lên men đồng thời SSF
(Simultaneous Saccharification and Fermentation)
Việc sản xuất cồn theo quy trình đường hóa và lên men đồng thời SSF bao
gồm 3 giai đoạn: dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời, chưng cất.
- Dịch hóa:
Ở phương pháp này, q trình dịch hóa được thực hiện ở nhiệt độ 50-800C
trong khi ở phương pháp truyền thống, q trình dịch hóa được thực hiện ở 951050C. Dưới tác dụng của enzym alpha-amylaza trong một số chế phẩm như
Spezyme Alpha hay Spezyme Xtra (Dupont) hoặc Termamyl (Novozymes), tinh
bột được phân cắt thành các dextrin và oligosaccharit. Q trình này diễn ra trong
vịng 2h ở pH từ 5,0-5,5.

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page
15

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B


Luận văn thạc sĩ

- Đường hóa và Lên men đồng thời:
Sau khi kết thúc q trình dịch hóa, dịch cháo sẽ được làm lạnh ngay lập
tức xuống 300C. Tại nhiệt độ này,enzym đường hóa gluco-amylaza được bổ sung
đồng thời cùng với nấm men và những hợp chất cần thiết khác như urê,
(NH 4 ) 2 SO 4 để thực hiện q trình Đường hóa và Lên men đồng thời. Q trình
chuyển hóa những hợp chất trong dịch đã dịch hóa (dextrin, maltoza…) thành
glucoza được thực hiện song song với quá trình lên men cồn. Khi nấm men sử
dụng hết những đường lên men, quá trình SSF kết thúc.
- Chưng cất: quá trình này được thực hiện giống như ở quy trình truyền thống.

Hình 1.4: Quy trình đường hóa và lên men đồng thời SSF
(Saccharification Fermentation Simulaneous)

1.3.3. Quy trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời (SLSF)
1.3.3.1. Enzym thủy phân tinh bột ở nhiệt thường.
Cơ sở khoa học của công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt đối với một
số loại nguyên liệu tinh bột trong dự án này là dựa trên khả năng ứng dụng hệ
enzym amylaza có tác dụng tương hỗ để chuyển hóa trực tiếp hạt tinh bột sống
(không cần gia nhiệt và chưa được hồ hóa) thành các dạng đường lên men [6][8].
Hỗn hợp enzym sử dụng chứa chủ yếu là hai enzym alpha-amylaza và glucoamylaza. Ngồi ra, có thể bổ sung một số enzym khác để tăng hiệu quả q trình
đường hóa như beta glucanaza, xelluloza… [6]. Enzym có thể thủy phân tinh bột
sống (không cần gia nhiệt) đã được biết đến từ năm 1944. Tuy nhiên, chỉ có Nhật
Bản sản xuất được enzym thương phẩm để thủy phân tinh bột sống dùng trong
sản xuất rượu sakê. Một lý do quan trọng làm hạn chế sự phát triển của các loại
Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page
16

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B


Luận văn thạc sĩ

enzym này là giá thành quá đắt do phải sử dụng phương pháp lên men rắn. Hãng
Genencor (nay là Dupont) đã nghiên cứu và phát triển thành công loại enzym
thủy phân tinh bột sống với giá thành rẻ hơn và có hoạt độ cao. Đây là hai yếu tố
quan trọng để ứng dụng quá trình thủy phân tinh bột sống trong công nghệ sản
xuất cồn. Điểm đặc trưng của loại enzym này là bên cạnh vùng xúc tác (catalytic

domain - CD) cịn có một cầu nối (linker) chứa nhiều serin và threonin với độ dài
thay đổi. Vai trò của cầu nối này chưa được làm rõ. Tuy nhiên, nếu chiều dài của
cầu nối này ngắn đi thì khả năng sinh tổng hợp enzym này sẽ giảm và nếu chiều
dài của cầu nối này tăng lên thì hoạt độ thủy phân tinh bột của enzym này cũng
tăng lên. Cầu nối này cũng được liên kết với vùng kết nối tinh bột (starch binding
domain - SBD). Vùng SBD có hai chức năng chính là phân cắt tinh bột và đưa
vùng xúc tác (CD) đến gần cơ chất hơn. Enzym amylaza không chứa vùng SBD
không bị ảnh hưởng đến hoạt độ thủy phân đối với tinh bột hòa tan tuy nhiên
hoạt độ thủy phân bị giảm đi đáng kể đối với tinh bột khơng hịa tan (tinh bột
sống chưa được gia nhiệt) [6]. Đến thời điểm hiện tại, phần lớn các loại enzym
alpha-amylaza có nguồn gốc từ nấm mốc chỉ có vùng xúc tác CD mà khơng có
cầu nối (linker) hoặc vùng SBD. Gần đây, enzym alpha-amylaza bền axit (Acid
Stable Alpha Amylase - ASAA) đã được tìm thấy ở Aspergillus kawachii. Khi
thay đổi gen mã hóa cho enzym ASAA để làm mất vùng SBD thì enzym mới tạo
thành khơng thể thủy phân tinh bột sống. Ngồi ra, enzym có thể thủy phân tinh
bột sống cũng đã được tìm thấy ở Aspergillus awamori và Aspergillus
nidunlans[6]. Sử dụng hệ enzym thủy phân và đường hóa tinh bột sống (ở nhiệt
độ thường) cho phép loại bỏ thiết bị dịch hóa và đường hóa tinh bột, tiết kiệm
được chi phí đầu tư và năng lượng cần thiết cho quá trình thủy phân tinh bột.

1.3.3.2. Đặc điểm của quy trình SLSF.
Đây là một phương pháp mới để sản xuất cồn. với phương pháp này, cả 3
q trình dịch hóa, đường hóa và lên men được kết hợp lại trong một công đoạn
duy nhất, trong cùng một thiết bị và ở cùng một nhiệt độ. Sau khi trộn bột sắn với
nước, ta bổ sung thêm enzym alpha-amylaza như Stargen 001, Stargen 002 (hãng
Dupont). Đồng thời, nấm men và chất dinh dưỡng cũng được bổ sung vào trong
dịch. Enzym có khả năng thủy phân tinh bột thành đường glucoza ngay cả ở điều
kiện nhiệt độ bình thường (300C). Trong quá trình này, lượng glucoza sinh ra sẽ
được nấm men tiêu thụ ngay lập tức, nhờ đó giúp giảm nguy cơ nhiễm tạp trong
quá trình lên men. Quá trình SLSF kết thúc khi tinh bột được sử dụng hết.

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page
17

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B


Luận văn thạc sĩ

Hình 1.5: Quy trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời
(SLSF)

1.3.4. So sánh ba quy trình
Bảng1.1: So sánh 3 phương pháp sản xuất cồn

Dịch hóa

Đường hóa
Lên men
Thời gian lên men
Số lượng thiết bị

Quy trình truyền
thống

Quy trình SSF

900C : 10-30 min

1000C : 30-60 min

700C (hoặc 800C) :
60- 90 min

600C : 30 min

SSF ở 300C : 72h

Quy trình SLSF

SLSF ở 300C : 72h

300C : 72h
72h

72h

72h

3

2

1

Qua bảng 1.2, chúng ta thấy rằng những quy trình mới tiết kiệm năng lượng
hơn quy trình truyền thống : ở quá trình dịch hóa, quy trình truyền thống cần một
lượng lớn năng lượng để nâng nhiệt độ từ 300C lên 95-1050C và duy trì ở nhiệt
độ đó ; trong khi với những phương pháp mới, nhiệt độ dịch hóa khơng vượt q

800C, đặc biệt là chỉ ở 300C trong trường hợp của quy trình SLSF.
Hơn nữa, chúng ta cũng có thể tiết kiệm được chi phí đầu tư với các phương
pháp mới: với việc khơng thực hiện cơng đoạn Đường hóa riêng biệt, ta có thể
giảm được tối thiểu 1 thiết bị đường hóa.
Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page
18

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B


Luận văn thạc sĩ

Cuối cùng, chúng ta có thể đi đến kết luận rằng: những quy trình mới có tiềm
năng rất lớn để thay thế phương pháp truyền thống trong ngành cơng nghiệp sản
xuất cồn.

1.3.5. Mục đích của luận văn thạc sĩ
Luận văn thạc sĩ của tôi tập trung nghiên cứu và quy trình Dịch hóa, Đường
hóa và Lên men Đồng thời (SLSF) để sản xuất cồn từ nguyên liệu gạo tẻ.
Luận văn cũng nhằm mục tiêu tối ưu quy trình SLSF nhằm đảm bảo hiệu
suất quá trình lên men cũng như giảm thiểu chi phí (enzym, nấm men, thời gian).

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page
19

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B

Luận văn thạc sĩ

CHƯƠNG 2: VẬT LIẸU VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1. Vật liệu
2.1.1. Gạo tẻ
Gạo tẻ được lựa chọn là nguyên liệu của phương pháp này. Gạo tẻ sử
dụng trong nghiên cứu này có nguồn gốc từ Điện Biên. Gạo được nghiền mịn,
bảo quản ở nhiệt độ thường nơi khô mát trong PTN.

Hình2.1: Gạo tẻ và bột gạo đã nghiền mịn
2.1.2. Enzym
Trong q trình nghiên cứu, chúng tơi đã sử dụng các chế phẩm enzym
thương phẩm: Stargen 002 (hãng Dupont) và Amigase Mega L (hãng DSM Food
Specialties, Hà Lan). Các đặc tính chính của các enzym được nêu trong bảng sau:
Bảng 2.1: Các đặc tính chính của các enzym đã sử dụng trong nghiên cứu
Enzym

Bản chất

Stargen 002

Amigase Mega L

Alpha-amylaza

Gluco-amylaza

Gluco-amylaza
Nhiệt độ tối ưu ( C)

20-40

60

pH tối ưu

3.3-4.5

3.5-5.0

Liều dùng

1.5 ml/kg nguyên liệu

0.5 ml/kg nguyên liệu

0

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page
20

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B

Commented [CKS7]: Đơn vị????

Luận văn thạc sĩ

2.1.3 Nấm men khô
Chúng tôi đã sử dụng nấm men khô thương phẩm Red Ethanol
(Saccharomyces cerevisiae) của hãng Fermentis (Pháp) cho quá trình lên men.
Theo nhà sản xuất, đây là một loại nấm men có khả năng sinh cồn ở nồng độ chất
khơ cao: độ cồn có thể đạt được 18%v/v, lượng tế bào sống là trên 2.1010 tế
bào/g.
2.1.4. Những nguyên liệu khác
- Urê: có nguồn gốc từ Trung Quốc, được bổ sung vào như một nguồn nitơ cho
sự sinh trưởng của nấm men.
- Những hóa chất khác trong phịng thí nghiệm: HCl, H 2 SO 4 , NaOH…
2.2. Các phương pháp phân tích
2.2.1. Xác định độ ẩm của nguyên liệu [9].

Commented [CKS8]: bổ sung TLTK????

2.2.1.1. Nguyên tắc
Mẫu cần phân tích sẽ được sấy đến khối lượng khơng đổi. Độ ẩm sẽ được
tính từ khối lượng bị mất đi trong quá trình sấy.
2.2.1.2. Tiến hành
Cân khoảng 5g bột đã nghiền mịn vào trong một hộp nhôm đã biết trọng
lượng. Mở nắp và đặt hộp nhôm vào tủ sấy có nhiệt độ 1050C, sau 3 giờ sấy, lấy
hộp ra, đậy nắp và làm nguội trong bình hút ẩm, sau đó cân lại, ghi số cân. Sấy
tiếp 30-60 phút. Sau đó làm nguội và cân lại lần 2. Nếu sai số giữa hai lần khơng
q 0,001g thì xem như q trình tách nước kết thúc.
2.2.1.3. Cơng thức
Độ ẩm của gạo được tính tốn theo cơng thức sau:
W=

M1 − M 2
× 100%
M1

Trong đó:
W : Độ ẩm của gạo (%)
M1 : khối lượng mẫu trước khi sấy (g)
M2 : khối lượng mẫu sau khi sấy (g)

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page
21

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B


Luận văn thạc sĩ

2.2.2. Xác định hàm lượng tinh bột bằng phương pháp thủy phân axit[9].
2.2.2.1. Nguyên tắc
Tinh bột được thủy phân thành đường bằng axit HCl 2% ở điều kiện đun
sơi trong bình cách thủy trong thời gian 2 giờ. Dịch đã thủy phân được làm nguội
và trung hòa bằng NaOH với chất chỉ thị metyl da cam. Hàm lượng đường trong
dung dịch sau thủy phân được xác định theo các phương pháp xác định đường.
Hàm lượng tinh bột trong gạo sẽ tỉ lệ với hàm lượng đường khử (glucoza) trong
dịch sau thủy phân.
2.2.2.2. Hóa chất
- HCl đặc

- Dung dịch NaOH 10%
- Chỉ thị metyl da cam 1%
2.2.2.3. Tiến hành
Cân khoảng 2g bột rồi chuyển tồn bộ vào bình tam giác dung tích 250
mL. Sau đó bổ sung them 100 ml HCl 2% và lắc đều. Tiếp đến lắp sinh hàn khí
và đặt bình tam giác vào trong bình ổn nhiệt, đun sôi trong 2 giờ. Sau khi thủy
phân, dịch được làm lạnh rồi cho thêm 4-5 giọt chỉ thị metyl da cam, sau đó sẽ
được trung hịa bằng dung dịch NaOH 10%. Dịch sau khi trung hòa sẽ được
chuyển vào trong bình định mức 250 ml. Dùng nước cất điền đầy đến 250 ml.
Sau đó đem lọc. Hàm lượng đường khử trong dịch thu được sau lọc sẽ được xác
định bằng phương pháp DNS.
2.2.2.4. Công thức
Hàm lượng tinh bột trong gạo được xác định theo công thức:
TB =

s × 250
× 0,9
m × 1000

Trong đó :
TB : Hàm lượng tinh bột trong gạo (%);
s : Hàm lượng đường khử trong dịch sau lọc (g/L);
m : lượng gạo sử dụng (g);
0,9 : Hệ số chuyển đổi từ glucoza sang tinh bột.

Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page
22

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B

Commented [CKS9]: TLTK???


Luận văn thạc sĩ

2.2.3. Xác định đường khử bằng phương pháp DNS (Axit dinitro
salixylic)[10].
2.2.3.1. Nguyên tắc
Nguyên tắc của phương pháp này dựa trên phản ứng giữa đường khử và
axit 3,5 dinitro salixylic trong môi trường kiềm. Cường độ màu của hỗn hợp tỉ lệ
với nồng độ đường ban đầu. Dựa vào đường chuẩn thiết lập từ glucoza tinh khiết
và mật độ quang của mẫu (OD) được đo ở bước sóng 575 nm, ta có thể xác định
đường hàm lượng đường khử trong mẫu.

2.2.3.2. Hóa chất
- Để pha 1 L dung dịch DNS : Axit dinitro salixylic 10g, Phenol 2g, natri sunfit
5g, NaOH 10g.
- Dung dịch muối tatrat kép KNaC 4 H 4 O 6 .4H 2 O 40%.
2.2.3.3. Tiến hành
+ Cho 3 mL DNS và 3 mL mẫu vào trong cùng một ống fancol.
+ Đun nóng hỗn hợp ở 900C trong vòng từ 10-15 phút.
+ Bổ sung thêm 1 mL muối tartrat kép 40% để ổn định màu.
+ Sau khi được làm lạnh đến nhiệt độ thường, độ hấp thụ sẽ được đo bằng máy
đo quang ở bước sóng 575 nm.
Xây dựng đường chuẩn glucoza :
+ Chuẩn bị các dung dịch glucoza tinh khiết ở các nồng độ khác nhau : 0,1 ; 0,2 ;
0,3 ; 0,4 và 0,5 g/l.
+ Thực hiện chính xác các bước trên với 5 mẫu này, độ hấp thụ sẽ được đo ở

bước sóng 575 nm.
+ Đường chuẩn glucoza sẽ được xây dựng nhờ Excel với trục tung là nồng độ
glucoza, và trục hoành là giá trị của độ hấp thụ (OD).
Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE

Page
23

Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B