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

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 tơi hồn thành bản luận văn này.
Tơi xin cảm ơn tồn thể cán bộ phịng thí nghiệm trung tâm Cơng 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 phịng thí nghiệm.
Tơi 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 tơi 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 cơng nghệ truyền thống ....................................... 14
1.3.1.1 Q 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 cơng 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 q trình đường hố và lên men đồng
thời ........................................................................................................... 36


3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ enzim Stargen 001 đến q trình đường hố 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 HĨA Ở NHIỆT ĐỘ KHƠNG CAO TRONG
QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CỒN TỪ SẮN LÁT ............................................. 44

3.3.1 Khảo sát quy trình cơng 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 khơng 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 q 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 q trình
đường hố và lên men đồng thời
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của nồng độ enzim Stargen 001 đến q trình đường hố 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: Thơng số cơng 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 hố đến hiệu quả q 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 cơng 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 q trình đường hố 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 cơng nghệ của nhà máy Rượu Đồng Xn
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 cơng 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 cơng thức hố học là C2H5OH,
có vai trị 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 hố học [10].
Q trình sản xuất cồn từ nguồn ngun liệu có chứa tinh bột như gạo, ngơ,
khoai, sắn…là một trong các q trình cơng 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 khơng thay đổi, vẫn bao
gồm các q trình chuyển hố tinh bột thành đường có khả năng lên men và q
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 ngun
liệu như ngơ, 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 tơi 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 trị 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 cơng nghiệp như sau [6]:
 Quốc phịng: thuốc súng khơng 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.
 Cơng nghiệp hố chất: dung mơi hữu cơ.
 Cơng 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

2007

2008

USA

6521.00

9309.00

10938.00 13298.00 13948.00 13300.00 13300.00

Brazil

5019.20

6472.20

6578.00

6921.54

5573.24

5577.00

6267.00

Europe

570.30

733.60

1040.00

1208.58

1167.64

1179.00

1371.00

China

486.00

501.90

542.00

541.55

554.76

555.00

696.00

Canada

211.30

237.70

291.00

356.63

462.30

449.00

523.00

Phần còn
lại của
thế giới

315.30

389.40

914.00

984.61

698.15

752.00

1272.00

Thế giới

2009

2010

2011

2012

2013

13123.10 17406.10 20303.00 23310.91 22404.09 21812.00 22058.00

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 hồ bình lập lại (1955), các
nhà máy khơng cịn thiết bị ngun 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
Đơng 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
cơng nghiệp thực phẩm, các ngành khác cịn 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 khơng 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 cơng 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

Cơng suất

Ngun liệu

(triệu lít/năm)

sử dụng

12,00

Ngũ cốc

Đơn vị sản xuất

1

Nhà máy rượu Hà Nội

2

Nhà máy rượu Đồng Xuân

2,5

Ngũ cốc

3

Nhà máy cồn Quảng Ngãi

4,0

Mật rỉ

6

Công ty đường Hiệp Hịa

3,0

Mật rỉ

7

Cơng ty đường Bình Hịa

3,0

Mật rỉ

8

Cơng ty rượu Bình Tây

6,0

Mật rỉ và Ngũ cốc

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 cơng 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 Hồng 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 20112015, 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 q 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, cơng ty cổ phần Dịch vụ du lịch Dầu khí (Petrosetco) đã ký
với tập đồn Itochu Nhật Bản nhằm tiến tới liên doanh đầu tư nhà máy sản xuất
ethanol từ sắn cơng suất 100 triệu lít/năm tại khu cơng 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 cơng nghiệp sản xuất cồn ở một số nước có ngành cơng 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 cịn là nguồn
ngun liệu chính cho các nhà máy sản xuất axít glutamic, sinh khối nấm men.
Ngồi 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 cịn thấp [17, 20]. Do đó để
xenluloza trở thành nguồn ngun liệu chính cho q 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 ngơ, gạo, lúa mỳ, đại mạch, khoai tây, khoai lang...Mỗi
vùng mỗi quốc gia lại sử dụng loại ngun liệu thích hợp cho q 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 ngơ lại là ngun liệu chính cho ngành cơng nghiệp cồn của Mỹ,
sắn là ngun liệu chính cho ngành sản xuất cồn của Thái Lan...Còn đối với Việt
Nam ngun liệu chính cho q trình sản xuất cồn là sắn, gạo, một phần ngơ và
khoai.

Ngơ
Thuộc loại hồ thảo (Graminae), loại Zea, lồi Zea Mays. Ngơ là loại ngun
liệu rất tốt dùng để sản xuất cồn ở nhiều nước trên thế giới, vì trong ngơ lượng
gluxit rất lớn gồm tinh bột (43,47-61,8%), đường (1,76-4,62%), dextrin và pectin
(1,09-14,67%). 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 ngơ cịn 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 sơng 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 tốn của Bộ Nơng 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 nơng nghiệp thì
trong 5 năm qua giảm 340 ngàn ha. Sắp tới do quá trình cơng nghiệp hố, mở rộng
đường giao thơng 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 ngun liệu chính cho q 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 nằm trong khoảng 70 – 80oC [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 nơng nghiệp của lồi 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 ngơ 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 nơng 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 cịn 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. Ngồi 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 nơng dân đặc biệt ở khu vực trung du và miền núi.
Khả năng cạnh tranh của sắn với mía trong q 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 khơng 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 khơng 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, ngồi xenluloza là chính cịn 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 khơng đều,
nhiều nhất ở lớp ngồi rồi giảm dần vào bên trong.
 Ngồi các tế bào nhu mơ cịn 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
chiếm 78 - 80%. Nhiệt độ bắt đầu hồ hoá của tinh bột sắn là 58oC, nhiệt độ hồ hố
là 65oC và nhiệt độ hồ hố hồn tồn là 68oC. Tinh bột sắn có màu trắng sáng, óng
ánh khi nhìn dưới nắng. Tinh bột bị hồ hố biến thành màu nâu trong hơi ngả về

13


xám. Tinh bột sắn khơng 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 cơng 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 cơng
đoạn chính: nghiền ngun liệu, nấu và đường hố, lên men, chưng cất.
1.3.1.1 Q trình nghiền ngun 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 hố và các q
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 Q trình nấu ngun liệu (q 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 khơng hịa 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 hồ tan trong dung dịch.
1.3.1.3 Q 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. Q trình chuyển hố tinh bột thành

đường được gọi là q trình đường hố. Q trình này đóng vai trị vơ cùng quan
trọng trong cơng 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


amylaza có tác dụng thủy phân liên kết α-1,4 glucozit của amyloza và amylopectin.
Tinh bột dưới tác dụng của Termamyl SC nhanh chóng tạo thành dextrin và
oligosaccarit tan trong nước, làm giảm độ nhớt của dịch bột đã được hồ hóa. Chế
phẩm Termamyl dễ hịa tan trong nước ở một nồng độ nhất định trong điều kiện
thường. Điều kiện tối ưu cho enzim Termamyl SC hoạt động là vùng pH = 5 - 7 và
nhiệt độ tối ưu là 90 - 95oC.
Dextrozyme GA là một enzim glucoamylaza được thu nhận từ chủng
Aspergillus đã được biến đổi gen. Dextrozyme GA có dạng lỏng màu nâu, tỷ trọng
1,15 g/ml. Dextrozyme GA có tác dụng thủy phân các nối liên kết α-1,4 và 1,6-D
glucozit của tinh bột đã được dịch hóa. Trong quá trình thủy phân enzim tách từng
đơn vị glucoza từ đầu không khử của mạch tinh bột. Điều kiện tối ưu cho enzim
hoạt động là nhiệt độ 60 - 62oC và pH = 4,1 - 4,3.
1.3.1.4 Quá trình lên men

Sau khi đường hoá xong, dịch đường được làm nguội tới 28 - 32oC và bơm
vào thùng lên men (còn gọi là thùng ủ). Ở đây dưới tác dụng của nấm men, đường
sẽ được biến thành rượu và khí cacbonic cùng nhiều sản phẩm trung gian khác. Lên
men xong ta thu được hỗn hợp gồm rượu - nước – bã gọi là giấm chín. Q trình lên
men có thể được chia thành ba giai đoạn chính: lên men sơ bộ, lên men chính và lên
men phụ. Trong giai đoạn đầu, thời gian kéo dài gần 60 giờ đặc trưng cho thời kỳ
tiềm phát, lượng đường được lên men rất ít. Giai đoạn hai kéo dài khoảng từ giờ thứ
60 đến giờ thứ 120, sinh trưởng của nấm men và lên men tăng nhanh, đạt tới cực đại
- đặc trưng cho thời kỳ lên men chính. Giai đoạn ba đặc trưng cho lên men phụ kéo
dài, tốc độ lên men rất chậm vì lượng đường trong dịch cịn rất ít, các dextrin chưa
kịp biến thành đường. Trong q trình lên men cịn tạo ra một số sản phẩm phụ như
một số axit hữu cơ (axit axêtic, axeton...), rượu bậc cao (alcol propylic,
izopropylic...) và một số este.

16