Luận án Tiến sĩ Công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:173

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo" được thực hiện nhằm xác định nguyên liệu, các thông số công nghệ và giải thích cơ chế thủy phân lên men bột gạo sống trong quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TIỀN TIẾN NAM NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH DỊCH HÓA, ĐƯỜNG HÓA VÀ LÊN MEN ETHANOL ĐỒNG THỜI Ở NỒNG ĐỘ CHẤT KHÔ CAO TỪ GẠO LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Hà Nội - 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TIỀN TIẾN NAM NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH DỊCH HÓA, ĐƯỜNG HÓA VÀ LÊN MEN ETHANOL ĐỒNG THỜI Ở NỒNG ĐỘ CHẤT KHÔ CAO TỪ GẠO Ngành: Công nghệ Thực phẩm Mã số: 9540101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Chu Kỳ Sơn 2. TS. Phạm Tuấn Anh Hà Nội - 2023
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận án này là trung thực và chưa được các tác giả khác công bố. Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ trong việc hoàn thành Luận án đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận án đã được ghi rõ nguồn gốc. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong Luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tiền Tiến Nam Tập thể GVHD 1. PGS.TS. Chu Kỳ Sơn 2. TS. Phạm Tuấn Anh i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy giáo hướng dẫn khoa học là PGS. TS. Chu Kỳ Sơn và TS. Phạm Tuấn Anh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ và động viên trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy, cô giáo Bộ môn Công nghệ Thực phẩm - Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm - Đại học Bách khoa Hà Nội cũng như bạn bè, đồng nghiệp đã hết sức giúp đỡ và hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi cũng xin cảm ơn Phòng Đào tạo của Đại học Bách khoa Hà Nội đã luôn ủng hộ tinh thần và tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện để tôi tham gia học tập và luôn ủng hộ vật chất, tinh thần trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cám ơn Trung tâm thực hành thí nghiệm - Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh cùng các sinh viên đã giúp đỡ tôi trong các nghiên cứu của mình. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình, những người bạn đã động viên và khích lệ cho tôi có được sự chuyên tâm và động lực phấn đấu thực hiện luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tiền Tiến Nam ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... vi DANH MỤC HÌNH ............................................................................................... viii DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. x MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................. 4 Tình hình sản xuất cồn trên thế giới và Việt Nam ...................................... 4 Tình hình sản xuất cồn trên thế giới ............................................................. 4 Tình hình sản xuất cồn ở Việt Nam .............................................................. 5 Một số công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột hiện nay ....... 6 Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt ...................................................... 7 Nguyên liệu sản xuất cồn ............................................................................ 11 Nguồn cơ chất trong sản xuất cồn .............................................................. 11 Nguyên liệu gạo trong sản xuất cồn ........................................................... 12 Enzym trong sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột ............................ 16 Nấm men dùng trong công nghệ sản xuất cồn ........................................... 22 Các yếu tố công nghệ và cơ chế thủy phân nguyên liệu trong quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt nồng độ chất khô cao .................................................... 26 Ảnh hưởng của chế độ nghiền và kích thước nguyên liệu ......................... 26 Ảnh hưởng của nồng độ enzym thủy phân nguyên liệu sống .................... 27 Cơ chế thủy phân của enzym trên nguyên liệu trong quy trình SLSF-VHG .................................................................................................................... 27 Động học trong quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt............................. 30 Ảnh hưởng của nồng độ chất khô ............................................................... 31 Ảnh hưởng của mật độ nấm men ................................................................ 32 Ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ khác ........................................... 32 Tình hình ứng dụng quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ...................... 33 Ứng dụng chân không tách cồn đồng thời trong quá trình lên men ........ 34 iii
NGUYÊN VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................................................................ 38 Nguyên vật liệu ............................................................................................ 38 Gạo .............................................................................................................. 38 Chế phẩm enzym ........................................................................................ 38 Chế phẩm nấm men .................................................................................... 39 Chất bổ sung ............................................................................................... 39 Hóa chất, thiết bị, địa điểm nghiên cứu ...................................................... 39 Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 40 Nội dung 1: Lựa chọn loại gạo, enzym, nấm men cho quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao. ....................................................... 40 Nội dung 2: Nghiên cứu điều kiện công nghệ, động học và cơ chế biến đổi thành phần dịch lên men trong quy trình SLSF-VHG. ........................................ 40 Nội dung 3: Nghiên cứu ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn ở quy mô 100 L dịch lên men.................................................................................. 40 Nội dung 4: Nghiên cứu lên men và chưng cất chân không tách cồn đồng thời trong quy trình SLSF-VHG. ......................................................................... 41 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 41 Bố trí thí nghiệm ......................................................................................... 42 Phương pháp phân tích ............................................................................... 49 Phương pháp thống kê và xử lý số liệu thực nghiệm ................................. 53 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 54 Lựa chọn loại gạo, enzym, nấm men cho quy trình SLSF-VHG .............. 54 Lựa chọn gạo cho quy trình SLSF-VHG .................................................... 54 Lựa chọn enzym đường hóa phụ trợ cho quy trình SLSF-VHG ................ 57 Lựa chọn chế phẩm nấm men ..................................................................... 59 Nghiên cứu điều kiện công nghệ, động học và cơ chế biến đổi thành phần dịch lên men trong quy trình SLSF-VHG .............................................................. 64 Lựa chọn kích thước lưới nghiền bột gạo ................................................... 64 Ảnh hưởng của nồng độ enzym đường hóa chính (Stargen 002) ............... 66 Ảnh hưởng nguồn nitơ ................................................................................ 69 Ảnh hưởng của nồng độ chất khô ............................................................... 81 Ảnh hưởng của mật độ nấm men ................................................................ 83 iv
Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất cồn SLSF-VHG ở quy mô phòng thí nghiệm (1 L dịch lên men) .............................................................................. 85 Động học của quá trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao .................................................................................................................... 87 Hình thái, cấu trúc bột gạo trong quy trình SLSF-VHG ............................ 91 Nghiên cứu ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn ở quy mô 100 L dịch lên men .................................................................................................. 95 Nghiên cứu quy trình SLSF-VHG quy mô 100 L dịch lên men ................ 96 Thống kê điện, nước và chi phí sản xuất cồn ở quy mô 100 L ................ 100 Nghiên cứu lên men và chưng cất chân không tách cồn đồng thời trong quy trình SLSF-VHG ............................................................................................ 102 Ảnh hưởng của thời gian chưng cất chân không đến hiệu suất và thời gian lên men ............................................................................................................... 102 Nghiên cứu nâng cao nồng độ chất khô trong quy trình SLSF-VHG bằng chưng cất chân không ......................................................................................... 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 112 Kết luận .................................................................................................................. 112 Kiến nghị ................................................................................................................ 113 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 115 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 1 v
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Simultaneous liquefaction, Dịch hóa, đường hóa và lên SLSF saccharification and men đồng thời fermentation VHG Very high gravity Nồng độ chất khô cao Simultaneous saccharification Đường hóa và lên men SSF and fermentation đồng thời Độ trùng hợp (chiều dài DP Degree of polymerization mạch) RF Rice flour Bột gạo tb cells Tế bào Đơn vị hình thành khuẩn CFU Colony form units lạc DNS 3,5-Dinitrosalicylic acid Thuốc thử DNS SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét XRD X-ray diffraction Phổ nhiễu xạ tia X CrI Crystallinity Index Chỉ số tinh thể GA Glucoamylase Enzym glucoamylase Tốc độ tăng trưởng riêng μmax Maximum specific growth rate cực đại QP Ethanol productivity Tốc độ tạo cồn The yield coefficient of ethanol Hiệu suất tạo sản phẩm/đơn YP/S production vị cơ chất HSLM Fermentation yield Hiệu suất lên men Đơn vị hoạt độ enzym GAU Glucoamylase unit glucoamylase Spectrophotometric acid Đơn vị hoạt độ enzym SAPU protease units protease vi
High-performance liquid HPLC Sắc ký lỏng hiệu năng cao chromatography GC Gas chromatography Sắc ký khí kDa Kilodalton Kilodalton TCVN Vietnamese National Standards Tiêu chuẩn Việt Nam FAN Free amino nitrogen Nitơ amin tự do v/v Volume/volume Thể tích/thể tích w/v Weight/volume Khối lượng/thể tích w/w Weight/weight Khối lượng/khối lượng AML Amigase Mega L SC Spirizyme DA Distillase ASP ER Ethanol Red TD Thermosacc Dry AS Angel super alcohol CK Dry solid Chất khô SBD Starch - binding domain Vùng gắn tinh bột CD Catalytic domain Vùng xúc tác cs et al. Cộng sự Simultaneous liquefaction, Dịch hóa, đường hóa và lên SLSFD saccharification and men chưng cất đồng thời fermentation and distillation vii
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Tình hình sản xuất cồn trên thế giới ........................................................... 4 Hình 1.2 Sản lượng cồn nhiên liệu theo quốc gia năm 2021 ..................................... 5 Hình 1.3 Quy trình sản xuất cồn tiết kiệm năng lượng.............................................. 7 Hình 1.4 Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao ............................................................................................................................. 10 Hình 1.5 Hình ảnh tinh bột gạo [73] ........................................................................ 14 Hình 1.6 Cấu tạo bột gạo [68,73]............................................................................. 16 Hình 1.7 Cấu tạo enzym α-amylase [99,102] .......................................................... 17 Hình 1.8 Cơ chế phân cắt nhóm glycosyl của α-amylase từ vi khuẩn Bacillus [104] .................................................................................................................................. 18 Hình 1.9 Cấu tạo glucoamylase từ A. niger [96] ..................................................... 18 Hình 1.10 Cơ chế thủy phân của glucoamylase [109,110] ...................................... 19 Hình 1.11 Cơ chế thủy phân của enzym Stargen 001 trên tinh bột ngô [32] .......... 28 Hình 1.12 Hình thái bột sắn bị thủy phân [162] ...................................................... 29 Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm xác định loại gạo, enzym đường hóa phụ trợ, nấm men .................................................................................................................................. 42 Hình 2.2 Mô hình thí nghiệm lên men và chưng cất cân không tách cồn đồng thời [173].......................................................................................................................... 48 Hình 3.1 Biến đổi nồng độ cồn theo loại gạo trong quy trình SLSF-VHG ............. 55 Hình 3.2 Ảnh hưởng enzym phụ trợ đến đường tổng, độ cồn ................................. 58 Hình 3.3 Biến đổi độ cồn và đường tổng (a), đường khử (b) theo loại nấm men ... 60 Hình 3.4 Đường cong sinh trưởng của nấm men ER, TD và AS ............................ 62 Hình 3.5 Hình ảnh tế bào nấm men ER, TD và AS ................................................. 63 Hình 3.6 Phân bố kích thước hạt theo kích thước lưới nghiền ................................ 64 Hình 3.7 Nồng độ cồn theo kích thước lưới nghiền ................................................ 65 Hình 3.8 Biến đổi đường tổng-độ cồn (a), đường khử (b) theo nồng độ enzym Stargen 002 ............................................................................................................... 67 Hình 3.9 Ảnh hưởng urea và protease đến độ cồn - đường tổng (a), đường khử (b) .................................................................................................................................. 70 Hình 3.10 Biến đổi protein hòa tan (a), FAN (b) trong dịch lên men ..................... 72 viii
Hình 3.11 Ảnh hưởng của urea và protease đến đường cong sinh trưởng nấm men .................................................................................................................................. 77 Hình 3.12 Ảnh SEM của bột gạo ở 24 h lên men (a)-R, (b)-U, (c)-P và (d)-UP..... 77 Hình 3.13 Ảnh hưởng của urea và protease đến kích thước lỗ trên bề mặt bột gạo 78 Hình 3.14 Biến đổi cấu trúc bột gạo qua phổ XRD. (a)-R, (b)-U, (c)-P, (d)-UP .... 80 Hình 3.15 Đường cong sinh trưởng theo mật độ nấm men ..................................... 83 Hình 3.16 Biến đổi nồng độ cồn theo mật độ nấm men .......................................... 84 Hình 3.17 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cồn SLSF-VHG ở quy mô 1 L dịch lên men ..................................................................................................................... 85 Hình 3.18 Biến đổi thành phần đường tan trong dịch lên men ................................ 88 Hình 3.19 Biến đổi sinh khối, tỉ lệ tế bào sống, nảy chồi trong quá trình lên men . 90 Hình 3.20 Ảnh SEM hình thái bột gạo ở các chế độ khác nhau .............................. 92 Hình 3.21 Biến đổi thành phần amylose trong bột gạo ........................................... 95 Hình 3.22 Biến đổi độ cồn, đường tổng đường khử quy mô 100 L dịch lên men ... 96 Hình 3.23 Đường cong sinh trưởng nấm men ở quy mô 100 L dịch lên men ......... 97 Hình 3.24 Biến đổi nồng độ cồn theo thời gian chưng cất chân không................. 102 Hình 3.25 Ảnh hưởng thời gian chưng cất chân không đến mật độ nấm men ...... 103 Hình 3.26 Biến đổi pH trong quá trình áp dụng chưng chân không theo nồng độ chất khô................................................................................................................... 105 Hình 3.27 Đường tổng (a), đường khử (b) khi áp dụng chưng cất chân không ở các nồng độ chất khô khác nhau ................................................................................... 106 Hình 3.28 Biến đổi nồng độ cồn trong quá trình lên men và chưng cất chân không ................................................................................................................................ 107 Hình 3.29 Ảnh hưởng của nồng độ chất khô trong lên men và chưng cất chân không đến mật độ tế bào nấm men. ........................................................................ 109 Hình 3.30 Biến đổi nồng độ glycerol ở nồng độ chất khô khác nhau trong lên men và chưng cất chân không ........................................................................................ 110 ix
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần hóa học của gạo [68] ............................................................. 13 Bảng 1.2 Nguồn vi sinh vật tạo α – amylase............................................................ 17 Bảng 1.3 Nguồn và đặc điểm một số GA [96] ......................................................... 19 Bảng 1.4 Một số chế phẩm enzym thương mại dùng trong sản xuất cồn ................ 21 Bảng 1.5 Một số chế phẩm enzym protease thương mại dùng trong sản xuất cồn . 22 Bảng 1.6 Một số chế phẩm nấm men thương mại dùng trong sản xuất cồn ............ 26 Bảng 1.7 Tình hình ứng dụng công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt .................. 33 Bảng 2.1 Tổng hợp nguyên liệu gạo sử dụng cho nghiên cứu ................................. 38 Bảng 2.2 Thông số các enzym sử dụng trong nghiên cứu ....................................... 38 Bảng 2.3 Các chế phẩm nấm men sử dụng trong nghiên cứu.................................. 39 Bảng 2.4 Lựa chọn cố định một số yếu tố trong quy trình SLSF-VHG .................. 41 Bảng 2.5 Hoạt độ và lượng sử dụng của enzym phụ trợ .......................................... 43 Bảng 2.6 Thành phần thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng nguồn nitơ .......................... 44 Bảng 2.7 Chế độ chưng cất chân không với nồng độ chất khô khác nhau .............. 49 Bảng 2.8 Cách tính các thông số hóa lý, vật lý trong quá trình lên men ................. 52 Bảng 3.1 Thành phần dinh dưỡng các loại gạo dùng cho sản xuất cồn ................... 54 Bảng 3.2 Chi phí nguyên liệu cho sản xuất cồn (quy về 1 L cồn tuyệt đối) ............ 56 Bảng 3.3 Ảnh hưởng enzym đường hóa phụ trợ đến đường khử ............................ 59 Bảng 3.4 Thông số quá trình lên men của nấm men ER, TD và AS ....................... 61 Bảng 3.5 So sánh thời gian và năng lượng nghiền theo kích thước lưới nghiền ..... 66 Bảng 3.6 Tốc độ tạo cồn, hiệu suất sản phẩm theo nồng độ enzym Stargen 002 .... 68 Bảng 3.7 Ảnh hưởng của urea và protease đến các sản phẩm phụ .......................... 74 Bảng 3.8 Ảnh hưởng nồng độ protease đến độ cồn và hiệu suất lên men ............... 81 Bảng 3.9 Ảnh hưởng nồng độ chất khô đến độ cồn và hiệu suất lên men theo thời gian ........................................................................................................................... 81 Bảng 3.10 Ảnh hưởng nồng độ chất khô đến nồng độ đường ................................. 82 Bảng 3.11 Các thông số công nghệ thích hợp của quy trình SLSF-VHG ............... 86 Bảng 3.12 Biến đổi một số thành phần trong dịch lên men ..................................... 88 Bảng 3.13 Thông số động học quá trình lên men .................................................... 91 Bảng 3.14 Độ tinh thể và kích thước tinh thể bột gạo trong quá trình lên men ....... 94 x
Bảng 3.15 Sản phẩm phụ trong quy trình SLSF-VHG quy mô 100 L .................... 98 Bảng 3.16 Sản phẩm chưng cất ................................................................................ 98 Bảng 3.17 Đánh giá chất lượng rượu chưng cất ...................................................... 99 Bảng 3.18 Thống kê điện và nước tiêu thụ quy mô 100 L dịch lên men ............... 100 Bảng 3.19 Chi phí sản xuất cồn trên thiết bị tích hợp SLSF-VHG quy mô 100 L 101 Bảng 3.20 Độ cồn, hiệu suất lên men theo thời gian chưng cất chân không ......... 104 Bảng 3.21 Hiệu suất, thời gian lên men theo nồng độ chất khô ở chế độ chưng cất chân không .............................................................................................................. 108 Bảng 3.22 Thể tích và nồng độ cồn tách ra trong quá trình chưng cất chân không ................................................................................................................................ 108 Bảng 3.23 Thành phần bã rượu ở nồng độ chất khô khác nhau trong lên men và chưng cất chân không ............................................................................................. 111 xi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Ethanol (cồn) là sản phẩm có vai trò quan trọng trong nền kinh tế. Trong công nghiệp thực phẩm, các sản phẩm chứa cồn được sử dụng làm đồ uống có từ lâu đời và phổ biến trên thế giới. Trong công nghiệp cồn được dùng làm dung môi và nguyên liệu cho nhiều lĩnh vực như hóa chất, mỹ phẩm, sinh học, dược, chế biến và bảo quản nông sản thực phẩm…Ngày nay, khi nhu cầu năng lượng thế giới tiếp tục tăng cao và các nguồn nhiên liệu truyền thống (dầu mỏ, than đá, khí đốt...) đang ngày càng cạn kiệt, nhiên liệu sinh học là giải pháp thay thế thích hợp. Trong đó, cồn là nhiên liệu thay thế quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi ở hầu hết các quốc gia trên thế giới. Nguyên liệu để sản xuất cồn là các nguyên liệu chứa đường (đường mía, rỉ đường, củ cải đường…), chứa tinh bột (củ, hạt, ngũ cốc), nguyên liệu chứa cellulose và nguyên liệu từ sinh khối tảo [1]. Công nghệ sản xuất và sản lượng cồn hiện nay chủ yếu sử dụng nguồn nguyên liệu chứa đường và tinh bột [1,2]. Trên thế giới nguyên liệu sản xuất cồn được sử dụng nhiều nhất là ngô, đường mía. Các nguyên liệu như cellulose và sinh khối tảo vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện [2,3]. Tại Việt Nam, nguồn nguyên liệu chứa tinh bột thường được sử dụng trong sản xuất cồn thực phẩm là gạo. Đây là loại cây lương thực chính, là nguyên liệu chính để sản xuất rượu truyền thống và sản xuất cồn thực phẩm ở nước ta. Đây cũng là cây trồng chủ lực có sản lượng lớn của Việt Nam, và hàng năm nước ta là một trong ba nước có sản lượng gạo xuất khẩu cao nhất thế giới [4]. Do đó, trong nội dung nghiên cứu của luận án này chủ yếu đề cập đến công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột, cụ thể là từ gạo tại Việt Nam. Công nghệ sản xuất cồn truyền thống từ nguyên liệu chứa tinh bột được thực hiện qua bốn giai đoạn: dịch hóa, đường hóa, lên men và chưng cất. Quá trình này bao gồm nhiều công đoạn và sử dụng nhiều thiết bị, năng lượng và tiêu tốn nhiều nước cho các công đoạn chính và các công đoạn trung gian (làm nguội) trong sản xuất [5]. Hiện nay, công nghệ đường hóa và lên men đồng thời (SSF) đang được ứng dụng phổ biến trong công nghiệp sản xuất cồn. Trong công nghệ này quá trình hồ hóa và dịch hóa thường được thực hiện ở nhiệt độ trên 80oC, quá trình đường hóa và lên men đồng thời được thực hiện với tác dụng của các enzym thế hệ mới và nấm men đã giúp nâng cao hiệu suất lên men (HSLM), giảm chi phí sản xuất cồn [3,6,7]. Trong những năm gần đây, công nghệ sản xuất cồn tiết kiệm năng lượng không gia nhiệt đã được phát triển và nghiên cứu. Với việc sử dụng các enzym thế hệ mới, quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời được thực hiện ở điều kiện nhiệt độ thường trong cùng một thiết bị đã làm giảm bớt chi phí sử dụng tài nguyên (năng lượng, nước, thiết bị…), giảm chất thải (nước thải, khí CO2) ra môi trường và giảm giá thành sản phẩm [5,8]. Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao hay còn gọi là quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao để sản xuất cồn (SLSF-VHG) cũng đã được tập trung nghiên cứu do những ưu điểm về năng suất, tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí đầu tư thiết bị và giảm thành phần chất thải [8]. Tuy nhiên, đây là công nghệ mới phát triển trong thời gian gần đây nên còn ít nghiên cứu hoàn thiện công nghệ trên các loại nguyên liệu khác nhau, chưa có nhiều ứng dụng công nghệ này ở các quy mô pilot và quy mô công nghiệp. 1
Việc ứng dụng công nghệ SLSF-VHG từ gạo còn một số tồn tại như sau: chưa tối ưu nguyên liệu, enzym, chất bổ sung (nguồn nitơ); Hiệu suất lên men còn thấp, thời gian lên men còn dài, cơ chế biến đổi thành phần dịch lên men, cơ chế tấn công của enzym vào nguyên liệu bột gạo sống chưa được giải thích đầy đủ; Chưa có thống kê năng lượng, đánh giá hiệu quả và chi phí sản xuất của quy trình ở quy mô sản xuất nhỏ. Xuất phát từ những vấn đề thực tế trên, chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xác định nguyên liệu, các thông số công nghệ và giải thích cơ chế thủy phân lên men bột gạo sống trong quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao. Phát triển ứng dụng quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao ở quy mô pilot. Nghiên cứu ứng dụng chưng cất chân không tách cồn đồng thời để nâng cao hiệu suất, rút ngắn thời gian lên men và nâng cao nồng độ chất khô trong quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao từ gạo. 3. Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Lựa chọn loại gạo, enzym, nấm men cho quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao. Nội dung 2: Nghiên cứu điều kiện công nghệ, động học và cơ chế biến đổi thành phần dịch lên men trong quy trình SLSF-VHG. Nội dung 3: Nghiên cứu ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn ở quy mô 100 L dịch lên men. Nội dung 4: Nghiên cứu lên men và chưng cất chân không tách cồn đồng thời trong quy trình SLSF-VHG. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu đã bổ sung kết quả để lựa chọn loại nguyên liệu (gạo, enzym, nấm men) phù hợp cho quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao tại Việt Nam. Luận án đã cung cấp những thông tin khoa học và giải thích khá đầy đủ về động học của quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol trong quy trình SLSF-VHG dưới tác dụng của nhiều yếu tố mới: sử dụng hệ enzym thế hệ mới, nâng cao nồng độ cơ chất, phương thức lên men, phương thức giảm ức chế của sản phẩm cuối làm cơ sở khoa học cho cải tiến công nghệ lên men ethanol. Đánh giá hiệu quả việc sử dụng enzym protease trên cơ sở thủy phân protein trong nguyên liệu và khả năng thay thế hoàn toàn nitơ bổ sung bên ngoài. Đã phát triển giải pháp ứng dụng chưng cất chân không tách cồn để nâng cao nồng độ chất khô và rút ngắn thời gian lên men trong quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao. 2
Ý nghĩa thực tiễn Xác lập được điều kiện công nghệ và thử nghiệm sản xuất cồn không gia nhiệt với nồng độ chất khô cao quy mô 100 L làm cơ sở phát triển quy trình và nâng cao hiệu quả sản xuất cồn từ gạo Việt Nam, tiết kiệm chi phí và giảm thiểu tác động môi trường. 5. Những đóng góp mới của luận án Nghiên cứu đã cho thấy loại gạo IR50404 và các loại gạo có hàm lượng amylose nhỏ hơn 26,32% là phù hợp nhất cho quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt, đây là cơ sở để lựa chọn nguyên liệu cho sản xuất cồn thực phẩm từ gạo tại Việt Nam. Luận án đã đề xuất các thông số công nghệ, giải thích được động học của quá trình lên men cồn, giải thích cơ chế hoạt động của tổ hợp enzym thế hệ mới thông qua công nghệ dịch hóa đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo, làm cơ sở khoa học cho thiết lập cải tiến công nghệ trong lên men cồn từ gạo Việt Nam. Kết quả nghiên cứu của luận án cũng cho thấy ưu điểm nổi bật khi sử dụng enzym protease thay thế urea trong quy trình SLSF-VHG. Đã bước đầu ứng dụng quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao quy mô 100 L dịch lên men. Hiệu suất lên men 89,07%, nồng độ cồn trong dịch lên men 17,73 %, tạo sản phẩm đảm bảo chất lượng và an toàn thực phẩm đáp ứng TCVN 7043:2013. Ứng dụng thành công chưng cất chân không tách cồn ở nồng độ chất khô 350 g/L đạt nồng độ cồn 19,98% v/v, hiệu suất lên men 89,09% và thời gian lên men 72 h, kết quả này nâng cao được nồng độ chất khô 12,6%, nồng độ cồn tăng 2,16% v/v, rút ngắn thời gian lên men 24 h so với quy trình SLSF-VHG tối ưu (ở nồng độ chất khô 310,8 g/L). Lần đầu tiên ứng dụng chưng cất chân không tách cồn nâng cao được nồng độ chất khô trong quy trình SLSF-VHG lên 500 g/L đạt hiệu suất và thời gian lên men tương đương với quá trình lên men ở nồng độ chất khô 310,8 g/L. 3
TỔNG QUAN TÀI LIỆU Tình hình sản xuất cồn trên thế giới và Việt Nam Tình hình sản xuất cồn trên thế giới Cồn là một thành phần chính trong một số sản phẩm đồ uống có truyền thống lâu đời. Ngày nay, ngoài việc sử dụng làm thức uống, cồn còn được sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho các nguồn nhiên liệu truyền thống. Theo thống kê trong Hình 1.1, tính đến năm 2020, tổng sản lượng cồn trên thế giới khoảng 120 tỉ lít [9,10], trong đó dùng làm thức uống và dùng trong công nghiệp khoảng 13 – 15%, còn lại dùng cho nhiên liệu [11]. Theo dự báo của Tổ chức nông lương thế giới (FAO) trong các năm tới lượng cồn sử dụng (đặc biệt trong lĩnh vực làm nhiên liệu thay thế) tiếp tục tăng trưởng đạt khoảng 134,5 tỉ lít vào năm 2024 [12]. Ngoài ra, do các nguồn nhiên liệu truyền thống (dầu mỏ, khí đốt, than đá…) ngày càng cạn kiệt nên cồn đang trở thành nguồn nhiên liệu thay thế quan trọng. Hình 1.1 Tình hình sản xuất cồn trên thế giới Cồn dùng để pha chế rượu và dùng trong hóa học, y tế, và các ngành công nghiệp khác. Đồ uống chứa cồn là sản phẩm có vị trí quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm. Cồn được dùng để pha chế các loại rượu cao độ có giá trị cao như whisky, vodka… Mỹ và Braxin là hai quốc gia sản xuất cồn hàng đầu thế giới. Theo hiệp hội năng lượng tái tạo (RFA) năm 2021, Mỹ sản xuất sản lượng cồn dùng cho nhiên liệu đạt 15,02 tỉ gallon, chiếm 55% sản lượng cồn nhiên liệu trên thế giới. Braxin sản xuất 7,43 tỉ gallon, chiếm 27% sản lượng cồn trên thế giới [13]. Kết quả được thể hiện trong Hình 1.2. 4
1% 1% Mỹ 3% 3% 2% Braxin 3% Châu Âu 5% Trung Quốc Ấn Độ Canada 55% Thái Lan 27% Argentina Phần còn lại Thế Giới Nguồn: RFA (2021) Hình 1.2 Sản lượng cồn nhiên liệu theo quốc gia năm 2021 Tình hình sản xuất cồn ở Việt Nam Sản xuất cồn ở quy mô công nghiệp tại Việt Nam đã bắt đầu từ năm 1898 khi người Pháp cho xây dựng các nhà máy cồn ở Hà Nội, Hải Dương, Nam Định, Cái Rằng, Bình Tây… Hiện nay, Việt Nam có những nhà máy cồn rượu hiện đại với công suất lớn như Công ty cổ phần Rượu và Nước giải khát Hà Nội (HALICO) với công suất 12 triệu lít cồn/năm, 40 triệu lít rượu/năm, nhà máy rượu Bình Tây (công suất 6 triệu lít cồn/năm) và một số nhà máy cồn rượu tại các địa phương khác. Năm 2011, sản lượng rượu công nghiệp là 127 triệu lít, rượu thủ công được cấp phép là 32 triệu lít. Theo ước tính hiện nay mỗi năm vẫn còn khoảng 300 triệu lít rượu thủ công có chất lượng chưa ổn định, không nhãn mác, không công bố và không được kiểm soát chất lượng được sản xuất và tiêu thụ, đây là nguy cơ gây mất an toàn cho sử dụng sản phẩm rượu [14]. Hiện nay, theo Tổng cục Thống kê (2021), sản lượng rượu mạnh và rượu trắng Việt Nam năm 2021 là 315,3 triệu lít [15]. Cồn nhiên liệu ở Việt Nam đã được chính phủ ưu tiên phát triển và đã triển khai nhiều dự án sản xuất lớn. Tuy nhiên, tốc độ phát triển năng lượng tái tạo trong đó có sản xuất cồn vẫn chưa đáp ứng được với quy mô nền kinh tế. Nguyên nhân do thiếu năng lực tài chính, công nghệ tiên tiến và các chính sách hỗ trợ, đặc biệt quy hoạch về các vùng nguyên liệu chưa đáp ứng được yêu cầu thực tế nên đã hạn chế sự phát triển của sản xuất cồn nhiên liệu [10]. Một loạt các nhà máy cồn nhiên liệu ra đời đã phải đóng cửa. Hiện nay nước ta chỉ có Công ty TNHH cồn Tùng Lâm (công suất 160 triệu lít/năm) hoạt động hiệu quả cung cấp cồn cho pha xăng nhiên liệu. 5
Ngày 21/5/2009 Bộ trưởng Bộ Công Thương ký Quyết định số 2435/QĐ-BCT ban hành “Quy hoạch phát triển ngành Bia - Rượu - Nước giải khát đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”. Mục tiêu phát triển ngành theo bản Quy hoạch đã xác định sản lượng rượu công nghiệp đến năm 2025 đạt 440 triệu lít [16]. Theo “Quy hoạch phát triển ngành bia, rượu, nước giải khát Việt Nam đến năm 2025 và tầm nhìn đến năm 2035” của Bộ Công Thương ngày 12/9/2016, ngành phải phát triển trên cơ sở áp dụng thiết bị tiên tiến; không ngừng đổi mới nâng cao chất lượng sản phẩm; nghiên cứu sản phẩm mới có chất lượng cao; phát triển bền vững, đảm bảo an toàn thực phẩm, môi trường và sinh thái. Mục tiêu đến các năm 2025, 2035 sản xuất đạt tương ứng 350 triệu lít rượu (trong đó sản lượng dùng cho sản xuất công nghiệp chiếm tỉ lệ tương ứng là 50% ) [17]. Một số công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột hiện nay Hiện nay, công nghệ sản suất cồn ở quy mô nhỏ và quy mô công nghiệp đều được thực hiện với quá trình có gia nhiệt nguyên liệu. Công nghệ sản xuất cồn truyền thống được thực hiện với các công đoạn nghiền nguyên liệu, hồ hóa và dịch hóa bằng enzym amylase (95 – 105oC trong 60-70 phút), làm nguội dịch cháo về 60-62oC và đường hóa bằng enzym glucoamylase ở nhiệt độ này, sau đó dịch cháo được hạ nhiệt độ về 28-32oC và thực hiện quá trình lên men [18–21]. Nhược điểm của quy trình này là tiêu tốn nhiều năng lượng cho quá trình dịch hóa, tốn thời gian và nước giải nhiệt, tăng chi phí đầu tư thiết bị, tăng nguy cơ nhiễm tạp làm giảm hiệu quả lên men [21]. Mặt khác, nồng độ chất khô thấp nên kích thước thiết bị lớn, tăng chi phí chưng cất và thu hồi sản phẩm. Tổn thất đường và axit amin do phản ứng Maillard. Ngoài ra, quy trình này đòi hỏi thiết bị phức tạp gồm bộ phận cấp hơi, làm nguội, khuấy trộn… Trong những năm gần đây, công nghệ đường hóa và lên men đồng thời (SSF) để sản xuất cồn đã được nghiên cứu và ứng dụng để thay thế quy trình truyền thống trên nhiều loại nguyên liệu khác nhau như ngô, lúa mạch, sắn...Tại Mỹ đây là quy trình được áp dụng trong sản xuất cồn chủ yếu từ nguyên liệu ngô [22]. Tại các quốc gia khác hầu hết các quy trình sản xuất cồn hiện nay đều áp dụng công nghệ này [1]. Trong quy trình này, quá trình dịch hóa dưới tác dụng của enzym α-amylase được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn so với phương pháp truyền thống (>80oC) [18,23–25], một số quy trình thực hiện dưới nhiệt độ hồ hóa [24,26,27]. Sau khi dịch hóa, dịch cháo sẽ được làm lạnh ngay xuống 30°C [23,25,26]. Ở nhiệt độ này, enzym glucoamylase, nấm men và các chất dinh dưỡng được bổ sung để thực hiện quá trình đường hóa và lên men đồng thời. Đường glucose được giải phóng đồng thời với quá trình lên men tạo cồn, điều này làm giảm bớt ảnh hưởng “stress” do nồng độ đường cao cho nấm men. Hiện nay, quy trình SSF thường thực hiện ở nồng độ chất khô cao (very high gravity-VHG). Nồng độ chất khô cao trong sản xuất cồn tương ứng với nồng độ chất khô trên 300 g/L [28,29]. Ứng với lượng chất khô này nồng độ cồn thu được trong dịch lên men có thể lên đến 18% v/v, một số nghiên cứu ở điều kiện phòng thí nghiệm quy trình VHG có thể đạt tới nồng độ cồn 23,8% v/v [18,30]. Quy trình này có ưu điểm là tiết kiệm năng lượng, giảm bớt thiết bị và lượng nước sử dụng [1], có thể lên men ở nồng chất khô cao do ảnh hưởng của áp suất thẩm thấu thấp, giảm giá thành sản phẩm, tăng nồng độ cồn trong dịch lên men, giảm chi phí chưng cất và xử lý chất thải…[89]. 6
Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt Hình 1.3 Quy trình sản xuất cồn tiết kiệm năng lượng Các quy trình sản xuất cồn hiện nay vẫn có những nhược điểm như tiêu tốn năng lượng (hơi và nhiệt), nước làm nguội, nhiều công đoạn sản xuất phức tạp. Việc nghiên cứu, cải tiến quy trình sản xuất cồn nhằm giảm tiêu hao năng lượng, đơn giản quy trình, giảm chi phí đầu tư, tăng giá trị, giảm chất thải được đặt ra. Quy trình sản xuất cồn tiết kiệm năng lượng (không gia nhiệt) hay còn gọi là “no-cook”, “cold-cook” hoặc “one-step fermentation” ra đời cũng đã bước đầu giải quyết được những vấn đề đó. Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt được đề cập bởi Balls và Schwimmer vào năm 1944 [31]. Cơ sở của quá trình là sử dụng hệ enzym có khả năng thủy phân tinh bột ở nhiệt độ 30-34°C hoặc thấp hơn so với nhiệt độ hồ hóa tinh bột [1,32–35]. Ứng dụng phương pháp này, cả 3 quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men được kết hợp trong một công đoạn duy nhất, trong cùng một thiết bị và ở cùng một nhiệt độ như được trình bày trong Hình 1.3. Nguyên liệu, enzym, nấm men được vào cùng lúc trong thiết bị và xảy ra đồng thời các quá trình thủy phân tạo đường, nấm men sử dụng đường tạo cồn và các sản phẩm phụ. Ngoài ưu điểm tiết kiệm năng lượng do hoàn toàn không sử dụng nhiệt, đơn giản quy trình (bỏ bớt các công đoạn dịch hóa, đường hóa), quy trình này còn giảm được thời gian sản xuất và lượng nước làm mát dịch cháo trước và sau công đoạn đường hóa. Quy trình còn có ưu điểm nổi bật là đường lên men tạo ra đến đâu được nấm men sử dụng và lên men đến đó nên nấm men không phải chịu áp suất thẩm thấu cao như trong quá trình lên men theo một số công nghệ sản xuất cồn hiện nay [8]. 1.1.4.1 Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt với nồng độ chất khô dưới 300 g/L Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt đã được nghiên cứu trên các loại nguyên liệu khác nhau. Đối với nguyên liệu ngô, Matsumoto và cs (1982) thử nghiệm quy trình sản xuất cồn không nấu từ bột ngô (nồng độ chất khô 20-30%) với hỗn hợp enzym (dịch hóa, đường hóa, protease, cellulase, pectinase), trong đó enzym đường hóa chính từ Rhizopus sp. Quá trình lên men thực hiện trong 96 h, nồng độ cồn đạt được khi kết thúc lên men là 14,2% v/v. Nghiên cứu cho thấy hiệu suất lên men tương đương với quy trình sản xuất cồn có gia nhiệt, giảm nhiên liệu sử dụng, tiết kiệm năng lượng so với quy trình truyền thống [36]. Shigechi và cs (2004) đã sản xuất cồn từ bột ngô (20% chất khô) bằng cách sử dụng nấm men S. cerevisiae, glucoamylase 7