Luận án tiến sĩ 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 HĨA, ĐƯỜNG HÓA VÀ LÊN MEN ETHANOL ĐỒNG THỜI Ở NỒNG ĐỘ CHẤT KHƠ CAO TỪ GẠO Ngành: Cơng nghệ Thực phẩm Mã số: 9540101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Chu Kỳ Sơn TS Phạm Tuấn Anh Hà Nội - 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu Luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Tôi xin cam đoan giúp đỡ việc hoàn thành Luận án cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận án ghi rõ nguồn gốc Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm số liệu Luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tiền Tiến Nam Tập thể GVHD PGS.TS Chu Kỳ Sơn TS Phạm Tuấn Anh i LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS TS Chu Kỳ Sơn TS Phạm Tuấn Anh tận tình dẫn, giúp đỡ động viên suốt thời gian thực luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy, cô giáo Bộ môn Công nghệ Thực phẩm - Viện Công nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm - Đại học Bách khoa Hà Nội bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ hướng dẫn, bảo suốt thời gian thực luận án Tơi xin cảm ơn Phịng Đào tạo Đại học Bách khoa Hà Nội ủng hộ tinh thần tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP Hồ Chí Minh tạo điều kiện để tham gia học tập ủng hộ vật chất, tinh thần trình thực luận án Tôi xin chân thành cám ơn Trung tâm thực hành thí nghiệm - Trường Đại học Cơng nghiệp Thực phẩm TP Hồ Chí Minh sinh viên giúp đỡ tơi nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn người thân gia đình, người bạn động viên khích lệ cho tơi có chun tâm động lực phấn đấu thực luận án 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 TỔNG QUAN TÀI LIỆU Tình hình sản xuất cồn giới Việt Nam Tình hình sản xuất cồn giới Tình hình sản xuất cồn Việt Nam Một số công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt Nguyên liệu sản xuất cồn 11 Nguồn chất sản xuất cồn 11 Nguyên liệu gạo sản xuất cồn 12 Enzym sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột 16 Nấm men dùng công nghệ sản xuất cồn 22 Các yếu tố công nghệ chế thủy phân nguyên liệu quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt nồng độ chất khô cao 26 Ảnh hưởng chế độ nghiền kích thước nguyên liệu 26 Ảnh hưởng nồng độ enzym thủy phân nguyên liệu sống 27 Cơ chế thủy phân enzym nguyên liệu quy trình SLSF-VHG 27 Động học quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt 30 Ảnh hưởng nồng độ chất khô 31 Ảnh hưởng mật độ nấm men 32 Ảnh hưởng số yếu tố công nghệ khác 32 Tình hình ứng dụng quy trình sản xuất cồn khơng gia nhiệt 33 Ứng dụng chân không tách cồn đồng thời 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 nồng độ chất khô cao 40 Nội dung 2: Nghiên cứu điều kiện công nghệ, động học chế biến đổi thành phần dịch lên men quy trình SLSF-VHG 40 Nội dung 3: Nghiên cứu ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn quy mô 100 L dịch lên men 40 Nội dung 4: Nghiên cứu lên men chưng cất chân không tách cồn đồng thời quy trình SLSF-VHG 41 Phương pháp nghiên cứu 41 Bố trí thí nghiệm 42 Phương pháp phân tích 49 Phương pháp thống kê 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 chế biến đổi thành phần dịch lên men quy trình SLSF-VHG 64 Lựa chọn kích thước lưới nghiền bột gạo 64 Ảnh hưởng nồng độ enzym đường hóa (Stargen 002) 66 Ảnh hưởng nguồn nitơ 69 Ảnh hưởng nồng độ chất khô 81 Ảnh hưởng mật độ nấm men 83 iv Xây dựng quy trình cơng nghệ sản xuất cồn SLSF-VHG quy mơ phịng thí nghiệm (1 L dịch lên men) 85 Động học q trình sản xuất cồn khơng gia nhiệt nồng độ chất khô cao 87 Hình thái, cấu trúc bột gạo quy trình SLSF-VHG 91 Nghiên cứu ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn quy mơ 100 L dịch lên men 95 Nghiên cứu quy trình SLSF-VHG quy mơ 100 L dịch lên men 96 Thống kê điện, nước chi phí sản xuất cồn quy mô 100 L 100 Nghiên cứu lên men chưng cất chân không tách cồn đồng thời quy trình SLSF-VHG 102 Ảnh hưởng thời gian chưng cất chân không đến hiệu suất thời gian lên men 102 Nghiên cứu nâng cao nồng độ chất khô quy trình SLSF-VHG chưng cất chân khơng 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 112 Kết luận 112 Kiến nghị 113 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 PHỤ LỤC v DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt SLSF Simultaneous liquefaction, saccharification and fermentation Dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời VHG Very high gravity Nồng độ chất khô cao SSF Simultaneous saccharification and fermentation Đường hóa lên men đồng thời DP Degree of polymerization Độ trùng hợp (chiều dài mạch) RF Rice flour Bột gạo tb cells Tế bào CFU Colony form units Đơn vị hình thành khuẩn 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 μmax Maximum specific growth rate Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại QP Ethanol productivity Tốc độ tạo cồn YP/S The yield coefficient of ethanol Hiệu suất tạo sản phẩm/đơn production vị chất HSLM Fermentation yield Hiệu suất lên men GAU Glucoamylase unit Đơn vị hoạt độ enzym glucoamylase SAPU Spectrophotometric acid protease units Đơn vị hoạt độ enzym protease vi HPLC High-performance liquid chromatography Sắc ký lỏng hiệu cao GC Gas chromatography Sắc ký khí kDa Kilodalton Kilodalton TCVN Vietnamese National Standards Tiêu chuẩn Việt Nam FAN Free amino nitrogen Nitơ amin tự 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 SLSFD Simultaneous liquefaction, saccharification and fermentation and distillation Dịch hóa, đường hóa lên men chưng cất đồng thời vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Tình hình sản xuất cồn giới Hình 1.2 Sản lượng cồn nhiên liệu theo quốc gia năm 2021 Hình 1.3 Quy trình sản xuất cồn tiết kiệm lượng Hình 1.4 Quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời 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 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 glucoamylase [109,110] 19 Hình 1.11 Cơ chế thủy phân enzym Stargen 001 tinh bột ngơ [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 Mơ hình thí nghiệm lên men chưng cất cân không tách cồn đồng thời [173] 48 Hình 3.1 Biến đổi nồng độ cồn theo loại gạo 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 đường tổng (a), đường khử (b) theo loại nấm men 60 Hình 3.4 Đường cong sinh trưởng nấm men ER, TD AS 62 Hình 3.5 Hình ảnh tế bào nấm men ER, TD 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 protease đến độ cồn - đường tổng (a), đường khử (b) 70 Hình 3.10 Biến đổi protein hòa tan (a), FAN (b) dịch lên men 72 viii Phụ lục B4: Phổ XRD quy trình UP (dùng urea protease) XRD (UP-24 h) XRD (UP-72 h) XRD (UP-96 h) 11 XRD (UP-120 h) Phụ lục B6: Đường chuẩn albumin (xác định protein theo Dradford) C albumin, g/L OD trung bình 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 0.905±0.004 0.953±0.025 1.008±0.011 1.11±0.023 1.22±0.006 1.357±0.025 Đường chuẩn albumin 1,4 C Albumin g/L y = 0,5575x + 0,8969 R² = 0,9966 1,2 1,0 Đường chuẩn albumin 0,8 0,2 0,4 0,6 OD 12 0,8 Phụ lục C: Số liệu thí nghiệm lên men chưng cất chân khơng đồng thời quy trình SLSF-VHG Phụ lục C1: Phân tích HPLC (350 g/L) theo thời gian lên men ứng dụng chân không HPLC-350-20 h HPLC-350-21 h HPLC-350-30 h 13 HPLC-350-31 h HPLC-350-72 h HPLC-350-96 h 14 Phụ lục C2: Phân tích HPLC (400 g/L) theo thời gian lên men ứng dụng chân không HPLC-400-20 h HPLC-400-21 h HPLC-400-30 h 15 HPLC-400-31 h HPLC-400-72 h HPLC-400-96 h 16 HPLC-400-120 h Phụ lục C3: Phân tích HPLC (500 g/L) theo thời gian lên men ứng dụng chân không HPLC-500-12 h HPLC-500-13 h 17 HPLC-500-25 h HPLC-500-26 h HPLC-500-36 h 18 HPLC-500-37 h HPLC-500-72 h HPLC-500-96 h 19 HPLC-500-120 h Phụ lục C4: Phân tích HPLC (600 g/L) theo thời gian lên men ứng dụng chân không HPLC-600-12 h HPLC-600-13 h HPLC-600-25 h 20 HPLC-600-26 h HPLC-600-36 h HPLC-600-37 h 21 HPLC-600-72 h HPLC-600-96 h HPLC-600-120 h 22 Phụ lục D: Hình ảnh thiết bị thí nghiệm quy mơ L thiết bị tích hợp lên men chưng cất SLSF-VHG quy mơ 100 L Phụ lục D1: Thiết bị thí nghiệm lên men SLSF-VHG quy mô L dịch lên men Hình D.1 Hình thực tế thiết bị lên men SLSF-VHG quy mô L Phụ lục D2: Cấu tạo nguyên lý hoạt động thiết bị tích hợp lên men chưng cất ứng dụng quy trình SLSF-VHG quy mơ 100 L dịch lên men Thiết bị tích hợp lên men chưng cất (combo SLSF-VHG) thiết bị thiết kế để thực kết hợp hai trình: (i) lên men nồng độ chất khơ cao (có thể dùng để sản xuất cồn theo công nghệ không gia nhiệt có gia nhiệt), (ii) chưng cất thu hồi sản phẩm Phần lên men nồi hình trụ (4) với dung tích thực 130 L, thể tích làm việc 100 L Nồi có đường kính 0,5 m, chiều cao phần thân trụ 0,7 m, dày mm Đáy nồi lên men dạng với góc 145o, đáy giúp giảm khả đóng cặn bên trọng thiết bị giúp tháo sản phẩm dễ dàng Phần nắp dạng elip có kết nối 23 với thân thiết bị nhờ mặt bích, có lớp gioăng silicon để làm kín, nắp có bố trí cửa thao tác nhập liệu (5) với đường kính cửa 110 mm Bên nồi lên men có lắp ống xoắn (10) với đường kính ống 27 mm, đường kính vòng xoắn 0,4 m, chiều cao vòng xoắn 0,5 mm, diện tích truyền nhiệt ống xoắn 0,8 m2 Ống xoắn có tác dụng làm mát dịch lên men nước chuyển động bên ống xoắn Để đảo trộn dịch lên men, hệ thống động khuấy (6) với hai cánh khuấy mái chèo vng góc với đặt cách 0,2 m (18) Hai bên cánh khuấy phía vng góc với trục khuấy đặt nghiêng 45o với trục khuấy Cánh khuấy phía đặt nghiêng 75o so với trục khuấy theo góc nghiêng đáy côn để tăng khả khuấy trộn chống lắng bột gạo Đường kính cánh khuấy 0,3 m với trục cánh khuấy 20 mm Tốc độ cao cánh khuấy 90 vòng/phút, động khuấy motor giảm tốc (tỉ lệ 1:10) với công suất động 0,2 kW Hình D2 Cấu tạo thiết bị tích hợp lên men chưng cất SLSF-VHG quy mô 100 L Một hệ thống vỏ áo bao quanh nồi lên men với đường kính 0,6 m, chiều cao vỏ áo 0,7 m, bề dày mm, thể tích chứa vỏ áo 50 L (3) Trong vỏ áo chứa nước truyền nhiệt cho dịch lên men cho cơng đoạn chưng cất Ngồi có ống dẫn nước (12) từ vỏ áo vào đáy nồi lên men sục trực tiếp vào dịch lên men tăng tốc độ chưng cất, ống có tác dụng quan sát mức chất lỏng dịch lên men Nhiệt cấp cho nước vỏ áo từ điện trở pha với công suất điện trở 7,5 kW (17) Trong giai đoạn lên men, nhiệt độ môi trường thấp nhiệt độ lên men, điện trở hoạt động đun nóng nước vỏ áo cấp nhiệt cho dịch lên men thông qua hệ thống cảm biến nhiệt (15, 16) loại PT 100 (Platinum resistance thermometers) điều khiển nhiệt độ SDC200 (Yamatake-Honeywell, Tokyo, Nhật Bản) Khi trình lên men kết thúc, trình chưng cất thu rượu thực thiết bị combo SLSFD-VHG Điện trở đốt nóng nước vỏ áo truyền 24 nhiệt cho dịch lên men Khi dịch lên men sôi hỗn hợp theo ống dẫn (9) với đường kính ống dẫn 110 mm Bộ phận ngưng tụ hoàn lưu (7) kiểu ống chùm có đường kính thiết bị 0,14 m, 12 ống truyền nhiệt có đường kính 20 mm chiều dài ống truyền nhiệt 0,25 m với diện tích bề mặt truyền nhiệt 0,2 m2, nước làm mát cho chảy phía bên chùm ống [238,242] Hệ thống ngưng tụ thu sản phẩm (8) có đường kính thiết bị, số ống truyền nhiệt kích thước ống truyền nhiệt tương tự thiết bị (7), khác chiều dài ống truyền nhiệt 0,6 m diện tích bề mặt truyền nhiệt 0,71 m2 Toàn hệ thống chế tạo inox SUS304 đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm Các vị trí khớp nối bố trí chi tiết tháo lắp nhanh vừa đảm bảo kín động lắp ráp, vận chuyển vệ sinh thiết bị Một số chi tiết khác thiết bị mô tả sau: (1) (2) (11) (13) (14) (19) : đường nước cấp cho vỏ áo (vào, ra) : ống quan sát mức nước vỏ áo : cửa tháo dịch lên men : phễu châm nước vỏ áo : đai ốc bu lơng có ren (dùng để làm kín thân nắp nồi lên men) : khung đỡ, chân có bánh xe Phụ lục D3: Hình ảnh thực tế thiết bị tích hợp lên men chưng cất ứng dụng quy trình SLSF-VHG quy mơ 100 L dịch lên men Hình D.3 Hình thực tế thiết bị tích hợp lên men chưng cất 25