Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nấu, đường hóa và lên men trong sản xuất cồn

Hoàng Huy Dũng Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tồn thể thầy Viện Cơng Nghệ Sinh Học – Cơng Nghệ Thực Phẩm nói chung Bộ Môn Các Sản Phẩm Lên Men nói riêng Các thầy cố gắng truyền đạt kiến thức suốt năm học chuyên ngành em Tiếp đến, em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới giáo hướng dẫn em PGS.TS Nguyễn Thanh Hằng Chính hướng dẫn tận tình làm động lực thúc đẩy em vượt qua khó khăn q trình nghiên cứu Đồng thời em xin cảm ơn chị Nguyễn Thúy Hường, người động viên giúp đỡ em suốt trình thực luận văn Luận văn tốt nghiệp em hoàn thành khơng tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, em mong nhận góp ý, bảo thầy giáo để em bổ sung thêm kiến thức ngành sản xuất cồn nói riêng ngành cơng nghệ sản phẩm lên men nói chung Hà Nội, ngày 31 tháng năm 2011 SV thực Hoàng Huy Dũng Hoàng Huy Dũng Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT LUẬN VĂN MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .2 1.1 Tình hình sản xuất tiêu thụ cồn giới Việt Nam 1.1.1 Tình hình sản xuất tiêu thụ cồn giới 1.1.2 Tình hình sản xuất tiêu thụ cồn Việt Nam 1.2 Tình hình sản xuất tiêu thụ sắn giới Việt Nam 1.2.1 Tình hình sản xuất tiêu thụ sắn giới 1.2.2 Tình hình sản xuất tiêu thụ sắn Việt Nam 1.2.3 Nguyên liệu sản xuất cồn từ sắn 1.2.4 Thành phần cấu tạo sắn 1.3 Một số chế phẩm enzym sử dụng để thủy phân tinh bột sản xuất cồn .9 1.3.1 Spezyme Xtra .9 1.3.2 Termamyl SC 10 1.3.3 Stargen 001 .10 1.3.3 Distillase ASP 11 1.3.4 Dextrozyme GA (DGA) 12 1.4 Công nghệ sản xuất cồn truyền thống .12 1.5 Công nghệ sản xuất cồn số nước giới 13 CHƯƠNG II NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 2.1 Nguyên vật liệu .16 2.1.1 Sắn ( tinh bột ) 16 2.1.2 Nấm men 16 2.1.3 Enzyme .17 2.1.4 Hóa chất 17 2.1.5 Dụng cụ 17 2.2 Phương pháp nghiên cứu 18 2.2.1.Xác định độ ẩm nguyên liệu theo phương pháp sấy đến khối lượng không đổi 18 Hoàng Huy Dũng Luận văn tốt nghiệp 2.2.2 Xác định pH 18 Hoàng Huy Dũng Luận văn tốt nghiệp 2.2.3 Xác định hàm lượng tinh bột nguyên liệu theo phương pháp thủy phân axit 19 2.2.4 Xác định hàm lượng đường khử dịch đường theo phương pháp Graxianop 20 2.2.5 Xác định độ chua dịch dấm chín 21 2.2.6 Xác định độ cồn dịch dấm chín phương pháp chưng cất đo điểm sôi 21 2.2.7 Xác định hiệu suất 23 2.2.8 Chuẩn bị mẫu nghiên cứu điều kiện q trình dịch hố, dịch hóa lên men đồng thời 25 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .27 3.1 Kết phân tích thành phần nguyên liệu 27 3.1.1 Xác định thành phần nguyên liệu sắn khô 27 3.1.2 Kết đếm mật độ tế bào nấm men 27 3.2 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng q trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời 28 3.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ tinh bột đến hiệu lên men .28 3.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện dịch hóa 30 3.2.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ dịch hoá .30 3.2.2.2 Ảnh hưởng thời gian dịch hoá 31 3.2.2.3 Ảnh hưởng nồng độ enzym dịch hóa 32 3.2.3 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình đường hóa lên men đồng thời .33 3.2.3.1 Chọn chủng nấm men 33 3.2.3.2 Ảnh hưởng enzym đường hóa 34 3.2.3.3 Ảnh hưởng tỷ lệ men giống 35 3.2.3.4 Ảnh hưởng hàm lượng Nitơ 37 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 Hoàng Huy Dũng Luận văn tốt nghiệp TÓM TẮT LUẬN VĂN Hiện nhiên liệu sinh học giải pháp ưu tiên hàng đầu nhiều quốc gia giới, có Việt Nam Trong số nguyên liệu chứa tinh bột Việt Nam có tiềm để sản xuất cồn sắn ngun liệu có nhiều điểm mạnh giá rẻ, hàm lượng tinh bột cao, sản lượng cao… Với mục đích giảm thiểu lượng tiêu thụ tăng hiệu sử dụng thiết bị quy trình sản xuất cồn sinh học từ ngun sắn khơ (tinh bột), kiểm nghiệm tính hiệu chế phẩm Enzyme sử dụng, chúng em lựa chọn áp dụng số chế phẩm Enzyme hãng Genecor để sản xuất cồn sinh học từ nguyên liệu sắn khô Việt Nam tiến hành đề tài: “ Nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến q trình nấu, đường hóa lên men sản xuất cồn ” Kết nghiên cứu lựa chọn quy trình dịch hóa với điều kiện thích hợp là: - Dịch sắn nồng độ 25% tinh bột dịch hóa Enzyme Spezyme Alpha có (nồng độ 0,03% w/w), 700C thời gian 60 phút, pH 5,5 – 5,7 - Tiếp đến, q trình đường hóa lên men đồng thời (SSF) với điều kiện 300C, Enzyme đường hóa Stargen 001 có (nồng độ 0,300% w/w), lượng nấm men Fermentis nồng độ 0,5 g/l, Ure bổ sung cho nấm men sinh trưởng phát triển g/l - Sau 72h lên men nồng độ cồn thu 15,8 % v/v, hiệu suất thu hồi 80,86 % Hoàng Huy Dũng Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Lượng cồn thu theo nguyên liệu 24 Bảng 3.1 Bảng tiêu nguyên liệu sắn khô .27 Bảng 3.2 Kết đếm mật độ tế bào nấm men Fermentis .28 Bảng 3.3 Kết đếm mật độ tế bào nấm men Mauri – La Ngà 28 Bảng 3.4 Ảnh hưởng nồng độ tinh bột đến hiệu lên men 29 Bảng 3.5 Ảnh hưởng nhiệt độ dịch hoá 30 Bảng 3.6 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian dịch hoá hiệu lên men 31 Bảng 3.7 Ảnh hưởng nồng độ enzym dịch hóa 32 Bảng 3.8 Ảnh hưởng nấm men đến hiệu lên men 33 Bảng 3.9 Ảnh hưởng nồng độ Stagen001 đến hiệu lên men 34 Bảng 3.10 Ảnh hưởng tỷ lệ men giống đến hiệu lên men 36 Bảng 3.11 Ảnh hưởng hàm lượng Ure bổ sung 37 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Q trình thủy phân tinh bột ngơ với chế phẩm enzym Stargen 11 Hình 2.1 Chế phẩm nấm men: 16 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT SSF: Simultaneous Saccharification and Fermentation – đường hóa lên men đồng thời Hồng Huy Dũng Luận văn tốt nghiệp MỞ ĐẦU Cồn sản phẩm đóng vai trị quan trọng kinh tế quốc dân, ứng dụng nhiều lĩnh vực sống Cồn sử dụng thực phẩm (pha chế rượu, đồ uống có cồn), y tế (thuốc sát trùng, pha chế thuốc), công nghiệp (dệt, chế biến gỗ, công nghiệp nặng, cơng nghiệp hóa chất số ngành cơng nghiệp khác), quốc phòng (thuốc súng, nhiên liệu hỏa tiễn) ngành mỹ phẩm (để sản xuất nước hoa) Hiện nay, cồn sử dụng nhiên liệu tiềm Khi mà nhiên liệu hóa thạch cổ sinh (than đá, dầu mỏ, khí đốt) cạn kiệt dần, giá nhiên liệu lại tăng lên vấn đề ô nhiễm môi trường cồn nhiên liệu đề ý Hiện nay, 47% cồn nhiên liệu giới sản xuất từ mía đường 53% sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột Trong số nguyên liệu chứa tinh bột Việt Nam có tiềm để sản xuất cồn sắn ngun liệu có nhiều ưu điểm sắn dễ trồng loại đất khác điều kiện khí hậu khác nhau, giá thành chi phí để trồng sắn thấp, ngun liệu sắn sẵn có quanh năm dạng sắn củ sắn lát khô, hàm lượng tinh bột cao Bên cạnh tiềm nguồn nguyên liệu, có số giải pháp đưa nhằm cải tiến công nghệ sản xuất cồn truyền thống, giảm lượng tiêu tốn cho trình dịch hóa, đường hóa mà đảm bảo hiệu suất thu hồi cao tăng giá trị kinh tế Trên giới hãng sản xuất enzym giới thiệu số chế phẩm enzym có nhiều ưu điểm có khả thủy phân tinh bột hồ hóa nhiệt độ 700C thủy phân tinh bột sống nhiệt độ 30 ÷ 350C khơng cần qua q trình dịch hóa Với mục đích giảm bớt lượng tiêu tốn quy trình sản xuất, chúng em lựa chọn áp dụng thử số chế phẩm enzym hãng Genencor cho trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời để sản xuất cồn nguyên liệu sắn khô Việt Nam Hoàng Huy Dũng Luận văn tốt nghiệp CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình sản xuất tiêu thụ cồn giới Việt Nam 1.1.1 Tình hình sản xuất tiêu thụ cồn giới Năm 2003 toàn giới sản xuất 38,5 tỷ lít cồn ( châu Mỹ chiếm khoảng 70%, châu Á 17%, châu Âu 10%), 70 % dùng làm nhiên liệu, 30% sử dụng công nghiệp thực phẩm, y tế, hóa chất Đến nắm 2007 lượng cồn sản xuất tăng lên 56 tỷ lít, sử dụng làm nhiên liệu tăng lên 75% Năm 2009, lượng cồn giới khoảng 66 tỷ lít cồn Dự bào đến năm 2012 lượng cồn giới tăng lên 79,3 tỷ lít tỷ lệ sử dụng làm nhiên liệu tăng 85% Hiện giới có nhiều nước có ngành cơng nghiệp sản xuất cồn phát triển mạnh với sản lượng cồn hàng năm lớn, cường quốc sản xuất lớn với sản lượng chiếm khoảng 89% tổng sản lượng cồn giới Mỹ Brazil (năm 2008) Cịn khu vực Đơng Nam Á, Thái Lan quốc gia phát triển nhanh sản xuất sử dụng xăng pha cồn sản xuất từ loại phế phẩm sắn, hạt ngô, ngơ, đường, bã mía Từ năm 2002, Thái Lan xây dựng thêm nhà máy sản xuất cồn nhằm giảm chi phí nhập xăng dầu Năm 2004, Thái Lan sản xuất 280.000 m3 cồn, đầu tư thêm 20 nhà máy để đến năm 2015 đạt 2,5 tỷ lít cồn dùng làm nhiên liệu [5] 1.1.2 Tình hình sản xuất tiêu thụ cồn Việt Nam Theo số liệu tổng hợp Bộ Công Thương năm 2004 nước có 72 đơn vị sản xuất rượu cơng nghiệp với cơng suất 103 triệu lít/ năm, sản lượng Hoàng Huy Dũng Luận văn tốt nghiệp 76,3 triệu lít/ năm, đạt 74% cơng suất thiết kế Năm 2005 sản lượng rượu sản xuất đạt 80 triệu lít Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ ban hành định số 177/QĐ-TTG phê duyệt ” Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015”, tầm nhìn đến năm 2025 Mục tiêu tổng quát đề án phát triển nhiên liệu sinh học nhằm thay phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống đảm bảo an ninh lượng bảo vệ môi trường Đến năm 2010, xây dựng phát triển mô hình thử nghiệm, sử dụng nhiên liệu sinh học quy mơ 100 nghìn E5 50 nghìn B5/ năm, bảo đảm đáp ứng 0,4% nhu cầu xăng dầu nước Đến năm 2025, sản lượng cồn dầu thực vật phấn đấu đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu nước Để đáp ứng nhu cầu đó, nước nhiều dự án nghiên cứu sản xuất cồn từ nguồn khác triển khai sản xuất từ nguyên liệu giàu Cellulose, tinh bột Và đồng thời nhiều dự án nghiên cứu nhằm tối ưu hóa q trình sản xuất cồn quan tâm nhằm giảm chi phí sản xuất, tăng sản lượng cồn giảm giá thành sản phẩm 1.2 Tình hình sản xuất tiêu thụ sắn giới Việt Nam 1.2.1 Tình hình sản xuất tiêu thụ sắn giới Sắn trồng trọt 100 nước có khí hậu nhiệt đới cận nhiệt đới thuộc châu Á, châu Phi châu Mỹ La–tinh Tổ chức nông lương giới xếp sắn lương thực quan trọng thứ giới, sau ngô, gạo, lúa mỳ khoai tây Ðồng thời, sắn thức ăn gia súc quan trọng nhiều nước hàng hóa xuất có giá trị để chế biến bột ngọt, bánh kẹo, mì ăn liền, ván ép, bao bì, màng phủ sinh học phụ gia dược phẩm Trong thời gian tới, sắn ngun liệu cho cơng nghiệp cồn Năm 2008, Trung Quốc sản xuất triệu ethanol nhập sắn từ quốc gia lân cận Tại Thái-lan, nhiều nhà máy sản xuất cồn sử dụng sắn xây dựng vào năm 2008 Indonesia lên kế hoạch sử dụng sắn sản xuất Hoàng Huy Dũng Luận văn tốt nghiệp ethanol để pha vào xăng theo tỷ lệ bắt buộc 5% năm 2010 Các nước Lào, Papua New Guinea, đảo quốc Phigi, Nigeria, Colombia Uganda nghiên cứu thử nghiệm cho sản xuất ethanol [2] Thái Lan chiếm 85% lượng xuất sắn toàn cầu, Indonesia Việt Nam Thị trường xuất sắn chủ yếu Thái Lan Trung Quốc, Đài Loan, Nhật Bản cộng đồng châu Âu với tỷ trọng xuất sắn khoảng 40% bột tinh bột sắn, 25% sắn lát sắn viên (TTTA, 2006; FAO, 2007) Trung Quốc nước nhập sắn nhiều giới để làm cồn sinh học (bio ethanol), tinh bột biến tính (modify starch), thức ăn gia súc dùng công nghiệp thực phẩm dược liệu Địa điểm tỉnh Quảng Tây Năm 2005, Trung Quốc nhập 1,03 triệu tinh bột, bột sắn 3,03 triệu sắn lát, sắn viên Năm 2006, Trung Quốc nhập 1,15 triệu tinh bột, bột sắn 3,40 triệu sắn lát sắn viên [6] Viện Nghiên cứu Chính sách lương thực giới (IFPRI), tính tốn nhiều mặt dự báo tình hình sản xuất tiêu thụ sắn tồn cầu với tầm nhìn đến năm 2020 Năm 2020 sản lượng sắn toàn cầu ước đạt 275,10 triệu tấn, sản xuất sắn chủ yếu nước phát triển 274,7 triệu tấn, nước phát triển khoảng 0,40 triệu Mức tiêu thụ sắn nước phát triển dự báo đạt 254,60 triệu so với nước phát triển 20,5 triệu Khối lượng sản phẩm sắn toàn cầu sử dụng làm lương thực thực phẩm dự báo nhu cầu 176,3 triệu thức ăn gia súc 53,4 triệu Tốc độ tăng hàng năm nhu cầu sử dụng sản phẩm sắn làm lương thực, thực phẩm thức ăn gia súc đạt tương ứng 1,98% 0,95% Châu Phi khu vực dẫn đầu sản lượng sắn toàn cầu với dự báo sản lượng năm 2020 đạt 168,6 triệu Trong đó, khối lượng sản phẩm sử dụng làm lương thực thực phẩm 77,2%, làm thức ăn gia súc 4,4% Châu Mỹ La tinh giai đoạn 1993-2020, ước tốc độ tiêu thụ sản phẩm sắn tăng hàng năm 1,3%, so với châu Phi 2,44% châu Á 0,84 - 0,96% Cây sắn tiếp tục giữ vai trò quan trọng nhiều nước châu Á, đặc biệt