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 Thương TP Hồ Chí Minh tạo điều kiện để tơi tham gia học tập ủng hộ vật chất, tinh thần q trình thực luận án Tơi xin chân thành cám ơn Trung tâm thực hành thí nghiệm - Trường Đại học Cơng Thương TP Hồ Chí Minh sinh viên giúp đỡ nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn người thân gia đình, người bạn động viên khích lệ cho tơi có chuyên 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 ngun liệu quy trình sản xuất cồn khơng 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 khơng 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 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37 iii Nguyên vật liệu 37 Gạo 37 Chế phẩm enzym 37 Chế phẩm nấm men 38 Chất bổ sung 38 Hóa chất, thiết bị, địa điểm nghiên cứu 38 Phương pháp nghiên cứu 39 Bố trí thí nghiệm 40 Phương pháp phân tích 47 Phương pháp thống kê xử lý số liệu thực nghiệm 51 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 52 Lựa chọn loại gạo, enzym, nấm men cho quy trình SLSF-VHG 52 Lựa chọn gạo cho quy trình SLSF-VHG 52 Lựa chọn enzym đường hóa phụ trợ cho quy trình SLSF-VHG 55 Lựa chọn chế phẩm nấm men 57 Nghiên cứu điều kiện công nghệ, động học chế biến đổi thành phần dịch lên men quy trình SLSF-VHG 61 Lựa chọn kích thước lưới nghiền bột gạo 62 Ảnh hưởng nồng độ enzym đường hóa (Stargen 002) 64 Ảnh hưởng nguồn nitơ 67 Ảnh hưởng nồng độ chất khô 79 Ảnh hưởng mật độ nấm men 80 Xây dựng quy trình cơng nghệ sản xuất cồn SLSF-VHG quy mơ phịng thí nghiệm (1 L dịch lên men) 82 Động học trình sản xuất cồn không gia nhiệt nồng độ chất khô cao 84 Hình thái, cấu trúc bột gạo quy trình SLSF-VHG 89 Nghiên cứu ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn quy mô 100 L dịch lên men 93 Nghiên cứu quy trình SLSF-VHG quy mơ 100 L dịch lên men 93 Thống kê điện, nước chi phí sản xuất cồn quy mô 100 L 97 Nghiên cứu lên men chưng cất chân không tách cồn đồng thời quy trình SLSF-VHG 99 iv Ảnh hưởng thời gian chưng cất chân không đến hiệu suất thời gian lên men 100 Nghiên cứu nâng cao nồng độ chất khơ quy trình SLSF-VHG lên men chưng cất chân không tách cồn đồng thời 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 110 Kết luận 110 Kiến nghị 110 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 PHỤ LỤC Phụ lục A: Số liệu nghiên cứu thơng số cơng nghệ quy trình SLSF-VHG Phụ lục B: Số liệu nghiên cứu hình thái cấu trúc bột gạo quy trình SLSFVHG Phụ lục C: Số liệu thí nghiệm lên men chưng cất chân khơng đồng thời quy trình SLSF-VHG 13 Phụ lục D: Hình ảnh thiết bị thí nghiệm quy mơ L thiết bị tích hợp lên men chưng cất SLSF-VHG quy mô 100 L 23 v DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt AML Amigase Mega L Enzym Amigase Mega L AS Angel super alcohol Nấm men Angel super alcohol CD Catalytic domain Vùng xúc tác CFU Colony form units Đơn vị hình thành khuẩn lạc CK Dry solid Chất khô CrI Crystallinity Index Chỉ số tinh thể DA Distillase ASP Enzym Distillase ASP DNS 3,5-Dinitrosalicylic acid Thuốc thử DNS DP Degree of polymerization Độ trùng hợp (chiều dài mạch) ER Ethanol Red Nấm men Ethanol Red FAN Free amino nitrogen Nitơ amin tự GA Glucoamylase Enzym glucoamylase GAU Glucoamylase unit Đơn vị hoạt độ enzym glucoamylase GC Gas chromatography Sắc ký khí HPLC High-performance liquid chromatography Sắc ký lỏng hiệu cao HSLM Fermentation yield Hiệu suất lên men kDa Kilodalton Kilodalton P Addition of protease process Quy trình sử dụng protease QP Ethanol productivity Tốc độ tạo cồn R Reference process Quy trình đối chứng RF Rice flour Bột gạo SAPU Spectrophotometric acid protease units Đơn vị hoạt độ enzym protease SBD Starch - binding domain Vùng gắn tinh bột SC Spirizyme Enzym Spirizyme SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét vi SLSF Simultaneous liquefaction, saccharification and fermentation Dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời SLSFD Simultaneous liquefaction, saccharification and fermentation and distillation Dịch hóa, đường hóa lên men chưng cất đồng thời SSF Simultaneous saccharification and fermentation Đường hóa lên men đồng thời tb Cells Tế bào TCVN Vietnamese National Standards Tiêu chuẩn Việt Nam TD Thermosacc Dry Nấm men Thermosacc Dry U Addition of urea process Quy trình sử dụng urea UP Addition of both urea and protease process Quy trình sử dụng urea protease VHG Very high gravity Nồng độ chất khô cao XRD X-ray diffraction Phổ nhiễu xạ tia X YP/S The yield coefficient of ethanol Hiệu suất tạo sản phẩm/đơn production vị chất μmax Maximum specific growth rate vii Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại 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 14 Hình 1.6 Cấu tạo bột gạo 16 Hình 1.7 Cấu tạo enzym α-amylase 17 Hình 1.8 Cơ chế phân cắt nhóm glycosyl α-amylase từ vi khuẩn Bacillus 18 Hình 1.9 Cấu tạo glucoamylase từ A niger 18 Hình 1.10 Cơ chế thủy phân glucoamylase 19 Hình 1.11 Cơ chế thủy phân enzym Stargen 001 tinh bột ngô 28 Hình 1.12 Hình thái bột sắn bị thủy phân 29 Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm xác định loại gạo, enzym đường hóa, nấm men 40 Hình 2.2 Mơ hình thí nghiệm lên men chưng cất cân không tách cồn đồng thời 46 Hình 3.1 Biến đổi nồng độ cồn theo loại gạo quy trình SLSF-VHG 53 Hình 3.2 Ảnh hưởng enzym phụ trợ đến đường tổng, độ cồn 56 Hình 3.3 Biến đổi độ cồn đường tổng (a), đường khử (b) theo loại nấm men 58 Hình 3.4 Đường cong sinh trưởng nấm men ER, TD AS 60 Hình 3.5 Hình ảnh tế bào nấm men ER, TD AS 61 Hình 3.6 Phân bố kích thước hạt theo kích thước lưới nghiền 62 Hình 3.7 Nồng độ cồn theo kích thước lưới nghiền 63 Hình 3.8 Biến đổi đường tổng-độ cồn (a), đường khử (b) theo nồng độ enzym Stargen 002 65 Hình 3.9 Ảnh hưởng urea protease đến độ cồn - đường tổng (a), đường khử (b) 68 Hình 3.10 Biến đổi protein hịa tan (a), FAN (b) dịch lên men 70 Hình 3.11 Ảnh hưởng urea protease đến đường cong sinh trưởng nấm men 74 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 Bradford) 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 20 HPLC-600-25 h HPLC-600-26 h HPLC-600-36 h 21 HPLC-600-37 h HPLC-600-72 h HPLC-600-96 h 22 HPLC-600-120 h 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 23 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 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) 24 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 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 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