Báo cáo thí nghiệm Đồ Án chuyên ngành bf4518 công nghệ sản xuất cồn từ bột sắn

Trong công nghệ sản xuất cồn etylic từ nguyên liệu sắn lát thì việc đánh giá chất lượng nguyên liệu ban đầu là không thể thiếu, trong đó một số chỉ tiêu quan trong phải được quan tâm đó

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG

o0o BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH BF4518 Công nghệ sản xuất cồn từ bột sắn

Họ và tên

MSSV

: :

Nguyễn Khánh Linh 20210530

Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Chính Nghĩa

Hà Nội, 12 – 2024

BÀI 1 GIỚI THIỆU QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN TỪ BỘT SẮN VÀ

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NGUYÊN LIỆU

Hình 1 Quy trình công nghệ sản xuất cồn etylic từ bột sắn

Để sản xuất ra bất kỳ sản phẩm thực phẩm nào thì việc kiểm tra nguyên liệu sử dụng có vai trò hết sức quan trọng, bởi nó quyết định các công đoạn sản xuất ra sản phẩm đó cũng như ảnh hưởng tới chất lượng của sản phẩm cuối cùng

Trong công nghệ sản xuất cồn etylic từ nguyên liệu sắn lát thì việc đánh giá chất lượng nguyên liệu ban đầu là không thể thiếu, trong đó một số chỉ tiêu quan trong phải được quan tâm

đó là: độ ẩm, hàm lượng tinh bột, …

Quá trình hồ hóa tinh bột làm tinh bột trương nở cực đại và tạo điều kiện cho Enzym dễ tiếp cận cơ chất, xúc tác phân giải tinh bột tạo nhiều đường là cơ chất cho sự sinh trưởng và phát triển của nấm men, phát triển sinh khối và sinh các sản phẩm phụ khác

Các enzym thường được sử dụng là:

- α-amylase: cắt tinh bột thành dextrin, đường đôi

- glucoamylase: cắt dextrin, tinh bột thành glucose

Môi trường lên men lỏng thích hợp cho sự di chuyển của enzym để tiếp xúc với cơ chất và sinh cồn do CO2 được tạo ra sẽ tích tụ và bao quanh các hạt cơ chất, sau khi vỡ bóng CO2 thì nấm men sẽ văng sang cơ chất khác và làm tăng khả năng tiếp xúc với cơ chất của nấm men

Trong quá trình dịch hóa nếu bổ sung enzym giảm nhớt cắt màng bao quanh tinh bột như β-glucanase và cellulose thì enzym sẽ tác dụng với cơ chất tốt hơn

đường sót cuối cùngnồng độ cồn, Xác định

trình lên men Lấy mẫu kiểm tra quá

ẤT ĐỊNH HIỆU SU KiỂM TRA THÀNH PHẨM, XÁC

MEN

ẠT HÓA NẤM

HO

nảy chồi, sống chết

Xác định mật độ, tỷ lệ

THỜI LÊN MEN ĐỒNG ĐƯỜNG HÓA VÀ

ENZYME

HỒ HÓA tinh bột, độ ẩm

I Xác định hàm lượng tinh bột

1 Nguyên tắc:

Đây là phương pháp được áp dụng nhiều nhất trong các nhà máy rượu ở nước ta Phương pháp này chỉ chính xác khi xác định hàm lượng tinh bột trong dung dịch tinh khiết, còn đối với bột thô thì kết quả nhận được thường cao hơn so với thực tế Vì trong điều kiện thuỷ phân sẽ có một phần pentozan và hemixenluloza bị thủy phân thành đường pentoza, nhưng đường này lại không thể chuyển hóa thành rượu bởi nấm men khi lên men Do đó trên thực tế đáng lẽ phải trừ bớt lượng pentoza có trong dịch thuỷ phân, nhưng các nhà máy của ta chưa làm điều này Một phần do xác định đường pentoza mất khá nhiều thời gian (4 – 5 giờ) Mặt khác do nhiều người chưa hiểu đúng, chưa quan tâm đúng mức đến công tác phân tích tinh bột

Thuỷ phân tinh bột thành đường trong dung dịch HCl 2% ở điều kiện đun sôi trong bình cách thuỷ trong thời gian 2 giờ Dịch đã thuỷ phân được làm nguội và trung hoà bằng NaOH với chỉ thị methyl da cam Hàm lượng đường trong dung dịch được xác định theo các phương pháp xác định như Betran, Lain-Aynol, Graxianop…

2 Dụng cụ:

- Bình định mức dung tích 100, 250 ml

- Bình tam giác dung tích 250ml

- Cốc thuỷ tinh 100, 250 ml

- Phễu thuỷ tinh

- ống đong dung tích 100 ml

- ống sinh hàn khí

- Nồi cách thuỷ

- Bếp điện

- Cân phân tích có độ chính xác 0,001 g

- Nhiệt kế đo được đến 100oC

3 Hoá chất

- Axit clohydric đặc

- Dung dịch hydroxyt natri 10%

- Metyl da cam 1%

4 Tiến hành

Cân khoảng 2 gam bột rồi chuyển toàn bộ vào bình tam giác hoặc bình cầu có dung tích 250

ml Tiếp theo cho thêm 100 ml HCl 2% (100 ml nước cất cộng 6 ml HCl 35%), đậy nút cao su và nối với ống sinh hàn khí Lắc nhẹ rồi đặt nồi vào đun cách thuỷ, đun tới sôi và cho sôi khoảng 2 giờ Mức nước ở nồi cách thuỷ phải luôn cao hơn mức nước trong bình thuỷ phân, phải chuẩn bị nước sôi để bổ sung vào Sau 2 giờ thuỷ phân, toàn bộ lượng tinh bột đã chuyển hoá thành glucoza, làm nguội đến nhiệt độ phòng rồi thêm 4 - 5 giọt metyl da cam, dùng NaOH 20% để trung hoà axit tới đổi màu Chú ý chỉ trung hoà khi đã làm nguội đến 300C, vì ở nhiệt độ cao và kiềm cục bộ thì

glucoza sẽ bị phân huỷ làm kết quả kém chính xác Trung hoà xong ta chuyển toàn bộ dung dịch vào bình định mức 250 ml, tráng bình rồi thêm nước cất tới ngấn bình và đem lọc Dịch đường thu được có thể xác định theo phương pháp Graxianop

5 Kết quả

Hàm lượng tinh bột trong nguyên liệu TB (%) được tính theo công thức sau:

b × m

Trong đó:

a = số gam glucoza tương ứng với 20 ml ferixyanua kali

b = số mililit dịch đường loãng tiêu hao khi định phân

m = số gam bột ở mẫu thí nghiệm 0,9 = hệ số chuyển glucoza thành tinh bột Chú ý: Xác định đường theo phương pháp Lain-aynon và Graxianop sẽ chính xác hơn khi dịch dùng để chuẩn chứa 0,3 - 0,5% đường

Xác định đường khử bằng phương pháp Graxianop

1 Nguyên tắc

Đường khử khi đun nóng với dung dịch kiềm cùng với ferixyanua sẽ khử ferixianua thành feroxyanua và đường khử chuyển thành axit đường Dùng metylen xanh làm chất chỉ thị sẽ mất màu xanh khi phản ứng kết thúc Phản ứng chính như sau:

T0

2 K3Fe(CN)6 + 2KOH + CH2OH(CHOH)4CHO ⎯⎯ → 2K4Fe(CN)6 + 2H2O +

COOH(CHOH)4COOH

2 Dụng cụ:

- Bình tam giác

- Pipét

- Bếp điện

3 Hoá chất

- Dung dịch ferixyanua kali 1%: 11 g K3Fe(CN)6 hoà tan trong nước cất và định mức tới 1L

- Dung dịch KOH 2,5N: cân 140 g KOH hoà tan trong 1 lít nước cất

- Dung dịch xanh metylen 0,5%

4 Tiến hành:

Xử lý dịch lên men:

Dịch lên men được lọc (hoặc đem ly tâm) để thu dịch trong, dịch trong này được đem sử dụng để xác định lượng đường khử bằng phương pháp graxianop

Phân tích đường khử

Dùng pipet lấy đúng 20 ml dung dịch ferixyanua kali 1% cho vào bình tam giác 250 ml, thêm vào đó 5 ml dung dịch KOH 2,5N và 3 - 4 giọt xanh metylen(nếu nồng độ dịch đường thấp hơn 0,25% thì lấy 10ml ferixyanua kali và 2,5 ml dung dịch KOH) Lắc nhẹ và đặt trên bếp điện hoặc bếp ga, đun sao cho sau 1 - 2 phút thì sôi Tiếp đó dùng dung dịch đường loãng để chuẩn tới mất màu của xanh metylen Chú ý màu của hỗn hợp phản ứng sẽ thay đổi từ xanh sang phớt hồng và cuối cùng là vàng da cam thì kết thúc Nếu để nguội màu của hỗn hợp sẽ trở lại tím hồng do bị oxy hoá

Khi trong hỗn hợp phản ứng còn ferixyanua thì khi nhỏ dịch đường vào, đường sẽ khử ferixyanua kali, khi vừa hết ferixyanua thì ngay lập tức 1 giọt đường dư sẽ khử và làm mất màu của xanh metylen- chất chỉ thị của phản ứng

5 Kết quả

Hàm lượng đường trong dịch đường pha loãng tính theo công thức:

§ = a x ×100 g/100 ml

Trong đó: a: số gam glucoza tương ứng với 20 ml ferixyanua kali

X: số gam glucose tinh khiết được sử dụng

Muốn xác định chỉ số a của 20 ml (hoặc 10 ml ) ferixyanua kali ta phải chuẩn bị dung dịch glucoza tinh khiết Cân 0,5 g glucoza tinh khiết đã sấy đến khối lượng không đổi, hoà tan trong nước cất rồi cho vào bình định mức 100ml, tráng sạch bằng nước cất rồi thêm đến ngấn bình Cân chính xác và thao tác cẩn thận ta sẽ có dung dịch glucoza chuẩn chứa 5 mg/ml

Muốn xác định xem 20 ml ferixyanua kali tương ứng với bao nhiêu mg glucoza, ta làm thí nghiệm như trên nhưng dung dịch chuẩn là dung dịch glucoza đã biết trước nồng độ

Giả sử 20 ml ferixianua 1% cộng với 5 ml KOH 2,5 N cộng 3 - 4 giọt xanh metylen khi đun sôi và chuẩn hết 5ml dung dịch glucoza 0,5 g/100ml Như vậy 20 ml feixyanua 1% tương đương với 5 x 5 mg = 25 mg hay 0,025 g

Hàm lượng đường xác định được trong dịch pha loãng

Số ml dung dịch đường tinh khiết dùng để chuẩn độ hết 20ml fericyanua kali:

Lượng glucoza tinh khiết đem cân = 0,4986g

Ta có số gam glucoza tương ứng với 20 ml ferixyanua kali:

a=§× x

100 =4 5 ,5 ×0 , 4986

100 =0 ,0274 g

Số gam mẫu bột sắn lấy để làm thí nghiệm: m = 2 g

Hàm lượng tinh bột trong nguyên liệu TB (%) được tính theo công thức sau:

b × m

Thể tích dịch đường loãng

tiêu hao

Hàm lượng tinh bột trong nguyên liệu (%)

II Độ ẩm

1 Nguyên tắc:

Thông thường độ ẩm trong nguyên liệu được xác định theo phương pháp sấy nhưng chỉ cho kết quả gần đúng Vì khi sấy ở nhiệt độ cao, một số chất hữu cơ của nguyên liệu sẽ bị phân huỷ và bay hơi cùng với nước, khi đó lại có một lượng nhỏ nước liên kết không bay hơi hết Để hạn chế sai

số người ta chỉ sấy ở 100 - 1050C và kéo dài 3 - 4 giờ Đôi khi muốn rút ngắn thời gian sấy người ta thực hiện ở 1300C trong 40 phút

2 Dụng cụ:

- Tủ sấy điều chỉnh nhiệt độ 105 - 1500C

- Cân phân tích có độ chính xác 0,001 g

- Hộp cân

- Bình hút ẩm

3 Tiến hành: - Cân khoảng 5 gam bột đã nghiền nhỏ trong hộp nhôm đã biết trọng lượng

Mở nắp và đặt hộp nhôm vào tủ sấy có nhiệt độ 1050C, sau 3 giờ sấy đậy nắp và làm nguội trong bình hút ẩm, sau đó cân lại, ghi số cân Sấy tiếp 30 - 60 phút Sau đó đem làm nguội và cân lại lần 2 Nếu sai số giữa hai lần không quá 0,001 gam thì xem như quá trình tách nước kết thúc

4 Kết quả

Độ ẩm của nguyên liệu (%) được tính theo công thức :

W (% m/m) = m1−m2

m1 ×100

Trong đó:

m1 = khối lượng mẫu trước khi sấy, g

m2 = khối lượng mẫu sau khi sấy, g

Kết quả:

Khối lượng cốc sấy + Cốc 1: 25,4247 g

+ Cốc 2: 25,5561 g

Độ ẩm của nguyên liệu:

W1=4,9943−4 , 4326

4,9943 = 11,25 (%m/m)

W1=4,9964−4 , 4079

4,9964 = 11,78 (%m/m)

 Độ ẩm trung bình của nguyên liệu là W = 11,52 %m/m

Bài 2: CHUẨN BỊ DỊCH ĐƯỜNG LÊN MEN VÀ TIẾN HÀNH LÊN MEN

Nguyên liệu bột sắn được nấu và dịch hóa dưới tác dụng của enzym dịch hóa, tinh bột sẽ được chuyển thành các dextrin, từ đó sử dụng cho quá trình đường hóa và lên men đồng thời dưới tác dụng của enzym đường hóa và nấm men Cung cấp nito (từ ure) vào dịch đường hóa và điều chỉnh pH

Enzym dịch hóa bao gồm: α-amylase, β-glucanase, xylanase, cellulase

Enzym đường hóa: glucoamylase

Các enzym thường được sử dụng là:

- α-amylase: cắt tinh bột thành dextrin, đường đôi

- glucoamylase: cắt dextrin, tinh bột thành glucose

- β-glucanase, xylanase, cellulase: giảm nhớt cắt màng bao quanh tinh bột thì enzym sẽ tác dụng với cơ chất tốt hơn

Các sản phẩm đường khử tạo thành sẽ là cơ chất giúp nấm men sinh trưởng và phát triển Sau khi thu được dịch lên men có thể chưng cất để thu được cồn 96° (điểm đẳng phí)

Bổ sung zeolit tăng hút ẩm để tạo cồn sinh học có độ cồn cao hơn cồn từ sắn

Cồn từ sắn hiệu suất thấp hơn do có sinh ra độc tố axit cyanhydrit

Sử dụng phương pháp lên men đường hóa đồng thời vì:

- Đường hóa riêng sẽ:

+ Làm tốn nước làm mát dịch hóa + Tăng nguy cơ nhiễm tạp khi hạ nhiệt độ đường hóa để đi vào lên men (phải bổ sung chất sát khuẩn)

+ Đường hóa xong sẽ tạo quá nhiều sản phẩm đường, khi bổ sung nấm men sẽ gây hiện tượng tăng áp suất thẩm thấu gây stress làm nấm men giảm hiệu suất lên men

- Đường hóa lên men đồng thời:

+ Giảm nhiễm tạp do không phải đổi thiết bị, tank + Giảm thiết bị

+ Giảm năng lượng, nước sử dụng để làm mát + Giảm stress cho nấm men do đường tạo ra bao nhiêu nấm men tiêu thụ hết bấy nhiêu

Chuẩn bị dụng cụ

- Cốc thủy tinh 1000 ml/cốc nhôm loại nhỏ

- Bể điều nhiệt

- Đũa khuấy (hoặc cánh khuấy)

- Micropipet

- Cân

- pH mét

Chuẩn bị hóa chất

- Enzyme dịch hóa (Spezyme XTRA và Optimash TBG nên pha loãng 100 lần)

- Enzyme đường hóa (Distillase ASP pha loãng 100 lần)

- Iot

- H3PO4

Tiến hành dịch hóa:

- Cân 150 gram bột sắn vào 500 ml nước cất, sử dụng đũa thủy tinh đảo trộn

- Bổ sung spezyme XTRA 0.1 ml/kg nguyên liệu, Optimash TBG 0.2 ml/kg nguyên liệu ( bổ sung 0,15 ml enzym spezyme XTRA pha loãng 10 lần và 0,3ml Optimash TBG pha loãng 10 lần)

- Tiến hành nâng nhiệt lên 70oC trong bể ổn nhiệt, có khuấy liên tục, giữ ở nhiệt độ này trong thời gian 60 phút

Tiến hành đường hóa và lên men đồng thời:

- Làm nguội dịch xuống 60 oC bằng nước mát Bổ sung enzyme đường hóa Distillase ASP (1ml/kg NL) (0,15ml Distillase ASP pha loãng 10 lần)

- Làm nguội dịch xuống nhiệt độ 30oC bằng sử dụng nước làm mát bên ngoài

- Điều chỉnh pH 4,5 bằng dung dịch H3PO4 10% (kiểm tra bằng giấy quỳ hoặc máy đo pH)

- Bổ sung Ure 0.4 g/L dịch (0,26g) và KH2PO4 0,9g/L dịch (0,59g)

- Bổ sung nấm men sử dụng dịch hoạt hóa sao cho mật độ tế bào nấm men khoảng 10 triệu

tế bào/ml dịch lên men để được vi sinh vật tổng số là 10 triệu tế bào /ml -> cung cấp khoảng 0,325g nấm men

- Lấy mẫu dịch lên men khoảng 10 ml để xác định các chỉ tiêu như nồng độ chất khô (đo bằng chiết quang kế), pH (dùng giấy quỳ hoặc máy đo pH), độ chua (bằng phương pháp chuẩn độ)

- Tiến hành giữ dịch lên men ở nhiệt độ 30oC trong thời gian 72 h , định kỳ sau 24h một lần lấy 10 ml dịch lên men để xác định các chỉ tiêu trên

- Lập đồ thị biểu diễn sự biến thiên các chỉ tiêu trên theo thời gian lên men

Nguyên liệu

Cách tính: cần bổ sung spezyme XTRA 0.1 ml/kg nguyên liệu

Sử dụng 150g bột sắn => cần bổ sung 0,1 x 0,15 = 0,015ml

Để dễ hút bằng pipett, bổ sung 0,15ml enzym pha loãng 10 lần

Làm tương tự với các nguyên liệu khác ta được:

lượng (g)

Độ pha loãng

spezyme XTRA 0,1 ml/kg nguyên

liệu

Distillase ASP 0,1 ml/kg nguyên

liệu

Optimash TBG 0,2 ml/kg nguyên

liệu

ml

0,325g

Sử dụng nấm men etanol red với 20 tỉ tế bào/g

Sự thay đổi nồng độ chất khô theo thời gian:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 0

5 10 15

20 16

11

6

0

Sự thay đổi nồng độ chất khô dịch

lên men theo thời gian

Nồng độ chất khô (Bx)

Thời gian (giờ)

 Nồng độ chất khô giảm rất nhanh trong 24 giờ đầu tiên, sau đó giảm dần theo thời gian do nấm men đã sử dụng tinh bột để sản xuất cồn và 24 giờ đầu là giai đoạn sinh trưởng và phát triển tốt nhất của nấm men Khả năng lên men và sử dụng cơ chất của nấm men tốt

Bài 3: KIỂM TRA CÁC CHỈ TIÊU SAU QUÁ TRÌNH LÊN MEN

1.Xác định đường sót, tinh bột sót

1.1 Nguyên tắc

Sử dụng axit thuỷ phân tinh bột và các đường phức thành các đường đơn giản, sau đó xác định đường khử bằng phương pháp Graxianop

1.2 Dụng cụ:

- Bình tam giác 250ml, bình định mức 250 ml

- ống đong

- ống sinh hàn khí

- Giấy lọc, phễu

- Pipet, buret

1.3 Hoá chất

- HCl đậm đặc (hoặc 25%)

- Giấy quì (hoặc phenol phtalein)

- NaOH 10%

- K3Fe(CN)6 1%

- Metylen xanh

- KOH 2,5N

1.4 Tiến hành: - Lấy 50 ml giấm chín cho vào bình tam giác 250 ml, thêm vào đó 50 ml nước cất

và 6 ml HCl đậm đặc (hoặc 10 ml HCl 25%), nối bình với ống sinh hàn khí dài ít nhất 50 cm Mặt khác lấy 50 ml dịch lọc giấm chín rồi cho vào một bình khác, cũng thêm nước và axit như mẫu giấm chưa lọc Sau khi nối ống sinh hàn khí, đặt cả hai bình tam giác vào nồi cách thuỷ và đun sôi 2 giờ Tiếp đó làm nguội tới nhiệt độ phòng rồi trung hoà bằng NaOH 20% tới khi màu của giấy quì chuyển sang xanh lơ Chuyển toàn bộ dịch vào hai bình định mức

250 ml rồi thêm nước tới ngấn bình, đem lọc qua giấy vào hai bình khô khác nhau

- Dịch lọc của hai bình dùng để xác định đường theo phương pháp Graxianop

1.5 Kết quả

Tùy theo phương pháp xác định đường khử mà ta có cách tính toán kết quả khác

nhau Nếu xác định đường theo phương pháp ferixianua ta có:

x (g/100ml) = a

m ×100

Trong đó a- số gam glucoza tương ứng với 20 ml ferixianua

kali m- số ml dịch lên men ở mẫu thí nghiệm

2 Số ml giấm chín chưa lọc ở mẫu thí nghiệm m = 50

250× b

3 Số ml giấm chín lọc ở mẫu thí nghiệm m = 25050 × b0

b và b0 - Số ml dịch đường loãng tiêu hao khi định phân ở mẫu giấm chín chưa

1.6 Kết quả

1.7 Tính toán

b =7 ,2ml ;b0=47 ,5 ml; a= § × x

100 =4 ,7 × 0 ,5

100 =0 ,0 274 g

Tổng tinh bột và đường sót là:

0 , 0274 ×250 ×100

7 ,2×50 = 1,903 g/100ml Lượng đường sót trong giấm chín đã lọc:

0 , 0274 ×250 ×100

47 ,5 ×50 =¿0,288 g/100ml Hàm lượng tinh bột còn lại: (1,903-0,288) × 0,9 = 1,4535 g/100ml

2 Xác định nồng độ chất khô của dịch lên men : đo bằng chiết quang kế cầm tay

3 Độ chua của giấm chín

3.1 Nguyên tắc

Độ chua của giấm cho biết mức độ nhiễm tạp khuẩn trong quá trình lên men và có thể biểu diễn theo 2 cách:

- Biểu diễn theo số gam axit H2SO4 chứa trong 1 lít giấm như các nhà máy rượu của ta vẫn làm

- Biểu diễn theo độ: Một độ chua là số ml NaOH có nồng độ 1N cần thiết để trung hoà axit

tự do chứa trong 20 ml giấm Nếu số ml NaOH qui về 1N là bằng 1, ta nói giấm chín có

độ chua bằng 1 độ Một độ chua tương đương 2,45 g H2SO4/lít

3.2 Dụng cụ :

- Bình tam giác

- Cốc

- Pipet

- Buret

3.3 Hoá chất:

- NaOH 0,1N

- Phenolphtalein 0,5%

3.4 Tiến hành: Lấy 20 ml dung dịch lọc của giấm chín hoặc dịch lên men cho vào bình tam giác 250 ml chứa sẵn 50 ml nước cất trung tính Tiếp theo dùng dung dịch NaOH 0,1N để chuẩn đến xuất hiện màu hồng nhạt với chỉ thị là phenolphtalein hoặc màu chuyển từ hồng nhạt sang màu xanh nếu chỉ thị là giấy quì

3.5 Kết quả:

Độ chua của giấm chín (độ) được tính theo công thức: