ĐỒ ÁN THIẾT KẾ BÌNH PHẢN ỨNG SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ TINH BỘT SẮN

Bio–ethanol hay còngọi là cồn sinh học, một dạng nhiên liệu được sản xuất bằng con đường sinh học, chủ yếubằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuy

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: LẬP LUẬN KINH TẾ- KỸ THUẬT 8

1.1 Tình hình phát triển của nhiên liệu sinh học 8

1.1.1 Vài nét về lịch sử sử dụng nhiên liệu ethanol sinh học 8

1.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu ethanol hiện nay trên thế giới 8

1.1.2.1 Tình hình sản xuất 8

1.1.2.2 Tình hình sử dụng ethanol trên thế giới 9

1.1.3 Tình hình sản xuất và khả năng sử dụng ethanol nhiên liệu ở nước ta 9

1.2 lợi ích và hạn chế của việc sử dụng ethanol sinh học 11

1.2.1 lợi ích 11

1.2.2 Hạn chế khi sử dụng nhiên liệu ethanol 12

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 13

2.1.Tổng quan về tinh bột, tinh bột sắn 13

2.1.1.Tổng quan về tinh bột 13

2.1.1.1.Đặc điểm của tinh bột 13

2.1.1.2.Hình dạng, kích thước hạt tinh bột 14

2.1.2 Tổng quan về tinh bột sắn 15

2.1.2.1.Đặc điểm sinh học của cây sắn 15

2.2 Giá trị sử dụng, giá trị dinh dưỡng của tinh bột sắn 18

2.2.1 Giá trị sử dụng 18

2.2.2 Giá trị dinh dưỡng 19

2.3 Giới thiệu về nấm men 19

2.3.1 Đặc tính chung của nấm men 19

2.3.2 Chọn chủng nấm men 19

2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của nấm men chủng rase XII 20

2.3.4 Môi trường nuôi cấy nấm men 21

CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ VÀ THUYẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 22

3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 22

3.2 Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ 23

3.2.1 Làm sạch 23

3.2.1.1 Mục đích 23

3.2.1.2 Tiến hành làm sạch 23

3.2.2 Nghiền nguyên liệu 23

3.2.2.1 Mục đích 23

3.2.2.2 Các phương pháp nghiền 23

3.2.2.3 Hoạt động của máy nghiền búa 24

3.2.3 Nấu 24

3.2.3.1 Mục đích 24

3.2.3.2 Những biến đổi lý hóa xảy ra trong khi nấu nguyên liệu 25

3.2.3.3 Các phương pháp nấu 25

3.2.4 Đường hóa 26

3.2.4.1 Mục đích 26

3.2.4.2 Tiến hành 27

3.2.5 Lên men 27

3.2.5.1 Mục đích 27

3.2.5.2 Tiến hành 27

3.2.6 Chưng cất và tinh chế 29

3.2.6.1 Mục đích 29

3.2.6.2 Tiến hành 30

CHƯƠNG 4: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT- NHIỆT LƯỢNG 32

4.1.Tính toán cân bằng vật chất 32

4.1.1 Công đoạn làm sạch 33

4.1.2 Công đoạn nghiền 33

4.1.3 Công đoạn nấu sơ bộ 34

4.1.4 Công đoạn phun dịch hóa 35

4.1.5 Công đoạn nấu chín 35

4.1.6 Công đoạn tách hơi 36

4.1.7 Công đoạn làm nguội 37

4.1.8 Công đoạn đường hóa 37

4.1.9 Công đoạn làm lạnh 39

4.1.11 Công đoạn đưa vào bình phản ứng 41

4.2 Tính nhiệt lượng 46

4.2.1 Tính nhiệt cho nồi nấu sơ bộ 46

4.2.1.1 Lượng nhiệt dùng để đun nóng khối nấu từ 40oC đến 85oC 46

4.2.1.2 Lượng nhiệt dùng để giữ khối nấu ở 85oC trong 15 phút 46

4.2.1.3 Lượng nhiệt đun nóng vỏ thép của nồi 46

4.2.1.4 Lượng nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh 47

4.2.1.5 Lượng nhiệt làm bốc hơi nước khi nâng nhiệt 47

4.2.2 Tính nhiệt cho thiết bị phun dịch hóa 48

4.2.2.1 Lượng nhiệt làm đun nóng dịch cháo từ 85oC đến 94oC 48

4.2.2.2 Lượng nhiệt tổn thất ra môi trường 48

4.2.3 Tính nhiệt cho nồi nấu chín 49

4.2.3.1 Lượng nhiệt đun nóng khối nấu từ 94oC đến 105oC 49

4.2.3.2 Lượng nhiệt giữ khối nấu ở 105oC 49

4.2.3.3 Lượng nhiệt đun nóng vỏ thép của nồi 50

4.2.3.4 Lượng nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh 50

4.2.3.5 Lượng nhiệt làm bốc hơi nước 51

CHƯƠNG 5 : TÍNH VÀ CHỌN THIẾT BỊ 53

5.1 Các thiết bị sản xuất chính 53

5.1.1 Sàng làm sạch 53

5.1.2 Máy nghiền 53

5.1.3 Cân định lượng 53

5.1.4 Thùng hòa trộn 54

5.1.5 Nồi nấu sơ bộ 55

5.1.6 Nồi nấu chín 56

5.1.7 Thùng đường hóa 57

5.1.8 Tank nhân giống cấp 2 58

5.1.9 Tank nhân giống cấp 1 59

5.1.10 Tank lên men 60

5.1.11 Bình phản ứng 61

CHƯƠNG 6: AN TOÀN LAO ĐỘNG – VỆ SINH CÔNG NGHIỆP 63

6.1 An toàn lao động 63

6.1.1 Những nguyên nhân gây ra tai nạn 63

6.1.2 Những biện pháp hạn chế tai nạn lao động 63

6.1.3 Những yêu cầu cụ thể về an toàn lao động 63

6.1.3.1 Chiếu sáng và đảm bảo ánh sáng khi làm việc 63

6.1.3.2 Thông gió 64

6.1.3.3 An toàn về điện 64

6.1.3.4 An toàn sử dụng thiết bị 64

6.1.3.5 Phòng chống cháy nổ 64

6.1.3.6 An toàn về hoá chất 64

6.1.3.7 Chống sét 64

6.2 Vệ sinh công nghiệp 64

6.2.1 Vệ sinh cá nhân của công nhân 65

6.2.2 Vệ sinh máy móc thiết bị 65

6.2.3 Vệ sinh xí nghiệp 65

6.2.4 Xử lí phế liệu trong quá trình sản xuất 65

6.2.5 Xử lí nước thải 65

6.2.6 Xử lí nước dùng cho sản xuất 65

KẾT LUẬN 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU Trang

Hình ảnh

Hình 2.1 Cấu tạo của mạch amylose……… 13

Hình 2.1 Cấu tạo của mạch amylopectin……….14

Hình 2.3 Thân cây sắn và cấu tạo của thân sắn……….15

Hình 2.4 Lá sắn và cấu tạo của lá sắn……….16

Hình 2.5 Củ sắn và cấu tạo của củ sắn………17

Hình 2.6 Hình ảnh nấm men Saccharomyces cerevisiae……… 20

Hình 3.1 Cấu tạo của sàng rung ……….23

Hình 3.2 Máy nghiền búa ……… 24

Hình 3.3 Sơ đồ lên men liên tục ………28

Hình 3.4 Sơ đồ ba tháp chưng gián tiếp một dòng……….30

Hình 5.1 Sàng rung.……….53

Hình 5.2 Máy nghiền búa ……… 53

Hình 5.3 Cân định lượng ……… 53

Hình 5.4 Nồi nấu sơ bộ ………55

Hình 5.5 Nồi nấu chín.………56

Hình 5.6 Nồi đường hóa ………57

Hình 5.7 Tank lên men.……… 60

 Bảng biểu. Bảng 2.1 Bảng tổng hợp thành các chất có trong 100g tinh bột sắn……… 18

Bảng 4.1 Bảng hao hụt và tổn thất qua các công đoạn.……… 32

Bảng 4.2 Bảng độ ẩm và hàm lượng tinh bột trong nguyên liệu ……… 32

Bảng 4.3 Bảng cân bằng nhiệt lượng ứng với 100kg giấm chín ………42

Bảng 4.4 Bảng tổng hợp cân bằng vật chất ………44

Bảng 4.5 Bảng tổng hợp cân bằng nhiệt lượng ……… 52

Bảng 5.1 Các thông số kỹ thuật của các thiết bị ………62

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

D: Đường kính của thiết bị

H: Chiều cao thiết bị

V: Thể tích thiết bị

m: Khối lượng nguyên liệu

C%: Nồng độ % các chất trong nguyên liệu

Q: Nhiệt lượng

C: Nhiệt rung riêng

P: Áp suất

T: Thời gian lên men, thời gian nấu nguyên liệu

F: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

LỜI NÓI ĐẦU

Đã từ rất lâu, dầu mỏ luôn giữ một vai trò quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế củamỗi quốc gia Hơn 90% lượng dầu mỏ khai thác được phục vụ cho nhu cầu năng lượng nhưxăng nhiên liệu, nhiên liệu phản lực, diesel, nhiên liệu đốt lò… Có thể nói dầu mỏ là nền tảngcủa sự tăng trưởng và phát triển kinh tế của bất kì một quốc gia nào.Trong những năm gầnđây, với sự leo thang của giá xăng dầu gây nhiều tác động tiêu cực đến nền kinh tế thế giới

Vì vậy việc tìm kiếm những nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo để thay thế một phầnxăng dầu trở thành một vấn đề cấp thiết và được nhiều quốc gia quan tâm Một trong nhữnghướng đi hiệu quả là sử dụng ethanol để pha vào xăng vừa làm tăng chỉ số octane, vừa làmgiảm ô nhiễm môi trường nên xăng pha cồn ngày càng trở nên phổ biến trên toàn thế giới.Ngày nay thế giới đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng về năng lượng Theo dự báo củacác nhà khoa học trên thế giới, nguồn năng lượng hóa thạch sẽ cạn kiệt trong vòng 40 – 50năm nữa Để đảm bảo an ninh năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và khí nhà kính,góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp, các nghiên cứu về sản xuất các nhiênliệuthay thế, trong đó có nhiên liệu sinh học đang được phát triển mạnh mẽ Bio–ethanol hay còngọi là cồn sinh học, một dạng nhiên liệu được sản xuất bằng con đường sinh học, chủ yếubằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóathành đường đơn Ngoài ra, ethanol sinh học còn được sản xuất từ cây cỏ có chứa hợp chất từcellulose (celluloic ethanol)

Việt nam là một nước nông nghiệp nên nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol là rất phongphú và đa dạng Ở nước ta sở hữu hai đồng bằng rộng lớn là đồng bằng Sông Hồng và đồngbằng Sông Cửu Long Đây là vùng sản xuất nguyên liệu lí tưởng, là tiền đề cho sự ra đời củanhà máy sản xuất ethanol từ tinh bột và cellulose (tinh bột sắn, gạo, rơm rạ…).Với những cấpthiết của việc phát triển nguồn nguyên liệu sinh học, cũng như nhu cầu sử dụng nguồn nguyên

liệu sinh học hiện nay Từ những cơ sở đó, em được giao đề tài “ Thiết kế bình phản ứng sản xuất ethanol sinh học từ tinh bột sắn, năng suất 1 tấn tinh bột/ngày”.

CHƯƠNG 1: LẬP LUẬN KINH TẾ- KỸ THUẬT 1.1 Tình hình phát triển của nhiên liệu sinh học.

1.1.1 Vài nét về lịch sử sử dụng nhiên liệu ethanol sinh học

Trong thời gian đầu khi ethanol được sản xuất thì chủ yếu dùng trong y tế, trong mỹphẩm, dùng làm dung môi và sau này nó được biết đến như nguồn nhiên liệu sử dụng chođộng cơ đốt trong và được sử dụng phổ biến ở nhiều nước như Anh, Pháp, Mĩ, Canada,Brazil… Ethanol là cấu tử phối trộn trong xăng để làm tăng trị số octane của xăng và giúptránh hiện tượng cháy nổ của nhiên liệu Trước đây, để tăng chỉ số octane, người ta thườngdùng Tetra etyl chì nhưng hiện nay nó đã bị cấm sử dụng vì chì rất độc, gây tổn thương cho

hệ thần kinh trung ương, gây ô nhiễm môi trường Nghiên cứu cho chúng ta thấy dùngnhóm phụ gia là hợp chất hữu cơ chứa oxy như: methanol, ethanol… Khi pha vào xăng sẽlàm tăng chỉ số octane của xăng, làm xăng cháy tốt hơn, giảm phát thải các khí gây ô nhiễm.Mặt khác, công nghệ sản xuất cũng không phức tạp, giá thành tương đối rẻ, thị trường dễchấp nhận

Ngày nay có thể thấy ethanol sinh học hoàn toàn có khả năng dùng làm nhiên liệu chođộng cơ đốt trong, thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch Ethanol được dùng 2 dạng cụ thểsau:

- Ethanol được pha vào xăng với tỉ lệ nhỏ hơn 15% Với tỉ lệ này thì không cần thay đổi hayhiệu chỉnh gì động cơ xăng Tuổi thọ, độ bền của động cơ không hề thay đổi

- Ethanol là nhiên liệu thay thế hoàn toàn cho xăng dùng cho những động cơ đốt trong có cảitiến về mặt kỹ thuật của một số động cơ.[1]

1.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu ethanol hiện nay trên thế giới

1.1.2.1 Tình hình sản xuất.

Hiện nay ethanol được sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau, đi từ các nguồnnguyên liệu khác nhau và khá là phong phú Trong đó phải kể đến một số công nghệ sản xuấtphổ biến sau

• Công nghệ sản xuất ethanol tổng hợp: ethanol được tổng hợp bằng phương pháp hoá học,thời gian sản xuất nhanh

• Công nghệ tổng hợp ethanol hóa dầu bằng phương pháp hydrat hóa hoặc cacbonyl hoá

- Hydrat hoá sử dụng đối với khí etylen:

CH2=CH2 + H2O → C2H5OH

- Cacbonyl hóa sử dụng đối với methanol:

CH3OH + CO + 2H2 → C2H5OH + H2O

Công nghệ sản xuất ethanol sinh học: Công nghệ này dựa trên quá trình lên men các nguồnhydratcacbon có trong tự nhiên như: tinh bột gạo, ngô, sắn, nước ép quả, nước thải men bia,mùn cưa, gỗ

(C6H10O5)n + n H2O → nC6H12O6 + 2C2H5OH + 2CO2 + Q

1.1.2.2 Tình hình sử dụng ethanol trên thế giới.

Hiện nay, tình hình sử dụng ethanol trên thế giới đang có nhu cầu tăng nhanh và phát triển rấtmạnh mẽ, tiêu biểu ở một số quốc gia

•Ở Brazil: Sản lượng tiêu thụ ethanol đạt tới 14-15 triệu tấn/năm và đứng đầu thế giới

• Tại Mỹ: Hình thành vành đai nông nghiệp gồm nhiều ban chuyên sản xuất ngô, làm nhiêuliệu cho hơn 50 nhà máy sản xuất ethanol sinh học với sản lượng tiêu thụ 13 triệu tấn/năm

• Ở Các nước như: Canada, Mexico, Pháp, Thụy Điển, Úc, Nam Phi, Trung Quốc đều đã

có từng bước phát triển công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học mạnh mẽ, chủ yếu là nhiênliệu hóa thạch pha ethanol sinh học

• Tại Đông Nam Á, Thái Lan là nước đứng đầu về sản xuất và sử dụng ethanol làm nhiênliệu, khoảng 1,5-1,6 triệu tấn/năm.[2]

1.1.3 Tình hình sản xuất và khả năng sử dụng ethanol nhiên liệu ở nước ta

Ở nước ta, công nghệ sản xuất ethanol sinh học còn rất đơn giản và lạc hậu Ngành sảnxuất ethanol sinh học mà nguồn nguyên liệu chủ yếu đi từ tinh bột (sắn, ngô, khoai…) và từ

rỉ đường Chưa có nhiều các nhà máy sản xuất ethanol đi từ các nguồn nguyên liệu chứacellulose (rơm rạ, mùn cưa, cây cỏ…) Sản phẩm chủ yếu là ethanol thực phẩm (nồng độ40% đến 45%) và cồn công nghiệp (nồng độ từ 95,57% đến 96%), một lượng nhỏ được làmkhan thành ethanol tuyệt đối (nồng độ 99,5%)

Ngày 09/03/2007 Petrosetco (thuộc PetroVietnam) ký kết thỏa thuận hợp tác thành lập liêndoanh xây dựng nhà máy sản xuất ethanol sinh học đầu tiên tại Việt Nam với tập đoàn Itochucủa Nhật Bản Toàn bộ sản phẩm của nhà máy là cồn 99,8% sẽ cung ứng cho thị trường trongnước để pha vào xăng, phục vụ cho các hoạt động công nghiệp và giao thông vận tải Vớicông suất 100 triệu lít ethanol/năm, liên doanh giữa Petrosetco & Itochu mới đáp ứng được1/7 nhu cầu hiện tại

Trong tương lai Petrovietnam sẽ xây dựng ít nhất 6 nhà máy nữa với nguồn nguyên liệuđầu vào không chỉ là sắn lát mà còn từ mật rỉ, ngô và gạo Có thể nói việc ra đời liên doanhgiữa Petrosetco & Itochu trong dự án này là bước ngoặc quan trọng mở đường cho sự pháttriển của xăng pha cồn nói riêng và nhiên liệu sinh học nói chung ở Việt Nam Không lâu sau

lễ ký liên doanh giữa Petrosetco & Itochu, Việt Nam đã có thêm một nhà máy sản xuấtethanol khan nữa.[3]

Ngày 12/04/2007 vừa qua, công ty Đồng Xanh hợp tác với UBNN tỉnh Quảng Nam tiếnhành khởi công xây dựng nhà máy sản xuất ethanol 99,5% tại Đại Tân- Đại Lộc- Quảng Nam

Mẻ cồn đầu tiên của Công ty cổ phần Đồng Xanh (Quảng Nam) đạt 120.000 lit/ngày đã ra lòvào tháng 10/2009, góp phần đưa tổng sản lượng cồn của Việt Nam trong năm này đạt 50triệu lit/năm [4]

Ngày 20/11/2007, Thủ Tướng Chính Phủ đã chính thức phê duyệt “Đề án phát triển nhiênliệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”, trong đó đưa ra mục tiêu đến 2010 sảnxuất 100.000 tấn xăng E5/năm và 50.000 tấn B5/năm, đảm bảo 0,4% nhu cầu nhiên liệu cảnước và đến năm 2025 sẽ có sản lượng hai loại sản phẩm này đủ đáp ứng 5% nhu cầu thịtrường nội địa Đề án cũng đưa ra 6 giải pháp quan trọng nhằm phát triển năng lượng sinh học

và kiến lập thị trường để đưa ngành này từng bước hội nhập với thế giới

Để thực hiện chiến lược này, PetroVietNam dự kiến từ 2011 đến 2015 sẽ đưa 3 nhà máyethanol sinh học ở Quảng Ngãi, Phú Thọ, Bình Phước vào hoạt động với tổng công suất230.000 tấn/năm và từ sản phẩm này sẽ pha thành nhiên liệu E5-E10, đáp ứng khoảng 20%tổng nhu cầu tiêu thụ xăng sinh học cả nước Từ năm 2008 đến nay Việt Nam đã có 4 dự ánsản xuất ethanol sinh học từ sắn lát hoặc rỉ đường để trộn với xăng thành gasohol Tuy nhiêngiá cồn trên thị trường trong nước đã tăng từ 5000 đồng/lit năm 2001 lên 13.000 đồng/lit năm

2010, cao hơn giá bán trong khu vực Sở dĩ có thực trạng này vì quy mô sản xuất nhỏ, côngnghệ còn lạc hậu, chưa sử dụng nhiều loại nguyên liệu khác rẻ hơn, chưa tận dụng các phụphẩm để hạ giá thành sản phẩm.[5]

1.2 Lợi ích và hạn chế của việc sử dụng ethanol sinh học.

1.2.1 Lợi ích.

Sử dụng ethanol làm nhiên liệu không chỉ là một biện pháp hiệu quả nhằm làm tăng chỉ sốoctane của xăng, thay thế cho những phụ gia khác gây ô nhiễm môi trường sinh thái, mà cònđảm bảo an toàn năng lượng cho mỗi quốc gia vì đây là nguồn năng lượng có khả năng táitạo được

• Lợi ích về kinh tế:

Sản xuất ethanol làm nhiên liệu góp phần thúc đẩy nền nông nghiệp phát triển vì ethanolđược sản xuất theo dây chuyền công nghệ sinh học, nguyên liệu sản xuất ethanol là tinh bộtcủa các loại củ hạt như: sắn, khoai, ngô, lúa, gạo, trái cây… Đây là nguồn nguyên liệu dồidào trong tự nhiên, tạo ra nhiều công ăn việc làm cho nhiều lao động ở nông thôn, giải quyếtđược lượng lương thực cũng như các phụ phẩm nông nghiệp bị tồn đọng và đặc biệt khuyếnkhích được tinh thần lao động sản xuất của người dân

Ngoài ra việc sử dụng nhiên liệu sinh học nói chung cũng như ethanol nói riêng giúp chocác quốc gia chủ động trong chính sách năng lượng của mình Nước nào càng có nhiều xăngsinh học thì càng ít phụ thuộc vào nước khác và từ đó có thể phát triển nền kinh tế của mìnhmột cách bền vững

• Lợi ích về môi trường:

Việc dùng ethanol làm nhiên liệu có tác dụng ngăn cản, giảm thiểu hiện tượng hiệu ứng

nhà kính Vì vậy nó được mệnh danh là “xăng xanh” của xã hội hiện đại Theo các tính toáncho thấy: nếu thay thế việc đốt một lít xăng bằng một lít ethanol thì sẽ giảm 40% lượng phátsinh khí CO2 vào khí quyển, giúp môi trường được xanh, sạch hơn Khi đốt ethanol sự cháyxảy ra hoàn toàn hơn so với khi đốt xăng Ta thường thấy trong các động cơ xăng thườngxuất hiện các bụi bẩn chính là do các hydrocacbon cháy không hết Điều đó phải tốn thờigian lau chùi, sửa chữa động cơ Khi pha ethanol vào xăng làm cho xăng cháy hoàn toàngiảm phát thải các khí gây ô nhiễm môi trường Hơn nữa, ethanol được sản xuất từ sản phẩmnông nghiệp vì vậy sẽ góp phần kích thích sự phát triển nông nghiệp, làm tăng diện tích đấttrồng cây.[6]

1.2.2 Hạn chế khi sử dụng nhiên liệu ethanol.

Hạn chế cơ bản của ethanol nhiên liệu là tính hút nước của nó Ethanol có khả năng hút

ẩm và hoà tan vô hạn trong nước Do đó ethanol phải được lưu trữ và bảo quản trong hệthống bồn chứa đặt biệt

Về hiện tượng gây ô nhiễm: Tuy làm giảm hàm lượng các chất gây ô nhiễm thoát rangoài môi trường như HC, CO Nhưng trong quá trình hoạt động lại gây ra một số hợp phầnkhác là các andelhyt không có lợi cho môi trường

Do nhiệt trị của ethanol nói riêng (PCIethanol =26,8 MJ/kg) và các loại ancol khác nóichung đều thấp hơn so với xăng (PCIxăng =42,5 MJ/kg) nên khi dùng ethanol để pha trộnvào xăng sẽ làm giảm công suất động cơ so với khi dùng xăng Tuy nhiên sự giảm công suấtnày là không đáng kể nếu ta pha với số lượng ít Tóm lại, việc sử dụng ethanol có nhiều ưuđiểm nhưng cũng có những mặt hạn chế Tuy nhiên khi phân tích tương quan giữa các mặtlợi và hại người ta vẫn thấy mặt lợi lớn hơn, mang ý nghĩa chiến lược hơn.[7]

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 2.1.Tổng quan về tinh bột, tinh bột sắn.

2.1.1.Tổng quan về tinh bột.

2.1.1.1.Đặc điểm của tinh bột

• Tinh bột là một polysacrit màu trắng, thường tồn tại ở trạng thái rắn, không tan trong nước

ở nhiệt độ thường Tan được trong nước nóng tạo thành dung dịch keo Thường tập trungchủ yếu trong hạt, củ, thân cây và lá cây

• Tinh bột có công thức hóa học là: (C6H10O5)n Là một polysacarit carbohydrates chứa hỗnhợp amyloza và amylopectin

a) Amyloza.

- Amyloza là polime có mạch không phân nhánh, phân tử khối khoảng 3x105- 106 đvC

- Trong amyloza các gốc glucoza gắn với nhau bằng liên kiết 1-4

- Amyloza có mạch dài, liên kiết với nhau rất chặt chẽ nên khó bị phá vỡ và trương ra

Hình 2.1 Cấu tạo của mạch amylose b)Amylopectin.

- Amylopectin cũng là polime nhưng có mạch phân nhánh, phân tử khối khoảng 5x104- 106đvC

- Trong amylopectin các gốc glucoza gắn với nhau bằng liên kết 1-4 và liên kết 1-6

- Amylopectin có cấu tạo mạch nhánh ngắn nên lực tương tác giữa các phân tử rất yếu, do

đó độ bền vững trong phân tử yếu

Hình 2.2 Cấu tạo của mạch amylopectin

• Tinh bột có nguồn gốc từ các loại cây khác nhau có tính chất vật lí và thành phần hóa họckhác nhau Chúng đều là các polymercarbohydrat phức tạp của glucose công thức phân tử

là (C6H12O6) Tinh bột được thực vật tạo ra trong tự nhiên trong các quả, củ và các loại hạtngũ cốc Tinh bột cùng với protein và chất béo là một thành phần quan trọng bậc nhất trongchế độ dinh dưỡng của loài người cũng như nhiều loài động vật khác Ngoài sử dụng làmthực phẩm ra, tinh bột còn được dùng trong công nghiệp sản xuất giấy, rượu, băng bóxương Tinh bột được tách ra từ hạt như lúa, ngô, lúa mì, từ rễ và củ như: sắn, khoai tây,dong là những loại tinh bột chính dùng trong công nghiệp sản xuất

2.1.1.2.Hình dạng, kích thước hạt tinh bột.

a)Hình dạng, kích thước.

Tinh bột tồn tại trong cây và các loại củ dưới dạng hạt với hình dạng và kích thước khácnhau.Tùy theo loài cây và tùy theo độ trưởng thành của cây mà hình dáng và kích thước thay

đổi, về hình dáng thì có thể có dạng hình cầu, hình trứng, hình nhiều góc…Kích thước củahạt tinh bột có thể từ 1-100µm.

b) Các loại hạt tinh bột hay gặp.

- Hạt hình trứng hay hình thận

Tinh bột khoai tây chế từ củ cây khoai tây Solanum tuberosumL, thuộc họ Cà

-Solanaceae Hạt tinh bột hình trứng, kích thước trung bình 50µm nhưng có hạt lớn đến 100µm

Tinh bột đậu, chế từ hạt của nhiều loại đậu - Phaseolus spp, họ Đậu - Fabaceae Hạt hình

trứng hay hình thận, kích thước trung bình 35µm

- Hạt hình đĩa hay hình thấu kính : Tinh bột mì chế từ hạt của cây lúa mì - Triticum

vulgareL, họ Lúa - Poaceae, kích thước hạt lớn đến 30µm, hạt bé 6-7µm Tùy theo vị trí

nhìn mà thấy hình tròn hoặc hình thấu kính lồi 2 mặt.

- Hạt hình nhiều góc.

+ Tinh bột gạo chế từ hạt cây lúa - Oriza sativaL, họ Lúa - Poaceae Hạt nhiều góc nhỏ,

kích thước từ 4-6µm, thường được kết thành đám

+ Tinh bột ngô ( bắp), chế từ hạt cây ngô - Zea maysL, họ Lúa - Poaceae Hạt nhiều góc,

rốn hạt ở giữa rất rõ, kích thước 15-30µm

2.1.2 Tổng quan về tinh bột sắn.

2.1.2.1 Đặc điểm sinh học của cây sắn.

a) Thân: Thuộc loại cây gỗ có chiều cao trung bình 1,5m, có khi cao 2 - 3m, giữa thân có lõi

trắng và xốp nên rất yếu Đường kính ở gốc thân biến động từ 2-6cm Thân có thể phân nhánhhoặc không phân nhánh tuỳ vào giống

Hình 2.3 Thân cây sắn và cấu tạo của thân sắn

• Các giống sắn khác nhau thì thân sắn có màu sắc khác nhau Thông thường thân non cómàu xanh hoặc có màu đỏ tía, thân càng già màu sắc thân cũng biến đổi thành màu vàngtro hay xám lục

• Trên thân sắn có nhiều mắt xếp xen kẽ nhau, đó là dấu vết của lá rụng để lại Chiều dàilóng được tính từ mắt lá này đến mắt lá khác thẳng hàng trên thân

 Cấu tạo của thân gồm các phần chính:

- Tầng biểu bì (lớp bần): Mỏng, có màu sắc đặc trưng của thân cây sắn, có nhiệm vụ bảo vệcác phần trong thân

- Tầng nhu mô vỏ: Tế bào khá lớn, bao gồm các mô mềm của vỏ

- Tầng tế bào hóa gỗ (còn gọi là tầng ligin): Cứng, ở giữa có lõi thẳng giúp cây sắn cứng vàđứng thẳng được

- Lõi (ruột rỗng):Là một khối hình trụ màu trắng, xốp, kéo dọc suốt giữa thân, chứa nhiềukhí và nước

b) Lá: Thuộc loại lá phân thuỳ sâu, có gân lá nổi rõ ở mặt sau, thuộc loại lá đơn mọc xen kẽ

xếp trên thân theo chiều xoắn ốc Cuống lá dài từ 9 - 20cm có màu xanh, tím hoặc xanhđiểm tím

d) Quả: Là loại quả nang, có màu nâu nhạt đến đỏ tía, có hình lục giác, chia thành ba ngăn

mỗi ngăn có một hạt, khi chín, quả tự khai

e) Rễ: mọc từ mắt và mô sẹo của gốc, lúc đầu mọc ngang sau đó cắm sâu xuống đất Theo

thời gian chúng phình to ra và tích lũy bột phát triển thành củ

f) Củ: Củ sắn có hai đầu nhọn, chiều dài biến động từ 25-200cm trung bình khoảng từ 40-50

cm Đường kính củ thay đổi từ 2-25cm, trung bình 5-7cm Nhìn chung, kích thước cũng nhưtrọng lượng củ thay đổi theo giống, điều kiện canh tác và độ màu mỡ của đất

Hình 2.5 Củ sắn và cấu tạo của củ sắn

 Cấu tạo của củ sắn bao gồm:

• Vỏ gồm vỏ gỗ và vỏ cùi:

- Vỏ gỗ: Bao bọc ngoài cùng củ sắn Màu sắc từ trắng xám tới vàng, vàng sẫm hay nâu tùy

thuộc loại giống Thành phần cấu tạo chủ yếu là cenlullose và hemicenlullose, hầu nhưkhông có tinh bột vì vậy nó rất bền, giữ vai trò bảo vệ cho củ ít bị tác động từ bên ngoài Vỏ

gỗ rất mỏng, chiếm khoảng 0,5 - 3% khối lượng toàn củ

- Vỏ cùi: Vỏ cùi dày hơn vỏ gỗ, chiếm khoảng 8-20% khối lượng toàn củ Vỏ cùi mềm,

ngoài cenlullose còn có khá nhiều tinh bột (5-8%), vì vậy để tận dụng lượng bột này khi chếbiến không tách vỏ cùi ra Mủ sắn cũng tập trung chủ yếu trong vỏ cùi Trong mủ chứa nhiềutanin, enzyme, sắc tố, độc tố

• Lõi sắn: Lõi sắn nằm ở trung tâm củ, dọc suốt chiều dài của củ Thành phần chủ yếu là

cenlulose Lõi sắn có chức năng dẫn nước và các chất dinh dưỡng giữa cây và củ, đồng thờigiúp thoát nước khi sấy hoặc phơi khô

• Thịt củ: Thịt củ sắn chứa nhiều tinh bột, protein và các chất khác Đây là phần dự trữ chủ

yếu các chất dinh dưỡng của củ Các chất polyphenol, độc tố và enzyme chứa ở thịt củ tuykhông nhiều chỉ 10-15% so với thành phần của chúng có trong củ nhưng vẫn gây trở ngạikhi chế biến như làm biến màu

2.1.2.2 Thành phần hóa học của tinh bột sắn.

- Tinh bột là thành phần quan trọng của củ sắn, nó quyết định đến giá trị sử dụng của củasắn Hạt tinh bột sắn có dạng hình cầu, hình trứng hoặc hình mũ Có đường kính 35micormet Ngoài ra trong tinh bột sắn còn chứa các chất khác như: Chất đạm, muối khoáng,lipit, chất xơ và một số vitamin nhóm B như B1, B2.

B 2(mg)0,02

2.2 Giá trị sử dụng, giá trị dinh dưỡng của tinh bột sắn.

2.2.1 Giá trị sử dụng.

Trước hết, tinh bột sắn được chế biến từ củ sắn (khoai mì) có khả năng thay thế trực tiếpmột phần khẩu phần gạo sử dụng hàng ngày Là thực phẩm dễ ăn, dễ chế biến, khả năng bảoquản cũng tương đối ổn định nếu được chế biến thành bột hay những thành phẩm sơ chếkhác như khoai mì lát, miếng khoai mì…Với nhu cầu của công nghệ, khoai mì là nguồnnguyên liệu trong các ngành kỹ nghệ nhẹ, sản xuất giấy, sản xuất đường hay men thực vật đểchuyển hoá tinh bột trong khoai mì thành đường mạch nha hay glucoza Trong sản xuất rượu

và cồn đều có thể sử dụng khoai mì làm nguyên liệu chính Ngoài ra đây còn là nguồn thức

ăn tốt để cung cấp cho việc chăn nuôi gia súc

2.2.2 Giá trị dinh dưỡng.

Khoai mì và tinh bột chế biến từ khoai mì có giá trị dinh dưỡng cao như khoai tây, khoaimôn, khoai lang…Hàm lượng protein trong khoai mì tương đối thấp, thành phần chủ yếuchứa nhiều cacbonhydrat là nguồn cung cấp nhiều năng lượng cho cơ thể Nó còn là mộtnguồn tốt để cung cấp Kali và chất xơ Chất xơ giúp ngừa táo bón, làm giảm hàm lượngCholesterol trong máu, ngăn ngừa những bệnh về tim mạch Các chất chứa trong khoai mìgiúp duy trì quá trình cân bằng hàm lượng nước trong máu Vì khoai mì chứa ít protein vàchất béo nên khi dùng khoai mì trong khẩu phần ăn ta nên bổ sung thêm các loại thực phẩmgiàu protein và lipit để khẩu phần được cân đối hơn

2.3 Giới thiệu về nấm men.

2.3.1 Đặc tính chung của nấm men.

Nấm men là tên chung để chỉ nhóm nấm thường cấu tạo đơn bào, sinh sôi nảy nở bằngcách nảy chồi Nấm men sống đơn độc hay từng đám không di động, phân bố rộng rãi trong

tự nhiên

Trong thực tế sản xuất có thể nhận biết được tế bào nấm men trẻ, trưởng thành, già và chếtbằng hình thái vật lý qua kính hiển vi kết hợp với nhuộm màu Nấm men sử dụng trong thùnglên men lúc tế bào đang thời kì trưởng thành Trong một môi trường thường gồm tất cả các

loại tế bào, nên phương pháp nhanh và tương đối chính xác là nhuộm màu bằng phương phápxanh metylen Tế bào trẻ không bắt màu trong sáng, tế bào già màu xanh nhạt đều từ nguyênsinh chất đến màng tế bào, tế bào chết bắt màu xanh đậm và màng tế bào rõ nét hơn.

2.3.2 Chọn chủng nấm men.

Khi chọn một chủng nấm men đưa vào sản xuất phải có những tính chất cơ bản sau:

- Tốc độ phát triển nhanh

- Lên men được nhiều loại đường khác nhau và đạt được tốc độ lên men nhanh

- Chịu được nồng độ lên men cao, đồng thời ít bị ức chế bởi những sản phẩm của sự lên men

- Thích nghi với những điều kiện không thuận lợi của môi trường Đăc biệt là đối với chất sáttrùng Riêng đối với nước ta, đòi hỏi lên men được ở nhiệt độ tương đối cao (35oC)

Để có được một chủng nấm men thỏa mãn yêu cầu trên, thường trải qua thời gian tuyểnchọn, thuần hóa, đột biến, lai ghép…lâu dài, phức tạp Đến nay, trong sản xuất rượu, cồn lênmen từ dịch đường hóa tinh bột, thường sử dụng một trong các chủng sau:

- Nấm men chủng II (Saccharomyces cerevisiae Rase II): Sinh bọt nhiều và thích nghi ở độ

axit thấp, sức kháng cồn cao, không lên men được đường lactoza Kích thước tế bào 5,6 7µm

- Nấm men chủng XII (Saccharomyces cerevisiae Rase XII): Phân lập ở Đức năm 1902, tốc

độ phát triển nhanh và ít sinh bọt, sau 24h một tế bào có thể phát triển thêm 56 tế bào mới.Lên men ở nhiệt độ cao và lên men được nhiều loại đường, có thể lên men đạt 13% rượutrong môi trường Nấm men Rase XII thuộc loại lên men nổi, được phân bố rất đều trongtoàn bộ dịch lên men, không tạo thành đám trắng Kích thước tế bào 5 - 8µm

Hình 2.6 Hình ảnh nấm men Saccharomyces cerevisiae

2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của nấm men chủng rase XII.

- Nhiệt độ: Nấm men chủng XII phát triển tốt nhất ở nhiệt độ 30 – 33oC Nhiệt độ tối đa

38oC, tối thiểu 5oC

- pH: Nấm men có thể phát triển trong môi trương có pH = 2 – 8, nhưng thích hợp nhất là

4,5 - 5 Vi khuẩn bắt đầu phát triên ở pH = 4,2 và cao hơn, khi pH < 4,2 chỉ có nấm men pháttriển Vì vậy trong lên men rượu để ngăn ngừa hiện tượng nhiễm khuẩn, người ta thực hiệntrong giới hạn pH = 3,8 – 4 Tuy nhiên các loài vi khuẩn cũng quen dần với pH thấp, nên cònkết hợp sử dụng các chất sát trùng

- Nồng độ rượu: Thường trong dịch nấm men có chừng 4 – 6% rượu Nồng độ rượu sinh ra

có ảnh hưởng đến tốc độ và khả năng phát triển của nấm men Nồng độ rượu ảnh hưởng đếntốc độ phát triển riêng của nấm men còn phụ thuộc vào thời gian, số lượng tế bào và nguyênliệu chuẩn bị môi trường nuôi cấy

- Sự thông khí và đảo trộn: Sự thông không khí tức là cung cấp oxy cho quá trình hô hấp

của nấm men Việc thông khí và đảo trộn có tác dụng làm cho môi trường luôn ở trạng tháiđộng, tăng cường sự tiếp xúc giữa các tế bào nấm men với môi trường dinh dưỡng, do đó rútngắn được thời gian nuôi cấy Thiếu không khí tức là trong điều kiện yếm khí, làm cho nấmmen thực hiện quá trình lên men, nồng độ rượu trong môi trường tăng lên nhanh chóng, làmkìm hãm sự phát triển của nấm men

2.3.4 Môi trường nuôi cấy nấm men.

• Giai đoạn phòng thí nghiệm:

Môi trường nuôi cấy ở giai đoạn 10 ml, 100 ml thường dùng là nước đường hóa của malt.Nước malt chuẩn bị như sau: Gạo tẻ đem nấu cháo đặc, rồi làm nguội xuống 55 – 58oC Sau

đó cho đường hóa bằng malt đã nghiền nhỏ với tỉ lệ 15 - 20% so với gạo Giữ nhiệt độ đườnghóa 55-57oC trong 4-6 giờ, thử khả năng thủy phân Nâng nhiệt độ 95 - 1000C, sát trùng vàlọc nhanh Dịch đường được phân phối vào ống nghiệm 10ml, bình tam giác 250ml, bình cầu900ml Nút bông bình và đem tiệt trùng ở áp suất 1 kg/cm2, trong thời gian 30 phút

Môi trường 10 lít, có thể lấy dịch trực tiếp ở thùng đường hóa trong sản xuất và bổ sungthêm nấm mốc (5 - 7%) để đảm bảo nồng độ cho nấm men phát triển, sau đó đem lọc, tiệttrùng, làm nguội về nhiệt độ 35 - 360C và tiếp men giống từ thùng 100 lít.

• Nhân giống trong sản xuất:

Nhân giống đến đủ số lượng 10% dịch đường lên men Môi trường nhân giống thườngđược lấy trực tiếp từ thùng đường hóa nhưng cần đường hóa thêm để đảm bảo hàm lượngđường cho nấm men phát triển

CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ VÀ THUYẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ.

Nghiền

Nấu sơ bộ

Đường hóa

Làm nguội (To=30-32oC)Enzyme spirit

3.2 Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ.

3.2.1 Làm sạch.

3.2.1.1 Mục đích.

Quá trình làm sạch để tách các tạp chất đất, đá có kích thước nhỏ và các kim loại có trongnguyên liệu Quá trình này đảm bảo cho nguyên liệu được sạch, không lẫn tạp chất, thuận lợicho quá trình nghiền, tránh hư hỏng thiết bị và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

Chưng cất, tinh chế

Cồn công nghiệp

Tách nướcCồn khan(ethanol)

Hình 3.1 Sàng rung

Hình 3.1 Sàng rung 3.2.2 Nghiền nguyên liệu

3.2.2.1 Mục đích.

Nhằm phá vỡ cấu trúc thực vật của củ sắn, tạo điều kiện giải phóng các hạt tinh bột khỏicác mô, làm tăng bề mặt tiếp xúc của tinh bột với nước, giúp cho quá trình trương nở, hòa tantốt hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình dịch hóa, hồ hóa

sắn với nhau Búa được lắp trên đĩa treo búa (4) gắn trên trục quay (5), các búa được treocách đều nhau Sắn lát sau khi được nghiền đạt kích thước yêu cầu lọt qua lưới (3) ra ngoài

và được đưa vào phễu chứa nhờ gàu tải, với những phần nghiền chưa đạt yêu cầu nằm trênlưới và tiếp tục được búa nghiền cho đến khi có kích thước đủ nhỏ lọt lưới ra ngoài Sau khinghiền kích thước của bột sắn khoảng 1,5 mm

3.2.3 Nấu

3.2.3.1 Mục đích.

Mục đích của quá trình nấu là nhằm phá vỡ màng tế bào dự trữ tinh bột trong nội nhũ củahạt hay trong phần thịt củ, để phân tán các mạch tinh bột tự do trong nước, tạo điều kiệnthuận lợi cho hệ emzym amylaza dễ dàng tác dụng khi đường hóa, biến tinh bột thànhđường lên men càng triệt để càng tốt

3.2.3.2 Những biến đổi lý hóa xảy ra trong khi nấu nguyên liệu.

a) Sự trương nở và hòa tan tinh bột.

Trong quá trình nấu, do tác động đồng thời của nước và nhiệt độ mà hạt tinh bột hút nướcrất nhanh, tinh bột sau khi hút nước sẽ trương nở, tăng thể tích và khối lượng Tinh bột đượcgiải phóng ra môi trường thành tinh bột tự do và thu được hồ tinh bột Nhiệt độ ứng với độnhớt cực đại gọi là nhiệt độ hồ hóa

b) Sự biến đổi cenluloza và Hemicenluloza.

Trong quá trình nấu trong môi trường axit nhẹ, cenluloza không bị thủy phânHemicenluloza được tạo thành bởi các gốc đường pentoza (C5) một phần có thể bị thủy phân

Sự thủy phân này bắt đầu xảy ra khi nấu nguyên liệu và chuẩn bị hỗn hợp (dưới tác dụng củamen xitaza) và tiếp tục xảy ra trong quá trình nấu (dưới tác động của ion H+) tạo ra dextrincác hợp chất cao phân tử (rất ít), và đường pentoza (xyloza, arabinoza)

c) Sự biến đổi của đường, tinh bột và một số chất khác.

Sự biến đổi của tinh bột và đường có ý nghĩa rất quan trọng trong sản xuất rượu Khi nấu,một phần tinh bột bị thủy phân dưới tác động của enzyme amylaza thành dextrin và đườngmaltoza.

Đường glucoza, frutoza, saccaroza là đường chủ yếu có sẵn trong nguyên liệu, còn đườngmaltoza được tạo thành trong quá trình nấu Dưới tác dụng của nhiệt độ cao đường sẽ bị thủyphân tạo thành melanoidin, các sản phẩm caramen hóa…Gây sẫm màu và giảm chất lượngkhối nấu Protit và chất béo hầu như không bị thay đổi trong quá trình nấu

3.2.3.3 Các phương pháp nấu.

a) Nấu gián đoạn.

Đặc điểm của phương pháp này là toàn bộ quá trình nấu được thực hiện trong một nồi.Phương pháp này có ưu điểm là tốn ít vật liệu chế tạo thiết bị, thao tác đơn giản, nhưng cónhược điểm là tốn hơi vì không sử dụng được hơi thứ, nấu lâu ở áp suất và nhiệt độ cao nêngây tổn thất đường nhiều

b) Nấu bán liên tục.

Đặc điểm của phương pháp là nấu được tiến hành trong ba nồi khác nhau và chia thànhnấu sơ bộ, nấu chín và nấu chín thêm Phương pháp có ưu điểm là giảm được thời gian nấu,

áp suất, nhiệt độ do đó giảm được tổn thất và tăng hiệu suất đến 7 lít cồn/tấn tinh bột Nhờ

sử dụng hơi thứ vào nấu sơ bộ nên tiết kiệm 15 - 30% lượng hơi dùng cho nấu Nhược điểmcủa phương pháp này là tốn nhiều kim loại để chế tạo thiết bị

giảm được tổn thất đường do cháy Nhờ đó hiệu suất rượu tăng 5 lít so với nấu bán liên tục

và 12 lít/tấn tinh bột so với nấu gián đoạn

- Năng suất riêng của 1m3 thiết bị tăng 7 lần.Tiêu hao kim loại để chế tạo thiết bị giảm 50%

so với bán liên tục

- Dễ cơ khí hóa và tự động hóa

- Tốn ít diện tích đặt thiết bị

- Tuy nấu liên tục có nhiều ưu điểm nhưng đòi hỏi các điều kiện nghiêm ngặt:

+ Nguyên liệu phải nghiền thật nhỏ, bột nằm trên mặt rây có đường kính d=3mm không vượt

quá 10% Bột lọt qua rây có đường kính d=1mm lớn hơn 40%

+ Việc cung cấp điện nước yêu cầu phải ổn định.

3.2.4 Đường hóa

3.2.4.1 Mục đích

Dùng enzym amylaza chuyển hóa tinh bột phân tán trong dịch hồ hóa trong quá trình nấuthành đường lên men được, quyết định hiệu suất lên men, khâu này là khâu then chốt trongsản xuất cồn Muốn đạt hiệu quả cao trong quá trình thủy phân tinh bột thì vấn đề quantrọng trước tiên là chọn tác nhân đường hóa

3.2.4.2 Tiến hành.

Quá trình đường hoá dịch cháo nấu có thể thực hiện gián đoạn hay liên tục

- Ta chọn phương pháp đường hóa liên tục tác nhân đường hóa enzyme amylaza

- Dịch cháo từ nồi nấu theo ống dẫn cháo vào thiết bị làm nguội ống lồng ống Ở đây dịchcháo đi trong ống còn nước làm nguội đi bên ngoài ống thực hiện quá trình trao đổi nhiệtlàm cho nhiệt độ của dịch cháo giảm xuống to=60-620C Sau đó dịch cháo liên tục đưa vàothùng đường hóa Quá trình đường hóa có bổ sung dịch enzyme Spirit và H2SO4 nhờ bộphận phân phối

- Thời gian đường hóa kéo dài khoảng 30 phút, sau đó dịch đường được làm lạnh đến nhiệt

độ lên men Quá trình làm lạnh dịch đường đến nhiệt độ lên men cũng được thực hiệntrong thiết bị làm nguội ống lồng ống Sau khi đường hoá và làm nguội xong thì 10% dịch

đường được đưa sang phân xưởng nhân giống nấm men, 90% còn lại được đưa vào thùnglên men.

3.2.5 Lên men

3.2.5.1 Mục đích

Quá trình lên men chính là quá trình chuyển hoá các chất đường và dextrin thấp phân tửtrong dịch lên men thành C2H5OH, CO2 và một số chất hữu cơ khác nhờ hoạt động của nấmmen Đồng thời lên men còn tạo các sản phẩm phụ như este, axit hữu cơ, rượu bậc cao,aldehit, glyxerin… hoà tan vào dịch lên men

3.2.5.2 Tiến hành

• Chuẩn bị giống:

- Từ ống gốc đến 10L thường thực hiện trong phòng thí nghiệm

- Môi trường nuôi cấy ở 10mL, 100mL: Môi trường nuôi cấy ở giai đoạn này thường dùngmalt đại mạch

-Từ 10L thực hiện trong phân xưởng sản xuất

• Thao tác thực hiện:

- Men giống được nuôi cấy ở môi trường thạch nghiêng Khi đã có men giống và đã chuẩn bịmôi trường xong, ta tiến hành cấy chuyền nấm men giống từ môi trường thạch nghiêng sangmôi trường dịch thể 10 ml Sau đó nuôi trong tủ ấm, duy trì nhiệt độ 28 -320C và giữ trongthời gian 20-24 giờ

- Sau thời gian đó thì ta chuyển nấm men từ ống nghiệm 10ml sang bình 100ml, 1000mlcũng đã chứa môi trường dinh dưỡng đã được chuẩn bị trước, thời gian nuôi cấy 12 giờ Tiếptục, chuyển sang nuối cấy ở bình 10l, sau 10-12 giờ thì chuyển sang nuôi cấy ở các thiết bịlớn hơn

• Tiến hành lên men:

Ống giống gốc ống nghiệm 10mL bình nuôi 100mL

bình cầu 1000mL

bình 10L

thùng 100L

thùng 1000L đủ lượng giống yêu

cầu

Sử dụng phương pháp lên men liên tục:

Hình 3.3 Sơ đồ lên men liên tục

Dịch cháo và dịch nấm men giống được cho vào thùng đầu gọi là thùng lên men chính,luôn chứa một lượng lớn tế bào trong 1ml dung dịch Khi đầy thùng đầu thì dịch lên men sẽchảy tiếp sang các thùng bên cạnh và cuối cùng là thùng chứa giấm chín

- Sơ đồ gồm hai thùng nhân giống nấm men cấp 1 và một thùng nhân giống nấm men cấp 2,một thùng lên men chính và có khoảng 6-8 thùng lên men tiếp theo Thùng nhân giống cấp 1được đặt trên thùng nhân giống cấp 2 để dễ dàng tự chảy Thùng nhân giống cấp 2 cũng đượcđặt cao hơn so với thùng lên men chính

- Khi bắt đầu sản xuất ta chuẩn bị nấm men giống ở hai thùng cấp 1 lệch nhau khoảng 3-4giờ Khi nấm men giống ở thùng nhân giống nấm men cấp 1 đạt yêu cầu thì tháo xuống thùngcấp 2 Thùng vừa giải phóng cần vệ sinh, thanh trùng và đổ đầy dịch đường mới Tiếp đóthanh trùng ở 75oC rồi axit hoá tới độ chua 1,8-2,4g H2SO4/l Sau đó làm lạnh đến nhiệt độnhân giống rồi cho 25-30% lượng nấm men giống ở thùng cấp 1 còn lại vào và để cho lênmen đến độ biểu kiến 5-6% Lượng nấm men giống còn lại ở thùng cấp 1 tháo hết xuống

thùng cấp 2 Sau khi vệ sinh và thanh trùng lại tiếp tục chu kỳ nhân giống khác.

- Ở thùng nhân giống nấm men cấp 2 tiếp tục cho dịch đường tới đầy và axit hoá tới độ chua1-1,25g H2SO4/l rồi để cho lên men tiếp tới độ lên men biểu kiến còn 5-6% Cho toàn bộ dịch

ở thùng cấp 2 vào thùng lên men chính rồi liên tục cho dịch đường vào Dịch lên men sẽ tiếptục chảy từ thùng lên men chính sang các thùng bên cạnh và đến thùng cuối cùng ta thu đượcgiấm chín Tổng thời gian lên men là 70-72 giờ, nhiệt độ lên men ở thùng lên men chính ( 25-

270C), hai thùng tiếp theo (27-300C), các thùng còn lại ( 27-280C)

•Ưu điểm lớn nhất của phương pháp lên men này là dùng một lượng men giống lớn ở thùnglên men chính nên lên men xảy ra nhanh, hạn chế sự tạp nhiễm

•Nhược điểm: Yêu cầu công nghệ cao, ổn định các điều kiện sản xuất như dịch đường, mengiống, kỹ thuật thao tác cao Phương pháp lên men này dễ nhiễm khuẩn hoàng loạt dẫn đếngiảm hiệu suất lên men

Hình 3.4 Sơ đồ chưng ba tháp gián tiếp một dòng

* Thuyết minh qui trình chưng cất và tinh chế:

Giấm chín được bơm lên thùng chứa giấm chín (1), sau đó tự chảy vào các bình hâm giấm(2) Ở đây giấm chín được hâm nóng bằng hơi rượu ngưng tụ đến nhiệt độ 70-80oC rồi chảyqua bình tách CO2 số (3) rồi vào tháp (4) Khí CO2 và hơi rượu bay lên được ngưng tụ ở (6)qua (7) rồi ra ngoài Tháp thô được đun bằng hơi trực tiếp, hơi rượu đi từ dưới lên, giấmchảy từ trên xuống nhờ đó quá trình chuyển khối được thực hiện, sau đó hơi rượu ra khỏitháp và được ngưng tụ ở (2) và (6) rồi qua (7) ra ngoài.Chảy xuống tới đáy nồng độ rượutrong giấm còn khoảng 0,015 - 0,03%V được thải ra ngoài gọi là bã rượu Muốn kiểm trarượu sót trong bã ta phải ngưng tụ dạng hơi cân bằng với pha lỏng Hơi ngưng tụ có nồng độ0,4-0,6% là đạt yêu cầu Nhiệt độ của tháp thô 103 – 105oC

Phần lớn rượu thô (90 - 95%) liên tục đi vào tháp aldehyt số (8) Tháp này cũng dùng hơitrực tiếp, hơi ruợu bay lên được ngưng tụ và hồi lưu đến 90%, chỉ điều chỉnh lượng nướclàm lạnh và lấy ra khoảng 3 - 5% gọi là cồn đầu Một phần rượu thô (5 - 10%) ở (6) hồi lưuvào đỉnh tháp aldehyt vì chứa nhiều tạp chất.

Sau khi tách bớt tạp chất, rượu thô từ đáy tháp aldehyt số (8) liên tục đi vào tháp tinh(11) với nồng độ 35 - 40%V Tháp tinh chế (11) cũng được cấp nhiệt bằng hơi trực tiếp (cóthể gián tiếp), hơi bay lên được nâng dần nồng độ sau đó ngưng tụ ở (12) rồi hồi lưu lạitháp Bằng cách điều chỉnh lượng nước làm lạnh ta lấy ra 1,5- 2% cồn đầu rồi cho hồi lưu

về đỉnh (8) Cồn sản phẩm lấy ra ở dạng lỏng cách đĩa hồi lưu 3 - 5 đĩa và được làm lạnh ở(13)

Nhiệt độ đáy tháp aldehyt duy trì ở nhiệt độ 78-79oC Nhiệt độ thân tháp tinh ở vị trí cáchđĩa tiếp liệu 3 - 4 đĩa về phía trên khống chế ở 82 - 830C

Sơ đồ trên được gọi là gián tiếp một dòng vì sản phẩm đi vào các tháp chỉ có một dòngchất lỏng duy nhất Còn gọi là gián tiếp vì bản thân dòng chất lỏng không chứa ẩn nhiệt bayhơi.Sơ đồ gián tiếp một dòng có ưu điểm là đễ thao tác, chất lượng cồn tốt và ổn định nhưngtốn hơi

Sau quá trình chưng cất và tinh chế, sản phẩm chúng ta thu được là cồn côngnghiệp.Trong cồn công nghiệp ngoài cồn còn chứa một lượng nước nhất định, để thu đượccồn khan (ethanol) ta phải trải qua công đoạn tách nước ra khỏi hỗn hợp

CHƯƠNG 4: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT- NHIỆT LƯỢNG 4.1.Tính toán cân bằng vật chất.

 Các thông số ban đầu.

- Năng suất: 1 tấn tinh bột/1 ngày

- Thành phần nguyên liệu: 100% sắn lát

- Nồng độ chất khô của dịch sau khi nấu: 18%, nồng độ dịch lên men: 16%

- Hiệu suất đường hoá: 98%

- Hiệu suất lên men: 98%

- Hiệu suất chưng cất tinh chế: 97%

- Hiệu suất thu hồi:

η=η dh×η lm×η cc=0,98×0,98×0,97=0,931=93 ,1%

Bảng 4.1 Bảng hao hụt và tổn thất qua các công đoạn

STT

Công đoạn Hao hụt và tổn thất

Bảng 4.2 Bảng độ ẩm và hàm lượng tinh bột trong nguyên liệu

Nguyên liệu Độ ẩm Chất khô Tinh bột

4.1.1 Công đoạn làm sạch.

Khối lượng nguyên liệu đem vào làm sạch: 1000 (kg)

Lượng nguyên liệu thu được sau làm sạch:

4.1.2 Công đoạn nghiền.

Khối lượng nguyên liệu thu được sau khi nghiền:

4.1.3 Công đoạn nấu sơ bộ

Gọi X là lượng nước tại công đoạn nấu sơ bộ mà ta cần bổ sung để sau khi nấu chínnồng độ chất khô đạt 18%

Lượng enzyme bổ sung quá trình nấu và đường hóa bằng 1% so với lượng tinh bột có trongnguyên liệu:

=125 ,73+0 ,99 X (kg)

4.1.4 Công đoạn phun dịch hóa.

Khối lượng của dịch cháo thu được sau khi phun dịch hóa:

4.1.5 Công đoạn nấu chín.

Cứ 1 kg nguyên liệu chưa hòa nước đưa vào nấu chín cần cung cấp 2 kg hơi và lượng nướcngưng tụ sau khi nấu chín bằng 50% lượng hơi cấp vào Vậy khối lượng nước ngưng tụ saukhi nấu:

m H2O ( N )=50

100×2×m2=975 , 1

(kg)Khối lượng dịch cháo sau khi nấu chín:

m5=(m4+m H

2O ( N ))×(100−1)

99100