Giáo trình công nghệ sản xuất bia rượu

Tổng quan về sản xuất rượu etylic, quy trình sản xuất bia, rượu. thiết bị cho mổi công đoạn sản xuất.Tổng quan về sản xuất rượu etylic, quy trình sản xuất bia, rượu. thiết bị cho mổi công đoạn sản xuất.Tổng quan về sản xuất rượu etylic, quy trình sản xuất bia, rượu. thiết bị cho mổi công đoạn sản xuất.

LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình công nghệ sản xuất Bia, Rượu đã được tập hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau để phục vụ chính cho đối tượng sinh viên, học sinh ngành Công nghệ chế biến thực phẩm, công nghệ sinh học và có thể là tài liệu cho các ngành học khác tham khảo. Giáo trình gồm có hai phần: Phần I: Công nghệ sản xuất rượu. Phần II: Công nghệ sản xuất bia Trong mỗi phần giới thiệu nguyên liệu, qui trình sản xuất, điều kiện công nghệ và thiết bị cho mỗi công đoạn. Mặc dù nhóm tác giả có nhiều cố gắng hoàn chỉnh giáo trình, tuy nhiên trong quá trình biên soạn chắc không thể tránh khỏi sai sót, chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để giáo trình được hoàn thiện hơn. Chân thành cám ơn. Đà Nẵng tháng 12 năm 2010 Nhóm tác giả 8 PHẦN I . CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT RƯỢU ETYLIC Chương 1. KHÁI QUÁT CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT RƯỢU 1. SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH CÔNG NGHIỆP RƯỢU Rượu là tên gọi chung để chỉ những hợp chất hữu cơ có nhóm định chức hydroxyl (OH) đính trực tiếp vào gốc alkyl (R). Rượu dùng để uống là ethanol (rượu etylic), công thức phân tử C2H6O, công thức cấu tạo: CH3-CH2-OH. Thuật ngữ cồn dùng để chỉ dung dịch ethanol có nồng độ từ khoảng 50% V trở lên. Cồn dùng để pha chế đồ uống, dùng trong công nghiệp hóa chất, nhiên liệu thay thế xăng,… Loài người đã biết sản xuất ra nước uống chứa ethanol bằng phương pháp lên men các nguồn nguyên liệu chứa glucid từ rất sớm. Đến thế kỷ 12, ethanol đã được thu nhận từ sự chưng cất sản phẩm lên men quả cây. Thế kỷ 13, ethanol trở thành hàng hóa và được ứng dụng trong công nghiệp dược. Nhà máy rượu đầu tiên trên thế giới được xây dựng ở Hà Lan vào năm 1800. Ở Việt Nam, nghề nấu rượu cổ truyền đã có từ rất lâu. Ở đồng bằng, nhân dân biết nuôi cấy và phát triển nấm mốc, nấm men tự nhiên trên môi trường thích hợp (bột gạo và một số vị thuốc bắc) để lên men rượu từ các nguyên liệu chứa tinh bột đã được nấu chín. Ở miền núi, đồng bào dân tộc sản xuất rượu cần bằng cách dùng men tự nhiên có trong lá cây để lên men các loại nguyên liệu như ngô, khoai lang, sắn đã nấu chín. Sản xuất rượu theo phương pháp công nghiệp bắt đầu vào khoảng cuối thế kỷ XIX, do người Pháp nghiên cứu công nghệ và xây dựng nhà máy. Vào năm 1895, các nhà sinh học Pháp như Rouxii, Calmette, Boidin đã phân lập được một loài nấm mốc trong bánh men thuốc bắc và đặt tên là Mucor Rouxii. Phương pháp sản xuất rượu sử dụng loại nấm mốc đó gọi là phương pháp Amylomyces Rouxii, gọi tắt là phương pháp Amylo. Người Pháp đã xây dựng các nhà máy sản xuất rượu từ nguyên liệu giàu tinh bột, chủ yếu là gạo theo phương pháp đó vào năm 1898 ở Hà Nội, Sài Gòn. Sau này chúng ta đã nghiên cứu và thay thế phương pháp Amylo bằng phương pháp Mycomalt và hiện nay phổ biến dùng các chế phẩm enzyme thương phẩm trong công đoạn đường hóa. Trữ lượng các nguồn nhiên liệu hóa thạch cạn đi nhanh chóng đã làm chuyển hướng ngành công nghiệp cồn sang sản xuất cồn nhiên liệu thay vì chủ yếu phục vụ công nghiệp đồ uống trước đây. Công nghiệp cồn nhiên liệu của Brazin, Hoa kỳ, Trung Quốc, Thái lan,…hiện nay đã đạt được nhiều tiến bộ. Brazin hiện có khoảng 500 nhà máy cồn, năng suất khoảng 16 tỷ lit/năm, không chỉ nhằm phục vụ trong nước mà còn xuất khẩu, chiếm 40% thị phần cồn thương mại toàn cầu. Số lượng nhà máy cồn ở Hoa kỳ, Trung Quốc tăng nhanh. Không chỉ giới hạn ở nước mía, rỉ đường, nguyên liệu giàu bột, một số nước như Nhật Bản, Hoa kỳ,… đã khởi động các chương trình sản xuất cồn từ sinh khối thực vật (biomass). 2. ỨNG DỤNG CỦA RƯỢU ETYLIC Rượu etylic có vai trò quan trọng đối với các ngành công nghiệp, nó là nguyên liệu để sản xuất hơn 150 loại sản phẩm khác nhau. Rượu etylic được ứng dụng trong các lĩnh vực: - Công nghiệp thực phẩm. - Nhiên liệu thay chế xăng (biofuel). - Công nghiệp Dược và Y tế. - Công nghiệp sản xuất hóa chất cơ bản. 9 - Công nghiệp hóa mỹ phẩm. 3. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA RƯỢU ETYLIC 3.1. Tính chất vật lý - Tồn tại ở thể lỏng, không màu. - Nhẹ hơn nước và hòa tan vô hạn trong nước. Khi tan trong nước kèm theo hiện tượng co thể tích và tỏa nhiệt. - Dễ bay hơi. - Phân tử lượng: M = 46,03 đvc. - Nhiệt độ sôi: 78,32 0C ở áp suất 760 mmHg. - Nhiệt độ bắt lửa: 120C, nhiệt độ đóng băng: -117 0C . - Khi chưng cất ta chỉ thu được sản phẩm rượu có nồng độ là 95,57 % về khối lượng, vì tại đó hỗn hợp rượu - nước ở điểm đẳng phí; thành phần các cấu tử trong pha hơi tương tự như của pha lỏng và với phương pháp chưng cất thông thường ta không thể thu được rượu có nồng độ cao hơn 95,57 % . 3.2. Tính chất hóa học 3.2.1. Tác dụng với ôxy Tùy theo cường độ ôxy tác dụng với rượu mà tạo ra những sản phẩm khác nhau: → 2 CH3CHO + 2 H2O 2 C2H5OH + O2 (nhẹ) + O2 (đầy đủ) → CH3COOH + H2 O C2H5OH + 3O2 (mãnh liệt) → 2 CO2 + 3 H2 O C2H5OH 3.2.2. Tác dụng với kim loại kiềm, kiềm thổ Trong các phản ứng này ethanol được coi như là một acid yếu và tác dụng với kim loại kiềm, kiềm thổ tạo thành các muối alcolate. Ví dụ: 2C2H5OH + 2Na → 2C2H5ONa + H2 2C2H5OH + Ca → (C2H5O)2Ca + H2 3.2.3. Tác dụng với acid hữu cơ Sản phẩm của phản ứng này là ester thơm. Ví dụ: CH3COOH C2H5OCOCH3 C2H5OH + + H2 O 3.2.4. Tác dụng với oxyt sắt CH3CH2OH + 2 FeO + O2 → CH3CHO + Fe2O3 + H2O → CH3CHO + FeO + H2O CH3CH2OH + Fe2O3 Do phản ứng này mà chất lượng rượu bị giảm nếu như các thiết bị chưng cất, lên men hoặc bảo quản làm bằng sắt. 3.3. Tính chất sinh lý Rượu etylic có tính sát trùng mạnh vì có khả năng hút nước sinh lý của tế bào, làm khô albumin. Cường độ sát trùng tỷ lệ với nồng độ rượu, nhưng tác dụng sát trùng mạnh nhất khi nồng độ dung dịch là 70%. Vì ở nồng độ này, rượu dễ “thấm” qua màng tế bào hơn rượu cao độ. Đối với nhiều loại nấm men, nấm mốc, thì nồng độ rượu 5 – 10% đã có tác dụng ức chế sự phát triển và làm yếu sự hoạt động của nấm men, nấm mốc. 10 Rượu etylic nguyên chất có tác dụng kích thích đối với tế bào da, nhất là đối với bộ phận niêm mạc, có tác dụng rõ rệt đến sự hô hấp và tuần hoàn, hệ thần kinh. Sự kích thích này gây hưng phấn thì gọi là say rượu. Ngược lại có thể dùng rượu để kích thích hồi tỉnh khi người bị ngất hay bị yếu đột ngột. 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT RƯỢU ETYLIC 4.1. Phương pháp lên men bằng vi sinh vật Đây là phương pháp có từ lâu đời và phổ biến nhất hiện nay. Nguyên liệu dùng để sản xuất rượu theo phương pháp này phải chứa nhiều glucid. Các công đoạn chính để sản xuất rượu etylic từ phương pháp này là: - Chế biến, xử lý nguyên liệu thành dịch đường để lên men. - Lên men dịch đường nhằm biến đổi đường thành rượu nhờ nấm men. Sản phẩm thu được gọi là dấm chín. - Chưng cất, tinh chế nhằm tách rượu ra khỏi dấm chín và nâng cao nồng độ rượu để nhận được cồn tinh khiết. Hiện nay, trên thế giới có nhiều phương pháp khác nhau để chuyển hóa glucid thành đường lên men, còn giai đoạn lên men, chưng cất tinh chế thì hầu như chưa có thay đổi cơ bản về nguyên lý. Do đó tên gọi của phương pháp sản xuất rượu dựa theo tên gọi của phương pháp chuẩn bị dịch lên men. 4.1.1. Phương pháp maltase Malt là hạt hòa thảo nẩy mầm. Người ta dùng amylase có trong malt để thủy phân tinh bột thành đường để lên men. Ưu điểm: Thời gian đường hóa ngắn, chất lượng rượu tốt, thường có hương vị đặc trưng, dễ chịu, ít bị nhiễm khuẩn. Nhược điểm: Nhược điểm lớn nhất là hiệu suất đường hóa không cao vì phức hệ amylase không hoàn chỉnh, giá malt cao, tỷ lệ malt sử dụng so với nguyên liệu tương đối cao, từ 8 ÷ 20 %. Hiện nay, phương pháp này không được sử dụng. 4.1.2. Phương pháp acid Sử dụng các acid như HCl, H2SO4 để làm xúc tác thủy phân tinh bột. Đặc điểm của phương pháp này là: giai đoạn hồ hóa và đường hóa tinh bột trong nguyên liệu được tiến hành đồng thời. Ưu điểm: Không những chuyển hóa triệt để tinh bột mà còn chuyển hóa một phần cellulose và hemicellulose thành đường. Nhược điểm: - Ngoài sản phẩm chính là đường lên men được còn tạo ra nhiều đường không lên men khác. Khi đường hóa bằng acid, một số acid amin có trong nguyên liệu bị phá hủy. Sau khi đường hóa phải trung hòa acid bằng NaOH, Ca(OH)2, CaCO3,... Các sản phẩm của sự trung hòa sẽ gây trở ngại cho giai đoạn lên men và ảnh hưởng đến chất lượng rượu sau này. - Phải sử dụng thiết bị chịu acid đắt tiền. - Hiệu suất thu hồi thấp hơn so với của các phương pháp khác. - Bã rượu sản xuất theo phương pháp acid dùng chăn nuôi cũng không tốt. Ngày nay hầu như không sử dụng phương pháp pháp acid trong sản xuất rượu 11 đối với nguyên liệu giàu chất bột. 4.1.3. Phương pháp men thuốc bắc (MTB) Viên men thuốc bắc (MTB) gồm tinh bột sống có thêm những vị thuốc bắc có nấm mốc và nấm men được nuôi cấy và phát triển. Theo phương pháp MTB thì nguyên liệu chứa tinh bột (gạo) không cần phải nghiền mịn và nấu thành dạng cháo mà chỉ cần nấu chín như nấu cơm (cũng chính điều này làm hạn chế tác dụng của enzyme lên tinh bột nên hiệu suất đường hóa thấp). Gạo sau khi nấu chín được trải ra trên các nong sạch để làm nguội rồi trộn với MTB đã nghiền thành bột, tỷ lệ MTB dùng so với gạo là 1,5 – 2,5%. Sau đó, cho vào các thúng và phủ vải phía trên để ủ. Quá trình đường hóa và rượu hóa xảy ra đồng thời. Tuy nhiên trong 2 – 3 ngày đầu thì quá trình đường hóa chiếm ưu thế. Quá trình rượu hóa xảy ra mạnh hơn khi cho cơm đã ủ vào các chum, vại rồi thêm nước sạch vào ngập khối nguyên liệu (thông thường 2 – 3 lít nước sạch /1kg gạo), ủ tiếp từ 2 – 3 ngày. Trong sản xuất lớn người ta bổ sung thêm những nấm men đã được nuôi cấy thuần khiết. Sau khi ủ xong thì đem hỗn hợp đi cất rượu. Nhược điểm: Độ acid trong dịch lên men cao, dễ nhiễm tạp khuẩn, khó cơ giới hóa, hiệu suất thu hồi rượu thấp (60 – 70%). 4.1.4. Phương pháp Amylomyces – Rouxii (Mucor Rouxii) Đặc điểm phương pháp này là sử dụng nấm mốc và nấm men nuôi cấy thuần khiết và riêng biệt. Sau đó cho phát triển tiếp tục trên môi trường cần lên men giàu chất dinh dưỡng (thường là gạo) trong điều kiện vô trùng tuyệt đối, có sục khí ở những giai đoạn cần thiết để thực hiện quá trình đường hóa. Một chu kỳ sản xuất gồm các giai đoạn sau đây diễn ra tuần tự: Chuẩn bị thiết bị → Nấu chín khối nguyên liệu → Làm nguội khối nấu đạt nhiệt độ 38 – 39 0C→ Phát triển nấm mốc và thực hiện đường hóa → Thực hiện rượu hóa cho đến khi kết thúc. Tất cả các giai đoạn đó diễn ra trên cùng một thiết bị kín, vô trùng tuyệt đối. Ưu điểm: Hiệu suất thu hồi cao, dễ cơ giới hóa, tự động hóa, ít lao động thủ công. Nhược điểm: Chu kỳ sản xuất dài (8 - 10 ngày), khó bảo đảm vô trùng, đòi hỏi nguyên liệu phải giàu dinh dưỡng, khi thay đổi nguyên liệu phải thay đổi chủng nấm men, nấm mốc. 4.1.5. Phương pháp Mycomalt Mycomalt là chế phẩm thô của nấm mốc, được nuôi cấy trên bề mặt của môi trường đặc gồm cám hoặc bột ngô và trấu. Lượng chế phẩm thô dùng để đường hóa khá lớn, 10 - 12% so với khối lượng nguyên liệu. Lượng canh trường men sử dụng trong giai đoạn rượu hóa khoảng 10% thể tích dịch lên men dấn đến quá trình lên men diễn ra nhanh chóng. Ưu điểm (So với phương pháp amylo): Ít bị chua nhiễm, không đòi hỏi chế độ vô trùng nghiêm ngặt. Rút ngắn được chu kỳ sản xuất. Không kén chọn nguyên liệu. Thích hợp qui mô sản xuất công nghiệp vừa và nhỏ. Nhược điểm: Cần nhiều bột ngô, trấu để chế tạo mycomalt. Cần nhiều diện tích để nuôi cấy mốc. Thao tác vất vả, nuôi cấy giống phức tạp. Cần nhiều thiết bị đường hóa, lên men. Cần có máy lạnh để làm nguội nhanh dịch đường từ 600C xuống 300C. 4.2. Phương pháp tổng hợp hóa học 12 Nguyên liệu chính để tổng hợp rượu etylic là etylen. Hai phương pháp trong công nghiệp tổng hợp rượu etylic từ etylen là: - Thủy phân etylen bằng acid sunfuric, phương pháp này trải qua hai giai đoạn, giai đoạn đầu sunfat hóa etylen thành mono và dietylsunfat. Tiếp sau đó thủy phân chúng để nhận được rượu etylic và acid sunfuric. - Phương pháp thủy phân trực tiếp etylen, phương pháp này thực hiện bằng cách đính trực tiếp phân tử nước vào phân tử etylen trên bề mặt chất xúc tác. Câu hỏi ôn tập chương 1 Câu 1: So sánh tính chất bay hơi, nhiệt độ sôi của rượu etylic và nước tại cùng áp suất bề mặt? Câu 2: Trong quá trình chưng cất rượu ta sẽ thu được sản phẩm rượu có nồng độ bao nhiêu? Vì sao? Câu 3: Phương pháp sản xuất rượu etylic bằng lên men vi sinh vật có các công đoạn cơ bản nào? Câu 4: Chất xúc tác trong phương pháp maltase và phương pháp acid khi chuyển nguyên liệu thành dịch đường là gì? Có nhận xét gì về 2 loại chất xúc tác này? 13 Chương 2. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT RƯỢU ETYLIC 1. YÊU CẦU ĐỐI VỚI NGUYÊN LIỆU Nguyên liệu cung cấp cơ chất cho quá trình lên men: Bất kỳ loại thực vật nào có chứa glucid với hàm lượng khá lớn đều có thể dùng để cung cấp đường để lên men rượu etylic. Tuy nhiên, khi chọn một loại nào đó cần xem xét đến các yêu cầu sau: - Chứa nhiều glucid. - Trữ lượng lớn và tập trung, giá rẻ. - Bảo quản và sử dụng không quá phức tạp. - Trang thiết bị để sản xuất không quá phức tạp, chất lượng rượu sản xuất ra bảo đảm tiêu chuẩn qui định. Bên cạnh nguồn nguyên liệu cung cấp cơ chất lên men, nước là nguyên liệu được sử dụng với lượng lớn và không thể thiếu trong sản xuất rượu. 2. NGUYÊN LIỆU CHỨA NHIỀU TINH BỘT Nguyên liệu chủ yếu mà các nhà máy rượu nước ta thường dùng là sắn, sau đó là ngô và một phần gạo hoặc tấm. Củ sắn có 3 phần chính: vỏ, thịt củ và lõi; ngoài ra còn có cuống và rễ củ. Trong đó, thịt củ chiếm tỷ lệ 90 - 95% so với khối lượng củ và là phần có giá trị nhất. Thịt củ chứa nhiều tinh bột, ít protein và lipid. Thịt củ chứa ít độc tố và polyphenol hơn so với vỏ củ và lõi. Thành phần của củ sắn tươi dao động trong giới hạn khá lớn: tinh bột 20 30%, protein 0,8 – 1,2%, chất béo 0,3 – 0,4%, cellulose 1 – 3,1%, chất tro 0,54%, polyphenol 0,1 - 0,3% và nước 60 – 74,2%. Ngoài các chất kể trên, trong sắn còn có một lượng vitamin và độc tố. Vitamin trong sắn thuộc nhóm B, trong đó B1 và B2 mỗi loại chiếm 0,03 mg%, còn B6 0,06mg %. Các vitamin này sẽ bị mất một phần khi chế biến. Độc tố trong củ sắn có tên chung là phaseolunatine, gồm 2 glucoside là linamarin và lotaustralin. Hàm lượng độc tố trong củ sắn phụ thuộc vào giống, đất đai. Bản thân phaseolunatine không độc, chỉ khi nó bị thủy phân sẽ tạo ra chất HCN mới gây ngộ độc cho người.Sắn dùng trong sản xuất rượu chủ yếu là sắn lát khô. Bảng 2.1. Thành phần hóa học của một số nguyên liệu Thành phần Nước Glucid Protein Chất tro Chất béo Cellulose Sắn khô (%) 14 67,6 1,75 1,79 0,87 3,38 Gạo tẻ (%) 11 69,2 7,3 0,9 1,2 0,5 Tấm (%) 11,5 41,0 5,3 17,7 2,0 22,5 Ngô vàng (%) Ngô đá(%) 12,5 13,0 68,4 72,6 8,3 7,2 1,6 1,1 5,1 4,1 4,1 2,0 Sắn có hàm lượng tinh bột cao, lipid thấp và đặc biệt là phân tử lượng của amylopectin không lớn nên là nguyên liệu rất tốt để sản xuất rượu. Tuy nhiên, sắn có ít chất dinh dưỡng cần thiết cho nấm men nên cần phải bổ sung các chất chứa nitơ, muối khoáng trong quá trình nuôi cấy nấm men. 14 3. RỈ ĐƯỜNG 3.1. Thành phần hóa học Mật rỉ hay rỉ đường là thứ phẩm của công nghệ sản xuất đường, thường chiếm từ 3 ÷ 5% so với lượng mía đưa vào sản xuất. Tỷ lệ này phụ thuộc vào chất lượng mía và công nghệ sản xuất. Thành phần rỉ đường gồm: Đường lên men được, các hợp chất hữu cơ, các chất vô cơ. Thành phần của rỉ đường phụ thuộc vào giống mía, đất đai, điều kiện trồng trọt, phương pháp sản xuất, điều kiện bảo quản, công nghệ sản xuất, v.v...Thông thường rỉ đường có 15 ÷ 20% nước và 80 ÷ 85% chất khô. Trong các chất khô thì đường chiếm tới trên 55%, bao gồm saccharose 30 ÷ 35%, đường glucose và fructose khoảng 20 ÷ 25%, còn lại dưới 45% bao gồm chất vô cơ chiếm khoảng 15 ÷ 20%, chất hữu cơ khoảng 25 – 30%. Chất hữu cơ trong rỉ đường bao gồm chất hữu cơ có chứa N và chất hữu cơ không chứa N. Chất hữu cơ không chứa N bao gồm: Pectin và các sản phẩm phân hủy của pectin chiếm khoảng 3%, các sản phẩm phân hủy của đường như caramel, melanoidin chiếm khoảng 1,7%, các acid hữu cơ như acid formic, acid oxalic, acid lactic chiếm khoảng 2,5% so với rỉ đường. Acid aconitic chiếm phần lớn chất không đường hữu cơ, vào khoảng 5% so với lượng chất không đường hữu cơ. Chất hữu cơ có chứa N bao gồm: Các acid amin và một số protein. Tổng lượng chất hữu cơ chứa N có trong rỉ đường vào khoảng 1,68 ÷ 3,33% so với rỉ đường. Vitamin gồm nhiều loại: Thiamin, Riboflavin, acid nicotinic, acid pantothenic, acid folic, pyridoxin, biotin. Trong rỉ đường còn chứa một lượng vi sinh vật có hại, trong đó nguy hiểm nhất là vi khuẩn lactic và acetic. Mức độ nhiễm khuẩn được xác định bằng sự tăng độ chua khi mật rỉ “tự lên men”. Sự nhiễm vi sinh vật ảnh hưởng tới chất lượng rỉ đường, làm giảm hiệu suất tổng thu hồi. pH và độ đệm của mật rỉ: pH của rỉ đường phụ thuộc vào nguyên liệu sản xuất và phương pháp sản xuất. Với rỉ đường sản xuất bằng phương pháp sunfit hóa thì pH = 5,5 – 6,2. Độ đệm được biểu thị bằng thể tích dung dịch H2SO4 1N cần thiết để điều chỉnh dung dịch gồm 100 gam mật rỉ và 100 gam nước đến pH = 4,5. Độ đệm dao động từ 15 – 45. 3.2. Bảo quản rỉ đường Rỉ đường được bảo quản trong các bồn chứa hình trụ bằng thép hoặc bằng bêtông cốt thép, thể tích bình chứa được tính toán sao cho đủ sản xuất ít nhất được 3 tháng. Thông thường bồn chứa có thể tích khoảng 600 ÷ 5000 m3 . Bồn chứa rỉ đường phải đủ các thiết bị như: thiết bị báo mức rỉ đường cho bồn, thiết bị đo nhiệt độ, hệ thống ống dẫn hơi nước để gia nhiệt, ống dẫn rỉ đường giúp cho rỉ đường dể di chuyển trong trường hợp rỉ đường bị sánh lại khi trời lạnh. Ngoài ra cũng nên có hệ thống bơm đảo trộn rỉ đường trong bồn chứa để cho rỉ đường đồng nhất, bảo đảm chất lượng rỉ đường đồng đều trước khi đưa vào sản xuất. Trong quá trình bảo quản thì khối lượng rỉ đường giảm xuống, trong đó chủ yếu là sự bay hơi nước. Bình quân giảm 0,2 %/tháng. Khi hàm lượng chất khô trong rỉ đường đạt > 75% thì lượng nấm men dại, vi khuẩn tạo thành acid rất ít, chất lượng rỉ đường giảm không đáng kể trong suốt thời gian bảo quản. Nếu hàm lượng chất khô trong rỉ đường < 70% thì sự tổn thất đường 15 lên tới 1,3% khối lượng rỉ đường. Tổn thất rỉ đường tăng mạnh khi nồng độ < 40%. Ngoài ra trong quá trình bảo quản cũng xảy ra phản ứng giữa acid amin và đường khử tạo thành melanoidin, phản ứng này xảy ra vừa làm mất đường vừa làm hao hụt acid amin, ảnh hưởng không tốt đến sự phát triển của nấm men sau này. Để tránh hiện tượng vi sinh vật phát triển, trong quá trình bảo quản cần giữ cho rỉ đường không bị pha loãng. Muốn vậy, bồn chứa rỉ đường phải đậy kín không để nước mưa bên ngoài xâm nhập và hạn chế dùng nước rửa. Đồng thời dùng các chất sát trùng như formol, Na2SiF6 với tỷ lệ 0,015 ÷ 0,02 % so với khối lượng rỉ đường. 4. NƯỚC Trong công nghiệp sản xuất rượu, nước được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau. Nước được dùng để xử lý nguyên liệu, nấu nguyên liệu, pha loãng môi trường, làm nguội, vệ sinh thiết bị và nhà xưởng, dùng cho sinh hoạt, cung cấp cho lò hơi ... Thành phần, tính chất hóa lý và chất lượng nước có ảnh hưởng trực tiếp tới kỹ thuật sản xuất và chất lượng sản phẩm. 4.1. Các thông số đánh giá chất lượng nước 4.1.1. Độ màu Độ màu do các humid, các hợp chất keo của sắt, vi sinh vật, thực vật (rong, tảo) gây nên. Nước càng trong (độ màu thấp) chất lượng càng cao. 4.1.2. Mùi và vị Mùi và vị của nước phụ thuộc vào thành phần các chất có trong nước và chủ yếu là các hợp chất hòa tan nhất định. Vị của nước có thể là mặn, chua, hơi ngọt hoặc cay nhẹ. Mùi của nước có thể là mùi tự nhiên tạo nên (như mùi bùn, đất, vi sinh vật, phù du, cỏ dại hay xác vi sinh vật…) hoặc các mùi nhân tạo khác như mùi chlor, phenol… khi khai thác, xử lý nước gây nên. 4.1.3 Nồng độ sắt và các thành phần khác Sắt trong nước thường tồn tại dưới dạng Fe2+ hay Fe3+. Nước ngầm thường có ở dạng Fe2+ hòa tan, nước bề mặt thường ở dạng keo hay các hợp chất hoặc có thể ở dạng oxid-humid sắt. Hàm lượng sắt trong nước càng ít càng tốt, vì sắt là nguyên nhân chính gây nên các ảnh hưởng xấu như tạo màu, tạo mùi tanh khó chịu, đục cho nước. Các hợp chất chứa N như: HNO3, HNO2, NH3, … Sự có mặt các hợp chất này chứng tỏ nước bị nhiễm bẩn và cũng có thể do các hợp chất vô cơ gây ra. Chỉ số sinh học: Đặc trưng cho sự xâm nhập và phát triển của các loại vi sinh vật, thực vật (rong, tảo,…) có trong nước. Chỉ số sinh học bằng số lượng vi sinh vật/1ml nước. Cần chú ý chỉ số E.coli, tổng số vi sinh vật hiếu khí. 4.2. Yêu cầu chất lượng nước Trong công nghệ sản xuất rượu, yêu cầu chất lượng nước giống như nước sinh hoạt, phải trong suốt, không màu, không mùi. Hàm lượng muối không vượt quá yêu cầu sau (mg/l): Cl-: 0,5; SO4-2: 80; As: 0,05; Pb: 0,1; F: 3; Zn: 5; Cu: 3; Fe: 0,3; NO3- : 40. Không cho phép có NH3 và muối của acid nitric (HNO3). Không có hoặc chỉ có vết của các muối kim loại nặng như Hg, Ba ,… Khả năng ôxy hóa 1 lít nước không quá 2ml dung dịch KMnO4 0,01N. Chất cặn không vượt quá 1000mg/l. Khi nấu nguyên liệu, độ pH của nước có ảnh hưởng đến quá trình phá vỡ tế bào tinh bột. Nước kiềm tính nấu nguyên liệu không tốt và vi sinh vật có hại dễ phát triển, 16 quá trình lên men, nếu pH > 7 sẽ thúc đẩy quá trình tạo thành glycerin. Trong thực tế, nếu nước dùng để nấu nguyên liệu có độ cứng cao quá, thường phải dùng acid sunfuric để trung hòa. Nước dùng để chế biến dịch có độ cứng cao quá 8mg/l cũng cần acid hóa đến pH 4,5 – 5,0 là pH thích hợp cho amylase hoạt động. 4.3. Xử lý nước 4.3.1. Nguyên tắc chung Xử lý nước gồm ba nội dung chính: - Làm trong, - Khử chất hoà tan, - Khử vi sinh vật. Một qui trình xử lý nước thường là sự phối hợp của các quá trình sau: * Bão hoà không khí : Tạo điều kiện để ôxy xâm nhập vào nước, ôxy hóa các chất gây mùi, màu, một số chất vô cơ và tạo điều kiện để các chất gây mùi thoát khỏi nước; thường thực hiện bằng cách phun nước qua các “giàn mưa”. * Lắng trong: Quá trình được thực hiện tại các bể nhân tạo hoặc tự nhiên, được tăng cường bằng cách bổ sung chất trợ đông kết, như vôi, phèn (muối nhôm sulphate, sắt sulphate). Các hạt huyền phù dần dần lắng xuống và tách ra khỏi nước. Lắng chỉ tách được khoảng 60 – 70% chất lơ lửng trong nước. * Lọc: Đây là phương pháp chủ yếu để loại bỏ chất lơ lửng trong nước. Vật liệu lọc thường dùng là cát hoặc bột diatomite. Các hạt huyền phù được giữ lại ở bên trên, còn nước sạch chảy qua lỗ. * Chlorine hóa: đưa vào nước các chất có thể giải phóng Cl nguyên tử nhằm ôxy hóa các vật chất hữu cơ và khử trùng nước. * Xử lý than hoạt tính: Cho nước đi qua tháp chứa than hoạt tính để hấp phụ các chất mùi, khí, chất hữu cơ, chất màu. * Ozone hóa: ôxy hóa chất hữu cơ, vi sinh vật bằng hỗn hợp khí giàu ozone. * Khử khoáng: Thực hiện với các mức độ khác nhau bằng các phương pháp hóa học; khi cần khử khoáng triệt để có thể dùng phương pháp trao đổi ion hoặc thẩm thấu ngược. 4.3.2. Một số công đoạn cơ bản * Khử sắt, mangan Sắt, mangan làm đóng cặn trong các đường ống dẫn và làm giảm chất lượng bia. Để tách Fe, Mn, nước được phun qua giàn mưa để bão hoà ôxy nhằm ôxy hóa các muối của chúng thành thành dạng khó tan, từ đó loại bỏ bằng cách lắng và lọc trong. * Khử ôxy Ôxy làm giảm chất lượng dịch đường hóa, ăn mòn lò hơi và các đường ống dẫn hơi nước. Loại bỏ ôxy trong nước có thể bằng các phương pháp vật lý (nhiệt, chân không, rửa CO2) hoặc hóa học (khử bằng hydrogen, khử bằng sulphite). - Phương pháp nhiệt: Đun nước lên ít nhất 850C, bơm qua giàn phun và hút chân không để tách khí; nhược điểm là chi phí cao. - Phương pháp khử bằng hydrogen: Sục khí hydro vào dòng nước chảy qua bột paladium xúc tác, ôxy sẽ phản ứng với hydro tạo ra nước; hiệu quả kinh tế cao. * Khử trùng 17 - Khử trùng bằng Chlorine: Chlorine tác dụng với nước tạo ra acid hipochlorous (HOCl) không bền, sẽ phân hủy để tạo ra ôxy nguyên tử. Ôxy nguyên tử làm biến đổi chức năng màng tế bào do đó tiêu diệt vi sinh vật. = HOCl + HCl Cl2 + H2O Ưu điểm: thiết bị, hóa chất rẻ. Nhược điểm: nếu nước có chứa phenol và các chất hữu cơ thì sẽ tạo ra các hợp chất chlor-hữu cơ, chlor-phenol, … độc hại; chlorine dư sẽ gây mùi cho nước. - Khử trùng bằng tia cực tím: Tia cực tím là sóng điện từ cao năng có tác dụng làm biến đổi tính chất sinh học của các tổ chức sống. Khử trùng bằng cách cho dòng nước chảy dưới bức xạ cực tím là phương pháp sạch, tuy vậy hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật giảm nhanh khi tăng độ dày lớp nước xử lý hoặc khi nước đục. - Khử trùng bằng ozone (03): Ozone được tạo ra từ ôxy trong quá trình phóng tia lửa điện. Ozone không bền, sẽ phân hủy giải phóng ôxy nguyên tử và diệt khuẩn theo cơ chế gần với của chlorine . Khử trùng bằng ozone là phương pháp sạch và có độ tin cậy cao, tuy nhiên thiết bị có chi phí đầu tư và vận hành cao. - Lọc khử trùng: Nguyên tắc là dùng vật liệu lọc có mao quản lọc đủ nhỏ để giữ lại tất cả vi sinh vật. Đây cũng là phương pháp sạch nhưng chi phí hoạt động cao. * Giảm độ kiềm Nguyên tắc là khử độ cứng carbonate; tăng độ cứng phi carbonate; hoặc đồng thời cả 2 quá trình trên. + Phương pháp gia vôi: khử hàm lượng CO32- tan nhờ tạo kết tủa muối carbonate calcium. Ưu điểm là đơn giản, chi phí hóa chất thấp, có thể tách loại được cả sắt, mangan và một phần kim loại nặng. Tuy vậy, phải có công đoạn loại bỏ kết tủa và yêu cầu định lượng chính xác lượng vôi sử dụng. Phương pháp được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. + Acid hóa: Dùng acid để phá hủy ion carbonate. Hiện nay, việc dùng các chế phẩm chứa acid lactic để khử độ cứng đang là xu hướng tiên bộ của các nhà máy sử dụng công nghệ sạch. * Khử khoáng chất Khi cần làm giảm hoặc triệt tiêu các ion tan trong nước có thể sử dụng phương pháp trao đổi ion hoặc thẩm thấu ngược. -Trao đổi ion Để loại các cation, ví dụ khử Ca2+ và Mg2+ để làm mềm nước, ta dùng nhựa trao đổi ion dương, gọi là cationit. 2 R-H + Ca2+ = R2Ca + 2 H+ 2 R-H + Mg2+ = R2Mg + 2 H+ Nếu sau khi cho nước đi qua cột chứa cationit lại cho đi qua tiếp cột chứa nhựa anionit thì sẽ tiếp tục khử được các anion, ví dụ khử ion Cl-: R-OH + Cl- = R-Cl + OHNhư vậy bằng việc sử dụng nhựa trao đổi ion có thể thu được nước sạch khoáng chất tương đương nước cất, đủ tiêu chuẩn cấp cho lò hơi. -Thẩm thấu ngược Về bản chất, là một quá trình lọc màng. Sử dụng màng lọc thích hợp có thể giữ lại được tất cả các pha phân tán, chất hòa tan và chỉ cho nước đi qua. Phương pháp này 18 giúp loại bỏ được tất cả chất hòa tan hoặc loại bỏ có chọn lọc thông qua việc chọn vật liệu làm màng thẩm thấu. Câu hỏi ôn tập chương 2 Câu 1: Các yêu cầu căn bản để chọn nguyên liệu sản xuất rượu etylic là gì? Trong thực tế vì sao ta thường chọn nguyên liệu sắn để sản xuất rượu etylic? Câu 2: Cơ sở nào để ta chọn rỉ đường làm nguyên liệu sản xuất rượu etylic? Vì sao nói rỉ đường khi bị nhiễm khuẩn sẽ làm giảm hiệu suất tổng thu hồi? Câu 3: Trong quá trình bảo quản, có sự thay đổi đáng kể nào trong rỉ đường? Sự thay đổi này ảnh hưởng đến chất lượng của rỉ đường ra sao? Câu 4: Sự tồn tại các ion Fe2+, Fe3+ trong nước có ảnh hưởng gì đến chất lượng nước? pH của nước bao nhiêu là thích hợp? Nếu pH cao sẽ ảnh hưởng như thế nào đến quá trình sản xuất? Câu 5: Trình bày nguyên tắc chung và các giai đoạn trong xử lý nước? 19 Chương 3. CHUẨN BỊ DỊCH LÊN MEN 1. CHUẨN BỊ DỊCH LÊN MEN TỪ NGUYÊN LIỆU CHỨA NHIỀU TINH BỘT 1.1. Nghiền nguyên liệu Nghiền nguyên liệu nhằm mục đích phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật, tạo điều kiện giải phóng các hạt tinh bột khỏi các mô. Trước đây nguyên liệu đưa vào nấu rượu thường để nguyên dạng hạt hoặc lát to, ngày nay nguyên liệu được nghiền nhỏ với mức độ khác nhau rồi đưa vào nấu ở áp suất cao và nhiệt độ phù hợp nhằm biến tinh bột thành dạng hòa tan. Hiện nay nguyên liệu được nghiền trên nhiều kiểu máy khác nhau. Ở nước ta thường dùng máy nghiền búa. Muốn nghiền nhỏ ta dùng búa mỏng có chiều dày 2 đến 3 mm, khi nghiền thô dùng búa có chiều dày 6 đến 10 mm. Tốc độ quay của búa 75 – 80 m/s (tương đương 2750 vòng/phút). Khi nghiền, các phần nhỏ lọt qua rây được quạt hút và đẩy ra ngoài, phần lớn chưa lọt qua rây được tiếp tục nghiền nhỏ. Năng suất của máy còn phụ thuộc vào mức độ nghiền và kích thước rây. Lỗ rây bé thì năng suất giảm, mặt rây nhanh bị hỏng. Tùy theo chế độ nấu mà thay kích thước lỗ mặt rây. Với sắn khô khi nấu ở áp suất thường có dùng α-amylaza chịu nhiệt, nghiền càng mịn càng tốt. 1.2. Nấu nguyên liệu 1.2.1. Mục đích Trong các nguyên liệu như gạo, ngô, khoai, sắn v.v..., hạt tinh bột luôn nằm trong màng tế bào. Khi nghiền chỉ một phần các màng đó bị phá vỡ, phần lớn màng tế bào còn lại sẽ ngăn cản sự tiếp xúc của amylase với tinh bột. Mặt khác, hạt tinh bột ở trạng thái không hòa tan thì amylase tác dụng lên tinh bột rất chậm và kém hiệu quả. Vì vậy, mục đích của nấu nguyên liệu giàu tinh bột là nhằm phá vỡ màng tế bào của tinh bột và biến đổi tinh bột sang trạng thái hòa tan trong nước. Trong quá trình nấu, phần lớn màng tế bào của nguyên liệu chưa nghiền vẫn giữ nguyên cấu trúc của chúng. Cấu trúc của tế bào chỉ bị phá vỡ khi khuấy trộn hoặc khi phóng khối nguyên liệu đã nấu (còn gọi là khối cháo) ra khỏi nồi nấu qua van hẹp. Do áp suất bên ngoài tế bào giảm, làm cho nước trong tế bào tự bốc hơi mạnh, thể tích tế bào tăng lên đồng thời do va chạm giữa tế bào và van chắn nhờ đó màng tế bào bị xé nát và tinh bột được giải phóng. Trước đây, người ta nấu nguyên liệu tinh bột ở chế độ “mềm” là 135 – 1380C hoặc chế độ “cứng” là 145 – 1550C. Hiện nay, nhiều nhà máy đã áp dụng công nghệ nấu mới có sự hổ trợ của chế phẩm enzyme nên nhiệt độ khối nấu cao nhất cũng chỉ nhỉnh hơn 1000C một ít. 1.2.2. Những biến đổi cơ, lý hóa của nguyên liệu trong quá trình nấu nguyên liệu * Sự phá vỡ các cấu trúc tế bào thực vật Độ bền của màng tế bào không giống nhau đối với các nguyên liệu và ngay cùng một nguyên liệu, độ bền ở các phần cũng khác nhau. Nếu chỉ dùng lực cơ học để phá hủy tế bào thì tốn nhiều năng lượng. Nếu đun nguyên liệu với nước sẽ xảy ra hiện tượng trương nở, hòa tan các chất kết dính giữa tế bào, sẽ làm giảm độ bền cơ học của nguyên liệu. Vì vậy, muốn phá vỡ cấu trúc tế bào nguyên liệu để tinh bột thoát ra ngoài màng tế bào một cách dễ dàng và tiết kiệm năng lượng, cần kết hợp nghiền và xử lý 20 nhiệt ẩm đối với nguyên liệu. * Sự trương nở và hòa tan tinh bột Trương nở là tính chất của những chất rắn cao phân tử có khả năng hút dung môi để tăng thể tích. Khi cho nguyên liệu tinh bột tiếp xúc với nước, các phân tử nước có kích thước phân tử nhỏ nên chúng xâm nhập vào giữa các phân tử tinh bột. Các phân tử nước sẽ tương tác với các nhóm hoạt động của tinh bột làm yếu một số liên kết trong phân tử tinh bột, phân tử tinh bột bị “rão” ra và bị trương lên. Khi nhiệt độ tăng lên, các liên kết trong phân tử tinh bột bị đứt càng nhiều sẽ dẫn đến quá trình trương nở không hạn chế, nghĩa là tinh bột bị hòa tan, chuyển thành dạng dung dịch. Quá trình trương nở luôn xảy ra trước quá trình hòa tan. Ở nhiệt độ bình thường, tinh bột hấp thụ 25-50% nước mà hạt chưa trương. Khi nhiệt độ tăng, liên kết hydro giữa phân tử của tinh bột bị phá vỡ. Ví dụ ở 600C tinh bột ngô hấp thụ 300% nước so với khối lượng ban đầu, khi ở 700C thì hấp thụ 1000% nước và khi trương cực đại tinh bột có thể hấp thụ đến 2500% nước. Nhiệt độ để phá vỡ lực liên kết giữa các nhóm phân tử trong tinh bột, làm cho cấu trúc hạt tinh bột bị phá vỡ chuyển thành trạng thái dung dịch keo gọi là nhiệt độ hồ hóa. Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Kích thước hạt tinh bột, loại nguyên liệu. - Sự hiện diện của các chất điện giải trong dung dịch. Các muối kiềm và muối trung tính làm giảm nhiệt độ hồ hóa; các chất đường thì ngược lại. - Nồng độ tinh bột và tốc độ tăng nhiệt. Bảng 3.1. Nhiệt độ hồ hóa của một số tinh bột Loại tinh bột Ngô Ngô nếp Gạo Lúa mì Sắn Khoai tây Nhiệt độ ban đầu (0C) 62 63 68 59,5 52 58 Nhiệt độ trung bình (0C) 66 68 74,5 62,5 59 62 Nhiệt độ cuối (0C) 70 72 78 64 64 66 Quá trình hồ hóa các tinh bột giống nhau, ban đầu độ nhớt của tinh bột tăng lên, sau đó đạt cực đại rồi lại giảm xuống khi nhiệt độ tiếp tục tăng. Khi làm nguội dung dịch hồ tinh bột đến 550C thì xảy ra hiện tượng thoái hóa tinh bột làm cho amylase không tác dụng được. Vì vậy trong quá trình nấu nguyên liệu cần tránh hiện tượng này. * Biến đổi của hemicellulose, cellulose và pectin Trong quá trình nấu với môi trường acid yếu, cellulose không bị thủy phân. Hemicellulose cấu tạo chủ yếu từ pentosan có bị thủy phân một phần. Sự thủy phân này bắt đầu từ khi chuẩn bị dịch bột do tác dụng của cytase chứa trong nguyên liệu và được tiếp tục trong quá trình nấu do tác dụng của ion H+ và nhiệt độ cao. Kết quả là tạo ra một lượng nhỏ dextrin và các hợp chất có phân tử thấp, kể cả đường 5 carbon như arabinose và cylose. Bị thủy phân nhiều hơn cả là các chất pectin (là ester của acid polygalacturonic và methanol). * Các biến đổi hóa học của tinh bột và đường 21 - Sự biến đổi tinh bột Một lượng nhỏ tinh bột biến thành đường và dextrin do tác dụng của amylase chứa trong nguyên liệu. Theo Askinydi, khi nâng nhiệt độ lên đến 600C ở trong khoảng 15 phút, trong khối nấu của hạt kê đã có gần 8% chất khử. Sự tạo đường trong khối nấu nguyên liệu là không mong muốn. Đường sẽ bị chuyển hóa khi khối nấu được tiếp tục nấu ở nhiệt độ cao, tạo ra caramel, furfurol, oxymethyl furfurol và melanoidin. Để giảm tổn thất này, trong quá trình nấu, hạn chế tối thiểu thời gian dừng ở vùng nhiệt độ 50 – 600C. Sự thủy phân tinh bột xảy ra dưới sự xúc tác của ion H+ có diễn ra nhưng ở mức độ không lớn. Theo V.A.Sminov, nấu bột khoai tây ở pH 6,5 ở các chế độ nấu khác nhau, hàm lượng đường glucose tăng chưa đến 0,5%. - Sự biến đổi các chất đường Trong nguyên liệu chứa sẵn một lượng đường nhất định, bao gồm các loại: glucose, fructose, saccharose, maltose. Trong quá trình nấu, các loại đường có trong khối nấu bị phân hủy do các phản ứng caramel, melanoidin, tạo thành oxymethylfurfurol. Một phần oxymethylfurfurol ngưng kết tạo ra chất màu vàng. 1.2.3. Phương pháp nấu Nấu nguyên liệu có thể thực hiện theo một trong ba cách: gián đoạn, bán liên tục hoặc liên tục. Tuỳ theo điều kiện trang thiết bị, mỗi nước, mỗi cơ sở sản xuất có thể chọn cho mình phương pháp này hay phương pháp khác phù hợp, nhằm đạt hiệu quả cao nhất trong hoàn cảnh cho phép. a. Phương pháp nấu gián đoạn * Nấu gián đoạn trong nồi kiểu nằm ngang 1. Phễu ngâm nguyên liệu 2. Cửa nạp nguyên liệu vào nồi nấu 3. Nồi nấu 4. Hệ thống truyền động 5. Van an toàn 6. Bình dầu chống tắt ống dẫn ra áp kế 7. Áp kế 8. Ống xả hơi thừa 9. Ống hơi chính 10. Ống hơi phụ vào 11. Ống lấy mẫu 12. Ống dẫn khối nấu sang thùng hầm nhừ. 13. Bình chứa acid 14. Ống nước. Hình 3.1. Sơ đồ nồi nấu ngang 22 Cho nước vào nồi nấu với tỷ lệ 3,5 – 4 lit/kg nguyên liệu, cho cánh khuấy làm việc rồi từ từ đổ bột nguyên liệu vào. Bột nguyên liệu có thể là bột ngô, bột khoai, bột sắn, bột mì,... Tất cả được cho vào phểu (1). Acid H2SO4 hoặc HCl đã pha loãng có nồng độ 30 Be ở bình chứa bằng nhựa hoặc thép không rỉ (13) cho xuống phễu theo tỷ lệ qui định. Hỗn hợp nguyên liệu được trộn đều ở phễu, ở đây có thể gia nhiệt hỗn hợp đến nhiệt độ 40 – 450C bằng hơi nước. Thời gian hỗn hợp lưu lại ở phễu phụ thuộc vào thời gian nấu của nguyên liệu đó, khoảng 50 – 90 phút. Trước khi tháo hỗn hợp xuống nồi nấu (3) qua cửa nạp nguyên liệu (2), người ta phải mở vào nồi một ít hơi để tránh khối nấu làm tắt ống hơi (10). Thời gian tháo xong hổn hợp 3 – 5 phút. Cho hỗn hợp vào nồi xong đóng chặt nắp (2). Tiếp tục mở hơi từ từ sao cho đồng hồ áp kế chỉ vạch qui định khoảng 20 – 30 phút. Nếu mở hơi nhanh quá hỗn hợp dễ bị vón cục, có thể xảy ra hiện tượng “thủy kích” gây ra tiếng động lớn và rung động thiết bị. Thời gian nâng áp lực càng lâu càng tốt nhưng có nhược điểm là kéo dài thời gian nấu và làm loãng khối nấu. Khi trong nồi đạt áp lực qui định, đóng bớt hơi và giữ cho áp lực trong nồi không dao động quá lớn. Suốt thời gian này, van hơi thừa (8) phải mở để đẩy hết khí không ngưng và các chất khí khác sinh ra trong quá trình nấu. Nếu van (8) không mở thì nấu lâu chín, nếu mở lớn quá thì tổn thất hơi sẽ nhiều và khối nấu có thể bị kéo theo ra ngoài. Thời gian nấu nguyên liệu dài hay ngắn phụ thuộc vào từng loại nguyên liệu. Ví dụ ngô thời gian nấu 80 – 90 phút, áp lực 4 – 4,2 kG/cm2; với khoai, sắn lát khô thời gian nấu 40 - 50 phút, áp lực 3,5 – 3,8 kG/cm2 . Trước khi phóng khối nấu sang thùng hầm nhừ hoặc thùng đường hóa, phải lấy mẫu kiểm tra chất lượng ở van (11). Khi lấy mẫu thường lấy sớm trước thời gian qui định 3 - 5 phút để quyết định thời gian phóng khối nấu đi. Thời gian phóng khối nấu càng nhanh càng tốt, tế bào tinh bột bị phá vở nhanh hơn, thực tế thời gian phóng khối nấu từ 15 - 20 phút. Khi áp kế chuyển về “zero” tức là khối nấu chuyển đi hết, người ta dẫn thêm một ít hơi để làm sạch ống dẫn. Toàn bộ thời gian từ khi cho hỗn hợp khối nấu xuống nồi đến khi khối nấu chuyển hết sang nồi hầm nhừ hay đường hóa gọi là chu kỳ nấu. Chu kỳ nấu gồm 4 giai đoạn : - Xuống nguyên liệu; - Nâng áp lực; - Nấu chín (om); - Phóng khối nấu. Để rút ngắn chu kỳ nấu, chỉ có thể rút ngắn giai đoạn thứ 1 và giai đoạn thứ 4. Ưu, nhược điểm của thiết bị nấu gián đoạn, kiểu thiết bị nằm ngang: Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo. Thao tác công nghệ không phức tạp, nếu một thiết bị gặp sự cố thì các thiết bị khác và dây chuyền vẫn hoạt động bình thường. Có thể nấu được bất cứ loại nguyên liệu nào. Nhược điểm: Năng suất thấp, chất lượng khối nấu không đồng đều. Tiêu tốn năng lượng nhiều vì phải cho khối nấu hoạt động liên tục và không tận dụng được hơi thứ. Công nhân thao tác nặng nhọc. Chiếm nhiều diện tích lắp đặt thiết bị. Thiết bị dễ bị hư hỏng do nhiệt độ cao và môi trường có acid. 23 * Nấu gián đoạn trong nồi kiểu đứng 14 1 1.Nồi nấu sơ bộ 2. Động cơ giảm tốc cánh khuấy 3. Van tháo hỗn hợp 4. Nồi nấu chín 5. Ống thoát hơi thừa 6. Van an toàn 7. Đồng hồ áp lực 8. Ống dẫn hơi vào nồi nấu 9. Ống lấy mẫu kiểm tra 10. Cửa thông tắt van 11. Van tháo khối nấu 12. Ống nước nóng 13. Lớp kim loại bảo vệ phần đáy nồi 14. Nhiệt kế. 4 11 Hình 3.2. Sơ đồ nồi nấu kiểu đứng Nguyên liệu gồm bột, nước, acid cho vào nồi nấu sơ bộ. Nhiệt độ nồi nấu sơ bộ tùy thuộc loại nguyên liệu: ngô 70 - 750C, sắn 60 - 650C, bột mì 60 – 650C. Hơi cung cấp cho nồi nấu sơ bộ được lấy từ hơi thứ bốc ra ở nồi nấu chín, có khi sử dụng thêm hơi nước từ nguồn chính của nồi hơi. Ở nồi nấu sơ bộ phải chú ý tránh hiện tượng vốn cục hoặc để nhiệt độ lên cao quá làm đóng bánh hoặc độ nhớt tăng cao, khó tháo xuống nồi nấu chín. Thời gian lưu hỗn hợp ở nồi nấu sơ bộ phụ thuộc vào thời gian nồi nấu chín, thường 50 - 70 phút. Hỗn hợp nguyên liệu tháo xuống nồi nấu chín (4) nhờ van (3). Trước khi tháo hỗn hợp nguyên liệu xuống nồi nấu chín phải mở hơi vào các ống hơi (8) để tránh nguyên liệu lọt vào làm tắt ống hơi. Không nên mở hơi quá nhiều làm tăng áp lực trong nồi sẽ làm cho hỗn hợp từ nồi nấu sơ bộ có thể không xuống được. Do đó cần mở hơi chậm khi cho hỗn hợp xuống. Ở nồi nấu chín (4) không có hệ thống cánh khuấy, nên cứ 5 - 10 phút ta mở thật mạnh van xả khí không ngưng để làm giảm áp lực trong nồi đột ngột từ 4 – 4,5 kG/ cm2 xuống 3,5 – 4 kG/cm2 gây chênh lệch áp suất làm cho khối nấu bị đảo trộn mạnh, sau đó lại nâng áp lực đúng qui định. Trong một chu kỳ nấu, ta tăng giảm áp lực 3 - 4 lần để thay hệ thống khuấy trộn. Lấy mẫu kiểm tra chất lượng nhờ van (9). Tháo khối nấu ra khỏi nồi nhờ van (11). Van (11) có cấu tạo đặc biệt gồm các thanh sắt hoặc lưới sắt có khe hở 1 - 1,5 cm làm tăng sự va chạm của hạt tinh bột với van trước khi ra ngoài. Mặt khác các thanh sắt này còn giữ lại các vật rắn, xơ, rác có lẫn trong nguyên liệu. Cứ 2 - 3 chu kỳ nấu người ta mở cửa (10) để lấy các vật rắn trên các thanh hoặc lưới sắt. Trong trường hợp đang phóng khối nấu, nhưng bị tắc thì đóng chặt van tháo (11), mở từ từ cửa (10) để thông tắc. Ưu điểm: Tiết kiệm được 5 - 10% hơi nhiệt vì tận dụng được hơi thứ để gia nhiệt hỗn hợp ở nồi nấu sơ bộ, chu kỳ nấu ngắn nhờ nguyên liệu đã được gia nhiệt ở nồi nấu sơ bộ, chất lượng khối nấu tốt hơn, diện tích lắp đặt thiết bị chiếm ít. Do cấu 24 tạo van tháo đặc biệt nên xử lý sự cố khi tắc dễ dàng. Ở phần đáy nồi có lớp kim loại ghép bên trong (13) để chống bào mòn thiết bị nên ít ảnh hưởng đến tính bền cơ học. Nhược điểm: Chỉ nấu nguyên liệu ở dạng bột, thao tác của công nhân phức tạp, công trình xây dựng phải cao hơn, nấu lâu nên tổn thất đường nhiều và không sử dụng được hơi thứ. * Tính toán số lượng thiết bị nấu theo phương pháp gián đoạn Số lượng thiết bị nấu nhiều hay ít phụ thuộc vào năng suất nhà máy, loại nguyên liệu nấu, thể tích thiết bị. Ngoài ra còn có thiết bị dự phòng. Số lượng thiết bị nấu cần dùng được tính theo công thức: N = (G x T) / (24 x V ) + 1 Trong đó: G: Khối lượng nguyên liệu cần dùng trong một ngày đêm, (tấn/ngày đêm). V: Khối lượng nguyên liệu trong một nồi nấu, (tấn/nồi). T: Thời gian của một chu kỳ nấu, (h) 24: Thời gian 1 ngày đêm, (h). 1: Số nồi dự phòng. b. Phương pháp nấu bán liên tục Đặc điểm của phương pháp nấu bán liên tục là dùng hệ thống ba nồi nấu : nồi nấu sơ bộ, nồi nấu chín và nồi nấu chín thêm. Nồi nấu sơ bộ: nhiệt độ nấu 80 - 850C, được đốt nóng nhờ hơi thứ bốc ra ở nồi nấu chín thêm, thời gian nguyên liệu ở nồi này khoảng 30 phút. Nồi nấu chín: nhiệt độ nấu 145 - 1550C, dùng hơi nước bão hòa áp suất 4 - 4,2 kG/cm2 hoặc nấu ở chế độ “mềm” hơn là nhiệt độ 135 – 1380C, áp suất 3-3,5 kG/cm2. Thời gian nấu chín 60 – 90 phút. Nồi nấu chín thêm: (hầm nhừ). Nhiệt độ trong nồi nấu 105 - 1070C, áp suất hơi 0,45 - 0,5 kG/cm2, thời gian nấu 45-50 phút. Nguyên liệu sau khi cân, được cho vào nồi nấu sơ bộ (2) đã chứa nước nóng 40 0 – 50 C từ thùng chứa (1) cung cấp. Tỷ lệ nước/ bột: 3,5/1 – 4,0/1 (theo khối lượng). Cho cánh khuấy hoạt động và mở hơi thứ từ nồi nấu chín thêm (4) dẫn qua để đun lên đến 80 - 850C và giữ trong khoảng 30 phút. Sau khi nấu xong ở nồi nấu sơ bộ, nguyên liệu được tháo xuống nồi nấu chín (3). Nguyên liệu trong nồi nấu chín chỉ được chiếm khoảng 76 - 78% dung tích nồi. Ở đây nguyên liệu được nấu chín bằng hơi nước bão hòa áp suất 4 - 4,2 kG/cm2, nhiệt độ 145 - 1550C hoặc có thể nấu ở áp suất 3,5 - 3,8 kG/cm2, nhiệt độ 135 – 1380C, trong thời gian 60 - 90 phút. Trong quá trình nấu chín, người ta mở van hơi trên nồi nấu chín để áp suất giảm xuống đến 0,5 - 0,6 kG/cm2, khi áp suất phía trên khối nấu giảm, khối nấu sẽ được đảo trộn từ dưới lên. Sau khi kiểm tra thấy khối nấu đã chín, khối nấu được phóng sang nồi nấu chín thêm (4). Áp suất ở nồi nấu chín thêm 0,45 – 0,5 kG/cm 2, nhiệt độ 105 - 1070C. Ở đây thực hiện quá trình tự bốc hơi. Hơi thứ bốc ra ở nồi nấu (4) đưa về nồi nấu sơ bộ (1). Thời gian khối nấu ở nồi (4) khoảng 45 - 50 phút. Dung tích nồi nấu chín thêm lớn gấp 3 lần của nồi nấu chín. 25 Hình 3.3. Sơ đồ thiết bị nấu bán liên tục 1. Thùng nước nóng 2. Nồi nấu sơ bộ 3. Nồi nấu chín 4. Nồi nấu chín thêm 5. Thùng đường hóa. Ưu điểm: Giảm thời gian nấu nguyên liệu ở nhiệt độ cao, giảm tổn thất đường. Tiết kiệm hơi đốt. Năng suất sử dụng thiết bị tăng. Nhược điểm: Nồi nấu chín thêm phải lớn để thực hiện quá trình tự bốc hơi. 1.3. Đường hóa tinh bột Quá trình thủy phân tinh bột trong khối cháo nhờ xúc tác của amylase biến thành đường được gọi là đường hóa, sản phẩm gọi là dịch đường hóa. Trước đây, hầu hết các nhà máy rượu ở nước ta đều dùng amylase thu được từ nuôi cấy nấm mốc. Hiện nay, nhiều nhà máy đã dùng chế phẩm amylase của các hãng sản xuất enzyme như Novo, Genecor, v.v… để dịch hóa, đường hóa. Đường hóa khối nấu bao gồm các giai đoạn làm nguội khối nấu từ 105 – 1100C xuống đến nhiệt độ thích hợp cho quá trình đường hóa (58 – 620C) và giai đoạn làm nguội dịch đường hóa đến nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men (33 – 360C). 1.3.1. Sự biến đổi của khối nấu Quan sát hiện tượng xảy ra trong đường hóa tinh bột bằng amylase, ta thấy: Độ nhớt của dung dịch giảm dần. Tính khử tăng lên. Phản ứng định tính với dung dịch thuốc thử I2 đổi từ xanh, tím xanh đến không màu. Phân biệt dạng dextrin qua phản ứng màu với I2: + Amylodextrin tác dụng với I2 cho màu xanh tím. + Erythrodextrin tác dụng với I2 cho màu đỏ nâu. + Acrodextrin không có màu với I2. + Maltodextrin không có màu với I2. 26 Dựa vào các tính chất đó biết được các giai đoạn, các sản phẩm tạo ra trong quá trình đường hóa. Trong sản xuất rượu, đường hóa được xem là đạt yêu cầu khi hàm lượng đường tính theo glucose đạt trên 30 gam/lít dịch thủy phân. Ở giai đoạn này nếu thử với dung dịch iodine thì vẫn còn màu xanh. 1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đường hóa a. Nhiệt độ Nhiệt độ tối thích của enzyme phụ thuộc vào nguồn gốc enzyme. Trong cùng một nguồn, nhiệt độ tối thích của α-amylase cao hơn β-amylase. Ví dụ α-amylase của vi khuẩn chịu nhiệt có nhiệt độ tối thích là 90 – 950C, có loại lên đến 100 – 1050C nhưng α-amylase của thóc mầm có nhiệt độ tối thích là 73 – 750C. Nhiệt độ tối thích của β-amylase các loại nấm mốc là 55 – 600C. Nhiệt độ tối thích của enzyme còn phụ thuộc vào nồng độ cơ chất và của các sản phẩm thủy phân khối nấu. Trong dung dịch tinh bột 1%, nhiệt độ tối thích của β – amylase từ A. awamori là 550C, trong dung dịch tinh bột 10% là 600C. Thời gian tác dụng nhiệt lâu sẽ làm giảm khả năng chịu nhiệt của enzyme. Vì vậy cần tìm biện pháp tăng tốc độ phản ứng để rút ngắn thời gian phản ứng. b. pH khối nấu pH tối thích của α-amylase của chế phẩm nấm mốc là 4,5 – 5,0, của glucoamylase là 4,5 – 4,6. Hãng enzyme Novo có chế phẩm α – amylase với pH tối thích trong khoảng 5,5 – 5,7; glucoamylase là 4,0 – 4,5. Do đó, khi pH của khối nấu cao hơn pH tối thích thì cần điều chỉnh pH khối nấu bằng acid (H2SO4 hoặc H3PO4) cho phù hợp với hoạt động của enzyme. c. Nồng độ enzyme Ở nước ta, nếu sử dụng chế phẩm nấm mốc nuôi cấy thì lượng chế phẩm dùng để đường hóa tinh bột trong khối nấu là M, có thể tính theo công thức: M = 0,15.G. Trong đó : 18 Liner M – lượng chế phẩm nấm mốc cần dùng, kg G - lượng tinh bột chứa trong khối nấu, kg Liner - hệ số đường hóa của chế phẩm. Nếu nuôi cấy chế phẩm nấm mốc trong điều kiện tối ưu, lượng chế phẩm thô thu được từ A. awamori-22 có hệ số Liner bằng 30 và lượng chế phẩm dùng để đường hóa tính theo hệ số Liner là 14 – 15 đv/gam tinh bột. Đối với chế phẩm San Super của hãng Novo là 13 – 16 đv/gam. 1.3.3. Các phương pháp đường hóa a. Phương pháp làm nguội và đường hóa gián đoạn Gồm 4 giai đoạn: - Làm nguội khối nấu xuống đến nhiệt độ thích hợp để dịch hóa. Nếu sử dụng chế phẩm Termamyl hoặc Novo - I của hãng Novo thì chỉ cần hạ nhiệt độ đến 85 – 900C, nếu dùng chế phẩm nấm mốc nuôi cấy thì nhiệt độ dịch hóa là 700C. - Hạ nhiệt độ khối cháo đến nhiệt độ đường hóa 55 - 600C. - Tiến hành đường hóa ở 55 - 600C trong thời gian nhất định. - Làm nguội dịch đường hóa đến nhiệt độ 30 – 320C rồi bơm đi lên men. Các giai đoạn trên được thực hiện trong cùng một thiết bị đường hóa. Khối nấu 27 từ nồi nấu chín được chuyển vào thùng đường hóa qua ống (4), phía dưới (4) có lắp nón (11) có tác dụng phân tán đều khối nấu, đồng thời có tác dụng tiếp tục phá vở các tế bào tinh bột chưa phá vỡ. Để làm tốt quá trình làm nguội có thể lắp thêm ống dẫn khí nén lạnh, thổi vào trong nón. 17 1. Thân thùng 2. Ống ruột gà làm nguội 3.Ống thoát hơi 4. Ống nộp khối nấu vào thùng 5. Ống dẫn dịch nấm mốc 6. Thùng chứa dịch nấm mốc 7. Ống dẫn nước làm nguội vào 8. Ống dẫn nước làm nguội ra 9. Hộp giảm tốc 10. Động cơ điện 11. Nón phân tán khối nấu 12. Cánh khuấy turbin 13. Ống tháo dịch đường hóa 14. Ống tháo nước vệ sinh 15. Chân thùng 16. Ống cắm nhiệt kế 17. Ống khuếch tán 6 3 5 9 4 10 7 8 Nước Nước 16 2 11 1 15 12 14 13 Hình 3.4. Nồi đường hóa gián đoạn Hơi thoát ra ngoài theo ống (3), trên gần đỉnh ống thoát có lắp một ống khuếch tán hơi kiểu vòi phun, hướng theo chiều thoát của hơi trong thùng. Ống này làm tăng tốc độ bốc hơi, rút ngắn thời gian làm nguội khối nấu. Khi khối nấu đạt 1/3 dung tích thùng, bắt đầu mở nước làm nguội và giữ lưu lượng nước vào, ra sao cho khi nạp khối nấu đầy thùng thì nhiệt độ khối nấu đạt 700C (dùng chế phẩm nấm mốc) và cho chất sát trùng fluorsilicate natri với tỷ lệ 0,02% so với thể tích khối cháo. (Nếu dùng chế phẩm Termamyl 120L thì nhiệt độ là 85 – 900C). Thời gian dịch hóa khoảng 20 - 30 phút. Sau khi dịch hóa thì làm nguội khối dịch xuống 55 - 600C rồi cho chế phẩm enzyme hoặc dịch nấm mốc vào để đường hóa. Nếu dùng chất sát trùng thì cho vào khối dịch trước khi cho nấm mốc vào. Thời gian đường hóa khoảng 30 phút. Tỉ lệ nấm mốc khoảng 10 – 15% so với khối bột đem nấu. Sau đó, làm nguội khối nấu đến nhiệt độ 30 – 330C. Yêu cầu giai đoạn làm nguội này càng nhanh càng tốt vì dịch đường hóa lúc này có nhiều đường khử, đạm hòa tan là môi trường rất thích hợp cho các vi sinh vật khác phát triển. Tiếp theo mở hơi nước sát trùng đường ống dẫn, chuyển dịch đường hóa xuống thùng lên men theo ống (13). Sau khi chuyển hết dịch đường phải rửa sạch thùng đường hóa rồi xả nước thải ra ngoài theo đường ống 14 và dùng hơi nước sát trùng trong thời gian 45 - 60 phút. Xả nước ngưng ra ngoài theo ống (14). b. Phương pháp làm nguội và đường hóa bán liên tục Khối nấu thùng hầm nhừ, có nhiệt độ 105 - 1100C, nhờ bơm (2) đưa qua hệ thống làm nguội (4) để hạ nhiệt độ khối nấu xuống đến nhiệt độ dịch hóa (700C hoặc 28 850C tùy thuộc vào chế phẩm enzyme) rồi chuyển vào thùng đường hóa (5) đến mức qui định, sau thời gian dịch hóa 20 - 30 phút cho nước làm nguội vào ống xoắn ruột gà (6) để đạt nhiệt độ đường hóa (55 - 580C). Thùng đường hóa (5) gồm một hệ thống 4 thùng có chung ống dẫn khối nấu vào. Khi khối nấu đầy thùng thứ 1 trong số 4 thùng có chung ống dẫn khối nấu vào thì tiến hành đường hóa. Khối nấu lại chuyển vào thùng đường hóa thứ 2 cho đến đầy rồi đường hóa,… Cứ như thế cho tới thùng thứ 4. Nấm mốc được nghiền nhỏ (1 - 2 ÷ 2 - 4 mm) cho trực tiếp vào thùng đường hóa, tỷ lệ sử dụng 15 ÷ 20% so với khối bột. Nhiệt độ đường hóa 55 ÷ 580C. Hiện nay, các nhà máy rượu của ta sử dụng chế phẩm amylaza của hãng Novo thì tỷ lệ dùng rất ít 1 ÷ 2%, thời gian đường hóa 30 phút. Sau khi đường hóa xong, ta dùng bơm (7) chuyển dịch đường sang bộ phận làm nguội (8) để hạ nhiệt độ dịch đường đến nhiệt độ lên men (30 ÷ 330C) rồi từ đây được chuyển một phần khoảng (10 ÷ 15%) vào các thiết bị phát triển nấm men, phần còn lại chuyển vào các thùng lên men. Sau một chu kỳ đường hóa, phải dùng nước sạch để làm vệ sinh thùng. Sau 2 ngày (mùa hè), 3 ÷ 4 ngày (mùa đông), ngoài việc vệ sinh thùng, phải sát trùng bằng hơi nhiệt (105 ÷ 1100C, thời gian 1 ÷ 1,5 h). Hệ thống làm nguội lần 2 (30 ÷ 330C). Nếu phát hiện có nhiễm khuẩn thì kết hợp dùng formol với xông hơi nóng. Hình 3.5. Sơ đồ thiết bị công nghệ làm nguội và đường hóa bán liên tục. 5. Thùng đườg hóa 40 m3- 60 m3 6. Hệ thống ruột gà làm nguội 7. Bơm dịch đường hóa kiểu piston 8. Hệ thống làm nguội đợt II kiểu ống lồng ống 1. Thùng hầm nhừ (120 m3) 2. Bơm dịch nấu kiểu piston 3. Nhiệt kế 4. Hệ thống làm nguội đợt I kiểu ống lồng ống c. Phương pháp làm nguội đường hóa liên tục bằng chân không Khối nấu từ thùng tách hơi được đưa vào bộ phận tách hơi. Tại đây có độ chân không khoảng 600 ÷ 620 mmHg, độ chân không này tương đương với nhiệt độ bốc hơi của khối nấu là 62 ÷ 630C. Trong ống dẫn, độ chân không tương đương với độ chân không trong bộ phận bốc hơi. Trong ống tạo ra một hỗn hợp nhũ tương và khối nấu. Thể tích hơi trong hỗn hợp khoảng 95 %. Tốc độ dung dịch nhũ tương chuyển động trong ống đạt 30 ÷ 40 m/s. Trong bộ phận bốc hơi, xảy ra sự phân tách hơi, khối nấu đạt nhiệt độ 62 ÷ 630C và được chuyển xuống thùng đường hóa. Thời gian đường hóa 29 chỉ tiến hành trong 5 phút. Để đảo trộn đều dịch đường hóa, có lắp thêm bộ phận khuấy kiểu turbine. Hơi cùng với một số khí không ngưng đến thiết bị ngưng tụ, hơi được ngưng tụ bằng nước, khí không ngưng được bơm chân không hút ra ngoài. Dịch nấm mốc hoặc sữa malt đã được chuẩn bị sẵn trong thùng chứa, qua van hoặc bơm định lượng trước khi chảy xuống thùng đường hóa. Khi cho nấm mốc hoặc sữa malt vào, nhiệt độ khối nấu giảm xuống đến 57 ÷ 580C. Mức hỗn hợp trong thùng đường hóa được điều chỉnh bằng phao tự động. Dịch đường hóa được đẩy qua bộ phận làm nguội đợt II (kiểu ống lồng ống) để hạ nhiệt độ dịch đường hóa xuống đến nhiệt độ lên men 30 ÷ 330C và chuyển đến phân xưởng lên men. Có trường hợp, người ta cho 10 ÷ 15% dịch đường hóa hòa với khối nấu trước khi vào bình bốc hơi để làm giảm độ nhớt khối nấu. Toàn bộ quá trình được tự động hóa. Ưu điểm: Rút ngắn thời gian làm nguội khối nấu. Tránh được sự thoái hóa tinh bột. Giảm 16% lượng nấm mốc hoặc malt để đường hóa. Giảm tiêu hao điện năng và nước làm nguội 30 ÷ 35%. d. Nấu- Đường hóa sử dụng chế phẩm enzyme tinh Dưới đây là một qui trình điển hình, sử dụng các chế phẩm enzyme tinh, hoạt lực cao của Novo (Đan mạch). Nước nóng có nhiệt độ 30 – 400C hòa với bột nguyên liệu (thường dùng là bột sắn) trong nồi nấu theo tỷ lệ nước/ bột là 4/1 ÷ 5/1 rồi cho cánh khuấy hoạt động. Cho khoảng 80% lượng chế phẩm enzyme cần dùng vào khối nấu (Chế phẩm Termamyl 120L của hãng Novo sử dụng với lượng khoảng 0,02 – 0,03% so với khối lượng bột). Điều chỉnh pH của dịch bột đến 5,2 – 5,4. Dùng hơi nước đun trực tiếp sao cho sau 40 – 50 phút thì đạt đến 85 – 900C, giữ tại nhiệt độ này trong khoảng 30 phút. Sau thời gian đó tiến hành đun sôi khối dịch và giữ sôi trong 30 phút. Tháo khối dịch xuống thùng đường hóa và làm nguội đến 900C, bổ sung 20% lượng Termamyl còn lại và làm nguội khối dịch xuống 55 – 570C. Khi đạt được nhiệt độ này thì cho chế phẩm San Super 240L vào, duy trì ở nhiệt độ 55 – 570C để đường hóa. Lượng chế phẩm San Super 240L cần dùng là 0.8 – 1% so với khối lượng tinh bột trong khối dịch. Thời gian đường hóa khoảng 20 – 30 phút. Đường hóa xong, làm nguội dịch đường xuống nhiệt độ lên men. 1.3.4. Chỉ tiêu chất lượng dịch đường hóa Nồng độ chất hòa tan của dịch đường được biểu diễn theo phần trăm khối lượng. Nồng độ dịch đường thường vào khoảng 16 – 18%, khoảng 8 – 9Be. Nồng độ chất khử tính theo glucose chỉ cần lớn hơn 3% đủ bảo đảm cho phát triển ban đầu của nấm men. Các dextrin và đường oligo sẽ được tiếp tục chuyển hóa thành glucose trong thời gian lên men. Độ chua của dịch đường có thể biểu diễn theo lượng acid sulfuric chứa trong 1 lít dịch. Độ chua có thể biểu diễn theo độ (0). Đó là số ml NaOH nồng độ 1N cần để trung hòa hết acid tự do chứa trong 20ml. Một độ chua tương đương với 2,45 gam H2SO4 /lít. Độ chua dịch đường yêu cầu khoảng từ 0,8 – 1,2 gam/lít.pH dịch đường từ tinh bột sắn yêu cầu khoảng 4,8 – 5,2. Hàm lượng hợp chất chứa N trong dịch đường từ tinh bột sắn thường không đủ cho nhu cầu của nấm men. Vì vậy cần bổ sung nguồn N từ muối vô cơ như urea với lượng khoảng 0,5 gam/lít dịch đường hóa. 30 2. CHUẨN BỊ DỊCH LÊN MEN TỪ RỈ ĐƯỜNG Việc chuẩn bị dịch lên men từ rỉ đường gồm các công đoạn: Pha loãng sơ bộ, acid hóa, bổ sung chất dinh dưỡng, bổ sung chất sát trùng và pha loãng đến nồng độ yêu cầu. Trong rỉ đường, nồng độ chất khô và hàm lượng đường rất cao nên tạo ra áp suất thẩm thấu lớn, nấm men không thể phát triển và lên men được. Trong rỉ đường còn có nhiều tạp chất có hại cho nấm men như chất keo, chất màu lại nghèo chất dinh dưỡng, đặc biệt là các chất chứa N, P nên không phải là điều kiện thuận lợi cho nấm men phát triển. Rỉ đường có chứa nhiều loại vi sinh vật khác nhau, bị ức chế khi hàm lượng chất khô cao nhưng khi pha loãng dung dịch đến nồng độ thấp nhất định thì chúng sẽ phát triển. Vì những lý do trên mà không thể tiến hành lên men rỉ đường nguyên được. Do vậy cần phải pha loãng rỉ đường để giảm áp suất thẩm thấu cho nấm men phát triển, và xử lý bằng các biện pháp như acid hóa, bổ sung chất dinh dưỡng, sát trùng để tạo điều kiện thuận lợi cho nấm men rượu phát triển mạnh. 2.1. Các bước tiến hành xử lý, pha loãng rỉ đường để sản xuất rượu Rỉ đường (80 ÷ 85 Bx) → Pha loãng sơ bộ (55 Bx) → Acid hóa (pH 4 ÷ 5) → Bổ sung chất dinh dưỡng (N, P) → Sát trùng (Formol, fluorsilicat Natri) → Pha loãng (Nồng độ tuỳ theo phương pháp lên men 1 nồng độ hay lên men nhiều nồng độ). 2.1.1. Pha loãng sơ bộ Rỉ đường ban đầu có nồng độ 80 ÷ 85 Bx cần được pha loãng đến nồng độ 50 ÷ 55 Bx ≈ 30 Be. Chú ý: Nếu pha loãng quá thì tốn thiết bị và tốn nhiều hơi khi thanh trùng bằng nhiệt nhưng có lợi là tạp chất lắng nhanh. Nếu pha đặc quá thì độ nhớt lớn, tạp chất khó lắng, acid hóa sẽ không đều. 2.1.2. Acid hóa Dịch rỉ dường sau khi pha loãng được acid hóa bằng cách dùng acid vô cơ như HCl hoặc H3PO4 hoặc acid lactic cho vào trong rỉ đường để hạ pH của rỉ đường xuống còn 4,5 ÷ 5,0. Các nhà máy thường dùng H2SO4 đậm đặc với tỷ lệ 0,6% so với khối lượng rỉ đường đặc. Có hai phương pháp acid hóa: + Acid hóa nguội: Cho acid với tỷ lệ nhất định vào rỉ đường đã pha loãng sơ bộ, ở nhiệt độ môi trường (không gia nhiệt). + Acid hóa nóng: Nâng nhiệt độ của rỉ đường đã pha loãng sơ bộ đến 78 ÷ 0 82 C rồi mới cho acid vào theo tỷ lệ qui định. Acid hóa nóng có lợi là giảm độ nhớt của rỉ đường, giúp cho các chất kết tủa dễ dàng, dễ lắng, dễ lọc... đồng thời acid hóa nóng thì đường saccharose bị chuyển hóa tạo ra các đường dễ lên men : glucose, fructose,... 2.1.3. Sát trùng Có thể sử dụng nhiều chất sát trùng như: formol hoặc fluorsilicat Natri... vào trong rỉ đường nhằm ngăn ngừa hoặc tiêu diệt VSV xâm nhập, phát triển. Tính toán lượng hóa chất sát trùng sao cho nồng độ 0,02% so với thể tích dịch lên men. Chú ý : Cần pha loãng các chất sát trùng trước khi cho vào rỉ đường. 2.1.4. Bổ sung chất dinh dưỡng 31 Bổ sung chất dinh dưỡng để cho nấm men phát triển tốt, quan trọng nhất là các muối chứa N và P. Nguồn bổ sung N là các loại muối Sunfat Amon hoặc Urê . Tỷ lệ Sunfat Amon là 0,6 ÷ 0,8% so với rỉ đường, urê là 0,3 ÷ 0,4% so với rỉ đường Bổ sung P bằng muối Ca(H2PO4)2 với tỷ lệ 1%. Ngoài ra có thể bổ sung MgSO4.7H2O với lượng khoảng 0,1% so với khối lượng rỉ đường. Sau khi rỉ đường đã được pha loãng sơ bộ, acid hóa, bổ sung các chất sát trùng và các chất dinh dưỡng thì khuấy đều rồi để yên trong khoảng 2 - 4 giờ để cho các tạp chất lắng xuống. Nếu rỉ đường bị nhiễm khuẩn nặng phải kết hợp dùng hơi nhiệt để nâng nhiệt độ lên 90 - 1000C. Việc nâng nhiệt độ rỉ đường sẽ nâng cao hiệu quả xử lý rỉ đường vì ngoài tác dụng sát trùng còn có tác dụng làm cho các chất kết tủa lắng nhanh, làm chuyển hóa một lượng đáng kể đường saccharose. 2.1.5. Pha loãng đến nồng độ yêu cầu Tùy theo phương pháp lên men một nồng độ hay nhiều nồng độ mà chúng ta pha loãng rỉ đường thành dịch rỉ đường có nồng độ khác nhau. Lên men 1 nồng độ: dịch rỉ đường để nhân men và để lên men có cùng nồng độ 10 ÷ 12 Bx hoặc 12 ÷ 14 Bx. Lên men nhiều nồng độ: Pha loãng dịch rỉ đường đến 12 ÷ 14 Bx để nuôi cấy nấm men và nồng độ cao hơn để lên men: 16 ÷ 18 Bx, 20 ÷ 22 Bx, 30 ÷ 35 Bx. 2.2. Tính toán pha loãng rỉ đường 2.2.1. Phương pháp đại số Nếu gọi P là khối lượng rỉ đường ban đầu, kg. N1: Nồng độ của rỉ đường ban đầu, Bx. N2: Nồng độ yêu cầu cần pha loãng, Bx. W: Lượng nước cần thêm vào để tạo hạ N1 đến N2, kg. Khi đó, do khối lượng chất khô trong rỉ đường trước khi pha nước vào và sau khi pha nước là không đổi, nên P . N1 = ( P + W ) . N2 (1), hay (2) Áp dụng: Tính lượng nước cần cho vào 600 kg rỉ đường, nồng độ 80 Bx để được dịch rỉ đường có nồng độ 50 Bx . Giải: W = 600 . ( 80 - 50 )/50 = 360 kg = 360 lít. * Các công thức thường gặp trong tính toán pha loãng rỉ đường Nếu ta gọi: V: Thể tích của rỉ đường đã pha loãng, lít. d: Khối lượng riêng rỉ đường đã pha loãng (kg/l) Vậy khối lượng của rỉ đường đã pha loãng sẽ là: M = V . d Ta sẽ có: P+W=V.d (3) Thay (3) vào (1) ta có: P . N1 = V .d . N2. 32 (4) P= (5) V .d . N 2 N1 Lượng nước cần bổ sung: W = V . d - P (6) 3 Áp dụng: Cần có 25 m dịch rỉ đường 16 Bx (d = 1,028 tấn/m3). Xác định lượng rỉ đường 80 Bx và lượng nước cần dùng. Giải: P = (25 . 1,028 . 16) / 80 = 5,14 tấn. Lượng nước cần dùng : W = V . d - P = 25 . 1,028 - 5,14 = 20,56 tấn. 2.2.2. Phương pháp đường chéo Gọi: N1: nồng độ rỉ đường ban đầu, Bx. N2 : nồng độ rỉ đường cần pha, Bx. Ta sử dụng sơ đồ đường chéo sau để pha loãng: Rỉ đường ban đầu : N2/N1 N1 N2 Nước : O (N1 - N2)/N1 Trong đó: : tỷ lệ rỉ đường cần dùng so với khối lượng dung dịch đã pha. N2/N1 (N1-N2)/N1: tỷ lệ nước cần dùng so với khối lượng dung dịch đã pha. 33 Câu hỏi ôn tập chương 3 Câu 1: Chuẩn bị dịch lên men từ nguyên liệu chứa nhiều tinh bột có các công đoạn chính nào? Câu 2: Mục đích quá trình nghiền nguyên liệu? Bề mặt tiếp xúc của nguyên liệu với nước sẽ thay đổi như thế nào theo kích thước của sản phẩm nghiền? Vấn đề này ảnh hưởng như thế nào đến sự chuyển tinh bột thành chất hoà tan? Câu 3: Giải thích trong quá trình nấu, nếu có chế phẩm enzyme ta có thể nấu ở nhiệt độ thấp hơn trong các phương pháp nấu thông thường? Câu 4: Tại nhiệt độ hồ hoá, có sự thay đổi gì về cấu trúc tinh bột? Sự thay đổi này có ảnh hưởng đến sự thủy phân của tinh bột như thế nào? Nhiệt độ hồ hóa tinh bột phụ thuộc các yếu tố nào? Câu 5: Sự tạo thành đường trong quá trình nấu là có lợi hay hại? Giải thích? Câu 6: Trình bày các phương pháp nấu? Câu 7: Quá trình chính xảy ra trong đường hóa tinh bột là gì? Các giai đoạn trong quá trình đường hóa tinh bột? Câu 8: Phương pháp gì để phân biệt sản phẩm tạo thành khi đường hóa tinh bột? Câu 9: Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đường hóa tinh bột? Câu 10: Các phương pháp đường hóa? Câu 11: Chỉ tiêu chất lượng dịch đường hóa là gì? Câu 12: Các bước tiến hành xử lý, pha loãng rỉ đường? Câu 13: Cần lượng nước là bao nhiêu để pha loãng 2 tấn rỉ đường nồng độ 81 Bx thành dịch rỉ đường nồng độ 52 Bx? Câu 14: Khối lượng của rỉ đường ban đầu là X kg, nồng độ 80 %, sau khi pha loãng lần thứ nhất đến nồng độ 50 % ta được dung dịch A, lấy một phần tư dung dịch A pha loãng lần thứ 2 đến nồng độ 16 %, ta được dung dịch B có khối lượng là 20 kg. Xác định X và khối lượng nước cho 2 lần pha loãng? 34 Chương 4 . NUÔI CẤY NẤM MEN TRONG SẢN XUẤT RƯỢU 1. ĐẶC TÍNH CHUNG CỦA NẤM MEN 1.1. Hình dạng và kích thước Hình dạng nấm men khác nhau tùy theo loài, trong cùng một loài tế bào nấm men cũng thay đổi tùy theo điều kiện nuôi cấy và tuổi của nó. Đa số nấm men có hình ovan, hình bầu dục, ngoài ra nấm men còn tồn tại ở nhiều hình dạng khác như: hình ống dài, hình tam giác. . . Kích thước của tế bào nấm men thay đổi rất nhiều tùy thuộc các loài, các giống khác nhau và điều kiện sinh trưởng. Các loài nấm men đơn bào được sử dụng nhiều trong công nghiệp thực phẩm, kích thước vào khoảng 3 ÷ 5 x 5 ÷10 (µm). Nấm men dùng trong sản xuất rượu có kích thước khoảng 4 x 7 (µm). 1.2. Cấu tạo tế bào nấm men Thành tế bào: là lớp vỏ ngoài cùng của tế bào nấm men. Khoảng 90% khối lượng chất khô của thành tế bào là hợp chất polysaccharide, 10% còn lại chủ yếu là protein và lipid. Trên thành tế bào nấm men có nhiều lỗ nhỏ các chất dinh dưỡng từ môi trường bên ngoài thấm vào bên trong tế bào và các sản phẩm trao đổi chất từ tế bào thải ra ngoài đều qua các lỗ này một cách có chọn lọc. Thành tế bào có tác dụng bảo vệ hình dạng tế bào nấm men, duy trì áp suất thẩm thấu bên trong tế bào và góp phần điều hòa các quá trình trao đổi chất. Thành tế bào nấm men chứa nhiều enzyme quan trọng, thúc đẩy các phản ứng sinh hóa của tế bào, chẳng hạn phosphatase tăng cường quá trình hấp thụ phosphate và glucose, invertase xúc tác các phản ứng thủy phân saccharose thành glucose và fructose. Nguyên sinh chất: là một khối keo cấu tạo bởi protein, lipid, polysaccharid, muối khoáng và nước, nguyên sinh chất có độ nhớt lớn. Ở tế bào trẻ, nguyên sinh chất có cấu tạo đồng nhất, độ nhớt thấp. Ở tế bào già, nguyên sinh chất có những hạt lổn nhổn, trong nguyên sinh chất có những không bào, có ribosome là bộ máy sản xuất protein của tế bào. Nhân tế bào: mỗi tế bào có một nhân hình tròn hoặc bầu dục. Nhân cấu tạo bởi protein, AND, ARN và nhiều enzyme khác nhau. Nhân quyết định tính di truyền và điều khiển mọi hoạt động sống của tế bào nấm men. Không bào: trong mỗi tế bào nấm men có một không bào khá lớn hoặc nhiều không bào nhỏ. Không bào chứa đầy dịch tế bào gồm các chất hữu cơ ở trạng thái keo (protein, glucid, lipid, enzyme) và các chất điện phân ở dạng hòa tan (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-, PO43-). Không bào có thể thay đổi tùy theo tuổi, không bào có chức năng quan trọng là điều hòa áp suất thẩm thấu trong tế bào, là nơi xảy ra quá trình oxy hóa khử và tích lũy nhiều chất dinh dưỡng dự trữ khác nhau. Trong thực tế sản xuất, có thể nhận biết được tế bào nấm men trẻ, trưởng thành, già, chết bằng hình thái vật lý qua kính hiển vi kết hợp với nhuộm màu. Nấm men sử dụng sản xuất ở giai đoạn trưởng thành. Khi nhuộm màu xanh metylen, tế bào trẻ không bắt màu, trong sáng; tế bào già bắt màu xanh nhạt; tế bào chết bắt màu xanh đậm. Ngoài ra theo kinh nghiệm, chúng ta nhìn qua kính hiển vi nếu thấy bề mặt tế bào nấm men nhẵn bóng, đầy đặn là tế bào sống và khỏe mạnh, ngược lại tế bào chết có bề mặt nhăn nheo. 35 1.3. Dinh dưỡng đối với nấm men Nấm men tiếp nhận thức ăn bằng con đường hấp thụ chọn lọc qua màng tế bào và sau đó khuếch tán vào bên trong. Màng tế bào và màng nguyên sinh chất đóng vai trò màng bán thấm, điều hòa việc hấp thu các chất dinh dưỡng vào tế bào và thải ra môi trường xung quanh những sản phẩm của hoạt động sống. Để cho tế bào nấm men hấp thu dễ dàng các chất dinh dưỡng thì các chất dinh dưỡng phải là những chất có phân tử lượng nhỏ, hòa tan được trong nước. Các chất dinh dưỡng khi được tế bào nấm men hấp thụ, qua quá trình trao đổi chất, một phần sẽ được chuyển hóa thành các chất cao phân tử trong tế bào và xây dựng nên tế bào mới. Môi trường dinh dưỡng cho hoạt động của nấm men cũng như các vi sinh vật khác phải đủ các nhóm chất chủ yếu như sau: Nguồn C và năng lượng : glucose, saccharose, tinh bột, rỉ đường. Nguồn N: có thể dùng các hợp chất vô cơ (NH4+ , NO3- ) cũng như các hợp chất hữu cơ (cao ngô, bột đậu tương, bột hạt bông). Trong môi trường phát triển nấm men giống hoặc trong dịch lên men từ nguyên liệu sắn hoặc rỉ đường, lượng N thường không đủ cho nấm men sinh trưởng. Vì vậy, người ta bổ sung lượng N từ 0,15 – 0,2 g/l. Nguồn P : phosphat hoặc acid phosphoric. Nguồn S: thường dùng ở dạng muối sulfat. Nguồn Mg và K thường cung cấp ở dạng cation của các muối phosphat và sulfat. Vitamin và các yếu tố sinh trưởng khác. 2. CHỦNG NẤM MEN THƯỜNG DÙNG TRONG SẢN XUẤT RƯỢU 2.1. Yêu cầu đối với chủng nấm men rượu dùng trong sản xuất - Phát triển nhanh trên môi trường sản xuất. - Có đặc tính sinh lý, sinh hóa ổn định trong thời gian dài. - Chịu đựng được những yếu tố không thuận lợi của môi trường. Đặc biệt là các chất sát trùng, độ pH thấp và nhiệt độ tương đối cao. - Chịu được áp suất thẩm thấu lớn, tức là chịu được nồng độ dịch lên men cao. - Lên men được nhiều loại đường. - Tạo ra nhiều ethanol và ít sản phẩm phụ. Để được chủng nấm men thỏa mãn các yêu cầu trên phải trải qua thời gian tuyển chọn, thuần hóa, gây đột biến, lai ghép. Đồng thời để duy trì được lâu dài các đặc tính tốt của chủng nấm men cần phải giữ giống, cấy chuyền cẩn thận. 2.2. Chủng men thường dùng trong sản xuất rượu tại Việt Nam - Chủng men 396 Trung Quốc (2610), được phân lập từ rỉ đường ở Trung Quốc, có khả năng lên men được đường fructose, glucose, maltose, galactose và 1/3 rafinose; không lên men được đường arabinose, lactose, dextrin. Nhiệt độ thích hợp 330C, pHopt = 4,5 – 5,0; chịu được nồng độ rượu 10%. (nấm men 2610 là loại được thuần hóa từ 396). - Chủng men Я: thích hợp cho việc lên men rỉ đường, chịu áp suất thẩm thấu lớn, lên men được các loại đường: glucose, fructose, saccharose, maltose và 1/3 đường rafinose. - Chủng men T (Việt Nam) phân lập từ rỉ đường đặc 35 ÷ 40 Be và đặt tên T (trời), chủng nấm men này lên men được ở nhiệt độ cao 33 ÷ 37 0C, pH từ 4,5 ÷ 5, 36 nồng độ dịch lên men có thể đạt 18 ÷ 24 % có thể đạt được nồng độ rượu trong dịch lên men là 8 ÷ 12 %, chịu được chất sát trùng với nồng độ 0,02 ÷ 0,025 % so với thể tích dịch lên men, chất sát trùng ở đây là formol hoặc fluorsilicate natri. Kích thước tế bào từ 4 ÷ 5 x 6 ÷ 9 (µm) tế bào có dạng hình trứng, tốc độ phát triển nhanh. - Chủng men XII phân lập được từ nấm men bánh mì. Tế bào có dạng hình tròn hoặc hình ovan, kích thước khoảng 5 x 8 μm. Có thể lên men được các loại đường fructose, glucose, maltose, galactose và 1/3 rafinose. Không lên men được các loại đường lactose, arabinose. Sau khi lên men, nồng độ rượu trong môi trường có thể đạt 13%. Chủng XII được xem là tốt nhất dùng để lên men dịch đường từ tinh bột. 3. NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT ĐỘNG CỦA NẤM MEN 3.1. Nhiệt độ Mỗi loại nấm men đều chịu ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt động sống của chúng theo 3 mức độ khác nhau. Các chủng Saccharomyces có các khoảng nhiệt độ sau: T0opt : 28 ÷ 320C. T0min : 50C T0max : 380C. Khi lên men thì khả năng chịu đựng nhiệt độ sẽ cao hơn, trên 500 C mới chết. Nhiệt độ thích hợp cho vi khuẩn phát triển gần trùng với nhiệt độ thích hợp của nấm men rượu. do vậy không thể dùng yếu tố nhiệt độ để hạn chế mức độ nhiễm khuẩn trong quá trình nuôi cấy hoặc lên men. 3.2. pH Mỗi loại vi sinh vật chỉ có thể hoạt động tốt trong vùng pH nhất định. Nấm men có thể phát triển trong môi trường pH :2 – 8, nhưng phát triển mạnh nhất khi pH :4,5 – 5. Vi khuẩn bắt đầu phát triển ở pH cao hơn 4,2. Do vậy khi môi trường có pH thấp hơn 4,2 thì chỉ có nấm men phát triển. Dựa vào điều kiện này, người ta điều chỉnh pH môi trường có pH :3,8 – 4,0 khi nuôi cấy hoặc lên men để ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn, dẫu rằng nấm men có phát triển chậm hơn so với khi pH :4,5 – 5,0. Để điều chỉnh pH thì có thể dùng một trong các loại acid như: acid lactic, acid sulfuric, acid phosphoric. Khi pH môi trường tăng lên thì nấm men hoạt động yếu dần và môi trường dễ bị nhiễm vi khuẩn, vi khuẩn phát triển rất nhanh. 3.3. Nồng độ rượu Mục đích của quá trình nuôi cấy nấm men là tạo điều kiện cho nấm men phát triển để đạt số lượng nấm men theo yêu cầu (tức là tăng sinh khối). Trong quá trình nuôi cấy nấm men có thể tạo ra một lượng rượu, lượng rượu tích lũy nhiều hay ít phụ thuộc vào mức độ đảm bảo ôxy cho quá trình nhân men và loại nấm men. Lượng rượu tạo ra trong môi trường có ảnh hưởng không tốt tới khả năng phát triển của nấm men. Khi lượng rượu trong môi trường đạt 1% thì tỷ lệ nấm men nảy chồi giảm còn 83%; khi nồng độ rượu 2 % thì sự sinh sản của nấm men chậm dần, khi 5% thì nấm men ngừng phát triển. Vì vậy, để bảo đảm cho nấm men phát triển bình thường thì cần tìm biện pháp để hạn chế lượng rượu sinh ra như sục khí, khuấy trộn,... 37 3.4. Sục khí, đảo trộn Sục khí hoặc đảo trộn nhằm mục đích cung cấp khí ôxy cho quá trình hô hấp của nấm men, để tăng sinh khối. Sục khí và đảo trộn còn có tác dụng làm cho môi trường ở trạng thái chuyển động, nấm men luôn chuyển động trong môi trường nên tế bào nấm men có thể hấp thu được nhiều chất dinh dưỡng và phát triển nhanh, nhờ đó rút ngắn được thời gian nuôi cấy. Trong thực tế sản xuất cho thấy rằng nếu trong quá trình nuôi cấy nấm men có sục khí và đảo trộn đầy đủ sẽ rút ngắn được 1/3 thời gian nuôi cấy so với khi nuôi cấy thiếu không khí. Khi thiếu không khí thì nấm men sẽ chuyển dần sang hô hấp kỵ khí, sinh ra rượu, làm giảm hoặc ngừng sự phát triển của nấm men. 3.5. Các yếu tố khác 3.5.1. Chất sát trùng Trong sản xuất, chất sát trùng được sử dụng để sát trùng môi trường nuôi cấy nhằm ngăn ngừa các vi sinh vật lạ phát triển. Hiện nay trong sản xuất người ta thường dùng hai loại hóa chất để ngăn ngừa vi sinh vật lạ phát triển trong rượu đó là: formol và fluoro silicat natri. Tỷ lệ dùng nhiều hay ít tùy theo chất lượng hóa chất, nhưng yêu cầu đối với hóa chất là phải hạn chế sự phát triển của vi sinh vật lạ, nhưng không ảnh hưởng xấu đến sự hoạt động của nấm men nuôi cấy. 3.5.2. Muối của kim loại nặng Môi trường có chứa nhiều loại muối kim loại nặng như: Pb, Hg, Ba... sẽ hạn chế sự phát triển của nấm men. Vì vậy, phải chú ý đến chất lượng của nước sử dụng. 4. NUÔI CẤY NẤM MEN GIỐNG Nấm men giống thường được chuẩn bị theo hai giai đoạn: giai đoạn trong phòng thí nghiệm đến 10 lít và giai đoạn trong sản xuất, nhân giống đến số lượng đủ 10% so với thùng lên men. 4.1. Nuôi cấy nấm men trong phòng thí nghiệm Nhân giống này gọi là nuôi cấy nấm men thuần khiết. Môi trường nuôi cấy phải đầy đủ chất dinh dưỡng và được tiệt trùng. Nếu có điều kiện thì môi trường từ 10 ml đến 1 lít nên chuẩn bị từ hỗn hợp nhiều nguyên liệu khác nhau: khoai tây, bột ngô, gạo nếp …Để đơn giản hiện nay, môi trường có thể chỉ dùng malt đại mạch. 4.1.1. Chuẩn bị dịch đường hóa từ malt Bột malt đại mạch trộn với nước theo tỷ lệ nước/malt là 5/1 rồi khuấy đều, tăng dần nhiệt độ lên đến 48 – 530C, giữ trong thời gian 20 – 30 phút tạo điều kiện cho protease thủy phân protein thành các acid amin. Tiếp đó tăng dần nhiệt độ lên đến 60 – 620C và giữ trong 30 phút để đường hóa. Có thể bổ sung chế phẩm enzyme đường hóa để tăng tốc độ đường hóa và tạo ra một lượng glucose trong dịch đường. Đường hóa xong thì nâng nhiệt độ lên 70 – 750C cho tới khi đường hóa hoàn toàn. Đường hóa xong thì đem lọc và dùng nước và acid để điều chỉnh nồng độ dịch đường cho đạt 12 – 14%, pH = 4,5 – 5,0. Sau khi điều chỉnh đạt yêu cầu thì phân phối thể tích dịch đường vào ống nghiệm mỗi ống là 10 ml, cho vào bình tam giác loại 250 ml mỗi bình là 90 ml và vào bình cầu mỗi bình 900 ml. Dùng bông không thấm nước để nút các ống nghiệm và các bình lại rồi đem hấp tiệt trùng ở áp suất (dư) là 0,5 – 0,7 kG/cm2 trong 30 phút. 38 Chú ý: Trước khi phân phối dịch đường vào các bình ta phải điều chỉnh nồng độ 12 Bx, pH = 4,5. Đối với môi trường nuôi cấy 10 lít thì có thể lấy dịch đường hóa trong sản xuất, lọc bỏ bã thô rồi tiệt trùng như trên. Yêu cầu nồng độ đường trong dịch nuôi cấy nấm men phải đạt trên 60 g/lít. Nếu chuẩn bị môi trường thạch để giữ giống thì tiến hành như sau: Lấy 500 ml dịch đường hóa của malt hoặc của nấm mốc vàng sau khi đã điều chỉnh (nồng độ 12 – 12,5 Bx, pH = 4,5 – 5) trộn đều với 100g khoai tây đã luộc chín, bóc vỏ, nghiền nhỏ, lọc. Cho vào nước lọc đó 10 g thạch (agar - agar), phân phối vào các ống nghiệm, đậy nút bông và hấp thanh trùng ở 1200C, thời gian 30 phút. Đặt ống nghiệm nằm nghiêng, chú ý không để môi trường chạm nút bông. Khi nguội môi trường đóng rắn lại ta được môi trường thạch nghiêng. 4.1.2. Nuôi cấy và nhân giống nấm men trong phòng thí nghiệm Men giống được nuôi cấy ở môi trường cố thể (thạch nghiêng). Khi đã có men giống và đã chuẩn bị môi trường xong, ta bắt đầu tiến hành giai đoạn cấy truyền nấm men giống từ môi trường thạch nghiêng sang môi trường dịch thể 10 ml (trong ống nghiệm), dùng que cấy đã sát trùng kỹ để cấy chuyền. Sau đó chuyển ống nghiệm đã cấy men vào trong tủ ấm, duy trì nhiệt độ từ 28 ÷ 32 0C và giữ trong thời gian 20 ÷ 24 h. Sau thời gian đó thì ta chuyển nấm men từ ống nghiệm 10 ml sang bình tam giác 100 ml đã có môi trường chuẩn bị sẵn và nuôi trong thời gian 12 h. Sau đó lại chuyển nấm men từ môi trường 100 ml sang bình nuôi cấy 1000 ml cũng đã chứa môi trường dinh dưỡng đã được chuẩn bị từ trước, thời gian nuôi cấy 12h. 4.2. Nuôi cấy nấm men trong sản xuất 4.2.1. Chuẩn bị môi trường Môi trường nuôi cấy trong sản xuất thường lấy trực tiếp ở thùng đường hóa, nhưng cần đường hóa thêm để bảo đảm hàm lượng đường lớn hơn 60 g/l. 4.2.2. Nuôi cấy và nhân giống nấm men trong sản xuất Nhân giống có thể tiến hành gián đoạn, bán liên tục hoặc liên tục. Sau đây là sơ đồ và cách tiến hành gây men bán liên tục ở Công ty Rượu Đồng Xuân Phú Thọ. Dịch đường hóa được cho vào thùng đường hóa thêm 2 và duy trì đường hóa tiếp theo khoảng 1,5 – 2 giờ. Sau đó dùng dịch acid sunfuric điều chỉnh đến pH = 4,0 – 3,8, rồi dùng hơi tăng nhiệt độ 85 – 86oC để thanh trùng 1 giờ. Tiếp theo dùng nước làm lạnh đến nhiệt độ 30oC, tháo xuống thùng 3 hay 4 cùng với men giống ở thùng 1. Ở thùng 3 hoặc 4, nấm men sẽ phát triển gián đoạn và kéo dài khoảng 15 đến 18 giờ. Nhiệt độ được điều chỉnh bằng dội nước lạnh bên ngoài thùng. Song song với sự phát triển nấm men ở thùng 3 hoặc thùng 4, ở thùng 2 tiếp tục lấy dịch đường hóa vào và cũng tiến hành đường hóa thêm và xử lý như trên. Sau 15 – 18 giờ phát triển, người ta chia dịch men giống chứa đều ở 3 và 4 rồi cũng chia dịch đường ở 2 vào 3 và 4 và để cho nấm men phát triển thêm 5 - 8 giờ. Vì lúc này lượng men ở thùng 3 và 4 chiếm đến 50%. Sau 5 - 8 giờ men giống ở thùng 3 và 4 đã chuẩn bị xong, tháo 50% lượng men ở thùng 3 và 4 vào thùng lên men rồi lại cho tiếp dịch đường đã chuẩn bị ở thùng 2 vào, và cứ thế tiếp tục. Chất lượng lên men giống được xem là bình thường nếu thỏa mãn các điều kiện sau: 39 Dịch đường 2 1 Hơi Hơi 4 3 Hơi Hơi Đi vào thùng lên men Hình 4.1. Sơ đồ nuôi cấy men giống bán liên tục 1. Thùng gây men 150 l cấp 1 chứa 100 l dịch. 2. Thùng đường hóa thêm và xử lý dịch đường. 3,4. Hai thùng gây men cấp II có dung tích bằng dung tích thùng đường hóa thêm và đều bằng 10% so với thùng lên men. - Số tế bào trong 1 ml chiếm 100 – 120 triệu, - Số tế bào nẩy chồi chiếm 10 -15%, - Số tế bào chết không quá 5%, - Độ chua dịch men giống tăng không quá 0,1o, tương đương 0,25 g H2SO4/l so với độ chua dịch đường trước khi lên men (pH ~ 4,0), - Mức nhiễm khuẩn không quá 1 con trong kính trường có độ phóng đại 400 lần. Khi mức nhiễm khuẩn vượt quá giới hạn cho phép, ta phải thay men giống bằng cách gây từ bình 10 lít vào thùng 1. Thời gian phát triển giống ở thùng 1 là gián đoạn và cũng kéo dài 15 – 18 giờ, còn phát triển men giống ở thùng 3 và 4 là liên tục. Vì vậy sơ đồ trên được gọi là gây men giống bán liên tục. 40 5. Những hiện tượng bất thường xảy ra khi nhân giống nấm men và cách xử lý Hiện tượng Nguyên nhân Biện pháp xử lý - Nấm men phát triển chậm, tế bào men bình thường. - Nhiệt độ quá thấp, ≤ 25oC. - Điều chỉnh lại nhiệt độ thích hợp. - Lượng nấm men ban đầu ít. - Tăng thêm số lượng men giống. - Điều chỉnh tốc độ và lưu lượng - Không khí cung cấp ít. không khí vào. - Điều chỉnh nồng độ thích hợp bằng - Nồng độ môi trường quá nước vô trùng. đặc. - Số lượng nấm men nhiều nhưng già, không đều. - Nhiệt độ quá cao, ≥ 38oC. - Thông khí quá nhiều, môi trường nghèo dinh dưỡng. - Thời gian nuôi kéo dài. - Nấm men phát triển chậm, tế bào không đều. - Môi trường không đạt tiêu chuẩn. - Độ acid tăng do bị nhiễm khuẩn. - Do ảnh hưởng chất sát trùng hoặc yếu tố vi lượng nào đó. - Nấm men nguyên chủng bị thoái hóa. - Hạ nhiệt độ, tiếp thêm môi trường mới - Giảm bớt tốc và lượng không khí cho vào. Cho thêm dinh dưỡng và nấm men giống. - Đảm bảo đúng thời gian qui định. - Kiểm tra lại chất lượng môi trường. Điều chỉnh lại các yếu tố: đường, dinh dưỡng khác. - Trường hợp này không sử dụng vào sản xuất mà cho vào thùng lên men cuối. Tổ chức kiểm tra kỹ từ môi trường, men giống và các yếu tố liên quan. Câu hỏi ôn tập chương 4 Câu 1: Các nhóm chất cần thiết cho dinh dưỡng của nấm men? Câu 2: Có phương pháp nào để nhận biết tế bào nấm men trẻ, tế bào nấm men già, tế bào nấm men chết? Câu 3: Yêu cầu đối với chủng nấm men rượu dùng trong sản xuất? Giải thích ảnh hưởng của áp suất thẩm thấu đối với hoạt động sống của nấm men? Câu 4: Những yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động sống của nấm men? Giải thích sự ngừng phát triển của nấm men khi nồng độ rượu là 5 %? Câu 5: Chuẩn bị dịch đường hóa từ malt để nuôi cấy nấm men trong phòng thí nghiệm như thế nào? Câu 6: Phương pháp nuôi cấy và nhân giống men trong phòng thí nghiệm? Câu 7: Vẽ sơ đồ và trình bày nuôi cấy, nhân giống nấm men trong sản xuất? Có những hiện tượng bất thường gì trong quá trình nuôi cấy, nhân giống nấm men trong sản xuất? Nguyên nhân và biện pháp khắc phục? 41 Chương 5. LÊN MEN RƯỢU Lên men là quá trình trao đổi chất giữa tế bào vi sinh vật với môi trường xung quanh, trong đó các hợp chất hữu cơ (chủ yếu là đường bị thay đổi cấu trúc dưới tác dụng của các enzyme vi sinh vật). Lên men rượu bởi nấm men rượu thuộc loại lên men kỵ khí, sản phẩm chủ yếu là ethanol, nên thường được gọi là lên men rượu hay còn gọi là rượu hóa, cồn hóa. Lên men rượu là giai đoạn quan trọng nhất trong quá trình sản xuất rượu, dịch lên men sau khi tiến hành quá trình lên men xong gọi là dịch lên men kết thúc (còn gọi là dấm chín). Gọi dấm chín là vì trong dịch lên men kết thúc, hàm lượng rượu 6 ÷ 10% thích hợp cho quá trình lên men acid acetic (dấm). 1 .CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA SỰ LÊN MEN RƯỢU 1.1. Cơ chế hóa học của quá trình lên men rượu Quá trình lên men rượu là quá trình biến đổi đường dưới tác dụng của các hệ enzyme khác nhau để tạo thành một loạt chất trung gian trong đó, giai đoạn trung gian quan trọng là biến thành acid piruvic (CH3- CO - COOH). Từ acid piruvic trong điều kiện thiếu O2 sẽ hình thành nên ethanol và một số sản phẩm khác tùy theo điều kiện lên men. 1.1.1. Lên men rượu bình thường Lên men rượu bình thường xảy ra trong điều kiện pH từ 4 ÷ 5, trong điều kiện này thì acid piruvic sẽ bị khử nhóm CO2 (nhóm cacboxyl) để tạo thành acetaldehyd dưới tác dụng của piruvic decacboxylase: - CO2 CH3-CO-COOH CH3 - CHO pyruvic decarboxylase Dưới tác dụng của alcoldehydrogeneza, H2 được chuyển đến acetaldehyd tạo thành rượu: CH3-CH2-OH CH3CHO NADH2 NAD Sự lên men rượu bình thường có thể chia làm hai giai đoạn: - Giai đoạn cảm ứng: Ở giai đoạn này acetaldehyd được tạo thành rất ít. Khi đó H2 được chuyển đến glycerin aldehyd phosphat và được phosphatase xúc tác thủy phân tạo thành glycerin, trong môi trường lên men lúc này có glycerin aldehyd và CO2. - Giai đoạn tĩnh: Khi lượng acetaldehyd đạt đến một số lượng nào đó, thì chất tiếp nhận H2 lúc này là acetaldehyd và nó bị khử tạo thành ethanol. Trong giai đoạn lên men rượu bình thường thì ethanol tạo thành chủ yếu còn glycerin tạo ra rất ít. Tổng quát: Quá trình lên men rượu bình thường có thể mô tả như sau: zymase 2CH3CH2OH + 2CO2 + 28,2 kcal. C6H12O6 42 1.1.2. Sự chuyển hướng sang glycerin Việc chuyển hướng quá trình lên men rượu tạo glycerin có thể tạo thành bằng cách: Giữ lại hoặc loại trừ acetaldehyd thì quá trình lên men rượu không thực hiện được mà sẽ hướng sang tạo glycerin. Có thể thực hiện như sau: Cách 1: Cho vào trong môi trường muối bisunfit natri (NaHSO3), muối này sẽ kết với acetaldehyd tạo thành một hợp chất khó tan. OH NaHSO3 + CH3CHO → CH3 CH SO3Na Sản phẩm tạo thành không còn khả năng tiếp nhận H2, nên chất nhận H2 lúc này và glycerin aldehyd-3P và sau đó tạo ra glycerin. Trong môi trường rỉ đường chứa 10% đường thì sau 2 - 3 ngày lên men bởi nấm men, có bổ sung biunfit natri thì sẽ tạo 3% glycerin so với lượng đường đã dùng là khoảng 30 %. Cách 2: Loai bỏ acetaldehyd qua phản ứng hóa hai phân tử acetaldehyd thành ethanol và acid acetic trong môi trường kiềm. Môi trường kiềm được tạo ra bằng cách cho soda (Na2CO3) vào với tỷ lệ 5 %. Phản ứng hóa hai (vừa bị ôxy hóa vừa bị khử) của aldehyd acetic như sau: CH3CHO + H2O + NAD → NADH2 + CH3COOH NAD + CH3CH2OH CH3CHO + H2O → 2 CH3CHO + H2O → CH3CH2OH + CH3COOH Do acetaldehyd bị mất cho phản ứng hóa hai này nên chất tiếp nhận H2 ở đây cũng là glycerin aldehyd-3-phosphat. 1.2. Cơ chế hóa lý của sự lên men rượu Để lên men dịch đường người ta phải cho vào trong dịch đường 1 lượng tế bào nấm men nhất định. Theo các phương pháp lên men khác nhau thì lượng nấm men cho vào sẽ khác nhau, thông thường khi lên men, lượng tế bào nấm men phải đạt trên 100 triệu tế bào/1ml nấm men trao đổi chất qua bề mặt tế bào, trung bình 1 g nấm men thì có bề mặt 7000 cm2 nhờ có diện tích bề mặt tế bào lớn. Nấm men sử dụng các chất dinh dưỡng có trong dịch nấm men chủ yếu là đường để biến đổi thành ethanol và khí CO2 nhờ tác dụng của zymase. Ethanol tạo thành sẽ khuyếch tán nhanh vào trong môi trường. Khí CO2 cũng hòa tan được trong nước nhưng độ hòa tan không lớn, độ hòa tan CO2 trong nước ở áp suất 760 mmHg, nhiệt độ 25 ÷ 300C là 0,856 ÷ 0,837 lít CO2/lít nước. Độ hòa tan của CO2 trong rượu cao hơn trong nước 3 lần. Khi CO2 hòa tan trong nước đạt trạng thái bão hòa thì khí CO2 sinh ra sẽ bám quanh tế bào nấm men và các chất lơ lửng khác và hình thành nên những bọt khí, các bọt khí này lớn dần lên tới mức độ nhất định thì sẽ lôi kéo các tế bào nấm men cùng các chất lơ lững nổi lên trên bề mặt dung dịch. Khi đến bề mặt dung dịch thì vỡ ra, khí CO2 thoát ra ngoài, nấm men lại chìm xuống, quá trình này cứ tiếp diễn liên tục như vậy nên làm cho tế bào nấm men chuyển động liên tục trong môi trường và do đó làm tăng cường sự tiếp xúc giữa tế bào nấm men với môi trường lên men, nghĩa là quá trình trao đổi chất được thực hiện, vì vậy quá trình lên men diễn ra nhanh. Sự thoát khí CO2 ra ngoài có liên quan đến trạng thái môi trường và nồng độ môi trường lên men. Nếu trong môi trường lên men còn chất lơ lửng và chiều cao của 43 bề mặt lên men thấp, diện tích bề mặt lên men lớn thì tốc độ thoát khí CO2 lớn, thời gian lên men sẽ rút ngắn. 1.3. Các giai đoạn lên men rượu Tốc độ quá trình lên men dịch đường xác định bằng cách xác định thay đổi hàm lượng đường trong dịch lên men hoặc hàm lượng khí CO2 tạo thành theo thời gian. Ngoài ra còn có thể căn cứ vào hàm lượng rượu và lượng nhiệt sinh ra để xác định tốc độ lên men. Khi nghiên cứu tốc độ lên men rượu của nấm men người ta chia quá trình lên men thành 3 giai đoạn: giai đoạn lên men đầu, giai đoạn chính và giai đoạn lên men cuối. 1.3.1.Giai đoạn lên men đầu Trong thời kỳ lên men đầu, nấm men làm quen với môi trường lên men và sử dụng đường để tăng sinh khối là chính, lượng đường ở thời kỳ này tiêu hao rất ít, lượng rượu sinh ra không đáng kể, nhiệt độ của dịch lên men tăng lên không đáng kể. Trong điều kiện sản xuất, tùy theo phương pháp lên men và giai đoạn lên men đầu có thể phát hiện được hay không. Ưu điểm: Ở phương pháp lên men gián đoạn, tỷ lệ nấm men sử dụng từ 10 ÷ 15% so với dịch đường thì thời gian lên men đầu từ 6 - 8h. Nếu lên men theo phương pháp chuyển tiếp (rót dần) cho đến đầy thùng thì lượng nấm men sử dụng khoảng từ 5 ÷ 10% thể tích thùng. Trong trường hợp này thì thời gian lên men đầu phụ thuộc vào thời gian rót đầy thùng. Thông thường 4 ÷ 6 h. Đối với lên men dịch rỉ đường, trong giai đoạn đầu, có thể sục không khí vô trùng vào thùng lên men để nấm men phát triển nhanh. 1.3.2. Giai đoạn lên men chính Đây là thời kỳ biến đổi sâu sắc nhất các thành phần trong dịch lên men, tốc độ giảm hàm lượng đường theo thời gian trong giai đoạn này là lớn nhất, nhiệt tỏa ra nhiều nhất nên làm cho nhiệt độ của thùng lên men ở thời kỳ này tăng cao. Vì vậy, cần phải có biện pháp làm nguội dịch lên men, để bảo đảm nhiệt độ thích hợp, thời gian lên men chính kéo dài trong khoảng 20 ÷ 24h, có khi 12 ÷ 14h. 1.3.3. Giai đoạn lên men cuối Tốc độ lên men ở thời kỳ này chậm, trong thời gian lên men cuối do hàm lượng đường trong dịch nấm men giảm, tế bào nấm men già hoặc suy yếu, nên làm cho tốc độ lên men chậm. Trong trường hợp lên men dịch đường hóa từ tinh bột thì dịch lên men lúc này hầu như chỉ còn lại dextrin và tinh bột, muốn chúng lên men được phải chuyển thành đường maltose, muốn đạt được yêu cầu này ta cần bổ sung chế phẩm dextrinase. Giai đoạn lên men này có ảnh hưởng đến hiệu suất lên men của nhà máy sản xuất rượu. Mặc dù tốc độ lên men chậm nhưng nếu bỏ qua thì sẽ làm giảm hiệu suất lên men và giảm hiệu suất thu hồi. 1.4. Sự tạo thành rượu bậc cao Rượu bậc cao là các rượu có số nguyên tử C trong phân tử lớn hơn 2; là những sản phẩm phụ quan trọng của quá trình lên men rượu. Rượu bậc cao tuy trong dịch lên men ít, khoảng 0,1 ÷ 0,5%, nhưng nếu vào rượu sản phẩm thì sẽ ảnh hưởng xấu đến mùi vị sản phẩm. Hỗn hợp rượu bậc cao có tên gọi chung là dầu fusel, còn gọi là dầu khét, có mùi rất khó chịu, kém tan trong nước. Nguồn gốc tạo thành rượu bậc cao là do các acid amin có sẵn trong môi trường 44 hoặc do phản ứng thủy phân protein, polypeptid khi nấm men thoái hóa, tự phân hủy. Sự hình thành rượu bậc cao có thể diễn ra như sau: Đầu tiên acid amino bị mất H2 tạo thành acid imino. R - CHNH2 - COOH → R - CNH - COOH Tiếp theo acid imino kết hợp nước tạo xeto acid, giải phóng NH3 R - CNH - COOH + H2O → R - CO - COOH + NH3. Dưới tác dụng xúc tác của carboxylase ceto acid bị mất CO2 và tạo thành aldehyd R - CO - COOH → RCHO Từ aldehid có thể tạo ra rượu (bị khử) hoặc tạo ra acid tương ứng (bị oxy hóa) +H2 RCHO RCH2OH + O2 Phương trình tổng quát tạo thành rượu bậc cao từ acid amino có dạng: R - CHNH2 - COOH RCH2OH + NH3 + CO2. 2. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ LÊN MEN 2.1. Nhiệt độ Nhiệt độ thích hợp cho nấm men Sacharomyces phát triển là 28 ÷ 320C nhưng nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men là khoảng 200C. Vì vậy khi lên men dịch đường, nếu có điều kiện thì nên tiến hành ở 200C. Ở nhiệt độ này thì hoạt lực của nấm men cao, đồng thời còn hạn chế được sự phát triển của tạp khuẩn, sau 8 ÷ 10h lên men thì nhiệt độ của dịch lên men sẽ tăng dần lên và đạt 28 ÷ 300C, tiếp đó cần vận hành hệ thống cấp lạnh để duy trì ổn định nhiệt độ lên men. Nhiệt độ lên men cao thì hoạt lực của nấm men giảm nhanh, tạp khuẩn và nấm men dại phát triển thuận lợi; khi đó tốc độ phát triển của nấm men dại có thể cao hơn của nấm men giống nhiều lần. Ở 300C thì men dại phát triển nhanh hơn Sacharomyces từ 2 - 3 lần, ở 380C thì phát triển nhanh 6 ÷ 8 lần, men dại còn lên men được ở nhiệt độ 42 ÷ 450C, ở 60 ÷ 650C vẫn còn nhiều men dại sống sót. Lên men ở nhiệt độ cao cũng tạo ra nhiều ester, aldehyde. 2.2. pH Trong lên men rượu, pH thích hợp cho nấm men hoạt động là 4,5 ÷ 5. Đối với dịch đường thủy phân từ nguyên liệu tinh bột thì pH nên ở 4,3 ÷ 5,2 để amylase tiếp tục quá trình thủy phân. Trong quá trình lên men rượu, không nên để pH ở mức cao. pH càng cao thì glycerin và acid tạo ra càng nhiều, làm giảm hiệu suất lên men, môi trường dễ bị nhiễm tạp khuẩn. Khi pH từ 4 ÷ 4,2 thì nấm men vẫn phát triển và lên men được nhưng phần lớn vi khuẩn bị vô hoạt. 2.3. Nồng độ dịch lên men Nồng độ chất khô của dịch lên men cần khống chế trong khoảng 16 ÷ 18%, tương đương khoảng 13 ÷ 15% đường, để khi lên men đạt được nồng độ rượu trong dấm chín 8,5 ÷ 9,5% V. Không nên lên men với nồng độ dịch lên men quá cao (trên 22%) vì áp suất thẩm thấu lớn làm mất cân bằng sinh lý nấm men; cũng không nên lên men với nồng độ dịch lên men thấp vì hàm lượng rượu tạo ra trong dấm chín sẽ ít, dẫn đến giảm năng suất thiết bị, đồng thời tốn nhiều nhiệt khi chưng cất. Ethanol tạo thành khi lên men cũng ảnh hưởng đến khả năng sinh trưởng của 45 nấm men. 2.4. Chất sát trùng Trong điều kiện sản xuất, rất khó đảm bảo yêu cầu vô trùng. Vì vậy, để ngăn ngừa và hạn chế sự xâm nhập và phát triển của các vi sinh vật lạ cần phải dùng các chất sát trùng (formalin hay fluoro silicat natri). Tuy nhiên, nồng độ cao sẽ ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của nấm men. Vậy chúng ta cần điều chỉnh nồng độ hợp lý, nồng độ các chất sát trùng từ 0,020 ÷ 0,025%. 3. PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN DỊCH ĐƯỜNG HÓA TINH BỘT 3.1. Lên men theo phương pháp gián đoạn Tất cả các giai đoạn lên men đều diễn ra trong cùng một thiết bị. Quá trình công nghệ được tiến hành như sau 3.1.1. Chuẩn bị thùng lên men Trước khi sử dụng, thùng lên men phải được vệ sinh, sau đó mở van hơi nước để sát trùng, duy trì nhiệt độ sát trùng 95 – 100oC trong thời gian 45 – 60 phút. Nếu thùng lên men bị nhiễm khuẩn nặng thì dùng các chất sát trùng như formalin, clorua vôi…kết hợp dùng hơi nhiệt. Phổ biến nhất là dùng formalin với tỉ lệ 0,03 - 0,05% so với thể tích thùng lên men. Cho formalin vào thùng xong, ta mở hơi nước để nâng nhiệt độ dung dịch formalin lên 55 – 60oC và giữ trong 60 – 90 phút. Tiếp đó lại nâng nhiệt độ lên 95 – 100oC trong 45 – 60 phút. Sau khi sát trùng xong, mở nước làm nguội thùng xuống đến 35 – 37oC, đồng thời mở van xả, tháo bỏ toàn bộ nước trong thùng. Kiểm tra tất cả các bộ phận liên quan đến thiết bị lên men như các van đường ống, hệ thống dẫn hơi, khí nén hoặc cánh khuấy. Chú ý đóng các van ở đáy thùng. 3.1.2 Tiến hành lên men Cho một lượng nấm men giống nuôi cấy thuần khiết, khoảng 5 – 10% (so với thể tích thùng) vào trước trong thùng đã được chuẩn bị sẵn. Có thể cho dịch nấm men vào đồng thời với việc chuyển dịch đường vào hoặc có thể cho dịch đường vào đạt mức yêu cầu rồi mới cho dịch nấm men vào. Ở giai đoạn đầu lên men, có thể sục khí để thúc đẩy quá trình phát triển của nấm men. Mặc dù không khí đã được sát trùng kỹ nhưng trong dịch lên men vẫn có thể có tạp khuẩn, đặc biệt là vi khuẩn hiếu khí. Ngày nay, người ta ít dùng phương pháp sục khí ở giai đoạn lên men đầu, thời gian lên men có thể dài hơn nhưng kết quả lên men tốt hơn. Thời gian lên men dài hay ngắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có các yếu tố môi trường như : nhiệt độ, pH,… - Nhiệt độ lên men càng cao thì thời gian lên men càng ngắn nhưng tổn thất đường tăng. Kinh nghiệm khống chế nhiệt độ lên men như sau: sau 8 – 12h kể từ lúc cho nấm men và dịch đường vào đầy thùng (tức là kết thúc giai đoạn lên men đầu, chuyển sang giai đoạn lên men chính) người ta mở nước làm nguội và lưu lượng tăng dần theo thời gian lên men chính. Tóm lại là phải khống chế nhiệt độ lên men chính trong suốt quá trình lên men ổn định. Nhiệt độ lên men tốt nhất là 28 – 30oC. - pH môi trường: Trong quá trình lên men, trị số pH giảm dần. Trường hợp lên men bình thường, pH giảm khoảng 0,2 – 0,3 so với ban đầu. Nếu pH thay đổi đột ngột là hiện tượng lên men không bình thường. 46 Nếu lên men chậm hoặc nhiễm khuẩn nhẹ thì tiếp tục thêm men giống, nâng nhiệt độ lên men một ít. Nếu nhiễm khuẩn nặng thì đối với các thiết bị mới lên men thì nâng nhiệt sát trùng, tiếp thêm men giống. Nếu các thiết bị lên men đã lâu, đạt được chỉ tiêu lên men thì ưu tiên đem chưng cất trước hoặc đem phối vào các thùng lên men gần kết thúc. Thông thường, trong suốt thời gian lên men, cứ 6 - 8h thì lấy mẫu kiểm tra 1 lần, kiểm tra các chỉ tiêu như: độ acid, đường khử, chất lượng nấm men,…Từ kết quả kiểm tra, điều khiển quá trình lên men 1 cách đều đặn, đúng yêu cầu kỹ thuật. Khi kết quả 2 lần kiểm tra thay đổi không đáng kể thì có thể xem như quá trình lên men kết thúc và chuyển đến bộ phận chưng cất. Sau khi chuyển xong dấm chín, ta phải làm vệ sinh và sát trùng thùng lên men, sẵn sàng cho lần lên men kế tiếp. 3.1.3. Ưu và nhược điểm * Ưu điểm - Thao tác của công nhân đơn giản. - Nếu có sự cố chỉ xảy ra trong 1 thùng. * Nhược điểm - Chu kỳ lên men dài do đó cần nhiều thùng lên men, số lượng thùng lên men nhiều hơn 20 – 30% so với các phương pháp lên men khác. - Hiệu suất lên men không cao, không ổn định. - Số lượng thiết bị nuôi cấy men giống cũng nhiều hơn các phương pháp khác. - Tốn nhiều năng lượng để vệ sinh, sát trùng, khuấy trộn. Tóm lại, phương pháp lên men gián đoạn có nhiều nhược điểm, trong đó nhược điểm chủ yếu là chu kỳ lên men dài, hiệu suất lên men thấp, chất lượng không ổn định. 3.2. Phương pháp lên men chu kỳ Phương pháp lên men chu kỳ là một trong những dạng lên men bán liên tục. Giai đoạn lên men chính thực hiện liên tục, giai đoạn lên men cuối thực hiện gián đoạn. Số lượng thùng lên men đối với phương pháp lên men chu kỳ phải nhiều hơn 6 thùng. Bắt dầu chu kỳ thứ nhất được tiến hành như sau: Dịch men giống từ thùng (1) cho xuống thiết bị lên men thứ nhất (2)1 với tỷ lệ 8 - 15% (so với thể dịch lên men). Tiếp đó bơm dịch đường vào đầy thùng (2)1. Khi thùng lên men (2)1 đã đầy, ta chuyển một nửa sang thùng lên men (2)2 và tiếp tục chuyển dịch đường hóa vào đầy cả 2 thiết bị (2)1 và (2)2. Khống chế thời gian sao cho khi đầy cả 2 thiết bị thì kết thúc quá trình lên men chính, thường gọi là 2 thùng lên men đầu dây. Khi cả 2 thùng đã đầy (lên men chính xong) thì mở van cho tự chảy sang thiết bị (thùng) lên men (2)3 và cứ như thế cho đến thùng lên men thứ 7, thứ 8. Khống chế thời gian sao cho khi chảy từ thùng thứ 2 đến thùng thứ 8 đạt từ 60 – 62h lên men. Giữ ở các thùng một thời gian để lên men cuối kết thúc, đạt tiêu chuẩn dấm chín, đưa đi cất rượu. Tuần tự cất rượu từ thùng thứ 8, thùng thứ 7,… cho đến thùng thứ 1 là kết thúc 1 chu kỳ. Chu kỳ mới được thiết lập từ thùng thứ 8, thứ 7. Lúc này 2 thùng này đóng vai trò là 2 thùng lên men đầu dây và cách tiến hành như ở chu kỳ đầu. 47 1 Hơi Nước (2)1 (2)4 (2)5 (2)8 Hơi Nước Hình 5.1. Sơ đồ hệ thống lên men theo phương pháp chu kỳ dịch cháo; nấm men; dấm chín Trước khi cất rượu, người ta thu hồi lượng nấm men ở thùng (2)8 đưa về thùng phát triển men giống để xử lý acid rồi tiếp tục phát triển, dùng cho chu kỳ tiếp. Trường hợp lên men bình thường, người ta sử dụng ngay nấm men của thùng lên men thứ nhất (2)1 đưa lên thùng gây men 1 tiếp thêm môi trường dinh dưỡng để phát triển theo yêu cầu sản xuất. Việc sử dụng men lại phải rất thận trọng, kiểm tra xem xét kịp thời và không dùng lại quá 5 lần. Ở các thùng đầu, lượng nấm men rất lớn nên coi như không có giai đoạn lên men đầu và ngay cả giai đoạn lên men chính cũng xảy ra rất nhanh, kết thúc giai đoạn lên men chính ở thùng thứ 2. * Ưu điểm: - Rút ngắn chu kỳ lên men, bảo đảm được thời gian lên men cuối, nâng cao được hiệu suất lên men. - Nếu có 2 hệ thống lên men thì vấn đề công nghệ và tổ chức đơn giản hơn. * Nhược điểm Phải bố trí chế độ vệ sinh, sát trùng nghiêm ngặt để tránh nhiễm trùng hàng loạt. 3.3. Lên men theo phương pháp liên tục 3.3.1. Đặc điểm - Các giai đoạn lên men rải đều trong các thiết bị lên men có liên hệ với nhau. - Hệ thống lên men liên tục thường có 11 - 12 thùng, các thùng được nối với nhau bằng các ống chảy chuyền có đường kính 15 - 20 cm, có van điều chỉnh. - Thể tích thùng lên men phụ thuộc vào năng suất nhà máy. Thùng phát triển nấm men nhỏ có thể tích bằng 1/4 thùng lên men giống. Còn thể tích thùng lớn thì có thể tích bằng 35 ÷ 40% thể tích của thùng lên men đầu dây. 48 CO2 1 7 2 3b 3a 5 4 4 6 Hình 5.2. Hệ thống lên men liên tục dịch đường hóa tinh bột 1. Thùng phát triển men nhỏ 2. Thùng phát triển men lớn 3. Thùng lên men đầu dây (3a, 3b) 4. Thùng lên men tiếp tục 5. Bơm chuyển thùng đầu dây 6. Bơm chuyển thùng lên men tiếp tục 7. Thiết bị thu hồi cồn trong CO2. - Hai thùng lên men đầu dây 3a, 3b có chiều cao lớn hơn các thùng lên men tiếp tục từ 0,5 ÷ 0,7 m, sở dĩ như vậy là vì: + Để tránh bọt trào ra khỏi thùng (lên men mạnh), giai đoạn lên men được thực hiện ở thùng lên men đầu dây, nên lượng CO2 thoát ra nhiều và nếu gặp dịch lên men có độ nhớt lớn thì sẽ tạo ra lớp bọt dày dễ trào ra khỏi thùng. + Bảo đảm dịch lên men chảy dễ dàng từ thùng đầu đến thùng cuối. - Trên mỗi thiết bị và hệ thống ống dẫn đều có ống nước sạch và ống dẫn hơi, để tạo điều kiện thuận lợi cho việc vệ sinh, sát trùng. - Trong thiết bị lên men có ống xoắn ruột gà để làm nguội dịch lên men khi cần. 3.3.2. Quá trình thực hiện Sau khi tiến trình vệ sinh và sát trùng kỹ hệ thống thiết bị thì ta cho nấm men giống ở thùng phát triển lớn xuống thùng lên men đầu dây, rồi bơm tiếp dịch đường cho đến đầy thùng, có thể thực hiện một trong 2 cách: - Cách 1: Chia đôi dịch lên men từ thùng 3a đến 3b. Sau đó bơm tiếp dịch đường vào đồng thời cho cả hai thùng cho dến khi đầy. Khi thùng 3b đầy thì mở van đường ống chảy chuyền cho dịch lên men tự chảy sang thùng lên men (4), đồng thời mở van ống chảy tràn từ thùng 3a sang 3b, tiếp tục bơm đều đặn dịch đường vào cả hai thùng, như vậy coi như có 2 thùng phát triển nấm men và lên men chính. Dịch lên men cứ tiếp tục chảy tràn từ thùng 4(1) sang 4(2) và cứ thế đến cuối cùng thì kết thúc. Dấm chín chuyển sang bộ phận chưng cất, tính toán sao cho thùng lên men cuối cùng vừa đầy cũng vừa đủ thời gian lên men. Sau 36 ÷ 40h kể từ khi chuyển nấm men giống vào thùng 3a thì tiến hành vệ 49 sinh, sát trùng thiết bị lên men theo trình tự (gọi là chế độ “vệ sinh sát trùng định kỳ”). Cách tiến hành vệ sinh sát trùng định kỳ Dùng bơm 5 chuyển hết dịch nấm men từ 3a sang 3b và cả thùng 4(1) khi cần, trong lúc đó dịch đường chỉ bơm vào thùng 3b. Sau khi chuyển hết dịch lên men 3a thì ta vệ sinh và sát trùng thùng này bằng hơi nước bão hoà. Sau đó thùng 3a có thể bắt đầu cho chu kỳ mới, trong khi lập lại chu kỳ mới thùng 3a thì tiến hành bơm dịch thùng 3b qua thùng 4(1), không bơm dịch đường vào thùng 3b nữa mà chỉ bơm thùng 3a. Khi thùng 3b hết dịch, vệ sinh sát trùng, sau đó sẵn sàng tiếp nhận dịch từ thùng 3a chuyển sang, cứ như vậy ta vệ sinh sát trùng các thùng lên men cuối. Như vậy sau 36 ÷ 40h toàn bộ hệ thống thiết bị lên men lần lượt được vệ sinh sát trùng, nhờ đó ngăn ngừa được hiện tượng nhiễm khuẩn trong quá trình lên men. - Cách 2: Khi thùng 3a đầy, mở van ống chảy chuyền từ thùng 3a sang thùng 4(1) không qua thùng 3b. Khi thùng 4(1) đầy thì mở van ống chảy chuyền sang thùng 4(2), cứ thế cho đến thùng cuối cùng thì kết thúc quá trình lên men, dịch đường chỉ bơm vào thùng 3a, còn thùng 3b đóng vai trò dự trữ. Sau 36 ÷ 40h kể từ khi thùng 3a bắt đầu sử dụng thì tiến hành lập lại chu kỳ mới ở thùng 3b. Cách lập: Tiến hành bơm dịch lên men ở thùng 3a sang 4(1), khi dịch trong thùng 3a chuyển hết thì làm vệ sinh sát trùng thùng 3a chuẩn bị cho chu kỳ mới, đối với các thùng lên men tiếp thì ta tiến hành tương tự. 3.3.3. Ưu và nhược điểm của lên men liên tục * Ưu điểm - Hệ số sử dụng thiết bị cao nên với cùng một năng suất như nhau thì số thiết bị trong dây chuyền lên men liên tục ít hơn so với lên men gián đoạn hay bán liên tục. - Hiệu suất lên men ổn định và hiệu suất tổng thu hồi cao. - Tiêu hao hơi nhiệt để vệ sinh, sát trùng và làm nguội ít. * Nhược điểm - Dễ bị nhiễm khuẩn hàng loạt do các thiết bị lên men liên hệ với nhau. - Yêu cầu tổ chức sản xuất trình độ cao. 3.4. Lên men liên tục của nhà máy rượu Hà Nội 3.4.1. Sơ đồ hệ thống 1 1 (a, b). Thùng lên men đầu dây a 2 (1), (2),...(8). Thùng lên men tiếp tục (60 m3). b 2 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) Hình 5.3. Sơ đồ hệ thống lên men liên tục của nhà máy rượu Hà Nội 3.4.2. Qui trình thực hiện 50 (8) Cho dịch nấm men vào thùng 1a với tỷ lệ 10 ÷ 15% so với thể tích thùng rồi ta bơm liên tục dịch đường vào cho tới khi đầy, trong lúc bơm dịch đường thì ta sục khí nén vào thùng nhằm thúc đẩy quá trình phát triển nấm men. Để cho lượng tế bào nấm men ở các thùng đầu dây lớn hơn 100 triệu tế bào/ml dịch. Khi thùng 1a đầy thì mở van ống chảy chuyền để dịch lên men chảy sang thùng 2.1. Khi thùng 2.1 đầy thì mở van chảy sang thùng 2.2 và cứ như vậy cho tới khi dịch lên men đầy thùng 2.8, đưa đi chưng cất. Để đảm bảo chất lượng nấm men thùng đầu dây thì sau 6 - 8h người ta bổ sung 10 ÷ 15% dịch nấm men vào thùng 1a. Mùa hè cứ sau 32 ÷ 36h thì thay thùng đầu dây, mùa đông sau 48 ÷ 52h thì thay thùng đầu dây. Khi thay thùng đầu dây ta tiến hành như sau: Chuyển dịch nấm men vào thùng 1b với lượng 10 ÷15% so với thể tích thùng, rồi ta chuyển liên tục và đều đặn dịch đường đồng thời cho cả 2 thùng 1a và 1b. Khi thùng 1b đầy và đạt được yêu cầu về số lượng và chất lượng nấm men thì mở van chảy chuyền từ 1b sang 2.1, ngừng bơm dịch rỉ đường vào thùng 1a chỉ bơm vào thùng 1b, một dây chuyền lên men mới bắt đầu từ thùng 1b, dùng bơm chuyển hết dịch từ 1a sang 2.1. Đối với các thùng lên men 2(1) → 2(8) thì cũng tiến hành vệ sinh, sát trùng sau 68 - 72h bằng cách dùng bơm chuyển sang thùng lên men kế cận, thời gian phải bố trí cho thật hợp lý để không ảnh hưởng đến dây chuyền sản xuất. Thông thường khi chuyển 1a, 1b thì đồng thời tiến hành giải phóng tuần tự các thùng 2(1) ÷ 2(8). Thời gian lên men tổng cộng 62 ÷ 72 h. 4. PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN DỊCH RỈ ĐƯỜNG 4.1. Lên men theo phương pháp gián đoạn Tất cả các giai đoạn lên men đều diễn ra trong cùng một thiết bị. 4.1.1. Cách tiến hành - Kiểm tra kỹ toàn bộ thiết bị lên men và các bộ phận phụ trợ như van, đường ống xem có bình thường hay không. - Vệ sinh và sát trùng thiết bị bằng nước sạch và hơi nước. - Để nguội thùng lên men rồi chuyển dịch rỉ đường đã được xử lý và pha loãng đến nồng độ yêu cầu. - Nạp canh trường nấm men với tỷ lệ 10 ÷ 15% V dịch lên men. - Mở van khí nén để sục khí cho môi trường lên men trong khoảng thời gian 6 ÷ 12 h để số lượng tế bào trong dịch lên men từ 100 ÷ 120 tế bào/1ml, nếu thiết bị lên men không có hệ thống khí nén thì phải dùng phương pháp khuấy trộn. - Nồng độ dịch rỉ đường dùng trong phương pháp lên men gián đoạn thường 16 ÷ 19 Bx nếu cần rút ngắn thời gian lên men thì có thể lên men dịch rỉ đường nồng độ 12 ÷14 Bx, trong trường hợp này nồng độ rượu trong dấm chín nhỏ hơn 7% V. - Thể tích thùng lên men phụ thuộc vào năng suất nhà máy, cụ thể là: 20, 40, 60,120 m3. 4.1.2. Yêu cầu đối với dấm chín trong điều kiện lên men bình thường như sau - Nồng độ lên men : 4 ÷ 6 Bx - Nồng độ rượu : 7,5 ÷ 8,5% V - Hàm lượng đường không lên men còn lại (kể cả đường C5) : 15 ÷ 20 g/l 51 - Hàm lượng acid : 1,96 ÷ 2,45 g/l Ghi chú: Để biết quá trình lên men kết thúc hay chưa ta có thể đo nồng độ dịch lên men, nếu sau 2 lần đo có nồng độ không giảm coi như lên men đã kết thúc. 4.2. Lên men theo phương pháp gián đoạn chuyển tiếp 4.2.1. Cách tiến hành Cho 10 ÷15% dịch nấm men vào thùng và chuyển 10 - 15% dịch rỉ đường nồng độ 12 ÷ 14 Bx vào để lên men. Khi nồng độ của dịch lên men trong thùng giảm xuống còn 8 ÷ 9 Bx thì ta lại cho thêm 10 ÷ 15% dịch rỉ đường, nồng độ 16 ÷ 18 Bx vào, và khi nồng độ trong thùng giảm xuống còn 8 ÷ 9 Bx thì ta lại cho thêm dịch rỉ đường nồng độ 20 ÷ 22 Bx vào và chờ cho nồng độ giảm xuống còn 8 ÷ 9 Bx thì ta lại cho rỉ đường 30 ÷ 35 Bx vào, giai đoạn cuối có thể dùng dịch rỉ đường nồng độ 40 ÷ 45 Bx, nếu tính toán thì nồng độ len men phải đạt 20 ÷ 22 Bx và nồng độ rượu trong dấm chín 9 ÷ 10 Bx. So với phương pháp lên men gián đoạn thì phương pháp này tăng nồng độ rượu trong dấm chín lên 10 ÷ 30% . Thời gian lên men 60 - 70 h. 4.2.2. Những điểm chú ý - Phải luôn giữ nồng độ dịch lên men 8 ÷ 9 Bx. - Thường xuyên theo dõi tình hình lên men để kịp thời phát hiện những hiện tượng không bình thường trong quá trình lên men: nhiễm khuẩn, chất lượng nấm men giảm đột ngột, lên men chậm. -Trước khi đưa thiết bị lên men vào làm việc thì phải kiểm tra kỹ thiết bị, vệ sinh và sát trùng cẩn thận bằng hơi nước. - Mỗi lần bổ sung dịch rỉ đường phải đảo trộn đều dịch lên men trong thùng để tạo điều kiện tiếp xúc tốt giữa tế bào nấm men và môi trường lên men. - Trong quá trình lên men phải theo dõi nhiệt độ, duy trì nhiệt độ của dịch lên men 28 ÷ 320C. - Kiểm tra nồng độ dịch lên men trong thùng một cách đều đặn, cứ 1giờ kiểm tra 1 lần. Nếu 2 lần kiểm tra mà nồng độ dịch lên men không đổi hay bề mặt thùng lên men phẳng lặng thì coi như quá trình lên men kết thúc, chuyển dấm chín đến bộ phận chưng cất. 4.3. Lên men gián đoạn chuyển tiếp có phân cắt thành 2 thùng 4.3.1.Cách tiến hành Vệ sinh thùng và nước lạnh sạch, sau đó sát trùng thùng bằng hơi nước rồi để nguội thùng. Cho dịch lên men vào thùng, lượng dịch nấm men khoảng 30% so với thể tích của thùng. Cho dịch rỉ đường nồng độ 12 ÷ 14 Bx vào lượng dịch rỉ đường chiếm khoảng 40% thể tích rồi trộn đều bằng khí nén hoặc bằng cánh khuấy, sau đó ta để yên, đo nồng độ dịch lên men. Cách 1h thì đo nồng độ 1 lần, khi thấy nồng độ dịch lên men giảm 9 - 10Bx thì ta chuyển sang thùng thứ 2 (đã chuẩn bị xong) một lượng dịch lên men khoảng 30% (so với thể tích thùng), như vậy trong thùng 1 còn 40%, thùng 2 có 30%, tiếp đó ta bơm vào thùng 1 khoảng 20% dịch rỉ đường 12 ÷ 14 Bx và bơm vào thùng thứ 2 30% dịch rỉ đường 12 ÷ 14 Bx. Như vậy lượng dịch lên men trong cả hai thùng lúc này đều 60% so với thể tích thùng. Kiểm tra nhiệt độ và nồng độ dịch lên men trong các thùng, khống chế nhiệt độ trong thùng vào khoảng 30 ÷ 320C, khi thấy nồng độ dịch lên men trong thùng còn 9 Bx thì bơm dịch đường đặc 30 ÷ 35 Bx vào, cho tới khi đầy thùng theo quy định. 52 Sau khi chuyển hết dịch rỉ đường vào thì tiến hành đo nồng độ, cứ 1h đo 1 lần, khi thấy kết quả 2 lần đo không thay đổi thì kết thúc lên men. 4.3.2. Sơ đồ hệ thống lên men gián đoạn Dịch rỉ đường 1214Bx, 40% V thùng Dịch nấm men 30% V thùng Thùng 1, 70% V thùng 9 – 10 Bx Dịch rỉ đường 1214Bx, 20% V thùng Dịch rỉ đường 1214Bx, 30% V thùng Thùng 1, 60% V thùng Thùng 2, 60% V thùng 9 – 10 Bx Dịch rỉ đường 3035Bx, 30% V thùng Dịch rỉ đường 3035Bx, 30% V thùng 9 – 10 Bx Thùng 1, 90% V thùng Thùng 2, 90% V thùng Hình 5.4. Hệ thống lên men gián đoạn chuyển tiếp phân cắt thành 2 thùng 4.4. Lên men theo phương pháp bán liên tục (chu kỳ) Đầu tiên cho vào thùng nấm men 1 lượng dịch nấm men vào khoảng 15 ÷ 20% V thùng rồi bơm dịch rỉ đường vào cho tới khi đầy. Khi thùng lên men thứ nhất đầy thì ta chuyển bớt một lượng dịch lên men sang thùng 2 vào khoảng 1/3 so với thể tích thùng và chuyển sang thùng thứ 3 khoảng 1/6 thể tích thùng rồi bơm dịch đường vào đầy cả 3 thùng. Trong quá trình chuyển dịch lên men, luôn giữ nồng độ lên men trong thùng 8 ÷ 9 Bx. Khi thùng lên men 1 đầy, người ta để tiếp tục lên men cho tới khi kết thúc quá trình lên men rồi bơm dấm chín đi chưng cất trước. Khi thùng 2 đầy thì ta bơm 1/3 lượng dịch nấm men sang cho thùng thứ 4 rồi tiếp tục chuyển dịch rỉ đường 53 vào đầy thùng 2 và giữ lên men cho đến khi kết thúc rồi đem chưng cất. Tương tự như vậy cho đến thùng thứ 6, thứ 7 rồi quay trở lại thùng 1. Ưu điểm của phương pháp lên men này là liên tục được giai đoạn lên men đầu và một phần giai đoạn lên men chính do đó rút ngắn được thời gian nuôi cấy nấm men và đơn giản hóa được quá trình nuôi cấy phát triển nấm men giống. Nâng cao được hàm lượng rượu trong dịch lên men. Nhược điểm là thao tác tương đối phức tạp, nếu 1 thùng nào đó bị nhiễm vi sinh vật thì cả dây chuyền sản xuất cùng bị ảnh hưởng. Dịch nấm men Dịch RĐ 1 2 3 1/6 4 5 6 7 1/3 1/3 Hình 5.5. Sơ đồ hệ thống lên men bán liên tục 5. THIẾT BỊ LÊN MEN 2 5.1. Cấu tạo của thiết bị lên men 1 3 4 1. Ống dẫn acid hoặc bazơ để điều chỉnh pH 2. Trục khuấy 3. Ống dẫn không khí đi ra 4. Nắp phía trên 5. Tấm thép 6. Lớp nước để làm nóng hoặc nguội 7. Điện cực đo pH và ôxy 8. Đo và điều chỉnh nhiệt độ 9. Cánh khuấy 10. Van lấy mẫu 11. Van dịch ra 12. Đường vào của hơi nước để khử trùng 13. Đường vào của không khí 5 131 1 6 7 8 9 1110 1 12 2 11 1 Hình 5.6. Thiết bị lên men 54 Thiết bị lên men được chế tạo bằng thép không rỉ để tránh bị ăn mòn, cần phải có van an toàn. Đối với quá trình lên men vô trùng thì thiết bị, kể cả các van, phải có tính chịu áp suất để có thể khử trùng ở áp suất cao. Cần phải có hệ thống sục khí đầy đủ và có thêm hệ thống khuấy trộn. Thông thường ở các thiết bị lên men người ta bố trí các đường ống có đục lỗ nhỏ ở gần đáy để dẫn không khí vào và sục qua lớp dịch lên men. Sự khuấy trộn và sục khí đồng thời làm cho các tế bào nấm men và cơ chất được phân bố đồng đều và ngăn cản sự lắng của tế bào. Để điều chỉnh nhiệt độ lên men trong thùng người ta dùng hệ thống ống xoắn ruột gà đặt bên trong thiết bị. Ngoài ra thiết bị lên men còn có các bộ phận kiểm tra như: đo độ pH, nhiệt độ, lượng ôxy hòa tan. 5.2. Phá bọt trong thiết bị lên men Môi trường khi sục khí và khuấy trộn mạnh, sẽ tạo ra nhiều chất bọt, bọt có khuynh hướng trào ra khỏi thùng lên men và gây ô nhiễm môi trường. Để phá bọt có thể dùng những cánh khuấy hoặc có thể dùng chất chống bọt, nhưng trên thực tế người ta thường dùng chất chống bọt hơn, những chất chống bọt thường dùng là các loại dầu thực vật, các loại acid béo. Các chất chống bọt thông dụng Acid béo. Ví dụ acid oleic được sử dung ở dạng nguyên chất hay dạng nhũ tương trong nước. Sử dụng acid oleic bảo đảm được chất lượng sản phẩm nhất là các cơ sở sản xuất rượu có tận dụng nấm men để sản xuất men bánh mì. Lượng acid oleic tiêu hao khoảng 9 kg cho 10.000 lít rượu sản xuất từ rỉ đường. Cặn xà phòng. Trong cặn xà phòng chứa 30% chất béo, trước khi sử dụng phải acid hóa sơ bộ bằng H2SO4 và đun sôi (để loại trừ tạp khuẩn) dùng cặn xà phòng thường ảnh hưởng đến chất lượng nấm men cần sử dụng sau này, lượng cặn xà phòng tiêu hao chừng 9,5 ÷ 10 kg cho 10.000 lít rượu sản xuất từ rỉ đường. Dầu thực vật ( dầu lạc, dầu dừa, dầu cám v.v...) Nếu trong thiết bị lên men không có thiết bị tự động nạp chất chống bọt thì người theo dõi quá trình lên men phải thường xuyên quan sát sự tạo thành bọt và cho chất chống bọt vào thùng lên men bằng cách thủ công. 55 Câu hỏi ôn tập chương 5 Câu 1: Cơ chế hóa học của lên men rượu? Sự khác nhau căn bản giữa lên men rượu bình thường và lên men chuyển hướng sang glycerin? Câu 2: Giải thích sự chuyển động của nấm men trong quá trình lên men? Ảnh hưởng của quá trình này đến quá trình lên men? Câu 3: Các giai đoạn lên men? Giải thích sự thay đổi tốc độ lên men trong các giai đoạn? Câu 4: Nguyên nhân hình thành rượu bậc cao? Ảnh hưởng của chúng đến chất lượng rượu sau này? Câu 5: Các nhân tố ảnh hưởng đến sự lên men? Câu 6: Phương pháp lên men dịch đường hóa tinh bột? So sánh lên men theo phương pháp gián đoạn và phương pháp liên tục? Câu 7: Phương pháp lên men dịch rỉ đường? (Cách tiến hành, sơ đồ hệ thống, ưu nhược điểm) Câu 8: Nguyên lý cấu tạo thiết bị lên men? Câu 10: Giải thích sự hình thành bọt trong quá trình lên men? Nguyên tắc chung của việc sử dụng các chất chống bọt? 56 Chương 6. CHƯNG CẤT VÀ TINH CHẾ CỒN 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT VÀ TINH CHẾ CỒN 1.1. Khái niệm chung về chưng cất và tinh chế 1.1.1. Khái niệm chưng cất và tinh chế Chưng cất là quá trình tách rượu và các tạp chất dễ bay hơi khỏi dấm chín. Kết quả ta nhận được cồn thô hay rượu thô. Tinh chế hay tinh luyện là quá trình tách tạp chất khỏi cồn thô và nâng cao nồng độ cồn. Sản phẩm thu được gọi là cồn tinh chế hay cồn thực phẩm có nồng độ trong khoảng 95,5 ÷ 96,5% V. Cồn thực phẩm chứa rất ít các tạp chất. Tùy theo nồng độ rượu và mức độ làm sạch tạp chất mà ta chia thành cồn đặc biệt, cồn sạch, cồn loại một. Xét về mặt cảm quan, cả 3 loại cồn đều phải trong suốt, không màu, có mùi vị đặc trưng cho từng loại nguyên liệu, không được có mùi vị lạ. 1.1.2. So sánh áp suất hơi bão hòa của rượu etylic nguyên chất và nước nguyên chất Bảng 6.1. Áp suất hơi bão hòa của rượu etylic và nước nguyên chất ở các nhiệt độ khác nhau Nhiệt độ, C o 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Áp suất hơi bão hòa, mmHg Rượu etylic Nước 12,24 4,57 23,77 9,14 44,00 17,36 78,66 31,51 133,42 54,87 219,82 91,98 350,20 140,89 540,90 233,31 811,80 354,87 1186,50 525,47 1692,30 760,00 Nhiệt độ, o C 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Áp suất hơi bão hòa, mmHg Rượu etylic Nước 1075,37 2359,3 1492,28 3223,0 2030,28 4320,0 2717,63 5668,0 3581,23 7326,0 4651,62 9366,0 5961,62 11856,0 7546,92 14765,0 9442,70 18178,0 22164,0 11688,96 Qua bảng 6.1 nhận thấy rằng, ở bất kỳ nhiệt độ nào, áp suất hơi bão hòa của rượu etylic cũng lớn hơn áp suất hơi bão hòa của nước. Nhiệt độ càng thấp, sự chênh lệch áp suất hơi bão hòa càng lớn hơn so với ở nhiệt độ cao. Do đó khi cùng một áp suất bề mặt thì nhiệt độ sôi của rượu sẽ thấp hơn so với nước. Dựa vào tính chất quan trọng này để ứng dụng vào quá trình chưng cất, tinh chế rượu etylic. 1.1.3. Đinh luật Konovalop a. Định luật I Thiết lập quan hệ giữa thành phần pha lỏng và pha hơi: Ở trạng thái cân bằng, cấu tử dễ bay hơi trong thể hơi luôn luôn nhiều hơn trong thể lỏng. Nếu ta thêm cấu tử dễ bay hơi vào trong dung dịch thì điều đó sẽ dẫn đến làm tăng áp suất hơi bão hòa của hỗn hợp, nghĩa là làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất đã cho. Tuy nhiên, áp 57 suất hơi của hổn hợp chỉ tăng theo nồng độ rượu trong pha lỏng tới C%. Sau đó nếu tiếp tục thêm rượu vào pha lỏng thì áp suất hơi không tăng nữa mà sẽ giảm đi. Như vậy định luật I chỉ đúng trong khoảng nồng độ 0 % ÷ C%. Trong khoảng từ C% ÷ 100 %, nồng độ rượu trong pha hơi lại nhỏ hơn trong pha lỏng. Điểm a nằm trên đường cong áp suất hơi bão hòa gọi là điểm cực đại - ứng với nồng độ rượu là 95,57 % khối lượng (97,2 % thể tích). (T= const) P P Nước C Rượu Hình 6.1. Áp suất hơi bão hòa của dung dịch rượu – nước ở điều kiện đẳng nhiệt b. Định luật II Điểm a của đường cong áp suất hơi bão hòa gọi là điểm cực đại, hay là điểm đẳng phí. Từ đó, định luật thứ II của Konovalop phát biểu: “Trên đường cong áp suất hơi bão hòa, điểm cao nhất, hay điểm sôi chung của hỗn hợp rượu- nước, có thành phần thể lỏng bằng thành phần ở thể hơi”. Do đó nồng độ C sẽ là nồng độ của hỗn hợp đẳng phí, khi chưng cất dưới áp suất thường (p = 760 mmHg) hỗn hợp này có nhiệt độ sôi 78,150C. Nồng độ rượu bằng 97,2 %V, như vậy chưng cất và tinh chế ở áp suất khí quyển, chỉ có thể nhận được cồn có nồng độ ≤ 97,2% V. Khi nghiên cứu hỗn hợp rượu - nước, Vrepski cho biết, thành phần hơi được thoát ra từ dung dịch nào đó đều phụ thuộc vào áp suất bên ngoài. Khi tăng áp suất của hệ thống hai cấu tử, cấu tử nào khi bay hơi đòi hỏi nhiều năng lượng thì hàm lượng tương đối của nó sẽ tăng trong hổn hợp đẳng phí. Đối với hỗn hợp rượu - nước, nếu tiến hành chưng cất ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thì tỷ lệ nước trong hổn hợp đẳng phí sẽ nhiều hơn, còn nồng độ rượu trong hỗn hợp đẳng phí sẽ thấp hơn 97,2%. Ngược lại, nếu chưng cất trong điều kiện chân không thì nồng độ rượu trong hỗn hợp đẳng phí sẽ cao hơn 97,2 %V và phụ thuộc độ chân không. 1.2. Nguyên tắc chung của chưng cất và tinh chế 1.2.1. Nguyên tắc chung Xét đồ thị T-X-Y (nhiệt độ - thành phần pha lỏng - thành phần pha hơi) của hỗn hợp 2 cấu tử có nhiệt độ sôi khác nhau. Xét một dung dịch S có thành phần cấu tử dễ bay hơi là Xs. Ta nâng nhiệt độ của dung dịch đến nhiệt độ T1, lúc này dung dịch sẽ phân thành 2 pha: lỏng và hơi. Trong pha lỏng, cấu tử có nồng độ X1, trong pha hơi nồng độ cấu tử dễ bay hơi cân bằng vơi pha lỏng là Y1 (Y1 > X1). Nếu nhiệt độ của pha hơi hạ xuống T2 thì một phần hơi được ngưng tụ lại. Pha 58 lỏng có nồng độ cấu tử dễ bay hơi là X2 > X1, còn pha hơi có nồng độ cân bằng với pha lỏng lúc này là Y2 > Y1 Tiếp tục hạ nhiệt độ của pha hơi thì một phần hơi ngưng tụ thành lỏng. Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng là X3 > X2 còn pha hơi có nồng độ cấu tử dễ bay hơi là Y3 > Y2. Cứ tiếp tục như vậy thì dần dần trong pha hơi lượng cấu tử dễ bay hơi càng tăng và đến lúc nào đó, trong pha hơi hầu như chỉ có cấu tử dễ bay hơi nguyên chất. (P = const) T T T1 T2 T3 S Nước X1 X2 Y1 Y2 Y3 Rượu X3 Hình 6.2. Giản đồ T-X-Y của hỗn hợp rượu – nước ở áp suất cố định. 1.2.2. Cấu tạo và nguyên tắc làm việc của thiết bị chưng luyện (tháp chưng luyện) a. Cấu tạo 5 1 5 Cấu tử dễ bay hơi 2 Nguyên liệu 3 4 Hơi đốt - Hình 6.3. Thiết bị chưng luyện 59 1. Tháp chưng luyện 2. Đĩa 3. Mũ chụp 4. Ống chảy chuyền 5. Thiết bị trao đổi nhiệt Tháp chưng luyện có dạng hình trụ đứng, bên trong có nhiều đĩa, mỗi đĩa đều có ống chảy chuyền để dẫn chất lỏng chảy xuống và ống dẫn hơi có mũ chụp ở trên. Hơi từ dưới đi lên, qua ống dẫn hơi và bị mũ chụp chặn lại nên hơi phải sục qua lớp chất lỏng trên đĩa. Nhờ đó, xảy ra quá trình trao đổi nhiệt và quá trình chuyển khối. b. Nguyên lý làm việc Giả sử trên đĩa 1 chứa cấu tử dễ bay hơi là X1, hơi bốc lên từ đĩa này có nồng độ cân bằng với X1 là Y1, trong đó Y1 > X1. Hơi này đi qua các lỗ lên đĩa 2 tiếp xúc với chất lỏng ở đĩa 2. Do nhiệt độ ở đĩa 2 thấp hơn đĩa 1 nên một phần hơi được ngưng tụ. Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong chất lỏng ở đĩa 2 là X2 > X1 còn hơi bốc lên từ đĩa 2 có nồng độ Y2 > X2. Hơi bốc lên từ đĩa 2 tiếp tục bốc lên, sục qua lớp chất lỏng ở đĩa 3 và một phần bị ngưng tụ (chủ yếu là cấu tử khó bay hơi), còn hơi đi lên từ đĩa 3 thì nhiều cấu tử dễ bay hơi hơn. Cứ như vậy, dòng hơi bốc ra từ đỉnh tháp hầu như chỉ toàn cấu tử dễ bay hơi. Ở đáy tháp thì hầu như chỉ có cấu tử khó bay hơi. Hơi bốc ra từ đỉnh tháp chưng luyện được dẫn qua thiết bị ngưng tụ hồi lưu, hơi sẽ ngưng tụ lại thành lỏng. Một phần lỏng hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng, một phần được lấy ra ngoài. 1.3. Cơ sở lý thuyết tinh chế cồn Cồn nhận được sau khi chưng cất còn chứa nhiều tạp chất (trên 50 chất), có cấu tạo và tính chất khác nhau. Trong đó gồm các nhóm chất như : aldehid, ester, alcohol cao phân tử và các acid hữu cơ. Hàm lượng chung của các tạp chất không quá 0,5% so với khối lượng cồn etylic. Hàm lượng các alcohol cao phân tử cũng rất khác nhau nhưng chủ yếu là alcohol amylic, alcohol isobutylic. Một số các tạp chất mang tính chất đặc thù của nguyên liệu. Ví dụ cồn nhận được từ mật rỉ ít chứa furfurol nhưng lại chứa các tạp chất gây mùi mía, nhất là cồn nhận được từ mật rỉ mới sản xuất. Người ta cho rằng mùi này là do các hợp chất chứa nitơ hoặc ester của acid butyric. Cồn tinh bột thường chứa furfurol và các tạp chất gây vị đắng, đó là các terpen. 1.3.1. Phân loại tạp chất Dựa vào bản chất hóa học người ta chia tạp chất trong rượu thô thành 4 nhóm: Nhóm acid, nhóm aldehyd, nhóm ester và nhóm rượu bậc cao. Theo quan điểm tinh chế cồn, người ta chia tạp chất thành 3 loại: - Tạp chất đầu: gồm các chất dễ bay hơi hơn rượu etylic ở nồng độ bất kỳ, nghĩa là hệ số bay hơi cao hơn hệ số bay hơi của rượu. Các chất có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiệt độ sôi của rượu etylic gồm: acetaldehyd, methyl acetat, ethyl formiat, aldehyd butyric. - Tạp chất cuối: gồm các tạp chất có nhiệt độ sôi cao hơn so với rượu etylic khi cùng áp suất bề mặt, chúng là các alcol cao phân tử như amylic, isoamylic, isobutylic, propylic, isopropylic. Các tạp chất này ít hoặc không tan trong nước nên được gọi là dầu fusel. - Tạp chất trung gian: gồm các tạp chất có hai tính chất vừa có thể là tạp chất đầu vừa có thể là tạp chất cuối. Ở nồng độ cao của ethanol, nó là tạp chất cuối. Ở nồng độ ethanol thấp chúng có thể trở thành tạp chất đầu. Đó là các chất ethyl isobutyrat, ethyl isovalerat, isoamyl isovalerat và isoamyl acetat. Đặc tính và hàm lượng tạp chất có trong cồn thô phụ thuộc vào loại nguyên liệu và chất lượng nguyên liệu, phụ thuộc vào phương pháp sản xuất và thiết bị công 60 nghệ đặc biệt là thiết bị chưng cất tinh chế. Cồn thô sản xuất từ rỉ đường có chất lượng kém hơn sản xuất từ các hạt cốc. 1.3.2. Lý thuyết tinh chế của Sorel và Bare Mục đích của tinh chế rượu là tách các tạp chất có trong rượu thô ra khỏi ethanol và nâng cao nồng độ ethanol lên đến chuẩn qui định. Cơ sở của quá trình tinh chế là dựa vào độ bay hơi tương đối của các cấu tử khác nhau trong hỗn hợp. Nếu hàm lượng tạp chất không lớn, ta có thể giả thiết rằng: độ bay hơi của tạp chất này không phụ thuộc vào sự có mặt của các tạp chất khác. Trên giả thiết đó, ta có thể nghiên cứu được sự vận chuyển từng loại tạp chất trong tháp tinh chế và biết được sự phân bố của chúng theo chiều cao của tháp. Ta gọi: A: hàm lượng ethanol trong thể hơi, % (khối lượng). a: hàm lượng ethanol trong thể lỏng , % (khối lượng). α: hàm lượng tạp chất trong thể hơi , % (khối lượng). β : hàm lượng tạp chất trong thể lỏng , % (khối lượng). Hệ số bốc hơi của rượu (Kr) là tỷ số giữa hàm lượng ethanol ở thể hơi và hàm lượng ethanol ở thể lỏng. Kr = A / a. Hệ số bốc hơi của tạp chất (Kt/c) là tỉ số giữa hàm lượng tạp chất trong thể hơi và hàm lượng tạp chất trong thể lỏng. Kt/c = α / β. Bảng 6.2. Hệ số bốc hơi của rượu – tạp chất Hàm lượng rượu etylic %V 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 Rượu Hệ số bốc hơi K của rượu etylic và tạp chất của rượu Este Etylic Iso amylic Isoamyl Isovalerianat Amyl acetat 5,10 4,10 3,31 2,68 2,31 2,02 1,80 1,63 1,50 1,39 1,30 1,23 1,17 1,12 1,08 1,05 1,02 1,00 5,55 3,00 2,45 1,92 1,50 1,20 0,98 0,80 0,65 0,54 0,44 0,34 0,32 0,30 0,23 1,30 1,05 0,82 0,65 0,50 0,40 0,35 0,30 3,5 2,8 2,2 1,7 1,4 1,1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,55 Etyl Isovalerianat 2,3 1,9 1,7 1,5 1,3 1,1 0,9 0,8 61 Etyl Isobutyrat Etyl acetat 4,2 2,9 2,3 1,8 1,4 1,2 1,1 0,95 29,0 21,5 18,0 15,2 12,6 10,5 8,6 7,1 5,8 4,9 4,3 3,9 3,6 3,2 2,9 2,7 2,4 2,1 Metyl acetat Etyl formiat Alde hyt Acetic 12,5 10,5 9,0 7,9 7,0 6,4 5,9 5,4 5,0 4,6 4,3 4,1 3,8 12,0 10,4 9,4 8,5 7,8 7,2 6,5 5,8 5,1 4,5 4,3 4,15 4,0 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 3,4 3,3 *Nhận xét Hệ số bốc hơi của tạp chất cũng như của ethanol đều phụ thuộc vào nồng độ ethanol. Khi nồng độ ethanol giảm xuống và trong khoảng nồng độ nhỏ hơn 55%V, hệ số bốc hơi của tất cả các tạp chất đều lớn hơn 1; trong đó có một số tạp chất luôn có hệ số bốc hơi lớn hơn 1 ở nồng độ rượu bất kỳ. Đó là những tạp chất điển hình thuộc tạp chất đầu như: aldehyd acetic, methyl acetat, ethyl formiat, aldehyd butyric. Khác với tạp chất đầu, tạp chất cuối (điển hình là rượu amylic) có hệ số bay hơi luôn nhỏ hơn 1, khi nồng độ rượu lớn hơn 55% V; hệ số bay hơi gần bằng 1, khi nồng độ rượu bằng 55% V; hệ số bay hơi luôn lớn hơn 1, khi nồng độ rượu nhỏ hơn 55% V. Người ta dựa vào tính chất này để lấy dầu fusel ra khỏi tháp ở dạng lỏng hay hơi. Tạp chất đầu và tạp chất cuối tương đối dễ tách nhưng tách tạp chất trung gian rất khó. *Hệ số tinh chế Hệ số bay hơi của rượu (Kr) và hệ số bay hơi của tạp chất (Kt/c) cho ta biết trong thể hơi chứa rượu hoặc tạp chất nhiều hơn bao nhiêu lần so với ở thể lỏng. Để đánh giá độ bay hơi tương đối của tạp chất so với rượu ở cả hai pha lỏng và hơi, người ta đưa ra khái niệm hệ số tinh chế K và biễu diễn bằng tỷ số: K = Kt/c / Kr = αa / βA Nếu : K > 1 : tạp chất tập trung nhiều ở thể hơi, tạp chất dễ bốc hơi hơn rượu etylic, do đó tinh chế tách được nhiều tạp chất. K = 1 : tạp chất trong hơi và trong dung dịch tinh chế đều giống nhau. Việc tinh chế rượu không đạt hiệu quả. K < 1 : tạp chất trong hơi nhỏ hơn trong dung dịch tinh chế, tạp chất khó bốc hơi hơn rượu etylic, do đó tinh chế không tách được nhiều tạp chất. 1.3.3. Nguyên tắc sản xuất rượu etylic tinh khiết Như ta đã biết, hỗn hợp rượu etylic và nước là hỗn hợp đẳng phí, nên với các phương pháp chưng luyện thông thường không bao giờ tinh chế được rượu etylic có nồng độ lớn hơn 95,57% (khối lượng). Muốn có rượu etylic tinh khiết, ta có thể sử dụng các phương pháp sau: - Dùng các chất háo nước để hút nước có trong rượu (nồng độ 97,2%V), với phương pháp này ta có thể thu được rượu etylic có nồng độ 99,5 – 99,7%V. Tuy nhiên phương pháp này cho hiệu suất thu hồi thấp, chỉ dùng với qui mô phòng thí nghiệm. - Chưng luyện ở áp suất chân không, thực tế cho thấy ở áp suất 0,0525 atm hỗn hợp rượu etylic và nước sẽ không có điểm sôi chung, từ đó ta có thể thu được cồn tinh khiết. Trong phương pháp này, do hệ thống làm việc trong điều kiện chân không nên đòi hỏi trang thiết bị và điều khiển phức tạp. - Chưng luyện 3 cấu tử: Cho vào hỗn hợp rượu etylic và nước cấu tử thứ 3, cấu tử thứ 3 này không hòa tan trong nước, để tạo thành hỗn hợp có điểm sôi chung (đẳng phí) của ba cấu tử (thường sử dụng một trong những chất như benzen, toluen, cloroform, etylacetat). Nhiệt độ sôi của hỗn hợp này thấp hơn từng cấu tử riêng biệt, lượng nước có trong hỗn hợp ba cấu tử lớn hơn trong hỗn hợp 2 cấu tử rượu- nước, do đó khi chưng cất tinh chế hỗn hợp ba cấu tử này, nước sẽ chuyển vào thành phần hỗn hợp ba cẩu tử có điểm sôi chung, rượu nguyên chất ở lại tháp cất. Phổ biến hiện nay sử dụng hỗn hợp 3 cấu tử rượu- nước- benzen. Dưới đây là bảng thành phần hỗn hợp ba cấu tử có điểm sôi chung khi chưng cất ở áp suất thường. 62 Bảng 6.3. Thành phần hỗn hợp ba cấu tử có điểm sôi chung Cấu tử trong thành phần hỗn hợp A B C Etylic Nước Benzen Etylic Nước Etyl acetat Etylic Nước Cloroform Nhiệt độ sôi, oC A 78,3 78,3 78,3 C Hỗn hợp 80,2 64,85 77,15 70,23 61,15 55,5 B 100 100 100 Thành phần % hỗn hợp đẳng phí A B C 18,5 7,4 74,1 8,4 9,0 82,6 4,0 3,5 92,5 Ngoài các phương pháp kể trên, người ta có thể khử nước trong cồn bằng một chất hóa học hấp phụ đặc biệt (hay còn gọi là chất hấp phụ rây phân tử). 2. PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT VÀ TINH CHẾ CỒN 2.1. Chưng cất rượu thô từ dấm chín 2.1.1. Sơ đồ thiết bị và quá trình chưng cất dấm chín Dấm chín là một hổn hợp rất phức tạp, gồm nhiều thành phần, trong đó có chất rắn lơ lửng không hòa tan, chất hòa tan, rượu, nước và các tạp chất bay hơi khác. Thành phần các chất trong dấm chín thay đổi rất nhiều, phụ thuộc vào nguyên liệu sản xuất, quá trình công nghệ. Hàm lượng ethanol trong dấm chín dao động trong khoảng khá lớn, từ 6 ÷ 10 % V. Tùy theo tính chất của dấm chín, năng suất của nhà máy và trình độ kỹ thuật mà chọn cấu tạo tháp thô khác nhau. Hiện nay sử dụng hai loại tháp thô phổ biến là tháp có cấu tạo các ngăn kiểu chóp và tháp có cấu tạo các ngăn kiểu lưới. CO2 4 6 3 Dấm 8 2 7 1 Hơi đốt 5 Hình 6.4. Sơ đồ hệ thống chưng cất dấm chín 63 1. Tháp thô 2. Bộ tách CO2 3. Thiết bị gia nhiệt, hồi lưu 4. Thiết bị ngưng tụ làm lạnh 5. Ống dẫn bã thải 6. Ống dẫn hơi rượu thô 7. Ống dẫn rượu thô hồi lưu 8. Ống dẫn rượu thô sang tháp trung gian Dấm chín từ bể chứa theo đường ống đi qua thiết bị gia nhiệt và hồi lưu (3). Ở đây xảy ra quá trình trao đổi nhiệt giữa dấm chín và hơi rượu thô bốc lên từ tháp thô (1) theo ống (6). Dấm chín được gia nhiệt đến nhiệt độ 75 ÷ 80 0C và qua bộ phận tách bọt (khí CO2) (2) rồi chảy vào tháp thô. Ở thiết bị gia nhiệt hồi lưu (3), một phần rượu và các chất có nhiệt độ sôi cao bị ngưng tụ và được hồi lưu về đỉnh tháp thô theo ống (7). Hệ thống cấp nhiệt cho tháp thô được đưa vào ngăn dưới đáy tháp. Hơi nóng bốc lên gặp dấm chín từ trên xuống, xảy ra quá trình trao đổi nhiệt và chuyển khối trên các đĩa của tháp. Các cấu tử dễ bay hơi có trong dấm chín như rượu, aldehid, acid, ester và một số tạp chất khác cùng với nước được tách ra khỏi dung dịch và bay lên đỉnh tháp. Hơi rượu thô này theo ống dẫn (6) qua thiết bị gia nhiệt hồi lưu, một phần sẽ được ngưng tụ và hồi lưu về tháp còn phần lớn tiếp tục theo ống vào thiết bị ngưng tụ làm lạnh (4). Ở thiết bị (4) hầu như toàn bộ hơi cồn thô được ngưng tụ thành cồn thô rồi theo ống dẫn (8) đến tháp trung gian. Các phần tử không ngưng tụ ở thiết bị này được xả ra ngoài dưới dạng khí thải. Bã ở đáy tháp được xả ra ngoài qua bộ phận tháo bã rồi theo ống (5) ra ngoài. 2.1.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của tháp thô - Nồng độ rượu trong dấm chín : ≥ 6 % V. - Nhiệt độ dấm chín vào tháp : 75 ÷ 800C : 103 ÷ 1050C - Nhiệt độ đáy tháp - Nhiệt độ đỉnh tháp: : 90 ÷ 920C - Nồng độ rượu sót theo bã : ≤ 0,02%. - Nồng độ rươu thô : 40 ÷ 45 %V. - Tiêu hao hơi đốt và nước làm nguội cho 100 lit cồn 1000C như sau: + Hơi bão hòa, áp suất 1,2 ÷ 1,5 kG/cm2 : 160 ÷ 200 kg. 0 : 2 ÷ 2,5 m3 + Nước (20 C) - Chỉ số hồi lưu : 0,2 ÷ 0,5. 2.1.3. Những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình làm việc của tháp thô a. Nồng độ rượu trong dấm chín Nồng độ rượu trong dấm chín thay đổi sẽ làm cho nhiệt độ sôi của dấm chín thay đổi, dẫn đến dễ làm phá vỡ cân bằng nhiệt trong tháp khi làm việc. Khi nồng độ rượu trong dấm chín vào tháp thấp sẽ làm cho nhiệt độ đỉnh tháp tăng lên, năng suất của tháp sẽ giảm xuống. Khi tăng nồng độ rượu trong dấm chín vào tháp thì nhiệt độ của đỉnh tháp giảm. Vì vậy, cần phải khống chế nồng độ rượu trong dấm chín ổn định trong khoảng qui định bởi nhà chế tạo. b. Nhiệt độ của dấm chín khi vào tháp Dấm chín trước khi vào tháp phải được gia nhiệt, nâng nhiệt độ của dấm chín lên gần nhiệt độ sôi của dung dịch. Nếu nhiệt độ sôi của dấm chín tăng lên quá cao sẽ gây ra hiện tượng bốc hơi ngay trong ống dẫn dấm, gây trở lực cho quá trình vận chuyển dấm vào tháp, có khi dấm không vào được. Ngược lại nếu nhiệt độ dấm chín vào tháp quá thấp sẽ dễ gây ra hiện tượng rượu sót theo bã quá qui định. Vì vậy, trên đường ống dẫn dấm chín vào tháp, người ta thường bố trí thêm bộ phận gia nhiệt phụ để gia nhiệt dấm chín khi cần thiết. 64 c. Lưu lượng dấm chín vào tháp Lưu lượng dấm chín vào tháp quá nhiều hay quá ít đều ảnh hưởng không tốt đến quá trình làm việc của tháp. Nếu lưu lượng dấm chín vào tháp quá ít trong khi hơi nóng cung cấp cho đáy tháp vẫn bình thường thì sẽ làm cho dấm bị hâm lên quá nóng khi đi qua bộ gia nhiệt hồi lưu. Nếu hiện tượng này xảy ra trong một thời gian dài (khoảng 15 ÷ 20 phút) thì dấm trong ống của bộ gia nhiệt sẽ tự sôi và sinh hơi ngay trong ống lại làm cản trở lượng dấm xuống tháp tiếp theo. Nếu lưu lượng dấm chín vào tháp quá nhiều trong khi chế độ cấp hơi nóng ở đáy tháp bình thường thì sẽ không bốc hết cồn thô lên đỉnh tháp, rượu sót theo bã tăng lên và có thể dẫn đến tình trạng đáy tháp ngập dấm. Để đảm bảo dấm chín vào tháp một cách ổn định, người ta dùng bơm đưa dấm chín vào thùng chứa trên cao (thùng cao vị) rồi cho dấm tự chảy vào tháp. Trên đường ống dẫn dấm chín, người ta còn lắp thêm các thiết bị điều chỉnh lưu lượng, nhiệt độ,. . . d. Khử bọt CO2 trong dấm chín Bọt trong dấm chín chủ yếu là khí CO2 và một số acid bay hơi khác do quá trình lên men tạo thành. Khí CO2 và các khí khác vào tháp làm biến đổi áp suất trong tháp thô làm cho tháp làm việc không ổn định. Vì vậy cần có thiết bị khử CO2 trong dấm chín sau khi gia nhiệt và trước khi vào tháp. e. Chế độ cấp hơi nhiệt vào tháp Tháp thô làm việc ở chế độ cấp nhiệt sao cho áp lực đáy tháp nằm trong khoảng 0,12 ÷ 0,15 atm (tương ứng với nhiệt độ ở đáy tháp 102 ÷ 1050C). Trên thực tế để đạt được điều kiện trên thì van cấp hơi phải mở sao cho đồng hồ áp lực sau van có áp suất tuyệt đối vào khoảng 1,5 ÷ 1,6 atm là được. Để bảo đảm hơi vào đáy tháp ổn định, người ta lắp một bộ phận tự điều chỉnh. g. Tháo bã (nước thải) Tháp làm việc theo chế độ liên tục: dấm chín vào liên tục, bã tháo ra cũng liên tục và cân bằng. Để thực hiện được yêu cầu này, hầu hết các nhà máy rượu đã dùng hệ thống tháo bã tự động. 2.2. TINH CHẾ RƯỢU THÔ Rượu thô là rượu còn nhiều tạp chất và độ rượu thấp, nói chung không sử dụng được vào các mục đích kinh tế và đời sống. Do vậy, cần phải tinh chế rượu thô. Để đạt được mục đích trên, người ta tiến hành tinh chế rượu thô trên hệ thống 1, 2, 3 hoặc 4 tháp với chế độ làm việc gián đoạn, bán liên tục hoặc liên tục. Quá trình tinh chế cồn thực chất là một quá trình tách phân đoạn các tạp chất và rượu có nhiệt độ sôi khác nhau. Cồn thô vào tháp được cấp nhiệt sẽ bốc hơi và chuyển động đi lên, qua các đĩa của tháp. Càng lên cao, nhiệt độ càng giảm. Khi hơi chuyển động qua các đĩa của tháp gặp chất lỏng từ trên đi xuống, các cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ, cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bổ sung thêm. Cuối cùng, ở trên đỉnh tháp chủ yếu là cấu tử có nhiệt độ sôi thấp, hơi đó được qua thiết bị làm lạnh - ngưng tụ, một phần chất lỏng ngưng tụ cho trở lại (hồi lưu) tháp. Ngược lại, chất lỏng trong tháp, đi từ trên xuống gặp hơi bốc lên có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng càng xuống gần đáy tháp càng tăng. Ở đáy tháp gần như chỉ 65 còn cấu tử khó bay hơi (nhiệt độ sôi cao). Từ đó, ta lấy được các cấu tử có nhiệt độ sôi khác nhau ứng với các đĩa khác nhau của tháp và tinh chế được cồn có chất lượng theo yêu cầu. 2.2.1. Sơ đồ hệ thống thiết bị tinh chế 2 tháp và quá trình làm việc của hệ thống tinh chế a. Sơ đồ hệ thống Hình 6.5. Sơ đồ hệ thống tinh chế 2 tháp 1.Tháp trung gian (tách tạp chất đầu) 2. Tháp tinh chế (tách tạp chất cuối và nâng cao độ cồn) 3. Bình ngưng tụ và hồi lưu tháp trung gian 4. Bình ngưng tụ và hồi lưu tháp tinh chế 5. Bình làm nguội sản phẩm tinh chế 6. Bình làm nguội sản phẩm đầu 7. Bộ phận kiểm tra chất lượng 8. Bình ngưng tụ, làm lạnh dầu fusel thể hơi 9. Thiết bị phân ly dầu fusel 10. Bình làm nguội dầu fusel thể lỏng. b. Nguyên tắc hoạt động Rượu thô vào tháp trung gian tại đĩa tiếp liệu (1), còn hơi nóng được đưa vào tháp trung gian ngăn đáy. Nhiệt độ đáy tháp trung gian khoảng 87 - 880C, ở nhiệt độ này các tạp chất đầu có nhiệt độ sôi thấp hơn rượu và một ít ethanol đi lên phía trên đỉnh tháp. Trong quá trình đi lên, hơi này bị các mũ chụp trên các đĩa chặn lại nên phải sục qua lớp chất lỏng trên mỗi đĩa. Ethanol có nhiệt độ sôi cao hơn nên bị ngưng tụ nhiều hơn và chảy xuống đáy tháp, còn tạp chất đầu tiếp tục đi lên đỉnh tháp. Như vậy 66 hơi ra khỏi đỉnh tháp chủ yếu là tạp chất đầu và rất ít ethanol, hơi này đi qua hai thiết bị ngưng tụ làm lạnh (3). Chất lỏng ngưng tụ từ hai thiết bị (3) này chủ yếu được hồi lưu về đỉnh tháp trung gian, chỉ một lượng nhất định ở thiết bị ngưng tụ làm lạnh (3) thứ hai được lấy ra ngoài, chủ yếu chứa tạp chất đầu nên còn gọi cồn đầu. Chất lỏng ở đáy tháp trung gian chủ yếu là rượu etylic và tạp chất cuối theo đường ống sang tháp tinh chế (2). Tại tháp tinh chế, hơi được cấp vào ở đáy tháp. Rượu thô (đã tách tạp chất đầu) nhận nhiệt và bốc hơi đi lên đỉnh tháp. Hơi bốc lên chủ yếu là rượu etylic cùng với một lượng hơi nước và tạp chất cuối. Khi hơi này sục qua lớp chất lỏng trên các đĩa thì một phần hơi bị ngưng tụ lại, chủ yếu là nước và các tạp chất cuối. Như vậy qua mỗi đĩa, thành phần ethanol trong hơi càng tăng lên. Hơi đi ra từ đỉnh tháp tinh chế được dẫn qua 2 bình ngưng tụ và làm lạnh (4) chất lỏng ngưng tụ được hồi lưu về đỉnh tháp, ngăn trên cùng. Cồn thành phẩm được lấy ra ở ngăn số 1, số 2 (tính từ đỉnh), nhiệt độ vùng lấy sản phẩm 80 - 84 0C. Cồn lấy ra cho vào bình làm lạnh sản phẩm (5) rồi qua bộ phận kiểm tra (7), sau đó dẫn về thùng chứa. Dầu fusel được lấy ra ở thể lỏng lẫn thể hơi. Dầu fusel từ tháp tinh chế được dẫn qua bộ phận ngưng tụ làm lạnh (8) rồi qua bộ phận phân li (9), dầu fusel được tách ra cho vào bình chứa, hỗn hợp nước và rượu được cho trở lại tháp hoặc bể dấm để cất lại. Nước thải (bã) ở đáy tháp tinh chế được tháo ra ngoài qua bộ tháo bã tự động. 2.2.2. Sơ đồ hệ thống tinh chế có tháp tinh chế lại Hình 6.6. Sơ đồ hệ thống tinh chế 4 tháp 1. Tháp trung gian 2. Tháp tinh chế lần II 3. Tháp tinh chế lần I 4. Tháp cô đặc dầu fusel 5. Bình ngưng tụ, hồi lưu tháp trung gian 6. Bình ngưng tụ hồi lưu tháp tinh chế 7. Bình ngưng tụ, hồi lưu tháp tinh chế I 8. Bình ngưng tụ, hồi lưu tháp dầu 9. Bình bốc hơi của tháp tinh chế II. Sơ đồ này dựa trên cơ sở của sơ đồ tinh chế 2 tháp, có thêm tháp cô đặc dầu fusel và tháp tinh chế lần 2. Do đó chất lượng sản phẩm đạt được rất tốt (cồn có độ tinh khiết cao). 67 2.2.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật của tháp tinh chế a. Đối với tháp trung gian - Nồng độ rượu thô vào tháp - Nhiệt độ đáy tháp - Nhiệt độ đỉnh tháp - Nhiệt độ bình làm lạnh - ngưng tụ thứ 1 - Nhiệt độ bình làm lạnh ngưng tụ thứ 2 - Lượng cồn đầu lấy ra so với tổng cồn ngưng tụ - Tiêu hao hơi (kg/lít cồn 100 %V) : 40 ÷ 45%V. : 87 ÷ 880C. : 78 ÷ 790C. : 60 ÷ 650C. : 45 ÷ 500C. : 2,5 ÷ 3,5%. : 0,8 ÷ 1,2. b. Tháp tinh chế - Nồng độ rượu trung gian vào tháp - Nồng độ rượu sản phẩm lấy ra - Tỉ lệ cồn đầu lấy ra (so với tổng lượng cồn sản xuất) - Nhiệt độ đáy tháp - Nhiệt độ đỉnh tháp - Nhiệt độ vùng lấy dầu fusel - Nhiệt độ ngăn nạp liệu - Nhiệt độ vùng lấy cồn thành phẩm - Tiêu hao hơi đốt (kg/lít cồn 100%V) : : : : : : : : : 40 ÷ 45%. ≥ 96,3%. 1 ÷ 3%. 103÷ 1050C. 78÷ 790C. 94 ÷ 970C. 84 ÷ 870C. 82 ÷ 830C. 2 ÷ 3. 2.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của tháp tinh chế cồn Ngoài những yếu tố tương tự đối với quá trình chưng cất như: chế độ nạp nguyên liệu vào tháp, nồng độ rượu thô, chất lượng rượu thô, chế độ tháo bã (nước thải), chế độ cấp nhiệt v.v. . . thì các yếu tố sau đây cũng có ảnh hưởng lớn đến chất lượng cồn tinh chế. a. Hồi lưu sản phẩm Với cùng trang thiết bị và điều kiện công nghệ như nhau nhưng chế độ hồi lưu sản phẩm khác nhau sẽ cho ra sản phẩm với chất lượng khác nhau. Hồi lưu càng nhiều lần, nồng độ cồn thành phẩm càng cao, tạp chất càng giảm, nhất là tạp chất cuối. Đối với tạp chất đầu còn phụ thuộc vào chế độ giữ nhiệt ở các bình ngưng tụ, làm lạnh và hồi lưu. Riêng đối với tháp trung gian (còn gọi là tháp aldehyd, tháp làm sạch tạp chất đầu) thì chỉ số hồi lưu gấp 15 ÷ 20 lần so với tháp tinh chế. Tháp thinh chế chỉ số hồi lưu 3 ÷ 5. Chỉ số hồi lưu càng cao thì năng suất thiết bị càng giảm. Trong quá trình tinh chế cần tăng lượng hồi lưu khi chất lượng của cồn sản phẩm không đạt yêu cầu, tháp đang hụt cồn. Nếu tháp bị ngập cồn ở đáy thì ta giảm bớt lượng hồi lưu. b. Chế độ lấy sản phẩm Tùy theo hệ thống thiết bị tinh chế làm việc gián đoạn, bán liên tục hoặc liên tục mà có chế độ lấy sản phẩm tương ứng. Tuy nhiên, dù hệ thống tháp làm việc ở chế độ nào lượng sản phẩm lấy ra phải cân đối với lượng rượu cung cấp vào tháp. Nếu sản phẩm lấy ra nhiều trong một thời gian ngắn thì sẽ làm cho chế độ làm việc của hệ thống tháp bị rối loạn, ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm và phải tốn một thời gian dài mới khôi phục lại như cũ. Hiện tượng phổ biến thường xảy ra khi lấy sản phẩm quá lượng qui định làm nhiệt độ đỉnh tháp tăng lên, các tạp chất cuối bốc hơi nhiều hơn và theo ethanol lên đỉnh tháp và tồn tại trong sản phẩm. 68 c. Chế độ lấy dầu fusel Dầu fusel được lấy ra từ tháp tinh chế có hai dạng hơi và lỏng. Trong đó lấy ở thể hơi là chủ yếu. Dầu fusel thể hơi tập trung trong tháp tinh chế ở vùng có nhiệt độ 95 ÷ 970C, ứng với nồng độ rượu là 15 ÷ 20% V. Dầu fusel thể lỏng tập trung tại vùng có nhiệt độ 85 ÷ 860C ứng với nồng độ rượu etylic 45÷ 50 % V. Tại các vùng nói trên người ta bố trí các ống để dẫn dầu fusel ra. Dầu fusel dù thể hơi hay lỏng thì khi ra khỏi tháp tinh chế đều qua bộ phận ngưng tụ rồi phân ly tách dầu riêng còn ethanol được quay trở lại tháp tinh chế hoặc cho vào bể chứa dấm, tỉ lệ dầu fusel lấy ra thường 0,2 ÷ 0,4% so với tổng số rượu etylic cất được. d. Chế độ lấy sản phẩm đầu Sản phẩm đầu còn gọi là cồn đầu thường được lấy ra vào khoảng 3 ÷ 5% V so với tổng số cồn thành phẩm. Có trường hợp cồn đầu lấy ra cao hơn 5% V nhưng chất lượng cồn thành phẩm vẫn không tốt. Ngược lại nếu điều chỉnh, khống chế tốt nhiệt độ bình ngưng tụ, làm lạnh của tháp trung gian và tháp tinh chế thì lượng cồn đầu lấy ra 2 ÷ 3% V nhưng chất lượng thành phẩm vẫn đạt. Cồn đầu được lấy ra ở bình ngưng tụ làm lạnh cuối cùng của mỗi tháp, nhiệt độ thích hợp vào khoảng 45 ÷ 500C. Nếu nhiệt độ thấp quá, lượng cồn lấy ra sẽ nhiều, nếu nhiệt độ cao quá lượng cồn đầu lấy ra ít, mất mát do bay hơi ra ngoài. Cả hai trường hợp đều không tốt. 3. HIỆU SUẤT TỔNG THU HỒI VÀ CHẤT LƯỢNG CỒN TINH CHẾ 3.1. Khái niệm hiệu suất thu hồi 3.1.1. Hiệu suất tổng thu hồi lý thuyết Là lượng ethanol thu được từ một đơn vị khối lượng tinh bột hay đường tính theo cân bằng hóa học tổng quát của lên men rượu. Từ tinh bột: + nH2O → n C6H12O6 ( C6H10O5)n C6H12O6 → 2CO2 + 2C2H5OH. Từ disaccharide: C12H22O11 + H2O → 2C6H12O6 2C6H12O6 → 4C2H5OH + 4CO2. Dựa vào các phương trình trên ta tính được: - 100 kg tinh bột lên men tạo ra : 56,81 kg etylic. - 100 kg hexose lên men tạo ra : 51,14 kg etylic. - 100 kg disaccharid lên men tạo ra : 53,22 kg etylic. Số lượng rượu thu được nói trên gọi là hiệu suất rượu Pasteur hay hiệu suất rượu theo lý thuyết. Trong tính toán chúng ta thường tính theo đơn vị thể tích. Tỷ trọng của rượu d420 = 0,78927. Từ đó suy ra hiệu suất tổng thu hồi lý thuyết của từng loại nguyên liệu như sau: Bảng 6.4. Hiệu suất tổng thu hồi lý thuyết Nguyên liệu Hexose Disaccharid Tinh bột Hiệu suất tổng thu hồi lý thuyết Tính theo kg/100kg Tính theo l/100kg 51,14 64,79 53,22 68,18 56,81 71,986 69 Hệ số tăng so với monosaccharid 1 1,0526 1,1104 3.1.2. Hiệu suất tổng thu hồi thực tế Là tỷ số giữa lượng rượu thực tế thu được so với lượng rượu thu được tính theo lý thuyết. Trong đó: - Lượng rượu thu được trên thực tế bao gồm tất cả các loại sản phẩm lấy được như: ethanol, cồn đầu, dầu fusel. - Số lượng rượu thu theo lý thuyết = số lượng nguyên liệu (tạ) x số lượng rượu thu được từ 100 kg glucid. 3.1.3. Hiệu suất lên men và hiệu suất tinh chế a . Hiệu suất lên men Hiệu suất lên men,% = (Tổng lượng rượu thu được khi lên men/ Lượng rượu tính theo lý thuyết) x 100 %. Tổng lượng rượu thu được khi lên men = Thể tích dịch dấm chín x nồng độ rượu trong dấm chín, (l). b. Hiệu suất chưng cất, tinh chế Hiệu suất chưng cất, tinh chế = (Lượng rượu thực tế thu được/ Lượng rượu thu được khi lên men) x 100%. c. Hiệu suất tổng thu hồi Hiệu suất tổng (thực tế) = Hiệu suất lên men x Hiệu suất chưng cất, tinh chế. 3.2. TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG CỒN TINH CHẾ > 95,6. - Nồng độ cồn, % V ở 200C - Hàm lượng aldehyd, mg aldehyd acetic/1 lit cồn không nước < 10. - Hàm lượng ester, mg ethyl acetate/1 lit cồn không nước) < 40. - Hàm lượng acid, mg acid acetic/1 lit cồn không nước 98%. 3.2.2. Nhân men tại phân xưởng Phân xưởng nhân men gồm nhiều tank kín kích thước khác nhau chế tạo bằng thép chrome-nickel (hình 11.8). Trong đó có thiết bị tiệt trùng dung dịch thủy phân malt và các tank nhân men. Các tank nhân men bố trí theo trình tự tăng dần về kích thước, tank cuối cùng có thể tích công tác bằng thể tích canh trường giống cần dùng cho thể tích dịch lên men. Một qui trình điển hình như sau: (1) Dung dịch thủy phân malt được tiệt trùng ở nhiệt độ 100oC trong 30 phút và làm lạnh về nhiệt độ 14 – 16oC. (2) Nấm men được nạp vào tank nhân men. Nếu có một số tank nhân men thì tank thể tích nhỏ nhất được nạp giống từ bình Carlberg trong điều kiện vô trùng. Cần phải cấp khí vô . Hình 11.8. Sơ đồ một hệ thống nhân men cấp xưởng 2 tank trùng, thực hiện bằng cách sau khi bơm dung dịch thủy phân malt tiệt trùng vào bình nhân men thì tiếp tục bơm tuần hoàn kết hợp cấp không khí vô trùng. 148 (3) Sau khoảng 1 ngày (24 - 36 giờ) canh trường sẽ đạt đến giai đoạn hoạt động cao trào (pha log) thì được bơm vào tank nhân men kế tiếp. Sau đó bơm môi trường (dung dịch thủy phân malt) tiệt trùng đã được bão hòa không khí vào. Quá trình tiếp diễn đến khi đạt được lượng nấm men cần thiết. (4) Khi thể tích lớn nhất canh trường nấm men ở giai đoạn hoạt động cao trào thì được bơm vào tank lên men. Sau khi bơm, đáy thùng nhân men còn lại một lượng sinh khối. Có thể cấp môi trường tiệt trùng mới để tiếp tục nhân giống hoặc loại bỏ để vệ sinh thiết bị 3.2.3. Các lưu ý - Quá trình nhân men giống phải thực hiện trong điều kiện vô trùng nghiêm ngặt. Một khi canh trường nhân men đã nhiễm vi sinh vật tạp thì sẽ không thể thanh lọc được vì đa số chúng có điều kiện sinh trưởng, phát triển tương tự nấm men. - Cường độ thông khí cao là cần thiết để đạt được độ tăng trưởng nhanh của nấm men, thu được nấm men khỏe và có hoạt tính cao. - Sử dụng giống men ở pha logarith sẽ giúp rút ngắn pha lag và tổng thời gian lên men, pH dịch lên men giảm nhanh, loại bỏ diacetyl nhanh và triệt để. - Nhiệt độ để nấm men bia phát triển có lợi là khoảng 20 - 25oC. Tuy nhiên canh trường giống ở đợt nhân cuối cùng phải xấp xỉ (thấp hơn) nhiệt độ lên men sơ cấp. - Trong các đoạn đầu, sử dụng dịch thủy phân malt chưa qua đun hoa để tránh nấm men bị ức chế bởi các chất trong houblon. 3.3. Thu hồi và sử dụng men lắng Đối với nấm men lên men chìm, vào cuối quá trình lên men chính, nấm men kết mảng và lắng xuống đáy tank tạo thành khối cặn men. Khối cặn men gồm 3 lớp: lớp dưới cùng chứa nhiều tế bào già, lớp giữa chủ yếu là các tế bào trẻ, trên cùng là cặn lắng và xác men. Sinh khối ở lớp giữa của cặn lắng có thể được dùng để làm giống cho mẻ lên men mới. Việc sử dụng sinh khối lắng để làm giống đem lại ích lợi kinh tế cao. Trung bình giống sau mỗi lần nhân có thể được thu hồi và tái sử dụng lại 4 – 8 chu kỳ. Nếu công nghệ lên men và xử lý nấm men thích hợp thì có thể tái sử dụng men giống nhiều lần mà chất lượng bia hầu như không biến động đáng kể. 3.3.1. Rút và xử lý cặn men Đối với các tank lên men thân trụ - đáy côn cặn men được rút trước khi bia được chuyển sang chế độ ủ chín. Mục đích nhằm hạn chế sự tự phân nấm men trong bia và sử dụng lại nấm men làm giống. Việc thu hồi sinh khối men lắng được thực hiện qua đường xả đáy. Xả bỏ phần cặn ban đầu và cuối có màu sẫm, chỉ thu nhận phần có màu trắng sữa. Lượng men đặc thu được trung bình 2,0 đến 2,5 lít/ hl bia non. Trong tank lên men, nấm men chùm cho sinh khối nhiều hơn men bụi, ngược lại trong tank ủ bia sản lượng sinh khối men bụi nhiều hơn men chùm. Sinh khối thu nhận nên được sử dụng trực tiếp làm giống cho mẻ lên men sau. Trong trường hợp cần thiết thì xử lý và bảo quản tạm thời trong nước trong một thời gian ngắn. Việc xử lý chủ yếu là rửa và sàng, trong đó nấm men được trộn với nước và cho qua sàng để loại bỏ các cặn đông tụ và cặn houblon. Trong quá trình sàng, phần lớn CO2 còn lại trong nấm men được giải phóng và ôxy không khí hòa tan vào khối men, điều này cần thiết để nấm men hô hấp và duy trì trạng thái hoạt động. 149 3.3.2. Bảo quản men đặc Bảo quản men sữa là quá trình không mong muốn. Về mặt sinh lý học, việc rửa nấm men và bảo quản trong nước sẽ làm tổn hao các tác nhân sinh trưởng dẫn đến nấm men mất khả năng sử dụng tức thời maltose, từ đó pha tiềm phát sẽ kéo dài. Tuy nhiên, trong thực tế, sinh khối men thường phải trải qua sự bảo quản tạm thời. Thường sử dụng các thùng 2 vỏ để duy trì nhiệt độ bảo quản ở khoảng 0oC. Nhiệt độ bảo quản càng cao thì nấm men trao đổi chất càng mạnh. Trong điều kiện thiếu dinh dưỡng và nhiệt độ cao nấm men sẽ tiêu hóa vật chất tế bào, kể cả các enzyme và các tổ chức quan trọng, làm cho nấm men suy yếu nhanh. Mặt khác cũng không nên cấp không khí cho nấm men ngay sau thu hoạch vì sẽ kích hoạt nấm men trong điều kiện thiếu dinh dưỡng. Hơn nữa, các vi khuẩn acetic sẵn có trong sinh khối nấm men dùng ôxy để ôxy hóa rượu và tăng trưởng. 3.4. Thoái hóa men Theo thời gian, các phẩm chất của men giống sẽ giảm dần. Các biểu hiện thông thường của sự thoái hóa này là nấm men tăng khả năng kết lắng và kết lắng sớm, lên men chậm dần và không sâu, bia không đạt đến độ chín cần thiết, hương vị bia kém hơn, độ lên men cuối cùng giảm, cặn men dạng sáp nhờn, loãng và có những biểu hiện của lên men khôngbình thường. Nguyên nhân thoái hóa có thể là do lên men ở nhiệt độ cao, dịch lên men thiếu dinh dưỡng, bảo quản men không hợp lý, nhiễm các vi sinh vật có khả năng tăng trưởng mạnh, do các nhân tố kỹ thuật như nhiệt độ dao động mạnh, áp suất thay đổi và có sự dao động lớn về nồng độ chất khô của dịch lên men. Nấm men khi có biểu hiện thoái hóa phải được thay thế bằng một thế hệ men mới thông qua quá trình nhân men từ giống gốc. 4. KỸ THUẬT LÊN MEN 4.1. Lý thuyết chung Dịch wort sau houblon hóa được chuyển vào tank lên men và phải được nạp nấm men càng sớm càng tốt. Tỷ lệ tiếp giống thông thường khoảng 0.3 kg men đặc cho mỗi hl dịch. Dao động nhỏ về tỷ lệ tiếp giống không gây ảnh hưởng lớn đến toàn bộ tiến trình lên men và hương vị bia. Tuy nhiên, nếu tiếp giống ít hơn đáng kể so với định mức thông thường thì làm chậm sự khởi đầu lên men; nếu quá nhiều (cỡ 2 lần mức độ thông thường) sẽ dẫn đến cạnh tranh về dinh dưỡng, kém phát triển men và tích lũy nhiều ester (ví dụ ethyl acetate) trong sản phẩm. Nhiệt độ dịch wort lúc tiếp giống cũng quan trọng. Nếu nhiệt độ dịch wort thấp o hơn 5 C so với nhiệt độ của canh trường men giống thì xảy ra hiện tượng “sốc lạnh”, gây kéo dài pha tiềm phát, từ đó dẫn đến khả năng các vi sinh vật tạp nhiễm có cơ hội phát triển trước. Trong vài giờ đầu sau khi tiếp giống, môi trường dịch lên men vẫn tĩnh lặng, tương ứng với pha tiềm phát trong chu kỳ phát triển của nấm men và thường kéo dài trong khoảng 6 -15 giờ. Mặc dù không thấy biểu hiện rõ rệt của hoạt động trao đổi chất, một số hiện tượng sinh lý và hóa sinh đang diễn ra, qua đó, nấm men điều chỉnh theo môi trường mới (dịch wort). Các hệ enzyme mới sẽ được tổng hợp giúp nấm men sử dụng được nhiều loại chất tan. Một ví dụ là sự cảm ứng tổng hợp của chất dẫn truyền cho phép maltose đi vào tế bào, đó là maltose permease. Enzyme này được tạo ra đồng thời với maltase (còn gọi là α-1,4-glucosidase) và xúc tác sự phân giải maltose thành glucose ngay tức khắc khi vào tế bào. 150 Một enzyme khác cần thiết cho sự hấp thụ maltotriose là permease. Sự tổng hợp của permease bị kìm hãm bởi sự ức chế dị hóa gây ra bởi glucose và fructose, ngay cả khi với hàm lượng khá thấp. Do vậy, dịch wort chứa tỷ lệ đáng kể glucose syrup hoặc đường chuyển hóa sẽ thể hiện sự ức chế permease cao hơn, từ đó dẫn đến sự chậm hấp thụ maltose và maltotriose. Sự sinh tạo của maltotriose permease cũng bị kìm hãm bởi sự có mặt của maltose. Lưu ý rằng sự hấp thụ maltose và maltotriose qua thành tế bào là quá trình chủ động và tiêu tốn năng lượng (ở dạng ATP). Nếu một canh trường nấm men đang trong giai đoạn phát triển cao trào (ví dụ canh trường gạn ra từ một khối dịch đang lên men) được tiếp vào một môi trường wort mới thì về mặt lý thuyết, tế bào men đã chứa đủ các enzyme cần thiết để thu nhận và chuyển hóa tất cả thành phần dịch lên men. Pha tiềm phát do vậy sẽ được rút ngắn. Tuy nhiên, sau một thời gian ngắn, tốc độ sử dụng maltose sẽ giảm (do ức chế dị hóa đối với maltose permease và α-1,4-glucosidase) cho đến khi hàm lượng glucose và fructose giảm đi đáng kể. Nấm men tiếp giống tách từ wort và bảo quản trước khi sử dụng lại sẽ mất khả năng sử dụng tất cả mà chỉ những thành phần dinh dưỡng đơn giản, và vì vậy pha tiềm phát sẽ bị kéo dài để tái tổng hợp enzyme. Thứ tự hấp thu các loại đường trong dịch wort bởi nấm men tuân theo một trật tự xác định, nhìn chung là bị chi phối bởi kích thước phân tử, hàm lượng đường hiện diện và sự sẵn có của các enzyme cần thiết. Trong lên men thông thường, glucose, fructose và sucrose, là những loại hiện diện với hàm lượng thấp và được hấp thụ và phân giải gần như tức thời (sucrose được phân giải bên ngoài tế bào trước khi được hấp thụ). Đó là do màng sinh chất của nấm men chứa một loại glucose permease truyền tải giúp hấp thụ nhanh các monosaccharide (trước hết là glucose). Các đường này trong dịch wort thường sẽ được sử dụng hết vào ngày thứ 2 của quá trình lên men. Với maltose, loại đường hiện diện với hàm lượng cao vượt trội, thì sự hấp thụ thường bắt đầu chậm hơn (khoảng sau 24 giờ) và sang ngày thứ 3 thì phần lớn được chuyển hóa. Maltotriose là các đường có phân tử lớn nhất trong số các đường chủ yếu của dịch wort, thì thường được bắt đầu sử dụng vào cuối ngày lên men thứ 3, khi hàm lượng maltose đủ thấp cho phép sự cảm ứng sinh tổng hợp maltotriose permease. Phần lớn trong số đường còn sót lại lúc kết thúc lên men là maltotriose. Trong một số trường hợp, nấm men bị đột biến và mất khả năng tổng hợp maltotriose permease, dẫn đến việc lên men không triệt để. Trong thời gian đầu của lên men, cần phải cấp đủ ôxy hòa tan để giúp tổng hợp các sterol và acid béo kiến tạo màng tế bào. Do vậy dịch wort phải được bổ sung ôxy. Giữa các chủng nấm men có sự khác nhau về nhu cầu ôxy. Cần bổ sung đủ ôxy để phát triển tế bào trong giai đoạn đầu nhưng không quá thừa dẫn đến hô hấp hiếu khí. Nếu thiếu ôxy vì lý do nào đó, thì có thể xử lý bằng cách đưa vào dịch lên men chất ergosterol (một trong 3 sterol cấu trúc màng tế bào chủ yếu của nấm men) với hàm lượng thấp (5 µg/l). Oleic acid cũng có thể được sử dụng để xử lý trong trường hợp thiếu ôxy, vốn thường xảy ra trong lên men dịch wort tỷ trọng cao. Điều đặc biệt là, với hàm lượng glucose cao (>0,4 wt%), thì ngay cả trong điều kiện hiếu khí, trao đổi chất của Saccharomyces cerevisiae nghiêng về lên men hơn là ôxy hóa. Điều này đi kèm với biến đổi về hình thái và hóa sinh trong ty thể (mitochondria), giống như trường hợp tế bào phát triển trong môi trường yếm khí. Về mặt hóa sinh, sự khác nhau quan trọng nhất là sự thiếu hụt một số enzyme trong chu trình Krebs, đặc biệt là succinic và a-oxoglutarate dehydrogenase, và một số thành 151 phần trong chuỗi hô hấp, đáng lưu ý là các cytochrome. Hiện tượng này được biết với tên gọi là Hiệu ứng Crabtree, Hiệu ứng Pasteur đảo chiều, hoặc Hiệu ứng Glucose, là một ví dụ khác của ức chế dị hóa. Hiệu ứng Pasteur thể hiện ảnh hưởng gây hại của ôxy trong quá trình lên men. Năm 1861, Pasteur nhận thấy rằng sự lên men trong nấm men bị ức chế bởi sự hiện diện của ôxy, thể hiện khi nấm men nấm men được chuyển từ môi trường yếm khí sang môi trường hiếu khí, tăng trưởng men được gia cường trong khi hấp thu đường bị giảm sút. Quan sát sau đó đã cho thấy hằng số Michaelis (KM) thay đổi lớn khi chuyển đổi giữa hai môi trường: khi nấm men được cho sinh trưởng trong môi trường yếm khí giá trị KM của sự hấp thụ glucose là 6,7 mM, trong khi dưới điều kiện hiếu khí là 17,4 mM. Điều này được giải thích là do glucose permease giảm đi khi có sự hiện diện của ôxy. Sự tăng trưởng cường sinh khối là do Saccharomyces cerevisiae tạo được nhiều ATP hơn từ mỗi phân tử đường trong điều kiện hiếu khí. Pha tiềm phát (lag phase) được tiếp nối bởi một pha ngắn là pha tăng trưởng gia tốc (accelerating phase), và sau đó là pha tăng trưởng lũy thừa (exponential growth). Tăng tưởng lũy thừa sẽ làm tăng mật độ nấm men lên khoảng 4 - 6 lần. Đây là giai đoạn nấm men đạt được tốc độ tăng trưởng mạnh nhất trong đó tế bào sinh sôi bằng việc tạo chồi (budding), đi đôi với sự tạo ethanol, CO2. Một lượng lớn nhiệt được tạo ra và do vậy hệ thống làm lạnh cần vận hành để ổn định nhiệt độ trong khoảng định trước (thường là 20 - 22 °C đối với lên men nổi). Nếu nhiệt độ lên cao hơn sẽ dẫn đến tạo ra nhiều các loại rượu bậc cao (như propanol, iso-amyl alcohol, iso-butyl alcohol) gây ảnh hưởng tiêu cực đến hương bia. Pha tăng trưởng lũy thừa thường kéo dài 48 60 giờ, tiếp theo đó là pha tăng trưởng giảm tốc (retardation phase) trước khi hệ men bước vào pha ổn định (stationary phase). Pha ổn định báo hiệu sự kết thúc của giai đoạn lên men sơ cấp (primary fermentation). Một lượng nhỏ tế bào mới được tạo ra trong pha ổn định ionary phase, nhưng mật độ sinh khối không tăng do cân bằng bởi số tế bào chết đi. Mức độ chuyển hóa chất khô được đánh giá thông qua khái niệm “độ lên men”, được xác định theo công thức: trong đó Po: hàm lượng chất khô ban đầu; Pt: hàm lượng chất khô tại thời điểm t. Để bia thành phẩm có độ bền sinh học và hóa lý cao, quá trình lên men cần thiết phải đạt độ lên men cuối cùng sát với mức độ lên men tới hạn. Sinh khối men cần để làm giống cho đợt lên men sau nên được lấy ra khỏi dịch lên men vào cuối pha ổn định; bằng cách gạn trên bề mặt lên men đối với lên men nổi, và rút từ đáy tank đối với lên men chìm. Tế bào lấy ở giai đoạn sau đó sẽ kém sức sống và nguy cơ chứa nhiều tạp nhiễm hơn. 4.2. Phân loại công nghệ Lên men bia theo kiểu cổ điển tiến hành quá trình theo 2 pha tách biệt là lên men sơ cấp và lên men thứ cấp (ủ chín). Trong đó quá trình lên men có thể sử dụng tank hở, chế tạo bằng nhiều vật liệu khác nhau như kim loại, đá, gỗ. Công nghệ bia hiện nay phổ biến kiểu lên men một pha, trong đó cả quá trình lên men và ủ chin bia được thực hiện chung trong một tank (uni tank). Các tank này thường có dạng hình trụ, đáy côn và phổ biến là bằng hợp kim chống rỉ, thường gọi là tank thân trụ đáy côn (cylindroconical vessel). 152 Có hai dạng lên men bia là lên men nổi và lên men chìm. Lên men nổi ra đời từ khi nghề sản xuất bia còn sơ khai, hiện nay vẫn được duy trì để sản xuất một số dòng bia đặc trưng truyền thống (ví dụ ale). Các loại bia này chủ yếu được ưa chuộng ở Bắc Âu và Tây Âu (Đức, Đan Mạch, Anh v.v). Bia lên men chìm hiện chiếm trên 90 V% tổng sản lượng bia và được sử dụng phổ biến toàn cầu. Hai dạng lên men này sử dụng 2 nhóm nấm men tương ứng với nhiều khác biệt đáng kể. Lên men có thể thực hiện gián đoạn theo từng mẻ, hoặc theo quá trình liên tục. Tuy nhiên, lên men gián đoạn vẫn là hình thức chủ yếu trong sản xuất bia hiện nay. 4.3. Công nghệ hai pha 4.3.1. Lên men sơ cấp Trong lên men cổ điển, quá trình lên men được thực hiện trong tank hở hình khối chế tạo bằng kim loại (thuòng là đồng), gỗ, hoặc đá. Hiện nay chủ yếu sử dụng tank kín chế tạo bằng thép không rỉ. Lên men sơ cấp bia vàng kéo dài khoảng 7 – 12 ngày ở nhiệt độ 6 – 8oC. Đối với bia đen, thời gian này từ 12 - 18 ngày và nhiệt độ cao hơn. Biểu hiện và diễn biến của một quá trình lên men sơ cấp được mô tả như sau: Trong 1 - 2 ngày đầu, nấm men làm quen với môi trường và bắt đầu sinh sản. Có một số biểu hiện lên men: ngày đầu, nhiệt độ đã tăng khoảng 0,5oC, xuất hiện bọt, ngày thứ hai nhiều bọt nhỏ, mịn, màu trắng lan phủ đầy mặt thóang. Hàm lượng chất khô giảm khoảng 0,3 - 0,5 wt%. Trong 2 - 3 ngày tiếp theo, nấm men phát triển cực đại; tốc độ lên men mạnh, bọt ban đầu thành khối màu trắng sau ngả sang nâu. Hàm lượng chất khô giảm 2 - 2,5 wt%. Trung bình 0,7- 1 wt%/ ngày đêm. Nhiệt độ tăng 1,0 - 1,5oC. Giai đoạn lên men mạnh nhất kéo dài khoảng 2 ngày. Bọt dâng lên cực đại tạo thành những mảng lớn. Kích thước bọt to, thô, bên trên bắt đầu ngả sang màu xám. Hàm lượng chất khô giảm 2,5 - 3 wt%. Trung bình 1,5 wt% ngày đêm, nhiệt độ có xu hướng tăng nhanh. Sau đó bọt lắng dần. Trong 2 - 3 ngày cuối, tốc độ lên men giảm, bọt tàn, trên bề mặt bia non chỉ còn phủ một lớp bọt màu xám nâu. Hàm lượng chất khô giảm khoảng 1,8 – 2 wt% .Nấm men và cặn lần lượt kết lắng. Sự biến đổi đặc trưng các thành phần và tính chất cơ bản của nước nha sau lên men sơ cấp và thứ cấp được thể hiện thể hiện ở bảng 11.1. Một qui trình vận hành điển hình có thể như sau: - Chuẩn bị: Chuẩn bị tank lên men (vệ sinh, kiểm tra), bơm nước nha và phân tán men giống vào tank lên men. Giống men có thể là canh trường nhân giống (từ giống gốc) hoặc canh trường hoạt hóa (từ men thu hồi) đều sử dụng khi đang ở trạng thái cao trào, được định lượng chính xác và phân tán vào môi trường lên men bằng cách bơm hợp lưu với dòng dịch vào tank lên men. Mật độ men giống khoảng 20 – 30 triệu tế bào/ml. Bảng 11.1. Thành phần và tính chất của bia sau lên men sơ cấp và thứ cấp. Kết thúc lên men Kết thúc lên men sơ cấp thứ cấp o Đường lên men được ( P) 1 0,5 Nhiệt độ (oC) 5-7 -2 6 Mật độ nấm men (10 tb/ml) 15-25 2.5 >5 Diacetyl (mg/l) [...]... trọng nhất trong quá trình sản xuất rượu, dịch lên men sau khi tiến hành quá trình lên men xong gọi là dịch lên men kết thúc (còn gọi là dấm chín) Gọi dấm chín là vì trong dịch lên men kết thúc, hàm lượng rượu 6 ÷ 10% thích hợp cho quá trình lên men acid acetic (dấm) 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA SỰ LÊN MEN RƯỢU 1.1 Cơ chế hóa học của quá trình lên men rượu Quá trình lên men rượu là quá trình biến đổi đường... Nuôi cấy nấm men trong sản xuất 4.2.1 Chuẩn bị môi trường Môi trường nuôi cấy trong sản xuất thường lấy trực tiếp ở thùng đường hóa, nhưng cần đường hóa thêm để bảo đảm hàm lượng đường lớn hơn 60 g/l 4.2.2 Nuôi cấy và nhân giống nấm men trong sản xuất Nhân giống có thể tiến hành gián đoạn, bán liên tục hoặc liên tục Sau đây là sơ đồ và cách tiến hành gây men bán liên tục ở Công ty Rượu Đồng Xuân Phú Thọ... 41 Chương 5 LÊN MEN RƯỢU Lên men là quá trình trao đổi chất giữa tế bào vi sinh vật với môi trường xung quanh, trong đó các hợp chất hữu cơ (chủ yếu là đường bị thay đổi cấu trúc dưới tác dụng của các enzyme vi sinh vật) Lên men rượu bởi nấm men rượu thuộc loại lên men kỵ khí, sản phẩm chủ yếu là ethanol, nên thường được gọi là lên men rượu hay còn gọi là rượu hóa, cồn hóa Lên men rượu là giai đoạn quan... Nguồn Mg và K thường cung cấp ở dạng cation của các muối phosphat và sulfat Vitamin và các yếu tố sinh trưởng khác 2 CHỦNG NẤM MEN THƯỜNG DÙNG TRONG SẢN XUẤT RƯỢU 2.1 Yêu cầu đối với chủng nấm men rượu dùng trong sản xuất - Phát triển nhanh trên môi trường sản xuất - Có đặc tính sinh lý, sinh hóa ổn định trong thời gian dài - Chịu đựng được những yếu tố không thuận lợi của môi trường Đặc biệt là các chất... triển của nấm men khi nồng độ rượu là 5 %? Câu 5: Chuẩn bị dịch đường hóa từ malt để nuôi cấy nấm men trong phòng thí nghiệm như thế nào? Câu 6: Phương pháp nuôi cấy và nhân giống men trong phòng thí nghiệm? Câu 7: Vẽ sơ đồ và trình bày nuôi cấy, nhân giống nấm men trong sản xuất? Có những hiện tượng bất thường gì trong quá trình nuôi cấy, nhân giống nấm men trong sản xuất? Nguyên nhân và biện pháp... vi khuẩn phát triển rất nhanh 3.3 Nồng độ rượu Mục đích của quá trình nuôi cấy nấm men là tạo điều kiện cho nấm men phát triển để đạt số lượng nấm men theo yêu cầu (tức là tăng sinh khối) Trong quá trình nuôi cấy nấm men có thể tạo ra một lượng rượu, lượng rượu tích lũy nhiều hay ít phụ thuộc vào mức độ đảm bảo ôxy cho quá trình nhân men và loại nấm men Lượng rượu tạo ra trong môi trường có ảnh hưởng... bản để chọn nguyên liệu sản xuất rượu etylic là gì? Trong thực tế vì sao ta thường chọn nguyên liệu sắn để sản xuất rượu etylic? Câu 2: Cơ sở nào để ta chọn rỉ đường làm nguyên liệu sản xuất rượu etylic? Vì sao nói rỉ đường khi bị nhiễm khuẩn sẽ làm giảm hiệu suất tổng thu hồi? Câu 3: Trong quá trình bảo quản, có sự thay đổi đáng kể nào trong rỉ đường? Sự thay đổi này ảnh hưởng đến chất lượng của rỉ... Trong giai đoạn lên men rượu bình thường thì ethanol tạo thành chủ yếu còn glycerin tạo ra rất ít Tổng quát: Quá trình lên men rượu bình thường có thể mô tả như sau: zymase 2CH3CH2OH + 2CO2 + 28,2 kcal C6H12O6 42 1.1.2 Sự chuyển hướng sang glycerin Việc chuyển hướng quá trình lên men rượu tạo glycerin có thể tạo thành bằng cách: Giữ lại hoặc loại trừ acetaldehyd thì quá trình lên men rượu không thực hiện... thêm phải lớn để thực hiện quá trình tự bốc hơi 1.3 Đường hóa tinh bột Quá trình thủy phân tinh bột trong khối cháo nhờ xúc tác của amylase biến thành đường được gọi là đường hóa, sản phẩm gọi là dịch đường hóa Trước đây, hầu hết các nhà máy rượu ở nước ta đều dùng amylase thu được từ nuôi cấy nấm mốc Hiện nay, nhiều nhà máy đã dùng chế phẩm amylase của các hãng sản xuất enzyme như Novo, Genecor, v.v…... màu với I2 26 Dựa vào các tính chất đó biết được các giai đoạn, các sản phẩm tạo ra trong quá trình đường hóa Trong sản xuất rượu, đường hóa được xem là đạt yêu cầu khi hàm lượng đường tính theo glucose đạt trên 30 gam/lít dịch thủy phân Ở giai đoạn này nếu thử với dung dịch iodine thì vẫn còn màu xanh 1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đường hóa a Nhiệt độ Nhiệt độ tối thích của enzyme phụ thuộc ...PHẦN I CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT RƯỢU ETYLIC Chương KHÁI QUÁT CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT RƯỢU SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH CÔNG NGHIỆP RƯỢU Rượu tên gọi chung để hợp chất... chương trình sản xuất cồn từ sinh khối thực vật (biomass) ỨNG DỤNG CỦA RƯỢU ETYLIC Rượu etylic có vai trò quan trọng ngành công nghiệp, nguyên liệu để sản xuất 150 loại sản phẩm khác Rượu etylic... học Mật rỉ hay rỉ đường thứ phẩm công nghệ sản xuất đường, thường chiếm từ ÷ 5% so với lượng mía đưa vào sản xuất Tỷ lệ phụ thuộc vào chất lượng mía công nghệ sản xuất Thành phần rỉ đường gồm: Đường