CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN ETYLIC

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN ETYLIC

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT

CỒN ETYLIC

NGUYÊN LIỆU

Nguyên tắc: nguyên liệu chứa polysaccharide đều có

thể sử dụng trong công nghệ sản xuất cồn

Yêu cầu:

 Đảm bảo đủ lượng dưỡng chất phục vụ cho sự phát triển của

vi sinh vật

 Hàm lượng đường hoặc tinh bột cao, có khả năng đem lại

hiệu quả kinh tế

 Sẵn có, giá thành thấp

 Vùng nguyên liệu tập trung và đủ cho nhu cầu sản xuất

Chúng ta sẽ xem xét 2 loại nguyên liệu phổ biến:

Tinh bột - Rỉ đường

RỈ ĐƯỜNG (MẬT RỈ)

Phế liệu trong công nghiệp đường mía hoặc đường củ cải

Là loại đường không kết tinh được Thường chiếm khoảng 3 – 5% lượng mía

Thành phần:

Nước chiếm 15 – 20%

Hàm lượng chất khô chiếm 80 – 85 % Trong đó:

– 60% là đường lên men được với:

– 35 – 40% saccharoza– 20 – 25% đường khử– 40% chất phi đường, với

– 20 – 32 % chất hữu cơ– 8 – 10 % chất vô cơMật rỉ có độ pH từ 6,8 – 7,2

- Mật rỉ nhận được từ sản xuất luôn chứa một lượng vi sinh vật Nguy hiểm nhất là vi khuẩn lactic và vi khuẩn acetic

- 1g mật rỉ chứa tới 100.000 vi sinh vật không nha bào và 15.000 có khả năng tạo bào tử Ơû mật rỉ bị nhiễm nặng, con số vi sinh vật có thể đạt 500.000 và 50.000

- Đối với rỉ đường có nồng độ trên 70%, hầu hết vi sinh vật đều chịu nằm yên, nhưng khi pha loãng chúng sẽ bắt đầu hoạt động và làm giảm hàm lượng đường, dẫn đến tăng tổn thất

- Trong quá trình sản xuất cần có biện pháp xử lý phù hợp nhằm diệt bớt và hạn chế hoạt động của tạp khuẩn

ỨNG DỤNG CỦA MẬT RỈ

 Sản xuất cồn

 Sản xuất acid acetic, acid citric

 Sản xuất nấm men bánh mì, nấm men cho chăn nuôi.

 Sản xuất bột ngọt

 Sản xuất glycerin

Ưu điểm của việc sử dụng rỉ đường để sản xuất cồn Etylic so với những nguyên liệu khác:

NGUYÊN LIỆU CHỨA TINH BỘT

Sắn, ngô, khoai và một phần gạo hoặc tấm.

 Sắn :

Loại Nước Protit Chất béo Gluxit Xenlulo Tro Sắn tươi

Sắn khơ 70,25 13,12 0,205 1,102 0,41 0,41 26,58 74,74 1,11 1,11 0,54 1,69

 Phazeolunatin không độc nhưng khi bị thủy phân thì các

glucozit này sẽ giải phóng HCN, là một chất gây độc cho

cơ thể Tuy nhiên d bay hơi và dễ hòa tan trong nước l nh ễ ạ hay n c v ướ ơi nên dễ loại bỏ

 Độc tố trong sắn có tên chung là Phazeolunatin chứa

nhiều trong sắn đắng, chủ yếu ở vỏ và cùi, hàm lượng của

Phazeolunatin vào khoảng 0,001 – 0,04%

 Sắn thái lát, phơi khô giảm đáng kể số lượng HCN

Loại Nước Protit Chất béo Gluxit Xenlulo TroKhoai tây tươi

Khoai lang tươi

Khoai lang khô

74,968,112,9

1,991,66,1

0,150,50,5

20,8 27,9 76,7

0,980,91,4

1,091,002,4

Hạt ngô gồm hai phần chính: Phôi và nội nhũ Phôi chiếm 10 – 13% trọng lượng hạt, nội nhũ chiếm 83 – 85%, vỏ chiếm 2 – 5%

Loại Nước Protit Chất béo Gluxit Xenlulo Tro

106,710,512

4,61,92,11,7

67,9 63 66,4 68,2

2,210,44,52,0

1,35,22,51,6

0,52,45110,121,7

77 74,79 77,38 72 69,6

0,40,650,614,051,9

0,51,40,711,141,8

 Tinh bột thường được thủy phân:

Thủy phân tinh bột bằng acid và nhiệt độ: thu được glucoza→ hiệu xuất không cao và gây ô nhiễm môi trường

Dùng amylaza của mầm đại mạch ta sẽ thu được 70 – 80% là maltoza và 30 – 20% là dextran

Dùng amylaza của nấm mốc ta sẽ thu được 80 – 90% là glucoza

Celluloza dưới tác dụng của acid vô cơ loãng, nhiệt độ cao và áp suất cao sẽ bị phân hủy thành glucoza

Hemicelluloza (bán xơ): dễ bị thủy phân hơn celluloza để tạo thành glucoza

Trong công nghiệp sản xuất rượu, nước được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau:

• Xử lý nguyên liệu

• Nấu nguyên liệu

• Pha loãng dung dịch

• Vệ sinh thiết bị,…

Yêu cầu chất lượng của nước trong sản xuất

rượu

• Trong suốt, không màu, không mùi.

• Độ cứng: không quá 7 mg-E/l

• Độ oxy hóa: ≤ 2ml KMnO4/l

• Chất cặn: ≤ 1 mg/l

• Không có kim loại nặng

• Hàm lượng các muối phải thỏa yêu cầu sau:

+ Hàm lượng Clo ≤ 0,5 mg-E / lít + H2SO4 ≤ 80 mg-E / lít + Hàm lượng Asen ≤ 0,05 mg-E / lít + Hàm lượng Pb ≤ 0,1 mg-E / lít + Hàm lượng F ≤ 3 mg-E / lít + Hàm lượng Zn ≤ 5 mg-E / lít + Hàm lượng Cu ≤ 3 mg-E / lít + NH và các muối NO , NO : không có

Sơ đồ tổng quát công nghệ sản xuất cồn Etylic

NGUYÊN LIỆU

Xử lý – Nấu Pha loãng – Xử lý Đường hóa Chuẩn bị dịch lên men Lên men

Chưng cất

Lên men Chưng cất

Chất khô

Đặc điểm của phương pháp Amylo

• Đường hóa khá triệt để nên hiệu suất rượu so với nguyên liệu cao

• Chu kỳ 1 mẻ rượu kéo dài nên năng suất của nhà máy bị hạn chế

• Kén chọn nguyên liệu: chỉ thích hợp với gạo, bắp (không thích hợp với khoai và sắn)

• Chế độ vô trùng phải chặt chẽ (do đường hóa và lên men trong cùng một thùng ủ)

Đặc điểm của phương pháp Mycomalt

• Ưu điểm:

- Ít bị nhiễm chua, không đòi hỏi chế độ vô trùng nghiêm ngặt

- Rút ngắn được chu kỳ sản xuất, dễ tăng năng suất

- Không kén chọn nguyên liệu

- Thích hợp cho quy mô sản xuất công nghiệp vừa và nhỏ

Đặc điểm của phương pháp Mycomalt

• Nhược điểm:

- Tốn nhiều diện tích để nuôi cấy nấm mốc

- Tốn nhiều bột ngô, trấu, cám để nuôi cấy nấm mốc

- Thao tác nuôi cấy nấm mốc vất vả hơn, gây men giống phức tạp hơn

- Tốn nhiều thiết bị đường hóa, lên men

- Cần có máy lạnh để làm nguội nhanh dịch đường hóa

từ 60oC xuống 30oC

XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU TINH BỘT

1 NGHIỀN NGUYÊN LIỆU

Mục đích:

Phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật, tạo điều kiện giải phóng hạt tinh bột khỏi các mô, để khi đưa vào nấu ở áp suất và nhiệt độ phù hợp biến tinh bột thành dạng hòa tan

-Nguyên liệu dạng hạt hoặc lát được đưa vào máy nghiền búa (Tại Việt Nam)

-Nghiền thô: búa có chiều dày = 6 – 10 mm

-Nghiền nhỏ: búa có chiều dày = 2 – 3 mm

-Tốc độ quay của máy nghiền: 2750 vòng/ phút

 Trong quá trình nghiền: các phần nhỏ lọt qua rây được quạt hút và đẩy ra ngoài, phần chưa lọt qua rây tiếp tục được nghiền nhỏ.

 Tùy theo chế độ nấu mà rây có kích thước khác nhau

 Năng suất của máy phụ thuộc vào mức độ nghiền và kích thước rây

NẤU NGUYÊN LIỆU

Nấu nguyên liệu có thể tiến hành theo một trong ba phương pháp sau:

Gián đoạn

Bán liên tục

Liên tục

PHƯƠNG PHÁP NẤU GIÁN ĐOẠN

 Đặc điểm: toàn bộ quá trình nấu đều được thực hiện

trong cùng một nồi.

 Ưu điểm:

- Ít tốn vật liệu để chế tạo thiết bị.

- Thao tác đơn giản

 Nhược điểm:

- Tốn năng lượng

- Tổn thất đường

 Cho nước vào thiết bị, tỷ lệ 3,5 – 4 lít/kg nguyên liệu

 Bật cánh khuấy, cho nguyên liệu vào

 Mở van xả, đun 45 – 60’ Không khí và khí không ngưng tụ sẽ theo van xả thoát ra ngoài, cho tới khi chỉ còn hơi nước bão hòa.

 Đóng van xả Đợi đến khi áp suất đạt 3 – 3,5 kg/cm2 (tương ứng 135 – 1400C), trong 70 phút

 Kiểm tra cháo chín, mở van từ từ và phóng cháo sang thùng đường hóa.

Toàn bộ quá trình nấu diễn ra khoảng 2,5 – 3 giờ

Tiến hành nấu:

Có thể cho thêm H2SO4 300 Bome’ (2 – 4 kg/tấn nguyên liệu)

+ Ưu điểm: Nấu chóng chín, dịch cháo ít bị lão hóa

+ Nhược điểm: Ăn mòn thiết bị, ảnh hưởng đến hoạt độ của enzym amylaza.

Gần cuối giai đoạn phải kiểm tra độ nấu chín của tinh bột + Cháo chín: mùi thơm nhẹ, màu vàng rơm hoặc cánh gián + Cháo bị cháy: mùi khét, màu tối, vị đắng

+ Chưa chín: màu bột trắng, mùi ngái

PHƯƠNG PHÁP NẤU BÁN LIÊN TỤC

Đặc điểm: Nấu trong 3 nồi thành 3 giai đoạn:

+ Nấu sơ bộ+ Nấu chín+ Nấu chín thêm

Ưu điểm

 Giảm thời gian nấu ở áp suất và nhiệt độ cao

 Giảm tổn thất, tăng hiệu suất

 Tiết kiệm 15 – 30% lượng hơi

Nhược điểm:

Tốn thiết bị

Thiết bị nấu bán liên tục

 Cho lượng nước ở 40 – 500C vào nồi nấu sơ bộ theo tỷ lệ 3,5 – 4,0 lít/kg bột (Nồi nấu sơ bộ có dung tích tương đương nồi nấu chín)

 Cho cánh khuấy làm việc rồi đổ bột vào

 Dùng hơi th lấy từ nồi nấu chín thêm để đun dung dịch lên ứ

70 – 850C, duy trì trong 50 – 60 phút

 Xả cháo vào nồi nấu chín Tiến hành giống như nấu gián đoạn, với áp suất nấu là 2,8 – 3,2 kg/cm2, nhiệt độ là 130 –

1350C trong 60 phút Sau đó chuyển sang nồi nấu chín thêm

 Tại nồi nấu chín thêm (có dung tích gấp 3 lần nồi nấu chín), áp suất được duy trì ở 0,5 – 0,7 at, nhiệt độ là 105 – 1060C, trong thời gian 50 – 60 phút

 Nấu sơ bộ và nấu chín là gián đoạn Nấu chín thêm là liên tục

Tiến hành nấu:

2.3 PHƯƠNG PHÁP NẤU LIÊN TỤC

Ưu điểm:

 Tận dụng được nhiều hơi

 Cho phép nấu ở t0 thấp hoặc thời gian ngắn làm giảm tổn thất đường nên hiệu suất tăng

 Dễ cơ khí hóa và tự động hóa

 Tốn ít thiết bị, diện tích nhà xưởng

Nhược điểm:

 Nguyên liệu phải nghiền thật nhỏ

 Điện, hơi, nước phải ổn định

Tại thùng nấu nguyên liệu:

 Nguyên liệu được nghiền mịn tới kích thước là 1mm, hòa với nước ở 30 – 400C theo tỷ lệ nước : bột là 4 : 1

 Khuấy đều, cho 80% lượng α - amylaza chịu nhiệt (thường sử dụng Termamyl 120L của hãng Novo – Đan mạch) vào với tỷ lệ 0,02 – 0,03% so với khối lượng tinh bột

 Đun trong 40 – 50 phút, đạt tới 85 – 870C Giữ ở nhiệt độ này 15 – 20 phút.

 Đun sôi trong vòng 50 – 60 phút nhằm hòa tan các hạt tinh bột có kích thước lớn chưa kịp hồ hóa hết.

 Chuyển sang thùng đường hóa

Phương pháp ứng dụng chủ yếu tại Việt Nam

Tại thùng đường hóa:

 Dịch bột được làm nguội đến 90 – 930C rồi cho hết 20% lượng enzym còn lại vào.

 Làm nguội đến 55 – 560C, để trong 30 phút Lúc này pH của dịch cháo sẽ là: 5,2 – 5,4

 Ưu điểm:

 Hiệu suất tăng đạt khoảng 93% so với lý thuyết.

 Tiết kiệm được enzym trong quá trình đường hóa.

 Giảm được lượng hơi sử dụng do không cần đưa nhiệt độ lên quá cao.

 Giảm được lượng bột chưa hòa tan xuống còn khoảng 0,2 – 0,25 g / 100ml

ĐƯỜNG HÓA DỊCH CHÁO

 Khái niệm: là quá trình dùng enzym amylase để chuyển

hóa tinh bột thành đường dễ lên men Quá trình này quyết định phần lớn hiệu suất thu hồi rượu.

 Có 2 loại amylase: từ mầm đại mạch và từ vi sinh vật.

 Hầu hết các nhà máy rượu ở nước ta đều dùng amylaza

thu được từ nuôi cấy nấm mốc hoặc sử dụng chế phẩm amylase nhập từ nước ngoài (hãng Novo), đã có nhà máy tự sản xuất amylaza thô tuy nhiên chất lượng chưa cao

CHỨC NĂNG CỦA ENZYME TRONG QUÁ TRÌNH

THỦY PHÂN TINH BỘT

α - amylaza: (enzym dịch hóa)

- Tác dụng lên nồi α – 1,4 glucozit ở vị trí bất kỳ, nhưng tập

trung vào giữa mạch amyloza và amylopectin

- Dưới tác dụng của enzym, tinh bột chuyển hóa thành dextrin + maltoza + 1 ít glucoza→ độ nhớt của tinh bột giảm nhanh → α - amylaza còn được gọi là enzym dịch hóa

Nhiệt độ hoạt động của enzym:

-α – amylaza của vi khuẩn hoạt động tốt ở t0 tối ưu = 95– 1000C

-α –amylaza của mầm thóc hoạt động tốt ở: t0 tối ưu = 73– 760C

-α –amylaza của Asp.ozyzae hoạt động tốt ở: t0 tối ưu = 50–550C

pH của môi trường và t0 tối ưu cũng phụ thuộc vào nhau: t0 tăng

→ pH tăng

β - amylaza (enzym đường hóa)

 Có tác dụng lên nối α - 1,4 – glucozit, bắt đầu từ vòng không có nhóm khử và cắt theo 2 gốc glucoza một trong phân tử của amyloza và amylopectin

 Sản phẩm tạo thành là maltoza nên β - amylaza còn được

gọi là enzym đường hóa β - amylaza có khả năng biến đổi

amyloza hoàn toàn thành maltoza, còn với amylopectin chỉ cắt được 50 – 55%

 PH tối ưu = 4,8 (β - amylaza của thóc mầm)

 Dưới tác dụng của α và β - amylaza ta thu được dịch chứa

78 – 80% maltoza và glucoza, 22 – 20% dextrin

VỊ TRÍ TÁC ĐỘNG CỦA AMYLASE LÊN MẠCH TINH BỘT

Các enzym khác:

 Amylaza của nấm mốc còn chứa một lượng

glucoamylaza, isomaltaza và oligo – 1,6 – glucosidaza Trong đó:

 Glucoamylaza có khả năng cắt tại α –1,4 và α –1,6–

glucoza và biến 100% tinh bột thành glucoza.

 Isomaltaza chỉ phân cắt nối α –1,6 trong phân tử

isomaltoza.

 Oligo – 1,6 – glucosidaza (có trong nấm mốc) cắt nối

α –1,6 trong phân tử dextrin

 Ngoài ra còn có thể thấy maltaza, pectinaza,

hemicelluloza, proteaza (proteinaza, peptidaza) trong chế phẩm enzym.

Sự biến đổi của một số chất khác trong

quá trình đường hóa:

 Nếu dùng amylaza của nấm mốc:

 Pectin dưới tác dụng của pectinaza sẽ chuyển hóa thành acid pectic và metanol.

 Hemicelluloza dưới tác dụng của hemicellulaza sẽ chuyển hóa thành dextrin, glucoza và đường pentoza, trong đó

dextrin tiếp tục bị phân giải thành maltoza

 protein dưới tác dụng của proteaza thì chuyển thành các acid amin là nguồn dưỡng chất cho nấm men sử

QUÁ TRÌNH ĐƯỜNG HÓA

Có thể tiến hành đường hóa theo 2 phương pháp: gián đoạn hoặc liên tục Nhưng luôn bao gồm:

_ Làm lạnh dịch cháo tới nhiệt độ đường hóa

_ Cho chế phẩm amylaza vào dịch cháo và giữ ở nhiệt độ thích hợp trong thời gian xác định để amylaza chuyển hóa tinh bột thành đường.

_ Làm lạnh dịch đường hóa tới nhiệt độ lên men.

Sơ đồ chung:

ĐƯỜNG HÓA GIÁN ĐOẠN: CÓ 3 PHƯƠNG PHÁP

 Sau đó cho cánh khuấy làm việc, mở nước làm lạnh tới t0 =

28 – 300C rồi bơm sang hệ thống lên men

 Ưu điểm: Cháo được dịch hóa

 Nhược điểm: Thời gian kéo dài.; Làm mất hoạt tính của

13-15 % amylaza

Giảm năng suất của thiết bị

 Ưu điểm: Dịch cháo được làm loãng nhanh do đó tránh sự lão

hóa tinh bột

 Nhược điểm:

 Hoạt tính của amylaza dễ bị mất nhiều

 Mất nhiều công theo dõi quan sát t0 của quá trình

 Phương pháp 3: (Thường được áp dụng tại Việt Nam)

 Cho toàn bộ dịch cháo vào

 Bật cánh khuấy Mở nước làm lạnh đến 700C

 Cho fluosilicat nattri 2% vào để sát trùng

 Cho 5 – 10% amylaza vào để dịch hóa Làm lạnh đến

600C

 Cho nốt 90 – 95% amylaza còn lại vào

 Thời gian đường hóa: 1h

 Sau đó làm lạnh đến t0 lên men

 Ưu điểm: Hoạt động của enzym giảm không đáng kể.

Đường hóa liên tục 2 lần cần chú ý tới :

 Phương pháp làm lạnh bằng chân không

 Dịch cháo được nấu trong môi trường áp suất thấp (0,2 kg/cm2) nên t0 nấu chỉ còn là 58 – 590C

 Tăng năng suất lao động

 Tăng hiệu suất rượu, tiết kiệm điện

ĐƯỜNG HÓA LIÊN TỤC

XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU MẬT RỈ

Pha loãng và xử lý dịch mật rỉ

Pha loãng dịch mật rỉ 50%

H2SO4 cho vào theo tỉ lệ 0,4 – 0,6% (tùy theo độ chua của

Sau đó khuấy trộn đều, để yên 1 – 4h

Bơm dịch trong lên thùng chứa rồi lọc loại tạp chất (chủ yếu là CaSO4, các kết tủa keo)

Cho vào thùng chứa giữ ở nhiệt độ 85 – 900C trong 1giờ, với mục đích CaSO4 kết tủa nhiều hơn, giúp cho hiệu suất lên men tăng khoảng 1%

pH = 4,5 – 5 tương đương độ chua: 1 – 1,5 g H SO / lít

 Pha loãng tới nồng độ gây men:

1 Lên men theo sơ đồ một nồng độ:

 Nồng độ chất khô 20 – 22%, tương đương 15 – 16% đường

 pH dịch đường 4,5 – 5,0, tương đương độ chua 1 – 1,5g

H2SO4/lit

 Ure cần bổ sung là 0,5 g/l

 Nồng độ fluosilicat natri: 2‰

2 Lên men theo sơ đồ hai nồng độ:

 Nồng độ chất khô: 12 – 14%

 pH: 4,5 – 5,0

 Ure cần bổ sung là 0,5 g/l

 Nồng độ fluosilicat natri: 2‰

 Dịch lên men cũng có các chỉ tiêu tương tự chỉ khác là nồng độ chất khô từ 30 đến 32%

 Chú ý:

 Nồng độ chất khô của dịch đường cao hay thấp là tuỳ thuộc độ thuần khiết của mật rỉ và nồng độ rượu định thu trong dấm chín.

 Với rỉ đường thủ công ta nên pha nồng độ thấp hơn khoảng 3 – 4% so với rỉ đường thu được ở nhà máy hiện đại, vì độ thuần khiết của rỉ đường thủ công cao hơn.

LÊN MEN DỊCH ĐƯỜNG

Các giai đoạn cần thực hiện:

 Chuẩn bị môi trường dinh dưỡng

 Nhân giống trong phòng thí nghiệm

 Nhân giống trong sản xuất

 Lên men

CHUẨN BỊ

MÔI TRƯỜNG

DINH DƯỠNG

Malt đại mạch nghiền nhỏ

Phối trộn H 2 O

(5:1) Nấu-Đường hóa

Tiệt trùng Phân phối vào dụng cụ

 Nhân giống trong phòng thí nghiệm

Lượng dịch trong bình Nồng