Phương pháp tách tạp chất trong rượu

Danh mục Giáo trình1. Hóa học Hữu cơ, tập 1 của tác giả Đỗ Đình Rãng2. Hóa học Hữu cơ, tập 2 của tác giả Đỗ Đình Rãng3. Hóa học Hữu cơ, tập 3 của tác giả Đỗ Đình Rãng4. Hóa học Hữu cơ, tập 1 của tác giả Thái Doãn Tĩnh5. Hóa học Hữu cơ, tập 2 của tác giả Thái Doãn Tĩnh6. Hóa học Hữu cơ, tập 3 của tác giả Thái Doãn Tĩnh7. Cơ chế Hóa học Hữu cơ, tập 1 của tác giả Thái Doãn Tĩnh8. Cơ chế Hóa học Hữu cơ, tập 2 của tác giả Thái Doãn Tĩnh9. Cơ chế Hóa học Hữu cơ, tập 3 của tác giả Thái Doãn Tĩnh

LỜI MỞ ĐẦU

Cồn rượu là sản phẩm thực phẩm nhưng cũng là sản phẩm có nguy cơ độc hại đối với cơ thể con người Tuy nhiên, hàm lượng cồn rượu trong nước ta và trên thế giới sản xuất ngày càng tăng Bởi lẽ, cồn rượu không chỉ để pha rượu mà nó cồn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: y tế, sản xuất cao su, dung môi, nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác Gần đây ứng dụng quan trọng nhất đó là cồn trở thành nhiên liệu sinh học

Cồn – nhiên liệu sinh học có ý nghĩa thực tế vô cùng quan trọng Sản xuất pin

sử dụng cồn, cồn được thay thế cho xăng khi nguồn dầu mỏ ngày càng cạn kiệt

Công nghệ sản xuất cồn rượu ở nước ta thì như thế nào? Tiêu chuẩn về cồn rượu

ở nước ta là tiêu chuẩn còn thấp so với thế giới Chúng ta có thể làm tốt giai đoạn lên men nhưng quá trình chưng cất, tinh chế để thu hồi thì đòi hỏi công nghệ cao Để làm giảm hàm lượng tạp chất trong cồn rượu chúng ta cần nghiên cứu rõ các điều kiện ảnh hưởng để tạo thành rượu hoàn toàn Các điều kiện ảnh hưởng: nguyên liệu, nấm men, thời gian chưng cất, nhiệt độ chưng cất, thời gian lên men Nghiên cứu các điều kiện trên để giảm hàm lượng tạp chất trong rượu etylic Đó chính là lí do tôi chọn đề tài này

“NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN ĐỂ GIẢM HÀM LƯỢNG TẠP CHẤT TRONG RƯỢU ETYLIC”

Chương I: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN ĐỂ GIẢM HÀM LƯỢNG TẠP CHẤT TRONG RƯỢU ETYILC.

1.1 Giới thiệu chung về rượu etylic

1.1.1 Giới thiệu về tình hình sản xuất và sử dụng rượu etylic

1.1.1.1 Sơ lược về tình hình sản xuất rượu etylic

Ở nước ta, nghề nấu rượu thủ công đã có từ ngàn xưa và chưa có tài liệu nào cho biết thời điểm khởi đầu Theo kinh nghiệm cổ truyền, nghề nấu rượu thủ công thực hiện như sau:

Gạo tẻ hay nếp được nấu chín thành cơm, cho ra nong sạch, để nguội, tiếp đó trộn men giống đã giả nhỏ với số lượng từ 1,5 đền 2,5% so với gạo Sau khi trộn đều, cơm được đưa vào rổ rá sạch, lót lá chuối, đậy kín bằng lá ở phía trên rồi phủ vải sạch hoặc bao tải, đặt vào chỗ thoáng mát khi trời nóng và chỗ ấm vào mùa đông Sau 2 đến

3 ngày ta nhận được cơm ủ có mùi thơm dễ chịu, ăn ngon, có vị cay và mềm

Tiếp đó cho cơm ủ vào chum hoặc vại sạch rồi thêm nước với số lượng 2 đến 3 lit nước cho 1 kg gạo đem nấu, nhiệt độ của nước tốt nhất là 300C, khuấy đều và để cho lên men tiếp 2,5 đến 3 ngày nữa Nếu ủ men tốt thì đa số các hạt gạo nấu vẫn giữ nguyên dạng bề ngoài nhưng nổi trên mặt chum vại Dịch lên men này gọi là “cơm hèm” Đổ cơm hèm vào nồi, đậy vung trát kín, chỉ để một lỗ hở thông với hệ thống làm lạnh rồi đun cho tới sôi, hơi bay ra ngưng tụ lại ta sẽ thu được rượu

Chất lượng rượu thu được phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như nguyên liệu gạo nếp hay tẻ, cơm nấu khô hoặc nhão, men tốt hay xấu, nhiệt độ khi ủ hay lên men, cũng như cách tiến hành chưng cất, lấy sản phẩm Quan trọng nhất là men giống, nguyên liệu và cách làm men giống rất đa dạng Mỗi nơi mỗi vùng đều có các bài thuốc làm men khác nhau

Cồn của các cơ sở thủ công làm ra phần lớn chưa đạt tiêu chuẩn TCVN-71, nhưng bản thân TCVN-71 về cồn rượu cũng thuộc loại thấp so với các nước tiên tiến trên thế giới Hiện tại trên lãnh thổ Việt Nam chỉ có ba cơ sở làm ra cồn loại I thoả mãn

TCVN-71 Đó là Công ty Rượu Bia Đồng Xuân Phú Thọ, Hà Nội và Bình Tây Tỉ lệ đạt loại I cũng còn chưa nhiều, riêng rượu Đồng Xuân đạt 70-80% Ngoài ba cơ sở trên, các cơ sở sản xuất còn lại chỉ làm ra được cồn loại II hoặc thấp hơn và hầu hết là cồn từ rỉ đường Muốn có cồn tinh khiết chất lượng cao cần phải có hệ thống chưng luyện tốt và biết sử dụng nó Mặt khác nên có thêm cồn sản xuất từ gạo, ngô và sắn.

- Hàm lượng este tính theo axetat etyl, mg/l

- Hàm lượng dầu fusel tính theo ancol

isoamylic và isobutylic, hỗn hợp 3:1, mg/l

- Hàm lượng ancol metylic, %V

- Hàm lượng axit tính theo axit axetic, mg/l

- Hàm lượng furfurrol

- Thời gian oxy hoá, phút

- Màu sắc

≥ 958

≤ 3030

≤ 0,06

≤ 9Không được có

≥ 50Trong suốt

và không màu

9520

5060

0,118Không được có20

Cồn tốt mới chỉ là điều kiện cần để pha được rượu ngon Muốn pha rượu ngon cần phải hiểu biết phương pháp và công thức pha chế Từ trước tới nay nhiều người quan niệm rượu chỉ là cồn pha thêm nước Tuy nhiên để bảo đảm vệ sinh an toàn thực phẩm, nước đem pha rượu phải là nước sạch được xử lý để đạt các chỉ tiêu lí hoá và sinh học nhất định và quan trọng hơn cả là muốn có rượu ngon thì phải bổ sung các

Sản xuất cồn rượu theo kiểu công nghiệp ở nước ta chỉ bắt đầu năm 1898 do người pháp thiết kế và xây dựng Trước cách mạng tháng Tám, ở nước ta có ít nhà máy rượu Tất cả đều sản xuất từ ngô, gạo và theo phương pháp amylo.

- Sau ngày lập lại hoà bình (1955), các nhà máy không còn thiết bị nguyên vẹn,

do đó chính phủ ta tập trung cải tạo, sữa chữa với năng suất đạt 6 triệu lit/năm

Đến năm 1960, chúng ta có thêm 2 nhà máy cồn từ rỉ đường Năng suất mỗi nhà máy là 1 triệu lit cồn qui 1000/năm Trong những năm chống Mĩ cứu nước, các tỉnh và địa phương xây dựng thêm hàng loạy các nhà máy rượu cỡ 1 triệu lit/năm Ngoài ra, ở các tỉnh cũng có xây dựng các phân xưởng cỡ nhỏ 100.000 lit/năm Tổng năng suất của tất cả các nhà máy lớn nhỏ vào khoảng 15 triệu lit/năm Sau năm 1975, chúng ta tiếp quản và xây thêm các nhà máy rỉ đường và một số cơ sở tư nhân khác Nếu cộng tất cả các cơ sở sản xuất cồn rượu của nước ta ở thời điểm 1980-1985 thì hàng năm ta có thể sản xuất trên 30 triệu lit cồn Có thể nói, thời gian này cồn rượu trong cả nước đạt cao nhất, vừa xuất khẩu vừa tiêu dùng trong nước

Vào những năm 1986-1987, do đổi mới cơ chế quản lý, nhiều xí nghiệp làm ăn thua lỗ, sản phẩm làm ra tiêu thụ chậm nên hàng loạt các phân xưởng nhà máy bị phá sản Lúc này các cơ sở sản xuất cồn rượu đa quốc doanh quản lý còn rất ít Các nhà máy lớn chỉ sản xuất cầm chừng vì không còn thị trường xuất khẩu như trước đây Thị trường trong nước cũng bị thu hẹp và rượu quốc doanh không cạnh tranh nổi với rượu thủ công

Theo ông Nguyễn Văn Hùng - Phó Chủ tịch thường trực kiêm Tổng thư ký Hiệp hội Bia - Rượu - Nước giải khát Việt Nam, Giai doạn 2000-2007, ngành rượu đạt mức tăng trưởng cao, bình quân trên 14%/năm Sản lượng rượu sản xuất công nghiệp những năm qua tăng nhanh nhưng còn chiếm tỷ trọng nhỏ, năng lực sản xuất rượu công nghiệp khoảng 100 triệu lít/năm Sản lượng rượu do dân tự nấu chiếm tỷ trọng gần 80% Mức độ tiêu thụ tại thị trường rượu có tỷ lệ không đồng đều, vẫn chủ yếu là rượu

do dân tự nấu, còn dòng rượu cao cấp, chủ yếu là các sản phẩm whisky, brandy, cognac, rum, vang, champagne nhập khẩu chiếm khoảng 4,09%

Xuất khẩu rượu của Việt Nam tăng từ 5,1 triệu USD năm 2000 tăng lên 7,5 triệu USD năm 2007 với tốc độ tăng trưởng trung bình đạt 7,4%/năm Sản phẩm rượu xuất khẩu chủ yếu là rượu mạnh Thị trường xuất khẩu chủ yếu là thị trường châu Á, lớn nhất là thị trường Nhật Bản

Theo ông Hùng, sở dĩ sản xuất rượu của Việt Nam vẫn chưa phát triển tương xứng là vì công nghệ, thiết bị sản xuất rượu thủ công và truyền thống còn đơn giản, lạc hậu Rượu công nghiệp cũng chưa có thiết bị đồng bộ

Về định hướng phát triển ngành rượu trong thời gian tới, ông Hùng cho biết: ngành tập trung phát triển rượu qui mô công nghiệp chất lượng cao, giảm rượu thủ công do dân tự nấu Kết hợp nấu rượu thủ công, làng nghề theo hình thức thu gom, xử

lý theo qui mô công nghiệp, công nghệ hiện đại của các đơn vị lớn để tạo ra sản phẩm chất lượng Thực tế, nhiều thương hiệu như rượu Bó Nặm, rượu Mẫu Sơn đã và đang

áp dụng thành công mô hình này

1.1.1.2 Tình hình sản xuất cồn nhiên liệu sinh học ở nước ta

1) Sản xuất cồn từ mật rỉ

Năm 2007, Ngành Nông nghiệp và Phát triển nông thôn có nguồn nguyên liệu là 550.000 tấn rỉ mật có thể sản xuất được 155 triệu lít cồn/năm Các cơ sở sản xuất cồn nhiên liệu từ rỉ mật có tổng công suất là 60 triệu lít/năm, bao gồm: Lam Sơn công suất

6 triệu lít/năm, Quảng Ngãi công suất 3 triệu lít/năm, Tuy Hòa công suất 6 triệu lít/năm, Hiệp Hòa công suất 6 triệu lít/năm, Long Mỹ Phát công suất 6 triệu lít/năm, Sơn Hà công suất 6 triệu lít/năm, …

Các nhà máy cồn Lam Sơn và Tuy Hòa có công nghệ thiết bị hiện đại, hệ thống chưng cất bao gồm 5 tháp, sản xuất cồn thực phẩm, còn các nhà máy khác tùy theo yêu cầu thị trường cung ứng các loại cồn thực phẩm, nhiên liệu hoặc làm nguyên liệu để sản xuất cồn thực phẩm Nhà máy có công suất lớn nhất là nhà máy cồn Lam Sơn

thuộc công ty Cp mía đường Lam Sơn có công suất 25 triệu lít/năm, phát huy 60% công suất, do thiếu nguyên liệu Mặt khác, việc sử lý môi trường do sản xuất cồn từ dích hèm, bã hèm cũng rất tốn kém và triệt để cũng là khó khăn cho nhà sản xuất

Về giá, Giá thành sản xuất cồn tại các nhà máy sản xuất đường cũng thường xuyên biến động phụ thuộc vào giá mật rỉ và chi phí nhiên vật liệu Tuy nhiên, nếu sản xuất cồn tinh luyện giá thành bình quân khoảng 6.000 đ/lít và cồn thô khoảng 3.500 đ/lít Có năm giá bán cồn nâng lên khoảng 7.900 đ/lít cồn tinh luyện và cồn thô vào khoảng 5.000 đ/lít Có những năm giá bán cồn nâng lên khoảng 10.000 - 11.000 đ/lít (năm 2005) và sản lượng do các nhà máy sản xuất ra không đáp ứng nhu cầu (chủ yếu

là nhập khầu) Việc xuất khẩu cồn tập trung vào các thị trường như Hàn Quốc, Nhật Bản và Đài Loan Việc xuất khẩu cồn đã đem lại việc làm cho các đơn vị sản xuất thùng phi, lực lượng vận tại, cho thuê kho xitec tại các cảng biển

Đối với tiêu dùng nội địa, lượng cồn sản xuất đã dáp ứng các nhu cầu cho y tế, phục vụ công nghiệp bảo quản, chế biến gỗ…

Công ty Cổ phần sinh học Việt Nam đã đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất cồn công nghiệp với công suất 66.000m3 cồn/năm tại tỉnh Đăk Lăk Để đảm bảo nguồn nguyên liệu ổn định, công ty đã có kế hoạch triển khai trồng cây tinh bột Tiboca trên 4.000 ha đất dự án

Công ty đường Biên Hòa và công ty Fair Energy Asia Ltd của Singapo đã ký kết bản ghi nhớ ngày 15-8 hợp tác đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất cồn sinh học, công suất 50.000 tấn cồn nguyên liệu/năm Nhà máy sẽ được xây dựng tại cụm công nghiệp phía Tây sông Vàm Cỏ Đông thuộc huyện Châu Thành tỉnh Tây Ninh

Công ty Petrosetco (Việt Nam) và Itochu (Nhật Bản) đang tiến hành dự án khoảng 80-100 triệu SUD để xây dựng nhà máy cồn có công xuất 100 triệu lít ethanol mỗi năm từ nguồng nguyên liệu sắn lát Nhà máy dự định sẽ được đặt tại Khu công nghiệp Hiệp Phước, TP HCM Dự kiến 99,8% sản phẩm sẽ được cung cấp cho thị trường để pha vào xăng sinh học

3) Sản xuất cồn từ trái điều

1.1.2 Thành phần hoá học của rượu etylic

Thành phần hoá học chính của rượu etylic là ancol etylic và các thành phần khác như axit hữu cơ, anđehit, este, hợp chất chứa nitơ Ngoài ra còn chứa các thành phần như ancol cao phân tử, metanol, furfurol thì rượu không đạt chuẩn

Cồn thô nhận được sau khi chưng cất còn chứa rát nhiều tạp chất (trên 50 chất)

có cấu tạo và tính chất khác nhau Trong đó gồm các nhóm chát sau: anđehit, este,

ancol cao phân tử và các axit hữu cơ Hàm lượng chung của các tạp chất không vượt quá 0,5% so với khối lượng cồn etylic.

Thành phần tạp chất thay đổi theo nguyên liệu

Bảng 2 – Thành phần tạp chất thay đổi và theo nguyên liệu

Dạng nguyên liệu Số mẫu

đem

Este mg/l cồn

Anđehit Dầu fusel

% so với rượuKhoai tây

Khoai tây + hạt

Hạt

Từ mật rỉ

18303634

416,6306,7242,5376,7

0,00470,0110,0400,116

0,280,210,410,32

78,832,186,4113,9Theo số liệu của Viện nghiên cứu Ucrain, hàm lượng tạp chất trong cồn thô nhận từ mật rỉ dao động trong giới hạn khá lớn Axit từ 20 đến 200 mg/l, este từ 150 đến 550 mg/l, anđehit từ 90 đến 900 mg/l, ancol cao phân tử từ 0,2 đến 0,5% khối lượng và hợp chất chứa nitơ tính theo amoniac từ 8 đến 18 mg/l

Bằng phương pháp phân tích sắc kí khí người ta thấy rằng, trong thành phần của axit gồm: axit axetic 75-85%, axit butyric 5-10% và còn lại 5-10% là các axit khác Trong số các anđehit thì anđehit axetic chiếm 75-90%, còn lại 5-10% anđehit propylic, 2-8% anđehit butyric Trong số các este thì 75-85% là este của axit axetic, 5-10% gồm este của axit propylic, valeric…

Hàm lượng ancol cao phân tử cũng rất khác nhau nhưng chứa chủ yếu là ancol amylic và ancol isobutylic

Một số các tạp chất mang tính đặc thù của từng 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 Mùi này là do các hợp chất nitơ hoặc este của axit butyric Cồn nhận được từ tinh bột thường chứa furfurol và các tạp chất gây vị đắng,

đó là các tecpen Chất này rất khó phát hiện bằng các phân tích thông thường nhưng lại cảm nhận bằng vị giác

* Phân loại tạp chất: gồm 3 loại tạp chất đầu, tạp chất trung gian và tạp chất cuối phân loại như vậy chỉ là tương đối và qui ước, vì tính chất của tạp chất có thể thay đổi theo nồng độ cồn.

- Tạp chất đầu gồm các chất dễ bay hơi hơn ancol etylic ở nông đôh bất kì, nghĩa là hệ số bay hơi lớn hơn hệ số bay hơi của rượu Các chất có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiệt độ sôi của ancol etylic gồm: anđehit axetic, axetat etyl, formiat etyl, anđehit butyric

- Tạp chất cuối gồm các ancol cao phân tử như ancol amylic, ancol isoamylic, isobutyric, propylic, isopropylic Ở khu vực nồng độ cao của ancol etylic, các tạp chất cuối có độ bay hơi kém hơn so với độ bay hơi của ancol etylic Ở khu vực nồng dộ etylic thấp, độ bay hơi của tạp chất cuối có thể nhiều hơn so với ancol etylic Tạp chất cuối điển hình là axit axetic, vì độ bay hơi của nó kém hơn ancol etylic ở mọi nồng độ

- Tạp chất trung gian có hai tính chất, vừa có thể là tạp chất đầu vừa có thể là tạp chất cuối Ở nồng độ cao của ancol etylic nó là tạp chất cuối Ở nồng đô ancol thấp chúng có thể trở thành tạp chất đầu Đó là các chất isobutyrat etyl, isovalerat etyl, isovalerat isoamyl và axetat isoamyl

Độ bay hơi của các tạp chất phụ thuộc vào nồng độ ancol etylic trong dung dịch Nếu hàm lượng tạp chất không lớn thì có thể xem như độ bay hơi của từng tạp chất riêng biệt không phụ thuộc vào hàm lượng của các tạp chất khác trong dung dịch

Thực nghiệm cho biết khi tăng nồng độ ancol etylic thì hệ số bay hơi của tất cả các tạp chất đều giảm và trong khoảng nồng độ ancol nhỏ hơn 55%, hệ số bay hơi của tất cả các tạp chất đều lớn hơn 1; trong đó có một số tạp chất luôn có hệ số bay hơi lớn hơn 1 ởp nồng độ rượu bất kỳ Đó là những tạp chất đầu như anđehit axetic, axetat etyl, axetat metyl

Khác với tạp chất đầu, tạp chất cuối mà điển hình là ancol amylic có hệ số bay hơi luôn nhỏ hơn 1 khi nồng độ ancol lớn hơn 55%; hệ số bay hơi của amylic bằng 1 khi nồng độ ancol bằng 55% và ở nồng độ nhỏ hơn 55% hệ số bay hơi của ancol

amylic lớn hơn 1 Người ta dựa vào tính chất này tách dầu fusel ra khỏi ancol etylic ở dạng hơi hoặc lỏng.

Tạp chất đầu và tạp chất cuối tương đối dễ tách, còn tạp chất trung gian rất khó tách

Bảng 3 – Tính chất các tạp chất trong cồn thô

Các tạp chất trong cồn thô Công thức

hoá học

Phân tử lượng

Nhiệt ddộ sôi (0C)Anđehit

74,0888,1074,08116,16116,16130,18130,18172,26118,17

60,0960,0974,1274,1288,15

20,252,5161,7

54,477,156,0110,1121,0142,0134,8194,0102,4

82,497,2108,1117,9132,1

136,23154,24

137,864,7155,7

100,8118,1163,6

Nguyên liệu có 2 loại chính: nguyên liệu chứa tinh bột và nguyên liệu chứa đường mật rỉ

+ Nguyên liệu chứa tinh bột chủ yếu là sắn, ngô, gạo và tấm

+ Nguyên liệu chứa đường mật rỉ là thứ phẩm của sản xuất đường

1) Nguyên liệu chứa tinh bột:

Thành phần quan trọng và chủ yếu đối với nguyên liệu chứa tinh bột dùng trong sản xuất rượu

+ Đối với sản xuất rượu thì thành phần quan trọng nhất là gluxit lên men được, gồm tinh bột và một số đường Trong đa số glũit nói chung thì tỉ lệ giữa H và O đều tương tự như nước - Cn(H2O)m.

+ Gluxit trong tự nhiên chia làm 3 nhóm chính là mono, oligo và monosaccarit Monosaccarit là những gluxit đơn giản không thể thuỷ phân được Trong thiên nhiên phổ biến nhất là hexoza và pentza Hexoza là gluxit lên men được, dưới tác dụng của nấm men đa số hexoza sẽ biến thành rượu và CO2 Pentoza thuộc gluxit không len men được, không có khả năng chuyển hoá thành rượu và CO2 dưói tác dụng của nấm men

+ Oligosaccarit là những gluxit chứa từ 2 đến 10 gốc monosaccarit Trong thiên nhiên phổ biến nhất là đisaccarit và trisaccarit Đisaccarit phổ biến là mantoza và saccaroza, trisaccarit phố biến là rafinoza Marltoza và saccaroza dễ dàng chuyển hoá thành rượu và CO2 dưới tác dụng hệ zymaza của nấm men, còn rafinoza chỉ lên men được 1/3

Tuỳ theo nguyên liệu để sản xuất cồn etylic mà chúng ta thu được số lượng cồn etylic khác nhau Trong đó, nguyên liệu chứa tinh bột thu được cồn etylic nhiều nhất

Bảng 4

Nguồn gluxit Lượng cồn thu được từ 100 kg

Theo lít Theo kgTinh bột

Đường đôiĐường đơn

71,99868,2064,794

56,81853,8351,14

2) Nguyên liệu chứa đường mật rỉ:

Mật rỉ hay rỉ đường là thứ phẩm của công nghệ sản xuất đường, thường chiếm

từ 3 đến 5% so với lượng mái đưa vào sản xuất

Đến năm 2000, có khoảng 40 nhà máy đường đi vào sản xuất với tổng công suất khoảng 12 triệu tấn mía Nếu tỉ lệ mật rỉ chiếm 3,5% thì lúc đó các nhà máy đường thải ramột lượng mật rỉ là 420000 tấn

Từ 1 tấn mật rỉ chúng ta có thể thu được: 300 lit cồn 1000, 50 kg nấm men; 160

kg CO2 lỏng; 14 kg glixerol; 14,2 kg mì chính và một số sản phẩm khác

a) Thành phần hoá học của đường mật rỉ

Thành phần mật rỉ phụ thuộc vào giống mía, đất đai trồng trọt và điều kiện canh tcá cũng như công nghệ sản xuất đường Bình thường lượng chất khô trong mật rỉ chiếm 80 đến 85%, nước chiếm 15 đến 20% Có nhà máy rửa nhiếu nước sau khi li tâm đường nên lượng chất khô giảm còn 70-75%

Trong số các chất khô thì đường chiếm tới 60%, gồm 35-40% là saccaroza và 20-25% là đường khử Số chất khô còn lại gọi chung là chất phi đường và gồm 30-32%

là hợp chất hữu cơ và 8-10% là chất vô cơ

Hàm lượng trung bình của các chất vô cơ trong chất khô vào khoảng sau:

Chất vô cơ %

K2O 76,4

Na2O 11,1CaO 3,5MgO 0,4

SO3 2,8

Cl– 5,0Các oxit khác 0,8Hợp chất hữu cơ gồm các chất chứa nitơ, cacbon, oxy và hyđro Chất hữu cơ không chứa nitơ gồm có pectin, chất nhầy furfurol và oxymetyl furfurol, axit… Ngoài

ra còn chứa các chất khử nhưng không lên men được như caramen, chất màu… Hợp chất hữu cơ chứa nitơ phần lớn ở dạng amin như glutamic, lơxin, alanin… Lượng nitơ trong rỉ đường mía chỉ khoảng 0,5 đến 1%, ít ơn so với rỉ đường củ cải (1,2-2,2%) Do chứa ít nitơ nên khi lên men dịch rỉ đường chúng ta phải bổ sung nguồn nitơ từ ure hoặc amoni sunfat Ngoài bổ sung nguồn nitơ, chúng ta cần thêm nguồn photpho để giúp cho sự phát triển bình thường của nấm men

Trong rỉ đường mía thường chứa nhiều vitamin với hàm lượng khác nhau

Bình thường pH của mật rỉ từ 6,8 đến 7,2 Rỉ mới sản xuất ra có thể có pH= 8,9 Hiện nay hầu hết các nhà máy đường đều xử lý bằng lưu huỳnh nên pH của rỉ đường thường thấp hơn và vào khoảng 5,6-6 Độ kiềm của rỉ vào khoảng 0,5-20 Độ kiềm gây bởi các muối canxi của axit cacbonic và các axit hữu cơ khác

7,2-Độ đệm được biểu thị bằng thể tích dung dịch H2SO4 1N cần thiết để điều chỉnh dung dịch gồm 100 g rỉ + 100 g nước tới pH = 4,5 Tuỳ theo pH của mật rỉ, độ đệm của mật rỉ, độ đệm có thể từ 14 đến 45

c) Vi sinh vật trong mật rỉ

Mật rỉ nhận được từ sản xuất luôn chứa một lượng vi sinh vật Trong đó nguy hiểm nhất là vi khuẩn lactic và axetic Mức độ nhiễm khuẩn được xác định bằng sự tăng độ chua khi để mật rỉ “tự lên men” Mức tăng độ chua (khi tự lên men 24 giờ) trong phạm vi 0,2 đến 0,30 được xem là bình thường

Thực tế trong 1 gam mật rỉ chứa tới 100000 vi sinh vật không nha bào và 15000

có khả năg tạo bào tử Ở mật rỉ bị nhiễm nặng, con số vi sinh vật có thể đạt 500000 và

50000 Tuy nhiên, đối với mật rỉ đường có nồng độ trên 70%, hầu hết vi sinh vật trong mật rỉ 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 ngằm diệt bớt và hạn chế hoạt động của tạp khuẩn

1.1.3.2 Nấm men:

1) Thành phần hoá học của nấm men:

Thành phần hoá học và dinh dưỡng của nấm men phụ thuộc vào chủng giống, môi trường, trạng thái sinh lí cũng như điều kiện nuôi vấy Men ép chứa trung bình 75% nước và 25% chất khô Các chất khô của nẩm men bao gồm các thành phần sau:

kể Trong giai đoạn đầu của lên men nồng độ đường còn cao, nên nấm men chứa nhiều glucogen để duy trì sự sống Dưới tác dụng của – amylaza, glucogen biến thành mantoza và destrin

Protit chứa trong nấm men rượu thường vào khoảng 35 đến 40% và có đủ các axit amin không thay thế được Về giá trị dinh dưỡng thì protit nấm men tương đương protit động vật nhưng giá trị hơn protit thực vật Ở nhiệt độ cao và bình thường, dưới tác dụng của proteaza có sẵn trong nấm men, protit biến thành pepton, peptic và axit amin

Chất béo là thức ăn dự trữ của nấm men và chứa chủ yếu trong nguyên sinh chất, hàm lượng khoảng 2 đến 5% khối lượng chất khô Trong nấm men còn chứa các chất tương tự chất béo như loxitin và sterin Trong số đó quan trọng hơn cả là ecgosterin, chất này dễ biến thành vitamin D dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, hàm lượng vào khoảng từ 0,3 đến 1.4% chất khô của nấm men

Chất khoáng chiếm từ 5 đến 11% Tuy với số lượng ít nhưng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong hoạt động của nấm men, đặc biệt là photpho Photpho thường nằm dưới dạng liên kết hữu cơvà có trong thành phần của photphatit, nucleoprotic cũng như ãit nuclêic Trong tế bào nấm men còn chứa các ion kali, magie, sắt, lưu huỳnh và axit silicic Lưu huỳnh có trong thành phần protit ở dạng –SH hoặc –S-S- Lưu huỳnh

và sắt đều tham gia phản ứng oxi hoá khử Sắt cùng với các chất vô cơ khác như Zn,

Mn, Cu, Mg… là những chất không thể thiếu đối với nhiều enzim oxi hoá Magie cũng như lưu huỳnh và photpho còn có tác dụng làm hoạt hoá photphotaza trong quá trình lên men Canxi giúp và loại bỏ các chất độc thải ra khi lên men, đồng thời giúp cho tổng hợp protit, làm tăng quá trình oxi hoá và có tác dụng tạo thành 1 số vitamin

Để đảm bảo cho sự sống, nấm men cần các vitamin B1, B2 Biotin và axit paraaminobenzoic là những chất kích thích cho sinh trưởng của nấm men Trong tế bào nấm men chứa nhiều loại vitamin và với hàm lượng khá lớn nên hiện nay nấm men được xem là nguồn nguyên liệu quí trong sản xuất 1 số vitamin

Trong điều kiện sản xuất rượu, nguồn thức ăn của nấm men như gluxit và và chất khoáng thường có sẳn và đủ trong môi trường Vitamin với số lượng rất ít thướng được cung cấp từ chế phẩm amylaza đưa vào khi đường hoá

2) Nấm men được dùng trong sản xuất cồn etylic:

Trong sản xuất cồn, rượu vang và bia người ta hay dùng chủng saccharomyces

và chia thành:

Lên men nổi mà đặc điểm của nó là trong giai đoạn lên men chính chúng tạo trên bề mặt một lớp bọt tương đối dày, trạng thái này được duy trì cho tới khi lên men gần kết thúc Sau đó nấm men lắng dần nhưng chậm và không tạo thành lớp men xít bám chắc ở đáy thùng

Theo cấu trúc thì nấm men nổi thuộc dạng hạt, chúng ít liên kết thành chuỗi, dạng bóng như nấm men chìm Nấm men chìm chỉ phát triển trong môi trường lên

men, chúng không tạo thành bọt dày trên bề mạt, lắng nhanh khi lên men kết thúc và tạo thành một lớp men xít, bám chắc ở đáy thùng.

Đặc điểm nổi bật của men chìm là một số chủng có chứa enzym α - galactozidaza nên lên men hoàn toàn đường rafinoza, còn đối với nấm men nổi thì chỉ một số ít chủng có khả năng chuyển hoá đường rafinoza thành rượu và cacbonic và chỉ 1/3

Đa số nấm men bia, rượu vang đều thuộc nấm men chìm Còn men rượu, men bánh mì và một số ít men bia thuộc nấm men nổi Ban đầu chúng ta chỉ biết loại nấm men nôit do lên men tất cả các dịch ở nhiệt độ thường Người ta làm nấm men thành nắm Khi lên men, giã nhuyễn thành bột

Ngoài tính chất chung là nấm men có khả năng biến đường thành rượu và khí cacbonic, trong mỗi ngành sản xuất đều có ngững đòi hỏi đặc thù Ví dụ nấm men dùng trong sản xuất cồn phải có khả năng lên men các đường nhanh và càng triệt để càng tốt; đồng thời tạo ít các sản phẩm trung gian và phụ Nấm men dùng trong sản xuất bia và rượu vang phải cho sản phẩm mùi đặc trưng thơm ngon; đồng thời phải lắng tốt và giúp cho dịch lên men nhanh trong Nấm men dùng trong sản xuất nấm men bánh mì phải có khả năng sinh khối lớn, khi lên men làm nở, xốp bánh và tạo hương vị thơm ngon Nấm men dùng trong chăn nuôi gia súc phải có khả năng sinh khối lớn, đồng hoá được nhiều chất đường, axit hữu cơ, glixerol và phải chứa nhiều protein…

Yêu cầu chung của nấm men dùng trong sản xuất cồn etylic là phải có lực lên men mạnh, biến đường thành rượu nhanh và hoàn toàn Đồng thời phải ổn định và chịu được những biến đổi của môi trường

Có nhiều loại nấm men để sản xuất cồn etylic, trong điều kiện của nước ta chủng nấm men XII để lên men dịch đường tinh bột và chủng IA để lên men rỉ đường Khi đem lên men cho chỉ tiêu của giấm chín và lượng CO2 thoát ra là cao, đem lại hiệu quả cho sản xuất

1.1.3.3 Nước

Cuộc sống trên Trái Đất bắt nguồn từ trong nước Tất cả các sự sống trên Trái Đất đều phụ thuộc vào nước và vòng tuần hoàn nước.

Nước là thành phần quan trọng của các tế bào sinh học và là môi trường của các quá trình sinh hóa cơ bản như quang

Hơn 70% diện tích của Trái Đất được bao phủ bởi nước Lượng nước trên Trái Đất có vào khoảng 1,38 tỉ km³ Trong đó 97,4% là nước mặn trong các đại dương trên thế giới, phần còn lại, 2,6%, là nước ngọt, tồn tại chủ yếu dưới dạng băng tuyết đóng ở hai cực và trên các ngọn núi, chỉ có 0,3% nước trên toàn thế giới (hay 3,6 triệu km³) là

có thể sử dụng làm nước uống Việc cung cấp nước uống sẽ là một trong những thử thách lớn nhất của loài người trong vài thập niên tới đây

Nước ủ rượu và nấu rượu phải là nguồn nước đảm bảo vì đây là nhân tố quyết định độ ngon của rượu Rượu Đồng Xuân có hương vị thơm ngon mà không nơi nào có

được là do người nấu rượu có kinh nghiệm lâu năm, giống men tốt thì nước ủ rượu và nấu rượu cũng rất quan trọng Nhiều cơ sở có chất lượng rượu không cao, bị nhiễm độc

là do nguồn nước không đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm

1.1.4 Các ứng dụng của rượu etylic

Cồn rượu được con người xem là sản phẩm thực phẩm nhưng cũng lại là sản phẩm có nguy cơ độc hại đói với cơ thể con người Tuy nhiên, sản lượng cồn rượu mà thế giới sản xuất hàng năm vẫn ngày càng tăng thêm Cồn không chỉ để pha chế rượu

mà còn được dùng cho các nhu cầu khác như: y tế, nhiên liệu, dung môi, cao su tổng hợp và nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác

Một trong những tiến bộ khoa học được báo cáo tại Hội nghị thường niên lần thứ 225 của Hội Hoá học Mỹ là nghiên cứu phát triển pin nhiên liệu sử dụng cồn

Sử dụng cồn làm nhiên liệu, nhất là etanol, sẽ tạo được các ưu thế về kinh tế vsà hiệu suất Sử dụng etanol làm giảm trực tiếp chi phí công nghệ Hơn nữa, etanol chứa 34% năng lượng nhiều hơn so với năng lượng sử dụng để trồng, thu hoạch ngô và chưng cất thành etanol Etanol là chất lỏng dễ cháy, tuy nhiên etanol khó bay hơi hơn

xăng rất nhiều Điều này có ý nghĩa là vấn đề tồn trữ etanol ít trở ngại hơn so với trữ và vận chuyển hydro và các loại xăng khác hiện nay.

Theo PGS TS hoá học Shelley Minteer, hầu hết các nghiên cứu pin nhiên liệu sinh học trong quá khứ đã sử dụng metanol làm nhiên liệu nhiều hơn là etanol Sự lựa chọn etanol của nhóm nghiên cứu của Minteer dựa trên cơ sở phân tích cho thấy etanol nhiều hơn, sản xuất rẻ hơn và có khả năng phản ứng cao hơn đối với enzym đã lựa chọn hầu hết các nghiên cứu pin nhiên liệu sinh học trong quá khứ đã sử dụng metanol làm nhiên liệu nhiều hơn là etanol Sự lựa chọn etanol của nhóm nghiên cứu của Minteer dựa trên

cơ sở phân tích cho thấy etanol nhiều hơn, sản xuất rẻ hơn và có khả năng phản ứng cao hơn đối với enzym đã lựa chọn

Rượu cồn là một loại nhiên liệu sinh học mà con người đã sản xuất từ hàng nghìn năm nay Những năm 30 của thế kỷ trước, ở Mỹ người ta cũng đã có ý định dùng rượu cồn làm nhiên liệu ô-tô Tuy nhiên, nguồn dầu mỏ dồi dào và giá rẻ lúc đó khiến các quốc gia công nghiệp phương Tây chấp nhận lệ thuộc vào việc nhập khẩu loại nhiên liệu này Brazil là quốc gia duy nhất đi theo con đường riêng của mình và sử dụng cồn làm nhiên liệu cho các loại ô-tô Khoảng 40% nhu cầu nhiên liệu của nước này được đáp ứng bằng bioethanol, một dạng cồn được điều chế từ đường mía

Trong khi đó ở châu Âu và Bắc Mỹ người ta điều chế ethanol chủ yếu từ cây trồng Chính phủ Mỹ cũng coi bioethanol là một loại nhiên liệu của tương lai Một loạt công nghệ mới, đang trong quá trình phát triển, hứa hẹn nhiều triển vọng, đó là

"sundiesel" Trong năm tới, một hệ thống sản xuất "sundiesel" sẽ đi vào hoạt động với năng suất 15.000 tấn/năm Sundiesel hoàn toàn không độc hại và không có chất aromat

Theo dự báo, trữ lượng dầu thô của thế giới sẽ cạn kiệt vào khoảng từ năm 2050

- 2060 Vấn đề an toàn nguồn năng lượng và đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu; tình trạng hiệu ứng nhà kính do khí thải; sự bất ổn về chính trị và chủ nghĩa khủng bố thế giới; những tiến bộ của khoa học và công nghệ của nhân loại đang đặt ra cho các

nước trên thế giới phải quan tâm đến việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học Thế giới hiện có khoảng 800 triệu xe ô-tô các loại, tiêu thụ mỗi ngày 10 triệu tấn dầu mỏ, bằng một phần hai sản lượng dầu mỏ khai thác mỗi ngày Việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu bền vững đang là một nhiệm vụ vô cùng to lớn, trong khi ngành công nghiệp lại đang bước sang một bước ngoặt quan trọng Theo nhiều chuyên gia thì chỉ có những loại nhiên liệu phối trộn có nhiều triển vọng để áp dụng rộng rãi Ethanol và sundiesel đáp ứng được yêu cầu này

Với mục tiêu ứng dụng công nghệ sinh học để xử lý phế thải của công nghiệp chế biến đường, cồn, rượu…để tạo ra phân bón, dùng bã rượu làm thức ăn cho cá chép, lợn

Bã rượu- thức ăn tốt cho cá chép.

Bã rượu khô (DDGS) đã được các nhà nghiên cứu thực hiện thí nghiệm và kết quả cho thấy có thể tận dụng chúng làm thức ăn cho cá Trong thành phần của DDGS

có 26-32% đạm, 10% chất xơ, 10% chất béo và có độ ẩm cao nhất là 12% Thí nghiệm này được tiến hành ở hồ nuôi cá xã Đông Xuân, huyện Lương Sơn, Hòa Bình Thí nghiệm được tiến hành như sau: dùng DDGS thay thế một lượng nhỏ thức ăn thông thường trong khẩu phần ăn hàng ngày của cá chép Những con cá chép nặng 26-51g được nuôi trong những chiếc lồng nổi với thời gian 3 tháng với 4 chế độ ăn khác nhau: Khẩu phần ăn không chứa DDGS, chỉ có protein từ thực vật Khẩu phẩn ăn chứa 5% DDGS Khẩu phần ăn chứa 10% DDGS Khẩu phần ăn chứa 15% DDGS

Sau 3 tháng, kết quả cho thấy những con cá được ăn 10-15% DDGS có tốc độ phát triển 28g/tháng, trong khi những con cá ăn 0-5% DDGS chỉ tăng 28 g/tháng.Việc thay thế DDGS trong khẩu phần ăn không làm ảnh hưởng đến tốc độ phát triển trước đây của cá cũng như thành phần protein, chết béo, độ ẩm và màu sắc thịt cá.Như vậy ngoài việc làm thành phần cho thức ăn gia cầm thì DDGS còn làm thức ăn trong nuôi

cá chép

Khi chi phí thức ăn chăn nuôi ngày một tăng, các chủ trại nuôi lợn đã phải nghĩ mọi cách để bổ sung lượng thức ăn cho đàn lợn của mình Theo nghiên cứu của một số nhà khoa học Mỹ, việc cho lợn ăn bã rượu sấy khô không những giúp lợn tăng trọng

mà còn tăng cường hệ thống miễn dịch cho chúng

Hàng năm, ngành sản xuất rượu của Mỹ cung cấp cho thị trường khoảng 10 - 14 triệu tấn bã rượu sấy khô, mặt hàng này vốn được dùng để làm thức ăn cho bò sữa và

bò nuôi lấy thịt Các nhà chăn nuôi cũng sử dụng bã rượu như một sản phẩm bổ dưỡng cho đàn lợn nái Chính vì vậy, Tom Weber - nhà sinh lý học (thuộc Trung tâm Nghiên cứu Lợn và Phân bón) đã hợp tác với nhà vi trùng học Cherie Ziemer nghiên cứu tác dụng của bã rượu đối với lợn sữa.Họ chia lợn sữa thành 4 nhóm, nhóm thì cho ăn với chế độ ăn thông thường, nhóm thì bổ sung bã rượu, nhóm khác lại bổ sung vỏ đỗ, hoặc cam - quýt Sau một tuần, mổ lấy mẫu để kiểm tra chất Cytokines tại ruột non của lợn

ăn bã rượu (Cytokines được coi là "sứ giả" thông báo tình trạng miễn dịch ở lợn) Kết quả kiểm tra càng khẳng định thêm nhận định trước đây của các nhà khoa học là đúng Hơn nữa, bã rượu còn giúp lợn tránh được bệnh viêm ruột - căn bệnh mà lợn sữa rất hay mắc phải

1.2 Các phương pháp nghiên cứu:

1.2.1 Lên men

1.2.1.1 Đại cương về lên men rượu

Lý thuyết về lên men rượu đã được nhiều nhà sinh học nghiên cứu từ rất lâu Năm 1769, Lavoisier phân tích sản phẩm lên men rượu và nhận thấy, khi lên men không chỉ biến thành rượu mà còn tạo ra axit axetic Năm 1810, Gaylussac nghiên cứu

và thấy rằng, cứ 45 phần khối lượng đường glucoza khi lên men sẽ tạo ra 23 phần ancol etylic và 22 phần khí cacbonic Trên cơ sở đó ông đưa ra phương trình tổng quát

về lên men rượu như sau:

C6H12O6  2C2H5OH + 2CO2 + Q

Năm 1857, Louis Pasteur tiếp tục nghiên cứu và thấy rằng, cứ 100 phần đường saccaroza khi lên men sẽ tạo ra 51,1 phần ancol etylic; 48,4 phần CO2; 32 phần glyxerol; 0,7 phần axit succinic và 2 phần các sản phẩm khác Từ đó ông suy ra, cứ 45 phần khối lượng glucoza khi lên men sẽ cho 21,8 phần rượu chứ không phải 23 phần như Gaylussac đã tính Tuy nhiên, phương trình lên men do Gaylussac đưa ra vẫn đúng

và được dùng làm cơ sở để tính hiệu suất lên men và hiệu suất thu hồi rượu theo lý thuyết

Pasteur cho rằng, sự lên men chỉ xảy ra khi có mặt của vi sinh vật Nếu ngăn ngừa không cho vi sinh vật tiếp xúc với dịch đường thì hiện tượng lên men không xảy

ra Ông kết luận, “sự lên men rượu là một quá trình sinh học có liên hệ mật thiết tới hoạt động của tế bào men”

Vào khoảng 1871-1872, Manaxeni đem nghiền tế bào men với cát thạch anh rồi mới cho vào dịch đường thì hiện tượng lên men vẫn xảy ra Đến năm 1897, Buchuer đem nghiền nát tế bào men rồi chiết lấy dịch không chứa xác men, tiếp đó dùng dịch này cho vào dịch đường ông thấy dịch chiết này vẫn có khả năng biến đường thành rượu và khí cacbonic Từ đó người ta gọi các chất chứa trong dịch tế bào men là zymaza Đây chính là tập hợp của nhiều enzym cùng chuyển hoá đường thành rượu và khí cacbonic

Dịch men gồm rất nhiều tế bào men riêng biệt, 1 gam men ướt có độ ẩm khoảng 70-75% chứa 14 tỉ tế bào Bề mặt của mỗi tế bào chiếm 5.10-5 mm2 Như vậy 1 gam men ép có bề mặt tổng cộng khoảng 7000 cm2 Nhờ có bề mặt lớn này nên nấm men hấp thụ đường và các chất dinh dưỡng rất nhanh Cơ chế lên men rượu xảy ra như sau:

Đường và các chất dinh dưỡng được hấp thụ qua bề mặt tế bào rồi thẩm thấu vào bên trong Ở đó các enzym sẽ tác dụng qua nhiều giai đoạn trung gian để cuối cùng tạo ra sản phẩm chính là rượu và khí cacbonic Hai chất này đều khuyếch tán và tan vào môi trường xung quanh Rượu do rất linh động nên hoà tan nhanh trong dịch lên men, còn khí cacbonic hoà tan kém và khuyếch tán chậm Lúc đầu hoà tan hoàn toàn,

dần dần tạo thành các bọt khí bám quanh tế bào men và lớn dần tới mức lực đẩy Archimedes lớn hơn khối lượng men cộng bọt khí, lúc đó tế bào cùng bọt khí nổi dần lên, khi tới bề mặt các bọt khí sẽ tan vỡ và hợp thành tiếng rào rào Bọt khí tan, tế bào men lại chìm dần, tiếp xúc với dịch đường để hấp thụ và lên men rồi lại sản ra rượu và khí cacbonic Như vậy tế bào nấm men từ chỗ là vi sinh vật không chuyển động đã biến thành tế bào luôn chuyển động trong quá trình lên men Nhớ đó mà tăng tốc độ hấp thụ và chuyển hoá đường thành rượu Khi đường và các chất dinh dưỡng trong canh trường còn ít, một lượng lớn tế bào men sẽ lắng xuống đáy, dịch lên men sẽ trong dần.

Nấm men có thể lên men trong dịch đường có nồng độ 25 đến 30% nhưng chậm Nồng độ thích hợp cho đa số nấm men dùng trong sản xuất rượu là 15 đến 18% Nồng độ quá cao thì áp suất thẩm thấu sẽ lớn, do đó ảnh hưởng xấu tới hiệu quả lên men, lên men sẽ kéo dài, đường sót lại trong giấm chín sẽ tăng Nếu lên men ở nồng độ đường thấp cũng không có lợi vì tổn thất do tạo men sẽ tăng Ví dụ khi lên men dịch đường có nồng độ 16,9%, tổn thất đường do tạo men là chiếm 6% so với lượng đường

có trong dung dịch; nếu nồng độ đường là 8,6% thì tổn thất do tạo men chiếm tới 9,84% Mặt khác, lên men ở nồng độ thấp sẽ làm giảm năng suất của thiết bị, tốn nhiều hơi khi chưng cất và làm tăng tỉ lệ tổn thất rượu trong bã hèm và nước thải

Khi lên men có khoảng 95% đường biến thành rượu và khí cacbonic, còn 5% là tạo thành các sản phẩm khác và đường sót

Lên men được tiến hành ở nhiệt độ 28-320C và pH = 4,5-5,2 Nhiệt độ cao thì tổn thất sẽ lớn do tạp khuẩn dễ phát triển, tạo nhiều este anđehit Khi lên men ở 29,50C, tổn thất do tạo men là 7,37%; ở 17,50C tổn thất do tạo men là 5,32% và nếu lên men dịch đường ở 100C thì tổn thất do tạo men chỉ chiếm 4,42% lượng đường có trong dung dịch Xét về ảnh hưởng của pH thì tổn thất sẽ ít nhất khi lên men ở pH = 4,4 Nếu tăng

pH thì tổn thất sẽ tăng nhanh và nhiều hơn so với giảm pH Giảm pH từ 5,6 xuống 4,42 hiệu suất lên men tăng 2,3%

Như vậy, lên men rượu là một quá trình lên men yếm khí diễn ra rất phức tạp, bao gồm các quá trình sinh hoá học và các quá trình vi sinh vật Quá trình lên men ở nhiệt độ thường, trong thời gian này có 3 quá trình diễn ra song song với những mức

độ khác nhau Trước tiên là quá trình tăng sinh khối nấm men Quá trình đường hoá có

sự phân cắt tinh bột thành đường nhờ men amylaza và glucoamylaza trong nấm mốc Đường vừa được tạo ra trở thành thức ăn để nấm men thực hiện quá trình lên men rượu

1.2.1.2 Cơ chế hoá sinh học của lên men rượu

Lên men rượu là một quá trình sinh hcọ phức tạp, xảy ra dưới tác dụng của nhiều ezym Theo lý thuyết hiện đại, sự tạo thành rượu từ glucoza được trải qua các giai đoạn sau đây:

1 Đầu tiên do xúc tác của glucokinaza, glucoza kết hợp với gốc photphat của phân tử ATP (Adenozintriphotphat) trong tế bào men để tạo thành gluco-6-photphat và ADP:

C6H12O6 + ATP  CH2O(H2PO3)(CHOH)4CHO + ADP

2 Tiếp đó gluco-6-photphat do tác dụng của enzym đồng phân gluco izomeraza sẽ biến thành fructophotphat:

photphat-CH2O(H2PO3)(CHOH)4CHO CH2O(H2PO3)(CHOH)3COCH2OH

3 Giai đoạn ba dưới tác dụng của enzym photphofructokinaza, phân tử ATP thứ hai sẽ đính thêm một gốc photphat vào fruco-6-photphat để tạo thành fruco-1,6-diphotphat và phân tử ADP thứ hai:

CH2O(H2PO3)(CHOH)3COCH2OH +ATP

CH2O(H2PO3)(CHOH)3COCH2O(H2PO3) + ADP

Sự tạo thành fruco-1,6-diphotphat đánh dấu kết thúc giai đoạn chuẩn bị của lên men rượu Giai đoạn thực hiện chuyển hoá các nối liên kết cao năng thành dạng dễ biến đổi dưới tác dụng của các enzym

4 Giai đoạn tiếp theo quan trọng là phân cắt mạch cacbon của frucodiphotphat thành hai phân tử trioza: gồm anđehit photphoglyxeric và photphodioxyaxeton Phản ứng này được xúc tác bởi andolaza:

CH2O(H2PO3)CO(CHOH)3CH2O(H2PO3)

CH2O(H2PO3)COCH2OH + CH2O(H2PO3)CHOHCHO Photphodioxyaxxeton anđehit photphoglyxeric Vai trò chủ yếu trong các biến đổi tiếp theo của quá trình lên men rượu là anđehit, photpho glyxeric, nhưng trong dịch đang lên men cúng chứa rất ít Điều này được giải thích bằng hiện tượng đồng phân dưới tác dụng của enzym triphotpho-isomeraza

5 CH2O(H2PO3)COCH2OH CH2O(H2PO3)CHOHCHO

Như vậy là trong quá trình lên men anđehitriphotphoglyxeric luôn được tạo thành từ photphooxyaxeton

6 Giai đoạn tiếp theo là hai phân tử anđehit photphoglyxeric bị oxi hoá Phản ứng này có sự tham gia của axit photphoric trong canh trường nhờ xúc tác của enzym triphotphatđehydronaza-coenzym của nó là NAD (Nicotinamit-Adenin-Dinucleotit)

2CH2O(H2PO3)CHOHCHO + 2H3PO4 + NaD 

2CH2O(H2PO3)CHOHCOO~H2PO3 + 2NaD.H2

1,3-diphotphoglyxeric axit

Phân tử 3-photphoglyxero anđehit kết hợp với photphat, còn hydro chuyển sang coenzym NAD Năng lượng được giải phòng do oxi hoá 3-photphoglyxero anđehit sẽ tích tụ trong liên kết cao năng của axit 1,3-diphotphoglyxeric mới tạo thành

7 Tiếp theo là sự tham gia của photphoglyxeratkinaza, gốc photphat chứa cao năng axit 1,3-diphotphoglyxeric sẽ chuyển vào phân tử ADP Kết quả 3-photphoglyxeric được tạo thành, còn ADP nhận thêm năng lượng và biến thành ATP:2CH2O(H2PO3)CHOHCOO~H2PO3 + 2ADP  2CH2O(H2PO3)CHOHCOOH + 2ATP

8 Dưới tác dụng của enzym photphoglyxeromutaza, gốc axit photphoric sẽ chuyển từ vị trí cacbon thứ ba sang cacbon thứ hai Kết quả là 3-photphoglyxeric biến thành axit 2-photphoglyxeric theo phản ứng:

2CH2O(H2PO3)CHOHCOOH 2CH2OHCHO(H2PO3)CHOHCOOH

9 Dưới tác dụng của enolaza, axit 2-photphoglyxeric sẽ mất nước và biến thành axit photphopyrovic:

2CH2OHCHO(H2PO3)CHOHCOOH  2CH3CO(H2PO3)COOH + 2H2O

10 Axit photphoprovic rất không bền nên dễ bị mất gốc axit photphỏic do enzym pyrovatkinaza và do đó axit pyrovic được tạo thành:

2CH2=CO ~ (H2PO3)COOH + 2ADP 2CH3CO–COOH + 2ATP

11 Tới đây axit pyrovic bị decacboxyl để tạo thành anđehit axetic:

2CH3CO–COOH  2CO2 + 2CH3CHO

12 Giai đoạn cuối cùng của lên men rượu là anđehit axetic bị khử bởi NAD.H2

2CH3CHO + 2NaD.H2  2CH3CH2OH + 2NADPhương trình tổng quát của lên men rươuh như sau:

C6H12O6 zymaza 2CO2 + 2CH3CH2OHTrong quá trình lên men rượu, mỗi phân tử gam glucoza sẽ giải phóng ra khoảng 50 kcal Năng lượng này được nấm men sử dụng chừng 29 kcal Số còn lại sẽ thải ra canh trường do đó làm tăng nhiệt độ lên men Theo Euler, nhiệt này chiếm 28 kcal/phân tử glucoza

1.2.1.3 Sản phẩm phụ và sản phẩm trung gian của quá trình lên men rượu

Trong quá trình lên men, ngoài sản phẩm chính là rượu và CO2, còn tạo nhiều chất khác Bằng phân tích sắc kí khí người ta phất hiện trên 50 chất khác nhau, nhưng

có thể xếp thành 4 nhóm chính: axit, este, anđehit và ancol cao phân tử

1) Sự tạo thành axit

Trong quá trình lên men rượu tạo các axit hữu cơ bao gồm axetic, lactic, xitric, pyrovic và succinic nhưng nhiều hơn cả là axetic và lactic

- Axit axetic có thể được tạo thành từ phản ứng oxy hoá khử giữa anđehit axetic

- một phân tử bị oxy hoá, phan tử thứ hai sẽ bị khử:

CH3CHO + CH3CHO + H2O  CH3COOH + C2H5OH

- Axit lactic được tạo bởi pyrvat đehydroraza theo phản ứng:

CH3CO-COOH + NAD.H2  CH3CHOHCOOH + NADhoặc: 2CH2O(H2PO3)CHOHCHO + H2O  CH3CHOHCOOH + H3PO4

- Axit xitric theo Laphon được tạo từ anđehit axetic Phản ứng được biểu diẽn tổng quát như sau:

9CH3CHO + 4H2O  (CH2COOH)2C(OH)COOH + 6CH3CH2OH

- Axit succinic được tạo thành có thể theo hai con đường: đehdro và trùng hợp hai phân tử axit axetic với một phân tử anđehit axetic:

2CH3COOH + CH3CHO  COOHCH2CH2COOH + C2H5OHHoặc được tạo thành do deamin axit glutamic Trường hợp này anđehit axetic tiếp nhận hydro và tạo ra cả glyxerol Phương trình tổng quát tạo axit succinic cùng với glyxerol từ axit glutamic được biểu diễn như sau:

C6H12O6 + COOHCH2CH2CHNH2COOH + 2H2O  COOHCH2CH2COOH +2C3H8O3 + NH3 + CO2

Glyxerol và anđehit đều là sản phẩm trung gian của lên men rượu Trong điều kiện lên men nằm mục đích chỉ thu được ancol etylic, người ta khống chế pH dịch lên men trong giới hạn 4,5-5,2 Với điều kiện ấy lượng glyxerrol tạo thành chit chiếm 0,3-0,45% dịch giấm chín, tương ứng tiêu tốn đường 2-3% so với lượng đưa vào Nếu tăng

pH tới kiềm thì lượng đường tham gia tạo glyxerol tăng tới 23,4% và đường tạo anđehit nhưng chưa chuyển thành rượu đạt 11,9% Tính chất này lần đàu được áp dụng

để sản xuúât glyxerol trong Đại chiến Thứ II nhằm làm nguyên liệu cho thuốc súng

Lên men đường xảy ra theo phương trình:

2C6H12O6 + H2O  2C3H8O3 + CO2 + CH3COOH + CH3CH2OH

Người ta còn dùng sunfit natri cho vào canh trường lên men nhằm điều chỉnh sản phẩm tạo thành Khi cho sunfit natri thì:

CH3CHO + Na2SO3 + H2CO3  CH3CHONaHSO3 + NaHCO3

Do kết hợp với Na2SO3 nên anđehit axetic không thể nhận H2 từ NAD.H2 nữa, thay vào đó là photphodioxyaxxeton sẽ nhận H2 từ NAD.H2 để tạo ra glyxerophotphat Tiếp theo do xúc tác của photphotaza glyxerophotphat sẽ giải phóng axit photphoric và tạo ra glyxerol theo các phản ứng sau:

(H2PO3)OH2C-CO-CH2OH + NAD.H2  (H2PO3)OH2C-CHOH-CH2OH + NAD(H2PO3)OH2C-CHOH-CH2OH + H2O  CH2OH-CHOH-CH2OH + H3PO4

C6H12O6  2 C2H5OH + 2CO2 (Lên men rượu bình thường)

C6H12O6  CH3CHO + C3H8O3 + CO2 (Lên men sunfit)2C6H12O6 + H2O  2CO2 + CH3COOH + C2H5OH + 2C3H8O3

(Lên men trong môi trường kiềm)2) Sự tạo thành este

Dưới tác dụng của enzym esteraza của nấm men, các axit và ancol sẽ tác dụng với nhau để tạo ra những este tương ứng

R1CH2OH + R2COOH  R2COO-CH2R1 + H2O

Ví dụ khi ancol etylic kết hợp vpới axit axetic ta sẽ nhận được este etylic hay axetat etyl:

C2H5OH + CH3COOH  CH3COO-C2H5 + H2O

Sự tạo thành este xảy ra dễ hơn khi các cấu tử tham gia phản ứng là các anđehit:

R1CHO+ R2CHO  R1COOCH2R2

Khi đó tất cả những biến đổi của anđehit sẽ được thực hiện mà không cần tiêu tốn năng lượng.

Các anđehit cũng có thể ngưng tụ với nhau để tạo ra chất mới, vừa có chứa nhóm –CHO vừa chứa nhóm –OH:

CH3CHO + CH3CHO  CH3CHOHCH2CHO andol

Khi tác dụng với ancol etylic, anđehit axetic sẽ biến thành dietyl axetal:

CH3CHO + 2C2H5OH  CH3CH(OC2H5)2 + H2ODựa vào những kết quả thunđược trong các phòng thí nghiệm cũng như trong thực tế sản xuất, người ta nhận thấy rằng, lượng sản phẩm phụ và sản phẩm trung gian tạo thành trong quá trình lên men, phụ thuộc rất nhiều yếu tố Chúng thay đổi theo nhiệt dộ, pH cũng như chủng giống nấm men và cả nguồn nguyên liệu

Có nhiều phương pháp chưng cất tuỳ thuộc vào tính chất của hỗn hợp chất lỏng

sẽ sử dụng phương pháp thích hợp

Chưng cất đơn giản ở áp suất thường: Phương pháp chưng cất đơn giản dưới áp suất thường dùng để tách biệt chát đủ bền khi đun nóng và thực tế không bị phân tích ở nhiệt độ sôi Thường dùng với những chất lỏng có nhiệt độ sôi cao hơn 400C và thấp hơn 1600C Những chất lỏng sôi thấp hơn 400C sẽ mất đi nhiều sản phẩm khi chưng cất