Nghiên cứu hệ enzyme thủy phân tinh bột ở nhiệt độ thấp ứng dụng trong quá trình sản xuất cồn từ nguyên liệu giàu tinh bột

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thị Mai Hiên NGHIÊN CỨU HỆ ENZYME THỦY PHÂN TINH BỘT Ở NHIỆT ĐỘ THẤP ỨNG DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CỒN TỪ NGUYÊN LIỆU GIÀU TINH BỘT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thị Mai Hiên NGHIÊN CỨU HỆ ENZYME THỦY PHÂN TINH BỘT Ở NHIỆT ĐỘ THẤP ỨNG DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CỒN TỪ NGUYÊN LIỆU GIÀU TINH BỘT Chuyên ngành: Vi Sinh Vật Học Mã số: 60.42.0107 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CBHD: TS TRẦN THỊ THANH HUYỀN Hà Nội - 2014 Lời cảm ơn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Trần Thị Thanh Huyền, Bộ môn Vi sinh vật học, Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội người trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ nhiều để hoàn thành luận văn Tôi xin cảm ơn toàn thể cán phòng thí nghiệm trung tâm Công ty Cổ phần Cồn Rượu Hà Nội, đặc biệt Kĩ sư Công nghệ Nguyễn Thị Hà tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu phòng thí nghiệm Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy, cô giáo dạy bảo suốt năm học vừa qua Cuối xin cảm ơn gia đình bạn bè bên tôi, giúp đỡ động viên suốt thời gian hoàn thành luận văn Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Mai Hiên MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT CỒN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1.1 Tình hình sản xuất cồn giới 1.1.2 Tình hình sản xuất cồn Việt Nam 1.2 NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT CỒN 1.2.1 Nguyên liệu chứa đường 1.2.2 Nguyên liệu xenluloza 1.2.3 Nguyên liệu giàu tinh bột 1.3 SẢN XUẤT CỒN TỪ NGUYÊN LIỆU GIÀU TINH BỘT 14 1.3.1 Sản xuất cồn theo công nghệ truyền thống 14 1.3.1.1 Quá trình nghiền nguyên liệu 14 1.3.1.2 Quá trình nấu nguyên liệu 15 1.3.1.3 Quá trình thuỷ phân nguyên liệu 15 1.3.1.4 Quá trình lên men 16 1.3.1.5 Quá trình chưng cất tinh chế 17 1.3.2 Một số tiến sản xuất cồn từ nguyên liệu giàu tinh bột 17 1.4 CÁC ENZIM THỦY PHÂN TINH BỘT Ở NHIỆT ĐỘ KHÔNG CAO 19 1.4.1 Hệ enzim thuỷ phân tinh bột sống nhiệt độ thường (Stargen 001) 19 1.4.2 Enzim thuỷ phân tinh bột nhiệt độ thấp 21 Chƣơng 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 NGUYÊN LIỆU 23 2.1.1 Sắn 23 2.1.2 Gạo 23 2.1.3 Enzim 23 2.1.4 Nấm men 23 2.1.5 Hoá chất 24 2.1.6 Dụng cụ thiết bị 24 2.2 PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 24 2.2.1 Xác định độ ẩm nguyên liệu phương pháp sấy 24 2.2.2 Xác định hàm lượng chất khô 25 2.2.3 Đo pH 25 2.2.4 Xác định hàm lượng đường khử theo phương pháp Graxianop 25 2.2.5 Xác định thành phần dịch đường 26 2.2.6 Xác định hàm lượng tinh bột theo phương pháp thủy phân HCl 26 2.2.7 Xác định độ rượu giấm chín 27 2.3 PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT LÊN MEN 29 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 THÀNH PHẦN NGUYÊN LIỆU 31 3.2 ỨNG DỤNG HỆ ENZIM THỦY PHÂN TINH BỘT SỐNG Ở NHIỆT ĐỘ THƢỜNG (Stargen 001) TRONG QÚA TRÌNH SẢN XUẤT CỒN TỪ GẠO… 31 3.2.1 Khảo sát quy trình công nghệ sản xuất cồn nhà máy Rượu Hà Nội.32 3.2.2 Động học trình thuỷ phân tinh bột gạo enzim Stargen 001 34 3.2.3 Ứng dụng enzim Stargen 001trong trình đường hoá lên men đồng thời 36 3.2.4 Ảnh hưởng nồng độ enzim Stargen 001 đến trình đường hoá lên men đồng thời 41 3.2.5 Ứng dụng hệ enzim thuỷ phân tinh bột sống nhiệt độ thường (Stargen 001) trình sản xuất cồn từ sắn lát 43 3.2.6 Lợi ích việc sử dụng hệ enzim thủy phân tinh bột sống nhiệt độ thường……………………………………………………………………….43 3.3 ỨNG DỤNG ENZIM DỊCH HÓA Ở NHIỆT ĐỘ KHÔNG CAO TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CỒN TỪ SẮN LÁT 44 3.3.1 Khảo sát quy trình công nghệ sản xuất cồn nhà máy Rượu Đồng Xuân 44 3.3.2 Khảo sát quy trình sản xuất cồn từ sắn có sử dụng enzim dịch hóa nhiệt độ không cao Spezyme Extra 46 3.3.2.1 Sản xuất cồn từ sắn lát sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra enzim đường hoá Dextrozyme GA 46 3.3.2.2 Sản xuất cồn từ sắn lát sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra enzim đường hoá Distillase L-400 50 3.3.2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian đến trình thuỷ phân tinh bột Spezyme Extra 53 3.3.2.4 Ảnh hưởng nồng độ enzim Spezyme Extra đến trình dịch hóa 55 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Sản lượng cồn nhiên liệu số nước/vùng giới Bảng 1.2: Sản lượng cồn số nhà máy sản xuất cồn có sản lượng lớn Bảng 3.1: Thành phần nguyên liệu Bảng 3.2: Kết khảo sát công nghệ sản xuất cồn nhà máy Rượu Hà Nội Bảng 3.3: Ảnh hưởng thời điểm bổ sung nấm men đến hiệu trình đường hoá lên men đồng thời Bảng 3.4: Ảnh hưởng nồng độ enzim Stargen 001 đến trình đường hoá lên men đồng thời Bảng 3.5: Kết khảo sát công nghệ sản xuất cồn nhà máy Rượu Đồng Xuân Bảng 3.6: Kết khảo sát công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim dịch hóa Spezyme Extra enzim đường hóa Dextrozyme GA Bảng 3.7: Thông số công nghệ quy trình sản xuất cồn từ sắn sử dụng Spezyme Extra Distillase L-400 Bảng 3.8: Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian dịch hoá tới khả thuỷ phân tinh bột enzim Spezyme Extra Bảng 3.9: Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian dịch hoá đến hiệu trình thủy phân sắn lát enzim Spezyme Extra Dextrozyme GA Bảng 3.10: Ảnh hưởng nồng độ enzim Spezyme Extra đến trình dịch hóa DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sản lượng cồn số nước/vùng giới qua năm Hình 1.1 Diện tích sản lượng sắn nước Hình 1.2 Sản lượng sắn giới giai đoạn 2005-2010 Hình 1.3 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cồn theo phương pháp truyền thống Hinh 1.4 Phân bố tiêu thụ lượng trình sản xuất cồn từ tinh bột Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim thuỷ phân tinh bột nhiệt độ thường (Stargen 001) Hình 1.6 Hạt tinh bột gạo chưa hồ hóa bị thủy phân amylaza Hình 3.1 Sơ đồ sản xuất cồn từ gạo theo công nghệ nhà máy Rượu Hà Nội Hình 3.2 Động học trình thuỷ phân tinh bột gạo enzim Stargen 001 Hình 3.3 Sắc ký đồ dịch thuỷ phân bột gạo enzim Stargen 001 Hình 3.4 Sắc ký đồ dịch thuỷ phân bột gạo Termamyl SC Dextrozyme GA Hình 3.5 Sơ đồ quy trình đường hóa lên men đồng thời sử dụng enzim Stargen 001 Hình 3.6 3.7 Nấm men giai đoạn bắt đầu vào thùng lên men Hình 3.8 3.9 Nấm men sau 16h Hình 3.10 3.11 Nấm men 32h Hình 3.12 Động học trình đường hoá lên men đồng thời sử dụng enzim thủy phân tinh bột sống nhiệt độ thường Stargen 001 Hình 3.13 Quy trình sản xuất cồn theo công nghệ nhà máy Rượu Đồng Xuân Hình 3.14 Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra enzim đường hoá Dextrozyme GA Hình 3.15 Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra enzim đường hoá Distillase L-400 Hình 3.16 Động học sinh CO2 trình lên men dịch thủy phân sử dụng hệ enzim thủy phân khác MỞ ĐẦU Ethyl alcohol (etylic) hay gọi cồn, có công thức hoá học C 2H5OH, có vai trò quan trọng nhiều ngành công nghiệp (như công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm…), nông nghiệp, y tế Cồn nguyên liệu để pha chế nhiều loại đồ uống phổ biến nhiều nước; cồn dùng để sản xuất nhiều loại hoá chất quan trọng như: axetaldehyt, axit axetic, este, butanol, glycol, vinyl axetat [6]… Những năm gần sản xuất cồn xem hướng ưu tiên số làm nhiên liệu để thay xăng nước phát triển Brazil, Mỹ số nước khác Trung Quốc, Thái Lan… Ngành công nghiệp sản xuất cồn có từ lâu đời Kể từ năm 1800 nhà máy sản xuất cồn Hà Lan xây dựng [6], có hàng loạt nhà máy xây dựng nhiều nước giới Tính đến năm 2006, tổng sản lượng cồn giới đạt tới số 51 tỷ lít [25] Trên giới cồn sản xuất theo hai đường Thứ lên men truyền thống từ nguyên liệu thô rỉ đường (là phế phẩm nhà máy sản xuất đường từ mía hay củ cải đường) thuỷ phân nguyên liệu có chứa tinh bột ngô, lúa mạch, gạo… từ sắn để thu lấy dịch đường cho lên men chưng cất Thứ hai tổng hợp từ etylen Xét hiệu kinh tế phương án thứ hai có lợi nguyên liệu rẻ tiền Nhưng xét mặt chất lượng sản phẩm khả đáp ứng công suất sản xuất trang thiết bị đơn giản phương pháp lên men từ gluxit chiếm ưu nhiều Hiện giới 95% cồn sản xuất theo phương pháp lên men, có 5% sản xuất theo đường tổng hợp hoá học [10] Quá trình sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu có chứa tinh bột gạo, ngô, khoai, sắn…là trình công nghệ biết đến từ lâu phát triển qua hàng kỷ Công nghệ đặc biệt phát triển với nước có sản lượng lương thực dồi Brazil, Mỹ, Thái Lan, Trung Quốc…Việt Nam nước nằm vùng nhiệt đới, thích hợp cho việc trồng lương thực lúa, ngô, TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Hoàng Kim Anh, Ngô Kế Sương, Nguyễn Xích Liên (2005), Tinh bột sắn sản phẩm từ tinh bột sắn NXB Khoa học kỹ thuật Đinh Thế Lộc (1997), Giáo trình lương thực, tập II, Cây màu NXB Nông nghiệp - Hà Nội Tổng công ty rượu bia nước giải khát Việt Nam (2002), Quy hoạch tổng thể phát triển ngành Rượu – Bia - Nước giải khát Việt Nam đến năm 2010 Lê Ngọc Tú, Bùi Đức Hợi, Lưu Duẩn, Ngô Hữu Hợp, Đặng Thị Thu, Nguyễn Trọng Cẩn (2003), Hoá học thực phẩm NXB Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Đình Thưởng, Nguyễn Thanh Hằng (2005), Công nghệ sản xuất kiểm tra cồn ethylic NXB Khoa học kỹ thuật Hà nội Quách Đĩnh, Nguyễn Văn Thoa, Nguyễn Văn Tiếp (1982), Sử dụng chế phẩm enzim công nghiệp thực phẩm NXB Khoa học kỹ thuật Tiếng Anh Christina A., Guido Z., Nelson T., Lo G (2000), A kinetic model for enzymatic wheat starch saccharification Chemical Technology and Biotechnology Christoph B (2004), World Fuel ethanol analysis and outlook Ratzeburg, Germany: F.O Licht Dilek K A., Belma O (2005), α-Amylase inactivation during rice starch hydrolysis Process Biochemistry 40: p 1367-1379 10 Duan G., Sophia X., John Z., Soo K T., Jay S (2007), Non-Conventional process for ethanol production 11 Duan G., Sophia X ,Surendra B., Jay S (2008), No cook Process for Rice to alcohol using Stargen 001 12 William H., Martin S., Bernard H (1996), "Electron microscopic investigation of the diffusion of Bacillus licheniformis α-amylase into corn starch granules" International Journal of Biological Macromolecules 19: p 165-169 13 Ikegami T., Kitamoto D , Negishi H., Imura T., Yanagishita H., Bioethanol production by a coupled fermentation/pervaporation process using silicalite membranes coated with silicone rubbers Green Processes Group, Research Institute for Green Technology, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tsukuba, Ibaraki 305-8565, Japan 14 Mathewson S.W (1980), The manual for the home and farm production of alcohol fuel Ten speed press cpoyright 1980 J.A Diaz publications out of print 15 Ljiljana M., Svetlana N., Marica R., Maja V (2006), Production of bioethanol from corn meal hydrolyzates Fuel, 85: p 1750-1755 16 Karin O., Andreas R., Mats G., Guido Z.(2006)," Fuel ethanol production from steam-pretreated corn stover using SSF at high dry matter content" Biomass and Bioenergy, 30: p 863-869 17 Vivek S., Kent D R., Mike E T., Vijay S (2007), Comparison between granular starch hydrolyzing enzyme and conventional enzyme for ethanol production from maize starch with different amylose:amylopectin ratios Agricultural and Biological Engineering, University of Illinois at UrbanaChampaign, IL, USA, 59: p 549-556 18 Emile V Z., Conversion of small grains biomass to bioethanol Department Microbiology University of Stellenbosch 19 Shengdong Z., Yuanxin W., Ziniu Y., Yongping X., Shaoyong T (2005), "Simultaneous saccharification and fermentation of microwave/alkali pretreated rice straw to ethanol" Biosystems Engineering, 92(2): p 229-235 Website 20 http://www.gso.gov.vn/default.aspx?tabid=413&thangtk=12/2009 21 22 http://iasvn.org/chuyen-muc/San-xuat-San-tren-the-gioi-&-Viet-Nam4373.html http://www.vinachem.com.vn 23 http://www.agbiotech.com.vn/vietnam/thong-tin/nhien-lieu-sinh-hoc/nhamay-ethanol-binh-phuoc-chua-van-hanh-thuong-mai.agb#.VKIkLsiA 24 http://www.customs.gov.vn/lists/tinhoatdong 25 http://www.ethanolrfa.org/industry/statistics 26 http://www.genencor.com 27 http://www.genencor.com 28 http://www.genencor.com 29 http://www.genencor.com 30 http://www.genencor.com 31 http://www.afdc.energy gov/data 32 http://ethanolrfa.org/pages/World-Fuel-Ethanol-Production [...]...TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1 Hoàng Kim Anh, Ngô Kế Sương, Nguyễn Xích Liên (2005), Tinh bột sắn và các sản phẩm từ tinh bột sắn NXB Khoa học kỹ thuật 2 Đinh Thế Lộc (1997), Giáo trình cây lương thực, tập II, Cây màu NXB Nông nghiệp - Hà Nội 3 Tổng công ty rượu bia nước giải khát Việt Nam (2002),... Ngô Hữu Hợp, Đặng Thị Thu, Nguyễn Trọng Cẩn (2003), Hoá học thực phẩm NXB Khoa học và Kỹ thuật 5 Nguyễn Đình Thưởng, Nguyễn Thanh Hằng (2005), Công nghệ sản xuất và kiểm tra cồn ethylic NXB Khoa học kỹ thuật Hà nội 6 Quách Đĩnh, Nguyễn Văn Thoa, Nguyễn Văn Tiếp (1982), Sử dụng chế phẩm enzim trong công nghiệp thực phẩm NXB Khoa học kỹ thuật Tiếng Anh 7 Christina A., Guido Z., Nelson T., Lo G (2000),... steam-pretreated corn stover using SSF at high dry matter content" Biomass and Bioenergy, 30: p 863-869 17 Vivek S., Kent D R., Mike E T., Vijay S (2007), Comparison between granular starch hydrolyzing enzyme and conventional enzyme for ethanol production from maize starch with different amylose:amylopectin ratios Agricultural and Biological Engineering, University of Illinois at UrbanaChampaign, IL, USA, 59: p... http://iasvn.org/chuyen-muc/San-xuat-San-tren-the-gioi-&-Viet-Nam4373.html http://www.vinachem.com.vn 23 http://www.agbiotech.com.vn/vietnam/thong-tin/nhien-lieu-sinh-hoc/nhamay-ethanol-binh-phuoc-chua-van-hanh-thuong-mai.agb#.VKIkLsiA 24 http://www.customs.gov.vn/lists/tinhoatdong 25 http://www.ethanolrfa.org/industry/statistics 26 http://www.genencor.com 27 http://www.genencor.com 28 http://www.genencor.com 29 http://www.genencor.com 30 http://www.genencor.com 31 http://www.afdc.energy