công nghệ sản xuất rượu từ rỉ đường

sản xuát rượu từ rỉ đường

1.1.1 Vi sinh vật trong rỉ đường mía

Bảng 1.2 Phân loại rỉ đường theo số lượng vi sinh vật tạp nhiễm[13]

Loại rỉ

đường

Số lượng vi sinh vật trong 1 gam rỉ đường

bằng hóa chất và tác dụng nhiệt

Có rất nhiều vi sinh vật trong rỉ đường mía Đa số chúng từ nguyên liệu, một số nhỏ

từ không khí, nước và đất vào dịch đường Loại nào chịu được tác dụng nhiệt hay tácdụng của hoá chất thì tồn tại Có thể phân chúng thành 3 loại: Vi khuẩn, nấm men và nấmmốc Trong đó loại đầu là nguy hiểm hơn cả vì nó gồm nhiều giống có khả năng sinh bào

tử Người ta chia rỉ đường làm 3 loại tuỳ theo số lượng vi sinh vật tạp nhiễm (Bảng 1.2).Trong số các vi khuẩn có mặt trong rỉ đường mía, nguy hiểm nhất là vi khuẩn lactic vàacetic 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 đến chất lượng rỉ đường, làm giảm hiệu suất tổng thuhồi

1.1.2 pH của rỉ đường

pH của rỉ đường phụ thuộc vào nguyên liệu sản xuất và phương pháp sản xuất Với rỉđường sản xuất bằng phương pháp sunfit hóa thì pH = 5,5 ÷ 6,2

1.1.3 Bảo quản rỉ đường

Rỉ đường được bảo quản trong các bồn chứa hình trụ bằng thép hoặc bằng bêtông cốtthép, thể tích bình chứa được tính toán sao cho đủ sản xuất ít nhất được 3 tháng Thôngthường, bồn chứa có thể tích khoảng 600 ÷ 5000m3

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 rỉđường dễ di chuyển trong trường hợp rỉ đường bị sánh lại khi trời lạnh Ngoài ra, cũngnên có hệ thống bơm đảo trộn rỉ đường trong bồn chứa để cho rỉ đường đồng nhất, đảmbảo chất lượng rỉ đường đồng đều trước khi đưa vào sản xuất

Trong quá trình bảo quản thì khối lượng rỉ đường giảm xuống, nguyên nhân chủ yếu

là do sự bay hơi nước Bình quân giảm 0,2%/tháng

Khi hàm lượng chất khô trong rỉ đường đạt trên 75% thì lượng nấm men dại, vi khuẩntạp thành acid rất ít, chất lượng rỉ đường giảm không đáng kể trong suốt thời gian bảoquản Nếu hàm lượng chất khô trong rỉ đường dưới 70% thì sự tổn thất đường lên tới1,3% khối lượng rỉ đường Tổn thất đường tăng mạnh khi nồng độ chất khô dưới 40%.Ngoài ra trong quá trình bảo quản cũng xảy ra phản ứng giữa các acid amin và đườngkhử tạo thành melanoidin Phản ứng này xảy ra vừa làm mất đường vừa làm hao hụt acidamin, ảnh hưởng không tốt đến sự phát triển của nấm men sau này

Để tránh hiện tượng vi sinh vật phát triển, quá trình bảo quản cần giữ cho rỉ đườngkhông bị pha loãng Muốn vậy, bồn chứa rỉ đường phải đậy kín không để nước mưa bênngoài xâm nhập và hạn chế dung nước rửa Đồng thời dùng các chất sát trùng nhưformol, Na2SiF6 với tỉ lệ 0,015 ÷ 0,02% so với khối lượng rỉ đường.

1.1.4 Ưu điểm của việc sử dụng rỉ đường để sản xuất cồn etylic

- Giá rẻ

- Sử dụng tiện lợi

- Nguồn cung cấp phổ biến

- Không phạm đến chính sách lương thực

1.2.1 Khái niệm quá trình lên men etylic

Quá trình lên men etylic là quá trình chuyển hóa đường glucoza thành rượu etylic và

CO2 dưới tác dụng của hệ thống enzyme của một số vi sinh vật Tác nhân lên men rượuchủ yếu là nấm men Nhiều loài vi khuẩn kỵ khí và hiếu khí không bắt buộc cũng có khảnăng tạo thành rượu như một sản phẩm chủ yếu hoặc sản phẩm phụ của quá trình lên menhexoza hay pentoza

1.2.2 Cơ chế lên men rượu từ rỉ đường

1.2.2.1Xử lý rỉ đường trước khi lên men

Rỉ đường đặc(≥ 80Bx) Nước Pha loãng sơ bộ

H2SO4 Axit hóa

Lắng Tách cặn Cặn

Dịch trong

Chất sát trùng

Dinh dưỡng Pha chế dịch lên men

Hình 1.1 Sơ đồ quá trình xử lý rỉ đường trước lên men

Mật mía không kết tinh trong quá trình sản xuất đường gọi là “rỉ đường” Có thể bảoquản rỉ đường ở nồng độ chất khô 55-80% hoặc pha loãng sơ bộ xuống 45-60% rồi tiếnhành xử lý Nếu để ở nồng độ cao thì tạp chất sẽ lớn nên khả năng diệt khuẩn và loại tạpchất kém, tuy nhiên nếu để ở nồng độ thấp thì sẽ tốn nhiều thiết bị nhưng diệt được nhiềutạp khuẩn và tách được nhiều tạp chất hơn Trong thực tế, rỉ đường ở nồng độ chất khô50-55% thì hiệu quả quá trình xử lý là cao nhất.

Trong rỉ đường có chứa hàm lượng chất khô và hàm lượng đường cao nên các tạpkhuẩn không sinh trưởng phát triển, nhưng chúng vẫn duy trì sự sống Khi pha loãng đếnnồng độ thấp thì tạp khuẩn trong rỉ đường bắt đầu phát triển và làm tiêu hao đường trongmật rỉ, do đó phải tiến hành xử lý Mức độ pha loãng tùy thuộc vào phương pháp lênmen, theo sơ đồ một nồng độ hay hai nồng độ Trong đồ án này, lựa chọn phương pháplên men một nồng độ và tiến hành lên men liên tục Rỉ đường được pha loãng đến 50% đểđảm bảo hiệu quả quá trình axit hóa

Sau khi pha loãng sơ bộ, rỉ đường được đưa qua công đoạn axit hóa Trong thànhphần của rỉ đường có chứa rất nhiều ion Ca2+ Quá trình axit hóa sẽ làm kết tủa Ca2+ lắngxuống kéo theo nhiều chất cặn khác làm trong rỉ đường Mặt khác, quá trình axit hóa còngiúp chuyển hóa đường sacaroza thành monosacarit và ức chế, tiêu diệt vi sinh vật Quátrình axit hóa được thực hiện bằng cách bổ sung H2SO4 vào rỉ đường để tạo môi trườngaxit có pH=4,5-5

Sau khi kết thúc quá trình axit hóa, rỉ đường được đưa đi lắng để chuẩn bị cho quátrình tách căn, làm trong rỉ đường Thông thường, thời gian lắng khoảng 120 phút Saukhi lắng xong thì tiến hành tách cặn Quá trình tách cặn có thể kết hợp giữa gạn lắng với

ly tâm Sau khi tách cặn thu được dịch trong và cặn

Dịch trong được mang đi pha chế dịch lên men Đầu tiên, dịch trong tiếp tục được phaloãng đến nồng độ thích hợp (tùy thuộc công nghệ và phương pháp lên men) Tiếp theo,tiến hành bổ sung chất diệt khuẩn Natri fluorosilicate (Na2SiF6)vào dịch lên men để diệtkhuẩn trước khi cấy nấm men vào Mặt khác, rỉ đường rất nghèo dinh đưỡng, đặc biệt lànguồn N và P Để nấm men phát triển tốt, người ta thường bổ sung N từ các nguồn ure((NH2)2CO, muối amoni phosphate ((NH4)2SO4) Đối với P, có thể bổ sung từ các nguồndiphospho pentaoxit (P2O5), axit phosphoric (H3PO4), các muối phosphate [4]

1.2.2.2Vi sinh vật lên men rượu

Rượu etylic là sản phẩm lên men khá phổ biến của nhiều nhóm vi sinh vật, chủ yếu làcác chủng nấm men Các chủng nấm men thường được sử dụng trong sản xuất bia rượu là

Saccharomyces cerevisiae, Sac.ellipsoids, Sac.carlsbergensis Nhiều loài vi khuẩn hiếu

khí không bắt buộc và vi khuẩn kỵ khí cũng tạo thành rượu trong quá trình lên menhexose hoặc pentose

a Yêu cầu về giống vi sinh vật

Giống vi sinh vật sử dụng trong quá trình lên men phải đáp ứng được các yêu cầu sauđây:

- Có tốc độ phát triển nhanh trên môi trường sản xuất;

- Có khả năng chịu được những điều kiện bất lợi trong quá trình sản xuất:nhiệt độ cao, pH thấp, sự có mặt của chất sát trùng trong dịch đường;

- Có khả năng lên men nhanh chóng nhiều loại đường tạo ra nhiều sản phẩmchính và ít sản phẩm phụ;

- Chịu được áp suất thẩm thấu lớn và nồng độ rượu cao

Trong quy trình sản xuất cồn, người ta thường sử dụng chủng Saccharomycescerevisiae với các giống XII, II, MTB, T, 396

b Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của nấm men

Điều kiện môi trường ảnh hưởng khá lớn đến tốc độ sinh trưởng và phát triển của nấmmen Chúng phát triển tốt ở điều kiện nhiệt độ 10-12oC đối với nấm men chìm và 28-

32oC đối với nấm men nổi Càng xa khoảng nhiệt độ tối thích, khả năng sinh trưởng củanấm men càng giảm Nếu nhiệt độ thấp hơn 5oC hoặc cao hơn 38oC thì nấm men ngừngphát triển Với điều kiện nước ta, nấm men có nhiệt độ tối thích càng cao thì càng có lợi.Nấm men có thể tồn tại được trong một khoảng pH khá rộng 2-10, nó phát triển tốttrong môi trường có pH=4-5 Trong quá trình nuôi vi sinh vật, pH thường có xu hướnggiảm nhưng không đáng kể Có thể điều chỉnh bằng các thành phần dinh dưỡng như cácmuối axit hay kiềm

Nồng độ rượu trong dấm chín cũng ảnh hưởng rất lớn đến sinh trưởng và phát triểncủa nấm men Nếu nồng độ rượu đạt 1%, thì khả năng nảy chồi của nấm men giảm Nồng

độ rượu đạt 2%, quá trình sinh trưởng của nấm men bắt đầu chậm lại Khi nồng độ rượutrong dấm chín đạt đến 5% thì nó ngừng phát triển Để hạn chế sự ảnh hưởng của nồng

độ rượu đến nấm men trong quá trình nuôi, cần hạn chế sự lên men tạo rượu bằng cách

bổ sung liên tục oxy vào môi trường nuôi vi sinh vật đồng thời giải phóng lượng rượu rakhỏi môi trường.

Nếu trong quá trình nuôi có tiến hành sục khí và đảo trộn thì sẽ giúp rút ngắn chu kìnuôi nấm men Sục khí giúp cung cấp oxi cho nấm men phát triển, hạn chế sự lên menđồng thời giải phòng CO2 ra khỏi môi trường lên men Quá trình đảo trộn giúp tăngcường sự tiếp xúc giữa nấm men với môi trường Nấm men có khả năng hấp thụ chấtdinh dưỡng từ môi trường tốt hơn nên sinh trưởng nhanh hơn Đồng thời quá trình nàycòn giúp giải phóng lượng rượu ra khỏi môi trường

Các yếu tố khác như các chất sát trùng và kim loại nặng có mặt trong môi trường cũng

có thể gây ra những ảnh hưởng có lợi hoặc bất lợi cho nấm men Nếu trong môi trường

có tồn tại vi sinh vật lạ, chúng có thể bị tiêu diệt bởi các chất sát trùng Tuy nhiên, cácchất sát trùng này cũng có thể tiêu diệt nấm men

1.2.2.3Quá trình lên men

Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử sinh học cung cấp nănglượng cho vi sinh vật Trong lên men rượu, ethanol và CO2 là sản phẩm tích tụ chiếm ưuthế Ngoài ra còn có nhiều sản phẩm phụ khác như axit, este, aldehyt, rượu cao phân tử

Glucose

Hình 1.2 Cơ chế lên men rượu

Quá trình lên men diễn ra trong điều kiện thiếu oxy (khichuỗi vận chuyển điện tử không thể diễn ra) và trở thành phương tiện chủ yếu của

tế bào để sản xuất ATP Phương trình tổng quát của quá trình lên men rượu là :

C6H12O6 + H3PO4 + ADP 2C2H5OH + 2CO2 + ATP Nấm men phát triển tốt trong môi trường hiếu khí, nhưng khi gặp điều kiện kỵ khí thìbắt đầu quá trình lên men Đường và chất dinh dưỡng được nấm men hấp thụ qua màng

CH3C= OC= O

O

-2NADH2NAD+

HO

tế bào Trong tế bào đường được chuyển hóa thành pyruvate Trong điều kiện yếm khí,dưới tác dụng của enzyme pyruvate decarbonxidase, pyruvate bị khử thànhacetylaldehyde và CO2 Sau đó, acetylaldehyde dưới tác dụng của enzymeancoldehydrogenase có trong nấm men sẽ chuyển hóa thành rượu etylic Etylic và CO2được hình thành sẽ thoát ra khỏi tế bào và khuếch tán nhanh vào môi trường xung quanh.

1.2.3 Các phương pháp lên men rượu etylic

1.2.3.1Phương pháp men thuốc bắc (MTB)

Viên men thuốc bắc (MTB) gồm tinh bột sống có thêm những vị thuốc bắc có nấmmốc và nấm men được nuôi cấy và phát triển Theo phương pháp MTB thì nguyên liệuchứa tinh bột (gạo) không cần phải nghiền mịn và nấu thành dạng cháo mà chỉ cần nấuchín như nấu cơm (cũng chính điều này làm hạn chế tác dụng của enzyme lên tinh bộtnên hiệu suất đường hóa thấp) Gạo sau khi nấu chín được trải ra trên các nong sạch đểlàm nguội rồi trộn với MTB đã nghiền thành bột, tỷ lệ MTB dung sao 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 thìquá trình đường hóa chiếm ưu thế Quá trình rượu hóa chỉ xảy ra mạnh hơn khi cho cơm

đã ủ vào các chum, vại rồi thêm nước sạch vào ngập khối nguyên liệu (thông thường 2-3lít nước sạch / 1kg gạo), ủ tiếp từ 2-3 ngày Trong sản xuất lớn người ta thường bổ sungthêm những nấm men đã được nuôi cấy thuần khiết Sau khi ủ xong thì đem hỗn hợp đicất rượu

Nhược điểm: Độ acid trong dịch lên men, dễ nhiễm tạp khuẩn, khó cơ giới hóa, hiệu

suất thu hồi rượu thấp (60-70%)

1.2.3.2 Phương pháp Amylomyces – Rouxii (Mucor Rouxii)

Đặc điểm của phương pháp này là sử dụng nấm mốc và nấm men nuôi cấy thuần khiết

và riêng biệt Sau đó cho phát triển tiếp tực trên môi trường cần lên men giàu chất dinhdưỡng (thường là gạo) trong điều kiện vô trùng tuyệt đối, có sục khí ở những giai đoạncần thiết để thực hiện quá trình đường hóa Một chu kỳ sản xuất gồm các giai đoạn sauđây diễn ra tuần tự: Chuẩn bị thiết bị  Nấu chín khối nguyên liệu  Làm nguội khốinấu đạt 38-39oC  Phát triển nấm mốc và thực hiện đường hóa  Thực hiện rượu hóacho đến khi kết thúc Tất cả các giai đoạn đó diễn ra trên cùng một thiết bị kí, vô trùngtuyệt 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 kéo dài (8-10 ngày), khó đảm bảo vô trùng, đòi hỏi

nguyên liệu phải giàu dinh dưỡng, khi thay đổi nguyên liệu phải thay đổi chủng nấmmen, nấm mốc

1.2.3.3 Phương pháp Mycomalt

Mycomalt là chế phẩm thô của nấm mốc, được nuôi cấy trên bề mặt của môi trườngđặc gồm cám hoặc bột ngô và trấu Lượng chế phẩm thô dung để đường hóa khá lớn, 10-12% so với khối lượng nguyên liệu Lượng canh trường men sử dụng trong giai đoạnrượu hóa khoảng 10% thể tích dịch lên men dẫn đến quá trình lên men diễn ra nhanhchóng

Ưu điểm (So với phương pháp amylo): Ít bị nhiễm chua, không đòi hỏi chế độ vô

trùng nghiêm ngặt Rút ngắn được chu kỳ sản xuất Không kén chọn nguyên liệu Thíchhợp quy 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 60oC xuống 30oC

1.3.1 Mục đích

Sau khi quá trình lên men kết thúc, thu được sản phẩm gọi là dấm chín Dấm chín nàytiếp tục được đưa qua quá trình chưng cất để thu hồi hết lượng cồn có trong dấm Sảnphẩm thu được sau quá trình chưng cất được gọi là cồn thô Cồn thô tiếp tục được đưaqua quá trình tinh chế để loại bỏ tạp chất và nâng cao độ cồn Sau khi tinh chế ta thuđược cồn tinh chế [5]

1.1.1 Nguyên lý

Dấm chín bao gồm các chất dễ bay hơi như rượu etylic, ester, aldehyt, rượu bậc cao.Các chất hòa tan không bay hơi như dextrin, protein, các chất vô cơ… cùng với một ítđường maltose chưa lên men và các chất không hòa tan như vỏ trấu, xác nấm men Do

đó, dấm chín là một hỗn hợp nhiều cấu tử Hiện nay, lý thuyết chưng cất chỉ mới nghiêncứu hệ 2 cấu tử Mặt khác, thành phần chủ yếu của dấm chín là rượu etylic và nước Vìvậy ta xem dấm chín như là một hỗn hợp gồm 2 cấu tử trên [6]

Hình 1.3 Chưng cất hệ 2 cấu tử nước – cồn

Ở điều kiện áp suất thông thường (p = 760mmHg) phí điểm của hỗn hợp rượu – nước

là 95,57% khối lượng Từ 0 - phí điểm trên đồ thị, độ bay hơi tương đối của rượu lớn hơnnước nên cồn bay hơi trước

Trong cồn thô còn chứa rất nhiều các tạp chất khác như aldehyt, este, axit, rượu bậccao Cồn thô được đưa đi tinh chế để loại bớt tạp chất, nâng cao nồng độ rượu trong sảnphẩm Dựa vào đặc tính phân tách, các tạp chất trong cồn thô được chia làm 3 nhóm:

- Tạp chất đầu: Gồm những tạp chất dễ bay hơi hơn rượu etylic như aldehyt axetic(CH3CHO), axetat etyl (CH3COOC2H5), format etyl (HCOOC2H5), axetat metyl(CH3COOCH3), … Trong thực tế các tạp chất này được gọi chung là este – aldehyt Khitinh chế cồn thì aldehyt axetic là khó tách hơn cả vì nó hòa tan trong rượu cả ở thể hơi lẫnthể lỏng;

- Tạp chất cuối: Gồm những chất có nhiệt độ sôi cao hơn rượu etylic nên khó bay hơihơn Nhóm này chủ yếu gồm các rượu cao phân tử Nhóm này thường tồn tại ở dạng dầukhông hòa tan trong nước nên trong sản xuất được gọi là dầu fuzel;

- Tạp chất trung gian: gồm những chất mà có thể bay hơi cùng với tạp chất đầu hoặc ở lạitạp chất cuối tùy thuộc vào nồng độ rượu và tính chất vật lý của tạp chất Khi nồng độrượu thay đổi thì độ bay hơi của tạp chất thay đổi theo

Nếu hàm lượng tạp chât không nhiều lắm, ta có thể giả thiết rằng độ bay hơi của tạpchất này không phụ thuộc vào sự có mặt của các tạp chất khác Căn cứ vào giả thiết đó ta

có thế lần lượt nghiên cứu được sự vận chuyển của từng loai tạp chât trong tháp tinh chế

và biết được tình hình phân bố của chúng theo chiều cao của tháp Gọi A% (theo trọnglượng) là hàm lượng rượu etylic ở thể hơi, a% (theo trọng lượng) là hàm lượng rượu ơ thếlòng và tỷ số A/a = Kr gọi là hệ số bốc hơi của rượu Đối với tạp chất ta cũng có tương tự

Trong đó: α là lượng tạp chất ở thể hơi

β là lượng tạp chất ở thể lỏng

Hệ số bốc hơi K phụ thuộc vào nồng độ của rượu etylic

- Khi nồng độ rượu etylic tăng, hệ số bốc hơi của mọi tạp chất đều giảm xuống

- Khi nồng độ rượu etylic < 55% thì hệ số bốc hơi của mọi tạp chất lớn hơn 1

- Riêng đối với các tạp chất đầu điển hình như: axetat etyl, axetat metyl, andehytaxetic, thì hệ số bốc hơi lớn hơn 1 đôi với bất kỳ nồng độ rượu etylic nào Các loại tạpchất này dễ tách ra khi chưng cất

- Tạp chất cuối điển hình như: izoamylic thì, khi nồng độ rượu cao, hệ số bốc hơiizoamylic nhỏ hơn 1 Khi nồng độ rượu etylic là 55% thì hệ số bốc hơi gần bằng 1 Khinồng độ rượu etylic nhỏ hơn 55% (theo thể tích) thì hệ số bốc hơi lại lớn hơn 1

- Các tạp chất trung gian khó phân tách nhất, đặc biệt là izobutyrat etyl, vì khi nồng

độ rượu cao, thì hệ số bốc hơi của tạp chất này gần bằng 1 Do đó, mà tạp chất nàythường phân bố đều giữa thể lỏng và thể hơi, có thế bốc hơi thẹo tạp chất đầu hay ở lạitạp chất cuối

- Hệ số tinh chế K’: là tỷ số giữa hệ số bốc hơi của tạp chất và hệ số bốc hơi của rượuetylic, nghĩa là:

Hệ số tinh chế K’ cho chúng ta thấy rõ được việc tách tạp chất khỏi cồn thô và tạp chấttăng hay giảm theo tỷ lệ của rượu etylic khi tinh chế Nếu:

- K’ > 1: tạp chất tập trung nhiều ở thế hơi, tạp chất dễ bốc hơi hơn rượu etylic, do đótinh chế tách được nhiều tạp chất hơn

- K’ = 1: tạp chất trong thể hơi và thể lỏng đều giống nhau, có nghĩa là lượng tạp chấtcòn lại không thay đổi, việc tinh chế rượu không xảy ra

- K <1: tạp chất trong thể hơi nhỏ hơn trong thể lỏng, tạp chất khó bốc hơi hơn rượuetylic, do đó tinh chế được ít tạp chất hơn

Hệ số tinh chế đặc trưng cho khái niệm về các nhóm tạp chất, tạp chất đầu khi K’ > 1, tạpchất cuối khi K’ < 1 và tạp chất trung gian khi K’ = 1.

1.1.2 Các phương pháp chưng cất-tinh chế [4]

1.1.1.1 Các phương pháp chưng cất.

Trong công nghiệp, để sản xuất ethanol thường sử dụng thiết bị chưng cất loại mộttháp hoặc hai tháp

a Thiết bị chưng cất loại một tháp (H.1.4)

Tháp cất gồm 2 phần: phần dưới (B) là tháp dấm chín, phần trên (A) là tháp rượu.Tháp dấm chín có nhiệm vụ tách rượu etylic ra khỏi dấm chín theo nguyên tắc chưng cấtđơn giản Trong tháp đặt từ 15-22 đĩa Tháp rượu (A) có nhiệm vụ cô đặc hỗn hợp rượu –nước ở thể hơi bốc lên từ tháp dấm chín Tháp rượu gồm 15-18 đĩa Đối với sản xuất cồn

từ rỉ đường, đĩa được sử dụng trong tháp thường là loại chóp

D- Thiết bị làm lạnh1- Dấm chín 2- Bã3- Hơi nóng 4- Cồn thô

Hình 1.4

Nguyên tắc hoạt động: Dấm chín được bơm vào thiết bị ngưng tụ (hâm dấm) C vàđược nhiệt ngưng tụ của hơi rượu – nước hâm nóng đến 75oC, theo đường ống đi vào đĩatrên cùng của tháp dấm chín B Chất lỏng ngưng tụ từ đĩa trên cùng của tháp rượu A cũng

từ từ chảy xuống Dấm chín chảy từ đĩa trên cùng của tháp B xuống tới bộ phận bốc hơi.Hơi rượu - nước từ tháp dấm chín bốc hơi cô đặc gần 30% và qua tháp rượu tiếp tục được

cô đặc Phần trên cùng của tháp rượu có nồng độ khoảng 88-90% thể tích Hơi rượu quathiết bị ngưng tụ phần lớn ngưng tụ thành thể lỏng và hồi lưu về đĩa trên cùng của tháprượu A Rượu có nồng độ càng cao thì lượng hồi lưu càng lớn Tỷ số giữa lượng hồi lưu

và lượng rượu cất ra được gọi là hệ số hồi lưu Khi nồng độ rượu đạt 88% theo thể tíchthì hệ số hồi lưu là 2,5 Phần hơi rượu sau khi qua bình ngưng tụ mà chưa được ngưng tụ

sẽ tiếp tục được đưa qua thiết bị làm lạnh D để ngưng tụ thành sản phẩm lỏng gọi là cồnthô

b Thiết bị chưng cất loại hai tháp (H.1.5)

A- Đoạn cô đặc rượu; B- Tháp dấm chín; C- Đoạn cất rượu sót

D- Thiết bị ngưng tụ; E- Thiết bị làm lạnh; T- Thiết bị tách bọt

1- Dấm chín; 2- Bã rượu; 3- Hơi nóng; 4- Cồn thô; 5- Nước thải

Nguyên tắc hoạt động: Dấm chín được hâm nóng ở bình ngưng tụ D rồi chảy xuống đĩa trên cùng của tháp dấm chín B, chảy từ trên xuống dưới và được hơi nóng 3 đun nóng

D11

23

A

C

D

ở phần cuối cùng của tháp Bã rượu được ống dẫn bã 2 tháo ra, còn hơi rượu từ tháp dấm chín bốc lên qua bộ phận tách hơi T và đoạn cất rượu C và cô đặc ở đoạn A Hơi rượu đã

cô đặc qua thiết bị ngưng tụ D, phần ngưng tụ hồi lưu trở lại tháp, phần chưa ngưng tụ tiếp tục qua thiết bị làm lạnh E để ngưng tụ thành sản phẩm cồn thô

Từ dấm chín qua chưng cất ta thu được cồn thô Trong cồn thô còn chứa nhiều tạpchất độc hại, đồng thời nồng độ rượu etylic chưa đạt yêu cầu, vì vậy cần phải tiến hànhtinh chế cồn thô Cồn thô thường được tinh chế trong các thiết bị loại một tháp làm việcgián đoạn hoặc thiết bị loại hai tháp làm việc liên tục

a Thiết bị tinh chế loại một tháp làm việc gián đoạn (H.1.6)

Nguyên tắc hoạt động: Nồi cất là một thùng hình trụ làm bằng thép đáy phẳng, nắphình chóp có ống hơi ở giữa Trong nồi cất có hai ống ruột gà để liên tục đun sôi và đảotrộn Để đảm bảo áp suất hơi được ổn định, trên đường ống dẫn hơi vào tháp có lắp bộ

Nước ngưng

1- Nồi cất2- Tháp tinh chế3- Thiết bị ngưng tụ4- Thiết bị làm lạnh5- Bầu quan sát6- Bộ phận điều chỉnh hơi6

Hình 1.6

phận điều chỉnh hơi Tháp tinh chế gồm nhiều đoạn, mỗi đoạn có nhiều đoạn dạng chóp.

Số lượng đĩa có trong tháp khoảng 42-52 đĩa, đôi khi lên đến 60 đĩa

Sau quá trình tinh luyện, thu được một số sản phẩm sau:

- Cồn đầu: Chứa phần lớn là este và aldehyt;

- Cồn loại III: Chứa lượng tạp chất đầu nhiều hơn cồn thô ban đầu;

- Cồn loại II: Chất lượng tương đương cồn thô ban đầu;

- Cồn loại I (cồn tinh luyện) có nồng độ rượu lớn hơn 95,5% thể tích;

- Cồn cuối: Chứa nhiều tạp chất cuối;

- Dầu fuzel: Dùng để tách lấy chất thơm và dùng làm dung môi hữu cơ

b Thiết bị tinh chế loại hai tháp làm việc liên tục

Thiết bị gồm hai tháp: tháp aldehyt và tháp tinh chế

Nhiệm vụ của tháp aldehyt là tách các cấu tử dễ bay hơi hơn ethanol ra khỏi cồn thô,chủ yếu là các este và aldehyt Cồn thô đã tách este và aldehyt còn chứa dầu fuzel ở phầndưới của tháp aldehyt liên tục chảy vào tháp tinh chế Ở tháp tinh chế, cồn thô tiếp tụcđược tách dầu fuzel và tạp chất đầu

Sơ đồ làm việc của thiết bị tinh chế loại hai tháp làm việc liên tục như hình 1.7

Tháp aldehyt gồm hai phần: Phần dưới B là phần bốc hơi các tạp chất đầu, phần trên

A là phần làm cô đặc các tạp chất đầu Tháp tinh chế cũng gồm hai đoạn: Đoạn dưới B làphần chưng, đoạn trên A là phần luyện Ở phần chưng, hơi, rượu etylic, các tạp chất bayhơi lên, còn dầu fuzel tập trung ở dưới Ở phần tinh luyện, hơi rượu- nước được cô đặc vàrượu được tách khỏi tạp chất đầu

5

43

7

A2

Dầu fuzel

Hình 1.7

1- Tháp aldehyt 2- Tháp tinh chế 3- Thiết bị ngưng tụ cho tháp aldehyt

4- Thiết bị làm lạnh cho tháp aldehyt 5- Thiết bị ngưng tụ cho tháp tinh chế

6- Thiết bị làm lạnh cho tháp tinh chế 7- Thiết bị làm lanh cồn đầu

8- Bầu quan sát cồn đầu 9- Thiết bị làm lạnh cồn tinh chế

10- Bầu quan sát cồn tinh chế 11- Thiết bị làm lạnh ngưng tụ dầu

12- Bộ phận tách dầu fuzel 13- Thiết bị ngưng tụ làm lạnh

Nguyên tắc làm việc: Cồn thô sau khi được ph loãng với nước để có nồng độ 50%V ở thùng cao vị thì liên tục chảy vào đĩa trên cùng của phần bốc hơi tháp aldehyt 1.Hơi nước được cho trực tiếp ở dưới dáy tháp Tạp chất đầu tách khỏi cồn thô được cô đặc

40-ở phần trên của tháp aldehyt Hơi tạp chất sau khi cô đặc tiếp tục đi qua thiết bị ngưng tụ

3 Hơi ngưng tụ thành thể lỏng được hồi lưu về tháp, phần còn lại chưa ngưng tụ đượcđưa qua thiết bị làm lạnh 4 ngưng tụ thành thể lỏng và hoàn lưu một phần về tháp, phầncòn lại được đưa qua thiết bị làm lạnh cồn đầu 7 rồi đi qua bầu quan sát cồn đầu

Cồn đầu đã tách este – aldehyt sẽ được chuyển qua tháp tinh luyện 2 ở đoạn B Ở tháptinh chế, một số tạp chất đầu còn sót lại được bốc hơi tiếp lên phần tinh luyện A, còn dầufuzel bị giữ lại ở dưới tháp tại các đĩa có nồng độ rượu 40-55%V Các tạp chất trung gian

dễ bay hơi bốc hơi cao hơn so với tạp chất cuối và thường tập trung ở các đĩa có nồng độrượu 70-80%V Rượu fuzel là các tạp chất trung gian được lấy ra ở phần trên của đoạnchưng B qua thiết bị làm lạnh 13; còn phần dưới của đoạn chưng B hơi dầu fuzel bốc lênvào thiết bị ngưng tụ làm lạnh 11 rồi qua bộ phận tách dầu 12; còn hỗn hợp rượu nước ở

bộ phận tách dầu lại chảy vào phần chưng của tháp tinh chế

13

1211

Rượu sau khi đã tách tạp chất trung gian và tạp chất cuối được bốc lên phần tinhluyện của tháp tinh chế Càng lên cao, hơi rượu càng được cô dặc dần, qua bình ngưng tụ

5 và hồi lưu về tháp Phần hơi chưa ngưng tụ còn chứa một ít tạp chất đầu sẽ được tiếptục làm lạnh và ngưng tụ ở bình số 6 và hồi lưu về tháp tinh chế Một phần nhở không đạtyêu cầu được chuyển về tháp aldehyt hoặc đưa vào thiết bị chứa cồn đầu Cồn etylicthành phẩm ở đĩa thứ tư đến đĩa thứ sáu tính từ đỉnh tháp, qua bình làm lạnh 9 và bầuquan sát 10 vào bồn chứa cồn tinh chế

1.1.1 Khái quát

Ethanol, còn được biết đến như là rượu etylic hay cồn là một hợp chất hữu cơ nằmtrong dãy đồng đẳng của rượu metylic Là chất lỏng dễ bay hơi, dễ cháy, không màu Làmột trong các rượu thông thường có trong thành phần của đồ uống có cồn Ethanol là mộtancol mạch thẳng có công thức hóa học của nó là C2H5OH hay CH3CH2OH Một côngthức thay thế khác là C2H6O Ethanol thường được viết tắt là EtOH

và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với ester hay aldehyt có khối lượng phân tử xấp xỉ.Ethanol là một dung môi linh động, có thể hòa tan trong nước với các hợp chất hữu cơkhác như: acid acetic (CH3COOH), acetone (CH3COCH3), benzen (C6H6), cacbontetrachlorua (CCl4), dietyl ete (C2H5OC2H5), etylenglycol (C2H4(OH)2), toluene(C6H5CH3) … Với liên kết hydro làm cho ethanol tinh khiết có khả năng hút ẩm trongkhông khí Nhóm -OH có tính phân cực nên etanol có thể hòa tan các các hợp chất ionđặc biệt như natri hydroxit (NaOH), kali hydroxit (KOH), calci clorua (CaCl2) … Vì cácphân tử ethanol có cấu trúc khong phan cực nên dẽ hòa tan các chất không phân cực nhưcác loại tinh dầu, hương liệu, màu sắc và thành phần trong dược

Ethanol là một loại rượu đơn chức nó có nhiệt độ hóa rắn và nhiệt độ sôi lần lượt là-114,15oC và 78,39oC Nó có thể hòa tan trong nước với mọi tỉ lệ và tạo ra hỗn hợp đẳngphí nên việc tách nước trong hỗn hợp ethanol là rất khó khăn.

1.1.3 Điều chế

Ethanol được sản xuất chủ yếu bằng 2 phương pháp: Phương pháp hóa học và phươngpháp sinh học

a Phương pháp hóa học: Sản xuất ethanol bằng cách hydrat hóa etylen bằng xúc tác

acid theo phản ứng hóa học sau:

H2C=CH2 + H2O CH3CH2OHPhản ứng này được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ 300oC, áp suất 70-80 atm với chatxúc tác là axit phosphoric

b Phương pháp sinh học: Ethanol được sản xuất bằng phương pháp lên men.

Ở phương pháp này, người ta sử dụng một số chủng nấm men (chủ yếu là

Saccharomyces cerevisiae) để chuyển hóa đường thành thành ethanol và cabon dioxit

(CO2) trong điều kiện không có oxy theo phản ứng sau:

C6H12O6 2CH3CH2OH + 2CO2Phương pháp lên men có thể sử dụng nguyên liệu giàu tinh bột hoặc nguyên liệu giàuđường

1.1.4 Ứng dụng

- Nhiên liệu hoặc phụ gia xăng dầu: Ethanol có thể sử dụng như nhiên liệu (thườngtrôn lẫn với xăng) và dùng trong các quy trình công nghệ khác Etanol cũng được sử dụngtrong các sản phẩm chống đông lạnh vì điểm đóng băng của nó thấp

- Đồ uống có cồn: Ethanol là thành phần chính của đồ uống có cồn

- Thuốc sát trùng: Dung dịch chứa 70% ethanol chủ yếu được sử dụng như chất tẩy

uế Nó rất hiệu quả trong việc chống lại phần lớn các loại vi khuẩn, nấm cũng như nhiềuloại virut… nhưng không hiệu quả trong việc chống lại các bào tử vi khuẩn

- Làm dung môi: Ethanol được sử dụng làm dung môi trong sơn, cồn thuốc, các sảnphẩm chăm sóc cá nhân như nước hoa và chất khử mùi…

- Ứng dụng trong y dược: Ethanol là thuốc ngủ Mặc dù nó ít độc hơn các rượu khácnhưng vẫn có khả năng dẫ đến cái chết nếu nồng độ cồn trong máu khoảng 5% Ở nồng

độ thấp hơn có thể gây giảm thị lực hoặc bất tỉnh [9]

1.2.1 Tình hình sản xuất cồn trên thế giới

Rượu gắn liền với đời sống kinh tế, văn hóa, xã hội của mỗi cộng đồng Do tác độngquá lớn của rượu với sức khỏe và đời sống con người nên việc nghiên cứu sản xuất, quản

lý rượu không ngừng được hoàn thiện phát triển và có những nét đặc thù riêng của mỗinước, mỗi cộng đồng quốc gia Sản xuất rượu có tốc độ gia tăng mạnh trong vài năm trởlại đây

Bảng 1.3 Sản lượng ethanol thế giới qua các năm [10].

1.2.2 Tình hình sản xuất cồn tại Việt Nam.

Tại Việt Nam, nghề nấu rượu thủ công đã có từ ngàn xưa và chưa có tài liệu nào chobiết điểm khởi đầu Ở miền núi, đông bào các dân tộc dung gạo, ngô, khoai, sắn nấu chínrồi cho lên men, men này được lấy từ một số lá cây hoặc được nuôi cấy thuần khiết hơn.Sản phẩm nổi tiếng là rượu cần Ở đồng bằng, nhân dân biết nuôi cấy và phát triển nấmmốc, nấm men trong môi trường thích hợp, gạo và các nguyên liệu khác được nấu chín,tất cả được đưa vào chum hoặc vại để ủ Đó gọi là men thuốc bắc

Sản xuất cồn rượu theo kiểu công nghiệp ở nước ta chỉ bắt đầu năm 1989 do ngườiPháp thiết kế và xây dựng Trước cách mạng tháng Tám ở nước ta có các nhà máy rượu

Hà Nội, Hải Dương, Nam Định, Bình Tây, Chợ Quán và Cái Rằng Tất cả đều sản xuất từngô, gạo và theo phương pháp amylo

Sau ngày hòa bình lập lại (1955), các nhà máy không còn thiết bị nguyên vẹn nênchính phủ tập trung cả tạo, sửa chữa thành nhà máy Rượu Hà Nội với năng suất 6 triệulít/ năm.

Đến năm 1960, chúng ta có thêm 2 nhà máy cồn từ rỉ đường là Việt Trì Phú Thọ vàSông Lam Nghệ An Năng suất mỗi nhà máy là 1 triệu lít cồn quy 100o/năm

Cho đến nay, ngành công nghiệp sản xuất cồn ở Việt Nam vẫn đang trên đà đi lên

Bảng 1.5 Công suất của các nhà máy sản xuất ở Việt Nam năm 2007 [11].

STT Tên cơ sở sản xuất Công suất

(106 l/năm)

Nguyên liệu sửdụng

Cùng với chiến lược phát triển nhiên liệu sinh học của thế giới, ở Việt Nam cũng xuấthiện rất nhiều các nhà máy sản xuất cồn nhiên liệu như công ty SaigonPetro, công ty míađường Lam Sơn, công ty rượu Bình Tây Ngày 20/11/2007, Thủ Tướng Chính Phủ đãchính thức phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đếnnăm 2025”, trong đó đưa ra mục tiêu đến 2010 sản xuất 100.000 tấn xăng E5/năm và50.000 tấn B5/năm, đảm bảo 0,4% nhu cầu nhiên liệu cả nước và đến năm 2025 sẽ có sảnlượng hai loại sản phẩm này đủ đáp ứng 5% nhu cầu thị trường nội địa Đề án cũng đưa

ra 6 giải pháp quan trọng nhằm phát triển năng lượng sinh học và kiến lập thị trường đểđưa ngành này từng bước hội nhập với thế giới [12]

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH SẢN XUẤT CỒN TỪ RỈ ĐƯỜNG

Mật rỉ

Pha loãng sơ bộAxit hóa

Xử lý nhiệt

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất ethanol từ mật rỉ.

2.1 Pha loãng và xử lý rỉ đường

Mật mía không kết tinh trong quá trình sản xuất đường được gọi là rỉ đường Rỉđường chiếm 3-5% trọng lượng mía Có thể bảo quản rỉ đường ở nồng độ 55-80oBx Để

xử lý, phải tiến hành pha loãng rỉ đường xuống 45-60oBx Nếu để ở nồng độ cao thì tạpchất sẽ lớn nên khả năng diệt khuẩn và loại tạp chất kém Nhưng nếu pha lãng đến nồng

độ thấp thì tốn nhiều thiết bị và năng lượng Trong thực tế, ở nồng độ 50 - 55oBx quátrình xử lý đạt hiệu quả cao nhất

Trong rỉ đường có chứa hàm lượng chất khô và hàm lượng đường cao và chứa nhiềutạp khuẩn Do nồng độ chất khô trong rỉ đường cao trên 75oBx nên chúng không sinhtrưởng và phát triển nhưng vẫn bảo vệ được sự sống Khi pha loãng đến nồng độ thấp,chúng bắt đầu phát triển và làm tiêu hao lượng đường trong mật rỉ, do đó phải tiến hành

xử lý

Trong rỉ đường có chứa nhiều vi sinh vật tạp gây ảnh hưởng đến quá trình lên men do

đó cần phải sát trùng Đồng thời, để nấm men phát triển tốt cần phải bổ sung thêm dinhdưỡng vào rỉ đường

2.1.1 Tiến hành

Hình 2.2 Sơ đồ thiết bị pha loãng và xử lý rỉ đường

Nguyên tắc hoạt động: Mật rỉ và nước cho vào thùng theo tỉ lệ 1:1, sau đó cho axit sunfuric (H2SO4) vào với tỉ lệ từ 0,4 – 0,6% so với mật rỉ (tùy theo độ chua mật rỉ) khuấy đều rồi cho chất sát trùng fluosilicat natri (Na2SiF6) đảm bảo nồng độ chất sát trùng trong dung dịch khoảng 0,2% Nguồn Nitơ bổ sung ở đây sử dụng sunfat amon (NH4)2SO4 với lượng 0,235 kg/tấn rỉ đường Nguồn Phospho sử dụng H3PO4 bổ sung vào dịch rỉ đường với lượng 12 kg/10000 lít cồn thành phẩm

Mật rỉ, nước,

H2SO4, dinh dưỡng, chất sát trùng

Hơi nóng

Sau khi cho đầy đủ các chất trên, tiến hành gia nhiệt đến 85-90oC và giữ trong 1h để lắng Cặn được bơm qua bộ phận lọc để tách loại các tạp chất Mật rỉ sau khi pha loãng

sơ bộ và xử lý được bơm lên chứa ở thùng cao vị hoặc trực tiếp pha đến nồng độ lên men [16]

2.2 Pha loãng rỉ đường đến nồng độ yêu cầu

Rỉ đường sau khi pha loãng sơ bộ, axit hoá, bổ sung chất sát trùng, gia nhiệt và lắngtrong thì ta tiến hành pha loãng rỉ đường đến nồng độ 12÷14oBx để nuôi cấy men và20÷220Bx để lên men

Khi pha dịch lên men nồng độ loãng cần chú ý:

- Nồng độ mật rỉ được pha về 10-12oBx, trong đó đường chiếm 6-8%;

- Lượng muối amoni dùng để bổ sung nguồn N cho rỉ đường khoảng 0,35-0,4%

so với trọng lượng mật rỉ

- Lượng Super-photphat cho vào với tỉ lệ 1% so với trọng lượng mật rỉ

- Nhiệt độ: 27-30oC

Khi pha dịch lên men nồng độ đặc cần chú ý:

- Nồng độ mật rỉ là 20-22oBx, trong đó đường chiếm 18-23%

- Lượng muối amoni cho vào với tỉ lệ 0,18-0,2% so với mật rỉ

- Lượng super-photphat 0,4-0,5%

- Nhiệt độ: 27-30oC

2.3 Lên men

2.3.1 Mục đích: Quá trình lên men rượu nhằm chuyển hóa đường trong dịch lên men

thành rượu, cacbon đioxit (CO2) cùng một số chất khác nhờ hoạt động của nấm men

2.3.2 Tiến hành

2.3.2.1Chuẩn bị môi trường nuôi cấy nấm men

a) Môi trường nuôi cấy dịch thể tích 10ml và thạch nghiêng

Có thể chuẩn bị từ dịch đường hóa malt hoặc của nấm mốc vàng

Chuẩn bị dịch đường hóa malt như sau:

Gạo tẻ hoặc gạo nếp (một phần) + nước sạch 5 phần nấu cháo  làm nguội (55÷58oC) Cho bột malt vào, tỷ lệ 15-20% so với gạo  đường hoá (to = 55-58oC, thời gian 4-6h) lọc lấy dịch đường  điều chỉnh môi trường  phân phối vào các bình hấp thanh trùng làm nguội rồi cấy men

b) Môi trường 100, 1000ml

Dùng rỉ đường đặc và đường C theo tỷ lệ 1/1 rồi cho nước vào để hòa tan Đun nóng sơ

bộ rồi điều chỉnh nồng độ dịch rỉ đường cho đạt 12÷14oBx, dùng axit phosphoric (H3PO4)hoặc axit lactic để điều chỉnh pH = 4,5÷5 rồi lọc qua phểu lọc để loại bỏ tạp chất Bổsung sulfat amon với tỷ lệ khoảng 0,2%, phân phối vào các bình rồi thanh trùng Nhiệt độthanh trùng 120oC, thời gian 45 phút Khi thanh trùng ta tiến hành đậy nút bông để nướcngưng tụ không chảy vào bình làm giảm nồng độ Để nguội một thời gian rồi lại thanhtrùng một lần nữa Thanh trùng xong để nguội đến nhiệt độ 30÷320C rồi cho giống ở ống10ml, 100ml vào

c) Môi trường 10 lít, 100 lít

Dùng mật rỉ (rỉ đường đặc) và đường C theo tỷ lệ rỉ đường/đường C là 2/1 rồi pha loãngđến nồng độ 12÷140Bx Sau khi pha loãng ta bổ sung chất dinh dưỡng và axit vào nhưsau: (tính theo phần trăm so với khối lượng rỉ đường và đường C)

+ Sulfat amon: 0,2%

+ H2SO4 sao cho pH của dịch là 4,5÷5

d) Môi trường 1000 lít và lớn hơn

Dung dịch rỉ đường đã pha loãng ở bộ phận pha loãng liên tục, có nồng độ 14÷150Bx, pH

= 4,5÷5, đã bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết theo đúng yêu cầu làm môi trường cấynấm men [15]

2.3.2.2 Thao tác nuôi cấy nấm men

Từ các ống thạch nghiêng đã chọn tiến hành nuôi cấy trong môi trường lỏng 10ml, tỷ

lệ 1ml giống trên 9ml môi trường Để giống phát triển trong 24 giờ ở nhiệt độ 30÷320C,quá trình thực hiện trong điều kiện vô trùng Sau đó chuyển sang bình tam giác 100mltrong 12 giờ rồi lại phát triển sang bình 1000ml trong 12 giờ Sau đó cho vào bình 10 lítphát triển trong 10÷12h, tiếp tục cho vào các thiết bị nuôi lớn hơn cho đến khi đạt lượnggiống yêu cầu Tất cả các giai đoạn đều tiến hành nuôi ở 30÷320C

Quá trình nhân giống được chia ra làm hai giai đoạn:

- Giai đoạn nuôi cấy trong phòng thí nghiệm: Từ 10ml đến 10 lít

- Giai đoạn nuôi cấy và phát triển men trong phân xưởng sản xuất: Từ 100 lít trở lên

Quá trình phát triển nấm men là quá trình hiếu khí và phát nhiệt, vì vậy kết hợp sục không khí đã xử lý để làm giàu oxy cho môi trường, đồng thời dội nước lạnh từ mặt ngoài thiết bị để làm mát, tạo điều kiện cho nấm men phát triển tốt.

2.3.2.3 Lên men

Quá trình lên men ở đây sử dụng phương pháp lên men liên tục Quá trình lên mentheo một chiều, có 1-2 thiết bị lên men đầu dây và 6-8 thiết bị lên men tiếp theo được bốtrí như hình vẽ:

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống lên men liên tục [5].

I- Thiết bị lên men đầu dâyII- Thiết bị lên men tiếp theoNguyên tắc hoạt động:

Dịch lên men và giống được nạp liên tục vào thiết bị lên men đầu dây I Sau khi đầy thiết bị lên men đầu dây I thì tự động chảy xuống hệ thống thiết bị lên men tiếp theo II Một chu kỳ lên men được xác định từ khi nạp liệu cho đến khi thiết bị lên men cuối cùng đầy (thường kéo dài khoảng 72h) Do đó phải khống chế tốc độ chảy của dịch bào Kết thúc quá trình lên men, dấm chín liên tục được lấy ra và đưa qua hệ thống chưng cất – tinh chế Phương pháp lên men này cho phép nâng cao tổng hiệu suất thu hồi rượu, có khả năng tự động hóa và cơ giới hóa, làm giảm chi phí tiêu hao năng lượng và cho năng suất cao Tuy nhiên, yêu cầu tổ chức sản xuất ở điều kiện cao vì rất dễ nhiễm trùng hàng loạt

Trong quá trình lên men thường xảy ra các sự cố như sau:

Bảng 2.1 Các sự cố trong quá trình lên men và biện pháp khắc phục [4].

thấp, làm cho men giống sinhsản chậm;

- Môi trường không cung cấp

đủ chất dinh dưỡng cho nấmmen sử dụng;

- Số lượng tế bào nấm menkhông đủ

đảm bảo nhiệt độ dịch lên men ổnđịnh;

- Bổ sung chất dinh dưỡng: Cám,(NH4)2SO4, Ca3(PO4)2 …

- Dùng phương pháp phân cắt đểnâng cao số lượng tế bào

Sinh màng Vi khuẩn sinh màng xâm

nhập

- Nâng cao độ axit dịch lên men;

- Giảm bớt lượng dinh dưỡng đưavào môi trường

Lên men quá

nhanh

- Đường sót tăng;

- Nhiệt độ lên men cao;

- Có nhiều vi khuẩn xâmnhập trong quá trình lên men;

- Nấm men chết nhiều

- Tăng cường kiểm tra nhiệt độ lênmen, dội nguội kịp thời;

- Đề phòng sự xâm nhập của vikhuẩn;

- Phân cắt ít, khống chế nồng độđường

Phá bọt trong quá trình lên men:

Rỉ đường có nhiều tạp chất có khả năng kết dính, điển hình là pectin, các sản phẩmcaramen làm cho dung dịch trở nên dính, CO2 khó thoát ra ngoài và tạo nên những lớpbọt dày trên bề mặt lên men và lớp bọt càng dày ở những thùng lên men đầu

Chọn phương án phá bọt bằng cơ học: Trong các thùng lên men lớp bọt dày khoảng0,3-0,5 mm, lắp trên bề mặt dung dịch một tấm gạt có thiết diện lớn khi quay sẽ quét lớp

bọt làm vỡ tung ra Theo nghiên cứu của viện nghiên cứu công nghiệp lên men Ucraina

đã thấy rằng, để đẩy nhanh tốc độ lên men, nhất là ở giai đoạn lên men cuối cần phải luônđảo trộn dịch lên men bằng hệ thống khuấy trộn trong thùng lên men Bởi vì càng về giaiđoạn lên men cuối, nồng độ đường càng giảm, tính trơ của nấm men lại tăng Lên Do đóquá trình đảo trộn là để tăng cường sự tiếp xúc giữa men và đối chất, mặt khác tạo điềukiện cho CO2 thoát ra dễ dàng

Thu hồi rượu trong CO2 khi lên men

Quá trình lên men rượu, lượng CO2 sinh ra 95,65 % so với khối lượng rượu, CO2 sớmbão hoà trong dung dịch lên men Khi bay hơi CO2 mang theo một lượng etylic Nếu lênmen trong điều kiện thùng hở thì lượng rượu bay hơi theo CO2 nhiều hơn so với lên mentrong điều kiện thùng kín Mặt khác lượng rượu bay hơi theo CO2 còn phụ thuộc vàonồng độ rượu trong dich lên men và nhiệt độ lên men

Để thu hồi rượu trong CO2 có thể sử dụng các thiết bị hấp thụ rượu kiểu tháp đệm haytháp chóp

Hình 2.4 Sơ đồ chưng ba tháp gián tiếp một dòng

1 Thùng chứa dấm chín 4 Tháp thô 7,9,10,12Thiết bị làm lạnh ngưng tụ

2 Bình hâm giấm 5 Bình chống phụt dấm 8 Tháp trung gian

3 Bình tách CO2 6 Bình ngưng tụ cồn thô 11 Tháp tinh chế

Nguyên tắc hoạt động:

Dấm chín được bơm lên thùng chứa giấm chín (1), sau đó tự chảy vào các bình hâmgiấm (2) Ở đây giấm chín được hâm nóng bằng hơi rượu ngưng tụ đến nhiệt độ 70-80°Crồi chảy qua bình tách CO2 số (3) rồi vào tháp (4) Khí CO2 và hơi rượu bay lên đượcngưng tụ ở (6) qua (7) rồi ra ngoài Tháp thô được đun bằng hơi trực tiếp, hơi rượu đi từdưới lên, dấm chảy từ trên xuống nhờ đó quá trình chuyển khối được thực hiện, sau đóhơi rượu ra khỏi tháp và được ngưng tụ ở (2) và (6) rồi qua (7) ra ngoài Chảy xuống tớiđáy nồng độ rượu trong dấm còn khoảng 0,015 - 0,03%V được thải ra ngoài gọi là bãrượu Muốn kiểm tra rượu sót trong bã ta phải ngưng tụ dạng hơi cân bằng với pha lỏng.Hơi ngưng tụ có nồng độ 0,4 - 0,6% là đạt yêu cầu Nhiệt độ của tháp thô 103 - 105°C.Phần lớn rượu thô (90 - 95%) liên tục đi vào tháp trung gian số (8) Tháp này cũngdùng hơi trực tiếp, hơi ruợu bay lên được ngưng tụ và hồi lưu đến 90%, chỉ điều chỉnh

lượng nước làm lạnh và lấy ra khoảng 3 5% gọi là cồn đầu Một phần rượu thơ (5 10%) ở (6) hồi lưu vào đỉnh tháp aldehyt vì chứa nhiều tạp chất.

-Sau khi tách bớt tạp chất, rượu thơ từ đáy tháp aldehyt số (8) liên tục đi vào tháp tinhchế (11) với nồng độ 35 - 40%V Tháp tinh chế (11) cũng được cấp nhiệt bằng hơi trựctiếp (cĩ thể gián tiếp), hơi bay lên được nâng dần nồng độ sau đĩ ngưng tụ ở (12) rồi hồilưu lại tháp Bằng cách điều chỉnh lượng nước làm lạnh, lấy ra 1,5 - 2% cồn đầu rồi chohồi lưu về đỉnh (8) Cồn sản phẩm lấy ra ở dạng lỏng cách đĩa hồi lưu 3 đến 5 đĩa và đượclàm lạnh ở (13)

Nhiệt độ đáy tháp trung gian duy trì ở nhiệt độ 78 - 79°C Nhiệt độ thân tháp tinh ở vị trí cách đĩa tiếp liệu 3 - 4 đĩa về phía trên khống chế ở 82 - 83°C

2.5 Quá trình tách nước

2.5.1 Mục đích

Quá trình chưng cất tinh chế thơng thường khơng thể thu nhận được cồn 96o Do vậy,sau khi chưng cất phải tiến hành quá trình tách nước để thu nhận sản phẩm Ở đây,tiến hành tách nước bằng cách sử dụng chất hấp thụ zeolit

2.5.2 Tiến hành

Cồn được gia nhiệt lên nhiệt độ (65÷70oC) sẽ được đưa

vào thiết bị bốc hơi theo cửa nạp liệu từ dưới lên trên Hơi từ

lị hơi đi vào theo của số (2) đi từ trên xuống Hơi đi trong

ống, cồn đi ngồi ống Hơi cĩ nhiệt độ 250÷260 oC Sau khi

trao đổi nhiệt, nhiệt độ cồn tăng lên 102÷110 oC, hơi được bốc

lên buồng bốc (3) và ra khỏi thiết bị theo cửa (6)

Hơi ngưng tụ được tháo ra ngồi theo cửa số (5)

Hình 2.5 Thiết bị bốc hơi

Sau khi hơi cồn đi ra thiết bị quá nhiệt thì nĩ được đi vào thiết bị hấp phụ, nguyên liệu (hỗn hợp etanol – nước cĩ nồng độ

1 Cửa nạp liệu

thấp) được đưa qua cột hấp phụ chứa zeolit 3A ở pha hơi Nước sẽ bị hấp phụ và giữ lại trên tháp , etanol không bị hấp phụ đi ra khỏi tháp

Để quá trình làm việc liên tục, thông thường phải có ít nhất 2 tháp chứa chất hấp phụ Khi tháp A tiến hành hấp phụ thì tháp B phải tiến hành tái sinh xúc tác và ngược lại Sau giải hấp ta thu được một lượng cồn nhạt quay về tháp chưng cất và tinh chế

CHƯƠNG 3 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1 Kế hoạch sản xuất của nhà máy

3.1.1 Biểu đồ nhập nguyên liệu

Hình 2.6 Thiết bị hấp phụ-giải hấp zeolit

Trong một năm rỉ đường được nhập về nhà máy theo sơ đồ sau:

Bảng 3.1 Biểu đồ nhập nguyên liệu

x: Có nhập rỉ đường

0: Không nhập rỉ đường

3.1.2 Biểu đồ sản xuất của nhà máy

Nhà máy hoạt động sản xuất cồn với năng suất 100.000lít sản phẩm/ngày, mỗinăm hoạt động 11 tháng và nghỉ vào tháng 7 để sửa chữa bảo dưỡng thiết bị Trongcác tháng nghỉ các ngày chủ nhật và các ngày lễ lớn

Bảng 3.2: Biểu đồ sản xuất của nhà máy

3.2 Tính cân bằng vật chất dây chuyền sản xuất cồn etylic

3.2.1 Lựa chọn các thông số kỹ thuật

- Năng suất nhà máy: 100.000 lít cồn thành phẩm/ ngày (96%V)

- Khối lượng riêng của cồn tuyệt đối là d=0,789kg/l (tại 20oC)

- Lượng cồn đầu: 5% so với cồn thành phẩm

- Lượng dầu fuzel: 3% so với cồn thành phẩm

Ta chọn:

- Hiệu suất lên men: ηlm=95%

- Hiệu suất chưng cất – tinh chế: ηtc=97%

- Hiệu suất tách nước ηtn=98%

- Hao hụt và tổn thất qua các công đoạn:

Bảng 3.3 Hao hụt và tổn thất qua các công đoạn

- Nồng độ ban đầu của rỉ đường là 80oBx

3.2.2 Công đoạn pha loãng sơ bộ:

Hao hụt 0,5%

- Lượng nước cần để pha loãng rỉ đường từ 80oBx xuống 50oC là:

N1 – Nồng độ rỉ đường ban đầu, N1 = 80oBx

N2 – Nồng độ rỉ đường cần pha, N2 = 50oBx

M – Khối lượng rỉ đường ban đầu, kg

Xét trong rỉ đường 80oBx, hàm lượng đường sacaroza chiếm 40%, glucoza và

fructozachiếm 20% Tức là trong 100kg rỉ đường có 40kg sacaroza và 20kg gluxoza và fructoza Để pha loãng 100kg rỉ đường từ 80oBx xuống 50oBx cần dùng 60kg nước Như vậy, sau khi pha loãng nồng độ sacaroza giảm xuống còn 25% và nồng độ glucoza và fructoza giảm xuống còn 12,5%

Khối lượng dịch rỉ đường sau khi pha loãng xuống 50oBx

Thể tích dịch rỉ đường sau khi pha loãng:

Khối lượng riêng của dịch rỉ đường ở 50oBx là: 1,2317 (kg/l)

Thể tích của dịch rỉ đường 50oBx là:

3.2.3 Công đoạn axit hóa

Rỉ đường ban đầu có pH khoảng 5,5-6,5; chọn pH = 6

B (kg): Lượng axit H2SO4 98% cần dùng để axit hóa rỉ đường về pH = 4

Vì axit đậm đặc nên thể tích đưa vào nhỏ, sự thay đổi thể tích trước và sau axit hóa làkhông đáng kể

Khối lượng H2SO4 98% cần dùng là:

Khối lượng riêng của H2SO4 98% là 1,837 (kg/lít)

Thể tích H2SO4 cần dùng là:

Khối lượng dịch rỉ đường sau khi axit hóa:

Trong quá trình đường hóa, xem như toàn bộ đường sacaroza đã chuyển hóa thành glucoza và fructoza:

342 180 180

Ta thấy, cứ 342 kg đường sacaroza tạo thành 180 kg đường glucoza và 180 kg đường fructoza Vậy lượng đường đơn được tạo thành là:

Tổng hàm lượng đường đơn có trong dịch rỉ đường sau khi đường hóa là:

X = %đường đơn có sắn + %đường đơn tạo thành = 26,316 + 20 = 46,316%

3.2.4 Công đoạn lắng

C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 (1)

Hao hụt 0,5%, hiệu suất lắng là 95%.

M3 (kg): Là tổng khối lượng dịch rỉ đường sau khi lắng

Khối lượng riêng của dịch rỉ đường 50% là: 1,2317 (kg/l)

Thể tích của dịch rỉ đường sau lắng là:

Hàm lượng đường đơn còn lại sau khi lắng:

3.2.5 Công đoạn chuẩn bị dịch lên men

Lượng axit H3PO4 bổ sung là 4g/lít

Khối lượng riêng của H3PO4 là d = 1,572 kg/ lít Vậy thể tích H3PO4 cần dùng là:

Lượng đạm sunfat cần bổ sung là 3g/l Tức là:

Khối lượng riêng của (NH4)2SO4 là d = 1,456 kg/lít Vậy thể tích (NH4)2SO4 cần dùng là:

Lượng nước cần pha loãng rỉ đường từ 50oBx xuống 20oBx:

Trong đó: N1 - Nồng độ rỉ đường ban đầu, N1 = 50oBx

N2 - Nồng độ rỉ đường cần pha, N2 = 20oBx

M1 – Khối lượng rỉ đường đem pha, M = 1,592M (kg)

Tổng khối lượng dịch đường là:

m = 1,496M + 2,244M + 0,004M + 0,005M + 0,004M = 3,752M (kg)

Tổng thể tích dịch đường:

V = 1,214M + 0,003M + 0,003M + 2,244M + 0,003M = 3,466M (lít)

Nồng độ đường lên men trong dịch lên men là:

3.2.6 Công đoạn nhân giống

Dịch đường sau khi được pha loãng đến nồng độ lên men 10% đem đi nhân giống nấm men, 90% còn lại đưa vào thùng lên men Quá trình nhân giống nấm men gồm có quá trình hoạt hóa giống, nhân giống cấp 1 và quá trình nhân giống cấp 2

Thể tích đường đem đi nhân giống cấp 2 là:

a Nhân giống cấp 2

Hao hụt 1%

Lượng men giống cuối cùng cho quá trình lên men bằng thể tích dịch đường mang đi nhân giống:

b Hoạt hóa giống và nhân giống cấp 1

Lượng giống thu được sau khi nhân giống cấp 1 được đem đi nhân giống cấp 2 và bằng 10% dịch đường nhân giống cấp 2, hao hụt 0,5%

Lượng giống thu được sau khi hoạt hóa bằng 10% lượng giống cấp 1, hao hụt 0,3%

3.2.7 Công đoạn lên men

Thể tích dịch đường chứa giống:

= 0,347M + 0,35M = 0,682M (lít)Thể tích dịch đường tham gia lên men:

= 3,466M x 0,9 + 0,682M = 3,816M (lít)

Xem như trong quá trình nhân giống nấm men đã sử dụng hết toàn bộ lượng đường cótrong dịch đường đem đi nhân giống Nên nồng độ đường còn lại trong dịch lên men là:

Khối lượng riêng của dịch đường ở nồng độ 18% là 1,072kg/lít

Xem dịch đường trước lên men là dung dịch đường có hàm lượng chất khô khôngđường thấp nên khối lượng của dịch trước lên men là: M4 (kg)

Hàm lượng đường đơn trong dịch đường trước lên men là:

Khối lượng đường đơn trong dịch tham gia lên men là:

Phương trình lên men:

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 (2)

180 92 88

Cứ 180 kg đường glucoza tạo thành 92 kg cồn khan Vậy lượng cồn khan thu được sau quá trình lên men với hiệu suất 98% là:

Khối lượng riêng của cồn khan là 0,789 (kg/l)

Thể tích cồn khan thu được sau lên men là:

Khối lượng CO2 thu được sau lên men là:

Khi lên men có một lượng CO2 kết hợp được giữ lại có khối lượng bằng 0,3% khối lượng dịch lên men Tức là:

Khối lượng CO2 thoát ra là:

Khối lượng dấm chín thu được sau lên men, hiệu suất 98%:

Khối lượng riêng của CO2 là 1,98kg/m3 Suy ra thể tích CO2 thoát ra là:

Thể tích dấm chín thu được:

Độ rượu trong dấm chín:

3.2.8 Công đoạn chưng cất

Lượng cồn thô thu được sau khi chưng cất với hiệu suất thu hồi 98% là:

3.2.9 Công đoạn tinh chế

Hao hụt: 2%

Sau khi tinh chế ta thu được cồn 95o

Thể tích cồn 95o thu được sau quá trình tinh chế là:

Lượng cồn đầu tách ra bằng 5% so với cồn thành phẩm Tức là:

Vcồn đầu = 100000 x 5/100 = 5000 lít/ngàyLượng dầu fuzel tách ra khỏi tháp tinh bằng 3% so với cồn thành phẩm Tức là:

Vdầu fuzel = 100000 x 3/100 = 3000 lít/ ngày

3.2.10 Quá trình tách nước

a Tính toán cho quá trình hấp phụ

Toàn bộ etanol và nước vào tháp hấp phụ ở dạng hơi nên:

Với: – Lưu lượng khối lượng của hỗn hợp vào tháp (kg),

– Lưu lượng thể tích của hỗn hợp vào tháp (m3),

– Khối lượng riêng của hỗn hợp ở điều khiện hấp phụ

Bảng 3.5 Khối lượng riêng của một số chất lỏng và dung dịch với nước thay đổi theo

b Cân bằng lượng nước vào và ra khỏi tháp hấp phụ

Trong đó: , – Phần trăm khối lượng nước trong nguyên liệu, sản phẩm (%).Đổi % thể tích sang % khối lượng:

– Phần trăm thể tích của rượu trong nguyên liệu (%)

– Khối lượng riêng của nước ở 107,6°C, (kg/m3) [17]

Ta được:

Tương tự:

Với – Phần trăm thể tích của nước trong sản phẩm (%)

Ký hiệu: , – Lượng etanol, nước bị hấp phụ trong tháp (m3/h)

Với: , – Lượng etanol, nước bị hấp phụ trên một đơn vị xúc tác

Một đơn vị xúc tác tương ứng với 0,02 (g) zeolit Theo thí nghiệm của E Lalik và

c Tính toán cân bằng vật chất cho tháp hấp phụ

Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp:

Thay số:

Etanol đầu vào:

Phần trăm khối lượng của etanol ở đầu ra của thiết bị tháp:

Lượng nước trong nguyên liệu đầu vào:

Lượng etanol đầu ra với hiệu suất tách nước là 98%:

Thể tích cồn 96%:

VCồn 96% = = = 0,387 × M (lít)Lượng nước trong nhiên liệu đầu ra:

× = (0,324 × M – 0,289 × M) × = 0,035 × M (kg)

3.2.11 Thu cồn sản phẩm

Để thu được cồn thành phẩm, cần phải tiến hành lành lạnh và ngưng tụ

Giả sử, hao hụt của quá trình này là 1%

Lượng cồn thành phẩm thu được là:

Từ năng suất của nhà máy là 100000 lít/ngày Suy ra M= 261096,606 (kg)

Bảng 3.2 Bảng tổng kết tính cân bằng vật chất