Nghiên cứu phát triển công nghệ dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời để sản xuất từ gạo

PHENGMEANGKHUNE Thipphaphone BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHENGMEANGKHUNE Thipphaphone CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CƠNG NGHỆ DỊCH HĨA, ĐƯỜNG HÓA VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI ĐỂ SẢN XUẤT CỒN TỪ GẠO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Công nghệ Thực Phẩm KHOÁ 10B Hà Nội – Năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHENGMEANGKHUNE Thipphaphone NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ DỊCH HÓA, ĐƯỜNG HÓA VÀ LEN MEN ĐỒNG THỜI ĐỂ SẢN XUẤT TỪ GẠO Chuyên ngành : Công nghệ Thực Phẩm LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Chu Kỳ Sơn Hà Nội – Năm 2013 Luận văn thạc sĩ LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ thực Phịng thí nghiệm Bộ mơn Cơng nghệ Thực phẩm, Viện Công nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm,Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội người Luận văn hoàn thành với giúp đỡ ủng hộ nhiều Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Chu Kỳ Sơn Kiến thức chuyên ngành, lắng nghe, thấu hiểu hướng dẫn nhiệt tình thầy giúp cho tơi hồn thành tốt luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy cô Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, tới phịng thí nghiệm Bộ mơn Cơng nghệ Thực phẩm, tới ThS Nguyễn Thị Hoài Đức, cán phụ trách phịng thí nghiệm giúp đỡ nhiệt tình cô thực luận văn Tôi xin cảm ơn bạn ThS Nguyễn Chính Nghĩa, Trương Tuấn Nghĩa giúp đỡ cho tơi lời khun hữu ích để hồn thành luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên bên cạnh tơi trơng thời điểm khó khăn Hà Nội, ngày 16 tháng năm 2013 Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ TÓM TẮT NỘI DUNG Tại Việt Nam, hầu hết nhà máy sử dụng quy trình truyền thống để sản xuất cồn Quy trình bao gồm bốn cơng đoạn chính: Dịch hóa, Đường hóa, Lên men Chưng cất Trong giai đoạn cơng đoạn Dịch hóa Chưng cất tiêu tốn nhiều lượng Với mục đích nâng cao hiệu sản xuất, giảm thiểu chi phí đầu tư thiết bị tiết kiệm lượng sử dụng cho công đoạn Dịch hóa đảm bảo hiệu suất thời gian lên men, tiến hành nghiên cứu phát triển Dịch hóa, Đường hóa Lên men đồng thời (SLSF) để sản xuất cồn từ nguyên liệu gạo Luận văn tập trung nghiên cứu vấn đề sau: Nghiên cứu phát triển quy trình Dịch hóa, Đường hóa Lên men đồng thời (SLSF) để sản xuất cồn từ gạo nồng độ chất khơ 185 g/l: theo quy trình này, dịch bột gạo dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời 30-320C vòng 72h với bổ sung đồng thời enzym alpha-amylaza glucoamylaza: Stargen 002 (1,5 ml/kg nguyên liệu) Amigase L (0,5 ml/kg nguyên liệu); nấm men khô Red Ethanol (0,25 g/l) chất dinh dưỡng Urê (0,8 g/l) Sau 72h lên men, độ cồn thu đạt 10,9 % v/v, tương ứng với hiệu suất thu hồi 91,3% Tiến hành tối ưu hóa quy trình SLSF gạo nồng độ chất khơ 185 g/l: với mục đích làm giảm lượng enzym nấm men sử dụng quy trình giữ nguyên hiệu suất không làm kéo dài thời gian lên men, tiến hành nghiên cứu nhằm tối ưu hóa quy trình SLSF gạo Tuy nhiên, việc lựa chọn điểm bước nhảy yếu tố chưa tốt, hệ số tương quan mơ hình thực tế khơng cao Vì vậy, kết tối ưu chúng tơi thu khơng thật xác Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT NỘI DUNG MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tình hình sản xuất ethanol giới Việt Nam 1.1.1 1.2 Tình hình sản xuất ethanol giới Nguyên liệu để sản xuất cồn 10 1.2.1 Nguyên liệu chứa đường 10 1.2.2 Nguồn nguyên liệu chứa xenluloza 11 1.2.3 Nguồn nguyên liệu chứa tinh bột 11 1.3 Công nghệ sản xuất cồn 14 1.3.1 Quy trình truyền thống 14 1.3.2 Quy trình đường hóa lên men đồng thời SSF .15 (Simultaneous Saccharification and Fermentation) 15 1.3.3 Quy trình Dịch hóa, Đường hóa Lên men đồng thời (SLSF) 16 1.3.4 So sánh ba quy trình 18 1.3.5 Mục đích luận văn thạc sĩ 19 CHƯƠNG 2: VẬT LIẸU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 2.1 Vật liệu 20 2.1.1 Gạo tẻ 20 2.1.2 Enzym 20 2.1.3 Nấm men khô 21 Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ 2.1.4 Những nguyên liệu khác 21 2.2 Các phương pháp phân tích 21 2.2.1 Xác định độ ẩm nguyên liệu 21 2.2.2 Xác định hàm lượng tinh bột phương pháp thủy phân axit 22 2.2.3 Xác định đường khử phương pháp DNS (Axit dinitro salixylic) 23 2.3.4 Xác định hàm lượng cồn 24 2.3 Các phương pháp nghiên cứu 26 2.3.1 Quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời 26 2.3.2 Tối ưu hóa quy trình SLSF ma trận Doehlert 28 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1.Nguyên liệu gạo thành phần 30 3.2 Khảo sát quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời 1(quy trình SLSF1) 31 3.2.1.Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa va lên men đồng thời (quy trình SLSF1) 31 3.2.2.Kết 32 3.3.Quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời cải tiến (SLSF2) 34 3.3.1.Kết 35 3.3 Tối ưu hóa quy trình SLSF sử dụng ma trận Doehlert 36 3.3.1 Đánh gia ảnh hưởng biến số đường sót dịch hèm sau 72h lên men (Y ) 38 3.3.2 Đánh giá ảnh hưởng biến số độ cồn dịch hèm sau 72h lên men (Y ) 39 3.3.3 Đánh giá ảnh hưởng biến số hiệu suất thu hồi quy trình sau 72h lên men (Y ) 41 3.3.4 Kết luận ảnh hưởng yếu tố quy trình 41 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG 43 4.1 Kết luận 43 4.2 Triển vọng 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ Commented [NN1]: DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH Sản lượng ethanol số nước giới So sánh phương pháp sản xuất cồn Các đặc tính enzym sử dụng nghiên cứu Bảng 2.2: Các yếu tố ảnh hưởng lựa chọn cho nghiên cứu Bảng 2.3: Ma trận thực nghiệm xây dựng từ phương pháp Doehlert cho yếu tố ảnh hưởng Bảng 3.1: Gạo tẻ bột nghiền mịn Biểu đồ 3.1 Biến đổi hàm lượng đường khử, đường sót độ cồn dịch trình lên men quy trình SLSF1 Biểu đồ 3.2: Đường khử, đường sót độ cồn dịch trình lên men quy trình cải tiến (SLSF2) Biểu đồ 3.3: Hiệu suất thu hồi theo quy trình (SLSF2) Hình 1.1: Sản lượng sắn Việt Nam 2005-2011 Hình 1.2: Sản lượng gạo Việt Nam 2005-2011 Hình 1.3: Quy trình sản xuất cồn truyền thống Hình 1.4: Quy trình đường hóa lên men đồng thời SSF Hình 1.5: Quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời (SLSF) Hình 2.1: Gạo tẻ bột gạo nghiền mịn Hình 2.2: Hệ thống chưng cất cồn Hình 2.3: Máy đo điẻm sơi DUJARDIN-SALLERON Hình 2.5: Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời (SLSF1) Hình 2.6: Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời (SLSF2) Hình 3.1: Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời1 (SLSF1) Hình 3.2: Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời cải tiến (SLSF2) Bảng 1.1: Bảng 1.2: Bảng 2.1: Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page 18 20 28 29 30 32 35 36 12 13 14 16 18 20 24 25 26 27 31 34 Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ DANH MỤC VIẾT TẮT SSF: Đường hóa lên men đồng thời SLSF: Dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời USD: Đô la Mỹ (United States Dollar) CD: Catalylic domain SBD: Starch binding domain ASAA: Acid Stable Alpha Amylase MhL: triệu Hectolit Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ MỞ ĐẦU Ethanol đóng vai trị quan trọng nhiều lĩnh vực sống Trong lĩnh vực, vai trò ethanol lĩnh vực nhiên liệu ngày trở nên quan trọng Trong bối cảnh nguồn nguyên liệu hóa thạch ngày cạn kiệt, ethanol nhiên liệu xem nguồn thay hữu hiệu thân thiện với môi trường Nhu cầu sử dụng ethanol ngày cao thúc đẩy ngành công nghiệp sản xuất ethanol toàn cầu Sản lượng ethanol liên tục tăng qua năm Ngành sản xuất cồn Việt Nam phát triển mạnh mẽ thời gian qua để phục vụ mục tiêu chương trình nhiên liệu sinh học Chính phủ để đáp ứng nhu cầu sử dụng ngành sản xuất đồ uống có cồn Ta nói ngành cơng nghệ sản xuất cồn Việt Nam có tố độ phát triển không ngừng đáng kinh ngạc Quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời (SLSF), phương pháp để sản xuất cồn với phương pháp này, trình dịch hóa, đường hóa lên men kết hợp lại công đoạn nhất, thiết bị nhiệt độ Công nghệ dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời (SLSF) cơng nghệ kết hợp q trình dịch hóa, đường hóa nguyên liệu tinh bột trình lên men thiết bị Với trợ giúp hỗn hợp enzym có tác dụng tương hỗ để chuyển hóa trực tiếp hạt tinh bột chưa hồ hóa thành dạng đường lên men, mà nấm men sử dụng để chuyển hóa thành ethanol Hỗn hợp enzym sử dụng chứa chủ yếu hai enzym alpha amylaza glucoamylaza Ngồi bổ sung số enzym khác để tăng hiệu trình đường hóa cellulaza beta glucanaza Enzym thủy phân tinh bột sống (không cần gia nhiệt) biết đến từ năm 1944 Tuy nhiên có Nhật Bản sản xuất sản phẩm enzym để thủy phân tinh bột sống dung sản xuất rượu sake Một lý quan trọng làm hạn chế phát triển loại enzym giá thành đắt phải sử dụng phương pháp lên men rắn Hiện nay, với tiến công nghệ sinh học, loại enzym thủy phân tinh bột với giá thành rẻ có hoạt độ cao nghiên cứu sản xuất quy mô công nghiệp Đây hai yếu tố quan trọng để ứng dụng trình thủy phân tinh bột sống kết hợp với trình đường hóa lên men đồng thời cơng nghệ sản xuất cồn Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ Mục đích nghiên cứu Luận văn thạc sĩ tơi tập trung nghiên cứu quy trình Dịch hóa, Đường hóa Lên men Đồng thời (SLSF) để sản xuất cồn từ nguyên liệu gạo tẻ Luận văn nhằm mục tiêu tối ưu quy trình SLSF nhằm đảm bảo hiệu suất trình lên men giảm thiểu chi phí (enzym, nấm men, thời gian) Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1.Nguyên liệu gạo thành phần Gạo tẻ lựa chọn nguyên liệu phương pháp Gạo tẻ sử dụng nghiên cứu có nguồn gốc từ Điên Biên Gạo nghiền mịn bảo quản nhiệt độ thường sử dụng tồn q trình nghiên cứu Bảng 3.1: Gạo tẻ bột nghiền mịn Yếu tố Giá trị Độ ẩm (%) 11.30 ± 0.01 Hàm lượng tinh bột (%) 79 ± 2.5 Hạt có kích thước < 0,5 mm 99,8% Hạt có kích thước < 0,25 mm 93,4% Hạt có kích thước < 0,16 mm 73,2% Kết độ ẩm hàm lượng tinh bột bảng 3.1 khẳng định loại gạo đáp ứng đầy đủ yêu cầu nguyên liệu sử dụng sản xuất cồn Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page 30 Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ 3.2 Khảo sát quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời 1(quy trình SLSF1) 3.2.1.Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa va lên men đồng thời (quy trình SLSF1) Bột gạo nghiền Nước Dịch (185g/l) Chuẩn đến pH 4.5 Stargen 002 (1.5 ml/kg) H2SO4 10% Red Ethanol (0.25 g/L) Dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời (30-320C) Urê (0.8 g/L) Chưng cất Bã Cồn Hình 3.1: Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời (SLSF1) Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page 31 Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ 3.2.2.Kết Đầu tiên, chúng tơi thử nghiệm quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời sử dụng chế phẩm enzym Stargen 002, loại enzym có khả thủy phân tinh bột nhiệt độ thường 10.5 80 10 60 9.5 50 40 30 8.5 20 đường khử đường tổng độ cồn 10 Độ cồn (% v/v) Hàm lượng đường (g/l) 70 24h 48h 72h 96h 7.5 thời gian ( h) Biểu đồ 3.1: Biến đổi hàm lượng đường khử, đường sót độ cồn dịch trình lên men quy trình SLSF1 Hàm lượng đường khử ln thấp suốt q trình lên men (khoảng g/l) quy trình truyền thống, hàm lượng đường khử giảm dần từ cao xuống thấp (đó giai đoạn đường hóa, lượng đường khử đáng kể sinh ra) Ở đây, đường khử sinh tiêu thụ nấm men nên nguy nhiễm tạp vi sinh vật giảm xuống Đó ưu điểm bật quy trình SLSF so với quy trình truyền thống Tuy nhiên, độ cồn thu thấp: 8,5 % v/v sau 72h lên men, ứng với hiệu suất thu hồi 71,3%, trình lên men kết thúc sau 96h, độ cồn đạt 9,9 %v/v, ứng với hiệu suất thu hồi 83,1% Hơn nữa, lượng đường tổng lại lớn 35,5 g/l 21,1 g/l sau 72h 96h lên men Điều chứng tỏ trình lên men diễn chưa triệt để Trong nghiên cứu trước đó, Nguyễn Tiến Cường [12] thử nghiệm quy trình SLSF nồng độ 185 g/l, sử dụng enzym Stargen 001 enzym hệ trước enzym Stargen 002 Kết sau 120h lên men, độ cồn thu đạt 10,2 % v/v, ứng với hiệu suất thu hồi 86,1%, khơng có nhiều khác biệt so với kết Về nguyên nhân độ cồn thu chưa cao mong muốn thời gian lên men kéo dài, ta giải thích sau: Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page 32 Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ hệ enzym Stargen có khả thủy phân tinh bột sống với chất hỗn hợp enzym alpha-amylaza gluco-amylaza Tuy nhiên phần lớn alpha-amylaza, enzym có tác dụng cắt đứt liên kết 1-4 glucozit Lượng gluco-amylaza khơng đủ để cắt hết liên kết 1-6 glucozit, cịn lượng tinh bột khó tiếp cận khó thủy phân nên lượng tinh bột chưa thủy phân nên nấm men khơng sử dụng được, hiệu suất thu hồi cồn chưa thật cao Để khắc phục vấn đề này, đề xuất bổ sung thêm enzym Amigase L, có chất gluco-amylaza, nhằm mục đích cắt triệt để liên kết 1-6 glucozit để nấm men sử dụng tối đa lượng đường dịch, từ sinh nhiều cồn hơn, làm tăng hiệu suất thu hồi Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page 33 Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ 3.3.Quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời cải tiến (SLSF2) Nước Bột gạo nghiền Dịch (185g/l) Chuẩn đến pH4.5 Stargen 002 (1.5 ml/kg) H2SO4 10% Red Ethanol (0.25 g/L) Dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời (30-320C) Amigase (0.5 ml/kg) Urê (0.8 g/l) Chưng cất Bã Cồn Hình 3.2: Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời cải tiến (SLSF2) Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page 34 Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ 3.3.1.Kết Trong quy trình SLSF2 này, bên cạnh enzym Stargen 002, bổ sung thêm enzym Amigase L nhằm tăng khả thủy phân tinh bột sót thành đường 11.2 200 11 160 10.8 140 10.6 120 100 10.4 80 10.2 60 10 40 Đường khử Đường tổng Độ cồn 9.8 20 Độ cồn (% v/v) Hàm lượng đường (g/l) 180 0h 12h 24h 36h 48h 60h 72h 84h 96h 9.6 thời gian (h) Biểu đồ 3.2: Đường khử, đường tổng độ cồn dịch trình lên men quy trình cải tiến (SLSF2) Sau 24h, hàm lượng đường khử trì mức độ thấp (4,3 g/l) chứng tỏ lượng đường khử enzym sinh gần tiêu thụ Hơn nữa, ta thấy độ chua dịch q trình lên men khơng cao (~ 2g H SO /l), chứng tỏ khả dịch lên men bị nhiễm tạp vi khuẩn, lượng đường khử sinh nấm men sử dụng chủ yếu Sau 72h lên men, đường tổng lại thấp (6,8g/l), độ cồn thu cao (10,9%v/v ứng với hiệu suất thu hồi 91,3%) Điểu chứng tỏ trình lên men diễn triệt để, nấm men sử dụng đường chủ yếu để sinh cồn Ở quy trình này, ta thấy kết thu đáng khích lệ Sự có mặt enzym Amigase L giúp cho trình thủy phân tinh bột diễn triệt để hơn, nấm men dễ dàng sử dụng để sinh cồn Vì vậy, quy trình SLSF1, thời gian lên men kéo dài đến tận 96h quy trình SLSF2, ta 72h để kết thúc trình lên men Hơn nữa, quy trình SLSF2, chúng tơi thu độ cồn 10,9%v/v tương ứng với hiệu suất thu hồi 91,3%, quy trình SLSF1, độ cồn thu 9,9%v/v ứng với hiệu suất thu hồi Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page 35 Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ 83,1% Rõ ràng việc bổ sung thêm enzym gluco-amylaza (trong chế phẩm Amigase L) có tác dụng rõ rệt việc làm tăng hiệu quy trình 94.0% Hiệu suất thu hồi (%) 92.0% 90.0% 88.0% 86.0% 84.0% 82.0% 80.0% 78.0% 76.0% 48h 60h 72h 84h 96h Thời gian lên men (h) Biểu đồ 3.4: Hiệu suất thu hồi theo quy trình2 (SLSF2) 3.3 Tối ưu hóa quy trình SLSF sử dụng ma trận Doehlert Những kết thu quy trình SLSF2 đáng khích lệ, hiệu suất thu hồi cao hẳn so với quy trình truyền thống, đồng thời thời gian lên men trì vịng 72h Tuy nhiên, quy trình trên, chúng tơi sử dụng enzym nấm men nồng độ cao theo khuyến cáo nhà sản xuất Nhằm tiết kiệm chi phí cách giảm lượng enzym nấm men giữ hiệu suất không làm kéo dài thời gian lên men, sử dụng ma trận Doehlert để tối ưu hóa quy trình SLSF Trong nghiên cứu này, chúng tơi khảo sát ảnh hưởng enzym Stargen 002, Amigase L nấm men Red Ethanol hiệu suất trình lên men Điểm bước nhảy yếu tố lựa chọn sau: Bảng 3.2: Các yếu tố ảnh hưởng lựa chọn cho nghiên cứu Tên mã hóa Yếu tố Đơn vị Điểm Bước nhảy X1 Red Ethanol g/L 0,25 0,15 X2 Stargen 002 mL/kg NL 0,80 0,60 X3 Amigase L mL/kg NL 0,50 0,40 Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page 36 Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ Chúng lập ma trận thực nghiệm (với hỗ trợ phần mềm Nemrodw), giá trị biến số lượng nấm men Red Ethanol, lượng Stargen 002 lượng Amigase L thay đổi Với kết thí nghiệm này, quan tâm chủ yếu đến kết sau: lượng đường tổng sau 72h, độ cồn sau 72h hiệu suất thu hồi sau 72h Các kết tổng hợp bảng 3.3 đây: Bảng 3.3: Kết ma trận thực nghiệm tối ưu hóa quy trình SLSF Yếu tố Kết Đường tổng 72h (g/l) Độ cồn 72h (%v/v) Hiệu suất thu hồi 72h (%) 0,50 6,2 10,6 88,8 0,80 0,50 6,6 10,8 90,5 0,33 1,32 0,50 4,4 11,0 92,2 0,17 0,28 0,50 18,5 10,4 87,1 0,33 0,28 0,50 20,8 10,1 84,6 0,17 1,32 0,50 5,0 11,1 93,0 0,33 0,97 0,83 4,9 10,4 87,1 0,17 0,63 0,17 14,8 10,6 88,8 0,33 0,63 0,17 13,6 10,3 86,3 10 0,25 1,15 0,17 6,0 10,4 87,1 11 0,17 0,97 0,83 5,0 10,6 88,8 12 0,25 0,45 0,83 9,2 10,3 86,3 13 0,25 0,80 0,50 7,0 10,6 88,8 14 0,25 0,80 0,50 4,8 10,8 90,5 15 0,25 0,80 0,50 8,3 10,6 88,8 STT Red Ethanol (g/l) Stargen 002 (ml/kg NL) 0,40 0,80 0,10 Amigase L (ml/kgNL) Dưới đây, chúng tơi phân tích ý nghĩa ảnh hưởng biến số quy trình Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page 37 Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ 3.3.1 Đánh gia ảnh hưởng biến số đường tổng dịch hèm sau 72h lên men (Y1) Bảng 3.4: Đánh giá ý nghĩa hệ số phương trình Mã hóa Giá trị trung bình Hệ số Giá trị Có nghĩa (%) b0 6,70 0,0623 *** Red Ethanol X1 b1 -0,05 94,2 Stargen 002 X2 b2 -8,27 0,0199 *** Amigase L X3 b3 -3,12 0,620 ** (Red Ethanol)2 X12 b 11 -0,30 81,0 (Stargen 002)2 X22 b 22 7,40 0,230 ** (Amigase L)2 X32 b 33 1,55 24,0 Red Ethanol * Stargen 002 X1X2 b 12 -1,67 33,1 Red Ethanol * Amigase L X1X3 b 13 1,27 50,3 Stargen 002 * Amigase L X2X3 b 23 5,52 2,48 * Qua bảng đánh giá ý nghĩa hệ số Y , ta thấy thay đổi biến X , X , X 2 kết hợp X X có ảnh hưởng có nghĩa đến Y Trong X có ảnh hưởng lớn Thật vậy, ta thấy X tăng Y giảm (b = -8,27), nhiên X tăng lớn q mức có tác dụng ngược lại: b 22 = 7,40 Tương tự vậy, X tăng Y giảm (b = -3,12), X X kết hợp với làm tăng Y (b 23 = 5,52) Điều giải thích sau: X X enzym Stargen 002 Amigase L có tác dụng thủy phân tinh bột thành đường lên men để nấm men sử dụng Khi tăng hàm lượng X X , trình thủy phân tinh bột diễn triệt để hơn, từ nấm men sử dụng hiệu lượng đường khử để sinh cồn, lượng đường tổng giảm Ta thấy rõ điều qua thí nghiệm: thí nghiệm 5, X thấp gần cận mịn (0,28 ml/kg NL), lượng đường tổng sau 72h lại lớn: 18,5 20,8 g/l Khi ta tăng X gần lên cận max (1,32 ml/kg NL) thí nghiệm 6, lượng đường tổng sau 72h lại 4,4 5,0 g/L Tương tự vậy, X thấp gần cận (thí nghiệm 8,9), lượng đường tổng cịn lại lớn X cận max (thí nghiệm 7,11,12) Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page 38 Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ Mặc dù riêng yếu tố có ảnh hưởng tích cực, nhiên ta tăng mức yếu tố X , X lại có tác dụng ngược lại, khơng làm giảm lượng đường tổng có dịch Có thể giải thích điều sau: lượng enzym nhiều, chúng thủy phân tinh bột với tốc độ nhanh, sinh lượng lớn đường khử lúc mà nấm men chưa sử dụng Lượng đường khử lớn làm tăng áp suất thẩm thấu lên nấm men, khiến nấm men yếu đi, sử dụng khơng triệt để tồn lượng đường sinh để sinh cồn Vì lượng đường tổng cịn lại nhiều so với bình thường Mặc dù vậy, đánh giá cịn vấn đề đây, yếu tố nấm men khơ Red Ethanol (X ) khơng có ảnh hưởng rõ rệt đến việc làm giảm Y (các hệ số b = -0,05; b 11 = -0,30 khơng có đủ ý nghĩa) Ở thí nghiệm 2, ta cố định nồng độ X X , biến X chọn điểm cận max cận Tuy nhiên, lượng đường tổng sau 72h lại xấp xỉ nhau: 6,6 6,2 g/l Điều khơng logic theo lý thuyết, bổ sung nhiều, nấm men cần nhiều đường cho trình phát triển mình, lượng đường phải giảm nhiều hơn, đặc biệt giá trị X cận max gấp lần giá trị cận Nhìn chung, kết Y (lượng đường tổng sau 72h), yếu tố có ảnh hưởng nhiều X (enzym Stargen 002), ảnh hưởng tích cực quy trình nghiên cứu 3.3.2 Đánh giá ảnh hưởng biến số độ cồn dịch hèm sau 72h lên men (Y2) Bảng 3.5: Đánh giá ý nghĩa hệ số phương trình Y Mã hóa Giá trị trung bình Hệ số Giá trị Có nghĩa (%) b0 10.67 < 0.01 *** Red Ethanol X1 b1 -0.16 11.7 Stargen 002 X2 b2 0.37 0.858 ** Amigase L X3 b3 0.00 100.0 (Red Ethanol)2 X12 b 11 0.03 83.4 (Stargen 002)2 X22 b 22 -0.03 83.4 (Amigase L)2 X32 b 33 -0.35 6.6 Red Ethanol * Stargen 002 X1X2 b 12 0.12 59.1 Red Ethanol * Amigase L X1X3 b 13 0.02 92.8 Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page 39 Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ Stargen 002 * Amigase L X2X3 b 23 0.15 52.7 Qua bảng 3.5, ta thấy có biến X (Stargen 002) có ảnh hưởng có nghĩa đến Y (độ cồn sau 72h lên men), biến X , X (nấm men Red Ethanol enzym Amigase L) khơng có ảnh hưởng đến Y Trong đó, X có ảnh hưởng tích cực đến Y : X tăng Y tăng (b = 0,37) Ta giải thích điều giống phần 3.3.1, nói ảnh hưởng X Y : X tăng, trình thủy phân diễn triệt để, nấm men sử dụng triệt để lượng đường sinh nhiều cồn Ta thấy rõ điều thí nghiệm 3,4,5,6: thí nghiệm 6, X gần cận max (1,32 ml/kg NL), độ cồn thu đạt đến 11 % v/v; cịn thí nghiệm 5, X gần cận (0,28 ml/kg NL), độ cồn thu đạt 10,1 % v/v Khác với Y , Y , biến X khơng có ảnh hưởng (b = - 0,00) Trên thực tế, X enzym Amigase L, với chất gluco-amylaza, có tác dụng cắt đứt liên kết 1-6 glucozit để trình thủy phân diễn triệt để Hơn nữa, quy trình SLSF2, ta bổ sung thêm enzym Amigase L thấy độ cồn tăng rõ rệt so với việc không sử dụng enzym quy trình SLSF1 Vì vậy, kết thu đặt dấu hỏi lớn tính xác việc lựa chọn điểm giữa, cận max cận X Tương tự Y , biến X khơng có ảnh hưởng có nghĩa đến Y Giống trên, đặt câu hỏi tính logic kết Vì lượng nấm men bổ sung cận max gấp lần cận (0,4 g/l 0,1 g/l) Vẫn lấy kết thí nghiệm 2, X cận max cận min, X X cố định, độ cồn thu thí nghiệm khơng có khác biệt lớn: 10,6 % v/v 10,8 % v/v Khi bổ sung lượng nấm men vậy, rõ ràng mật độ tế bào ban đầu chênh lệch lớn, tốc độ khởi động trình lên men khác có khả ảnh hưởng đến quy trình Nhìn chung, dựa vào bảng đánh giá ý nghĩa hệ số, ta thấy có biến X (enzym Stargen 002) có ảnh hưởng có nghĩa đến kết Y (độ cồn sau 72h lên men) Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page 40 Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ 3.3.3 Đánh giá ảnh hưởng biến số hiệu suất thu hồi quy trình sau 72h lên men (Y3) Bảng 3.6: Đánh giá ý nghĩa hệ số phương trình Y Mã hóa Giá trị trung bình Hệ số Giá trị Có nghĩa (%) b0 89.37 < 0.01 *** Red Ethanol X1 b1 -1.36 12.1 Stargen 002 X2 b2 3.10 0.892 ** Amigase L X3 b3 -0.00 100.0 (Red Ethanol)2 X12 b 11 0.28 83.4 (Stargen 002)2 X22 b 22 -0.28 83.4 (Amigase L)2 X32 b 33 -2.95 6.7 Red Ethanol * Stargen 002 X1X2 b 12 0.98 59.1 Red Ethanol * Amigase L X1X3 b 13 0.14 94.1 Stargen 002 * Amigase L X2X3 b 23 1.28 53.2 Qua bảng 3.6, ta thấy Y giống hệt Y Y Y có mối tương quan chặt trẽ với (hàm lượng cồn cao hiệu suất quy trình cao) có thay đổi biến X (Stargen 002) (chỉ hệ số b có ý nghĩa) ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi quy trình, cịn yếu tố X (Red Ethanol) X (Amigase L) khơng có ảnh hưởng Do hiệu suất thu hồi chịu ảnh hưởng lớn từ độ cồn nên sử dụng đánh giá phần 3.3.2 để giải thích cho phần 3.3.4 Kết luận ảnh hưởng yếu tố quy trình Qua phân tích trên, ta rút số kết luận kết tối ưu quy trình dựa ý nghĩa hệ số sau: - Biến X (nấm men khô Red Ethanol) khơng có ảnh hưởng đáng kể đến Y (đường tổng 72h), Y (độ cồn 72h), Y (hiệu suất thu hồi 72h) Kết chưa logic, lẽ lượng nấm men cho vào khởi động trình lên men khác ảnh hưởng đến tốc độ lên men, ảnh hưởng đến lượng đường (do nấm men cần lượng đường để phát triển sinh khối) đến độ cồn hiệu suất thu hồi Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page 41 Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ - - Biến X (enzym Stargen 002) có ảnh hưởng rõ rệt đến yếu tố Y , Y , Y Điều dễ hiểu enzym có tác dụng sử dụng để thủy phân tinh bột quy trình Đối với yếu tố, X có ảnh hưởng tích cực, làm giảm Y làm tăng Y , Y Biến X (Amigase L) có ảnh hưởng có nghĩa đến Y , khơng có ảnh hưởng có nghĩa đến Y Y Kết đặt số câu hỏi việc lựa chọn điểm bước nhảy ban đầu với X , quy trình SLSF1, khơng bổ sung X , độ cồn hiệu suất quy trình thấp hẳn so với quy trình SLSF2, quy trình có bổ sung X Rõ ràng thí nghiệm quy trình SLSF2, việc bổ sung X giúp cho trình lên men diễn triệt để Vì đây, kết hệ số nói lên X khơng có ảnh hưởng có nghĩa đến Y Y , ta thấy khơng phải kết logic Nhìn chung, qua kết trên, ta thấy nghiên cứu tối ưu hóa này, việc lựa chọn điểm bước nhảy biến số chưa tốt, ngoại trừ với biến X (Stargen 002) Vì vậy, cần phải thực thêm số thí nghiệm khác để xác định tốt khoảng thay đổi hàm lượng enzym Amigase L lượng nấm men khơ Red Ethanol, từ lựa chọn xác điểm bước nhảy để thực tốt nghiên cứu tối ưu hóa Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page 42 Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG 4.1 Kết luận - Khi thực quy trình 12SLSF gạo nồng độ chất khô 185 g/l, nhận thấy việc bổ sung thêm chế phẩm Amigase L (chứa enzyme gluco-amylaza) bên cạnh việc sử dụng chế phẩm Stargen 002 (enzym alpha-amylaza gluco-amylaza) mang lại hiệu rõ rệt cho quy trình Cụ thể, sử dụng riêng enzym Stargen 002, sau 72h lên men, độ cồn thu đạt 9,9 % v/v, ứng với hiệu suất thu hồi 83,1%; đó, ta sử dụng kết hợp hai loại enzym Stargen 002 Amigase L, sau trình lên men kết thúc 72h, ta thu độ cồn 10,9 %v/v tương ứng với hiệu suất thu hồi 91,3% Qua kết trên, ta thấy việc bổ sung enzym gluco-amylaza cần thiết cho quy trình Khả cắt đứt liên kết 1-6 glucosida enzym giúp trình lên men diễn triệt để, hiệu suất thu hồi cao rút ngắn thời gian lên men - Khi tiến hành tối ưu hóa quy trình SLSF cách sử dụng ma trận Doehlert, lựa chọn chưa tốt tốt điểm bước nhảy yếu tố ảnh hưởng Do sai số thực tế mơ hình lớn, kết tối ưu cịn chưa xác 4.2 Triển vọng - - Chúng tiến hành xác định lại điểm bước nhảy yếu tố ảnh hưởng nhằm thực lại việc tối ưu hóa quy trình SLSF từ gạo nồng độ 185 g/l Sau xác định điểm tối ưu, tiến hành kiểm tra thử nghiệm quy trình quy mơ pilot 100 l, từ xác định yếu tố ảnh hưởng đến quy trình quy mô thử nghiệm với mục tiêu ứng dụng quy trình sản xuất thực tế Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page 43 Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B Luận văn thạc sĩ TÀI LIỆU THAM KHẢO World Fuel Ethanol Production Available from: http://www.globalrfa.org/ Quy hoạch phát triển Ngành Bia - Rượu - Nước giải khát Việt Nam đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 Bộ Công thương 2007 http://vanban.moit.gov.vn/chienluoc/index.asp?page=4&recs=20&tieuchi=1&ma=3 Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 Bộ Công Thương 2007 http://vanban.moit.gov.vn/chienluoc/index.asp?tieuchi=3&ma=5 Sản lượng số hàng năm Tổng cục Thống kê Việt Nam; 2013; Available from: http://www.gso.gov.vn/default.aspx?tabid=390&idmid=3&ItemID=12992 Kết xuất gạo đến ngày 31/12/2011 Hiệp hội Lương thực Việt Nam; 2012; Available from: http://www.vietfood.org.vn/vn/default.aspx?c=52&n=5908 Shetty JK, Lantero OJ, Dunn-Coleman N Technological advances in ethanol production International Sugar Journal 2005;107(1283):605-6, 8-10 Keawsompong S, Piyachomkwan K, Walapatit S, Rodjanaridpiched C, Sriroth K Ethanol production from cassava chips: simultaneous saccharification and fermentation process (personal communication) 2004 Gang D, Xu S, Zhou J, Tok SK, Shetty JK, editors Non-conventional process for ethanol production The 4th International Conference on Starch Technology “Starch Update 2007”; 2007; Bangkok, Thailand Mai L-T, Nguyễn Thị Hiền, Phạm Thu Thủy, Nguyễn Thanh Hằng, Lê Thị Lan Chi Các phương pháp phân tích ngành cơng nghệ lên men Hà Nội: Nhà xuất khoa học kỹ thuật; 2008 10 Miller GL Use of Dinitrosalicylic Acid Reagent for Determination of Reducing Sugar Analytical Chemistry 1959;31(3):426-8 doi: 10.1021/ac60147a030 11 Sautour M, Rouget A, Dantigny P, Divies C, Bensoussan M Application of Doehlert design to determine the combined effects of temperature, water activity and pH on conidial germination of Penicillium chrysogenum Journal of applied microbiology 2001;91(5):900-6 12 Cường NT Cải tiến quy trình sản xuất cồn từ nhiều nguồn nguyên liệu chứa tinh bột [Luận văn tốt nghiệp]: Đại học Bách Khoa Hà Nội; 2010 Thipphaphone PHENGMEANGKHUNE Page 44 Đại học Báck Khoa Hà Nội – Khóa 10B ... trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời (SLSF2) Hình 3.1: Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời1 (SLSF1) Hình 3.2: Sơ đồ quy trình dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời cải... triển quy trình Dịch hóa, Đường hóa Lên men đồng thời (SLSF) để sản xuất cồn từ gạo nồng độ chất khơ 185 g/l: theo quy trình này, dịch bột gạo dịch hóa, đường hóa lên men đồng thời 30-320C vòng... gian lên men, tiến hành nghiên cứu phát triển Dịch hóa, Đường hóa Lên men đồng thời (SLSF) để sản xuất cồn từ nguyên liệu gạo Luận văn tập trung nghiên cứu vấn đề sau: Nghiên cứu phát triển quy