Nghiên cứu quy trình đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao để sản xuất cồn từ gạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LƢU ĐÌNH HỒN NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH ĐƢỜNG HĨA VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI Ở NỒNG ĐỘ CHẤT KHÔ CAO ĐỂ SẢN XUẤT CỒN TỪ GẠO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LƢU ĐÌNH HỒN NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH ĐƢỜNG HĨA VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI Ở NỒNG ĐỘ CHẤT KHÔ CAO ĐỂ SẢN XUẤT CỒN TỪ GẠO Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Công nghệ Thực phẩm NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS CHU KỲ SƠN HÀ NỘI, NĂM 2017 MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ PHẦN MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU I.1 Tình hình sản xuất tiêu thụ cồn I.1.1 Trên giới I.1.2 Tại Việt Nam I.2 Các công nghệ sản xuất cồn: I.2.1 Các nguyên liệu I.2.2 Công nghệ sản xuất cồn 11 I.2.3 Công nghệ sản xuất cồn phƣơng pháp đƣờng hóa lên men đồng thời nồng độ chất khô cao (SSF – VHG) 18 I.3 Các kết nghiên cứu cơng nghệ đƣờng hóa lên men đồng thời nồng độ chất khô cao: 21 I.4 Mục tiêu nghiên cứu: 24 CHƢƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 II.1 Nguyên vật liệu 25 II.1.1 Bột gạo 25 II.1.2 Nấm men 25 II.1.3 Enzym 25 II.1.4 Dinh dƣỡng 26 II.1.5 Hóa chất dụng cụ 26 II.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu 26 II.2.1 Các phƣơng pháp phân tích 26 II.2.2 Các phƣơng pháp tối ƣu 28 II.2.3 Tính tốn giá thành sản xuất cồn thành phẩm 29 II.2.4 Thuyết minh quy trình 32 CHƢƠNG III : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 III.1 Đánh giá sơ quy trình sản xuất cồn cơng nghệ đƣờng hóa lên men đồng thời nồng độ chất khô cao 34 III.1.1 Đánh giá tiêu bột gạo nghiên cứu 34 III.1.2 Khảo sát quy trình sản xuất cồn theo cơng nghệ đƣờng hóa lên men đồng thời nồng độ chất khô cao 34 III.2 Tối ƣu hóa quy trình đƣờng hóa lên men đồng thời nồng độ chất khô cao sản xuất cồn từ gạo 35 III.2.1 Xây dựng quy hoạch thực nghiệm 35 III.2.2 Kết thí nghiệm tối ƣu: 37 III.3 Kiểm tra kết tối ƣu quy trình SSF-VHG quy mơ phịng thí nghiệm 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC 52 LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn PGS.TS Chu Kỳ Sơn, PGS.TS Lê Thanh Mai, TS Nguyễn Chính Nghĩa tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện để tơi hồn thành đồ án tốt nghiệp Tôi xin cảm ơn thầy, cô trong Viện Công nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm tạo điều kiện tốt cho tơi q trình nghiên cứu phịng thí nghiệm viện Cuối cùng, xin cảm ơn động viên gia đình bạn bè giúp đỡ cho thêm nhiều nghị lực để vƣợt qua khó khăn q trình hồn thành luận văn Hà nội, ngày 25 tháng năm 2017 Học viên thực Lƣu Đình Hồn TĨM TẮT LUẬN VĂN Hiện nay, công nghệ sản xuất cồn Việt Nam chủ yếu đƣợc thực theo phƣơng pháp truyền thống bao gồm cơng đoạn Dịch hóa (90-105 ), đƣờng hóa (60-65 ), lên men (30-32 ) chƣng cất Đây công nghệ tiêu tốn nhiều lƣợng chi phí thiết bị Cơng nghệ đƣờng hóa lên men đồng thời (SSF) nồng độ chất khô cao (VHG) công nghệ tiên tiến đƣợc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi giới nhờ ƣu điểm tiết kiệm lƣợng, giảm chi phí thiết bị, giảm nguy nhiễm tạp nâng cao độ cồn Tại Việt Nam có số nghiên cứu áp dụng công nghệ SSF-VHG để sản xuất cồn từ nguyên liệu gạo sắn Kết nghiên cứu ban đầu xác định đƣợc số yếu tố có ảnh hƣởng lớn đến hiệu suất cơng nghệ SSF-VHG từ nguyên liệu gạo nhƣ chế phẩm nấm men, chế độ dịch hóa, enzym alpha-amylase, beta-glucanase, chế độ đƣờng hóa, gluco-amylase, protease Trong luận văn này, chúng tơi tập trung tối ƣu hóa lƣợng enzym sử dụng cơng nghệ đƣờng hóa lên men đồng thời (SSF) nồng độ chất khô cao (VHG) để sản xuất cồn từ gạo với mục tiêu giảm liều lƣợng enzym sử dụng mà đảm bảo hiệu suất cồn 86% Chúng sử dụng ma trận Doehlert để xây dựng 23 thí nghiệm từ yếu tố: nồng độ enzym Liquozyme (X1), Spirizyme (X2), Optimash (X3), Fermgen (X4) với hàm mục tiêu Độ cồn (Y1, %v/v), từ tính tốn Hiệu suất (Y2, %), Giá thành sản xuất (Y3, VNĐ/lít) Chúng tơi xử lý kết phần mềm tối ƣu hóa Design-Expert 7.0 để xác định điểm tối ƣu Liều lƣợng enzym sử dụng công nghệ SSF-VHG để sản xuất cồn từ gạo với khuyến cáo nhà sản xuất đối Liquozyme, Spirizyme, Optimash TBG, Fermgen lần lƣợt 0,145 ml/kg; 0,41 ml/kg; 0,43 ml/kg; 0,40 ml/kg giảm lần lƣợt 3,3; 25,5; 14,0 27,3% so với liều lƣợng khuyến cáo nhà sản xuất Qua giá thành sản xuất cồn giảm đƣợc 2% (tƣơng đƣơng giảm 620 VNĐ / lit cồn thành phẩm) đảm bảo hiệu suất đạt 86% Kết nghiên cứu chúng tơi có ý nghĩa quan trọng để nâng cao công suất hiệu sản xuất cồn thực phẩm Việt Nam DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí tự viết tắt Chữ viết tắt SSF Simultaneous Saccharification Đường hóa lên men đồng SLSF Dịch tiếng Việt and Fermentation thời Simultaneous Liquefaction Dịch hóa, đường hóa lên Saccharification and men đồng thời Fermentation Nồng độ chất khô cao VHG Very High Gravity FAPRI Food and Agricultural Policy Viện nghiên cứu sách Research Institute Nơng nghệp Lương Thực CCD Central Composite Design Ma trận trực tâm BBD Box – Behnken Design Ma trận Box Behnken DM Doehlert Matrix Ma trận Doelert DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Lƣợng cồn tiêu thụ bình quân số quốc gia năm 2017 Bảng 1.2: Năng suất số nhà máy sản xuất cồn Việt Nam Bảng 2.1: Đặc tính chế phẩm nấm men Red-Ethanol 25 Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật enzym sử dụng nghiên cứu 26 Bảng 2.3: Bảng tính tốn giá thành bột gạo, nấm men, enzym quy mơ lít 31 Bảng 2.4: Bảng chi phí lƣợng, nhân cơng số chi phí khác 32 quy mơ 1000 lít 32 Bảng 3.1: Bảng kết thí nghiệm khảo sát theo quy trình SSF-VHG sử dụng liều lƣợng enzym tối đa 72h, 96h 120h 35 Bảng 3.2: Phân bổ yếu tố ma trận 36 Bảng 3.3: Biến số mã hóa biến số thực 23 thí nghiệm tối ƣu 37 Bảng 3.4: Kết 23 thí nghiệm tối ƣu 38 Bảng 3.5: Đánh giá ý nghĩa hệ số phƣơng trình hàm mục tiêu Y1 (độ cồn) 39 Bảng 3.6: Đánh giá ý nghĩa hệ số phƣơng trình hàm mục tiêu Y2 (hiệu suất thu hồi) 41 Bảng 3.7: Đánh giá ý nghĩa hệ số phƣơng trình hàm mục tiêu Y3 (giá thành sản xuất lít cồn thành phẩm) 42 Bảng 3.8: Kết so sánh tối ƣu lƣợng cồn thu đƣợc theo hai phƣơng án không để X3 đạt giá trị X3 đạt giá trị 44 Bảng 3.9: Tỷ lệ giảm liều lƣợng enzym sử dụng kết tối ƣu 44 Bảng 3.10: So sánh hiệu ứng dụng kết tối ƣu vào sản xuất quy mơ 1,2 lít với kết tính tốn theo mơ hình chƣa tối ƣu 47 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Biểu đồ sản lƣợng ethanol toàn giới Hình 1.2: Biểu đồ sản lƣợng lúa gạo Việt Nam 2005-2016 H n 3: Các công nghệ sản xuất cồn phổ biến giới Việt Nam 12 H n Sơ đồ quy trình sản xuất cồn theo phƣơng pháp truyền thống 13 H n Sơ đồ quy trình sản xuất cồn theo phƣơng pháp SSF 15 H n Sơ đồ quy trình sản xuất cồn theo phƣơng pháp SLSF 17 H n Phản ứng đƣờng khử với axit 3,5 dinitrosalicilique 27 H n 2 Các bƣớc thực tối ƣu hóa 29 H n Sơ đồ quy trình SSF-VHG sử dụng nghiên cứu 33 Hình 3.1: Kết thí nghiệm kiểm chứng quy mơ 1,2 lít 46 Hình 3.2: Động học thí nghiệm kiểm chứng quy mơ 1,2 lít 46 PHẦN MỞ ĐẦU Cồn có tên khoa học ethanol, đƣợc biết đến nhƣ rƣợu etylic hợp chất hữu nằm dãy đồng đẳng rƣợu methylic, có cơng thức hóa học CH3-CH2-OH Cồn dùng để pha chế đồ uống, làm nhiên liệu sinh học, làm nguyên liệu cho số ngành công nghiệp: công nghiệp tẩy rửa, công nghiệp in, công nghiệp điện tử, dệt may, mỹ phẩm Ngoài ra, cồn cịn đƣợc dùng y học làm dung mơi pha thuốc, thuốc sát trùng Trong ngành y dƣợc, cồn đƣợc dùng để trích ly hoạt chất sinh học Công nghệ sản xuất cồn ngày ngành công nghiệp đƣợc trọng phát triển Ngành sản xuất ethanol góp phần tạo việc làm cho hàng triệu ngƣời lao động Việt Nam tất khâu sản xuất, phân phối, cung ứng, vận tải, thúc đẩy phát triển cơng nghiệp đóng góp vào ngân sách địa phƣơng, góp phần cải thiện đời sống ngƣời lao động vùng miền nƣớc Hiện nay, công nghệ sản xuất cồn Việt Nam chủ yếu đƣợc thực theo công nghệ truyền thống bao gồm giai đoạn riêng rẽ: dịch hóa (90-105 ), đƣờng hóa (60 - 65 ), lên men (30 - 32 ) chƣng cất Phƣơng pháp tiêu tốn nhiều lƣợng, lƣợng nƣớc làm nguội chi phí thiết bị Vì vậy, cần phải nghiên cứu để tìm giải pháp giảm thiểu vấn đề hạn chế Quy trình sản xuất cồn theo cơng nghệ đƣờng hóa lên men đồng thời (SSFSimultaneous Saccharification and Fermentation) nồng độ chất khơ cao (VHG) quy trình sử dụng số loại enzym cho phép thực đồng thời hiệu q trình đƣờng hóa lên men đồng thời 30 thiết bị Nó có ƣu điểm tiết kiệm lƣợng, tiết kiệm chi phí thiết bị, tăng nồng độ chất khơ (>300g/L), nâng cao độ cồn giải đƣợc vấn đề cịn hạn chế quy trình truyền thống Quy trình đƣợc nghiên cứu Việt Nam có kết định Việc cần thiết tối ƣu yếu tố đầu vào mà đạt đƣợc hiệu suất tối đa quy trình tốn cấp thiết Vì vậy, luận văn tốt nghiệp này, chúng tơi tập trung thực đề tài: Nghiên cứu quy trình đường hóa lên men đồng thời nồng độ chất khô cao để sản xuất cồn từ gạo Tiếp theo chúng tơi tiến hành đánh giá tính thích ứng cách sử dụng phần mềm Design-Expert Kết nhận thấy kết thực nghiệm có sai số nhỏ 5% so với kết tính tốn điều chứng tỏ ma trận thích ứng tồn miền khảo sát Đán giá ản ƣởng yếu tố độ cồn sau 96h lên men (Y1) Bảng 3.5: Đánh giá ý nghĩa hệ số phương trình hàm mục tiêu Y1 (độ cồn) Mã hóa Giá trị trung bình Liquozyme Spirizyme Optimash Fermgen (Liquozyme)2 (Spirizyme)2 (Optimash)2 (Fermgen) Liquozyme * Spririzyme Liquozyme * Optimash Spririzyme * Optimash Liquozyme * Fermgen Spririzyme * Fermgen Optimash * Fermgen Hệ số b0 b1 b2 b3 b4 b11 b22 b33 b44 b12 b13 b23 b14 b24 b34 X1 X2 X3 X4 X1 X2 X3 X4 X1 X2 X1 X3 X2 X3 X1 X4 X2 X4 X3 X4 Giá trị 16,200 0,320 0,208 -0,000 0,063 -0,150 -0,183 -0,042 -0,045 0,058 0,225 -0,083 -0,016 0,119 -0,090 Có ng ĩa (%) < 0,01 *** < 0,01 *** < 0,01 *** 100,0 1,51 * 0,735 ** 0,254 ** 32,9 27,1 31,1 0,550 ** 20,1 79,9 8,9 18,0 Phƣơng trình hồi quy Y1: Y1= 16,2 + 0,32X1 + 0,208X2 + 0,063X4 – 0,15X12 -0,183 X22 + 0,225X1X3 Qua bảng 3.5, ta thấy có yếu tố X1 (Liquozyme), X2 (Spririzyme) ảnh hƣởng có nghĩa đến nghĩa đến Y1 (độ cồn sau 96h lên men), X4 có ảnh hƣởng nhƣng giá trị nhỏ 0,063 so với 16,2 Yếu tố X3 có ảnh hƣởng kết hợp với X1 ảnh hƣởng dƣơng (0,225) đến lƣợng cồn tạo thành tức X3 X1 lớn lƣợng cồn sinh nhiều Nhận xét tất yếu tố -X1, X2, X4 có ảnh hƣởng tích cực đến Y1 tăng X1 ,X2,X4 lƣợng cồn sinh tăng lên , đặc biệt X1,X2 (b1 = 0,32, b2 = 0,228) ta giải thích X1 39 X2 hai enzym thủy phân tinh bột quy trình Nên việc tăng nhiều hai enzym thủy phân tinh bột thành đƣờng khử triệt để từ nấm men sử dụng hiệu đƣờng khử để sản sinh cồn X4 có chất protease giúp thủy phân lƣợng protein có gạo tạo thành nguồn Nito bổ sung giúp nấm men phát triển tốt vào cuối giai đoạn lên men lƣợng cồn cao Ta thấy rõ thí nghiệm cố định yếu tố lại thay đổi X1 lƣợng cồn thay đổi khoảng từ 15,7 %v/v đến 16,4 %v/v Tƣơng tự với cặp thí nghiệm với thể rõ ảnh hƣởng tích cực X2 lên lƣợng cồn thu đƣợc - Mặc dù tăng mức yếu tố X1, X2 có tác động ngƣợc lại làm giảm lƣợng cồn sinh Điều lý giải nhƣ sau: Khi lƣợng enzym amylase nhiều, chúng thủy phân tinh bột thành đƣờng với tốc độ nhanh làm lƣợng đƣờng khử dịch lên men cao khiến ức chế nấm men dẫn đến sử dụng không triệt để lƣợng đƣờng sinh làm giảm lƣợng cồn sinh - Hệ số b13 có ảnh hƣởng dƣơng có nghĩa đến Y1 tức đồng thời tăng lƣợng enzym Liquozyme Optimash làm tăng lƣợng cồn tạo thành Điều lý giải hai enzym đƣợc sử dụng giai đoạn dịch hóa gạo Sự có mặt Optimash làm giảm độ nhớt hỗ trợ trình thủy phân Liquozyme dễ dàng làm phân cắt đoạn tinh bột, điều giúp q trình đƣờng hóa dễ dàng nhiều - Ở có vấn đề đáng lƣu tâm yếu tố X3 khơng có ảnh hƣởng lớn đến lƣợng cồn sinh ra, yếu tố X3 enzym beta- glucanase khơng phải enzym tham gia vào trình lên men nhƣng giúp hỗ trợ q trình dịch hóa dễ dàng cần lƣợng nhỏ Optimash TBG hỗ trợ cho q trình dịch hóa Kết luận lại theo kết cho thấy thay đổi yếu tố X1,X2 (enzym Liquozyme Spirizyme) có ảnh hƣởng đến lƣợng cồn 96h (Y1) Ngồi X4 có gây ảnh hƣởng nhƣng cƣờng độ thấp nhiều 40 Đán giá ản ƣởng yếu tố hiệu suất lên men Y2 Bảng 3.6: Đánh giá ý nghĩa hệ số phương trình hàm mục tiêu Y2 (hiệu suất thu hồi) Hệ số Giá trị Có ng ĩa (%) Giá trị trung bình b0 84,460 < 0,01 *** Liquozyme X1 b1 1,669 < 0,01 *** Spirizyme X2 b2 1,084 < 0,01 *** Optimash X3 b3 0,002 98,3 Fermgen X4 b4 0,330 1,48 * 2 (Liquozyme) X1 b11 -0,775 0,759 ** 2 (Spirizyme) X2 b22 -0,952 0,256 ** 2 (Optimash) X3 b33 -0,216 33,1 2 (Fermgen) X4 b44 -0,233 27,2 Liquozyme * Spririzyme X1 X2 b12 0,306 30,2 Liquozyme * Optimash X1 X3 b13 1,172 0,540 ** Spririzyme * Optimash X2 X3 b23 -0,427 20,4 Liquozyme * Fermgen X1 X4 b14 -0,079 80,6 Spririzyme * Fermgen X2 X4 b24 0,619 8,8 Optimash * Fermgen X3 X4 b34 -0,469 18,1 Qua bảng 3.6 thấy ảnh hƣởng yếu tố lên Y2 giống Mã hóa nhƣ với Y1 nguyên nhân Y1 Y2 có mối tƣơng quan chặt chẽ với Kết có X1 X2 gây ảnh hƣởng đáng kể đến hiệu suất lên men Y2 (hàm lƣợng cồn cao hiệu suất quy trình cao) nên chúng tơi sử dụng cách giải thích nhƣ Y1 Đán giá ản ƣởng yếu tố tới giá thành sản xuất lít cồn thành phẩm (Y3): Giá thành sản xuất lít cồn 96% v/v đƣợc tính cách dựa vào hiệu suất lên men thu đƣợc thí nghiệm từ tính tốn lƣợng ngun liệu enzym sử dụng cộng với giá thành chi phí sản xuất chung Ở ta thấy hiệu suất có tăng giá thành giảm nhƣng phải lƣu ý để tỷ lệ enzym sử dụng thí nghiệm khác nên dẫn đến giá thành khác Nhìn bảng 3.7 Ta ví dụ nhƣ thí nghiệm 1, 3, 7, 13 có hiệu suất nhƣ nhƣng giá thành lại có khác biệt dao động từ 28,359 đến 28,477 (nghìn đồng) hay nhƣ thí nghiệm 10 so với thí nghiệm 13 dù hiệu suất thí nghiệm 10 thí 41 nghiệm 13 nhƣng giá thành sản xuất lại Mà suy cho chất việc tối ƣu giảm chi phí sản xuất đến tối đa nên việc xem xét hàm hồi quy hồn tồn xác Bảng 3.7: Đánh giá ý nghĩa hệ số phương trình hàm mục tiêu Y3 (giá thành sản xuất lít cồn thành phẩm) Giá trị trung bình Liquozyme Spirizyme Optimash Fermgen (Liquozyme)2 (Spirizyme)2 (Optimash)2 (Fermgen) Liquozyme * Spririzyme Liquozyme * Optimash Spririzyme * Optimash Liquozyme * Fermgen Spririzyme * Fermgen Optimash * Fermgen Mã hóa Hệ số Giá trị X1 X2 X3 X4 X1 X2 X3 X4 X1 X2 X1 X3 X2 X3 X1 X4 X2 X4 X3 X4 b0 b1 b2 b3 b4 b11 b22 b33 b44 b12 b13 b23 b14 b24 b34 28,670 -0,529 -0,277 0,112 0,003 0,275 0,325 0,070 0,074 -0,087 -0,386 0,138 0,030 -0,207 0,150 Có ng ĩa % < 0,01 *** < 0,01 *** < 0,01 *** 1,55 * 93,1 0,631 ** 0,259 ** 35,5 30,8 39,0 0,657 ** 22,8 78,7 9,4 20,9 Giá thành sản xuất lít cồn 96% v/v đƣợc tính cách dựa vào hiệu suất lên men thu đƣợc thí nghiệm từ tính tốn lƣợng nguyên liệu enzym sử dụng cộng với giá thành chi phí sản xuất chung Ở ta thấy hiệu suất có tăng giá thành giảm nhƣng phải lƣu ý để tỷ lệ enzym sử dụng thí nghiệm khác nên dẫn đến giá thành khác Ta ví dụ nhƣ thí nghiệm 1, 3, 7, 13 có hiệu suất nhƣ nhƣng giá thành lại có khác biệt dao động từ 28,359 đến 28,477 (nghìn đồng) hay nhƣ thí nghiệm 10 so với thí nghiệm 13 dù hiệu suất thí nghiệm 10 thí nghiệm 13 nhƣng giá thành sản xuất lại Mà suy cho chất việc tối ƣu giảm chi phí sản xuất đến tối đa nên việc xem xét hàm hồi quy hồn tồn xác 42 Tuy có liên quan đến hiệu suất nên ảnh hƣởng yếu tố lên Y3 gần giống với Y2 khác điểm yếu tố X3 có hệ số có nghĩa dƣơng tức X3 tăng lên làm tăng chi phí sản xuất điều hợp logic với kết luận X3 Y1 Y2 X3 khơng có tác động nhiều nên việc tăng X3 lên không đem lại kết mà làm tăng chi phí sản xuất Kết luận có hai yếu tố X1 X2 ảnh hƣởng nghịch đến chi phí sản xuất điều ta mong muốn chi phí thấp tốt Còn yếu tố X3 X4 ảnh hƣởng không lớn tăng làm tăng thêm chi phí mà khơng mang lại kết nhiều Kết luận chung ản ƣởng yếu tố đến quy trình: Qua phân tích chúng tơi rút kết luận sau: - Yếu tố X1 (Liquozyme) yếu tố X2 (Spirizyme) có ảnh hƣởng rõ rệt đến ba hàm hồi quy Y1,Y2,Y3 điều hợp lý hai enzym để thủy phân tinh bột thành đƣờng đơn giản để nấm men sử dụng Cả hai yếu tố ảnh hƣởng tích cực làm giảm giá thành sản xuất (Y3) tăng hiệu suất (Y2) nhƣ lƣợng cồn thu đƣợc (Y1) - Yếu tố X3 (Optimash) hầu nhƣ khơng có ảnh hƣởng đến hàm hồi quy Y1,Y2 Tuy nhiên nghiên cứu trƣớc vể việc bổ sung enzym có cho hiệu điều chứng tỏ việc lựa chọn khoảng khảo sát X3 chƣa hợp lý Chính tăng X3 làm tăng giá thành sản xuất (Y3) - Yếu tố X4 (Fermgen) có ảnh hƣởng đến hàm hồi quy Y1 Y2 nhƣng mức ảnh hƣởng thấp Điều cho thấy Fermgen đóng vai trị phụ trợ quy trình Tiếp theo chúng tơi sử dụng phần mềm xử lý số liệu Design-Expert để xử lý tối ƣu hàm lƣợng cồn thu đƣợc theo hai phƣơng án:  Phƣơng án tối ƣu theo độ cồn: Khảo sát khoảng liều lƣợng phân bổ trình bày bảng 3.2 để tìm điểm mà hàm mục tiêu Y1 (độ cồn 96h) cao 43  Phƣơng án tối ƣu theo enzym:Để yếu tố X3(enzym Optimash) thấp (vì giá thành optimash cao nhất) tìm điểm để hàm mục tiêu Y1 (độ cồn 96h) đạt giá trị cao Kết tối ƣu theo hai cách đƣợc bảng 3.8 sau Bảng 3.8: Kết so sánh tối ưu lượng cồn thu theo hai phương án không để X3 đạt giá trị X3 đạt giá trị P ƣơng án Tối ƣu t eo độ cồn Tối ƣu t eo enzym Liquozyme ml/kg NL Spirizyme ml/kg NL Optimash ml/kg NL Fermgen ml/kg NL Độ cồn % v/v Giá thành nghìn đồng 0,145 0,41 0,43 0,4 16,53 28,15 0,11 0,48 0,15 0,55 16,31 28,53 Nhận thấy giá thành sản xuất theo tính tốn theo phƣơng án tối ƣu theo độ cồn thấp hẳn so với cách tối ƣu theo phƣơng án tối ƣu theo enzym Chúng chọn kết tối ƣu theo cách thứ tối ƣu theo độ cồn Bảng 3.9: Tỷ lệ giảm liều lượng enzym sử dụng kết tối ưu Liều lƣợng trƣớc tối ƣu (ml/kg) Liều lƣợng tối ƣu (ml/kg) Lƣợng giảm Liquozyme 0,15 0,145 3,3 % Spirizyme 0,55 0,41 25,5 % Optimash 0,5 0,43 14,0 % Fermgen 0,55 0,4 27,3 % Nhìn vào bảng 3.9 ta nhận thấy lƣợng giảm liều lƣợng enzym sử dụng quy trình lần lƣợt Liquozyme giảm 3,3%, Spirizyme giảm 25,5%, Optimash giảm 14,0%, Fermgen giảm 27,3% 44 III.3 Kiểm tra kết tối ƣu quy trình SSF-VHG quy mơ phịng thí nghiệm Mục đích: Ứng dụng kết tối ƣu vào quy mơ phịng thí nghiệm so sánh với kết tính tốn Từ kết tối ƣu tiến hành để ứng dụng vào sản xuất cồn theo phƣơng pháp SSF - VHG quy mô phịng thí nghiệm 1,2 lít Theo đó, chúng tơi tiến hành thực ba thí nghiệm kiểm chứng nhƣ quy trình hình 2.3 với liều lƣợng enzym lần lƣợt là:  Liquozyme liều lƣợng sử dụng 0,145 ml/kg nguyên liệu;  Spirizyme liều lƣợng sử dụng 0,41 ml/kg nguyên liệu;  Optimash liều lƣợng sử dụng 0,43 ml/kg nguyên liệu;  Fermgen liều lƣợng sử dụng 0,40 ml/kg nguyên liệu; Kết ba thí nghiệm đƣợc đƣợc trình bày hình 3.1 Kết động học trung bình ba thí nghiệm kiếm chứng đƣợc trình bày hình 3.2 Từ hình 3.1 3.2 cho thấy kết trung bình độ cồn 96h ba thí nghiệm kiểm chứng 16,6 ± 0,1 % v/v tƣơng đƣơng với kết tính tốn theo mơ hình 16,53 %v/v Các số đƣờng tổng đƣờng khử lại sau 96h ba thí nghiệm thấp ( nhỏ 10 g/l đƣờng tổng nhỏ g/l đƣờng khử) cho thấy lƣợng tinh bột, đƣờng đƣợc sử dụng tƣơng đối triệt để Chúng tổng hợp lại kết ba thí nghiệm quy mơ 1,2 lít với kết trƣớc tối ƣu kết tính tốn bảng 3.10 Nhận thấy chi phí so với kết chƣa tối ƣu làm giảm đƣợc 570 đồng / lít cồn thành phẩm 96% 45 87.2 28.77 28.26 87 29 28.2 86.8 86.6 86.38 Hiệu suất % 86.4 25 86.18 86.2 23 86.03 86 21 85.8 85.6 Độ cồn %v/v Giá thành (Nghìn đồng) 27 19 85.4 16.6 16.53 16.5 17 85.2 85 15 Thí nghiệm trước tối ưu Kết tính tốn theo mơ enzyme hình Hiệu suất Độ cồn Kết trung bình ba thí nghiệm kiểm chứng Giá thành sản xuất 1L cồn 96% Hình 3.1: Kết thí nghiệm kiểm chứng quy mơ 1,2 lít Đường khử Đường tổng Độ cồn 300 17 270.5 16.6 250 16.5 200 150 % V/V G/ LÍT 16 15.7 129.7 15.5 100 65.6 59.3 50 35.7 15 32.3 29.2 7.7 10 0h 24h 48h 72h 2.7 96h Hình 3.2: Động học thí nghiệm kiểm chứng quy mơ 1,2 lít 46 14.5 Bảng 3.10: So sánh hiệu ứng dụng kết tối ưu vào sản xuất quy mô 1,2 lít với kết tính tốn theo mơ hình chưa tối ưu Thực nghiệm điều kiện tối ƣu Tính tốn theo mơ hình C ƣa tối ƣu Độ cồn 96h Hiệu suất Giá thành lít (%v/v) (%) (đồng/ lít) 16,6 ± 0,1 86,37 ± 0,6 28.150 ± 100 16,53 86,18 28.260 16,5 86,00 28.770 Kết luận: Ba thí nghiệm kiểm tra kết tối ƣu quy trình SSF-VHG cho kết ổn định quy mơ phịng thí nghiệm 1,2 lít Lƣợng tinh bột đƣợc sử dụng triệt để nhỏ 10g/l Thơng qua tính tốn kết so sánh với kết trƣớc tiến hành tối ƣu thấy giá thành tiết kiệm đƣợc 620 đồng/lít cồn thành phẩm 96% mà đảm bảo đƣợc hiệu suất đạt 86% 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Trong nghiên cứu thu đƣợc kết sau - Đánh giá đƣợc độ ẩm hàm lƣợng tinh bột bột gạo sử dụng nghiên cứu lần lƣợt 9,9 ± 0,6 % w/w 74 ± 1,2 % w/w - Đã tối ƣu hóa liều lƣợng enzym quy trình sản xuất cồn từ gạo theo cơng nghệ đƣờng hóa lên men đồng thời, chúng tơi tìm đƣợc điểm tối ƣu kết nhƣ sau:  Liquozyme liều lƣợng sử dụng 0,145 ml/kg nguyên liệu, giảm 3,3% so với liều lƣợng khuyến cáo  Spirizyme liều lƣợng sử dụng 0,41 ml/kg nguyên liệu, giảm 25,5 % so với liều lƣợng khuyến cáo  Optimash liều lƣợng sử dụng 0,43 ml/kg nguyên liệu, giảm 14,0 % so với liều lƣợng khuyến cáo  Fermgen liều lƣợng sử dụng 0,40 ml/kg nguyên liệu, giảm 27,3 % so với liều lƣợng khuyến cáo Theo tính toán độ cồn đạt đƣợc 96h 16,53% v/v, hiệu suất thu hồi đạt 86,2%, giá thành sản xuất 28.260 VNĐ - Đánh giá ứng dụng kết tối ƣu quy mơ phịng thí nghiệm 1,2L đảm bảo ổn định so với tính tốn theo mơ hình Lƣợng cồn đạt đƣợc 16,6 ± 0,1% v/v, hiệu suất 86,37 ± 0,6% giá thành sản xuất lít cồn 96 %v/v 28.150 ± 100 VNĐ Kiến nghị : - Triển khai thử nghiệm kết tối ƣu quy mô pilot - Nghiên cứu tiến hành thu hồi bã rƣợu làm nguyên liệu sản xuất thức ăn chăn nuôi 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO Danh mục tài liệu tham khảo tiếng Việt Bộ Công Thƣơng Việt Nam (2016) Quyết định phê duyệt quy hoạch phát triển ngành bia, rượu, nước giải khát Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035, Hà Nội Bộ Công Thƣơng Việt Nam (2014) Hiệp hội rượu – bia - nước giải khát Việt Nam hoàn thành vượt mức tiêu kế hoạch 2014, Hà Nội http://www.moit.gov.vn/vn/tin-tuc/4653/hiep-hoi bia ruou nuoc-giai-khat-vietnam-hoan-thanh-vuot-muc-cac-chi-tieu-ke-hoach-2014.aspx Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn (2012) Quy hoạch tổng thể phát triển sản xuất ngành nông nghiệp đến năm 2020 tầm nhìn đến 2030, Hà Nội Đặng Thị Dung (2015) Khảo sát ảnh hưởng nồng độ chất khô, chế phẩm enzym nhiệt độ dịch hóa đến công nghệ sản xuất cồn từ sắn theo phương pháp SSF + VHG, Trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội Trần Thế Hiển (2008) Nghiên cứu ứng dụng số chế phẩm enzym thủy phân dịch bột sắn để cung cấp cho giai đoạn đường hóa lên men đồng thời (SSF), Trƣờng Đại học Nông Lâm - ĐH Thái Nguyên, Thái Nguyên Phạm Phú Lâm (2015), Nghiên cứu ảnh hưởng số loại enzym thời gian dịch hóa tới hiệu suất thu hồi cồn Trong quy trình Đường hóa lên men đồng thời (SSF) nồng độ chất khô cao (VHG) Trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội Lê Thanh Mai cộng (2007), Các phương pháp phân tích ngành công nghệ lên men, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Vũ Thị Phƣợng (2015) Tối ưu hóa q trình Dịch Hóa, Đường Hóa Lên Men đồng thời công nghệ sản xuất cồn từ gạo Trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội Nguyễn Thị Thảo (2015) Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ chất khơ thời gian dịch hóa tới hiệu suất thu hồi cồn Trong quy trình Đường hóa lên men đồng thời (SSF) nồng độ chất khô cao(VHG) Đại học Bách Khoa Hà Nội 10 Nguyễn Đình Thƣởng, Lê Thanh Hằng (2007), Công nghệ sản xuất kiểm tra cồn etylic, Nhà xuất khoa học kĩ thuật, Hà Nội 11 Lê Ngọc Tú, Lê Văn Chứ cộng (2002) Hóa Sinh Cơng Nghiệp Nhà xuất khoa học kĩ thuật, Hà Nội 49 Danh mục tài liệu tham khảo nƣớc Alain A Vertès, M I H Y (2007) "Alternative technologies for biotechnological fuel ethanol manufacturing", Journal of Chemical Technology & Biotechnology Cao, Y., Tian, H., Yao, K., & Yuan, Y (2011) "Simultaneous saccharification and fermentation of sweet potato powder for the production of ethanol under conditions of very high gravity", Frontiers of Chemical Science and Engineering, 5(3), 318-324 doi: 10.1007/s11705-010-1026-3 Christoph Berg (2004) World Fuel Ethanol Analysis And Outlook D Mathieu, J Nony, & R Phan-Tan-Luu (2000) NEMROD-W software, LPRAI Marseille Deesuth, O., Laopaiboon, P., & Laopaiboon, L (2016) "High ethanol production under optimal aeration conditions and yeast composition in a very high gravity fermentation from sweet sorghum juice by Saccharomyces cerevisiae", Industrial Crops and Products, 92(Supplement C), 263-270 Ferreira, S L C., dos Santos, W N L., Quintella, C M., Neto, B c B., & Bosque-Sendra, J M (2004) "Doehlert matrix: a chemometric tool for analytical chemistry—review", Talanta, 63(4), 1061-1067 Gadd, G M., Chalmers, K., & Reed, R H (1987) "The role of trehalose in dehydration resistance of Saccharomyces cerevisiae", FEMS Microbiology Letters, 48(1-2), 249-254 Ingledew, W M (2009), "Yeast stress in the fermentation process", In Ingledew W.M., Kelsall D.R., Austin G.D & Kluhspies C (Eds.), The Alcohol Textbook - 5th edition (pp 115-126) CN Nguyen (2014) "Pilot scale simultaneous saccharification and fermentation at very high gravity of cassava flour for ethanol production", Industrial Crops and Products, 56, 160-165 10 Poonsrisawat Aphisit, Wanlapatit, S., Paemanee, A., Eurwilaichitr, L., Piyachomkwan, K., & Champreda, V (2014), "Viscosity reduction of cassava for very high gravity ethanol fermentation using cell wall degrading 50 enzyms from Aspergillus aculeatus", Process Biochemistry, 49(11), 19501957 11 Renewable Fuels Association (2016), World Fuel Ethanol Production http://www.ethanolrfa.org/resources/industry/statistics/#145409910392761e598f7-7643 12 Son Chu-Ky, Thi-Hoan Pham, Kim-Lien T.Bui (2016) "Simultaneous liquefaction, saccharification and fermentation at very high gravity of rice at pilot scale for potable ethanol production and distillers dried grains composition", Food and Bioproducts Processing, 98, 79-85 13 Srichuwong Sathaporn, Fujiwara, M., Wang, X., Seyama, T., Shiroma, R., Arakane, M., Tokuyasu, K (2009) "Simultaneous saccharification and fermentation (SSF) of very high gravity (VHG) potato mash for the production of ethanol", Biomass and Bioenergy, 33(5), 890-898 14 Sriroth Klanarong, Piyachomkwan, K., Wanlapatit, S., & Nivitchanyong, S (2010) "The promise of a technology rev/vution in cassava bioethanol: From Thai practice to the world practice" Fuel, 89(7), 1333-1338 15 World Health Organization (2017), Alcohol per capita consumption 16 Yingling, B., Zongcheng, Y., Honglin, W., & Li, C (2011) "Optimization of bioethanol production during simultaneous saccharification and fermentation in very high-gravity cassava mash", Antonie van Leeuwenhoek, International Journal of General and Molecular Microbiology, 99(2), 329-339 51 PHỤ LỤC Phụ Lục : Bảng độ cồn hiệu suất thu hồi 72h thí nghiệm STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 X1 X2 X3 Liquozyme Spirizyme Optimash 1,0000 -1,0000 0,5000 -0,5000 0,5000 -0,5000 0,5000 -0,5000 0,5000 0,0000 -0,5000 0,0000 0,5000 -0,5000 0,5000 0,0000 0,0000 -0,5000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,8660 -0,8660 -0,8660 0,8660 0,2887 -0,2887 -0,2887 0,5774 0,2887 -0,5774 0,2887 -0,2887 -0,2887 0,5774 0,0000 0,2887 -0,5774 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,8165 -0,8165 -0,8165 -0,8165 0,8165 0,8165 0,2041 -0,2041 -0,2041 -0,2041 0,6124 0,2041 0,2041 -0,6124 0,0000 0,0000 0,0000 52 X4 Fermgen 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,7906 -0,7906 -0,7906 -0,7906 -0,7906 0,7906 0,7906 0,7906 0,0000 0,0000 0,0000 Độ cồn 72h (%v/v) 15,2 14,4 14,6 14,2 14,3 15 14,7 14,5 14,2 14,2 14,3 14,4 15 14 14,4 14,6 14,5 14,6 14,5 14,9 15,1 15,2 15,1 Hiệu suất 72h (%) 79,25 75,08 76,12 74,04 74,56 78,21 76,64 75,60 74,04 74,04 74,56 75,08 78,21 72,99 75,08 76,12 75,60 76,12 75,60 77,69 78,73 79,25 78,73 Phụ Lục : Bảng đƣờng tổng đƣờng khử 23 thí nghiệm tối ƣu STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0h 271,2 255,3 270,7 263,5 271,0 263,3 272,0 261,0 270,0 265,2 262,0 266,2 271,5 261,4 262,1 262,3 266,4 258,3 259,3 266,2 265,6 264,2 264,8 Đƣờng tổng (g/l) 24h 48h 72h 125,6 67,4 36,4 131,6 62,8 36,3 128,3 65,5 36,4 145,6 63,9 32,3 143,4 71,2 37,1 120 56,6 33,5 131,4 64,4 37,2 136,65 63,6 34,6 129,2 69,6 36,6 138,1 76,7 39,5 133,4 61,9 35,2 130,5 75,2 41,4 148,4 73,1 43,8 123,3 61,3 32,1 121,3 62,2 37,9 132,5 74,2 43,9 121,5 61,7 32,3 133,1 60,4 33,7 118,4 53,4 28,9 143,9 66,7 34,0 121,8 65,1 34,3 134 62,0 33,9 127,3 64,6 32,3 Đƣờng khử (g/l) 96h 0h 24h 48h 72h 96h 5,4 92,6 54,3 38,1 10,3 3,4 21,0 65,5 38,5 30,2 9,5 4,5 6,4 82 62,3 31,4 14,3 3,2 20,6 72,5 42,1 32,1 12,3 3,4 10,3 69,5 41,2 30,5 9,6 3,5 10,6 71,5 63,2 36,2 12,3 4,4 3,4 99,7 52,3 34,5 10,2 3,1 16,5 69,4 41,2 25,2 9,2 3,5 18,2 89,6 57,2 26,5 11,6 4,2 6,4 84,6 60,6 25,3 13 2,9 13,2 73,7 46,1 27,4 14,2 2,6 10,4 76,5 40,3 25,5 6,4 3,5 3,6 102,6 66,7 32,1 10,4 3,4 15,3 80,5 45,3 26,3 14,3 5,1 13,2 100,6 45,6 29,5 5,9 4,3 15,1 78,6 69,2 25,3 12,5 4,3 15,9 73 45,7 25,1 8,5 5,9 14,3 74,4 46,2 29,6 10,6 6,8 14,1 69,6 39,2 30,2 10,1 3,4 10,3 72,7 45,6 30,5 12,3 4,4 6,4 69,3 38,5 28,4 9,2 3,2 9,3 73 43,1 25,3 11,5 4,1 8,4 73,8 39,4 27,80 10,2 3,6 53 ... trung thực đề tài: Nghiên cứu quy trình đường hóa lên men đồng thời nồng độ chất khô cao để sản xuất cồn từ gạo CHƢƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU I.1 Tình hình sản xuất tiêu thụ cồn I.1.1 Trên giới... thời nồng độ chất khô cao 34 III.1.1 Đánh giá tiêu bột gạo nghiên cứu 34 III.1.2 Khảo sát quy trình sản xuất cồn theo cơng nghệ đƣờng hóa lên men đồng thời nồng độ chất khô cao ... hai công nghệ nồng độ chất khơ Với quy trình Đƣờng hóa Lên men đồng thời nồng độ chất khô cao, nồng độ chất khô thƣờng lớn 300 g/L nhờ tăng lƣợng cồn dịch lên men đến 17-20% v/v (Cao, Tian, Yao,