Để có thể so sánh hiệu quả của enzim mới này trên gạo của nước ta, trước tiên chúng tôi tiến hành khảo sát quy trình sản xuất cồn từ gạo theo công nghệ của nhà máy rượu Hà Nội, một trong những nhà máy sản xuất cồn hàng đầu của Việt Nam. Quy trình công nghệ được thể hiện ở hình 3.1. Kết quả khảo sát được thể hiện ở bảng 3.2.
Hình 3.1 Sơ đồ sản xuất cồn từ gạo theo công nghệ của nhà máy Rượu Hà Nội Mô tả qui trình: Gạo được cấp vào thiết bị nghiền bột. Bột được nghiền nhỏ và phải lọt qua rây có đường kính d=1,2mm mới được cấp vào nồi nấu bột. Tại nồi nấu, bột và nước được cấp vào theo tỉ lệ bột là 25% (một phần bột và ba phần nước). Đây là tỉ lệ nấu tối ưu được sử dụng để vừa đạt được sự tối ưu về thiết bị cũng như kết quả lên men cuối cùng có hàm lượng đường sót và tinh bột sót thấp
100% lọt qua rây d =1,2mm
Nồng độ dịch bột: 25%, pH = 5-6 Termamyl SC: 0,033%
90oC trong 30 phút; đun sôi 30 phút 65oC, bổ sung thuốc sát trùng (0,0025% ) 60oC, bổ sung GA với tỷ lệ 0,03% Giữ 1 giờ Nhiệt độ 30oC Urê: 0,025% Nấm men: 0,032% Gạo Nghiền Nấu Đường hoá Lên men Chưng cất
33
nhất. Trước khi cấp bột vào thùng người ta hòa một lượng nhỏ enzim Termamyl SC với nước để lót đáy sau đó quá trình cấp bột mới được bắt đầu. Kết thúc quá trình cấp bột lượng enzim được bổ sung theo đúng tỉ lệ là o,033%. Nhiệt độ của thùng nấu luôn được duy trì là 90oC trong 30’, pH luôn ở trong khoảng 5-6. Sau đó thùng nấu được đun sôi 30’ rồi chuyển sang thùng đường hóa. Khi nhiệt độ thùng đường hóa đạt 65oC thì bổ sung thuốc sát trùng theo tỉ lệ 0,0025%, xuống đến 60oC thì bổ sung enzim đường hóa Dextrzyme GA theo tỉ lệ 0,03%. Quá trình đường hóa được giữ trong khoảng 1h rồi mới chuyển sang thùng lên men. Nấm men được đánh tan rồi đổ vào thùng lên men trước khi cấp dịch đường hóa. Tỉ lệ nấm men được bổ sung là 0,032%. Nhiệt độ thùng lên men luôn được duy trì 30-32oC. Ure bổ sung theo tỉ lệ 0,025%. Tùy theo yêu cầu mà quá trình lên men được giữ trong thùng lâu hay mau. Thời gian lên men có thể để từ 96-120h. Sau đó dịch lên men được chuyển sang chưng cất.
Bảng 3.2: Kết quả khảo sát công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Rượu Hà Nội
Chỉ tiêu Các quá trình
Dịch hoá Đường hoá Lên men
Nồng độ chất khô (oBx) 19,8 20,2 6,0
Lượng đường khử (g/l) 33,3 78,5 1,8
Độ rượu trong giấm chín (%V) - - 11,2
Lượng CO2 thoát ra (g/l) - - 85,6
Hiệu suất lên men (%) - - 87,0
Số liệu thu được ở bảng 3.2 cho thấy: nồng độ cồn trong giấm chín đạt 11,2%V, hiệu suất lên men đạt 87%. Quá trình lên men mạnh trong 96 giờ đầu và vẫn tiếp tục lên men trong khoảng thời gian tiếp theo. Độ rượu trong giấm chín đạt 11,2%V sau khoảng 120 giờ. Theo công bố của nhà máy Rượu Hà Nội, hiệu suất
34
lên đạt từ 87÷90%, độ rượu trong giấm chín từ 10÷11%V. Như vậy kết quả thu được ở bảng 3.2 có thể sử dụng làm kết quả so sánh cho các nghiên cứu tiếp theo. 3.2.2 Động học quá trình thuỷ phân tinh bột gạo bởi enzim Stargen 001
Hiện nay tại các nhà máy sản xuất cồn, tinh bột đều được nấu ở nhiệt độ cao để chuyển thành trạng thái hoà tan cho enzim thuỷ phân tinh bột dễ hoạt động. Tuy nhiên enzim Stargen 001 có thể thuỷ phân trực tiếp tinh bột sống thành đường khử ngay ở nhiệt độ thường. Do vậy trước khi thực hiện quá trình lên men chúng tôi tiến hành khảo sát hoạt động của enzim Stargen 001 trên tinh bột gạo ở nhiệt độ thường (30oC).
Mẫu thí nghiệm được chuẩn bị như sau: bột gạo được hoà trộn với nước để đạt được nồng độ dịch bột là 25%. Hỗn hợp được điều chỉnh pH về giá trị 4,5. Sau đó enzim Stargen 001 được bổ sung với liều lượng: 2,5 kg/ tấn chất khô. Quá trình thuỷ phân diễn ra ở 30oC trong điều kiện 2 – 3 giờ khuấy trộn 2 – 3 phút [29, 30]. Trong quá trình thuỷ phân, mẫu được lấy ra để phân tích hàm lượng đường khử, chất hoà tan và thành phần các chất hoà tan trong dịch. Kết quả động học thuỷ phân tinh bột gạo bởi enzim Stargen 001 được thể hiện ở hình 3.2.
Hình 3.2 Động học quá trình thuỷ phân tinh bột gạo bởi enzim Stargen 001 0 2 4 6 8 10 12 14 0 10 20 30 40 50 60
Thời gian (giờ)
L ư ợ n g c h ấ t h o à t a n ( g ) Bx Đường khử
35
Từ đồ thị 3.2 chúng ta thấy tại các thời điểm khác nhau hàm lượng đường khử tạo ra tương đương với hàm lượng chất khô hoà tan có trong hỗn hợp. Điều này chứng tỏ đường khử là thành phần chủ yếu của các chất hoà tan trong dịch. Điều này tiếp tục được khẳng định khi chúng tôi tiến hành phân tích đồng thời thành phần các chất có trong dịch đường được thuỷ phân bởi enzim Stargen 001 và dịch đường được thuỷ phân bởi hai enzim thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ cao là Termamyl SC và Dextrozyme GA theo phương pháp sắc ký lỏng cao áp (Hình 3.3 và Hình 3.4).
Kết quả thu được từ sắc ký đồ cho thấy với quá trình thuỷ phân tinh bột sử dụng enzim dịch hoá Termamyl và enzim đường hoá Dextrozyme GA thì quá trình dịch hoá và đường hoá ban đầu tạo ra hỗn hợp dextrin và oligosaccarit phân tử lượng cao và chỉ có một lượng nhỏ glucoza và mantoza được tạo ra. Tuy nhiên khi thuỷ phân tinh bột bằng enzim Stargen 001 thì thành phần dịch đường tại các thời điểm khác nhau chỉ gồm đường maltoza và glucoza. Điều này hoàn toàn phù hợp với cơ chế hoạt động của hỗn hợp α-amylase và glucoamylase trong chế phẩm Stargen 001. Nhờ hoạt động đồng thời của hỗn hợp hai enzim trên mà tinh bột sẽ được thuỷ phân triệt để tạo thành glucoza và một lượng nhỏ maltoza [31].
Hình 3.3 Sắc ký đồ dịch thuỷ phân bột gạo bởi enzim Stargen 001 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 -5,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 STA 22 µRIU m in 1 - Maltose - 10,675 2 - Glucose - 12,465 Fl ow: 0,600 mL/min %B: 0,0 % %C: 0,0 % %D: 0,0 %
36
Hình 3.4 Sắc ký đồ dịch thuỷ phân bột gạo bởi Termamyl SC và Dextrozyme GA Như vậy khả năng tạo ra lượng đường có khả năng lên men ngay ở 30oC mở ra một hướng nghiên cứu kết hợp quá trình đường hoá và lên men đồng thời để rút ngắn thời gian toàn bộ quá trình sản xuất cồn. Do vậy chúng tôi tiếp tục nghiên cứu quá trình đường hoá lên men đồng thời có sử dụng enzim thuỷ phân tinh bột ở 30oC.
3.2.3 Ứng dụng enzim Stargen 001 trong quá trình đường hoá và lên men đồng thời (SSF)
Như nhận xét ở trên, enzim Stargen 001 có khả năng thực hiện quá trình đường hoá lên men đồng thời. Quy trình đường hoá lên men đồng thời được tiến hành theo sơ đồ ở hình 3.5. 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 -5,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 HN 22 µRIU min 4 - Maltose - 10,699 5 - Glucose - 12,462 Fl ow: 0,600 mL/min %B: 0,0 % %C: 0,0 % %D: 0,0 %
37
Hình 3.5 Sơ đồ quy trình đường hóa và lên men đồng thời sử dụng enzim Stargen 001
Mô tả qui trình: Gạo sau khi được nghiền nhỏ, lọt qua rây nghiền có đường kính d=1,2mm mới được đi vào thùng hòa bột. Nồng độ dịch bột là 25% (tương đương với tỉ lệ một phần bột, ba phần nước). Duy trì pH thùng hòa bột là 4,5. Dịch hòa trộn được chuyển sang thùng đường hóa lên men. Bổ sung một lượng nhỏ enzim Stargen 001 và nấm men để lót đáy thùng sau đó mới cấp dịch bột vào. Khi nào đầy thùng lên men thì hoàn thành quá trình cấp đủ lượng enzim và nấm men theo đúng tỉ lệ: Stargen 001: 2,5 kg/tấn bột, nấm men: 0,032%. Cần lưu ý là nấm men phải được đánh tan cùng nước mới cho vào thùng lên men. Thời gian lên men được giữ lâu hay mau tùy yêu cầu, thường từ 96-120h sau đó mới được chuyển sang giai đoạn chưng cất.
Do yêu cầu của công nghệ sản xuất cồn từ tinh bột, nồng độ đường trước khi lên men chỉ cần đủ để nấm men sinh trưởng và phát triển ở giai đoạn đầu của quá trình lên men. Nếu nồng độ đường ban đầu quá thấp sẽ không đủ cho nấm men sinh sản và phát triển, có thể gây ra hiện tượng đình chỉ lên men sớm và đường sót nhiều, dẫn đến hiệu suất lên men không cao. Còn nếu nồng độ đường quá cao sẽ
Gạo Nghiền Hoà bột Đường hoá + lên men Chưng cất Nồng độ dịch bột: 25% pH = 4,5 Stargen 001: 2,5 kg/tấn chất khô Nấm men: 0,032%
38
gây ức chế sự phát triển của nấm men và giảm hoạt lực của enzim đường hoá. Do vậy chúng tôi đã tiến hành khảo sát thời điểm bổ sung nấm men để thực hiện quá trình lên men nhằm đạt hiệu quả cao. Kết quả thu được thể hiện ở bảng 3.3.
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của thời điểm bổ sung nấm men đến hiệu quả quá trình đường hoá và lên men đồng thời
Các chỉ tiêu
Thời điểm bổ sung nấm men (giờ)
10 20 24
Chỉ tiêu trước lên men
Nồng độ chất khô (oBx) 5,6 7,4 8,6
Hàm lượng đường khử (g/l) 43,5 61,1 75,8
Chỉ tiêu sau lên men
Độ rượu (%V) 7,63 10,16 11,64
Đường sót (g/l) 2,0 2,26 2,4
Hiệu suất lên men (%) 60,0 79,4 90,0
Khi bổ sung nấm men tại các thời điểm khác nhau ta nhận thấy bổ sung nấm men tại thời điểm sau 24 giờ hoạt động của enzim Stargen 001 cho hiệu quả cao nhất. Do đó chúng tôi lựa chọn thời điểm bổ sung nấm men là thời điểm enzim Stargen 001 đã thuỷ phân tinh bột được 24 giờ để tiến hành khảo sát động học quá trình lên men. Kết quả thu được được thể hiện ở đồ thị hình 3.12.
Một số hình ảnh nấm men ở những thời điểm hoạt động khác nhau mà chúng tôi thu được:
39
Hình 3.6 Nấm men giai đoạn Hình 3.7 Nấm men giai đoạn
bắt đầu vào thùng lên men bắt đầu vào thùng lên men +) Giai đoạn lên men 16h:
Hình 3.8 Nấm men sau 16h Hình 3.9 Nấm men sau 16h
40
Hình 3.10 Nấm men 32h Hình 3.11 Nấm men 32h
Qua biểu đồ hình 3.12 ta thấy sau khi bổ sung nấm men được 7 giờ thì cồn bắt đầu được hình thành và liên tục tăng trong 48 giờ tiếp theo. Sau 48 giờ nồng độ cồn vẫn tăng nhưng với tốc độ chậm hơn. Quá trình lên men kết thúc sau 72 giờ. Nồng độ đường vấn tiếp tục tăng trong 7 giờ đầu nhưng bị giảm mạnh trong những giờ tiếp theo và không đổi sau khoảng 30 giờ. Điều này chứng tỏ đến thời điểm này đường được tạo ra bao nhiêu đã được nấm men hấp thụ và chuyển hoá thành rượu. Điều này hoàn toàn phù hợp với nhiều nghiên cứu về quá trình đường hoá lên men đồng thời trong sản xuất cồn [11, 23, 30].
Hình 3.12 Động học quá trình đường hoá lên men đồng thời sử dụng enzim thủy phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường Stargen 001
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 N ồ n g đ ộ c ồ n ( % V ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 N ồ n g đ ộ c h ất t an ( % ) Cồn Bx 0 1 2 30 40 5 6 7
41
Như vậy với việc sử dụng enzim thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ thường đã cho hiệu suất lên men tương đương với hiệu suất lên men của quy trình sản xuất cồn theo phương pháp nấu đường hoá ở nhiệt độ cao mà thời gian lên men được rút ngắn đáng kể, một số thiết bị sử dụng trong giai đoạn nấu đường hoá đã được loại bỏ. Điều này sẽ giúp giảm chi phí về thiết bị, hơi, nhiệt cho nhà máy. Nhưng với mục tiêu giảm được lượng chế phẩm enzim thuỷ phân tinh bột mà vẫn đạt được hiệu quả lên men mong muốn, chúng tôi tiếp tục khảo sát quá trình đường hóa lên men đồng thời với lượng enzim thuỷ phân tinh bột thấp hơn.
3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ enzim Stargen 001 đến quá trình đường hoá và lên men đồng thời
Với mục đích giảm chi phí nguyên liệu đầu vào mà vẫn có thể thu được hiệu suất lên men mong muốn, chúng tôi tiếp tục khảo sát ở nồng độ enzim Stargen 001 thấp hơn. Tuy nhiên khi giảm lượng enzim đồng nghĩa với việc lượng đường khử tạo ra theo thời gian sẽ ít hơn và muốn đạt được nồng độ đường ban đầu khoảng 62 g/l thì thời gian để enzim Stargen 001 hoạt động phải kéo dài hơn. Do vậy chúng tôi lựa chọn thời điểm bổ sung nấm men là 25 giờ sau khi bổ sung enzim Stargen 001. Kết quả thu được thể hiện ở bảng 3.4.
42
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của nồng độ enzim Stargen 001 đến quá trình đường hoá và lên men đồng thời
Các chỉ tiêu
Nồng độ enzim Stargen 001 (kg/tấn chất khô)
1,5 2,0
Chỉ tiêu trước lên men
Nồng độ chất khô (oBx) 6,6 7,6
Hàm lượng đường khử (g/l) 56,4 62,85
Chỉ tiêu sau lên men
Độ rượu (%V) 10,5 10,8
Đường sót (g/l) 4,5 2,5
Hiệu suất lên men (%) 82,1 84,7
Số liệu thu được từ bảng 3.4 cho thấy với nồng độ enzim 1,5 kg/tấn chất khô hay 2,0 kg/tấn chất khô, hiệu quả quá trình đường hoá và lên men đều thấp hơn so với khi sử dụng nồng độ enzim Stargen 001 là 2,5kg/tấn chất khô. Khi nồng độ enzim thấp, vận tốc phản ứng thuỷ phân của enzim thấp. Do đó lượng đường tạo ra trong quá trình đường hoá lên men đồng thời thấp. Điều này ảnh hưởng tới sự phát triển, sinh sản và lên men của nấm men. Vì thế hiệu suất lên men thấp. Như vậy việc sử dụng enzim Stargen 001 với liều lượng thấp hơn 2,5 kg/tấn chất khô sẽ cho hiệu quả lên men thấp.
Các kết quả nghiên cứu thu được cho thấy enzim Stargen 001 có thể thuỷ phân tinh bột sống ở 30oC. Quá trình đường hoá lên men đồng thời sử dụng Stargen 001 cho hiệu suất lên men tương đương với hiệu suất lên men của quy trình truyền thống. Tuy nhiên hiện nay ở nước ta một lượng khá lớn cồn được sản xuất từ nguyên liệu sắn, vì vậy khả năng ứng dụng của hệ enzim thuỷ phân tinh bột sống này trong sản xuất cồn từ sắn là một vấn đề cần được giải đáp.
43
3.2.5 Ứng dụng hệ enzim thuỷ phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường (Stargen 001) trong quá trình sản xuất cồn từ sắn lát
Chúng tôi đã tiến hành thí nghiệm thuỷ phân sắn lát bởi enzim Stargen 001 trong các điều kiện giống như khi tiến hành trên nguyên liệu gạo. Kết quả thu được là enzim Stargen 001 không có khả năng thuỷ phân sắn lát ở nhiệt độ thường. Điều này có thể được giải thích là do cấu trúc hai nguyên liệu khác nhau nên enzim không thể tác động. Đối với sắn lát, hạt tinh bột vẫn được bao bọc bởi các lớp hemixenluloza và xenluloza do đó enzim Stargen 001 không thể tiếp xúc với hạt tinh bột và như vậy không thể thực hiện được quá trình thuỷ phân.
3.2.6 Lợi ích của việc sử dụng hệ enzim thủy phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường
Khảo sát tại quá trình sản xuất cồn từ gạo ở nhà máy rượu Hà Nội chúng tôi nhận thấy như sau. Nếu sử dụng enzim Stargen 001, quá trình đường hóa và lên men diễn ra đồng thời. Như vậy không phải nâng nhiệt cho quá trình nấu lên đến nhiệt độ cao là 95oC nữa. Chúng tôi tính toán với công suất nấu tối đa là 3800kg