b. Nhận xét về nội dung của luận văn tốt nghiệp
3.2.4 Công đoạn đƣờng hóa
Mục đích: chuyển hóa tinh bột thành đƣờng lên men dƣới tác dụng của enzym amylaza. Đƣờng hóa đóng vai trò rất quan trọng trong công nghệ sản xuất cồn, nó quyết định phần lớn hiệu suất thu hồi rƣợu. Muốn đạt hiệu quả cao trong quá trình thủy phân tinh bột thì vấn đề quan trọng trƣớc tiên là chọn tác nhân đường hóa:
Dùng axit HCl hoặc H2SO4: phƣơng pháp này ít dùng vì giá thành cao mà hiệu suất thu hồi không cao và gây ô nhiễm môi trƣờng.
Dùng amylaza của thóc mầm (malt đại mạch): kết thúc quá trình thu đƣợc 70÷80% là maltoza và 30÷20% là dextran. Phƣơng pháp này vẫn đƣợc còn dùng ở một số nƣớc Châu Âu.
SVTH: Trần Trọng Nguyên 16 Dùng amylaza nhận đƣợc từ nuôi cấy vi sinh vật (nấm mốc): kết thúc quá trình thu đƣợc 80÷90% là glucoza. Đây là phƣơng pháp đƣợc hầu hết các nƣớc sử dụng trong sản xuất rƣợu cồn. Ở Việt Nam đa số các nhà máy rƣợu đều dùng amylaza thu đƣợc từ nấm mốc hoặc sử dụng chế phẩm amylaza của hãng Novo Đan Mạch, đã có nhà máy tự sản xuất amylaza thô tuy nhiên chất lƣợng chƣa cao.
3.2.4.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đường hóa tinh bột
Nhiệt độ: đặc trƣng của phản ứng đƣờng hóa tinh bột bằng amylaza diễn ra
trong phạm vi tƣơng đối hẹp. Giới hạn 35÷62o
C, nếu đƣờng hóa ở nhiệt độ cao là nhiệt độ tối thích của dextrinaza thì sẽ tạo ra nhiều dextrin, ít maltoza dẫn đến
hiệu suất lên men giảm. Nếu đƣờng hóa ở 40÷50oC cũng không có lợi vì dễ bị nhiễm khuẩn tạp mặc dù lƣợng đƣờng khử có thể tạo ra nhiều hơn. Tuy nhiên nếu chỉ xét đến khả năng tạo đƣờng thì ngƣời ta vẫn chọn khoảng nhiệt độ là 35÷62oC.
pH: enzym có bản chất protein, có các trung tâm hoạt động. Tác dụng của H+ vào trung tâm hoạt động vào các nhóm bên một cách trực tiếp hoặc gián tiếp (nhóm bên là nhóm amin, axitcacbonxylic R-CH-NH2COOH). Khoảng pH tối ƣu để cho enzym amlaza hoạt động là 4÷5, ngƣỡng dƣới 2 và trên 10 thì sẽ ngừng hoạt động.
Nồng độ enzym: sự thủy phân tinh bột là tổng hợp tác dụng của các enzym chứa sẵn trong nguyên liệu và enzym của nấm mốc. Khi tăng hoạt độ của enzym thì tốc độ thủy phân tinh bột sẽ tăng và tỷ lệ thuận với lƣợg enzym đƣa vào nhƣng chỉ trong giai đoạn đầu khi phản ứng còn là bậc 0.
Các phƣơng pháp đƣờng hóa: Có thể tiến hành đƣờng hóa theo 3 phƣơng pháp: gián đoạn , bán liên tục hoặc liên tục. Nhƣng luôn bao gồm: Làm lạnh dịch cháo tới nhiệt độ đƣờng hóa. Rồi cho chế phẩm amylaza vào dịch cháo và giữ ở nhiệt độ thích hợp trong thời gian xác định để amylaza chuyển hóa tinh bột thành đƣờng. Sau đó làm lạnh dịch đƣờng hóa tới nhiệt độ lên men.
Chương 3. Dây chuyền công nghệ
SVTH: Trần Trọng Nguyên 17
3.2.4.2 Chọn phương pháp đường hóa
Trong các phƣơng pháp đƣờng hóa, thì phƣơng pháp đƣờng hóa liên tục kết hợp làm nguội bằng chân không với tác nhân đƣờng hoá là enzym amylaza có nhiều ƣu điểm nổi bật. Vì thế em chọn sử dụng phƣơng pháp đƣờng hóa liên tục kết hợp làm lạnh bằng chân không cho công đoạn đƣờng hóa: [1, 98]
Hình 3.4: Sơ đồ đƣờng hóa liên tục kết hợp làm lạnh dịch cháo bằng chân không
1.Thùng chứa dịch cháo nấu; 2.Thùng đường hóa; 3.Thiết bị bốc hơi 4.Thiết bị ngưng tụ; 5.Bơm dịch đường hóa; 6.Thùng chứa nước ngưng tụ
7. Bơm nước; 8. Bơm chân không; 9. Các van điều chỉnh tự động; 10. Bộ phận tự động điều chỉnh mức dịch trong thùng đường hóa;
11, 12, 13 - Ống dẫn dịch cháo và đường hóa
14. Thùng chứa dịch amylaza; 15. Bộ phận điều chỉnh phân phối dịch amylaza 16. Thiết bị làm lạnh dịch đường hóa; 17, 18. Ống dẫn nước
SVTH: Trần Trọng Nguyên 18 Nguyên tắc làm việc của sơ đồ nhƣ sau:
Dịch cháo từ thùng (1) qua van điều chỉnh (9) và ống dẫn (11) vào thiết bị bốc hơi (3). Ở đây dịch cháo chịu áp suất chân không 0,2 kg/cm2
nên sôi và bay hơi nƣớc, do bay hơi thu nhiệt nên nhiệt độ dịch cháo giảm từ 103÷1050C ở (1) còn 58÷600C ở (3). Ở nhiệt độ 58÷600C, dịch cháo liên tục qua (12) vào thùng đƣờng hóa (2) hòa với dịch amylaza từ (14) qua (15) nối với (5). Thời gian dịch đƣờng lƣu lại ở (2) kéo dài khoảng 10÷15 phút, và đƣợc làm lạnh đến nhiệt độ lên men ở (16).
Khoảng 15÷20% dịch đƣờng qua van (9) và ống (13) hòa với dịch cháo ở (11) nhằm dịch hóa tạo điều kiện cho bốc hơi đƣợc dễ dàng, đồng thời hạn chế đƣợc hiện tƣợng lão hóa tinh bột khi làm lạnh. Nƣớc bay hơi ở (3) qua ngƣng tụ (4) khí không ngƣng qua (19) vào bơm chân không (8) và sau đó loại ra ngoài. Trên sơ đồ ngƣời ta còn đặt các nhiệt kế tự ghi để kiểm tra nhiệt độ những vị trí cần thiết.
Ƣu điểm: do làm nguội khối nấu bằng chân không nên chỉ trong thời gian rất ngắn, đã hạ nhiệt độ khối nấu từ 103-1050C xuống 58-600C, tạo điều kiện ổn định và thích hợp cho sự đƣờng hóa, tránh đƣợc hiện tƣợng biến tính của tinh bột khi làm nguội xuống nhiệt độ 58-600C. So với làm nguội thông thƣờng thì phƣơng pháp làm nguội bằng chân không đã giảm trên 16% lƣợng nấm mốc dùng để đƣờng hóa. Giảm tiêu hao năng lƣợng điện trên 30% và giảm tiêu hao nƣớc 30-35%, hiệu suất tổng thu hồi tăng.
3.2.5 Công đoạn lên men
Mục đích: Nhờ tác dụng của nấm men, đƣờng lên men sẽ biến thành rƣợu, khí CO2, và một số sản phẩm phụ. Lên men xong ta thu đƣợc hỗn hợp gồm rƣợu, nƣớc và bã gọi là giấm chín hay cơm hèm.
3.2.5.1 Cơ chế lên men
Quá trình lên men rƣợu là quá trình yếm khí, chuyển hoá đƣờng thành rƣợu, giải phóng CO2và toả nhiệt:
C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 +Q
Khi đủ lƣợng tế bào nấm men nhất định, lúc này xảy ra sự lên men rƣợu. Nấm men hấp thụ chất đƣờng, chất màu và các hợp chất khác. Các chất dinh
Chương 3. Dây chuyền công nghệ
SVTH: Trần Trọng Nguyên 19 dƣỡng đƣợc hấp thụ vào trong tế bào, dƣới tác dụng của hệ enzym amylaza biến đƣờng thành rƣợu và CO2.
Rƣợu Etylic đƣợc tạo thành khuếch tán ra môi trƣờng bên ngoài qua màng tế bào. Rƣợu hoà tan trong nƣớc ở bất kỳ tỉ lệ nào nên khuyếch tán rất nhanh. CO2 cũng khuyếch tán vào nƣớc nhƣng độ hoà tan không lớn. Khi bão hoà, CO2 bao quanh màng tế bào nấm men thành bọt khí. Bọt khí CO2 và tế bào nấm men thƣờng dính liền với nhau. Khi bọt khí CO2 to đến mức độ nhất định so với khối lƣợng của tế bào nấm men thì bọt khí và tế bào nấm men cùng nổi lên trên bề mặt dung dịch. Đến bề mặt của dung dịch do sức căng của bề mặt nên bọt khí bị vỡ, CO2 thoát ra ngoài, tế bào nấm men lúc này lại chìm xuống. Quá trình này diễn ra liên tục nên đã làm cho tế bào nấm men từ trạng thái không chuyển động sang trạng thái chuyển động làm tăng quá trình tiếp xúc giữa nấm men và các chất tăng nhanh quá trình lên men. Các phƣơng pháp lên men:
3.2.5.2 Phương pháp lên men gián đoạn
Đặc điểm: Quá trình lên men chỉ diễn ra trong một thiết bị duy nhất, thời
gian lên men kéo dài.
Ưu điểm: Thiết bị đơn giản dễ chế tạo, dễ vận hành và thao tác cho ngƣời
công nhân. Dễ vệ sinh, sửa chữa. Khi bị nhiễm tạp thì dễ xử lý.
Nhược điểm: Năng suất thấp tính cho 1m3
thiết bị. Hiệu suất lên men thấp. Thời gian lên men dài so với các phƣơng pháp khác.
3.2.5.3 Lên men bán liên tục
Đặc điểm: Lên men liên tục ở giai đoạn lên men chính và lên men gián đoạn ở giai đoạn cuối. Đây là phƣơng pháp cải tiến áp dụng với các nhà máy có công suất thấp hoặc trung bình chƣa đủ điều kiện và nhu cầu cải tạo chƣa thực sự cần thiết.
Ưu điểm: Giai đoạn lên men đầu hầu nhƣ không có, do đó tăng nhanh đƣợc
quá trình lên men, rút ngắn đƣợc thời gian lên men so với lên men gián đoạn 20%. Hệ số sử dụng thiết bị đƣợc nâng cao do lên men liên tục trong giai đoạn chính. Tế bào nấm men liên tục sinh sản trong giai đoạn lên men chính do đó không cần sử dụng men giống thƣờng xuyên.
Nhược điểm: Thao tác phức tạp hơn, yêu cầu theo dõi chặt chẽ hơn so với
lên men gián đoạn. Các thiết bị lên men đƣợc nối với nhau bởi một đƣờng ống chung nên lắp đặt phức tạp, cần chú ý để nƣớc không đọng lại sau mỗi lần vệ sinh.
SVTH: Trần Trọng Nguyên 20
3.2.5.4 Lên men liên tục
Đặc điểm: Dịch đƣờng và men giống liên tục đi vào và dịch giấm chín liên
tục đi ra. Dịch đƣờng phải đi qua nhiều thùng lên men: 1 thùng lên men chính và các thùng lên men phụ. Nhiệt độ lên men thấp hơn so với lên men gián đoạn.
Ưu điểm: Hiệu suất lên men cao. Dễ cơ khí và tự động hóa. Thời gian lên men ngắn, hạn chế đƣợc tạp khuẩn do lƣợng men giống ban đầu cao, chất lƣợng ổn định.
Nhược điểm: Khi nhiễm tạp thì rất khó xử lý nên đỏi hỏi vô trùng cao. Vệ
sinh, sửa chữa thiết bị cần kế hoạch cụ thể, yêu cầu kỹ thuật cao, điện nƣớc đầy đủ.
3.2.5.5 Chọn phương pháp lên men
Dựa vào sự phân tích các ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp, em lựa chọn phƣơng pháp lên men liên tục. Dịch đƣờng và men giống đƣợc cho vào thùng đầu, gọi là thùng lên men chính luôn chứa một lƣợng lớn tế bào trong 1ml dịch. Khi đầy thùng đầu thì dịch lên men sẽ chảy tiếp sang thùng bên cạnh và cuối cùng là thùng chứa giấm chín. Sơ đồ bố trí lên men liên tục đƣợc trình bày nhƣ sau: [1, 152]
Hình 3.5: Sơ đồ gây và lên men liên tục
1.Thùng lên men cấp I; 2.Thùng lên men cấp II; 3.Thùng lên men chính; 4.Các thùng lên men tiếp theo
Hai thùng lên men cấp I có dung tích bằng 25÷30% so với thùng lên men cấp II. Thùng len men cấp II có dung tích bằng 30÷60% so với thùng lên men chính.
Các thùng lên men cấp I đƣợc đặt phía trên thùng cấp II để tự chảy. Thùng lên men cấp II đƣợc đặt cao hơn thùng lên men chính (1m), do quá trình lên men chính xảy ra mạnh, lƣợng bọt nhiều. Quy trình lên men:
Chương 3. Dây chuyền công nghệ
SVTH: Trần Trọng Nguyên 21 Giai đoạn 1: Chuẩn bị men giống tại 2 thùng lên men cấp I lệch nhau 3÷4 giờ. Khi đạt yêu cầu ta tháo giống xuống thùng cấp II. Sau đó vệ sinh và thanh trùng thùng vừa tháo men ở 750C rồi axit hóa đến độ chua thích hợp. Tiếp đó làm lạnh tới nhiệt độ gây men rồi cho 25÷30% men giống ở thùng còn lại vào. Lƣợng men từ thùng cấp I còn lại đƣợc cho hết xuống thùng cấp II, lúc này vệ sinh thùng. Sau khi vệ sinh và thanh trùng lại tiếp tục chu kỳ lên men giống khác.
Giai đoạn 2: Tại thùng lên men cấp II, ta tiếp tục cho dịch đƣờng hóa tới đầy. Axit hóa đến độ chua cần thiết để cho lên men tiếp tới khi độ men biểu kiến còn 5÷6%. Sau đó cho toàn bộ dịch ở thùng cấp II vào một trong hai thùng lên men chính (3) rồi liên tục cho dịch đƣờng vào.
Giai đoạn 3: Dịch lên men sẽ tiếp tục chảy từ (3) sang các thùng (4) tiếp theo cho tới thùng cuối cùng thì lên men kết thúc, ta thu đƣợc giấm chín.
Lên men chính chủ yếu ở thùng (3), các thùng tiếp theo là lên men phụ. Phải luôn khống chế số tế bào ở thùng (3) luôn vào khoảng 100÷200 triệu tế bào/ml. Hai thùng (3) thay phiên nhau làm việc sau 24÷30 giờ để giải phóng thùng cho việc vệ sinh, thanh trùng. Các thùng (4) cũng luân phiên thay nhau vệ sinh thanh trùng sau 65÷75 giờ. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là dùng một lƣợng lớn men giống ở thùng (3) nên lên men nhanh, hạn chế đƣợc sự phát triển của tạp khuẩn. Trong điều kiện kể trên, lên men sẽ kết thúc sau 60÷62 giờ.
3.2.6 Công đoạn chƣng luyện và tinh chế
Chƣng luyện chia làm hai công đoạn nhỏ là chƣng cất và tinh chế:
Chƣng cất: Là quá trình tách rƣợu và tạp chất dễ bay hơi ra khỏi giấm chín và cuối cùng nhận đƣợc rƣợu thô hoặc cồn thô.
Tinh chế: Là quá trình tách các tạp chất ra khỏi cồn thô và nâng cao nồng độ cồn và cuối cùng sản phẩm thu đƣợc gọi là cồn tinh chế hay cồn thực phẩm có nồng độ trong khoảng 59,5÷96,5%V.
Xét về cảm quan, cồn sau tinh luyện phải trong suốt, không có màu, có mùi đặc trƣng cho từng loại nguyên liệu, không có mùi vị lạ. Các phƣơng pháp chƣng luyện:
SVTH: Trần Trọng Nguyên 22
3.2.6.1 Chưng luyện gián đoạn
Ƣu điểm: Đơn giản, dễ thao tác. Tốn ít thiết bị.
Nhƣợc điểm: Hiệu suất thu hồi rƣợu thấp do xót nhiều lại trong bã .Tốn hơi do giấm chín đƣa vào không đƣợc đun nóng bằng nhiệt ngƣng tụ của cồn thô.Thời gian chƣng kéo dài.
3.2.6.2 Phương pháp chưng luyện bán liên tục
Phƣơng pháp này khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của phƣơng pháp chƣng cất và tinh chế gián đoạn nhƣng chƣa triệt để và hiệu quả kinh tế của hệ thống chƣa cao.
3.2.6.3 Phương pháp chưng luyện liên tục
Chƣng cất liên tục khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm của chƣng cất gián đoạn và hiệu quả kinh tế cao hơn. Chƣng luyện liên tục có thể thực hiện theo nhiều sơ đồ khác nhau: 2 tháp, 3 tháp, 4 tháp… Trên các sơ đồ lại chia thành chƣng luyện theo hệ thống một dòng (gián tiếp) hoặc hai dòng (vừa gián tiếp vừa trực tiếp):
Hệ thống hai tháp gián tiếp 1 dòng:
Hệ thống này tuy có tiên tiến hơn hệ thống chƣng luyện gián đoạn và bán liên tục nhƣng chất lƣợng cồn chƣa cao, muốn thu cồn tốt phải lấy tăng lƣợng cồn đầu.
Hệ thống ba tháp:
Hệ thống cho phép nhận 70÷80% cồn loại I, 30÷20 % cồn loại II, 3÷5% cồn đầu. Với sơ đồ ba tháp gián tiếp một dòng có ƣu điểm là dễ thao tác, chất lƣợng cồn tốt và ổn định, nhƣng tốn hơi. Còn với sơ đồ ba tháp vừa gián tiếp vừa trực tiếp hai dòng có ƣu điểm là tiết kiệm đƣợc hơi nhƣng đòi hỏi tự động hóa tốt và chính xác.
Sơ đồ chưng luyện 3 tháp và một tháp fusel:
Hệ thống này khác với các hệ thống khác là dầu fusel đƣợc lấy ra nhiều hơn rồi đƣa vào tháp riêng gọi là tháp fusel.Tinh luyện theo phƣơng pháp này có ƣu điểm tách dầu fusel triệt để nhƣng có nhƣợc điểm là tổn thất rƣợu etylic trong dầu.
Sơ đồ chưng luyện bốn tháp (thêm một tháp làm sạch):
Cồn thu đƣợc sau khi qua 3 tháp đầu không làm lạnh mà đƣợc đƣa vào tháp làm sạch để tách tạp chất đầu và tạp chất cuối. Do vậy chất lƣợng cồn đƣợc nâng
Chương 3. Dây chuyền công nghệ
SVTH: Trần Trọng Nguyên 23 cao. Ngoài ra ở một số nƣớc, ngƣời ta thiết kế hệ thống chƣng luyện gồm 5 hoặc 6 tháp. Hệ thống có ƣu điểm là tách đƣợc nhiều tạp chất và nhận đƣợc cồn có chất lƣợng cao và ổn định hơn nhƣng gây nhiều tốn kém.
3.2.6.4. Chọn phương pháp chưng luyện
Nhờ sự phát triển khoa học kỹ thuật và qua thực tiễn ngƣời ta nhận thấy rằng: trong sản suất cồn từ nguyên liệu tinh bột, hệ thống chƣng luyện ba tháp cho phép nhận cồn có chất lƣợng cao. Để ổn định chất lƣợng chỉ cần thêm 1 tháp làm sạch khi phải sử dụng nguyên liệu chất lƣợng không tốt. Vì vậy trong đồ án em chọn hệ thống chƣng cất 3 tháp làm việc gián tiếp một dòng. [1, 186]
Hình 3.6: Sơ đồ chƣng cất ba tháp gián tiếp một dòng.
1.Thùng chứa giấm; 2. Bình hâm giấm; 3. Bình tách CO2; 4. Tháp thô; 5. Bình chống phụt giấm; 6. Bình ngưng tụ cồn thô; 7. Bình làm lạnh ruột gà;
8. Tháp aldehyt; 9,10. Bình ngưng tụ; 11. Tháp tinh chế; 12. Bình ngưng tụ hồi lưu; 13. Bình làm lạnh sản phẩm.
Giấm chín đƣợc bơm vào thùng cao vị (1), sau đó tự chảy vào bình hâm (2). Ở đây giấm chín đƣợc hâm bằng hơi rƣợu ngƣng tụ đến nhiệt độ 70÷800C rồi qua bình tách CO2 (3) vào tháp (4). Khí CO2 và hơi rƣợu bay lên đƣợc ở bình ngƣng (6) qua bình làm lạnh (7) rồi ra ngoài. Tháp thô (4) đƣợc đun bằng hơi trực tiếp, hơi rƣợu đi từ dƣới lên, giấm chảy từ trên xuống nhờ đó quá trình truyền khối đƣợc thực hiện, sau đó hơi rƣợu ra khỏi tháp qua (2) đƣợc ngƣng tụ ở (6) qua (7) ra ngoài.
1 2
SVTH: Trần Trọng Nguyên 24 Chảy xuống tới đáy nồng độ rƣợu trong giấm còn khoảng 0,015÷0,030% V đƣợc thải ra ngoài gọi là bã rƣợu. Phần lớn rƣợu thô (90÷95%) liên tục đi vào tháp aldehyt (8) dùng hơi trực tiếp. Hơi rƣợu bay lên đƣợc ngƣng tụ và hồi lƣu đến 95%, chỉ điều chỉnh lƣợng nƣớc làm lạnh và lấy ra khoảng 3÷5% gọi là cồn