1.4.1. Tình hình nghiên cứu sản xuất cồn từ sắn trên thế giới
Trung Quốc là quốc gia sản xuất cồn thứ ba trên thế giới. Hiện, Trung Quốc đã xây dựng nhiều nhà máy chế biến nhiên liệu sinh học trên cả nước, đặc biệt là khu vực Quảng Tây, nơi có sản lượng sắn đạt 7 triệu tấn/năm, chiếm 70% sản lượng
sắn của cả nước. Trong đó, lớn nhất là Nhà máy sản xuất cồn China Oil and Food
Coporation (COFCO), tiêu thụ 1,5 triệu tấn sắn/năm. Ngoài ra, Trung Quốc còn có hai công ty China’s Beihai Gofar Marine Biologycal Industry và China-based Hainan Yedao Group cũng đã xây dựng 2 nhà máy với công suất 100.000 tấn
sắn/năm/1 nhà máy … Đồng thời Trung Quốc cũng liên kết với các nước để trồng sắn, tạo nguồn nguyên liệu ổn định cho các nhà máy trong nước như hợp tác với
Lào trồng 4,498 ha sắn, với Philippin trồng 4,500 ha sắn. Nhu cầu sử dụng sắn cho
sản xuất ethanol trong những năm tới của Trung Quốc là rất lớn. Dự kiến mỗi năm
nước này phải nhập khẩu từ 6-6,5 triệu tấn sắn mới đáp ứng đủ nhu cầu trong nước
[17].
Trong lĩnh vực sản xuất ethanol sinh học, sắn là nguồn nguyện liệu chủ yếu và
đang được Mỹ rất quan tâm. Hiện Qũy Phát triển Quốc Tế Mỹ đã đầu tư 5,3 triệu
USD cho 7 nước châu Phi, trong thời gian 2 năm nhằm thúc đẩy việc mở rộng diện tích trồng sắn khu vực này. Đồng thời, châu Phi sẽ là nơi hứa hẹn cung ứng nguồn
nguyên liệu sắn ổn định, dồi dào cho công nghiệp sản xuất cồn của Mỹtrong tương
lai.
Năm 2010, châu Âu sẽ sử dụng 5,75% nhiên liệu sinh học trong tổng số xăng
dầu cho giao thông vận tải (GTVT) và lượng này sẽ tăng lên 20% vào năm 2020. Vì vậy, sắn có thể là nguồn nguyên liệu sản xuất ethanol chính cho nhu cầu ngày càng
tăng ở khu vực này [3].
Hội nghị quốc tế do APEC tổ chức tại Vancouver (Canada) ngày 27- 29.04.2005 cũng đã vạch ra lộ trình thúc đẩy công nghệ sản xuất nhiên liệu thay thế
dần cho nhiên liệu hóa thạch, trong đó tập trung chủ yếu vào phát triển nhiên liệu sinh học để sử dụng làm năng lượng tĩnh tại cũng như trong GTVT của các nước
APEC [3]. Kế hoạch này sẽ có ảnh hưởng mạnh trong việc thúc đẩy quá trình nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng ethanol trong đời sống ở khu vực châu Á nói
chung, và công nghệ sản xuất cồn từ sắn nói riêng.
1.4.2. Tình hình nghiên cứu sản xuất cồn từ sắn tại Việt Nam
Theo ông Lê Minh Đức (Viện nghiên cứu chiến lược chính sách công nghiệp- Bộ công thương), việc sản xuất ethanol ở Việt Nam chủ yếu dựa vào nguyên liệu củ
sắn, với hiệu suất chuyển hóa đạt tới 92% và theo các chuyên gia, sử dụng nguyên liệu sắn có lợi hơn so với mía.
Hiện Việt Nam đã xây 4 nhà máy sản xuất ethanol từ nguyên liệu sắn củ
(khoai mì) tại Quảng Nam, Phú Thọ, Quảng Ngãi và Bình Phước, công suất mỗi nhà máy là 100 triệu lít ethanol/năm. Như vậy, tổng nhu cầu nguyên liệu là 1 triệu tấn sắn củ (khô)/năm. Mặt khác, có khoảng hơn 10 dự án sản xuất ethanol đang được thành lập.
Do vậy, theo nhiều chuyên gia trong lĩnh vực sản xuất ethanol đánh giá, tại
Việt Nam sắp tới, chắc chắn nguồn sắn cho sản xuất cồn sẽ bị thiếu hụt. Mặt khác,
Theo GS.TS Bùi Chí Bửu, Viện trưởng Viện KHKTNN miền Nam cho rằng, giải pháp mở rộng diện tích trồng sắn củ là không khả thi mà cần cải thiện khâu giống và canh tác thâm canh cho tốt để tăng năng suất hơn nữa.
Mới đây, nhóm nghiên cứu thuộc Viện Sinh học Nhiệt đới Tp.HCM đã nghiên cứu thành công phương pháp sản xuất cồn từ nguyên liệu củ và bã sắn. Thực trạng
các đơn vị sản xuất cồn từ rỉ đường đang gặp nhiều khó khăn về nguồn nguyện liệu
và giá thành sản phẩm, do đó đề tài nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc tìm hướng giải quyết cho công nghiệp sản xuất cồn. Thực tế cho thấy, để thu
được 1 lít cồn cần 4 kg rỉ đường mía; mỗi kg giá là 1.600 đồng/ kg, nên 1 lít cồn tốn
khoảng 6.400 đồng cho chi phí nguyên liệu, chưa tính đến các khoản chi phí khác. Trong khi đó, nếu sử dụng sắn thì chi phí sẽ giảm đi rất nhiều vì đây là nguồn nguyên liệu có sẵn, ổn định về sản lượng và giá thành rẻ. Một kg củ sắn tươi trung bình giá khoảng 600 đồng/kg, nếu so với nguyên liệu rỉ đường thì rẻ hơn 2/3 giá thành.
Bã sắn là phế phẩm từ các nhà máy sản xuất tinh bột sắn. Theo thống kê, trên
cả nước có khoảng 28 nhà máy sản xuất tinh bột sắn. Nên việc tận thu nguồn phế
phẩm này sẽ giúp tăng hiệu suất sản xuất và giảm ô nhiễm môi trường đáng kể. Theo nhóm nghiên cứu, để thu được 1 lít cồn 94,5% cần tốn khoảng 2,5 kg sắn củ tươi hoặc 15 kg bã sắn, như vậy nguồn chi phí sẽ giảm đi rất nhiều.
Thời gian qua, ở Việt Nam đã có nơi sử dụng sắn khô để sản xuất cồn nhưng
hiệu suất tạo cồn còn thấp, phải tốn hết 3,5 kg sắn/lít. Còn sản xuất cồn từ nguồn bã sắn thì vẫn chưa có nơi nào thực hiện [2].
Khi chương trình nhiên liệu sinh học (NLSH) của Nhà nước được thực thi, các nhà máy sản xuất ethanol sẽ tiêu thụ một khối lượng sắn rất lớn. Dự kiến năm 2012,
sản xuất ethanol sẽ tiêu thụ 16% sản lượng sắn, năm 2015 chiếm 35%, năm 2020 chiếm 41% và đến năm 2025 chiếm 48%. Các tính toán trên dựa vào dự báo nhu cầu xăng tăng 8,5 %/năm; năm 2012 áp dụng E5, năm 2015 áp dụng E10; sản lượng sắn tăng 5%/năm [7].
Như vậy, việc nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng ngành công nghiệp sản xuất ethanol dựa trên nguyên liệu sắn là rất cần thiết và mang ý nghĩa quan trọng với
CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.
2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2.1.1 Sắn củ: 2.1.1 Sắn củ:
Sắn để dùng trong nghiên cứu này được thu
mua tại chợ Xóm Mới, thành phố Nha Trang- Khánh Hòa. Sắn đạt yêu cầu kỹ thuật để sản xuất
thử nghiệm theo phương pháp ngoại quan (xem
phụ lục B). Để đảm bảo chất lượng cho sản xuất
liên tục, sắn phải được bảo quản trong điều kiện
nhiệt độ lạnh, khô ráo.
2.1.2 Nấm men
Sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae của hãng Novo Nordick-Đan
Mạch, có tên thương mại là Thermosacc ® dry. Chủng này có khả năng sinh trưởng
và phát triển trong môi trường có độ cồn tới 25%(v/v), nhiệt độ tối thích là 380C, pH= 3,5 6,0. Chế phẩm nấm men được đóng trong bao hút chân không khối lượng
15-20 kg/bao. Mật độ tế bào là 15.106 tế bào/g chế phẩm.
Cơ sở cung cấp trực tiếp tại Việt Nam là Công ty TNHH Nam Giang, số
133/11 Hồ Văn Huê, quận Phú Nhuận - Tp HCM.
2.1.3 amylase enzyme
amylase là enzyme phân cắt liên kết D 1,4- glycoside trong mạch tinh bột
thành sản phẩm cuối là đường maltose là chủ yếu. Enzyme này không có khả năng
phân cắt các liên kết D 1,6- glycoside nên không cắt được các dextrin [8].
Trong nghiên cứu này, sử dụng chế phẩm -amylase tên thương mại là Termamyl® của Novo Nordick-Đan Mạch. Chế phẩm có khả năng hoạt động ở nhiệt độ khá cao 82-860C, chịu được nhiệt độ tới 1050C. Môi trường tối thích cho enzyme
này hoạt động có pH= 5,76,0; ổn định hoạt tính trong môi trường có Ca2+ nồng độ
50-70 ppm. Enzyme này được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp sản xuất rượu,
2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2.1 Các phương pháp phân tích hóa học (xem phụ lục B).
Xác định hàm lượng đường khử trong dịch lên men theo Bertrand
Xác định ethanol trong dịch sau lên men theo TCVN 378:1986 và dùng bình tỷ trọng.
2.2.2 Phương pháp định lượng tinh bột bằng ngoại quan và thực nghiệm (xem phụ lục B). (xem phụ lục B).
2.2.3 Các phương pháp phân tích vi sinh (xem phụ lục B) 2.2.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm 2.2.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm
2.2.4.1. Quy trình sản xuất dự kiến Sắn tươi Sắn tươi Xử lý
Nghiền nhỏ
Dịch hóa+ Đường hóa Điều chỉnh thành phần Làm nguội Lên men Chưng cất Sản phẩm Nước Termamyl (NH4)2SO4. KH2PO4. H2SO4, NaOH Nấm men
2.2.4.2. Bố trí thí nghiệm
Thí nghiệm 1. Xác định cách sử dụng - amylase enzyme
Thể tích nước, pH, nhiệt độ ở các mẫu là như nhau…cách bổ sung enzyme để
hồ hóa và đường hóa khác nhau.
150g sắn tươi (bỏ vỏ, ngâm) Nghiền Bổ sung enzyme lần 1 Nước Mẫu 2 50g nguyên liệu 0,015 ml enzyme Mẫu 1 50g nguyên liệu 0 ml enzyme Mẫu 3 50g nguyên liệu 0,030 ml enzyme
Nâng nhiệt, giữ nhiệt 900C,(15’)
Bổ sung enzyme lần 2 Mẫu 1 0,030 ml enzyme Mẫu 2 0,015 ml enzyme Mẫu 3 0 ml enzyme Ủ ở nhiệt độ 850C trong 4h Hạ nhiệt xuống 700C
Kiểm tra độ đường hòa tan
Thí nghiệm 2. Xác định tỷ lệ enzyme bổ sung thích hợp
Thể tích nước, pH, nhiệt độ… ở các mẫu là như nhau. Các mẫu khác nhau ở
nồng độ enzyme bổ sung. Lần 1, bổ sung 50% enzyme trước khi hồ hóa. Lần 2, bổ sung lượng enzyme còn lại để tiến hành đường hóa.
Sắn tươi
(bỏ vỏ, ngâm tách độc tố)
Xay nhỏ
Bổ sung enzyme với tỷ lệ khác nhau
(g/tấn nguyên liệu)
Mẫu 0 0 Mẫu 1 7,5 Mẫu 2 10 Mẫu 3 12,5 Mẫu 4 15 Mẫu 5 17,5 Mẫu 6 20 Mẫu 7 22,5
Nâng nhiệt và giữ nhiệt 900C (15’)
Hạ nhiệt 700C
Bổ sung enzyme lần 2, bằng lượng đã dùng lần 1
Ủ ở nhiệt độ 850C trong 24h
Kiểm tra độ đường hòa tan
Chọn tỷ lệ enzyme sử dụng
Thí nghiệm 3. Xác định tỷ lệ nước bổ sung phù hợp.
Tỷ lệ enzyme, nhiệt độ, pH… như nhau với các mẫu. Riêng tỷ lệ nước sử dụng
khác nhau.
Sắn tươi
(lột bỏ vỏ, ngâm tách độc)
Xay nhỏ
Bổ sung enzyme lần 1
Nâng nhiệt 900C và giữ nhiệt (15’)
Hạ nhiệt 700C
Bổ sung enzyme lần 2
Ủ ở nhiệt độ 850C (24h)
Kiểm tra độ đường hòa tan
Chọn tỷ lệ nước bổ sung thích hợp
Nước bổ sung (l/ kg nguyên liệu)
1 1 1 2 1 3
Thí nghiệm 4. Xác định nhiệt độ thủy phân thích hợp.
Thể tích nước, tỷ lệ enzyme, pH… ở các mẫu là như nhau. Chỉ có nhiệt độở
các mẫu khác nhau.
Sắn tươi
(lột bỏ vỏ, ngâm)
Xay nhỏ
Bổ sung enzyme lần 1
Nâng nhiệt 900C và giữ nhiệt (15’)
Hạ nhiệt 700C
Bổ sung enzyme lần 2
Ủ ở nhiệt độ khác nhau (24h)
Kiểm tra độ đường hòa tan
Chọn nhiệt độ thủy phân thích hợp
Mẫu 1 850C Mẫu 2 900C Mẫu 2 1000C Nước
Thí nghiệm 5. Khảo sát sử dụng nấm men.
Sắn tươi
(lột bỏ vỏ, ngâm)
Xay nhỏ
Hồ hóa+ Đường hóa
Điều chỉnh thành phần
Lên men (370C, 120h)
Xác định
Độ đường hòa tan còn lại
Chọn lựa chế phẩm nấm men Nước pH=5,8; t=850C. termamyl, 24h pH (NH4)2SO4 KH2PO4 0,5g/l Mẫu 1 Bánh men cổ truyền Tỷ lệ 300g/l Mẫu 2
Nấm men Saccharomyces cerevisiae
Tỷ lệ 18g/hl
Thí nghiệm 6. Xác định lượng nấm men ban đầu tối ưu.
Thể tích địch, pH, độ đường , nhiệt độ… như nhau trong các mẫu. Ta điều
chỉnh tỷ lệ nấm men các mẫu khác nhau.
Sắn tươi
(lột bỏ vỏ, ngâm)
Xay nhỏ
Hồ hóa+ Đường hóa
Điều chỉnh thành phần
Bổ sung men giống theo các tỷ lệ (g/hl)
Lên men (370C, 120h)
Xác định
Chọn tỷ lệ nấm men ban đầu thích hợp (Mopt)
Nước Mẫu 1 10g Mẫu 2 14g Mẫu 3 18g Mẫu 4 22g Mẫu 5 26g Mẫu 6 30g
Độ đường hòa tan còn lại
Độ rượu pH=5,8; t=850C. termamyl, 24h pHopt (NH4)2SO4 KH2PO4 0,5g/l
Thí nghiệm 7. Xác định độ đường thích hợp cho quá trình lên men.
Thể tích dịch, tỷ lệ men bổ sung, nhiệt độ, pH… như nhau ở các mẫu. Ta điều
chỉnh độ đường trong các mẫu khác nhau theo yêu cầu thí nghiệm.
Sắn tươi
(lột bỏ vỏ, ngâm)
Xay nhỏ
Hồ hóa+ Đường hóa
Điều chỉnh thành phần
Bổ sung đường cho đạt:
Lên men (370C, 120h)
Chọn độ đường thích hợp cho dịch lên men (Đopt) Xác định Nước pH=5,8;t=850C, 24h,Termamyl pHopt (NH4)2SO4 KH2PO4 0,5g/l Mẫu 1 150Bx Mẫu 2 160Bx Mẫu 4 180Bx Mẫu 5 190Bx Mẫu 3 170Bx Nấm men (Mopt)
Độ đường hòa tan còn lại
Thí nghiệm 8. Chọn pH thích hợp cho quá trình lên men.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men (thể tích dịch, nhiệt độ, độ đường đầu, các chất bổ sung…) được điều chỉnh như nhau trong các mẫu. Với pH môi trường sẽ được điều chỉnh khác nhau theo yêu cầu.
Sắn tươi
(lột bỏ vỏ, ngâm)
Xay nhỏ Nước
Hồ hóa+ Đường hóa
Điều chỉnh pH về các giá trị:
Điều chỉnh thành phần
Lên men (370C, 120h)
Xác định
Chọn pH thích hợp cho dịch lên men (pHopt)
Mẫu 1 pH=3,5 Mẫu 2 pH=4,0 Mẫu 3 pH=4,5 Mẫu 4 pH=5,0 Mẫu 5 pH=5,5 Mẫu 6 pH=6,0 pH=5,8; t=850C, 24h. Termamyl Đopt (NH4)2SO4 KH2PO4 0,5g/l
Độ đường hòa tan còn lại
Độ rượu
Nấm men
Thí nghiệm 9. Khảo sát chọn tỷ lệ (NH4)2SO4 bổ sung thích hợp.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men và hồ hóa, đường hóa được bố trí như nhau. Riêng tỷ lệ sulphate amoni bổ sung vào dịch lên men sẽ được điều chỉnh
khác nhau theo yêu cầu thí nghiệm.
. Sắn tươi
(lột bỏ vỏ, ngâm)
Xay nhỏ
Hồ hóa+ Đường hóa
Bổ sung (NH4)2SO4 theo các tỷ lệ khác nhau (g/l)
Điều chỉnh thành phần Lên men (370C, 120h) Xác định Chọn tỷ lệ (NH4)2SO4 thích hợp nhất (Aopt) Mẫu 1 0,8 Mẫu 2 1,2 Mẫu 3 1,6 Mẫu 4 2,0 Mẫu 5 2,4 Nước KH2PO4 0,5g/l. Đopt, pHopt. Nấm men (Mopt)
Độ đường hòa tan còn lại
Độ rượu
pH=5,8; t=850C, 24h.
Thí nghiệm 10. Khảo sát chọn tỷ lệ dịch chiết giá đỗ bổ sung thích hợp.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men được cố định, còn lại tỷ lệ dịch
chiết giá bổ sung vào môi trường sẽ được điều chỉnh khác nhau trong các mẫu với
thể tích dịch thu được là như nhau.
Sắn tươi
(lột bỏ vỏ, ngâm)
Xay nhỏ
Hồ hóa+ Đường hóa
Bổ sung dịch chiết giá đỗ theo các tỷ lệ (%):
Điều chỉnh thành phần
Lên men (370C, 120h)
Xác định
Chọn tỷ lệ nước chiết giá đỗ bổ sung tối thích (Nopt)
Nước
pH=5,8;t=850C, 24h.
Termamyl
Đopt, pHopt, Aopt.
KH2PO4 0,5g/l
Nấm men
(Mopt)
Độ đường hòa tan còn lại
Độ rượu Mẫu 1 5 Mẫu 2 10 Mẫu 3 15 Mẫu 4 20 Mẫu 5 25
2.2.5 Phương pháp xử lý số liệu.
Xử lý số liệu trên phần mềm Excel.
2.3 DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT THÍ NGHIỆM 2.3.1 Dụng cụ. 2.3.1 Dụng cụ.
Sử dụng các thiết bị hiện có trong phòng thí nghiệm như:
Cốc thủy tinh các loại: 1000ml, 500ml, 250ml,100ml…
Bình tam giác các loại: 1000ml, 500ml, 250ml…
Bình định mức các loại: 1000ml, 500ml, 250ml…
Bếp điện, đũa thủy tinh, máy xay…
Thiết bị cô quay chân không, máy lọc hút chân không
Khúc xạ kế đo độ đường hòa tan, máy đo quang phổ, tủ ấm, tủ sấy….
Các thiết bị khác.
2.3.2 Hóa chất
Các loại hóa chất sử dụng cho đồ án như: NaOH, HCl, H2SO4, KH2PO4, (NH4)2SO4, KMnO4,…là các loại hóa chất tinh khiết, đạt tiêu chuẩn dùng cho phân tích theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3852-83.
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA QUY TRÌNH 3.1.1 Xác dịnh điều kiện thích hợp cho quá trình đường hóa 3.1.1 Xác dịnh điều kiện thích hợp cho quá trình đường hóa 3.1.1.1 Xác định cách sử dụng enzyme thích hợp
Tiến hành 3 mẫu thí nghiệm, mỗi mẫu 150g sắn tươi đã bỏ vỏ và ngâm tách
độc. Sau khi xay nhỏ với nước theo tỷ lệ 1:3 (1kg nguyên liệu/ 3 lít nước), các mẫu được bổ sung cùng một lượng enzyme 3.10-2ml (tương ứng 200g Termamyl/tấn
nguyên liệu), nhưng có cách bổ sung enzyme khác nhau: Mẫu 1: sử dụng 0,03 ml
bổ sung ở giai đoạn cuối của quá trình nâng nhiệt để hồ hóa; Mẫu 2: sử dụng cùng
lượng enzyme như mẫu 1, chia làm 2 giai đoạn. Giai đoạn đầu quá trình hồ hóa sử
dụng 0,015ml enzyme rồi nâng nhiệt từ từ lên 900C và giữ trong 15 phút để hồ hóa