Tiến hành 6 mẫu thí nghiệm, mỗi mẫu sử dụng 100g sắn tươi xay nhỏ với nước theo tỷ lệ 1:2, bổ sung thêm 0,09ml vào hỗn hợp theo 2 giai đoạn và tiến hành
điều chỉnh nhiệt để hồ hóa và đường hóa theo các bước như thí nghiệm trước. Bổ
sung các chất hỗ trợ lên men và điều chỉnh độ đường hòa tan dịch lên men về
180Bx.
Tiếp theo, dùng dung dịch NaOH 0,1N và H2SO4 0,1N điều chỉnh pH ở các
mẫu về giá trị khác nhau: Mẫu 1: pH=3,5; Mẫu 2: pH=4,0; Mẫu 3: pH=4,5; Mẫu 4:
Sau đó, bổ sung 0,054g nấm men vào mỗi mẫu và tiến hành lên men ở 370C trong 120 giờ. Kết quả nghiên cứu được thể hiện ở hình 3.10 và 3.11.
2.17 6.31 7.67 8.75 11.99 10.23 0 2 4 6 8 10 12 14 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 pH Đ ộ c ồ n (% v /v )
Hình 3.10. Ảnh hưởng của pH tới độ cồn tạo thành trong dung dịch
16.4 16.07 15.23 13.02 12.07 12.87 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 pH Đ ộ đ ư ờ n g c ò n l ạ i (B x )
Hình 3.11 Ảnh hưởng của pH tới độ đường hòa tan còn lại trong dung dịch Nhận xét
Từ kết quả phân tích ở hình 3.10 cho thấy, trong khoảng pH=3,5÷5,5, độ cồn
trong dịch lên men tăng lên tương ứng trong khoảng 2,17÷11,99%. Tuy nhiên, khi
tăng pH lên cao hơn là 6,0 thì độ cồn trong dịch sau lên men lại có xu hướng giảm
Ngoài ra, kết quả phân tích ở hình 3.11 cho thấy, trong khoảng pH=3,5÷5,5, độ đường hòa tan trong dịch có xu hướng giảm từ 16,400Bx ở pH=3,5 xuống
12,070Bx ở pH=5,5. Ở pH=6,0, độ đường hòa tan còn lại trong dịch còn lại tăng lên 12,870Bx.
Điều này có thể giải thích như sau:
PH môi trường có tác động mạnh mẽ đến điện tích màng của tế bào nấm
men. PH càng thấp, nồng độ H+ trong môi trường càng cao sẽ làm biến tính màng protein của nấm men, ức chế quá trình hấp thu, chuyển hóa, trao đổi chất của chúng. Do đó, khi pH=3,5, độ cồn trong dịch thu được cũng chỉ đạt 2,17%. Trong khoảng pH=5,0÷5,5, độ cồn trong dịch cao nhất trong khoảng 8,75÷11,99%, lượng đường
hòa tan trong dịch lên men cũng được chuyển hóa nhiều nhất.
Ở pH môi trường cao hơn sẽ là điều kiện cho các khuẩn tạp (vi khuẩn
lactic, vi khuẩn gây thối), nấm mốc hoạt động, cạnh tranh dinh dưỡng với nấm men
và giảm chất lượng ethanol thu hồi. Vì vậy, độ cồn thu được trong dịch lên men giảm xuống còn 10,23% ở pH=6,0.
Như vậy, pH=5,5 là tốt nhất cho nấm men trong nghiên cứu này hoạt động. Ở
pH này, vừa ức chế bớt các khuẩn tạp vừa thuận lợi cho nấm men phát triển, do đó đảm bảo được sản lượng và chất lượng ethanol tạo thành. Vì vậy, em lựa chọn pH
cho dịch lên men trong khoảng 5,0÷5,5.
3.1.2.5 Xác định tỷ lệ Sulphate amoni bổ sung cho dịch lên men thích hợp
Tiến hành 5 mẫu thí nghiệm với lượng nguyên liệu và công đoạn hồ hóa và
đường hóa tinh bột sắn tương tự thí nghiệm chọn pH cho dịch lên men. Sau khi
đường hóa, bổ sung vào mỗi mẫu 0,15g KH2PO4 và (NH4)2SO4 với lượng khác
nhau: Mẫu 1: 0,24g (tương ứng 0,8g/l); Mẫu 2: 0,36g (tương ứng 1,2g/l); Mẫu 3: 0,48g (tương ứng 1,6g/l); Mẫu 4: 0,60g (tương ứng 2,0g/l); Mẫu 6: 0,72g (2,4g/l) để
cung cấp đạm cho nấm men sinh tổng hợp màng tế bào hoàn thiện hơn, rút ngắn
thời gian thích nghi, sinh trưởng và rút ngắn thời gian lên men thực tế.
Tiếp theo, điều chỉnh độ đường hòa tan trong dung dịch về 180Bx và pH=5,5 rồi bổ sung vào mỗi mẫu 0,054g nấm men của Novo. Cuối cùng, đưa các mẫu đi lên
men trong 120 giờ ở 370C. Thường xuyên kiểm tra các mẫu trong thời gian lên men
để đảm bảo các yếu tố nhiệt độ và áp suất lên men ổn định. Kết thúc quá trình lên men, kiểm tra độ cồn tạo thành và độ đường hòa tan còn lại trong mẫu. Kết quả
nghiên cứu thể hiện ở hình 3.12 và 3.13.
14.37 14.95 16.87 18.85 16.34 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 Tỷ lệ (NH4)2SO4 bổ sung (g/l) Đ ộ c ồ n ( % v /v )
Hình 3.12. Ảnh hưởng của tỷ lệ Sulphate amoni tới độ cồn tạo thành trong dung dịch
7.60 6.33 6.26 6.20 6.73 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 Tỷ lệ (NH4)2SO4 bổ sung(g/l) Đ ộ c ồ n ( % v /v )
Hình 3.13. Ảnh hưởng của tỷ lệ Sulphate amoni tới dộ đường hòa tan còn lại trong dịch sau lên men
Nhận xét:
Kết quả phân tích ở hình 3.12 cho thấy, khi tăng tỷ lệ (NH4)2SO4 bổ sung vào hỗn hợp dịch đường trong khoảng 0,8÷2g/l, độ cồn của dịch sau lên men tăng lên.
Cụ thể, ở tỷ lệ (NH4)2SO4 0,8g/l cho dịch có độ cồn là 14,37% và với tỷ lệ sulphate amon 2g/l, độ cồn là 18,85%. Nhưng khi tăng tỷ lệ (NH4)2SO4 bổ sung cho dịch lên
men, độ cồn trong dịch có xu hướng giảm, cụ thể là với tỷ lệ Sulphate amoni bổ
sung là 2,4g/l dịch sau lên men đạt độ cồn 16,34%.
Bên cạnh đó, kết quả phân tích ở hình 3.13 thể hiện độ đường hòa tan giảm
xuống theo chiều tăng của tỷ lệ (NH4)2SO4 được bổ sung vào dịch lên men trong khoảng 0,8÷2g/l. Chi tiết hơn, độ khô hòa tan trong dịch sau lên men giảm từ
7,600Bx ở mẫu có tỷ lệ (NH4)2SO4 0,8g/l xuống 6,200Bx trong mẫu có tỷ lệ
(NH4)2SO4 2g/l. Tuy nhiên, với mẫu được bổ sung Sulphate amoni nhiều hơn với tỷ
lệ 2,4g/l dịch lên men, độ đường còn lại là 6,730Bx, cao hơn mẫu trước đó.
Có thể giải thích điều trên như sau: Trong sắn, hàm lượng amino acid, đặc biệt
là amino acid chứa lưu huỳnh thiếu rất nhiều. Do đó, khi bổ sung Sulphate amoni với tỷ lệ tăng dần, nấm men sẽ hấp thụ nhiều hơn để tăng sinh khối, đảm bảo hoạt
lực cho quá trình lên men triệt để hơn và tạo ra nhiều cồn hơn. Tương ứng với lượng cồn được tạo thành nhiều sẽ là lượng đường hòa tan trong dịch lên men được
chuyển hóa nhiều hơn. Điều này cũng chứng minh vì sao độ đường còn lại trong các
mẫu giảm xuống. Tuy nhiên, khi tăng nồng độ (NH4)2SO4 trong dịch sẽ dẫn đến
thừa khoáng vi lượng, giảm hiệu suất lên men. N2 và lưu huỳnh là những khoáng vi lượng cần cho nấm men sử dụng để kiến tạo tế bào và tổng hợp enzyme cho chuyển hóa đường trong môi trường. Khi nồng độ những chất này trong dịch lên men quá nhiều sẽ ức chế quá trình trao đổi chất của nấm men. Vì những chất này làm tăng độ
phân cực của môi trường nên làm biến đổi điện tích màng protein của tế bào, đồng
thời áp suất thẩm thấu cũng tăng, sẽ ức chế quá trình hấp thu chất dinh dưỡng và giải phóng ethanol ra khỏi tế bào nấm men. Vì vậy độ cồn trong mẫu giảm xuống và
Như vậy, tỷ lệ Sulphate amoni bổ sung vào dịch lên men là 2g/l dịch lên men tốt nhất. Do đó, em chọn tỷ lệ Sulphate amoni bổ sung cho dịch lên men trong khoảng 1,6÷2,0g/l.
3.1.2.6 Xác định tỷ lệ dịch chiết giá bổ sung thích hợp cho dịch lên men
Tiến hành 5 mẫu thí nghiệm mỗi mẫu 100g sắn tươi xay nhỏ với nước theo tỷ
lệ 1:2, bổ sung vào mỗi mẫu 0,09g enzyme Termamyl và thực hiện hồ hóa, đường hóa theo các bước như thí nghiệm trước. Sau đó, bổ sung vào các mẫu lượng dịch
chiết giá đỗ khác nhau: Mẫu 1: 20ml (tương ứng 5%); Mẫu 2: 40ml (tương ứng
10%); Mẫu 3: 60ml (tương ứng 15%); Mẫu 4: 80ml (tương ứng 20%); Mẫu 5: 100ml (tương ứng 25%) và điều chỉnh thể tích dịch trong mỗi mẫu tới đủ 400ml.
Tiếp theo, mỗi mẫu được bổ sung 0,2g Kali hypophosphate, 0,8g Sulphate amoni, điều chỉnh pH=5,5 và độ đường hòa tan là 180Bx. Kế tiếp, bổ sung vào mỗi mẫu
0,072g nấm men của Novo và tiến hành lên men ở 370C trong 5 ngày.
Cuối cùng, kiểm tra độ cồn và độ đường hòa tan còn lại trong các mẫu bằng
cồn kế và khúc xạ kế. Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.14 và 3.15.
14.29 20.44 13.50 13.29 12.77 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 5 10 15 20 25
Tỷ lệ dịch chiết giá đỗ bổ sung (%v/v)
Đ ộ c ồ n ( % v /v )
Hình 3.14 Ảnh hưởng của tỷ lệ nước chiết giá dỗ tới độ cồn thu được trong dung dịch.
6.00 4.77 4.63 4.27 4.07 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 5 10 15 20 25
Tỷ lệ dịch chiết giá đỗ bổ sung (%v/v)
Đ ộ đ ư ờ n g c ò n l ạ i (B x )
Hình 3.15. Ảnh hưởng của tỷ lệ dịch chiết giá đỗ tới độ đường hòa tan còn lại trong dung dịch
Nhận xét:
Từ kết quả phân tích ở hình 3.14 cho thấy, độ cồn của các mẫu tăng lên trong khoảng tỷ lệ dịch chiết giá là 5÷10% dịch lên men. Cụ thể là, với tỷ lệ dịch chiết giá là 5%, độ cồn đạt được là 14,29% và tỷ lệ 10%, độ cồn trong dịch lên tới 20,44%.
Nhưng khi tăng tỷ lệ dịch chiết giá đỗ, trong khoảng 10÷25%, độ cồn lại giảm.
Chi tiết hơn, với tỷ lệ dịch chiết giá là 15%, độ cồn của dịch có được là 13,50% và với tỷ lệ 25%, độ cồn chỉ còn 12,77% .
Hơn nữa, kết quả phân tích ở hình 3.15 cho thấy, theo chiều tăng của tỷ lệ dịch
chiết giá đỗ, độ đường cuối trong các mẫu có xu hướng giảm xuống. Cụ thể hơn, độ
khô hòa tan của dich sau lên men giảm từ 6,000Bx xuống 4,070Bx tương ứng trong
mẫu có tỷ lệ dịch chiết giá đỗ là 5% và 25%.
Điều này có thể được giải thích như sau: thành phần giá đỗ rất giàu vitamin C
và các protein căn bản giúp kích thích nấm men gia tăng sinh khối tốt hơn, rút ngắn
thời gian thích nghi và sinh trưởng trong môi trường lên men. Do đó, khi tăng tỷ lệ
giá đỗ lên nhiều hơn so với nhu cầu thực của nấm men cần để tăng sinh khối đủ cho lên men, môi trường sẽ thừa kích thích tố cho nấm men sinh trưởng và phát triển.
Khi đó, số lượng tế bào nấm men tăng mạnh, nhu cầu tiêu thụ đường cũng tăng lên và giảm lượng đường sử dụng cho lên men. Do vậy, độ đường còn lại trong dịch ít đi nhưng ethanol tạo thành lại giảm xuống.
Tóm lại:
Trong khoảng tỷ lệ dịch chiết giá đỗ 5÷10% dịch lên men, nấm men sinh trưởng và phát triển tốt nhất, vừa đủ lượng và cho sản lượng ethanol nhiều nhất tương ứng là 14,29% và 20,44%. Khi tăng tỷ lệ dịch chiết giá đỗ, môi trường sẽ
thừa nấm men và tiêu thụ nhiều đường hơn, sản lượng ethanol tạo thành giảm.
Chứng tỏ, tỷ lệ dịch chiết giá đỗ khoảng 10% là thích hợp nhất. Do vậy, em chọn tỷ
3.2 ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ SẮN
Từ các kết quả nghiên cứu ở trên cho phép đề xuất quy trình lên men cồn từ
sắn như sau:
Hình 3.16. Sơ đồ quy trình lên men ethanol từ sắn * Thuyết minh quy trình
Sắn được thu mua đảm bảo chất lượng, hàm lượng tinh bột trên 22% với
nguyên liệu tươi.
Trước khi sản xuất, sắn được xử lý cơ học như lột bỏ vỏ, rửa sạch và ngâm trong khoảng 4h để tách bớt chất độc Cyanogenic glucosides, chất gây ức chế hoạt động sống của nấm men và làm giảm chất lượng của sản phẩm. Sau đó, sắn tươi
Sắn tươi Xử lý cơ học + ngâm tách độc tố Nước (tỷ lệ 2lít/kg nguyên liệu) Xay nhỏ
Hồ hóa+ đường hóa
Điều chỉnh thành phần Lên men (370C, 120h) Chưng cất Ethanol thành phẩmt Nước (t0 thường) Vỏ sắn Termamyl 300g/tấn NL pH=5,8; t= 850C, 24h -KH2PO4 0,5g/l -(NH4)2SO4 2g/l, pH=5,5. -Độ đường đầu 180Bx
-Nước chiết giá 10%
Nấm men
được xay với nước theo tỷ lệ 2 lít/kg nguyên liệu tươi rồi bổ sung enzyme lần 1 và
được đem đi hồ hóa trong thiết bị chuyên dùng. Trong công nghiệp thường dùng nồi
gia nhiệt 2 vỏ để thực hiện công đoạn này rất hiệu quả. Nhờ sự hỗ trợ của enzyme
-amylase, các phân tử tinh bột sắn sẽ được phân cắt nhỏ thành hợp phần ngắn
mạch và đường maltose hòa tan. Các thành phần này là cơ chất cho nấm men lên men và tạo ra ethanol như sản phẩm thải của quá trình trao đổi chất.
Dịch sau khi được thủy phân sẽ được điều chỉnh thành phần sao cho nấm men
có thể hoạt động tốt nhất. Nước chiết giá đỗ và Sulphate amoni sẽ bổ sung đạm và các vitamin cần thiết mà trong sắn còn thiếu cho nấm men sử dụng và gia tăng hoạt
lực lên men. Muối Kali phosphate bổ sung lượng phospho cần thiết cho nấm men,
nhằm hỗ trợ đắc lực cho quá trình vận chuyển các chất qua màng tế bào, đặc biệt là ethanol.
Sau khi được điều chỉnh thành phần, dịch lên men được đưa vào thiết bị lên men cùng với lượng nấm men ban đầu được tính toán hợp lý khoảng 18g/hl dịch.
Nhiệt độ lên men được duy trì ở 370C±1, và pH dịch đi lên men là 5,5. Sau 4 ngày lên men với tổng thời gian lên men là 5 ngày, dịch được đem chưng cất để thu hồi
ethanol. Độ tinh khiết của sản phẩm cồn ngày càng được cải thiện nhờ sự tiến bộ
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN
1. KẾT LUẬN
Từ các kết quả nghiên cứu ở trên, cho phép rút ra một số kết luận sơ bộ như
sau:
1) Đã xác định được một số điều kiện thích hợp cho quá trình hồ hóa và
đường hóa tinh bột sắn tươi: dùng enzyme Termamyl để đường hóa tinh bột sắn theo 2 giai đoạn, tỷ lệ Termamyl bổ sung khoảng 250÷300g/tấn nguyên liệu, nhiệt độ đường hóa là 850C và tỷ lệ nước bổ sung là 2 lít cho 1 kg nguyên liệu thì hiệu
suất sản xuất là tốt nhất.
2) Đã xác định được các thông số thích hợp nhất cho lên men là: pHopt=5,0÷5,5; độ đường ban đầu tốt nhất là 17÷180Bx, xác định được tỷ lệ dịch
chiết giá đỗ bổ sung trong khoảng 5÷10%, tỷ lệ (NH4)2SO4 khoảng 1,6÷2g/l là phù hợp.
3) Đã thử nghiệm và nhận thấy nếu dùng chế phẩm nấm men của Novo để sản
xuất cồn thì tỷ lệ nấm men bổ sung ban đầu khoảng 14÷18g/hl dịch lên men là hiệu
quả nhất.
4) Đã xây dựng được quy trình thử nghiệm sản xuất ethanol từ tinh bột sắn tươi.
2. ĐỀ XUẤT Ý KIẾN
Sau quá trình nghiên cứu, tôi xin đề xuất một số ý kiến dưới đây: cần tiếp tục
nghiên cứu sử dụng enzyme Termamyl trong quá trình đường hóa ở quy mô lớn để
có thể đưa ra quy trình công nghệ lên men đường sản xuất cồn từ tinh bột sắn sống ở quy mô lớn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Lân Dũng (2007), Vi sinh vật học, NXB Giáo Dục, Hà Nội.
2. Phương Duy (2000), “Bài toán sử dụng khoai mì sản xuất nhiên liệu”, Báo Khoa học phổ thông.
3. Đỗ Huy Định (2005), “Nhiên liệu sinh học- nhiên liệu sạch của tương lai”, Diễn đàn Sinh học Việt Nam.
4. Đặng Văn Hợp (2006), Phân tích kiểm nghiệm thực phẩm thủy sản, NXB Nông Nghiệp, Hà Nội.
5. Lê Thanh Mai (2009), Các phương pháp phân tích ngành Công nghệ lên men, Nxb. Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
6. Lê Ngọc Tú (2002), Hóa sinh Công nghiệp, NXB Khoa học và Kỹ thuật,
Hà Nội.
7. Phạm Anh Tuấn (2010), “Vai trò của nhiên liệu sinh học đối với phát triển
nông nghiệp và nông thôn”, báo Nhân Dân.
8. P. Fellows, Food Processing Technology, Cambridge, England. 9. K.Sriroth, KU, Thailand.
Các trang web liên quan:
10.http://www.andrew.cmu.edu/user/jitkangl/Fermentation%20of%20Ethanol/ RSCE.pdf
11.www.TTTA. Food market, 2009.
12.http://www.thienlongbentre.com/index.php?option=com_content&task=vie w&id=80&Itemid=55. 13.http://www.cassavabiz.org/postharvest/ethanol01.htm. 14.http://www.khoahoc.com.vn/doisong/ung-dung/9218_San-xuat-con-tu-cu-