THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
Vỏ đậu nành
Nguyên liệu thu từ lượng phế phẩm của nhà máy chế biến sữa đậu nành Vinasoy
Nguyên liệu cần được bảo quản tốt, không bị dập, nát hay phân hủy Tránh để nguyên liệu tiếp xúc với ánh nắng mặt trời hoặc lưu trữ quá lâu Nếu không sử dụng ngay, nên bảo quản nguyên liệu trong kho lạnh để giữ được độ tươi ngon.
Đặc tính: là lớp vỏ bao bọc phía bên ngoài hạt Vỏ đậu nành chiếm khoảng 8% toàn bộ hạt và chứa 86 % carbohydrate, 9% protein,4.3% tro, 1% lipid.
Phần cacbohydrate không hòa tan của bỏ bao gồm:
Rửa sạch
Phân loại chất lượng nguyên liệu là bước quan trọng nhằm loại bỏ những nguyên liệu hỏng và bầm dập do quá trình vận chuyển, đồng thời loại trừ một số loại vi sinh vật Quy trình này đảm bảo nguyên liệu đạt tiêu chuẩn, không còn các yếu tố làm giảm hiệu suất sản xuất.
2.2.2 Phương pháp: 3 phương pháp : hóa học , nhiệt học, cơ học
Làm sạch bằng hóa chất (NAOH tinh sạch 95% trở lên, NA2CO3)
Làm sạch nguyên liệu bằng nhiệt
Làm sạch nguyên liệu bằng cơ học (tùy vào nguyên liệu để chọn loại máy thích hợp)
Sử dụng máy rửa băng chuyền
Máy rửa là một hệ thống băng tải có lỗ, được đặt một phần trong bể nước để rửa nguyên liệu Nguyên liệu được đưa vào máng dẫn và di chuyển qua bể nước, nơi ống thổi khí hoạt động để tách tạp chất Cuối cùng, hạt nguyên liệu được rửa sạch bằng vòi phun áp lực cao trước khi ra ngoài.
2.2.4 Yêu cầu sản phẩm đầu ra:
Sản phẩm đầu ra của quy trình này đảm bảo không bị dập nát và nguyên liệu đã được rửa sạch Qua phân tích, hầu hết các vi sinh vật có hại và dư lượng thuốc bảo vệ thực vật đã được loại bỏ, giúp đảm bảo độ tinh khiết cần thiết cho quá trình tách enzyme.
Nghiền nhỏ
2.3.1 Mục đích Đa số các enzyme đều nằm ở trong các mô, tế bào nên không thể tự giải phóng.
Quá trình nghiền có vai trò quan trọng trong việc phá vỡ cấu trúc mô và tế bào, từ đó giải phóng enzym Những enzym này sau khi được giải phóng sẽ được hòa trộn vào trong hỗn hợp dịch lỏng.
2.3.2 Thiết bị sử dụng: Máy nghiền bi
Máy nghiền bi là thiết bị được thiết kế với thùng quay chứa bi thép có kích thước khác nhau, hoạt động nhờ vào truyền tải bánh răng ngoài Vật liệu được đưa vào thùng nghiền hình trụ, quay với tốc độ 4-20 vòng/phút, tốc độ này phụ thuộc vào đường kính thùng; thùng lớn quay chậm hơn thùng nhỏ Khi thùng quay, lực ly tâm tác động lên vật liệu và bi, khiến chúng được nâng lên và rơi tự do, va đập vào nhau, từ đó làm vỡ vật liệu thành những mảnh nhỏ khoảng 2-3mm.
2.3.3 Yêu cầu sản phẩm đầu ra
Vỏ đậu nành được nghiền nhỏ thành những mảnh từ 2 – 3 mm
Tiền xử lý
Tăng vùng vô định hình của cellulose
Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc để thúc đẩy sự xâm nhập của các chất hóa học và enzyme vào cấu trúc.
Phá bỏ lớp bao bọc của ligin và hemicellulose với cellulose.
2.4.2 Phương pháp thực hiện a Phương pháp hoá lý
Phương pháp chiết xuất CO2 có chi phí hệ thống cao do yêu cầu thiết bị áp suất lớn, điều này không thực tế cho sản xuất công nghiệp Ngoài ra, các nghiên cứu cho thấy phương pháp này không hiệu quả trong việc tăng cường năng suất chuyển hóa sinh khối thành cồn sinh học.
Phương pháp chất lỏng ion, hay còn gọi là muối hữu cơ nóng chảy, có những đặc tính nổi bật như không bay hơi, bền nhiệt cao và khả năng hòa tan xenlulo Chất lỏng ion đã được nghiên cứu như một dung môi xanh để xử lý lignocellulose Marzieh Shafiei và cộng sự đã áp dụng 1-ethyl-3-methylimidazol để xử lý gỗ cứng, đạt hiệu suất chuyển đổi sinh học 81.5%, mang lại triển vọng tích cực trong nghiên cứu Tuy nhiên, phương pháp này gặp khó khăn trong ứng dụng quy mô công nghiệp do chi phí cao của chất lỏng ion.
Tiền xử lý có tính axit: H2SO4 và HCl được sử dụng phổ biến trong tiền xử lý lignocellulose.
Các dung dịch axit có nồng độ cao không được ưa chuộng do độc tính và khả năng thủy phân cellulose cùng hemicellulose trong quá trình tiền xử lý Thêm vào đó, việc sử dụng axit nồng độ cao còn gây ra vấn đề ăn mòn thiết bị và an toàn cho người vận hành Trong khi đó, axit pha loãng cũng không được khuyến khích vì có thể tạo ra các hợp chất furfural, cản trở sự phát triển của vi sinh vật trong quá trình lên men.
Tiền xử lý lignocellulose bằng dung dịch kiềm hiệu quả hơn so với acid, vì nó giảm thiểu sự mất mát cacbohydrat trong quá trình thủy phân Sử dụng chất kiềm không chỉ giúp loại bỏ các nhóm acetyl mà còn thúc đẩy quá trình thủy phân sau này và ức chế sự hình thành furfural Phương pháp xử lý nổ hơi nước cũng là một lựa chọn đáng chú ý trong quá trình tiền xử lý này.
+ Tăng sự kết tinh của cellulose bằng cách thúc đẩy sự kết tinh của vùng vô đinh hình + Hemicellulose bị thủy phân trong quá trình no hơi
+ Sự nổ hơi thúc đẩy việc khử lignin.
+ Tốn chi phí, năng lượng vận hành.
+ Đòi hỏi thiết bị chịu được nhiệt độ và áp suất cao
+ Có thể làm phân hủy cellulose.
+ Mất đi đường từ Hemicellulose.
+ Làm sinh ra fufural và 5-hydroxymethyl fufural gây ức chế quá trình lên men
Chọn tiền xử lý cơ học bằng nổ hơi nước kết hợp với H 2 SO 4 loãng để loại bỏ hoàn toàn ligin.
2.4.3 Thiết bị sử dụng: StakeTech
StakeTech là thiết bị áp suất bằng thép không gỉ, có khả năng chịu áp suất lên đến 450 psig Nguyên liệu được nạp liên tục qua vít tải, di chuyển về phía cửa tháo liệu với thời gian lưu được lập trình Dưới tác động của lực nén, nguyên liệu được đẩy ra ngoài qua van tháo liệu, có thể quay và mở đều đặn theo khoảng thời gian từ 2 đến 8 giây, tùy thuộc vào điều kiện sản xuất Thiết bị này hiện đang được sử dụng tại các trường đại học và có giá trị thương phẩm cao.
Quá trình tiền xử lý có thể được thực hiện bằng hệ thống thiết bị phản ứng liên tục 2 cấp, bao gồm một trục vít nằm ngang và một trục vít thẳng đứng Trong đó, trục vít đầu tiên sử dụng dòng hơi nước ở nhiệt độ 170-185ºC, trong khi trục vít thứ hai sử dụng dòng acid loãng dưới 0.1% (theo khối lượng) ở nhiệt độ 205-225ºC.
Tạo ra lượng đường có khả năng lên men cao nhất.
Hạn chế sự phân hủy các carbohydrate.
Giảm sự hình thành những chất ức chế vi sinh vật.
Linh hoạt và phải có hiệu quả kinh tế cao.
Thuỷ phân
Mục đích của quá trình thuỷ phân nguyên liệu nhằm tạo ra đường cơ chất cho quá trình lên men tạo ethanol.
Sử dụng enzyme Cellulase của Công ty CP XNK Tiên Phong Việt Nam quận Thủ Đức thành phố HCM phân phối(Xuất xứ: Novozyme (Đan Mạch))
2.5.3 Yêu cầu sản phẩm đầu ra
Quá trình thuỷ phân cần đạt được các yêu cầu:
Thuỷ phân hemicellulose, cellulose tạo ra lượng đường lên men cực đại
Hạn chế sự phân huỷ các carbohydrate đến mức tối đa
Giảm sự hình thành fufural và các hợp chất phenolic
Lọc bã
Lọc bã vỏ, thu dịch đường để đem lên men tạo ethanol
Sau khi quá trình thủy phân hoàn tất, nước được thêm vào với tỷ lệ phù hợp để tiến hành trích ly Tiếp theo, hỗn hợp được ép lọc nhằm loại bỏ bã và thu được dịch đường tinh khiết.
Loại bỏ được bã và thu được dịch đường nhiều nhất.
Phối trộn
Trộn đều môi trường dinh dưỡng cùng với dịch đường để tạo môi trường cho quá trình lên men.
Vật liệu được cho vào thiết bị phối trộn bao gồm dịch đường, các loại muối dinh dưỡng: (NH4)2SO4, K2HPO4, MgSO4, nước để tạo đổ ẩm.
Sau khi lọc loại bỏ bã, sản phẩm sẽ đi theo băng chuyền đến thiết bị phối trộn.
Ta phối trộn môi trường lên men với các thành phần: 10g glucose, 2g dịch chiết nấm men, 4g (NH4)2SO4, 10g K2HPO4, 0.8g MgSO4 và thêm 3ml huyền phù tế bào nấm men (108 cfu/ml) vào bình huyết thanh sinh lý.
Bổ sung nước trong quá trình phối trộn để tạo độ ẩm.
2.7.4 Thiết bị phối trộn: Chọn máy trộn dạng băng tải liên tục.
Máy trộn là thiết bị có cấu trúc hộp trộn kín với áo dạng máng, được thiết kế để tháo liệu ở cuối máng Bên trong buồng trộn, roto với trục có nhiều cách đảo cùng vòi phun hơi nước giúp phun mù vật liệu lỏng Máy trộn hoạt động nhờ động cơ điện kết hợp với hộp giảm tốc và truyền động bằng đai hình thang, mang lại hiệu suất trộn cao.
Thể tích của phòng trộn là: Hoạt động: 1,25 m3. Định mức: 2,5 m3. Áp suất là: Trong tường thiết bị: 30 MPa.
Năng suất là: 1200 kg/h hay 28800 kg/ngày.
Số vòng quay của rôto là: 31,5 vòng/phút
Công suất của động cơ là: 10 Kw.
Kích thước cơ bản là: 5346 × 1480 × 1940 mm.
Thanh trùng và làm nguội
Thanh trùng môi trường là quá trình quan trọng nhằm loại bỏ các vi sinh vật như vi khuẩn, virus, nấm men và nấm mốc, ảnh hưởng đến quá trình lên men Việc này giúp đảm bảo môi trường lên men sạch sẽ và an toàn, từ đó nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm lên men.
Sau khi hoàn tất quá trình phối trộn, hỗn hợp sẽ được vận chuyển bằng băng tải đến thiết bị thanh trùng Tại đây, hỗn hợp môi trường sẽ được xử lý trong khoảng thời gian 20 - 25 phút ở nhiệt độ 120 độ C.
Sau khi thanh trùng, môi trường được chuyển trực tiếp qua băng tải để làm nguội đến nhiệt độ khoảng 35 - 40˚C Thời gian làm nguội cần được rút ngắn để hạn chế sự nhiễm vi sinh vật.
Nồi tiệt trùng dạng đứng là thiết bị dùng để đun nóng và tiệt trùng môi trường hiệu quả Bên trong, thiết bị được trang bị bộ khuấy trộn với các cánh bố trí theo chiều cao, giúp môi trường dễ dàng chuyển động mà không bị nén Các cánh được thiết kế để giảm sức cản và cho phép môi trường chảy tự do Việc sắp xếp cánh theo kiểu bàn cờ cùng với các tấm chắn cố định tăng cường quá trình khuấy trộn Hơi được nạp vào qua trục rỗng và các cánh khuấy trộn trong phần hình nón đảm bảo việc tháo môi trường qua cửa kín Cửa mở tự động nhờ bộ dẫn động thủy lực, và thiết bị còn được trang bị áo hơi, cửa quan sát, cùng hệ thống tự động hóa để điều chỉnh nhiệt độ và áp suất hơi.
1.Áo hơi; 2 Vỏ; 3 Trục; 4 Cánh khuấy trộn; 5 Cánh tháo;
6 Cửa tháo liệu; 7 Cửa quan sát; 8 Cửa nạp liệu; 9 Khớp nối van bảo hiểm Đặc tính kỹ thuật của thiết bị tiệt trùng dạng đứng:
Năng suất của thiết bị là 240 -300 kg/h.
Thể tích 2 m3. Áp suất dư trong thiết bị và trong áo hơi 0,147 Mpa.
Công suất động cơ 5,5 Kw.
Kích thước cơ bản của thiết bị là: 1500 x 1400 x 4500 mm
Khối lượng môi trường 600 Kg. Độ ẩm môi trường 30 %
Lượng môi trường cần thanh trùng là 81574.9 Kg/ngày
Môi trường sau khi hấp thanh trùng phải loại bỏ được những vi sinh vật gây hại không làm ảnh hưởng đến quá trình lên men
Nhân giống sản xuất
2.9.1 Mục đích: Nhân giống nấm men với số lượng nhiều để tiếp giống đủ cho quá trình lên men
Môi trường nuôi cấy Saccharomyces cerevisiae trong sản xuất công nghiệp bắt đầu từ ống nghiệm giống gốc nấm men, sau đó tiến hành nuôi cấy nhân với quy mô tăng dần từ 10mL, 100mL, 1L, 10L, 100L đến 1000L Trong giai đoạn nuôi cấy 10mL và 100mL, malt đại mạch thường được sử dụng làm môi trường nuôi cấy chính.
Nấm men giống được nuôi cấy trong môi trường thạch nghiêng Sau khi chuẩn bị xong nấm men giống và môi trường, tiến hành cấy chuyền nấm men từ thạch nghiêng sang môi trường dịch thể 10ml Sau đó, nấm men được nuôi trong tủ ấm với nhiệt độ duy trì từ 28 đến 32 độ C trong khoảng thời gian 20 đến 24 giờ.
Sau khi hoàn thành thời gian ủ, nấm men sẽ được chuyển từ ống nghiệm 10ml sang bình 100ml hoặc 1000ml, trong đó đã chuẩn bị sẵn môi trường dinh dưỡng Thời gian nuôi cấy trong bình là 12 giờ.
Tiếp tục, chuyển sang nuôi cấy ở bình 10L, sau 10÷12 giờ thì chuyển sang nuôi cấy ở các thiết bị lớn hơn trong phân xưởng.
Giống nấm men phát triển tốt, cung cấp đủ cho quá trình lên men quy mô công nghiệp.
Lên men
2.10.1 Mục đích: Lên men là quá trình chính trong dây chuyền sản xuất ethanol
2.10.2 Phương pháp lên men: Sử dụng phương pháp lên men liên tục
2.10.3 Yêu cầu đầu ra: Tạo ra cồn với nồng độ 12- 13%
Ly tâm
2.11.1 Mục đích: Loại bỏ nấm men ra khỏi dung dịch có nồng độ cồn
2.11.2 Giai đoạn tiến hành: Sau khi lên men thì dung dịch cồn được đưa đến thiết bị ly tâm để tách bỏ nấm men.
2.11.3 Yêu cầu đầu ra: Tách nấm men ra khỏi dung dịch cồn.
Chưng cất
2.12.1 Mục đích: Tạo Ethanol với nồng độ cao
Hỗn hợp dịch chứa ethanol, nước và các chất khác được đưa vào giữa tháp chưng cất Tại đáy tháp, các chất nặng như nước và tạp chất sẽ lắng đọng Đáy tháp được duy trì ở nhiệt độ sôi để ethanol bay hơi lên đỉnh tháp Sau khi ngưng tụ, một phần ethanol sẽ được hồi lưu về tháp, trong khi phần còn lại được thu hồi làm sản phẩm Tùy thuộc vào phương pháp chưng cất, nồng độ cồn thu được có thể đạt từ 95% đến 99,5%.
Ethanol nhiên liệu cần được lưu trữ trong các thiết bị làm từ thép carbon hoặc thép không gỉ Bồn chứa phải được trang bị hệ thống đảo bồn và thu hồi hơi bốc để ngăn ngừa sự giảm nồng độ ethanol.
