Tối ưu hóa một số yếu tố trong quy trình dịh hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ hất khô ao để sản xuất ồn từ gạo

ử- Làm rõ phương pháp xác định hi u su t lên men.. ỳ Sơn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và t o mạ ọi điều kiện để em có th hoàn thành luể ận văn tốt nghiệp này.. ộ ố ệ ạCuối cùng, xin cả

Giảng viên hướ ng d n: ẫ PGS.TS Chu Kỳ Sơn

Viện: Công nghệ Sinh h c & Công ngh Th c phẩm ọ ệ ự

HÀ N Ộ I, 11 20 /20

ký c a GV Chữ ủ HD

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061132210451000000

C NG HÒA XÃ H I CH Ộ Ộ Ủ NGHĨA VIỆT NAM

Độ ậ – ự c l p T do H nh phúc – ạ

B N XÁC NH N CH Ả Ậ Ỉ NH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

H và tên tác gi ọ ả luận văn: Vũ Thị Phư ngợ

Đề tài lu ận văn: Tối ưu hóa mộ ố ế ốt s y u t trong quy trình Dịch hóa, Đường hóa

và Lên men đồng th i nờ ở ồng độ chất khô cao để ả s n xu t c n t g o ấ ồ ừ ạ

Chuyên ngành:Công ngh ệthực phẩm

Mã số SV: CA180148

Tác giả, Người hướng d n khoa h c và Hẫ ọ ội đồng ch m luấ ận văn xác nhận tác

gi ả đã sửa ch a, b sung luữ ổ ận văn theo biên b n h p Hả ọ ội đồng ngày 30/10/2020 v i các n i dung sau: ớ ộ

+ Đã viế ạt l i ph n T ng quan m t cách ng n g n, cô đ ng ầ ổ ộ ắ ọ ọ hơn

+ Phần V t li u và Pậ ệ hương pháp nghiên cứu: b c c lđã ố ụ ại theo các nhóm: Đối tượng nghiên cứu, phương pháp quy ho ch th c nghi mạ ự ệ , phương pháp phân tích,

mô tả ử x ốlý th ng kê và xây d ng thông s thí nghiự ố ệm

- Đã bổ sung phương pháp xác định đường tổng và đường kh ử

- Làm rõ phương pháp xác định hi u su t lên men ệ ấ

+ Phần K t qu và Th o lu n: ế ả ả ậ

- Đã bổ sung n i dung nhu cộ ầu Nitơ trong quá trình lên men

- Thay ụm từ kho ng tin c y c ả ậ thành mức ý nghĩa

L ờ i cảm ơn

Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Chu K ỳ Sơn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và t o mạ ọi điều kiện để em có th hoàn thành luể ận văn tốt nghiệp này Em cũng xin cảm ơn các thầy, cô trong Vi n Công ngh Sinh h c và ệ ệ ọCông ngh ệ Thực ẩm đã luôn tạo điềph u ki n t t nh t cho em trong quá trình ệ ố ấnghiên c u t i phòng thí nghi m cứ ạ ệ ủa viện

Em xin cảm ơn ban lãnh đạo Công ty CP Công ngh ệ Rượu và Đồ ố u ng Việt Nam đã tạo điều kiện cho em được tìm hi u công ngh s n xu t c n th c t ể ệ ả ấ ồ ự ếcũng như triển khai m t s thí nghi m t i Công ty ộ ố ệ ạ

Cuối cùng, xin cảm ơn sự độ ng viên của gia đình và bạn bè đã giúp em cóngh lị ực đ vượể t qua những khó khăn trong quá trình hoàn thành luận văn

Tóm t ắ t nộ i dung luận văn

- Vấn đề ầ c n th c hi nự ệ : Kh o sát và nghiên c u nguả ứ ồn dinh dưỡng Nitơ phù hợp cho quy trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời ở ồng độ ất khô n chcao (SLSF VHG ừ ạo để đả- ) t g m b o chả ất lượng an toàn th c ph m cho s n ự ẩ ả

phẩm Thực hi n tệ ối ưu hóa ộ ố ế ố m t s y u t trong quy trình SLSF-VHG v i mớ ục đích tăng hiệu su t lên men và gi m thi u giá ru t s n ph m ấ ả ể ộ ả ẩ

- Phương pháp th c hi nự ệ : K t h p lý thuy t v i th c nghi m Thi t k ế ợ ế ớ ự ệ ế ế thí nghiệm và xác định phương án tối ưu theo phương pháp Taguchi và phân tích phương sai ANOVA

- Công cụ ử ụ s d ng:

+ Ph n cầ ứng: Các d ng c , thi t b ụ ụ ế ị phụ ục v phân tích các ch tiêu hóa lý cỉ ủa nguyên li u và s n phệ ả ẩm như: máy đo cồn, máy đo pH, dụng c thí nghiụ ệm…+ Ph n m mầ ề : Microsoft Office, Matlab

- Kết quả ủ c a luận văn phù h p vợ ới các vấ n đ đã đặ ề t ra:

+ Quy trình không b sung thêm nguổ ồn Nitơ ừt Urê đạ ệ t hi u su t ,4%, ấ 86 tương đương với quy trình có b sung Urê ổ

+ Xác định được các thông s tố ối ưu đố ới lượi v ng s d ng n m men (0,25 g/l) ử ụ ấ

và chế phẩm enzyme Stargen 002 (2 ml/kg NL), Fermgen (0,5 ml/kg NL), để

hi u suệ ất đạt 86% nhưng giảm được giá ru t c a s n ph m là 1ộ ủ ả ẩ 527 đồng/lít c n ồ96% vol so với quy trình ban đầu, ki m chể ứng và tính toán được hi u qu cệ ả ủa

việc tối ưu

- Tính khoa h c th c ti n c a luọ ự ễ ủ ận văn: ếK t qu nghiên c u c a luả ứ ủ ận văn làm

cơ sở ứ ng d ng quy trình SLSF-ụ VHG để ả s n xu t c n t g o vào th c t m t ấ ồ ừ ạ ự ế ộcách hi u qu ệ ả

- Định hướng phát tri n m r ng luể ở ộ ận văn: Triển khai k t qu tế ả ối ưu ở quy mô pilot và nghiên c u thu h i x lý phứ ồ ử ần bã rượ ứu ng d ng làm th c ph m hoụ ự ẩ ặc nguyên li u thệ ực phẩm

H C VIÊN Ọ

Ký và ghi rõ h tên ọ

M Ụ C LỤ C

M Ở ĐẦ U 1 CHƯƠNG 1 TỔ NG QUAN V NGÀNH C N/RƯ U VÀ CÔNG NGH Ề Ồ Ợ Ệ

S Ả N XUẤT CỒ N/RƯ Ợ U 2

1.1 Tình hình sản xu t và tiêu th c n ấ ụ ồ – rượu trên th gi i và ế ớ ở Việt Nam 21.1.1 Tình hình sản xu t và tiêu th c n trên th gi i ấ ụ ồ ế ớ 21.1.2 Tình hình sản xu t và tiêu th c n ấ ụ ồ ởViệt Nam 31.2 Công nghệ ả s n xuất cồn 41.2.1 Nguyên liệu chính trong s n xuả ất cồn 41.2.2 Công ngh s n xuệ ả ất cồn truy n th ng ề ố 71.2.3 Công nghệ ịch hóa, Đường hóa và Lên men đồ D ng th i (SLSF) 9ờ1.3 Kết quả đã nghiên cứ ều v quy trình SLSF-VHG 111.3.1 Một số ế k t qu ả đã công bốtrên thế ớ gi i 111.3.2 Một số ế k t qu ả đã công bố ở Việt Nam 121.4 T ng quan v ổ ề phương pháp quy hoạch thực nghi m 14ệ1.4.1 T ng quan v ổ ề phương pháp thiế ết k thực nghiệm Taguchi 14

1.4.3 Tiêu chuẩn đánh giá toàn diện (OEC) 181.5 Xác định m c tiêu và nụ ội dung nghiên cứ ủa luân vănu c 20

CHƯƠNG 2 VẬ T LI ỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨ U 22

2.2.3 Phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi 30

2.3 Mô tả ử lý thố x ng kê 32

CHƯƠNG 3 KẾ T QU VÀ TH O LU N 39 Ả Ả Ậ

3.1 Đánh giá sơ bộ công ngh s n xuệ ả ất cồn theo phương pháp SLSF -VHG 393.2 Kết quả ả kh o sát thay th hoế ặc loạ ỏi b nguồn Nitơ Ure 393.3 Tối ưu hóa hiệu su t lên men trong quy trình SLSF-VHG 41ấ3.3.1 Nồng độ ồ c n và hi u suệ ất các thí nghiệm 413.3.2 Xác định t l ỷ ệ ảnh hưởng và mức tối ưu của các y u t Stargen 002, ế ố

Fermgen và n m men tấ ới hiệu su t lên men ấ 423.3.3 Xây dựng hàm h i quy giồ ữa các yế ốu t Stargen 002, Fermgen và nấm

men t i hiớ ệu su t lên men t ực nghiệm ấ ừth 463.4 Tối ưu hóa chi phí nguyên liệu c a quy trình SLSF-VHG 51ủ3.4.1 Kết quả tính toán chi phí nguyên li u ệ 513.4.2 Xác định mức độ ảnh hưởng và mức tối ưu của các thông số Stargen,

Fermgen và N m men tấ ới chi phí nguyên liệu 533.5 Xác định m c thông s Stargen 002, Fermgen và Nứ ố ấm men đáp ứng đồng

th i các chờ ỉ tiêu kinh t , k ật 56ế ỹthu3.6 Kết quả thí nghi m kiệ ểm chứng 59

CHƯƠNG 4 KẾ T LU N VÀ KI N NGH 63 Ậ Ế Ị

4.1 Kết luận 634.2 Kiến ngh 63ị

TÀI LIỆ U THAM KH O 64 Ả CHƯƠNG 5 PHỤ Ụ L C 67

DANH MỤ C HÌNH V Ẽ

Hình 1.1 Sả ượn l ng c n trên th giồ ế ới giai đoạn 2007-2017 2

Hình 1.2 Các nước tiêu th c n nhi u nh t th giụ ồ ề ấ ế ới năm 2019 3

Hình 1.3 Tiêu thụ rư u ợ bình quân đầu người ở ệVi t Nam và th gi i 4ế ớ Hình 1.4 Gạ ẻo t 5

Hình 1.5 Cấu trúc tinh b t gạo 5ộ Hình 1.6 Nấm men Saccharomyces cerevisiae 5

Hình 1.7 Cấu trúc không gian c a enzyme Amylase 6ủ Hình 1.8 S y phân tinh bựthủ ột của enzyme Amylase 6

Hình 1.9 Quy trình sản xu t cồấ n truy n th ng 8ề ố Hình 1.10 Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng th i (SLSF) 9ờ Hình 1.11 Ảnh hưởng c a các yế ố đế ồng độ ồn thu đượủ u t n n c c 13

Hình 1.12 Hướng ti p c n cho bài toán tế ậ ối ưu đa mục tiêu 17

Hình 2.1 G o t m Mi n Nam và bạ ấ ề ột gạo 22

Hình 2.2 Nấm men Red Ethanol 23

Hình 2.3 Sơ đồ chưng cấ ồt c n quy mô PTN 28

Hình 2.4 Máy đo độ ồ c n DA-130N 28

Hình 2.5 Quy trình D ch hị óa Đường hóa và Lên men Đồng th i nờ ở ồng độ chất khô cao 37

Hình 3.1 Biểu đồ tác đ ng trung bình c a các y u t t i hi u su t lên men 45ộ ủ ế ố ớ ệ ấ Hình 3.2 Biểu đồ ỷ ệ ảnh hưở t l ng c a các y u t t i hiủ ế ố ớ ệu su ạ ồất t o c n 45

Hình 3.3 Quy luật ảnh hưởng c a các y u t ủ ế ố đơn lẻ Stargen 002, Fermgen và Nấm men tới hiệu su t lên men 50ấ Hình 3.4 Quy luật ảnh hưởng đồng th i cờ ủa hai y u t tế ố ới hiệu su t lên men 50ấ Hình 3.5 Biểu đồ phân m c c a các y u t Stargen 002, Fermgen và N m men ứ ủ ế ố ấ cho chi phí nguyên liệu 55

Hình 3.6 Biểu đồ ỷ ệ t l phần trăm ảnh hưởng c a các y u t Stargen 002, ủ ế ố Fermgen và N m men tấ ới chi phí nguyên liệu 55 Hình 3.7 Biểu đồ phân m c củứ a OEC ng v i các tr ng s khác nhau 58ứ ớ ọ ố

DANH M C Ụ B NG BI U Ả Ể

B ng 1.1 Mô t cách tính t ng chi phí nguyên li u cho 1 lít d ch lên men 15ả ả ổ ệ ị

Bảng 2.1 Đặc tính c a ch phủ ế ẩm nấm men Red Ethanol 22

Bảng 2.2 Đặc tính c a các lo i enzyme s d ng trong nghủ ạ ử ụ iên cứu 23

B ng 2.3 Mô t cách tính t ng chi phí nguyên li u cho 1 lít d ch lên men 29ả ả ổ ệ ị B ng 2.4 Thông s quy trình SLSF-ả ố VHG ban đầu 33

B ng 2.5 B ng thông s ả ả ốthí nghiệm khảo sát loại nguồn Nitơ Ure 34

B ng 2.6 Mả ức các yế ốu t 35

Bảng 2.7 Phương án thực nghiệm khi thay giá tr ịcác mức của các thông s 35ố B ng 2.8 B trí thí nghiả ố ệm theo mảng tr c giao L9 36ự B ng 3.1 Kả ết quả khảo sát quy trình SLSF-VHG 39

B ng 3.2 K t qu quy trình SLSF-VHG trong nghiên c u này v i nghiên c u ả ế ả ứ ớ ứ trước 39

B ng 3.3 Kả ết quả thí nghiệm khảo sát thay th nguế ồn Nitơ 40

B ng 3.4 Kả ết quả đo nồng độ ồ c n và hi u suệ ất các thí nghiệm 41

B ng 3.5 Mả ức và giá trị các yế ố ảnh hưởu t ng 43

B ng 3.6 Kả ết quả hiệ u tính t l ỷ ệS/N của các thí nghi m 43ệ B ng 3.7 K t qu phân m c và t l ả ế ả ứ ỷ ệ ảnh hưởng c a các y u t t i hi u su t lên ủ ế ố ớ ệ ấ men 44

B ng 3.8 Sai s gi a s u thí nghi m và hàm h i quy, h s Rả ố ữ ốliệ ệ ồ ệ ố 2 và h s Fisherệ ố 47

B ng 3.9 Giá tr hi u su t n i suy và sai l ch gi a giá tr n i suy v i giá tr thí ả ị ệ ấ ộ ệ ữ ị ộ ớ ị nghi m 49ệ B ng 3.10 H s ả ệ ố tương quan và chuẩn s Fisher c a các d ng hàm n i suy (hố ủ ạ ộ ồi quy) 49

B ng 3.11 Kả ết quả tính chi phí nguyên li u cệ ủa các thí nghiệm 52

B ng 3.12 kả ết quả tính chi phí nguyên li u và t l ệ ỷ ệS/N của các thí nghiệm 53

B ng 3.13 Phân m c và t l ả ứ ỷ ệ ảnh hưởng c a các yêu t tủ ố ới chi phí nguyên liệu 53 B ng 3.14 Các thông s u vào và kả ố đầ ết quả OEC cho 9 thí nghi m 57ệ B ng 3.15 Giá tr ả ị OEC ứng với các trọng s khác nhau c a các hàm mố ủ ục tiêu 58

B ng 3.16 Giá tr d án c a hi u su t và chi phí ng v i OEC khi s d ng các ả ị ự đo ủ ệ ấ ứ ớ ử ụ trọng s khác nhau 59ố B ng 3.17 Kả ết quả ẫ m u kiểm chứng v hi u suề ệ ất lên men 60

B ng 3.18 Kả ết quả ẫ m u kiểm chứng v m c tiêu t ng th 60ề ụ ổ ể B ng 3.19 So sánh k t qu tả ế ả ối ưu mục tiêu hi u su t t o c n v i nghiên cệ ấ ạ ồ ớ ứu trước 61

B ng 3.20 So sánh k t qu tả ế ả ối ưu 2 mục tiêu với nghiên cứu trước 61

Dịch hóa, đường hóa và lên men đồng th i ờ

VHG Very High Gravity Nồng độ chất khô cao

FAPRI Food and Agricultural Policy

Research Institute

Viện nghiên c u chính sách ứNông nghệp và Lương T ựh c RFA Renewable fuel association Hi p h i nhiên li u tái t o ệ ộ ệ ạ

GLS Generalized Least Squares

regression

hồi quy bình phương tối thiểu

MVR Multivariate regression hồi quy nhiều bi n ế

CPO Contour Plot Optimization Nhóm ti p c n s d ng các ế ậ ử ụ

đáp ứng b m t ề ặ

OEC Overall Evaluation Criteria tiêu chí tổng th ể

FAN Free Amino Nitrogen Nitơ amin tự do

ngành và Tư vấn Vi t Nam ệ

nghiệp và Thương Mại – ộ B Công Thương

CNSH CNTP– Công ngh sinh hệ ọc – Công

ngh ệthực phẩm BKHN Bách Khoa Hà N ội

1

M Ở ĐẦ U

C n có tên khoa h c là Ethanol hay còn gồ ọ ọi là rượu Ethylic Đây t có nhi u là chấ ề

ứng d ng trong các ngành khoa h c k thu t quan trụ ọ ỹ ậ ọng, đặc bi t là ngành công nghi p ệ ệrượu và đồ ố u ng có cồn, đem lại nguồn thu đáng kể cho ngân sách nhà nước nói chung

và các doanh nghi p liên quan nói riêng ệ

Cồn được s n xu t ch y u bả ấ ủ ế ằng phương pháp lên men các nguyên liệu có ch a tinh ứ

bột (gạo, ngô, khoai, s nắ …) ặc đườho ng (r ỉ đường) trong đó, ạ g o vẫn được đánh giá là

một trong những nguyên li u cho chệ ất lượng c n thồ ực phẩm tốt nhất

Hiện nay, công ngh s n xu t cệ ả ấ ồn đượ ử ục s d ng ph bi n ệổ ế ở Vi t Nam bao g m ồ

4 công đoạn riêng r : d ch hóa (90 - 105ẽ ị 0C), đường hóa (60 65– 0C), lên men (28 –

320C) và chưng cất Quy trình này có ưu điểm chính là nguyên li u tinh bệ ột được đường hóa khá triệt để ạo môi trườ, t ng thu n l i ngay t ậ ợ ừ đầu để ấ n m men có th ho t ể ạ

động hi u qu , cho hi u su t thu hệ ả ệ ấ ồi cao Tuy nhiên, nhược điểm c a nó là tiêu t n khá ủ ốnhiều năng lượng, nước làm ngu i, chi phí thi t b và khó có th c hi n nộ ế ị ể thự ệ ở ồng độchất khô cao vì dịch sau quá trình đường hóa có độ nh t và ớ hàm lượng đường quá cao,

ức ch s phát tri n c a nế ự ể ủ ấm men Do đó, cần ph i nghiên c u tìm ra giả ứ ải pháp để

giảm thiểu các h n ch này ạ ế

Quy trình s n xu t c n theo công ngh Dả ấ ồ ệ ịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng

th i ờ ở nồng độ ch t khô cao (Simultaneous Liquefaction, Saccharification and ấFermentation at Very igh H Gravity SLSF-VHG) là quy trình s d ng m t s – ử ụ ộ ố chế

phẩm enzyme ế ệ ớth h m i cho phép th c hiự ện đồng th i và hi u qu quá trình d ch hóa, ờ ệ ả ịđường hóa và lên men d ch có nị ồng độ ch t khô cao (>300 g/l) 30ấ ở 0C trong cùng một thiế ị Ưu điểt b m của phương pháp này là ti t kiế ệm được nước, năng lượng, và gi m ảđượ chi phí đầu tư thiế ịc t b , nhân công so v i công ngh s n xu t c n có n u và quy ớ ệ ả ấ ồ ấtrình SLSF nở ồng độ chất khô thường (<200 g/l) Tuy nhiên hi n nay quy trình này ệ

vẫn chưa được ứng d ng r ng rãi, m t trong nh ng nguyên nhân chính là thi u các ụ ộ ộ ữ ếcông trình nghiên c u tứ ối ưu hoá chế độ công ngh nâng cao hi u qu quy trình và ệ để ệ ả

gi m chi phí s n xu t Vì v y, chúng tôi nh n th y vi c triả ả ấ ậ ậ ấ ệ ển khai đề tài nghiên c u: ứ

th i ờ ở ồ n ng đ ch ộ ất khô cao để ả s n xuấ ồt c n từ ạ g o” là cần thiết và có ý nghĩa

2

CHƯƠNG 1 Ổ T NG QUAN V NGÀNH C N/RƯ U VÀ CÔNG Ề Ồ Ợ

NGH Ệ Ả S N XU Ấ T CỒ N/RƯ Ợ U 1.1 Tình hình s n xu t và tiêu th c ả ấ ụ ồ n – rượ u trên th gi i và ế ớ ở Việ t Nam

1.1.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn trên thế giới

a) Tình hình sản xuất

Sản lượng c n trên th gi i có biồ ế ớ ến động tăng trong giai đoạn 2007-2017 Nếu năm 2007 có kho ng 13 t gả ỉ allons (tương đương 49,2 tỉ clít) ồn được s n xuả ất thì đến năm 2017 ản lượ s ng cồn đã là khoảng 27 t Gallons, tăng kho ng 2 l n (Hình 1.1) [1], ỉ ả ầ

đ ềi u này là hoàn toàn h p lý vì c n có vai trò quan tr ng trong r t nhi u ngành công ợ ồ ọ ấ ềnghi p, khi xã h i ngày càng phát tri n thì nhu c u v tiêu dùng các s n ph m mệ ộ ể ầ ề ả ẩ ới càng tăng Tuy nhiên, đây là một trong nh ng thách thữ ức đối v i ngành công ngh ớ ệ

thực phẩm, c n ph i có nhầ ả ững bước phát tri n m nh m , nghiên cể ạ ẽ ứu các phương pháp

mớ ểi đ ả s n xuất cồn nhanh hơn, hiệu qu ả hơn

Hình 1.1 Sản lượng c n trên th ồ ế giới giai đoạn 2007-2017

1 gallon = 3.7854 lítb) Tình hình tiêu thụ

Càng ngày thì lượng rượu tiêu th ụ như một loại đồ ống thườ u ng nh t l i ậ ạcàng tăng đáng kể Nhìn vào hình 1.2 có th thể ấy, lượng tiêu th cụ ồn tính trên đầu ngườ ở ộ ối m t s qu c gia là r t cao L y ví d v i qu c gia x p h ng nh t là Belarus, ố ấ ấ ụ ớ ố ế ạ ấ

3

bình quân là g n 18 lít c n tuyầ ồ ệt đối/ người 15 tu i tr lên Con s này n u tính toán ổ ở ố ếtrên lượng đồ ố u ng ch a c n là r t lớnứ ồ ấ [2]

Hình 1.2 Các nước tiêu th c n nhi u nhụ ồ ề ất thế ới năm 2019 gi

V i t t c nhớ ấ ả ững thông tin được đưa ra ở trên, chúng ta có th khể ẳng định rằng, lượng

cồn được tiêu th ụ dưới dạng th c ph m là r t lự ẩ ấ ớn, điều đó càng đòi hỏi cần ph i nghiên ả

c u ng d ng các quy trình s n xuứ ứ ụ ả ất rượu/cồn có năng su t cao và m b o ấ đả ả chất lượng

và an toàn thực phẩm cho người sử ụ d ng

1.1.2 Tình hình sản x ất và tiêu thụ cồn ở Việt Nam u

a) Tình hình sản xuất

Ở Vi t Nam có khá nhi u nhà máy s n xu t c n vệ ề ả ấ ồ ới quy mô tương đố ới l n Hiện nay, h u hầ ết các nhà máy đều cải tiế ể nâng cao năng suấn đ t và công su t Bên ấ

cạnh đó, cũng có rất nhiều cơ sở nhỏ ẻ l khác tham gia s n xuả ất để đáp ứng đủ nhu

c u c a th ầ ủ ị trường Theo nghiên c u cứ ủa VIRAC, 3 tháng đầu năm 2019, sản xuất rượu tăng 8,6% so v i cùng k ớ ỳ năm trước [3], điều này cho th y, s n xuấ ả ất rượu trong nước cũng vẫn đang trong đà phát triển

b) Tình hình tiêu thụ

Lượng tiêu th rưụ ợu bình quân đầu ngườ ởi Vi t Nam là cao trên th gi i, năm ệ ế ớ

2016, bình quân mỗi người trên 15 tu i tiêu th h t 9 lít c n, ổ ụ ế ồ cao hơn cả lượ ng tiêu th ụbình quân đầu ngườ ủi c a th gi i (Hình 1.3) ] Theo nghiên c u c aế ớ [4 ứ ủ VIRAC, 3 tháng đầu năm 2019, tiêu thụ rượu tăng 8,95% so v i cùng k ớ ỳ năm trước [3], i u này m t đ ề ộ

l n n a khầ ữ ẳng định, cần quan tâm đẩy m nh nghiên c u các quy trình s n xuạ ứ ả ất rượu an toàn khi mà lượng tiêu th ụ rượu/cồn như là một lo i th c phạ ự ẩm, đồ ố u ng liên tục tăng cao

4

Hình 1.3 Tiêu th ụ rượu bình quân đầu người ở Việt Nam và thế ới gi

(Người trên 15 tuổi, tính theo lít cồn tuyệ ốt đ i)

*Ghi chú: T l ỉ ệ trên thế ớ gi i, t l Vi t Nam ỉ ệ ở ệ

1.2 Công ngh s n xu ệ ả ấ t cồ n

1.2.1 Nguyên liệu chính trong sản xuất cồn

C n có th ồ ể được sản xuất bằng con đường t ng h p hóa hổ ợ ọc hoặc bằng lên men Nguyên li u ch yệ ủ ếu để ả s n xu t c n bấ ồ ằng phương pháp lên men là các nguyên liệu chứa đường (r ỉ đường, c củ ải đường ), tinh b t (g o, lúa, ngô, s n ), ho c cenlulose ộ ạ ắ ặ(rơm, rạ ) Luận văn này sử ụ d ng v t li u nghiên c u là g o, vì v y tác gi s ch t p ậ ệ ứ ạ ậ ả ẽ ỉ ậtrung trình bày v nguyên li u này Bên c nh ề ệ ạ đó, nấm men và các lo i enzym phù hạ ợp cũng là những nguyên li u không th thi u ệ ể ế

a) Gạo

G o không ch ạ ỉ được sử ụng như mộ ức ăn thiết yế d t th u mà t ừ lâu đã được sử ụng như d

m t nguyên li u quan trộ ệ ọng để ả s n xuất rượu C n s n xu t t gồ ả ấ ừ ạo đượ ử ục s d ng trong công nghi p th c phệ ự ẩm để ả s n xu t nhấ ững đồ ố u ng có c n có chồ ất lượng cao, ngoài ra cũng được sử ụng để ả d s n xu t d m ấ ấ

5

Hình 1.4 G o t ạ ẻ Hình 1.5 C u trúc tinh bấ ột gạo

Kích thước c a h t tinh b t trong g o t 2-ủ ạ ộ ạ ừ 10 µm, hàm lượng tinh b t (65-85%), ộprotein (5-10%), lipid (0,4-0,6%), llulose ce (0,6-0,8%) Tinh b t g o g m có hai ộ ạ ồloại: amylose (13-35%) và amylopectin chi m trên 65% tùy thu c vào t ng lo i g o ế ộ ừ ạ ạ[5]

Hình 1.6 N m men Saccharomyces cerevisiae ấ

6

c) Chế phẩm enzyme

Enzyme quan tr ng trong s n xuọ ả ất cồ ừn t nguyên li u tinh b t là amylase Nó xúc ệ ộtác s ự ủth y phân c a tinh b t ủ ộ thànhđườ Amylase đượng c chia là 3 loạ αi: -amylase, β-amylase, γ-amylase [7]

Các α - amylase (1,4 α- - D -glucan glucanohydrolase; glycogenase)

là canxi metalloenzymes B ng cách hoằ ạt động t i các v trí ng u nhiên d c theo chuạ ị ẫ ọ ỗi tinh bột, α-amylase phá v ỡ các saccharit chuỗi dài, cu i cùng thu ốđược maltotriose và maltose từamylose hoặc maltose, glucose t amylopectin D ng ừ ạ

α-amylase cũng được tìm th y trong th c v t, vi khu n (ấ ự ậ ẩ Bacillus) và nấm (Ascomycetes và Basidiomycetes)

γ -Amylase

γ-Amylase (glucan 1,4-α-glucosidase; amyloglucosidase; exo -1,4-αglucosidase; glucoamylase; lysosomal α-glucosidase; 1,4- - D -glucan αglucohydrolase) s c t các liên kẽ ắ ết glycosid, cũng như liên kết glycosidic cuối cùng ở

-đầu không kh amylose và amylopectinử , thu được glucose γ Amylase có độ- pH t i ố

ưu axit nhất trong t t c các amylase vì nó ho t đ ng m nh nh t xung quanh pH 3 ấ ả ạ ộ ạ ấ

7

Ngoài ra, enzyme protease cũng là enzyme có vai trò trong quy trình SLSF-VHG Đây

là nhóm enzyme có kh ả năng cắt m i liên k t peptide (-CO~NH-) trong các phân t ố ế ửpolypeptide, protein và m t s ộ ố cơ chất tương tự thành các amino axit t do ho c các ự ặpeptide phân t p [9] Nh ử thấ ờ đó, nó giúp phá vỡ các l p protein bao quanh h t tinh ớ ạ

b t, giúp enzyme amylase d dàng tiộ ễ ếp xúc để phân c t tinh bắ ột thành đường, đồng thờ ạo ra các Nitơ amin tựi t do (FAN) là ngu– ồn Nitơ mà nấm men có th s d ng ể ử ụ[1 [10], 1]

d) Các nguồn dinh dưỡng

Tùy thu c thành phộ ần dinh dưỡng c a dủ ịch hèm trước khi lên men mà người ta có th ể

b sung thêm các nguổ ồn dinh dưỡng Nitơ, Phốt pho… cho nấm men hoạt động hiệu

qu ả[12]

1.2.2 Công nghệ sản xuất cồn truyền thống

Công ngh s n xu t c n truy n thệ ả ấ ồ ề ống được mô t trong hình 1.9 ả và được chia thành các công đoạn chính sau:

- D ch hóa ị : trong các d ng nguyên liạ ệu như gạo, ngô, khoai, sắn… hạt tinh b t luôn ộ

n m trong các màng t bào Khi nghi n, ch m t phằ ế ề ỉ ộ ần các màng đó bị phá v , ph n l n ỡ ầ ớmàng t bào còn l i s ế ạ ẽ ngăn cản s p xúc c a các enzyme amylase v i tinh b t Mựtiế ủ ớ ộ ặt khác, ng thái không hòa tan, amylase tác d ng lên tinh b t r t ch m và kém hiở trạ ụ ộ ấ ậ ệu

qu Vì v y, mả ậ ục đích của n u nguyên li u là nh m phá v màng t bào c a tinh b ấ ệ ằ ỡ ế ủ ột,

tạo điều kiện biến chúng thành tr ng thái hòa tan trong d ch [13 ạ ị ]

- Đườ ng hóa: sau khi d ch hóa xong, h t tinh b t trong dị ạ ộ ịch cháo đã chuyển sang trạng thái hòa tan, nhưng chưa thể lên men tr c tiự ếp để biến thành rượu được mà phả ải tr i qua quá trình th y phân do xúc tác củ ủa enzym glucoamylase để ạ t o thành đường Quá trình này có vai trò quan tr ng trong công ngh s n xu t c n etylic b i ọ ệ ả ấ ồ ở

nó quyết định hi u su t thu hệ ấ ồi rượu do gi m b t hoả ớ ặc gia tăng đường và tinh bột sót sau lên men [13 ]

8

Hình 1.9 Quy trình sản xu t cồấ n truy n th ng ề ố

- Lên men: dưới tác d ng c a nụ ủ ấm men, đường s ẽ được chuyển hóa thành rượu và khí cacbonic cùng với nhi u s n phề ả ẩm trung gian khác Lên men xong, thu được h n h p ỗ ợ

gồm rượu - nướ –c bã, gọi là dịch dấm chín hay cơm hèm [13]

- Chưng cấ t: là quá trình tách rượu và các t p ch t d ạ ấ ễ bay hơi như: este, aldehyt, alcol cao phân tử… khỏ ấi d m chín K t qu là nhế ả ận được rượu thô hay c n thô Tinh ch ồ ếhay tinh luy n là quá trình tách các t p ệ ạ chất kh i c n thô và nâng cao nỏ ồ ồng độ ồ c n [13]

* Quy trình s n xuả ất cồ truyền n th ng có m t s h n ch ố ộ ố ạ ế như sau:

+ Tiêu th mụ ột lượng lớn năng lượng cho quá trình d ch hóa: gia nhiị ệt dịch từ 300C lên 95-1050C và duy trì dich cháo nhiở ệ ột đ đó trong vòng 60 phút

+ T n th t mổ ấ ột lượng đường và axit amin do ph n ng Maillard ả ứ

+ C n mầ ột lượng lớn nước làm mát

+ C n nhi u thầ ề ời gian để ạ h nhi t ệ

+ Tốn kém chi phí đầu tư thiế ị ban đầt b u do các quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men ở trong các thiết bị khác nhau

9

Nhằm kh c ph c nh ng h n ch trên c a quy trình s n xu t c n truy n th ng, các nhà ắ ụ ữ ạ ế ủ ả ấ ồ ề ốkhoa học đã tiến hành nhi u nghiên cề ứu đ tìm ra các phương pháp mớể i, m t trong các ộphương pháp đó là quy trình đường hóa và lên men đồng th i (SLSF)[14], 5] ờ [1

1.2.3 Công nghệ Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời (SLSF)

a) Đặc điểm của quy trình

Đây là một phương pháp mới để ả s n xu t c n ti t kiấ ồ ế ệm năng lượng V i ớphương pháp này, cả 3 quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men được k t h p l i ế ợ ạtrong một công đoạn duy nh t, trong cùng mấ ột thi t bế ị và cùng m t nhi t đ ở ộ ệ ộ

Hình 1.10 Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng th i (SLSF) ờ

Sau khi tr n b t g o vộ ộ ạ ới nước, ta b sung thêm enzym alpha-amylase và gluco-ổamylase n chhư ế ẩ ph m Stargen 002 (Dupont), enzym có kh ả năng thủy phân tinh b t ộthành đường glucose ngay c khi tinh bả ột chưa được h ồ hóa Đồng th i, n m men và ờ ấcác chất dinh dưỡng cũng được bổ sung vào trong d ch lên men ị

Để nâng cao hi u qu c a quy trình, nhi u công trình nhiên c u v quá trình D ch hóa, ệ ả ủ ề ứ ề ịĐường hóa và Lên men đồng th i nờ ở ồng độ ch t khô cao (SLSF-ấ VHG) đã được th c ự

hi n ệ

* Quy trình SLSF-VHG có một số ưu điểm sau:

10

- Giảm chi phí đầu tư thiết bị ban đầu (do giảm số lượ ng thiết bi sử ụ d ng)

- Tiế ệm năng lượt ki ng cho quá trình dịch hóa, đường hóa (do th c hiự ện đồng thời ở

300C)

- t kiTiế ệm năng lượng chưng cất (do giảm lượng d ch hèm vị ới cùng 1 lượng chất khô

s d ng) ử ụ

- Giảm thao tác các công đoạn (dich hoá, đường hóa, làm ngu i) ộ

- Giảm tổ thấn t trong s n xuả ất (nhiệt, phản ứng Maillard)

- Giảm lượng nướ ử ụng đểc s d làm ngu i dộ ịch cháo cũng như lượng nước th i Bên ả

cạnh đó, công nghệ ị D ch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời còn có ưu điểm nổi

bật là đường lên men tạo ra đến đâu được n m men s dấ ử ụng và lên men đến đó nên

n m men không ph i ch u áp su t th m thấ ả ị ấ ẩ ấu cao như trong quá trình lên men theo công nghệ ệ hi n hành

* Nhược điểm: Quy trình SLSF-VHG s d ng nguyên li u là tinh b t s ng nử ụ ệ ộ ố ở ồng độcao nên có kh ả năng bột b l ng ch t làm giàm kh ị ắ ặ ả năng tiếp xúc c a enzyme vủ ới nguyên li u, enzyme khó ti p c n nguyên li u tinh b t sệ ế ậ ệ ộ ống để y phân, i gian lên thủ thờmen có thể ị b kéo dài C n có thêm các nghiên c u v vầ ứ ề ấn đề này

b) Những yếu tố ảnh hưởng tới quy trình sản xuất cồn theo công nghệ SLSF

Các y u t ế ố ảnh hưởng t i quy trình SLSF bao g m: nhiớ ồ ệt độ, pH ban đầu,

nồng độ enzyme, s t bào n m men s dố ế ấ ử ụng, dinh dưỡng n m men, nấ ồng độ cơ chất, tố ộc đ khu y ấ

- Ảnh hưởng c a nủ ồng độ enzyme: Trong điều ki n thệ ừa cơ chất, v n t c th y phân ậ ố ủ

ph thu c tuy n tính vào nụ ộ ế ồng độ enzyme Tuy nhiên, nếu tăng nồng độ enzyme đến

m t giá tr ộ ị nào đó thì vậ ốn t c thủy phân không còn tăng nữa Lúc này, nồng độ enzyme

đã bão hòa với nồng độ cơ chất Trong quá trình th y phân tinh b t, ta ch c n m t ủ ộ ỉ ầ ộ

m c th y phân nhứ ủ ất định, do v y c n tìm m t nậ ầ ộ ồng độ enzyme hợp lý để tránh gây lãng phí enzyme [7]

- Ảnh hưởng c a nủ ồng độ enzyme và lượng n m men: Hai y u t này có liên quan ấ ế ốchặt ch n nhau N u nẽ đế ế ồng độ Stargen 002 quá cao trong khi lượng n m men ấthấp thì tốc độ đường hóa tạo đường kh c a enzyme s ử ủ ẽ nhanh hơn tốc độ lên men tiêu th ụ đường kh c a n m men, d n t i s ử ủ ấ ẫ ớ ự tăng nồng độ đường kh trong ử môi trường, d gây nhi m t p và có th c ch s ễ ễ ạ ể ứ ế ự sinh trưởng phát tri n c a n m ể ủ ấmen Trong trường hợp ngược l i, quá trình lên men s b ạ ẽ ị đình trệ do lượng đường

11

t o ra nh ạ ỏ trong khi lượng t bào n m men l n K t qu làm ch m và gi m hi u suế ấ ớ ế ả ậ ả ệ ất

c a quá trình lên men, không có lủ ợi về ặ m t kinh tế Do đó, lượng enzyme và lượng

n m men thíấ ch hợ ẽ cho hiệp s u su t lên men cao nh t [7],[16] ấ ấ

- Ảnh hưởng c a nủ ồng độ cơ chất: N u nế ồng độ cơ chất th p s không có l i v mấ ẽ ợ ề ặt kinh t Tuy nhiên n u nế ế ồng độ cơ chất quá cao l i gây kìm hãm hoạ ạt động của enzyme, giảm hi u su t thệ ấ ủy phân Do đó, một nồng độ cơ chấ ợt h p lý s cho ta hi u ẽ ệ

qu ảcao nhất [7]

- Ảnh hưởng c a nhiủ ệt độ: Nhiệt độ có ảnh hưởng l n t i hoớ ớ ạt động c a enzyme ủ

và n m men Các lo i enzyme và n m men s d ng trong quy trình này có chung ấ ạ ấ ử ụkho ng tả ối ưu là 30-350C Vì v y, c n dậ ầ ịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ởnhiệ ột đ kho ng 30ả 0C để cho hi u qu lên men t t nh t ệ ả ố ấ

- Ảnh hưởng của pH: Cũng giống như đối v i các lo i enzyme khác, pH có nh ớ ạ ảhưởng t i hoớ ạt động c a h enzyme th y phân tinh b t nhi t th p có trong ủ ệ ủ ộ ở ệ độ ấStargen 002 Ngoài ra, pH cũng có ảnh hưởng l n t i hoớ ớ ạ ột đ ng của nấm men Các ion H+ làm thay đổi điện tích các ch t c a v t bào nấ ủ ỏ ế ấm men, làm tăng hoặc gi m m c đ ả ứ ộthẩm th u c a các chấ ủ ất dinh dưỡng cũng như chiều hướng c a quá trình lên men ủTrong điều kiện lên men rượu, pH tối ưu để ạ t o etylic n m trong kho ng 4,5 5,0 ằ ả –

V i kho ng pH này, n m men s ớ ả ấ ẽ sinh trưởng và phát tri n m nh Nể ạ ếu pH tăng sẽ làm tăng khả năng nhiễm t p, t o ra nhiạ ạ ều glyxerin do đó làm giảm hi u su t lên men ệ ấ[7],[16]

- Ngoài ra, vì b t gộ ạo chưa hồ hóa có tốc độ ắ l ng r t nhanh, c n tr s p xúc cấ ả ở ự tiế ủa enzyme với cơ chất Vì v y, tậ ốc độ khuấy cũng có khả năng ảnh hưởng t i th i gian ớ ờlên men hoặc/và hiệu suất của quá trình

1.3 K t qu ế ả đã nghiên cứ u về quy trình SLSF- VHG

1.3.1 Một số kết quả đã công bố trên thế giới

Năm 2011, Vipul Gohel và Gang Duan [14] đã thực hi n tệ ối ưu hóa ộ ế ốm t y u t

là lượng enzyme Stargen 002 đố ới v i quy trình SLSF s d ng g o n và h t kê v i ử ụ ạ Ấ Độ ạ ớcác thông s : nố ồng độchất khô 25% (b t g o ộ ạ Ấn Độ (68,45% tinh b t) và b t h t kê ộ ộ ạ(60% tinh bột) và nước RO) Độ pH được điều ch nh thành 4,5 b ng Hỉ ằ 2SO4 6 N N ng ồ

độ Stargen 002 (GSHE) là 1,5, 2,0, 2,5 và 3,0 kg trên m i t n nguyên liỗ ấ ệu đã được s ử

d ng cho c hai loụ ả ại ngũ cốc Đồng th Fermgen (protease), 0,2 kg m i tời ỗ ấn ngũ cốc; urê, 400 ppm; và men khô đã hoạt hóa, 0,25% đã được thêm vào Bình được đậy b ng ằ

12

nút vô trùng và trọng lượng ban đầu được ghi lại trước khi 32 ± 2°C trong máy lủ ở ắc quay tở ốc độ 300 vòng / phút Kết quả cho thấy, lượng Stargen 002 s d ng 2,5 kg/tử ụ ấn nguyên li u là tệ ối ưu và cho độ ồn là 11,93% đố ớ ạo, 10,46% đố ớ c i v i g i v i kê Nghiên

c u này ứ đã chứng minh quy trình SLSF có th ể được th c hi n trên các ngu n nguyên ự ệ ồliệu ch a tinh bứ ột khác nhau và tìm ra được lượng ch ph m Stargen 002 tối ưu trên ế ẩđiều ki n các thông s khác c ệ ố ố định, nhưng chưa xét đến s ự ảnh hưởng đồng th i c a ờ ủcác yế ốu t khác lên quy trình

Năm 2018, Moreno J.L và cộng s ự đã nghiên cứu quy trình SLSF- VHG trên tinh b t s n v i thông s : Nộ ắ ớ ố ồng độchất khô 300 g/l, b sung enzyme, n m men khô, ổ ấ

KH2PO4 và Ure Trong các điều ki n này, quy trình SLSF-VHG k t thúc sau 160 gi ệ ế ờ

và đạt được hàm lượng ethanol 17,6% v/v tương ứng với 88,1% độ ồ c n lý thuy t [17] ếNghiên cứu đã cho thấy, quy trình có th áp d ng trên ngu n nguyên li u ch a tinh bể ụ ồ ệ ứ ột

là s n và cho hi u su t t o c n khá t t Tuy nhiên, nghiên c u m i d ng lắ ệ ấ ạ ồ ố ứ ớ ừ ại ở ệc vi

kh o sát quy trình trên nguyên li u sả ệ ắn và chưa tìm được các thông s nguyên li u tố ệ ối

ưu để áp d ng hi u qu nh t ụ ệ ả ấ

1.3.2 Một số kết quả đã công bố ở Việt Nam

Năm 2016, Chu Kỳ Sơn và cộng s [15] ự đã thực hi n kh o sát quy trình SLSF ệ ả(hàm lượng ch t khô 186,9 g/l) và quy trình ấ SLSF-VHG (hàm lượng ch t khô 311,5 ấg/l) trên nguyên li u b t g o và xây dệ ộ ạ ựng được quy trình SLSF-VHG các thông số: Hàm lượng ch t khô là 311,5 g/l, h n h p alpha amylase và gluco-amylase (Stargen ấ ỗ ợ

002 991,8 GAU/kg RF), gluco-amylase (Amigase Mega L 0.035% w/w), protease ở ở(Fermgen 600 SAPU/kg RF), n m men khô ở ấ Saccharomyces cerevisiae (Red Ethanol

ở 3,5 × 107 TB/ml), KH2PO4 ,8 mM) and urea (16,(4 0 mM/ml) Trong các điều kiện này, quy trình SLSF-VHG k t thúc sau 120 gi ế ờ và đạt được hàm lượng ethanol 17,6% v/v tương ứng với 86,3% độ ồ c n lý thuy t ế Ở quy mô 25 lít đạt được hàm lượng ethanol 17,0% v/v tương ứng v i hi u suớ ệ ất 83,2% độ ồ c n lý thuy t Trong nghiên c u ế ứnày, các tác gi ả đã chỉ ra r ng, ngoài 2 enzyme khong th thiằ ể ếu đối v i quy trình ớSLSF-VHG là Alpha am- ylase và Gluco- yam lase thì ệ vi c b sung thêm enzyme ổprotease là có ý nghĩa Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng cho thấy vi c b sung thêm ệ ổBeta-glucanase là không c n thi ầ ết, bước đầu đã ẳng đị đượkh nh c tính kh thi c a quy ả ủtrình SLSF-VHG với đối tượng là g o, ng th i, l a chạ đồ ờ ự ọn được nguyên liệu và điều

ki n phù h pTuy nhiên, quy trình có s dệ ợ ử ụng Ure (không được phép s d ng trong sử ụ ản

13

xu t c n th c phấ ồ ự ẩm);các thông s l a chố ự ọn để khảo sát chưa thể ế k t lu n là thông s ậ ố

tối ưu cho quy trình: lượng enzyme, n m men s dấ ử ụng đang ở ứ m c cao so v i khuy n ớ ếngh c a nhà s n xu t, hi u su t thu h i m i ch ị ủ ả ấ ệ ấ ồ ớ ỉ đạt 86%, đây là 2 yế ốu t có kh ả năng

tối ưu được ] [15

- Năm 2015, Lê Thanh Mai và c ng s ộ ự đã nghiên cứu s ự ảnh hưởng c a các y u t ủ ế ốtrên đến quy trình SLSF b ng vi c s d ng quy ho ch th c nghi m theo ma tr n ằ ệ ử ụ ạ ự ệ ậHADAMARD K t qu cho th y SLSF 4 y u t ế ả ấ ế ố ảnh hưởng l n nh t là: Nớ ấ ồng độ chất khô ban đầu, lượng Stargen 002, Fermgen và n m men s d ng và y u t ít ấ ử ụ ế ố ảnh hưởng

nhất lượng Ure b sung [18] (hình 1.11) Trong hình 1.11 các ký hi u b1, b2, b3, b4, ổ ệb5, b6, b7 lần lượt là h s ệ ố ảnh hưởng c a các y u t nủ ế ố : ồng độ chất khô; lượng cácenzyme Stargen 002; Fermgen; Amigase Mega L; lượng nấm men; lượng Ure b sung, ổ

pH ban đầu c a d ch lên men lên nủ ị ồng độ ồn thu đượ c c trong quy trình SLSF nghiên ở

cứu đó

Hình 1.11 Ảnh hưởng c a các y u t n nủ ế ố đế ồng độ ồ thu đượ c n c

Như vậy đã có mộ ốt s nghiên c u v quy trình SLSF-VHG, các nghiên cứ ề ứu đã chứng minh được hi u qu và tính kh thi c a quy trình, tuy nhiên, ệ ả ả ủ chưa có nghiên cứu nào đưa ra lượng Enzyme và N m men tấ ối ưu cho quy trình Hơn nữa, các nghiên c u ứcũng ít chú ý vào phân tích t l ỷ ệ ảnh hưởng c a các y u t ủ ế ố cũng như quy luật ảnh hưởng của đồng th i các y u t t i hi u su t c a quy trình Bên cờ ế ố ớ ệ ấ ủ ạnh đó, việc s d ng ử ụUrê làm nguồn dinh dưỡng N cho nitơ ấm men là chưa phù hợp quy định v ề an toàn để

s n xu t c n ả ấ ồ thực ph m Vì v y trong nghiên c u này, chúng tôi s kh o sát thay th ẩ ậ ứ ẽ ả ế

ho c lo i b nguặ ạ ỏ ồn Nitơ Urê ủ c a quy trình SLSF- VHG, phân tích quy luật ảnh hưởng

14

c a các y u t Stargen 002, Fermgen và N m men t i hi u su t o củ ế ố ấ ớ ệ ất ạ ồn cũng như chi phí nguyên li u và giá ru t s n phệ ộ ả ẩm, đồng thời đưa ra mứ ối ưu củc t a các thông s ốnày cho hai m c tiêu trên nh m nâng cao hi u qu quy trình ụ ằ ệ ả

1.4 T ng quan v ổ ề phương pháp quy hoạ ch th c nghi m ự ệ

1.4.1 Tổng quan về phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi

a) Ý tưởng của phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi

Phương pháp thiết k th c nghiế ự ệm Taguchi được phát tri n b i Genichi ể ởTaguchi, mộ ỹ sư ngườt k i Nh t vào cu i nhậ ố ững năm 40 của th k 20 ế ỷ [27] Taguchi cho r ng kho ng sai l ch gi a giá tr c t v i giá tr m c tiêu c a mằ ả ệ ữ ị thự ế ớ ị ụ ủ ột đại lượng là

một tổn thất cần kh c phắ ục, do đó ông đã đưa ra dạng hàm t n th t là hàm bổ ấ ậc 2:

L= k.(y y– 0)2 -1) (1Với k, y, y0 lần lượt là h s t n thệ ố ổ ất, giá trị đo và giá trị ục tiêu m

k t h p c a các y u t ng t i hàm m c tiêu Theo phương pháp Taguchi, sự ế ợ ủ ế ố ảnh hưở ớ ụ

được th c hi n thông qua các m ng tr c giao (OAs), ký hi u t ng quát m ng tr c giao ự ệ ả ự ệ ổ ả ự

là Ln(xy), trong đó: n số hàng trong mảng tương ứng s thí nghi m, x s m c trong c t, ố ệ ố ứ ộ

y s y u t tố ế ố ối đa trong mảng Ví d xét 3 y u t và m i y u t 2 m c thì m ng trụ ế ố ỗ ế ố ứ ả ực giao là L4(23), 7 y u t và m i y u t 2 m c thì m ng tr c giao là L8(2ế ố ỗ ế ố ứ ả ự 7); xét 3 y u t ế ố

và m i y u t 3 m c thì m ng tr c giao là L9(3ỗ ế ố ứ ả ự 3), 4 y u t và m i y u t 3 m c thì ế ố ỗ ế ố ứ

m ng tr giao là L9(3ả ực 4)

ng tr

Đặc tính của mả ực giao:

- S trong m ng miêu t mố ả ả ức của các yế ốu t

- Hàng miêu tả điề u ki n th nghi m ệ ử ệ

- Cột chứa các yế ố đang khảu t o sát

- Cột của mảng là tr c giao ự

- Mỗi mảng dùng cho nhi u tình hu ng th c nghi m ề ố ự ệ

Các c t c a m ng là tr c giao ho c cân bộ ủ ả ự ặ ằng, điều này có nghĩa là trong mộ ột c t

có s ng các mố lượ ức là tương đương Giữa 2 c t b t k ộ ấ ỳ cũng phải cân bằng, điều này

có nghĩa rằng các m c k t h p t n t i v i s lư ng b ng nhau ứ ế ợ ồ ạ ớ ố ợ ằ

Các k t qu ế ả thử nghiệm được phân tích bằng phương pháp thống kê thông qua việc tính t l tín hi u/nhi u (S/N) T l S/N là t l gi a giá tr trung bình c a tín hi u (S) ỷ ệ ệ ễ ỉ ệ ỉ ệ ữ ị ủ ệ

với độ ệ l ch chuẩn (N), nó dùng để đo lường ảnh hưởng c a các y u t ủ ế ố đầu vào đến

15

hàm m c tiêu Thông qua vi c tụ ệ ối đa hóa tỷ ệ l S/N thì hàm t n th t s là t i thi u, khi ổ ấ ẽ ố ể

đó chất lượng h th ng s ệ ố ẽ được c i thi n T l S/N ph thuả ệ ỉ ệ ụ ộc vào đặc trưng chất lượng

c a h ng trong quá trình tủ ệthố ối ưu Có 3 đặc trưng chất lượng ng v i hàm m c tiêu ứ ớ ụ

mà Taguchi nghiên cứu cho b ng 1.1 ở ả

Trong đó: S/N, yi, y, 2, n lần lượt là: t l tín hi u/ nhi u; giá tr ỷ ệ ệ ễ ị đo của th nghiử ệm

th ; ứ i giá tr trung bình c a các lị ủ ần đo; phương sai và ố ầ ặs l n l p c a th nghi m th iủ ử ệ ứ Quá trình thiết kế chất lượng theo phương pháp Taguchi gồm 3 giai đoạn:

- Giai đoạn 1 Thi t k h ng ế ế ệthố

Giai đoạn này giúp ta nh n biậ ết đặc điểm củ ệ thốa h ng, hàm m c tiêu và ch n các ụ ọ

y u t ế ố ảnh hưởng

- Giai đoạn 2 Thi t k tham s ế ế ố

Giai đoạn này cho phép ta thi t l p các m c t t nh t cho các y u t ế ậ ứ ố ấ ế ố ảnh hưởng,

tối ưu hóa và thiế ế các phương pháp thí nghiệm đồt k ng th i làm cho h ng không ờ ệthố

nh y cạ ảm với nhiễu mà không làm tăng chi phí

- Giai đoạn 3 Thi t k dung sai ế ế

Giai đoạn này giúp ta cân b ng ằ chất lượng và chi phí đồng th i thi t l p hàm tờ ế ậ ổn

th t, phân tích tấ ỷ ệ S/N và đo sự ả l gi m biến thiên quanh giá tr m c tiêu ị ụ

b) Các bước cơ bản tiến hành thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi

Bước 1:Xác định hàm mục tiêu, giá trị mong mu n và các y u t ố ế ố ảnh hưởng t i nó ớ

Bước 2: Xác định m c c a các y u t , l a ch n m ng trứ ủ ế ố ự ọ ả ực giao và các điều ki n th ệ ửnghiệm

điều ki n th nghi m ệ ử ệ

2

1 1/ 10log( )

21/ 10log( i )

n

16

Bước 4: Phân tích d u, d báo mữliệ ự ức độ và chất lượng tối ưu

Bước 5:Thực nghi m xác minh và l p k hoệ ậ ế ạch hành động ti p theo ế

1.4.2 Sơ lược về tối ưu đa mục tiêu

Quá trình thi t k tế ế ối ưu công nghệ và s n ph m h u hả ẩ ầ ết được đánh giá bởi nhiều hơn một tiêu chí chất lượng, để ự l a ch n các thi t k t t nh t và m c các y u t nh ọ ế ế ố ấ ứ ế ố ảhưởng đến m c tiêu mong mu n c n phụ ố ầ ải tính đến đồng th i t t c các ch tiêu ch t ờ ấ ả ỉ ấlượng, điều này được g i là tọ ối ưu hóa nhiều mục tiêu Thông thường có 4 nhóm ti p ế

cận chính hay được sử ụng để ối ưu đồ d t ng thời nhiều mục tiêu:

1 Nhóm ti p cế ận liên quan đến phương pháp đáp ứng b m ề ặt

2 Nhóm tiế ậ ử ụp c n s d ng hàm ho c giá tr m c tiêu mong mu n ặ ị ụ ố

3 Nhóm sử ụng các phương pháp số d

4 Nhóm tiế ậ ử ụp c n s d ng lý thuy t thiế ết kế ối ưu bề ữ t n v ng c a Taguchi ủ

+ Nhóm ti p c n s dế ậ ử ụng các đáp ứng b m tề ặ (Contour Plot Optimization - CPO): S ử

d ng mụ ỗi đáp ứng c a các thí nghi m và v ủ ệ ẽ các đường bao của chúng, xác định các vùng tối ưu riêng lẻ B ng cách ch ng các vùng tằ ồ ối ưu riêng lẻ ứ ng v i t ng hàm mớ ừ ục tiêu con lên nhau ta có th tìm th y m t khu v c t t nh t phù h p vể ấ ộ ự ố ấ ợ ới đồng th i nhiờ ều tiêu chí riêng l và s chênh l ch v i vùng mong mu n là nh H n ch c a CPO là s ẻ ự ệ ớ ố ỏ ạ ế ủ ố

mục tiêu đồng thời được đáp ứng là nh ỏ (thường là 2) và s ố lượng các y u t nh ế ố ảhưởng cũng nhỏ, v i nhi u y u t ớ ề ế ố ảnh hưởng và nhi u m c tiêu thì CPO ề ụ đáp ứng không t ốt

+ Nhóm ti p c n s d ng các hàm ho c giá tr m c tiêu mong muế ậ ử ụ ặ ị ụ ốn: Được thực

hi n b ng vi c tính toán giá tr mong mu n thông qua m t hàm h i quy r i so sánh vệ ằ ệ ị ố ộ ồ ồ ới

t ng k t qu thí nghi m Các k t qu n m trong vùng gi i h n trên ừ ế ả ệ ế ả ằ ớ ạ và dưới có giá tr ịmong muốn quy ước là 1 Ngượ ạc l i, các k t qu n m ngoài vùng gi i h n này có giá ế ả ằ ớ ạtrị mong mu n b ng 0 Các k t qu khác n m trong vùng gi i h n có giá tr gi a 0 và ố ằ ế ả ằ ớ ạ ị ữ

1 Giá tr trung bình hình h c c a các k t qu mong muị ọ ủ ế ả ốn ứng với các đá ứp ng khác nhau m i l n tính toán s ở ỗ ầ ẽ là thước đo của đáp ứng mong mu n t ng th Mô hình hố ổ ể ồi quy đượ ử ụng để ối ưu hóa đồc s d t ng th i t t c ờ ấ ả các đáp ứng khác nhau Ưu điểm c a ủhướng ti p cế ận này là có cơ sở toán h c rõ ràng Các hàm họ ồi quy thu được là t ng ườminh

+ Nhóm ti p c n s dế ậ ử ụng phương pháp số: Hướng ti p c n này ch y u d a trên các ế ậ ủ ế ự

gi i thu t tìm kiả ậ ếm đa mục tiêu như Logic mờ, GA, quy ho ch phi tuy n SQP, PSO, lý ạ ế

17

thuyết trò chơi…vv Với hướng ti p c n này các bài toán vế ậ ớ ối s lư ng bi n l n và s ợ ế ớ ố

m c tiêu nhi u có th gi i quyụ ề ể ả ết được Ph m vi áp d ng cạ ụ ủa hướng ti p cế ận này tương

đố ội r ng Với phương pháp quy hoạch phi tuy n SQP ta cế ần các điều kiện đầu và kho ng tìm kiả ếm cho trước, còn với phương pháp dùng giải thu t GA, PSO các biậ ến đượ ạc t o ra m t cách ng u nhiên, k t qu tộ ẫ ế ả ối ưu thu được n m trong kho ng rằ ả ộng (đôi khi là toàn cục) Ưu điểm của hướng ti p c n s là giế ậ ố ải được nhi u l p bài toán và chi ề ớphí th p, các k t qu ấ ế ả thu được g n sát v i giá tr m c tiêu, tuy nhiên nó không liên tầ ớ ị ụ ục

và đòi hỏ ỹ năng lậi k p trình t t ố

+ Nhóm ti p c n s d ng lý thuy t thi t k tế ậ ử ụ ế ế ế ối ưu bền v ng Taguchi ữ [7],[27]: Dựa trên vi c thi t k ệ ế ế các điều ki n th nghi m thông qua m ng tr c giao và s d ng ệ ử ệ ả ự ử ụphương pháp thống kê th c nghi m qua vi c tính t l Tín hi u/ nhi u ự ệ ệ ỷ ệ ệ ễ (S/N), đồng th i ờđưa ra mô hình hàm tổn th t là hàm b c 2 M c tiêu cấ ậ ụ ủa phương pháp Taguchi là tối thiểu hóa hàm t n thổ ất, khi đó chất lượng h th ng s ệ ố ẽ được c i thi n Nh m m c tiêu ả ệ ằ ụ

tối ưu hóa đồng th i nhi u m c tiêu Ranjit K Roy [27] ờ ề ụ đã đưa ra một ch s ỉ ố đánh giá

t ng th OEC có th i di n cho nhi u m c tiêu vổ ể ể đạ ệ ề ụ ới các đặc trưng chất lượng khác nhau Quy trình th c hi n vi c tính m c tiêu t ng th ự ệ ệ ụ ổ ể OEC là đơn giản, d phân tích ễ

k t quế ả, nó tương đối phù h p trong s n xu t, tuy nhiên vi c s d ng các tr ng s ợ ả ấ ệ ử ụ ọ ốmang tính chủ quan c a ngưủ ời thiế ết k

Dưới đây là sơ đồ tóm t t 1 s ắ ố hướng ti p c n cho bài toán tế ậ ối ưu đa mục tiêu (hình 1.12 )

18

1.4.3 Tiêu chuẩn đánh giá toàn diện (OEC)

Nhu c u v mầ ề ột phương pháp đánh giá tổng th phát sinh khi có nhiể ều hơn một

m c tiêu k v ng s ụ ỳ ọ ẽ được đáp ứng Trong th c t nhiự ế ều đánh giá có thể ử ụ s d ng tiêu chí trung bình, tuy nhiên vi c s dệ ử ụng tiêu chí đánh giá trung bình như vậ ạy l i không

ph bi n trong k ổ ế ỹthuật và khoa học vì:

Các đơn vị đo lường c a các tiêu chí trong m t vủ ộ ấn đề ỹ k thuật thường không

gi ng nhauố : Ví d ụchiều dài đo bằng m, áp suất đo bằng Pa, vì th vi c k t h p chúng ế ệ ế ợkhông d dàng ễ

Trọng s ố tương đố ủi c a các m c tiêu là không gi ng nhauụ ố : Ví dụ, để xét m t quá ộtrình lên men t t là t t hay không tố ố ốt ta đánh giá qua 2 tiêu chí là hiệu su t và chi phí ấ

c a quá trình thì 2 y u t này có th không quan trủ ế ố ể ọng như nhau nên ta không thể tính trung bình các giá tr ị ủ c a các yế ố đượu t c

Chỉ tiêu đánh giá chất lượng c a m i tiêu chí là khác nhauủ ỗ : Ví d ta xét 2 ch ụ ỉtiêu trong quá trình lên men g o thành c n là hi u su t và chi phí ch ng h n V i tiêu ạ ồ ệ ấ ẳ ạ ớchí hi u su t ta có th ệ ấ ể chọn đặc trưng chất lượng là càng l n thì càng t t, còn tiêu chí ớ ốchi phí b ra thì ta chỏ ọn đặc trưng chất lượng càng nh càng tỏ ốt, như vậy 2 tiêu chí không cùng đặc trưng chất lượng nên khó có th k t hể ế ợp cơ học thành 1 ch tiêu chung ỉđược

K t qu ế ả thực nghiệm thường được phân tích cho m t tiêu chí t i m t thộ ạ ộ ời điểm, cách ti p cế ận này thô và không đảm b o r ng các thi t k t t nhả ằ ế ế ố ất thu được cho một tiêu chí cũng phù hợp cho các tiêu chí khác, điều c n thiầ ết đặt ra là c n m t tiêu chu n ầ ộ ẩđánh giá toàn diện (OEC- Overall Evaluation Criteria) để có th i di n phù h p cho ể đạ ệ ợnhi u tiêu chí trong cùng m t l n thề ộ ầ ử Do đó, khi có nhiều tiêu chí đánh giá, việc thiếu các công thức đó tạo ra tr ng i l n cho vi c phân tích các k t qu c a DOE K t hở ạ ớ ệ ế ả ủ ế ợp thiế ết k ựth c nghi m Taguchi và phân tích phệ ương sai (ANOVA), Roy [20] đã đưa ra tiêu chí tổng th ể OEC để đại diện phù h p cho nhi u tiêu chí trong cùng m ầợ ề ột l n th ử

Để xác định s phù h p c a các m c yự ợ ủ ứ ếu tố cho t t c các m c tiêu riêng l ấ ả ụ ẻ người

ta s d ng m t ch tiêu duy nhử ụ ộ ỉ ất, được g i là ọ tiêu chí đánh giá chung (hay tiêu chí đánh giá tổng th OEC) M i tiêu chí riêng bi t có th ể ỗ ệ ể có các đơn vị đo, đặc tính ch t ấlượng và tr ng s ọ ố tương đối khác nhau Vì thế, để ế ợ k t h p các tiêu chí khác nhau này, trước h t chúng phế ải được đưa về cùng m t tiêu chuộ ẩn đánh giá và xác định tr ng s ọ ốtương đối cho t ng tiêu chí riêng l ừ ẻ

OECilà chỉ ố đánh giá tổ s ng th ng vể ứ ới điều ki n th nghiệ ử ệm thứ i

Gij: là giá trị đo được c a thủ ử nghi m th ứệ ứi ng với các tiêu chí thứ j

Gminj: là giá trị nh nh t đo đư c trong các th nghiỏ ấ ợ ử ệm ứng v i tiêu chí th j ớ ứ

Gmaxj: là giá trị ớ l n nhất đo được trong các th nghiử ệm ứng với tiêu chí thứ j

wj: là trọng s ố tương đối của tiêu chí thứ j

Ta có:

1w 1

m j

j =

=



(1-6)

ở đây m là số tiêu chí đơn lẻ trong tiêu chí t ng th ổ ể

- N u các tiêế u chí có cùng đặc tính chất lượng và theo đặc trưng càng nhỏ càng t t thì ốOEC được tính như sau:

min max min

OECBj1: là OEC ứng v i các tiêu chí theo đớ ặc trưng chất lượng càng l n càng t ớ ốt

20

l: là số tiêu chí được đánh giá theo đặc trưng chấ ợt lư ng càng l n càng t t ớ ố

OECNj2: là OEC ứng với các tiêu chí theo đặc trưng chất lượng bình thường là t ốt

m: là số tiêu chí được đánh giá theo đặc trưng chấ ợng bình thườt lư ng là t t ố

OECSj3: là OEC ứng v i các tiêu chí theo đớ ặc trưng chất lượng càng nh càng t ỏ ốt

k: là số tiêu chí được đánh giá theo đặ ưng chấ ợc tr t lư ng càng nh càng t t ỏ ố

Sau khi đã tính được giá tr cị ủa tiêu chí đánh giá chung OEC cho các điều kiện thử nghi m thì vi c phân tích k t qu và tìm m c tệ ệ ế ả ứ ối ưu để đả m b o mả ọi tiêu chí đều

có th ểchấp nhận được có th ể được th c hi n gi ng nhự ệ ố ư khi thực hi n tìm m c tệ ứ ối ưu cho từng tiêu chí đơn lẻ, lúc này các giá tr s dị ử ụng để phân tích là các giá tr ị OEC đã tính ứng v i tớ ừng điều ki n th nghiệ ử ệm

Việ ự đoán kếc d t qu tả ối ưu cho từng tiêu chí đơn lẻ ứ ng v i các mớ ức tìm được thông qua s chỉ ố đánh giá tổng th ể OEC được th c hiự ện tương tự khi tính cho t ng tiêu ừchí riêng lẻ Nghĩa là:

j:là các yế ố ảnh hưởu t ng t i hàm m c tiêu (j=A,B,C ) ớ ụ

i:là mức tối ưu củ ế ố j tìm được từ chỉ ố đánh giá tổa y u t s ng th OEC ể

ioec

j : là tác động trung bình c a y u t ủ ế ố j (A,B,C…) ở ứ ối ưu tìm đượ ừ m c t c t OEC

s: là số ế ố ả y u t kh o sát

Tk: là giá trị trung bình c a các lầủ n th ng v i tiêu chí riêng l k ử ứ ớ ẻ

1.5 Xác đị nh m c tiêu và n i dung nghiên c u c ụ ộ ứ ủa luân văn

T phân tích t ng quan v các quy trình s n xu t cừ ổ ề ả ấ ồn cũng như phân tích kết qu ả

c a m t s nghiên củ ộ ố ứu trong và ngoài nước v quy trình SLSF-VHG, chúng tôi th y ề ấcòn một số ấn đề ầ ế ụ v c n ti p t c đư nghiên c u: ợc ứ

Vấn đề thứ nhất: Khả sáto và nghiên c u ngu n n phù h p (không s d ng Ure) ứ ồ itơ ợ ử ụtrong quy trình SLSF-VHG để đảm bảo chất lượng an toàn th c phẩự m cho sản phẩm

Vấn đề thứ hai: S d ng công c thi t k ử ụ ụ ế ế thực nghi m theo Taguchi và phân tích ệphương sai ANOVA để xác định t l ỷ ệ ảnh hưởng và m c phù h p c a các thông s ứ ợ ủ ố

21

Stargen 002, Fermgen, N m men trong quy trình SLSF-ấ VHG ằm đả nh m b o hi u suả ệ ất lên cao nh t và chi phí nguyên li u ấ ệ thấp nh t ấ Điều này là r t c n thi t vì giấ ầ ế ảm được chi phí đồng nghĩa với tăng lợi nhuận có ý nghĩa lớn trong thương mại

Vấn đề thứ ba: Xây d ng mô hình toán h c t d u th c nghiự ọ ừ ữliệ ự ệm mô t quan h giả ệ ữa

hi u su lên men và chi phí nguyên li u c a quy trình SLSF-VHG v i các thông s ệ ất ệ ủ ớ ốcông ngh (Stargen 002, Fermgen, N m men), t ệ ấ ừ đó phân tích quy lu t ậ ảnh hưởng của các thông s này t i hi u su lên men và chi phí nguyên li u ố ớ ệ ất ệ làm cơ sở ự l a ch n các ọthông số công ngh tệ ối ưu ử ụs d ng trong s n xu ả ất

Vấn đề thứ tư: Tối ưu đồng th i hai ch tiêu chờ ỉ ất lượng là hi u su lên men và chi phí ệ ất nguyên liệu để đả m b o hi u su t quá trình SLSF-VHG là ch p nhả ệ ấ ấ ận được v i chi phí ớ

h p lý ợ

22

CHƯƠNG 2 Ậ V T LI U Ệ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨ U

Việc xây d ng mô hình th c nghi m, v t li u ự ự ệ ậ ệ và phương pháp nghiên cứu nh m ằxác định các thành ph n, y u t ầ ế ố đầu vào, đầu ra c a quá trình và gi i quy t các m c ủ ả ế ụtiêu của đề tài yêu c u, t ầ ừ đó lựa ch n trang thi t b , v t li u, l a ch n các thông s ọ ế ị ậ ệ ự ọ ốcông ngh chuệ, ẩn b m u ị ẫ và xác định điều ki n thệ ực hiện các thí nghi m ệ

2.1 Đố i tư ợ ng nghiên c u ứ

2.1.1 Vật liệu

a) Bột gạo

Nguyên liệu chính được s d ng trong nghiên c u quy trình SLSF- ử ụ ứ ở VHG là

b t g o t m Mi n Nam, gi ng OM gi ng g o ch lộ ạ ấ ề ố – ố ạ ủ ực ở đồ ng b ng sông C u Long ằ ử

lo i nạ guyên li u s n xuệ ả ấ ồ ởt c n nhà máy, v i ngu n cung d i dào và giá c h p lý G o ớ ồ ồ ả ợ ạđược nghi n m n, qua rây 0,3 ề ị mm Chúng tôi cũng đã xác định m t s ch tiêu hóa lý ộ ố ỉ

c a nguyên li u g o bao gủ ệ ạ ồm: Độ ẩ m: 10,1 ± 0,3%, Hàm lượng tinh b t: 80,4 ± 0,5%ộ , Hàm lượng protein: 7,5 ± 0,2%

Hình 2.1 G o tạ ấm Miền Nam và b t gạo ộb) Nấm men

Chúng tôi s d ng n m men khô Red Ethanol (ử ụ ấ Saccharomyces cerevisiae) của hãng Fermentis (Pháp) cho quá trình lên men [19] Theo nhà s n xuả ất, độ ồ c n có th ể

đạt được 18% v/v nở ồng độ ch t khô cao và nhi t đ lên men 30ấ ệ ộ 0C

B ng 2.1 ả Đặc tính c a ch phủ ế ẩm nấm men Red Ethanol

S t bào s ng trên 1g ố ế ố 2,5×1010 TB/g

% trọng lượng khô 94 96,5% –

Nhiệ ột đ n men tlê ối ưu 30 - 400 C

Lượng dùng khuy n ngh ế ị 20 70 g/hl (~5-15 tri u t – ệ ế

bào/ml)

B ng 2.2 ả Đặc tính c a các lo i enzyme s d ng trong nghiên c u ủ ạ ử ụ ứ

Loại enzyme Tên chế phẩm Nhà sản xuất Hoạt lực pH t ưu ố i độ ố Nhiệt t i

ưu ( 0 C)

Liều lượ ng

*(kg/tấn NL) Glucoamylase Amigase Mega L DSM Food specialties AGI/g 3,5- 5,0 55 - 60 0,8 - 3,2 36000 Alpha amylase

và

glucoamylase

Stargen

002 Dupont GAU/g 4,0 - 4,5 20 - 40 0,8 - 1,6 570

Protease Fermgen Dupont SAPU/g 4,0 to 5,0 28 - 35 0,5 - 1,0 1000

*Liều lượng khuy n ngh c a nhà s n xu t ế ị ủ ả ấ

GAU: Một đơn vị [GAU] là s ố lượng enzym s gi i phóng mẽ ả ột gram đường kh ử được tính theo glucose m i gi t ỗ ờ ừ cơ chất tinh bột hòa tan trong các điều ki n th nghi m ệ ử ệ[20]

SAPU: Một SAPU là lượng hoạt động c a enzyme gi i phóng m t micromole tyrosine ủ ả ộ

mỗi phút từ chất nền casein trong các điều ki n c a kh o nghi m [20] ệ ủ ả ệ

AGI: Ho t tính cạ ủa enzym glucoamylase được bi u th bể ị ằng đơn vị AGI (Amyloglucosidase) Một đơn vị AGI được định nghĩa là lượng enzyme tạo ra 1 μmol glucose mỗi phút ở pH 4,3 và 60 ° C t ở ừ cơ chất là tinh bột hòa tan [21]

Các thi t b dùng trong nghiên c u thu c Công ty C ph n công ngh ế ị ứ ộ ổ ầ ệ rượu và đồ

u ng Vi t Nam bao g m: B c t cố ệ ồ ộ ấ ồn, máy đo cồn Kyoto electronics DA-130N, b ể ổn nhiệt, cân phân tích

2.2 Phương pháp nghiên c u ứ

2.2.1 Các phương pháp phân tích hoá lý

a) Xác định độ ẩm của nguyên liệu

- Nguyên t c: ắ S y nguyên liấ ệu đến khối lượng không đổi, độ ẩ m s ẽ được tính t khừ ối lượng nguyên li u mệ ất đi trong quá trình sấy [22]

- Tiến hành: Cân kho ng 5 (g) bả ột đã nghiền nh vào trong c c nhôm có nỏ ố ắp đã biết trước khối lượng và mang s y trong t s y có nhiấ ủ ấ ệt độ 1050C trong 3 giờ Sau đó làm ngu i trong bình hút m khoộ ẩ ảng 30 phút trước khi mang cân l i N u sai s gi a 2 l n ạ ế ố ữ ầkhông quá 0,001 g thì quá trình s y k t thúc.ấ ế

- Kết quả: Độ ẩ m c a nguyên liủ ệu (%) được tính theo công th c: ứ

W = 1 2

1 100%

m

−

 , (% m/m) (2-1) Trong đó: m1, m2 kh– ối lượng nguyên liệu trước và sau khi sấy, g

b) Xác định hàm lượng đường sót bằng phương pháp Graxianop [22]

Đường kh khi ử đun nóng với dung d ch ki m cùng v i ferixyanua s kh ị ề ớ ẽ ửferixianua thành feroxyanua và đường kh chuyử ển thành axit đường Dùng metylen xanh làm chất ch ị ẽ ấỉ th s m t màu xanh khi ph n ng k t thúc ả ứ ế

Phả ứng chính như sau: n

+ Dùng pipet lấy đúng 20 ml dung dịch ferixyanua kali cho vào bình tam giác

250 ml, thêm vào đó 5 ml dung dịch KOH 2,5N và 3 - 4 gi t xanh metylen L c nh và ọ ắ ẹ

đặt trên bếp điện ho c bặ ếp ga, đun sao cho sau 1 - 2 phút thì sôi Tiếp đó dùng dung

dịch đường loãng để chu n t i m t màu c a xanh metylen Chú ý màu c a h n hẩ ớ ấ ủ ủ ỗ ợp

ph n ng s ả ứ ẽ thay đổ ừi t xanh sang ph t h ng và cu i cùng là vàng da cam thì k t thúc ớ ồ ố ế

Nếu để ngu i màu c a h n h p s l i tím h ng do b oxy hoá ộ ủ ỗ ợ ẽtrở ạ ồ ị

Khi trong hỗ ợn h p ph n ng còn ferixyanua thì khi nh dả ứ ỏ ịch đường vào, đường s ẽ

kh ixyanua kali, khi v a h t ferixyanua thì ngay l p t c 1 giửfer ừ ế ậ ứ ọt đường dư sẽ kh và ửlàm mất màu c a xanh metylen- chủ ất ch thỉ ị ủ c a phả ứn ng

Muốn xác định xem 20 ml ferixyanua kali tương ứng v i bao nhiêu mg glucoza, ớ

ta làm thí nghiệm như trên nhưng dung dịch chu n là dung dẩ ịch glucoza đã biết trước

nồng độ

Giả ử s 20 ml ferixianua 1,2% c ng v i 5 ml KOH 2,5 N c ng 3 - 4 gi t xanh ộ ớ ộ ọmetylen khi đun sôi và chuẩn h t 5ml dung dế ịch glucoza 0,5 g/100ml Như vậy 20 ml feixyanua 1% tương đương với 5 5 mg = 25 mg hay 0,025 g ×

26

c) Xác định hàm lượng tinh bột bằng phương pháp thủy phân bằng axit [22]

- Nguyên tắc: Thủy phân tinh bột thành đường trong dung d ch HCl 2% u kiị ở điề ện đun sôi trong bình cách thủy 2 gi D ch thờ ị ủy phân được làm ngu i và trung hòa b ng ộ ằNaOH v i ch ớ ỉ thị phenolphtalein Hàm lượng tinh b t g o s t l vộ ạ ẽ ỷ ệ ới hàm lượng đường kh (glucose) trong d ch sau th y phân ử ị ủ

- Tiến hành: Cân 2g b t nghi n m n rộ ề ị ồi cho vào bình tam giác Sau đó bổ sung thêm 100ml HCl 2% (100 ml nước c t v i 6ml HCl 35%) và lấ ớ ắc đều Sau đó lắp sinh hàn khí và đặt bình tam giác vào bình n nhiổ ệt và đun sôi trong 2 giờ D ch th y phân xong ị ủđược làm nguội đến nhiệt độ 300C và cho thêm 4-5 gi t phenolphtalein Trung hòa ọlượng axit dư bằng dung d ch NaOH 10%, chuy n toàn b ị ể ộ vào bình định m c 250ứ ml

và định m c bứ ằng nước c t t i ngấ ớ ấn bình, đem lọc Hàm lương đường kh ử thu được sau khi lọ ẽ được xác địc s nh bằng phương pháp Graxianop

- Kết quả: Hàm lượng tinh b t trong gộ ạo được xác định theo công th ức:

a- S gam glucose ố tương ứng v i 20ml ferixyanua kali ớ

b- S ốml dịch đường loãng tiêu hao khi định phân

m - S gam bố ột ở ẫ m u thí nghiệm

0,9- H s chuyệ ố ển đổi glucose thành tinh b ột

d) Xác định hàm lượng đường tổng bằng phương pháp thủy phân bằng axit [22]

- Nguyên tắc: Thủy phân d ch lên men trong dung d ch HCl 2% u kiị ị ở điề ện đun sôi trong bình cách th y 2 gi D ch thủ ờ ị ủy phân được làm ngu i và trung hòa b ng NaOH ộ ằ

v i ch ớ ỉ thị phenolphtalein Hàm lượ đường ng t ng s t l vổ ẽ ỷ ệ ới hàm lượng đường kh ử(glucose) trong dịch sau th y phân ủ

- Tiến hành: Làm đều d ch lên men, l y 10 ml d ch lên men r i cho vào bình tam ị ấ ị ồgiác Sau đó bổ sung thêm 100ml HCl 2% (100 ml nước c t v i 6ml HCl 35%) và l c ấ ớ ắđều Sau đó lắp sinh hàn khí và đặt bình tam giác vào bình n nhiổ ệt và đun sôi trong 2

gi D ch thờ ị ủy phân xong được làm nguội đến nhiệt độ 300C và cho thêm 4-5 giọt phenolphtalein Trung hòa lượng axit dư bằng dung d ch NaOH 10%, chuy n toàn b ị ể ộvào bình định mức 250ml và định m c bứ ằng nước c t t i ngấ ớ ấn bình, đem lọc Hàm lương đường kh ử thu được sau khi l c s ọ ẽ được xác định bằng phương pháp Graxianop

27

- K t quế ả: Hàm lượng đường t ng sót trong d ch lên men ổ ị được xác định theo công th c:ứ

a 250 100 )

b m

=

 -4)(2Trong đó:

a- S ố gam glucose tương ứng v i 20ml ferixyanua kali ớ

b- S ốml dịch đường loãng tiêu hao khi định phân

m- S m u thí nghiốml ẫ ệm

e) Xác định nồng độ cồn bằng phương pháp chưng cất và đo tỉ trọng

Sau lên men, trước h t ta c n ki m tra nế ầ ể ồng độ rư u trong d m chín Mu n xác ợ ấ ốđinh nồng độ rư u trong dung dich b t kợ ấ ỳ, trước h t phế ải tách rượu kh i các ch t hoà ỏ ấtan khác bằng chưng cấ ồt, r i đo nồng độ rư u bợ ằng máy đo cồn

+ L y 100 ml dich l c gi m chín có nhiấ ọ ấ ệt độ ấ x p x 20ỉ 0C cho vào bình định m c 100 ứ

ml, rót d ch gi m vào bình c t r i tráng bình bị ấ ấ ồ ằng 100 ml nước c t rấ ồi cũng đổ vào bình c t có dung tích kho ng 500 ml N i bình v i h ng cấ ả ố ớ ệ thố ất như ở hình 2.4, ti n ếhành chưng cất cho tới khi nước ngưng ở bình đạt khoảng 95 ml Sau đó, định m c lên ứ

100 ml, đậy kín và đo nồng độ rư u b ng thi t b Kyoto Electronics DA-130N theo ợ ằ ế ị đo nguyên tắc đo tỉ ng Mtrọ ột số thông s cố ủa thiết bị như sau:

– Thang đo tỷ trọng: 0.00- 2.00 g/cm3

– Độ chính xác: ±0.001g/cm3

– Độ đọc được: 0.0001g/cm3

– Thang đo nhiệt độ: 0 - 40°C

– Hiển thị nhiệt độ °C/ °F, số mẫu, tự động ổn định, tự động lưu dữ liệu, tự động truy xuất dự liệu…

– Tự động bù nhiệt đến 10 hệ số trên 1 mẫu

Cách đo như sau:

+ Nh n gi ấ ữ phím On/Off cho đến khi màn hình máy hi n th ể ị

+ Tráng ng mao qu n cố ả ủa máy 3 lầ ằng nước cất.n b

+ Tráng lại ống mao qu n c a máy 3 l n b ng mả ủ ầ ằ ẫu cân đo

+ Hút m u cẫ ần đo vào mao quản sao cho không có b t khí trong ng ọ ố

+ Đọ độ ồc c n c a m u hi n th trên màn hình ủ ẫ ể ị

+ Đẩy m u ra và tráng mao qu n bẫ ả ằng nước c t ấ

ĐT

28

+ Tắt máy

Hình 2.3 Sơ đồ chưng cất cồn quy mô

PTN Hình 2.4 Máy đo độ ồ c n DA-130N

2.2.2 Phương pháp toán học

a) Tính toán hiệu suất lên men

Hiệu su t lên men ấ được tính theo công thức sau:

TT 100%

TH LT

C H C

-5)(2Trong đó:

HTH: Hiệu su lên men ất (%);

CTT: Nồng độ ồ ạ c n t o ra trong quá trình s n xuả ất (% v/v);

CLT: Nồng độ ồ ạ c n t o ra theo lý thuy ừết t tinh bột (% v/v)

T tinh bừ ột ban đầu ta có phương trình tổng quát th y phân tinh bủ ột thành đường như sau:

Khối lượng phân t 180 92 44 ử

Như vậy t A (g/L) g o từ ạ ấm ban đầu, theo lý thuy t tế ạo ra được CLT c n theo công ồthức sau:

180 92 1 ,(% / )

162 180 0.789 LT