VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nguyên vật liệu
Mẫu gạo được sử dụng trong nghiên cứu là gạo nghiền mịn do Công ty Cổ phần Cồn Rượu Hà Nội (HALICO) cung cấp Sau khi nhận bột gạo, chúng tôi sẽ tiến hành phân tích độ ẩm và hàm lượng tinh bột.
Chúng tôi sử dụng nấm men khô Red Ethanol (Saccharomyces cerevisiae) của hãng Fermentis (Pháp) cho quá trình lên men Theo nhà sản xuất, nấm men này có khả năng tạo ra độ cồn lên đến 18% v/v khi sử dụng ở nồng độ chất khô cao và nhiệt độ lên men tối ưu là 30°C, với số lượng tế bào sống đạt trên 2 x 10^10 tế bào/g.
- Đặc tính của chế phẩm theo cung cấp của nhà sản xuất đƣợc trình bày trong bảng 2.1
Bảng 2.1: Đặc tính chế phẩm nấm men Red-Ethanol
Vi sinh vật sử dụng Saccharomyces cerevisiae
Trọng lƣợng khô (%) 94 – 96,5 pH tối ƣu 4 -5
Nhiệt độ lên men tối ƣu 30 – 40 o C
Lƣợng dùng khuyến nghị 20 - 25 g/hl (~20-25 triệu TB/ml)
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng các chế phẩm enzym thương phẩm bao gồm Liquozyme ® SCDS, Spirizyme Fuel từ hãng Novozymes, cùng với Optimash™ TBG và Fermgen™ từ hãng Dupont Các đặc tính chính của các enzym này được trình bày chi tiết trong bảng 2.2.
Các phương pháp nghiên cứu
STT Enzym Hãng Bản chất
Liều dùng (mM/kg MS)
Trong nghiên cứu này, các chất dinh dưỡng cho nấm men bao gồm urê và KH2PO4, cả hai đều có nguồn gốc sản xuất từ Trung Quốc.
II.1.5 Hóa chất và dụng cụ
- Các hóa chất dùng trong nghiên cứu phòng thí nghiệm thuộc loại tinh khiết dùng cho các thí nghiệm phân tích hoặc hóa chất chuyên dụng
Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội sở hữu nhiều dụng cụ và thiết bị nghiên cứu quan trọng, bao gồm tủ sấy, tủ ấm, cân phân tích, bộ cất cồn, máy đo điểm sôi, máy khuấy từ, máy v/vtex, máy ly tâm, cùng với các bình tam giác 100 và 250 ml, bình định mức 100, 200 và 250 ml, cốc có mỏ 80 và 500 ml, pipet 1, 2, 5, 10 ml, nhiệt kế, và micro pipet 200 và 1000 àm.
II.2 Các p ƣơng p áp ng iên cứu
II.2.1 Các phương pháp phân tích
II.2.1.1 Xác định độ ẩm
Nguyên tắc: sấy mẫu đến khối lƣợng không đổi, độ ẩm sẽ đƣợc tính từ khối lƣợng nguyên liệu mất đi trong quá trình sấy (Lê Thanh Mai, 2007)
II.2.1.2 Xác định hàm lượng tinh bột
Tinh bột được thủy phân thành đường bằng acid HCl 2% trong điều kiện đun sôi trong bình cách thủy trong 2 giờ Sau khi làm nguội, dịch thủy phân được trung hòa bằng NaOH và sử dụng chất chỉ thị metyl da cam Hàm lượng đường trong dung dịch sau thủy phân được xác định qua các phương pháp xác định đường, và hàm lượng tinh bột trong gạo tỉ lệ thuận với hàm lượng đường khử (glucoza) trong dịch.
II.2.1.3 Xác định hàm lượng đường khử bằng phương pháp DNS a Nguyên tắc :
Nguyên tắc của phương pháp xác định hàm lượng đường khử dựa trên phản ứng giữa đường khử và axit 3,5 dinitrosalicilique trong môi trường kiềm Cường độ màu của hỗn hợp phản ánh nồng độ đường ban đầu, cho phép xác định hàm lượng đường khử trong mẫu Bằng cách sử dụng đường chuẩn từ glucose tinh khiết và đo mật độ quang (OD) ở bước sóng 540 nm, chúng ta có thể đánh giá chính xác lượng đường khử có trong mẫu.
II.2.1.4 Xác định đường tổng bằng phương pháp thủy phân axit
Nguyên tắc của quá trình thủy phân tinh bột thành đường là sử dụng dung dịch HCl 1:1 và đun sôi trong bình cách thủy trong 2 giờ Sau khi dịch thủy phân nguội, nó sẽ được trung hòa bằng NaOH với chỉ thị metyl da cam Hàm lượng đường sau khi thủy phân sẽ được xác định dựa vào lượng dịch đường sử dụng trong quá trình định phân (Lê Thanh Mai, 2007)
II.2.1.5 Tính toán hiệu suất thu hồi
Hiệu suất thu hồi đƣợc tính theo công thức sau:
H TH : Hiệu suất thu hồi (%);
C TT : Nồng độ cồn tạo ra trong quá trình sản xuất ( %v/v);
C LT : Nồng độ cồn tạo ra theo lý thuyết từ tinh bột (%v/v)
Từ tinh bột ban đầu ta có phương trình tổng quát thủy phân tinh bột thành đường như sau: n( C 6 H 10 O 5 ) + nH 2 O n(C 6 H 12 O 6 )
Sau đó đường được chuyển hóa thành rượu theo phương trình tổng quát:
Nhƣ vậy từ A (g/L) gạo tấm ban đầu, theo lý thuyết tạo ra đƣợc C LT cồn theo công thức sau:
A : Khối lƣợng bột gạo tấm ban đầu (g);
B : Phần trăm tinh bột sắn trong mẫu (%);
0,789 : Tỷ trọng của cồn ở 20 0 C (g/ml)
II.2.2 Các phương pháp tối ưu Để thực hiện tối ƣu hóa chúng tôi sử dụng ma trận thực nghiệm vì khi sử dụng các ma trận thực nghiệm sẽ giúp làm giảm số thí nghiệm mà vẫn đảm bảo độ chính xác
Vũ Thị Phƣợng và cộng sự (2015) đã áp dụng ma trận DOEHLERT để tối ưu hóa ba yếu tố trong quy trình SLSF sản xuất cồn từ nguyên liệu sắn Kết quả nghiên cứu cho thấy việc tối ưu hóa đã giúp giảm đáng kể lượng nguyên liệu sử dụng, cụ thể là Stargen 002 giảm 16%, Fermgen giảm 20%, nấm men Red Ethanol giảm 17,2% và Amigase Mega L giảm 40%.
Các bước thực hiện tối ưu hóa bằng bề mặt đáp ứng (mô tả trong hình 2.2):
- Đầu tiên ta tiến hành lựa chọn các yếu tố ảnh hưởng đến hàm mục tiêu cần xem xét và lựa chọn loại mô hình để tối ƣu
Sau khi lựa chọn xong, chúng ta sẽ có một ma trận thực nghiệm tương ứng với số lượng yếu tố và loại mô hình Trong thí nghiệm này, chúng tôi đã chọn ma trận Doehlert để tiến hành tối ưu hóa Các bước thực hiện tối ưu hóa sẽ được trình bày chi tiết trong phần tiếp theo.
II.2.3 Tính toán giá thành sản xuất cồn thành phẩm
Theo tính toán dựa vào cân bằng vật chất: n( C 6 H 10 O 5 ) + nH 2 O n(C 6 H 12 O 6 ) 2C 2 H 5 OH + 2CO 2
Dựa vào phương trình trên
Cứ 1 kg tinh bột sẽ tạo thành 0,511 kg ethanol nguyên chất
Vậy Cứ 1 kg tinh bột sẽ tạo thành 0,646 lít ethanol nguyên chất (d=0,789)
Vậy Cứ 1 kg tinh bột sẽ tạo thành 0,673 lít cồn thành phẩm (96%)
Lựa chọn số lƣợng yếu tố và loại ma trận
Thiết lập ma trận thực nghiệm và tiến hành thí
Kiểm tra tính thích ứng của ma trận
Vẽ bề mặt đáp ứng và xác định điểm tối ƣu
Kiểm tra điểm tối ƣu
Thử nghiệm ở quy mô lớn hơn để đánh giá hiệu quả
Trên thực tế, không phải toàn bộ lượng tinh bột có thể chuyển hóa thành cồn, mà điều này phụ thuộc vào hiệu suất thu hồi cồn (h1) và hiệu suất chưng cất (h2).
Vậy cứ 1 kg tinh bột sẽ tạo thành (0,673*h1*h2) lít cồn thành phẩm (96%)
Vậy để tạo ra 1 lít cồn thành phẩm ta sẽ cần (1,486/( h1*h2)) kg tinh bột
Giả sử hàm lƣợng tinh bột trong bột gạo là a %
Vậy lƣợng bột gạo cần dùng để tạo ra 1 lít cồn thành phẩm là:
(kg) Trong đó h1 là hiệu suất thu hồi (%) h2 là hiệu suất chƣng cất (%) a là hàm lƣợng tinh bột (%)
Tương ứng với lượng gạo ta sẽ tính toán được lượng dịch lên men cần thiết dựa vào hàm lƣợng chất khô 0,324 kg/lít
Giả sử bột gạo có độ ẩm là b (%) vậy lƣợng dịch lên men cần thiết để thu đƣợc 1 lít cồn thành phẩm là
Trong đó b là độ ẩm của bột gạo (%) h1 là hiệu suất thu hồi (%) h2 là hiệu suất chƣng cất (%) a là hàm lƣợng tinh bột trong bột gạo (%)
Dựa trên khối lượng gạo và khối lượng dịch, chúng ta có thể tính toán lượng nguyên liệu khác như enzym và nấm men Các biến số c, d, e, f (đơn vị: ml/kg nguyên liệu) đại diện cho liều lượng enzym Liquozyme SCDS, Spirizyme Fuel, Optimash TBG và Fermgen được sử dụng trong từng thí nghiệm Giá thành của enzym, gạo và nấm men được xác định thông qua việc tham khảo từ một số nhà cung cấp trên thị trường Kết quả giá thành của từng nguyên liệu được tính bằng cách nhân lượng sử dụng với giá thành và được tổng hợp trong bảng 2.3.
Chi phí năng lượng, nhân công và một số chi phí khác được tham khảo từ nhà máy Công ty cổ phần cồn rượu Hà Nội (HALICO) với quy mô 1000 lít, như trình bày trong bảng 2.4 Theo đó, chi phí năng lượng bổ sung cho mỗi lít cồn thành phẩm ước tính là 950 VNĐ.
Sau đó chúng tôi tổng hợp tất cả các giá trị lại sẽ ra đƣợc giá thành sản xuất của 1 lít cồn thành phẩm ứng với từng thí nghiệm
Bảng 2.3: Bảng tính toán giá thành bột gạo, nấm men, enzym quy mô 1 lít
Tên chi phí Đơn vị Liều lƣợng Lƣợng Đơn giá
Bột gạo kg (324/b) g/L dịch lên men
Nấm men g 0,5 g/L dịch lên men
SCDS ml c ml/kg bột gạo
Spirizyme Fuel ml d ml/kg bột gạo
Optimash TBG ml e ml/kg bột gạo
Fermgen ml f ml/kg bột gạo
Bảng 2.4: Bảng chi phí năng lượng, nhân công và một số chi phí khác tại quy mô 1000 lít
Tên chi phí Đơn vị Lƣợng Đơn giá
Than Kíp Kg 45 4.500 202.500 Điện kW 13,5 1.450 19.575
II.2.4 Thuyết minh quy trình
Bước đầu tiên là hòa bột gạo đã được nghiền mịn (khoảng 1 mm) với nước trong nồi nấu Khuấy đều hỗn hợp trong 2-3 phút ở nhiệt độ khoảng 30 °C để đạt được nồng độ chất khô là 324 g/L.
Sau khi khuấy đều, thêm hai loại enzym là Liquozyme SCDS (tối đa 0,15 mL/Kg) và Optimash TM (tối đa 0,45 mL/Kg) để tiến hành quá trình dịch hóa Nhiệt độ dịch hóa cần được điều chỉnh phù hợp với loại nguyên liệu, cụ thể là 85°C trong 60 phút và 100°C trong 30 phút cho gạo hoặc sắn Nếu hỗn hợp quá đặc do bay hơi trong quá trình nấu, cần bổ sung thêm nước vào nồi.
Sau khi dịch hóa hoàn tất, dịch cháo cần được làm nguội Tiếp theo, bổ sung các chế phẩm enzym như Spirizyme và Fermgen với liều lượng tối đa 0,55 mL/kg nguyên liệu Đồng thời, thêm nấm men khô với lượng tối ưu khoảng 0,5 g/L dịch, đã được hoạt hóa ở nhiệt độ 37 - 38 °C trong 15 phút Cuối cùng, bổ sung urê với hàm lượng 0,8 g/L và KH2PO4 với 0,9 g/L.
Quá trình lên men được thực hiện ở nhiệt độ khoảng 30°C trong 96 giờ, trong thời gian này sẽ tiến hành phân tích các chỉ số như đường tổng, đường khử và độ chua Dự kiến, hiệu suất của quy trình đạt khoảng 86%.
Các thí nghiệm đƣợc thực hiện theo quy trình đƣợc trinh bày trong hình 2.3: nh 3: Sơ đồ quy trình SSF-VHG sử dụng trong nghiên cứu
(324 g/L) Đường hóa và lên men đồng thời (SSF) tại 30 0 C trong 96h
Dịch hóa ở 85 o C trong 60 phút + đun sôi 30 phút
