Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu quy trình sản xuất ethanol từ gạo với nồng độ chất khô cao

Nghiên cứu quy trình sản xuất ethanol từ gạo với nồng độ chất khô cao, tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng trong ngành công nghiệp năng lượng.

• Tác giả: Tiền Tiến Nam
• Người hướng dẫn: PGS. Chu Kỳ Sơn
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm
• Đề tài: Nghiên Cứu Quy Trình Sản Xuất Ethanol Từ Gạo Với Nồng Độ Chất Khô Cao
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Tình hình sản xuất cồn trên thế giới và Việt Nam
• 1.1.1. Tình hình sản xuất cồn trên thế giới
• 1.1.2. Tình hình sản xuất cồn ở Việt Nam
• 1.2. Một số công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột hiện nay
• 1.2.1. Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt
• 1.3. Nguyên liệu sản xuất cồn
• 1.3.1. Nguồn cơ chất trong sản xuất cồn
• 1.3.2. Nguyên liệu gạo trong sản xuất cồn
• 1.4. Enzym trong sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột
• 1.5. Nấm men dùng trong công nghệ sản xuất cồn
• 1.6. Các yếu tố công nghệ và cơ chế thủy phân nguyên liệu trong quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt nồng độ chất khô cao
• 1.6.1. Ảnh hưởng của chế độ nghiền và kích thước nguyên liệu
• 1.6.2. Ảnh hưởng của nồng độ enzym thủy phân nguyên liệu sống
• 1.6.3. Cơ chế thủy phân của enzym trên nguyên liệu trong quy trình SLSF-VHG
• 1.6.4. Động học trong quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt
• 1.6.5. Ảnh hưởng của nồng độ chất khô
• 1.6.6. Ảnh hưởng của mật độ nấm men
• 1.6.7. Ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ khác
• 1.7. Tình hình ứng dụng quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt
• 1.7.1. Ứng dụng chân không tách cồn đồng thời trong quá trình lên men
• 2. NGUYÊN VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên vật liệu
• 2.2. Chế phẩm enzym
• 2.3. Chế phẩm nấm men
• 2.4. Chất bổ sung
• 2.5. Hóa chất, thiết bị, địa điểm nghiên cứu
• 2.6. Nội dung nghiên cứu
• 2.6.1. Nội dung 1: Lựa chọn loại gạo, enzym, nấm men cho quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao
• 2.6.2. Nội dung 2: Nghiên cứu điều kiện công nghệ, động học và cơ chế biến đổi thành phần dịch lên men trong quy trình SLSF-VHG
• 2.6.3. Nội dung 3: Nghiên cứu ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn ở quy mô 100 L dịch lên men
• 2.6.4. Nội dung 4: Nghiên cứu lên men và chưng cất chân không tách cồn đồng thời trong quy trình SLSF-VHG
• 2.7. Phương pháp nghiên cứu
• 2.8. Bố trí thí nghiệm
• 2.9. Phương pháp phân tích
• 2.10. Phương pháp thống kê và xử lý số liệu thực nghiệm
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Lựa chọn loại gạo, enzym, nấm men cho quy trình SLSF-VHG
• 3.1.1. Lựa chọn gạo cho quy trình SLSF-VHG
• 3.1.2. Lựa chọn enzym đường hóa phụ trợ cho quy trình SLSF-VHG
• 3.1.3. Lựa chọn chế phẩm nấm men
• 3.2. Nghiên cứu điều kiện công nghệ, động học và cơ chế biến đổi thành phần dịch lên men trong quy trình SLSF-VHG
• 3.2.1. Lựa chọn kích thước lưới nghiền bột gạo
• 3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ enzym đường hóa chính (Stargen 002)
• 3.2.3. Ảnh hưởng nguồn nitơ
• 3.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ chất khô
• 3.2.5. Ảnh hưởng của mật độ nấm men
• 3.3. Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất cồn SLSF-VHG ở quy mô phòng thí nghiệm (1 L dịch lên men)
• 3.4. Động học của quá trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao
• 3.5. Hình thái, cấu trúc bột gạo trong quy trình SLSF-VHG
• 3.6. Nghiên cứu ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn ở quy mô 100 L dịch lên men
• 3.6.1. Nghiên cứu quy trình SLSF-VHG quy mô 100 L dịch lên men
• 3.6.2. Thống kê điện, nước và chi phí sản xuất cồn ở quy mô 100 L
• 3.7. Nghiên cứu lên men và chưng cất chân không tách cồn đồng thời trong quy trình SLSF-VHG
• 3.7.1. Ảnh hưởng của thời gian chưng cất chân không đến hiệu suất và thời gian lên men
• 3.7.2. Nghiên cứu nâng cao nồng độ chất khô trong quy trình SLSF-VHG bằng chưng cất chân không
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về quy trình sản xuất ethanol từ gạo

Quy trình sản xuất ethanol từ gạo với nồng độ chất khô cao đã trở thành một trong những phương pháp quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm và năng lượng. Sản xuất ethanol từ gạo không chỉ giúp giảm thiểu lãng phí nguyên liệu thực phẩm mà còn tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có tại Việt Nam. Quy trình này bao gồm các bước chính như dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời. Việc áp dụng công nghệ hiện đại giúp tối ưu hóa quy trình, giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu suất sản xuất. Theo nghiên cứu, việc sử dụng enzym thế hệ mới trong quy trình này đã chứng minh được khả năng cải thiện hiệu suất lên men, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của quy trình sản xuất ethanol từ gạo, đặc biệt là trong bối cảnh nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng.

II. Nguyên liệu và công nghệ sản xuất ethanol

Nguyên liệu chính để sản xuất ethanol trong nghiên cứu này là gạo, một nguồn nguyên liệu phong phú và dễ dàng tiếp cận tại Việt Nam. Gạo chứa nhiều tinh bột, là thành phần chính trong quá trình dịch hóa và đường hóa. Công nghệ sản xuất ethanol không gia nhiệt (SLSF-VHG) đã được áp dụng để nâng cao hiệu suất sản xuất. Quy trình này không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu lượng nước sử dụng và chất thải ra môi trường. Việc lựa chọn loại gạo có hàm lượng amylose thấp giúp tối ưu hóa quá trình lên men và đạt được nồng độ ethanol cao. Các enzym như glucoamylase và amylase cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng thủy phân tinh bột thành đường, từ đó nâng cao hiệu suất sản xuất ethanol.

III. Đánh giá hiệu quả và ứng dụng quy trình sản xuất

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng quy trình sản xuất ethanol từ gạo với nồng độ chất khô cao mang lại nhiều lợi ích thực tiễn. Hiệu suất lên men đạt 89,07%, với nồng độ ethanol trong dịch lên men đạt 17,73%. Việc ứng dụng công nghệ chưng cất chân không tách cồn đồng thời đã nâng cao nồng độ chất khô lên 500 g/L mà vẫn đảm bảo hiệu suất và thời gian lên men tương đương với quy trình tối ưu. Kết quả này không chỉ giúp giảm thiểu chi phí sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm đáp ứng tiêu chuẩn an toàn thực phẩm. Điều này cho thấy quy trình sản xuất ethanol từ gạo có khả năng ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm và năng lượng tại Việt Nam.

IV. Kết luận và triển vọng nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu về quy trình sản xuất ethanol từ gạo với nồng độ chất khô cao đã mở ra nhiều triển vọng cho ngành công nghiệp thực phẩm và năng lượng. Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới nhằm cải thiện hơn nữa quy trình sản xuất ethanol từ gạo, đồng thời mở rộng ứng dụng cho các loại nguyên liệu khác. Điều này sẽ góp phần vào việc phát triển bền vững và bảo vệ môi trường trong ngành công nghiệp sản xuất ethanol.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Ethanol (cồn) là sản phẩm có vai trò quan trọng trong nền kinh tế. Trong công nghiệp thực phẩm, các sản phẩm chứa cồn được sử dụng làm đồ uống có từ lâu đời và phổ biến trên thế giới. Trong công nghiệp cồn được dùng làm dung môi và nguyên liệu cho nhiều lĩnh vực như hóa chất, mỹ phẩm, sinh học, dược, chế biến và bảo quản nông sản thực phẩm…Ngày nay, khi nhu cầu năng lượng thế giới tiếp tục tăng cao và các nguồn nhiên liệu truyền thống (dầu mỏ, than đá, khí đốt.) đang ngày càng cạn kiệt, nhiên liệu sinh học là giải pháp thay thế thích hợp.

Trong đó, cồn là nhiên liệu thay thế quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi ở hầu hết các quốc gia trên thế giới. Nguyên liệu để sản xuất cồn là các nguyên liệu chứa đường (đường mía, rỉ đường, củ cải đường…), chứa tinh bột (củ, hạt, ngũ cốc), nguyên liệu chứa cellulose và nguyên liệu từ sinh khối tảo [1]. Công nghệ sản xuất và sản lượng cồn hiện nay chủ yếu sử dụng nguồn nguyên liệu chứa đường và tinh bột [1,2]. Trên thế giới nguyên liệu sản xuất cồn được sử dụng nhiều nhất là ngô, đường mía.

Các nguyên liệu như cellulose và sinh khối tảo vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện [2,3]. Tại Việt Nam, nguồn nguyên liệu chứa tinh bột thường được sử dụng trong sản xuất cồn thực phẩm là gạo. Đây là loại cây lương thực chính, là nguyên liệu chính để sản xuất rượu truyền thống và sản xuất cồn thực phẩm ở nước ta. Đây cũng là cây trồng chủ lực có sản lượng lớn của Việt Nam, và hàng năm nước ta là một trong ba nước có sản lượng gạo xuất khẩu cao nhất thế giới [4].

Do đó, trong nội dung nghiên cứu của luận án này chủ yếu đề cập đến công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột, cụ thể là từ gạo tại Việt Nam. Công nghệ sản xuất cồn truyền thống từ nguyên liệu chứa tinh bột được thực hiện qua bốn giai đoạn: dịch hóa, đường hóa, lên men và chưng cất. Quá trình này bao gồm nhiều công đoạn và sử dụng nhiều thiết bị, năng lượng và tiêu tốn nhiều nước cho các công đoạn chính và các công đoạn trung gian (làm nguội) trong sản xuất [5]. Hiện nay, công nghệ đường hóa và lên men đồng thời (SSF) đang được ứng dụng phổ biến trong công nghiệp sản xuất cồn.

Trong công nghệ này quá trình hồ hóa và dịch hóa thường được thực hiện ở nhiệt độ trên 80oC, quá trình đường hóa và lên men đồng thời được thực hiện với tác dụng của các enzym thế hệ mới và nấm men đã giúp nâng cao hiệu suất lên men (HSLM), giảm chi phí sản xuất cồn [3,6,7]. Trong những năm gần đây, công nghệ sản xuất cồn tiết kiệm năng lượng không gia nhiệt đã được phát triển và nghiên cứu. Với việc sử dụng các enzym thế hệ mới, quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời được thực hiện ở điều kiện nhiệt độ thường trong cùng một thiết bị đã làm giảm bớt chi phí sử dụng tài nguyên (năng lượng, nước, thiết bị…), giảm chất thải (nước thải, khí CO2) ra môi trường và giảm giá thành sản phẩm [5,8]. Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao hay còn gọi là quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao để sản xuất cồn (SLSF-VHG) cũng đã được tập trung nghiên cứu do những ưu điểm về năng suất, tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí đầu tư thiết bị và giảm thành phần chất thải [8].

Tuy nhiên, đây là công nghệ mới phát triển trong thời gian gần đây nên còn ít nghiên cứu hoàn thiện công nghệ trên các loại nguyên liệu khác nhau, chưa có nhiều ứng dụng công nghệ này ở các quy mô pilot và quy mô công nghiệp. 1 Việc ứng dụng công nghệ SLSF-VHG từ gạo còn một số tồn tại như sau: chưa tối ưu nguyên liệu, enzym, chất bổ sung (nguồn nitơ); Hiệu suất lên men còn thấp, thời gian lên men còn dài, cơ chế biến đổi thành phần dịch lên men, cơ chế tấn công của enzym vào nguyên liệu bột gạo sống chưa được giải thích đầy đủ; Chưa có thống kê năng lượng, đánh giá hiệu quả và chi phí sản xuất của quy trình ở quy mô sản xuất nhỏ. Xuất phát từ những vấn đề thực tế trên, chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo”. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xác định nguyên liệu, các thông số công nghệ và giải thích cơ chế thủy phân lên men bột gạo sống trong quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao.

Phát triển ứng dụng quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao ở quy mô pilot. Nghiên cứu ứng dụng chưng cất chân không tách cồn đồng thời để nâng cao hiệu suất, rút ngắn thời gian lên men và nâng cao nồng độ chất khô trong quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao từ gạo. Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Lựa chọn loại gạo, enzym, nấm men cho quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao. Nội dung 2: Nghiên cứu điều kiện công nghệ, động học và cơ chế biến đổi thành phần dịch lên men trong quy trình SLSF-VHG.

Nội dung 3: Nghiên cứu ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn ở quy mô 100 L dịch lên men. Nội dung 4: Nghiên cứu lên men và chưng cất chân không tách cồn đồng thời trong quy trình SLSF-VHG. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu đã bổ sung kết quả để lựa chọn loại nguyên liệu (gạo, enzym, nấm men) phù hợp cho quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao tại Việt Nam. Luận án đã cung cấp những thông tin khoa học và giải thích khá đầy đủ về động học của quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol trong quy trình SLSF-VHG dưới tác dụng của nhiều yếu tố mới: sử dụng hệ enzym thế hệ mới, nâng cao nồng độ cơ chất, phương thức lên men, phương thức giảm ức chế của sản phẩm cuối làm cơ sở khoa học cho cải tiến công nghệ lên men ethanol.

Đánh giá hiệu quả việc sử dụng enzym protease trên cơ sở thủy phân protein trong nguyên liệu và khả năng thay thế hoàn toàn nitơ bổ sung bên ngoài. Đã phát triển giải pháp ứng dụng chưng cất chân không tách cồn để nâng cao nồng độ chất khô và rút ngắn thời gian lên men trong quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao. 2 Ý nghĩa thực tiễn Xác lập được điều kiện công nghệ và thử nghiệm sản xuất cồn không gia nhiệt với nồng độ chất khô cao quy mô 100 L làm cơ sở phát triển quy trình và nâng cao hiệu quả sản xuất cồn từ gạo Việt Nam, tiết kiệm chi phí và giảm thiểu tác động môi trường. Những đóng góp mới của luận án Nghiên cứu đã cho thấy loại gạo IR50404 và các loại gạo có hàm lượng amylose nhỏ hơn 26,32% là phù hợp nhất cho quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt, đây là cơ sở để lựa chọn nguyên liệu cho sản xuất cồn thực phẩm từ gạo tại Việt Nam.

Luận án đã đề xuất các thông số công nghệ, giải thích được động học của quá trình lên men cồn, giải thích cơ chế hoạt động của tổ hợp enzym thế hệ mới thông qua công nghệ dịch hóa đường hóa và lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo, làm cơ sở khoa học cho thiết lập cải tiến công nghệ trong lên men cồn từ gạo Việt Nam. Kết quả nghiên cứu của luận án cũng cho thấy ưu điểm nổi bật khi sử dụng enzym protease thay thế urea trong quy trình SLSF-VHG. Đã bước đầu ứng dụng quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao quy mô 100 L dịch lên men. Hiệu suất lên men 89,07%, nồng độ cồn trong dịch lên men 17,73 %, tạo sản phẩm đảm bảo chất lượng và an toàn thực phẩm đáp ứng TCVN 7043:2013.

Ứng dụng thành công chưng cất chân không tách cồn ở nồng độ chất khô 350 g/L đạt nồng độ cồn 19,98% v/v, hiệu suất lên men 89,09% và thời gian lên men 72 h, kết quả này nâng cao được nồng độ chất khô 12,6%, nồng độ cồn tăng 2,16% v/v, rút ngắn thời gian lên men 24 h so với quy trình SLSF-VHG tối ưu (ở nồng độ chất khô 310,8 g/L). Lần đầu tiên ứng dụng chưng cất chân không tách cồn nâng cao được nồng độ chất khô trong quy trình SLSF-VHG lên 500 g/L đạt hiệu suất và thời gian lên men tương đương với quá trình lên men ở nồng độ chất khô 310,8 g/L. 3 TỔNG QUAN TÀI LIỆU Tình hình sản xuất cồn trên thế giới và Việt Nam Tình hình sản xuất cồn trên thế giới Cồn là một thành phần chính trong một số sản phẩm đồ uống có truyền thống lâu đời. Ngày nay, ngoài việc sử dụng làm thức uống, cồn còn được sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho các nguồn nhiên liệu truyền thống.

Theo thống kê trong Hình 1.1, tính đến năm 2020, tổng sản lượng cồn trên thế giới khoảng 120 tỉ lít [9,10], trong đó dùng làm thức uống và dùng trong công nghiệp khoảng 13 – 15%, còn lại dùng cho nhiên liệu [11]. Theo dự báo của Tổ chức nông lương thế giới (FAO) trong các năm tới lượng cồn sử dụng (đặc biệt trong lĩnh vực làm nhiên liệu thay thế) tiếp tục tăng trưởng đạt khoảng 134,5 tỉ lít vào năm 2024 [12]. Ngoài ra, do các nguồn nhiên liệu truyền thống (dầu mỏ, khí đốt, than đá…) ngày càng cạn kiệt nên cồn đang trở thành nguồn nhiên liệu thay thế quan trọng.1 Tình hình sản xuất cồn trên thế giới Cồn dùng để pha chế rượu và dùng trong hóa học, y tế, và các ngành công nghiệp khác. Đồ uống chứa cồn là sản phẩm có vị trí quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm.

Cồn được dùng để pha chế các loại rượu cao độ có giá trị cao như whisky, vodka… Mỹ và Braxin là hai quốc gia sản xuất cồn hàng đầu thế giới. Theo hiệp hội năng lượng tái tạo (RFA) năm 2021, Mỹ sản xuất sản lượng cồn dùng cho nhiên liệu đạt 15,02 tỉ gallon, chiếm 55% sản lượng cồn nhiên liệu trên thế giới. Braxin sản xuất 7,43 tỉ gallon, chiếm 27% sản lượng cồn trên thế giới [13]. Kết quả được thể hiện trong Hình 1.