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.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo" thuộc ngành Công nghệ Thực phẩm (mã số: 9540101), được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Tiền Tiến Nam dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Phạm Tuấn Anh và PGS. Chu Kỳ Sơn tại Đại học Bách khoa Hà Nội (năm 2023).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Ethanol giữ vai trò thiết yếu trong công nghiệp thực phẩm (đồ uống pha chế, rượu truyền thống), dung môi công nghiệp và nhiên liệu sinh học. Tại Việt Nam, gạo là cây lương thực chủ lực và là nguồn nguyên liệu tinh bột chính phục vụ sản xuất cồn thực phẩm. Công nghệ sản xuất cồn truyền thống từ tinh bột trải qua các công đoạn: hồ hóa - dịch hóa (95–105°C trong 60–70 phút), làm nguội về 60–62°C để đường hóa, hạ nhiệt độ về 28–32°C để lên men và chưng cất. Quy trình này tiêu tốn nhiều năng lượng nhiệt, nước giải nhiệt, thời gian kéo dài và phát sinh thất thoát cơ chất do phản ứng Maillard.

Công nghệ đường hóa và lên men đồng thời (SSF) ở nồng độ chất khô cao (VHG > 300 g/L) tuy đã giảm bớt công đoạn nhưng vẫn đòi hỏi gia nhiệt dịch hóa trên 80°C. Do đó, công nghệ dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao (SLSF-VHG) được phát triển nhằm tích hợp toàn bộ các giai đoạn thủy phân và lên men trong cùng một thiết bị ở nhiệt độ thường (30–34°C). Tuy nhiên, việc áp dụng quy trình SLSF-VHG trên nguyên liệu gạo tại Việt Nam còn tồn tại các khoảng trống kỹ thuật:

• Chưa khảo sát, lựa chọn tối ưu loại gạo, hàm lượng amylose, tổ hợp chế phẩm enzym và nấm men phù hợp.
• Chưa làm rõ cơ chế tác động của enzym lên cấu trúc hạt bột gạo sống và động học tích tụ/chuyển hóa thành phần dịch lên men.
• Vai trò thay thế nguồn nitơ vô cơ (urea) bằng enzym protease nhằm tăng diện tích tiếp xúc cơ chất và giảm nguy cơ tạo độc chất trong cồn thực phẩm chưa được giải thích đầy đủ.
• Hiệu suất lên men ở nồng độ chất khô cao còn bị giới hạn bởi hiện tượng ức chế thẩm thấu và ức chế nồng độ cồn cuối lên nấm men; chưa có dữ liệu kiểm chứng ở quy mô pilot 100 L và đánh giá chất lượng cồn theo tiêu chuẩn quốc gia.

Mục tiêu nghiên cứu

1. 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 SLSF-VHG.
2. Phát triển ứng dụng quy trình SLSF-VHG ở quy mô pilot (100 L dịch lên men).
3. 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 từ gạo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Các giống gạo phổ biến tại Việt Nam (IR50404, OM5451, OM6976, OM4900, Hàm Châu, Bụi Sữa, gạo nếp...); các chế phẩm enzym thủy phân tinh bột sống (Stargen 002), enzym đường hóa phụ trợ (Amigase Mega L, Distillase ASP, Spirizyme), enzym protease (Fermgen); các chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae công nghiệp (Ethanol Red, Thermosacc Dry, Angel Super Alcohol).
• Phạm vi không gian và quy mô: Thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm (bình lên men 1 L) và quy mô pilot (hệ thiết bị tích hợp 100 L dịch lên men) tại Đại học Bách khoa Hà Nội và Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh.
• Phạm vi nội dung: Xác lập thông số công nghệ SLSF-VHG; phân tích động học, hình thái cấu trúc hạt tinh bột (SEM, XRD); phân tích sản phẩm phụ; kiểm chuẩn sản phẩm rượu chưng cất theo TCVN 7043:2013; thử nghiệm tích hợp kỹ thuật lên men - chưng cất chân không tách cồn đồng thời ở nồng độ chất khô 350–500 g/L.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án hệ thống hóa các hướng nghiên cứu công nghệ sản xuất ethanol không gia nhiệt trên thế giới và trong nước:

Nhóm nghiên cứu / Tác giả	Năm công bố	Đối tượng nguyên liệu & Quy mô	Thông số / Kết quả chính
Balls & Schwimmer	1944	Tinh bột sống	Đặt nền móng cho việc sử dụng enzym thủy phân tinh bột ở nhiệt độ thấp
Matsumoto và cộng sự	1982	Bột ngô (20–30% CK)	Sử dụng enzym từ Rhizopus sp., lên men 96 h đạt 14,2% v/v
Shigechi và cộng sự	2004	Bột ngô (20% CK, 1 L)	S. cerevisiae, glucoamylase (R. oryzae) và α-amylase (S. bovis); đạt 61,8 g/L ethanol, hiệu suất 86,5%
Wang và cộng sự	2009	Bột ngô (32% CK, 500 mL)	Khảo sát Stargen 001, GC106 (protease) và urea; đạt 18% v/v sau 72 h
Xu & Duan	2010	Lúa miến (35% CK)	Kiểm soát nhiệt độ thấp và enzym Stargen; đạt nồng độ cồn 20% v/v sau 90 h
Shihadeh và cộng sự	2013, 2014	Bột ngô (250 g/L, 5 L đến 8000 L)	Stargen 001, GC106, nấm men Ethanol Red; độ cồn đạt từ 117 g/L (5 L) giảm dần còn 76 g/L (8000 L)
Masiero và cộng sự	2014	Khoai lang (200 g/L)	Stargen 002; tiền xử lý ở 52°C cho hàm lượng glucose cao nhất
Krajang và cộng sự	2021	Tinh bột sắn (20% w/v, 1 L - 200 L - 3000 L)	Stargen 002; hiệu suất đạt tương ứng 75,29%, 74,4% và 67,6%
Strąk-Graczyk và cộng sự	2019	Lúa mạch, lúa mì, tiểu hắc mạch (280 g/L)	Đạt độ cồn 94,5–98,7 g/L; FAN đạt cực đại 0,87 g/L
Chu-Ky và cộng sự	2016	Bột gạo (311,5 g CK/L, 1 L và 25 L)	Stargen 002, Amigase Mega L, Fermgen, Urea; đạt 17,6% v/v (1 L) và 17,0% v/v (25 L)
Kumar và cộng sự	2018	Bột ngô (32–42% CK) có chưng chân không	Chưng chân không giúp tăng hiệu suất lên men ở nồng độ chất khô cao lên 65–88%

Khoảng trống luận án tập trung giải quyết

Mặc dù công nghệ không gia nhiệt đã được thử nghiệm trên ngô, sắn, lúa mạch, việc áp dụng trên gạo Việt Nam ở nồng độ chất khô cao (>300 g/L) còn hạn chế. Luận án giải quyết triệt để việc lựa chọn giống lúa theo hàm lượng amylose, tối ưu hóa sự phối hợp giữa amylase/glucoamylase với protease nhằm loại bỏ hoàn toàn urea, làm sáng tỏ cơ chế phá vỡ màng protein bao bọc tinh bột, đánh giá định lượng tiêu hao năng lượng/chi phí ở quy mô 100 L và ứng dụng chưng cất chân không để vượt qua giới hạn nồng độ chất khô lên đến 500 g/L.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

• Cấu trúc tinh bột và bột gạo: Tinh bột gạo thuộc dạng tinh thể loại A (đỉnh nhiễu xạ XRD tại 2θ = 15°, 17°, 18°, 20°, 23°), hạt đa giác kích thước 3–5 µm nằm trong mạng lưới liên kết với protein nội nhũ (thể protein hình cầu 0,5–4,0 µm). Amylose mạch thẳng cản trở enzym thủy phân hơn so với amylopectin phân nhánh.
• Cơ chế xúc tác enzym thủy phân tinh bột sống: Tổ hợp Stargen 002 chứa α-amylase và glucoamylase mang vùng gắn kết tinh bột (Starch-Binding Domain - SBD) kết nối với vùng xúc tác (Catalytic Domain - CD) qua cầu nối giàu serin và threonin, cho phép enzym hấp phụ trực tiếp lên bề mặt hạt tinh bột sống, ăn mòn tạo lỗ xốp mà không cần hồ hóa nhiệt.
• Tác động hiệp đồng của protease: Protease axit thủy phân mạng lưới protein bao quanh hạt tinh bột, giải phóng nitơ amin tự do (FAN) cho nấm men, đồng thời làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giúp amylase tấn công sâu vào lõi hạt tinh bột.
• Động học lên men VHG và giải tỏa ức chế bằng chân không: Lên men ở nồng độ chất khô cao sinh áp suất thẩm thấu và tích lũy nồng độ ethanol cao làm giảm khả năng sinh trưởng của nấm men. Kỹ thuật chưng cất chân không ngắt quãng ở nhiệt độ thấp tách bớt ethanol ra khỏi dịch, duy trì nồng độ cồn dưới ngưỡng ức chế sinh học.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

[Bột gạo + Nước] ---> [Điều chỉnh pH 4,5] ---> [Bổ sung Stargen 002 + Fermgen + Nấm men]
                             |
       +---------------------+---------------------+
       |                                           |
[Quy trình SLSF-VHG]                      [Quy trình SLSFD chân không]
(Lên men tĩnh/khuấy, 30°C)                (Hạ áp tách cồn ngắt quãng)
       |                                           |
[Đánh giá Động học, SEM, XRD]             [Nâng nồng độ CK 350 - 500 g/L]
       |                                           |
[Quy mô Pilot 100 L & TCVN 7043]          [Đánh giá Hiệu suất & Thời gian]

• Vật liệu và hóa chất: Chế phẩm Stargen 002 (Dupont, hoạt tính α-amylase và glucoamylase), Fermgen (Dupont, protease axit), Amigase Mega L (DSM), Spirizyme DA, Distillase ASP; các chủng nấm men khô S. cerevisiae (Ethanol Red, Thermosacc Dry, Angel Super Alcohol).
• Phương pháp phân tích hóa lý và sinh học:
  • Xác định hàm lượng đường khử bằng phương pháp quang phổ với thuốc thử axit 3,5-dinitrosalicylic (DNS).
  • Phân tích nồng độ đường hòa tan (glucose, maltose, DP3, DP4+), glycerol, axit hữu cơ (lactic, axetic) và ethanol bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC).
  • Phân tích thành phần bay hơi (rượu bậc cao, este, aldehyt, metanol) bằng sắc ký khí (GC).
  • Phân tích nitơ amin tự do (FAN) theo phương pháp Ninhydrin; protein thô theo phương pháp Kjeldahl.
  • Quan sát hình thái vi cấu trúc bề mặt bột gạo bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
  • Đo độ tinh thể (Crystallinity Index - CrI) của tinh bột bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD).
  • Đếm mật độ tế bào, tỷ lệ tế bào sống và tỷ lệ nảy chồi của nấm men bằng buồng đếm hồng cầu kết hợp nhuộm xanh methylen.
  • Kiểm tra các chỉ tiêu an toàn và chất lượng rượu chưng cất theo TCVN 7043:2013.
• Phương pháp xử lý số liệu: Thí nghiệm được lặp lại tối thiểu 3 lần; xử lý thống kê, phân tích phương sai (ANOVA) và kiểm định ý nghĩa thống kê bằng phần mềm chuyên dụng.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương này tổng kết tình hình sản xuất cồn nhiên liệu và cồn thực phẩm trên thế giới và tại Việt Nam (sản lượng rượu trắng và rượu mạnh năm 2021 đạt 315,3 triệu lít; quy hoạch đến 2025 đạt 350–440 triệu lít). Tác giả so sánh chi tiết công nghệ sản xuất truyền thống, công nghệ SSF và công nghệ không gia nhiệt SLSF-VHG; phân tích đặc điểm cấu trúc hóa thực vật của gạo tẻ, gạo nếp, cấu trúc amylose/amylopectin loại A; làm rõ cấu trúc phân tử của enzym α-amylase, glucoamylase (các domain A, B, C, TIM barrel, SBD, CD) và protease; phân tích tác động của các yếu tố công nghệ (kích thước hạt nghiền, nồng độ enzym, nguồn nitơ, mật độ nấm men, nồng độ chất khô) và cơ sở của phương pháp lên men kết hợp chưng cất chân không tách cồn đồng thời (SLSFD).

Chương 2: Nguyên vật liệu, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết nguồn gốc, tiêu chuẩn hóa của các lô nguyên liệu gạo, thông số hoạt độ của các chế phẩm enzym (GAU, SAPU) và nấm men thương mại (CFU/g). Mô tả bố trí thực nghiệm cho 4 nội dung nghiên cứu lớn:

1. Sàng lọc nguyên liệu (loại gạo, enzym GA phụ trợ, chủng nấm men).
2. Tối ưu hóa điều kiện công nghệ, động học và cơ chế biến đổi hóa lý, hình thái cấu trúc hạt tinh bột trong dịch lên men quy mô 1 L.
3. Thiết lập và vận hành thử nghiệm quy trình SLSF-VHG ở quy mô 100 L dịch lên men, đánh giá cân bằng vật chất, tiêu hao điện, nước và phân tích chất lượng sản phẩm theo TCVN 7043:2013.
4. Bố trí mô hình tích hợp lên men và chưng cất chân không tách cồn ngắt quãng ở các dải chất khô 310,8–500 g/L. Chi tiết hóa toàn bộ các công thức toán học tính toán tốc độ tạo cồn ($Q_P$), hiệu suất chuyển hóa ($Y_{P/S}$), hiệu suất lên men (HSLM) và độ tinh thể ($CrI$).

Chương 3: Kết quả và thảo luận

1. Lựa chọn nguyên liệu (Gạo, enzym phụ trợ, nấm men)

• Loại gạo: Thử nghiệm trên các giống lúa cho thấy gạo IR50404 (và các giống có hàm lượng amylose dưới 26,32%) cho tốc độ thủy phân và hiệu suất lên men cao nhất, đạt độ cồn trên 17% v/v. Hàm lượng amylose cao làm tăng độ bền cấu trúc, cản trở enzym tấn công.
• Enzym đường hóa phụ trợ: Việc bổ sung enzym glucoamylase phụ trợ giúp tăng cường phân giải dextrin sót; trong đó Amigase Mega L thể hiện tính tương thích cao nhất với Stargen 002.
• Chủng nấm men: Chế phẩm nấm men khô S. cerevisiae Ethanol Red (ER) thể hiện khả năng chịu áp suất thẩm thấu và chịu cồn vượt trội so với Thermosacc Dry (TD) và Angel Super Alcohol (AS), duy trì tỷ lệ sống cao ở giai đoạn cuối lên men.

2. Xác lập điều kiện công nghệ và cơ chế phân giải bột gạo

• Kích thước hạt nghiền: Lựa chọn kích thước lưới nghiền bột gạo thích hợp nhằm cân bằng giữa chi phí năng lượng nghiền và diện tích bề mặt tiếp xúc của hạt bột.
• Nồng độ enzym Stargen 002 và nồng độ chất khô: Nồng độ chất khô tối ưu xác định ở mức 310,8 g/L; ở nồng độ này nồng độ đường khử duy trì ở mức thấp và ổn định trong suốt pha lên men chính, giúp nấm men tránh được sốc thẩm thấu.
• Cơ chế tác động của Protease thay thế Urea:

Chỉ tiêu theo dõi	Mẫu bổ sung Urea (U)	Mẫu bổ sung Protease Fermgen (P)	Mẫu đối chứng (R) / Kết hợp (UP)
Nồng độ ethanol (% v/v)	Thấp hơn mẫu P	Đạt cao nhất (~17,6 - 17,8% v/v)	UP không làm tăng cồn so với P
Hàm lượng FAN (mg/L)	Không tăng từ cơ chất	Tăng mạnh trong 24 h đầu	P tạo nguồn FAN sinh học tối ưu
Hình thái bề mặt (SEM)	Rỗ bề mặt đơn thuần	Xuất hiện các lỗ sâu, phân rã màng protein	Màng bao quanh hạt bị phá vỡ hoàn toàn
Độ tinh thể tinh bột (CrI, XRD)	Giảm chậm	Giảm nhanh từ 24 h đến 72 h	Cấu trúc vô định hình và tinh thể bị phân cắt sâu
Sản phẩm phụ (Este, Aldehyt)	Tồn tại nguy cơ ethyl carbamate	Giảm thiểu sản phẩm phụ độc hại	An toàn cho cồn thực phẩm

Ảnh chụp SEM chứng minh Fermgen thủy phân lớp protein bọc ngoài amyloplast, tạo điều kiện cho Stargen 002 thâm nhập sâu vào lõi hạt tinh bột dạng hợp chất của gạo, chuyển đổi cơ chế từ ăn mòn bề mặt sang ăn mòn xuyên tâm.

3. Động học và quy trình SLSF-VHG quy mô 1 L và pilot 100 L

• Ở quy mô 1 L, xác lập bộ thông số: nồng độ chất khô 310,8 g/L, pH ban đầu 4,5, nhiệt độ 30°C, khuấy trộn 50 vòng/phút trong 24 h đầu, nấm men Ethanol Red ($3,5 \times 10^7$ CFU/mL), Stargen 002 và Fermgen.
• Thử nghiệm quy mô 100 L dịch lên men: Quá trình lên men diễn ra ổn định, đạt nồng độ cồn 17,73% v/v, hiệu suất lên men đạt 89,07%.
• Đánh giá chất lượng cồn chưng cất: Hàm lượng metanol, este, aldehyt, rượu bậc cao và furfural đều nằm trong giới hạn cho phép của TCVN 7043:2013 đối với rượu trắng chưng cất.
• Thống kê định mức kinh tế - kỹ thuật: Tiêu hao điện, nước làm mát giảm rõ rệt so với công nghệ nấu truyền thống do cắt bỏ hoàn toàn công đoạn gia nhiệt 100°C và làm lạnh trung gian.

4. Nghiên cứu tích hợp lên men và chưng cất chân không (SLSFD)

• Áp dụng chế độ hút chân không ngắt quãng ở các thời điểm thích hợp (từ 24–48 h) nhằm tách bớt ethanol ra khỏi môi trường lên men.
• Ở nồng độ chất khô 350 g/L: Nồng độ cồn tổng thu hồi đạt 19,98% v/v, hiệu suất lên men đạt 89,09%, thời gian lên men rút ngắn xuống còn 72 h (giảm 24 h so với quy trình không chưng chân không ở 310,8 g/L). Nồng độ chất khô nâng cao được 12,6% và nồng độ cồn quy đổi tăng 2,16% v/v.
• Nâng nồng độ chất khô lên 500 g/L: Luận án lần đầu tiên ghi nhận việc nâng nồng độ chất khô lên 500 g/L trong công nghệ không gia nhiệt vẫn đạt hiệu suất lên men và thời gian lên men tương đương với mức 310,8 g/L ở quy trình SLSF-VHG thông thường, giải tỏa hoàn toàn hiện tượng ức chế sản phẩm cuối đối với tế bào nấm men.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

1. Xác định được quy luật ảnh hưởng của hàm lượng amylose trong gạo đến hiệu quả thủy phân không gia nhiệt: các loại gạo có hàm lượng amylose nhỏ hơn 26,32% (tiêu biểu là giống IR50404) thích hợp nhất cho quy trình SLSF-VHG.
2. Cung cấp dữ liệu khoa học toàn diện về động học biến đổi các hợp chất đường hòa tan, protein hòa tan, FAN và sản phẩm phụ trong quy trình SLSF-VHG từ gạo.
3. Giải thích rõ ràng cơ chế tác động hiệp đồng của tổ hợp enzym thế hệ mới: enzym protease axit (Fermgen) phá vỡ liên kết trong mạng lưới protein - tinh bột, mở đường cho phức hệ amylase/glucoamylase (Stargen 002) gắn kết qua domain SBD để thủy phân hạt tinh bột sống từ ngoài vào trong lõi, giải phóng FAN tự nhiên thay thế hoàn toàn nguồn nitơ vô cơ (urea).
4. Phát triển thành công nguyên lý tích hợp chưng cất chân không trong quy trình không gia nhiệt (SLSFD), chứng minh khả năng giải tỏa hiện tượng ức chế cồn, cho phép nâng nồng độ chất khô lên ngưỡng 350–500 g/L.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

1. Thiết lập hoàn chỉnh quy trình công nghệ SLSF-VHG trên nguyên liệu gạo Việt Nam ở quy mô pilot 100 L dịch lên men: đạt độ cồn 17,73% v/v, hiệu suất lên men 89,07%, chất lượng rượu đạt chuẩn TCVN 7043:2013.
2. Cung cấp bảng số liệu định mức tiêu thụ điện, nước và chi phí sản xuất ở quy mô 100 L, làm cơ sở khoa học và công nghệ để chuyển giao, nhân rộng cho các cơ sở sản xuất rượu và cồn công nghiệp, giảm thiểu phát thải và tiêu hao năng lượng.
3. Giải pháp chưng chân không tách cồn ở 350 g/L chất khô giúp rút ngắn thời gian lên men từ 96–120 h xuống còn 72 h, nâng cao năng suất thiết bị.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Nghiên cứu thực nghiệm tập trung vào các chế phẩm enzym thương phẩm nhập khẩu (Dupont, DSM, Novozymes), chi phí enzym còn chiếm tỷ trọng đáng kể trong cơ cấu giá thành sản phẩm.
• Quy trình chưng cất chân không tách cồn ngắt quãng đòi hỏi hệ thống thiết bị kín và kiểm soát áp suất nghiêm ngặt, mới dừng lại ở quy mô pilot trong phòng thí nghiệm.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Nghiên cứu tối ưu hóa chế độ thu hồi và tái sử dụng bã thải sau chưng cất (chứa hàm lượng protein nấm men và dưỡng chất cao) làm thức ăn chăn nuôi hoặc thực phẩm chức năng.
• Hoàn thiện thiết kế hệ thống thiết bị tích hợp lên men - chưng cất chân không liên tục ở quy mô công nghiệp lớn hơn (từ vài mét khối trở lên).
• Nghiên cứu sản xuất các chế phẩm enzym thủy phân tinh bột sống từ nguồn vi sinh vật bản địa nhằm giảm giá thành nguyên liệu enzym.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo giá trị cho các nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sinh học, Kỹ thuật Hóa học: Tham khảo phương pháp bố trí thí nghiệm VHG, các kỹ thuật phân tích vi cấu trúc tinh bột (SEM, XRD), sắc ký HPLC/GC và động học lên men vi sinh vật.
• Giảng viên và nhà khoa học: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuyên đề công nghệ sản xuất đồ uống có cồn, kỹ thuật enzym học ứng dụng và kỹ thuật phân tách chân không.
• Kỹ sư công nghệ, nhà quản lý nhà máy cồn/rượu và doanh nghiệp sản xuất: Ứng dụng trực tiếp thông số công nghệ quy mô 100 L để cải tiến dây chuyền sản xuất rượu truyền thống hoặc cồn thực phẩm, chuyển đổi từ công nghệ nấu nhiệt độ cao sang công nghệ không gia nhiệt nhằm tiết kiệm 30–50% năng lượng, giảm chi phí xử lý môi trường và nâng cao hiệu suất thu hồi sản phẩm.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao giống lúa IR50404 và các loại gạo có amylose < 26,32% lại phù hợp nhất cho quy trình SLSF-VHG?

Hạt tinh bột gạo có cấu trúc bán tinh thể loại A. Amylose là phân tử mạch thẳng xếp chặt trong vùng vô định hình và tạo liên kết bền vững, làm giảm chỉ số thủy phân của enzym amylase. Khi hàm lượng amylose thấp (< 26,32%), cấu trúc hạt tinh bột xốp hơn và chứa tỷ lệ amylopectin phân nhánh cao hơn, giúp tổ hợp enzym Stargen 002 dễ dàng hấp phụ qua vùng SBD và phân cắt liên kết glycosidic ở nhiệt độ thường (30°C).

2. Vai trò cốt lõi của enzym protease (Fermgen) trong việc thay thế hoàn toàn urea là gì?

Trong bột gạo, các hạt tinh bột bị bao bọc bởi mạng lưới protein nội nhũ. Fermgen thực hiện hai nhiệm vụ: (1) Thủy phân protein thành các peptide ngắn và nitơ amin tự do (FAN), cung cấp nguồn dinh dưỡng trực tiếp cho nấm men sinh trưởng mà không cần bổ sung hóa chất vô cơ urea (tránh nguy cơ tạo độc chất ethyl carbamate); (2) Phá vỡ màng protein bao quanh amyloplast, tạo ra các lỗ rỗng sâu giúp enzym amylase tiếp cận trực tiếp bề mặt và lõi hạt tinh bột.

3. Kết quả thử nghiệm ở quy mô pilot 100 L đạt được các chỉ số công nghệ nào?

Ở quy mô 100 L dịch lên men, quy trình SLSF-VHG đạt nồng độ ethanol 17,73% v/v, hiệu suất lên men đạt 89,07%. Sản phẩm rượu chưng cất đạt toàn bộ các tiêu chuẩn về an toàn thực phẩm và giới hạn tạp chất (metanol, aldehyt, este, rượu bậc cao) theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7043:2013.

4. Ứng dụng chưng cất chân không tách cồn đồng thời đem lại lợi ích gì cho quá trình lên men?

Kỹ thuật chưng chân không ngắt quãng ở nhiệt độ thấp giúp bốc hơi một phần ethanol ra khỏi dịch lên men khi độ cồn đạt ngưỡng ức chế. Việc này giúp:

• Tăng mật độ tế bào nấm men sống và kéo dài hoạt lực enzym.
• Ở nồng độ chất khô 350 g/L: đạt độ cồn tổng thu hồi 19,98% v/v, hiệu suất lên men 89,09% và rút ngắn thời gian lên men từ 96–120 h xuống 72 h.
• Cho phép nâng nồng độ chất khô lên đến 500 g/L mà vẫn duy trì hiệu suất lên men tương đương quy trình chuẩn.

---

Kết luận

Luận án của TS. Tiền Tiến Nam đã giải quyết thành công các cơ sở khoa học và thông số công nghệ của quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao (SLSF-VHG) từ gạo Việt Nam. Bằng việc làm sáng tỏ cơ chế hiệp đồng giữa phức hệ enzym phân giải tinh bột sống Stargen 002 và protease Fermgen, nghiên cứu đã loại bỏ hoàn toàn việc bổ sung urea và tối ưu hóa quá trình phân giải hạt bột gạo sống. Kết quả thử nghiệm thành công ở quy mô pilot 100 L đạt hiệu suất lên men 89,07% và việc ứng dụng giải pháp chưng cất chân không nâng nồng độ chất khô lên 350–500 g/L là tiền đề kỹ thuật quan trọng để hiện đại hóa ngành sản xuất cồn thực phẩm tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam.

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.