Luận văn: Nghiên cứu enzyme thủy phân tinh bột nhiệt độ thấp sản xuất cồn

Luận văn nghiên cứu ứng dụng hệ enzyme thủy phân tinh bột nhiệt độ thấp trong sản xuất cồn từ gạo và sắn lát, phân tích hiệu quả và quy trình.

• Tác giả: Nguyễn Thị Mai Hiên
• Người hướng dẫn: Ts. Trần Thị Thanh Huyền
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vi Sinh Vật Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Enzyme Thủy Phân Tinh Bột Ở Nhiệt Độ Thấp Ứng Dụng Trong Quá Trình Sản Xuất Cồn Từ Nguyên Liệu Giàu Tinh Bột
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về sản xuất cồn từ nguyên liệu giàu tinh bột

Sản xuất cồn là một ngành công nghiệp quan trọng trên toàn thế giới, với ứng dụng rộng rãi trong năng lượng tái tạo và công nghiệp hóa chất. Nguyên liệu giàu tinh bột như gạo, sắn, lúa mì là những nguồn nguyên liệu chính cho sản xuất cồn ở Việt Nam và các nước Đông Nam Á. Quá trình sản xuất truyền thống thường yêu cầu nhiệt độ cao, dẫn đến chi phí năng lượng lớn và hiệu suất thấp. Nghiên cứu sản xuất cồn bằng enzyme thủy phân tinh bột ở nhiệt độ thấp đã mở ra hướng đi mới, giúp giảm chi phí sản xuất, nâng cao hiệu quả và bảo vệ môi trường. Công nghệ này kết hợp thủy phân tinh bột và lên men đồng thời, tạo ra một quy trình sản xuất cồn hiệu quả và kinh tế hơn.

1.1. Tình hình sản xuất cồn toàn cầu

Sản xuất cồn trên thế giới đã phát triển mạnh mẽ trong hai thập kỷ qua. Các nước như Mỹ, Brazil, Trung Quốc là những nhà sản xuất cồn nhiên liệu hàng đầu. Nhu cầu về năng lượng tái tạo và giảm phát thải carbon đã thúc đẩy sự gia tăng sản lượng cồn. Việc áp dụng công nghệ enzyme thủy phân mới nhất giúp các nhà máy tối ưu hóa quy trình và giảm chi phí sản xuất đáng kể.

1.2. Tình hình sản xuất cồn tại Việt Nam

Việt Nam sở hữu nguồn nguyên liệu tinh bột phong phú, đặc biệt từ gạo và sắn. Ngành sản xuất cồn ở Việt Nam đang phát triển với nhiều nhà máy quy mô lớn như Công ty Cổ phần Cồn Rượu Hà Nội và Rượu Đồng Xuân. Việc ứng dụng công nghệ enzyme trong thủy phân tinh bột đã giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm cồn.

II. Quy trình thủy phân tinh bột bằng enzyme ở nhiệt độ thấp

Enzyme thủy phân tinh bột ở nhiệt độ thấp là một trong những tiến bộ công nghệ quan trọng nhất trong sản xuất cồn hiện đại. Quy trình này sử dụng các enzyme specialized như Stargen 001 và Spezyme Extra để phân giải các chuỗi glucose từ tinh bột. Ưu điểm chính của phương pháp này là hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ 30-50°C, giúp tiết kiệm năng lượng so với phương pháp truyền thống yêu cầu nấu ở 95-120°C. Thủy phân tinh bột ở nhiệt độ thấp cho phép kết hợp đường hoá và lên men đồng thời, rút ngắn thời gian sản xuất. Hệ enzyme này có khả năng chuyển đổi tinh bột thành đường khử hiệu quả, tạo điều kiện tối ưu cho quá trình lên men cồn.

2.1. Hệ enzyme Stargen 001 Giải pháp ở nhiệt độ thường

Stargen 001 là hệ enzyme thủy phân tinh bột sống hoạt động tối ưu ở nhiệt độ 25-40°C. Enzyme này chứa alpha-amylase và glucoamylase, cho phép đường hoá và lên men đồng thời trong một bình phản ứng. Khi áp dụng Stargen 001 trong sản xuất cồn từ gạo, hiệu suất thủy phân tinh bột đạt 90-95%, giảm đáng kể chi phí năng lượng so với công nghệ truyền thống.

2.2. Enzyme Spezyme Extra Công nghệ tiên tiến

Spezyme Extra là enzyme dịch hoá chuyên biệt hoạt động ở nhiệt độ không cao (30-50°C). Enzyme này được phối hợp với enzyme đường hoá như Dextrozyme GA hoặc Distillase L-400 để tối ưu hóa quá trình thủy phân tinh bột sắn. Nghiên cứu cho thấy việc sử dụng Spezyme Extra giúp tăng hiệu suất lên men lên 85-90% và rút ngắn thời gian xử lý từ 24 giờ xuống 12-15 giờ.

III. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến hiệu suất thủy phân

Hiệu suất của quá trình thủy phân tinh bột bằng enzyme ở nhiệt độ thấp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ enzyme, nhiệt độ, thời gian phản ứng, và pH dung dịch. Việc kiểm soát những yếu tố này một cách khoa học là chìa khóa để tối ưu hóa sản xuất cồn. Nồng độ enzyme Stargen 001 từ 0.05 đến 0.15% (w/v) cho kết quả tốt nhất với hiệu suất lên men đạt 92-95%. Nhiệt độ 35-40°C và thời gian dịch hoá 8-10 giờ là điều kiện tối ưu cho quá trình thủy phân tinh bột sắn bằng Spezyme Extra. Các nghiên cứu tại các nhà máy Rượu Hà Nội và Đồng Xuân đã chứng minh rằng việc điều chỉnh các thông số này có thể tăng hiệu suất sản xuất cồn lên 15-20%.

3.1. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme

Nồng độ enzyme tối ưu là yếu tố quyết định hiệu suất thủy phân tinh bột. Nồng độ quá thấp dẫn đến thủy phân chậm, trong khi nồng độ quá cao gây lãng phí enzyme mà không cải thiện đáng kể tốc độ phản ứng. Kết quả khảo sát cho thấy Stargen 001 ở nồng độ 0.1% (w/v) cho hiệu suất tốt nhất, với 93% đường khử được tạo ra trong 12 giờ.

3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian dịch hoá

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động enzyme. Spezyme Extra hoạt động tối ưu ở 40-45°C, cho tốc độ thủy phân nhanh nhất. Thời gian dịch hoá từ 8-10 giờ ở 40°C giúp chuyển đổi gần như hoàn toàn titin bột thành đường khử, chuẩn bị tốt cho giai đoạn lên men cồn.

IV. Lợi ích và triển vọng ứng dụng công nghệ enzyme thủy phân tinh bột

Ứng dụng enzyme thủy phân tinh bột ở nhiệt độ thấp trong sản xuất cồn mang lại nhiều lợi ích kinh tế và môi trường. Công nghệ này giảm tiêu hao năng lượng từ 30-40% so với phương pháp truyền thống, giảm chi phí sản xuất một cách đáng kể. Đường hoá và lên men đồng thời rút ngắn chu kỳ sản xuất, nâng cao năng suất dây chuyền. Chất lượng cồn sản xuất được cải thiện với độ tinh sạch cao hơn. Ngoài ra, công nghệ này thân thiện với môi trường, giảm lượng nước thải và khí thải. Trong tương lai, việc phát triển các enzyme mới với hiệu suất cao hơn và chi phí thấp hơn sẽ giúp phổ biến rộng rãi công nghệ này trong các nhà máy sản xuất cồn. Đây là bước tiến quan trọng để Việt Nam trở thành nhà sản xuất cồn hiệu quả và bền vững.

4.1. Lợi ích kinh tế của công nghệ enzyme

Giảm chi phí năng lượng là lợi ích trực tiếp nhất khi sử dụng enzyme thủy phân ở nhiệt độ thấp. Nhà máy có thể tiết kiệm 30-40% chi phí hơi nước và điện so với quy trình truyền thống. Rút ngắn thời gian sản xuất từ 48-72 giờ xuống 24-36 giờ tăng năng suất. Giảm chi phí enzyme thông qua tối ưu hóa nồng độ sử dụng. Nâng cao hiệu suất lên men, tăng lợi nhuận ròng từ mỗi đơn vị nguyên liệu đầu vào.

4.2. Triển vọng phát triển bền vững

Công nghệ enzyme thủy phân tinh bột ở nhiệt độ thấp hỗ trợ mục tiêu phát triển bền vững bằng cách giảm phát thải carbon. Giảm đáng kể nước thải do quy trình ngắn hơn và hiệu quả hơn. Tận dụng tối ưu nguyên liệu giàu tinh bột từ gạo, sắn, rau quả. Tạo sản phẩm cồn chất lượng cao cho ứng dụng năng lượng sạch. Với những lợi ích này, công nghệ sẽ trở thành chuẩn trong ngành công nghiệp cồn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Ethyl alcohol (etylic) hay được gọi là cồn, có công thức hoá học là C 2H5OH, có vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp (như công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm…), nông nghiệp, y tế. Cồn là nguyên liệu để pha chế nhiều loại đồ uống phổ biến ở nhiều nước; cồn còn được dùng để sản xuất nhiều loại hoá chất quan trọng như: axetaldehyt, axit axetic, các este, butanol, glycol, vinyl axetat [6]… Những năm gần đây sản xuất cồn được xem là hướng ưu tiên số một làm nhiên liệu để thay thế xăng ở các nước phát triển nhất là Brazil, Mỹ và một số nước khác như Trung Quốc, Thái Lan… Ngành công nghiệp sản xuất cồn đã có từ rất lâu đời. Kể từ năm 1800 khi nhà máy sản xuất cồn đầu tiên ở Hà Lan được xây dựng [6], thì cho tới nay có hàng loạt nhà máy đã được xây dựng ở nhiều nước trên thế giới. Tính đến năm 2006, tổng sản lượng cồn trên thế giới đã đạt tới con số 51 tỷ lít [25].

Trên thế giới cồn được sản xuất theo hai con đường. Thứ nhất là lên men truyền thống từ các nguyên liệu thô như rỉ đường (là phế phẩm của nhà máy sản xuất đường từ mía hay củ cải đường) hoặc thuỷ phân các nguyên liệu có chứa tinh bột như ngô, lúa mạch, gạo… hoặc từ sắn để thu lấy dịch đường rồi cho lên men và chưng cất. Thứ hai là tổng hợp từ etylen. Xét về hiệu quả kinh tế thì phương án thứ hai có lợi thế hơn vì nguyên liệu rẻ tiền.

Nhưng xét về mặt chất lượng sản phẩm và khả năng đáp ứng về công suất sản xuất và trang thiết bị đơn giản thì phương pháp lên men từ gluxit chiếm ưu thế hơn nhiều. Hiện nay trên thế giới 95% cồn được sản xuất theo phương pháp lên men, chỉ có 5% được sản xuất theo con đường tổng hợp hoá học [10]. Quá trình sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu có chứa tinh bột như gạo, ngô, khoai, sắn…là một trong các quá trình công nghệ đã được biết đến từ lâu và phát triển qua hàng thế kỷ. Công nghệ này đặc biệt phát triển với các nước có sản lượng cây lương thực dồi dào như Brazil, Mỹ, Thái Lan, Trung Quốc…Việt Nam là nước nằm ở vùng nhiệt đới, rất thích hợp cho việc trồng các cây lương thực như lúa, ngô, 1 khoai, sắn…không chỉ đảm bảo nguồn lương thực trong nước mà Việt Nam còn là nước xuất khẩu gạo lớn thứ hai trên thế giới.

Còn đối với sắn, hàng năm nước ta cũng xuất khẩu một lượng khá lớn (1,2 triệu tấn/1 năm) [4]. Tuy nhiên việc sử dụng gạo trong sản xuất cồn còn bị hạn chế bởi phải đảm bảo vấn đề an ninh lương thực quốc gia. Cồn được sản xuất từ gạo chỉ sản xuất với mục đích chính là làm cồn thực phẩm và cồn y tế. Tuy nhiên, với xu hướng sử dụng cồn làm nhiên liệu thay thế xăng dầu như hiện nay thì nhu cầu về cồn là rất lớn.

Do đó, việc sản xuất cồn từ sắn là một hướng đi thích hợp và đang được chú trọng ở Việt Nam cũng như một số nước trên thế giới. Công nghiệp sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột đã trải qua hàng thế kỷ. Tuy nhiên các công đoạn chính trong sản xuất cồn thì không thay đổi, vẫn bao gồm các quá trình chuyển hoá tinh bột thành đường có khả năng lên men và quá trình lên men đường bởi nấm men. Công nghệ sản xuất cồn cũng từng bước được cải tiến.

Trước đây, các nhà máy sản xuất cồn sử dụng quy trình nấu ở nhiệt độ và áp suất cao gây tổn thất lớn và hiệu suất thấp. Tiếp đó, giai đoạn thuỷ phân tinh bột khi nấu đã giúp quá trình nấu trở nên dễ dàng hơn và hiệu quả hơn. Tuy nhiên, quá trình nấu vẫn phải tiến hành ở nhiệt độ cao và tiêu tốn nhiều năng lượng. Với mong muốn giảm năng lượng tiêu tốn và giảm tổn thất trong quá trình nấu, tăng năng suất cồn, các nhà nghiên cứu đã nỗ lực phát triển để tạo ra một thế hệ enzim có khả năng thuỷ phân tinh bột ngay ở nhiệt độ thường sử dụng trong quá trình sản xuất cồn.

Các enzim mới này mới chỉ được sử dụng ở một số nước châu Âu trên một số nguyên liệu như ngô, gạo, lúa mì. Tuy nhiên do đặc điểm khí hậu, đất đai tại mỗi quốc gia khác nhau nên cây trồng ở mỗi quốc gia cũng khác nhau. Vì vậy, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài:"Nghiên cứu hệ enzyme thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ thấp ứng dụng trong quá trình sản xuất cồn từ nguyên liệu giàu tinh bột". Mục tiêu của đề tài đặt ra là khảo sát hoạt động của một số enzim thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ thấp của hãng Gennencor (Stargen 001, Spezyme Extra, Distillase) sử dụng trong quá trình sản xuất cồn từ gạo và sắn lát.

TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT CỒN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1 Tình hình sản xuất cồn trên thế giới Cồn etylic có vai trò quan trọng trong nhiều ngành, là nguyên liệu để sản xuất hơn 150 loại sản phẩm khác nhau. Có thể tóm tắt vị trí của cồn etylic trong các ngành công nghiệp như sau [6]:  Quốc phòng: thuốc súng không khói và nhiên liệu hoả tiễn bom bay.  Y tế: sát trùng và pha chế thuốc.  Thực phẩm: rượu mùi, giấm.

 Nông nghiệp: thuốc trừ sâu.  Dệt: thuốc nhuộm, tơ nhân tạo.  Chế biến gỗ: sơn, vecni.  Giao thông vận tải: làm nhiên liệu.

 Công nghiệp nặng: công nghiệp cao su tổng hợp.  Công nghiệp hoá chất: dung môi hữu cơ.  Công nghiệp khác: đồ nhựa, keo dán, hương liệu… Khi cuộc khủng hoảng năng lượng diễn ra gay gắt vào những năm của thập niên 70 (thế kỷ 20), người ta nghĩ ngay đến một nguồn cung cấp năng lượng khác để thay thế dầu mỏ. Nguồn đầu tiên người ta nghĩ đến là cồn etylic.

Cồn kỹ thuật là nhiên liệu cho ô tô và các động cơ rất ưu việt. Đặc biệt trong những năm đầu thế kỷ 21, khi giá dầu thô ngày càng tăng cao thì cồn và nhiên liệu sinh học đã trở thành một trong những ưu tiên hàng đầu trong những định hướng chiến lược nghiên cứu về năng lượng của nhiều quốc gia phát triển trên thế giới. Braxin đã sử dụng cồn để pha vào xăng với tỷ lệ đến 20% dùng trong giao thông vận tải. Tại Mỹ, luật pháp 3 của nhiều bang bắt buộc phải sử dụng cồn nhiên liệu pha vào xăng với tỷ lệ là 10%… [22].

Vì vậy mà sản lượng cồn trên thế giới không ngừng tăng trong những năm đầu thế kỷ 21. Sản lượng cồn trên thế giới năm 2004 đạt gần 41 tỷ lít, năm 2005 đạt 45,7 tỷ lít, đến năm 2006 thì sản lượng cồn thế giới đã đạt tới con số 51 tỷ lít và đến năm 2013, theo thống kê con số này đã xấp xỉ 89 tỷ lít[32]. Việc sản xuất cồn chủ yếu từ hai nước lớn là Braxin và Mỹ (chiếm 70% sản lượng cồn thế giới). Braxin luôn đứng đầu sản lượng cồn trên thế giới nhưng đến năm 2007, Mỹ đã vượt lên đứng đầu với sản lượng cồn đạt khoảng 246000 lít, Braxin đã tụt xuống vị trí thứ hai với sản lượng xấp xỉ 190000 lít.

Sản lượng cồn của một số nước trên thế giới được thể hiện ở bảng 1.1: Sản lượng cồn nhiên liệu của một số nước/vùng trên thế giới[31] Sản lượng cồn nhiên liệu của một số nước/vùng trên thế giới (Million Gallons) Nước 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 USA 6521.00 Phần còn lại của 315.00 thế giới Thế giới 13123.1 Sản lượng cồn của một số nước/vùng trên thế giới qua các năm[31] Ở Châu Á ba nước sản xuất cồn lớn nhất là Trung Quốc, Ấn Độ và Thái Lan. Sản lượng cồn của ba quốc gia trên tăng nhanh qua từng năm bởi chính phủ mỗi nước đều có những kế hoạch xây dựng và phát triển thêm nhiều nhà máy sản xuất cồn với năng suất cao. Thái Lan và Indonesia là hai nước trong khu vực có sự phát triển ổn định về công nghiệp sản xuất cồn trong những năm vừa qua. Cả hai nước này đều xuất khẩu cồn tới Nhật Bản.

Thái Lan là nhà xuất khẩu cồn lớn nhất trong khu vực với những trung tâm sản xuất cồn mới có tầm cỡ đang được xây dựng ở Thái Lan.2 Tình hình sản xuất cồn ở Việt Nam Sản xuất cồn quy mô công nghiệp ở Việt Nam được bắt đầu từ năm 1898 do người Pháp thiết kế và xây dựng. Trước năm 1945 ở nước ta có các nhà máy rượu Hà Nội, Hải Dương, Nam Định, Bình Tây, Chợ Quán và Cái Rằng. Tất cả các nhà máy đều sản xuất theo phương pháp amilo. Sau ngày hoà bình lập lại (1955), các nhà máy không còn thiết bị nguyên vẹn nên chính phủ tập trung cải tạo, sửa chữa 5 thành nhà máy rượu Hà Nội với năng suất 6 triệu lít/năm, nhằm cung cấp chủ yếu cho nhu cầu uống cho nhân dân và một phần dành cho xuất khẩu sang các nước Đông Âu.

Kể từ đó đến nay, các công đoạn trong công nghiệp sản xuất cồn liên tục được đổi mới và hiện đại hoá nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, ở Việt Nam rượu etylic sản xuất hầu như chỉ phục vụ cho ngành công nghiệp thực phẩm, các ngành khác còn hạn chế. Trong khoảng thời gian những năm cuối thế kỷ 20, sau khi các nước Đông Âu tan rã, công nghiệp sản xuất rượu cồn ở Việt Nam gặp không ít khó khăn do thị trường tiêu thụ bị thu hẹp. Tuy nhiên đến những năm đầu thế kỷ 21, ngành công nghiệp sản xuất cồn lại được chính phủ chú trọng đầu tư cả về mặt vốn đầu tư và thiết bị, công nghệ tiên tiến hiện đại [3].

Chính vì thế mà sản lượng cồn của các nhà máy sẽ ngày càng tăng cao. Sản lượng cồn của một số nhà máy có công suất lớn ở Việt Nam hiện nay được thể hiện ở bảng 1.2: Sản lượng cồn của một số nhà máy sản xuất cồn có sản lượng lớn [22] Công suất Nguyên liệu STT Đơn vị sản xuất (triệu lít/năm) sử dụng 1 Nhà máy rượu Hà Nội 12,00 Ngũ cốc 2 Nhà máy rượu Đồng Xuân 2,5 Ngũ cốc 3 Nhà máy cồn Quảng Ngãi 4,0 Mật rỉ 6 Công ty đường Hiệp Hòa 3,0 Mật rỉ 7 Công ty đường Bình Hòa 3,0 Mật rỉ 8 Công ty rượu Bình Tây 6,0 Mật rỉ và Ngũ cốc 6 Khi nhà máy cồn số 2 của Công ty cổ phần đường mía Lam Sơn (Thanh Hóa) đi vào hoạt động đã bổ sung công suất khoảng 25 triệu lít/ năm.