Tối ưu hóa một số yếu tố trong quy trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao để sản xuất cồn từ gạo

• Tác giả: Vũ Thị Phượng
• Người hướng dẫn: PGS. Chu Kỳ Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
• Đề tài: Tối ưu hóa một số yếu tố trong quy trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao để sản xuất cồn từ gạo
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CỒN/RƯỢU VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN/RƯỢU
• 1.1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn – rượu trên thế giới và ở Việt Nam
• 1.1.1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn trên thế giới
• 1.1.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn ở Việt Nam
• 1.2. Công nghệ sản xuất cồn
• 1.2.1. Nguyên liệu chính trong sản xuất cồn
• 1.2.2. Công nghệ sản xuất cồn truyền thống
• 1.2.3. Công nghệ Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời (SLSF)
• 1.3. Kết quả đã nghiên cứu về quy trình SLSF-VHG
• 1.3.1. Một số kết quả đã công bố trên thế giới
• 1.3.2. Một số kết quả đã công bố ở Việt Nam
• 1.4. Tổng quan về phương pháp quy hoạch thực nghiệm
• 1.4.1. Tổng quan về phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi
• 1.4.2. Sơ lược về tối ưu đa mục tiêu
• 1.4.3. Tiêu chuẩn đánh giá toàn diện (OEC)
• 1.5. Xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn
• 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Thiết bị thực nghiệm
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Các phương pháp phân tích hoá lý
• 2.3.2. Phương pháp toán học
• 2.3.3. Phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi
• 2.3.4. Phân tích phương sai ANOVA
• 2.4. Mô tả xử lý thống kê
• 2.4.1. Cách tính giá trị trung bình
• 2.4.2. Cách tính độ lệch chuẩn
• 2.5. Xác định các thông số và lựa chọn điều kiện thí nghiệm
• 2.5.1. Khảo sát quy trình SLSF-VHG
• 2.5.2. Khảo sát nguồn Nitơ phù hợp
• 2.5.3. Lựa chọn yếu tố tối ưu và các mức tiến hành thí nghiệm
• 2.5.4. Xác định ma trận thực nghiệm theo phương pháp của Taguchi
• 2.5.5. Quy trình Dịch hóa Đường hóa và Lên men Đồng thời ở nồng độ chất khô cao
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đánh giá sơ bộ công nghệ sản xuất cồn theo phương pháp SLSF -VHG
• 3.2. Kết quả khảo sát thay thế hoặc loại bỏ nguồn Nitơ Ure
• 3.3. Tối ưu hóa hiệu suất lên men trong quy trình SLSF-VHG
• 3.3.1. Nồng độ cồn và hiệu suất các thí nghiệm
• 3.3.2. Xác định tỷ lệ ảnh hưởng và mức tối ưu của các yếu tố Stargen 002, Fermgen và nấm men tới hiệu suất lên men
• 3.3.3. Xây dựng hàm hồi quy giữa các yếu tố Stargen 002, Fermgen và nấm men tới hiệu suất lên men từ thực nghiệm
• 3.3.4. Tối ưu hóa chi phí nguyên liệu của quy trình SLSF-VHG
• 3.4. Kết quả tính toán chi phí nguyên liệu
• 3.5. Xác định mức độ ảnh hưởng và mức tối ưu của các thông số Stargen, Fermgen và Nấm men tới chi phí nguyên liệu
• 3.6. Xác định mức thông số Stargen 002, Fermgen và Nấm men đáp ứng đồng thời các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật
• 3.7. Kết quả thí nghiệm kiểm chứng
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan quy trình sản xuất cồn từ gạo nồng độ cao

Sản xuất cồn, đặc biệt là sản xuất cồn từ gạo, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm cả công nghiệp thực phẩm và năng lượng. Gạo, với hàm lượng tinh bột cao, là một nguyên liệu lý tưởng cho quá trình này. Tuy nhiên, quy trình sản xuất truyền thống thường gặp nhiều hạn chế về hiệu suất, chi phí và tiêu thụ năng lượng. Việc ứng dụng công nghệ nồng độ chất khô cao (VHG) hứa hẹn mang lại những cải tiến đáng kể. Quy trình sản xuất cồn hiệu quả đòi hỏi sự tối ưu hóa từ khâu chuẩn bị nguyên liệu, dịch hóa, đường hóa, lên men đến chưng cất và xử lý phụ phẩm. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc cải tiến quy trình lên men cồn đồng thời dịch hóa và đường hóa, nhằm giảm chi phí và tăng năng suất. Theo nghiên cứu của VIRAC, sản xuất rượu tăng 8,6% trong quý đầu năm 2019, cho thấy tiềm năng phát triển của ngành.

1.1. Lịch sử và tầm quan trọng của sản xuất cồn từ gạo

Sản xuất cồn từ gạo có lịch sử lâu đời ở nhiều quốc gia châu Á, đặc biệt là trong sản xuất rượu truyền thống. Ngày nay, quá trình này không chỉ phục vụ cho mục đích sản xuất đồ uống mà còn đóng vai trò quan trọng trong sản xuất ethanol từ gạo như một nguồn năng lượng sinh học. Gạo là nguyên liệu giàu tinh bột, dễ dàng chuyển đổi thành đường và sau đó lên men thành cồn. Quy trình này ngày càng được quan tâm bởi tính bền vững và khả năng tận dụng nguồn nguyên liệu nông nghiệp địa phương. Việc cải tiến quy trình này giúp tăng hiệu quả sản xuất cồn và giảm thiểu tác động môi trường.

1.2. Ưu điểm của công nghệ nồng độ chất khô cao trong sản xuất

Công nghệ nồng độ chất khô cao (VHG) mang lại nhiều lợi ích so với quy trình truyền thống. Thứ nhất, nó giúp giảm lượng nước cần thiết, tiết kiệm năng lượng cho quá trình gia nhiệt và làm mát. Thứ hai, VHG có thể tăng nồng độ cồn trong dịch lên men, giảm chi phí chưng cất và xử lý nước thải sản xuất cồn. Thứ ba, VHG thường kết hợp với quy trình lên men đồng thời dịch hóa và đường hóa (SLSF), giúp đơn giản hóa quy trình và giảm thời gian sản xuất. Tuy nhiên, việc áp dụng VHG cũng đòi hỏi những điều chỉnh về chủng nấm men và enzyme để phù hợp với điều kiện khắc nghiệt.

II. Thách thức trong quy trình tối ưu hóa sản xuất cồn gạo

Mặc dù hứa hẹn nhiều tiềm năng, quy trình tối ưu hóa sản xuất cồn gạo vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Việc đạt được hiệu suất cao ở nồng độ chất khô cao đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ các yếu tố như nhiệt độ, pH, nồng độ enzyme và dinh dưỡng cho nấm men. Tình trạng ức chế nấm men do nồng độ đường và cồn cao là một vấn đề phổ biến. Ngoài ra, chi phí enzyme và nguyên liệu đầu vào, xử lý phụ phẩm sản xuất cồn cũng là những yếu tố cần được cân nhắc. Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc tìm kiếm các chủng nấm men chịu cồn tốt, enzyme hoạt động hiệu quả ở điều kiện khắc nghiệt và phương pháp giảm chi phí sản xuất. "Tuy nhiên hiện nay quy trình này vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi, một trong những nguyên nhân chính là thiếu các công trình nghiên cứu tối ưu hóa chế độ công nghệ để nâng cao hiệu quả quy trình và giảm chi phí sản xuất.

2.1. Vấn đề ức chế nấm men ở nồng độ chất khô cao

Một trong những thách thức lớn nhất trong quy trình VHG là tình trạng ức chế nấm men do nồng độ đường và cồn cao. Nồng độ đường cao có thể gây áp suất thẩm thấu lớn, ảnh hưởng đến hoạt động sống của nấm men. Nồng độ cồn cao có thể làm thay đổi tính thấm của màng tế bào nấm men, ức chế quá trình trao đổi chất và sinh trưởng. Để giải quyết vấn đề này, cần lựa chọn các chủng nấm men có khả năng chịu cồn tốt và điều chỉnh điều kiện lên men để giảm thiểu tác động tiêu cực.

2.2. Yêu cầu về enzyme và dinh dưỡng đặc biệt cho quy trình

Quy trình VHG đòi hỏi các enzyme có khả năng hoạt động hiệu quả ở nồng độ chất khô cao và điều kiện khắc nghiệt. Cần lựa chọn các enzyme amylase và glucoamylase có khả năng chịu nhiệt tốt, hoạt động ổn định ở pH thấp và không bị ức chế bởi sản phẩm. Ngoài ra, nấm men cần được cung cấp đầy đủ dinh dưỡng, bao gồm nitơ, phốt pho và các nguyên tố vi lượng, để đảm bảo sinh trưởng và hoạt động tốt. Việc bổ sung các chất dinh dưỡng phù hợp có thể giúp giảm thời gian lên men và tăng hiệu suất sản xuất cồn.

III. Cách tối ưu hóa dịch hóa và đường hóa trong sản xuất

Dịch hóa và đường hóa là hai giai đoạn quan trọng trong quy trình sản xuất cồn từ gạo. Mục tiêu của hai giai đoạn này là chuyển đổi tinh bột thành đường, tạo cơ chất cho quá trình lên men. Việc tối ưu hóa hai giai đoạn này có thể giúp tăng hiệu suất sản xuất cồn và giảm chi phí enzyme. Các yếu tố cần được tối ưu hóa bao gồm nhiệt độ, pH, nồng độ enzyme, thời gian và tỷ lệ nguyên liệu. Sử dụng enzyme có hoạt tính cao và ổn định là một yếu tố then chốt. "Hiện nay, công nghệ sản xuất cồn được sử dụng phổ biến ở Việt Nam bao gồm 4 công đoạn riêng rẽ: dịch hóa (90 - 1050C), đường hóa (60 – 650C), lên men (28 – 320C) và chưng cất. Quy trình này có ưu điểm chính là nguyên liệu tinh bột được đường hóa khá triệt để, tạo môi trường thuận lợi ngay từ đầu để nấm men có thể hoạt động hiệu quả, cho hiệu suất thu hồi cao."

3.1. Lựa chọn và sử dụng enzyme amylase hiệu quả

Enzyme amylase đóng vai trò quan trọng trong việc thủy phân tinh bột thành đường. Cần lựa chọn các loại amylase phù hợp với điều kiện của quy trình, bao gồm cả nhiệt độ, pH và nồng độ chất khô. Các enzyme chịu nhiệt thường được ưu tiên sử dụng trong quy trình VHG. Liều lượng enzyme cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu quả thủy phân cao nhất mà không gây lãng phí. Ngoài ra, việc bổ sung enzyme protease có thể giúp phá vỡ cấu trúc protein, tạo điều kiện cho amylase tiếp xúc với tinh bột.

3.2. Kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân

Nhiệt độ và pH là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme amylase. Cần duy trì nhiệt độ và pH tối ưu cho enzyme để đảm bảo hiệu quả thủy phân cao nhất. Thời gian thủy phân cũng cần được điều chỉnh để đảm bảo tinh bột được chuyển đổi hoàn toàn thành đường. Việc khuấy trộn và kiểm soát độ nhớt của dịch cũng rất quan trọng để đảm bảo enzyme tiếp xúc đều với tinh bột và tránh tình trạng quá nhiệt cục bộ.

IV. Phương pháp tối ưu hóa lên men cồn từ gạo nồng độ cao

Lên men là giai đoạn chuyển đổi đường thành cồn nhờ hoạt động của nấm men. Việc tối ưu hóa giai đoạn này có thể giúp tăng hiệu suất sản xuất cồn, giảm thời gian lên men và cải thiện chất lượng sản phẩm. Các yếu tố cần được tối ưu hóa bao gồm chủng nấm men, nồng độ nấm men, dinh dưỡng, nhiệt độ, pH và oxy hòa tan. Việc lựa chọn chủng nấm men chịu cồn tốt và có khả năng lên men nhanh là một yếu tố then chốt. Tóm tắt nội dung luận văn cho thấy: "Quy trình không bổ sung thêm nguồn Nitơ từ Urê đạt hiệu suất 86,4%, tương đương với quy trình có bổ sung Urê."

4.1. Lựa chọn chủng men cồn chịu cồn và lên men nhanh

Việc lựa chọn chủng men cồn phù hợp là yếu tố then chốt trong quy trình lên men nồng độ cao. Cần lựa chọn các chủng có khả năng chịu cồn tốt, có khả năng lên men nhanh và có khả năng sử dụng nhiều loại đường khác nhau. Các chủng Saccharomyces cerevisiae thường được sử dụng trong sản xuất cồn. Việc lai tạo và chọn lọc các chủng mới có thể giúp cải thiện hiệu suất và khả năng chịu đựng của nấm men.

4.2. Kiểm soát dinh dưỡng và điều kiện lên men tối ưu

Nấm men cần được cung cấp đầy đủ dinh dưỡng, bao gồm nitơ, phốt pho và các nguyên tố vi lượng, để đảm bảo sinh trưởng và hoạt động tốt. Nguồn nitơ có thể được bổ sung dưới dạng urê, amoni sunfat hoặc các nguồn hữu cơ. Nhiệt độ và pH cần được kiểm soát chặt chẽ để tạo điều kiện tối ưu cho nấm men hoạt động. Việc cung cấp oxy hòa tan có thể giúp tăng tốc độ lên men và giảm sản phẩm phụ.

V. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu sản xuất cồn

Các nghiên cứu về tối ưu hóa sản xuất cồn từ gạo đã mang lại nhiều kết quả ứng dụng thực tiễn. Nhiều nhà máy đã áp dụng các quy trình VHG và SLSF để tăng hiệu suất sản xuất cồn, giảm chi phí và cải thiện chất lượng sản phẩm. Các nghiên cứu cũng tập trung vào việc tận dụng phụ phẩm sản xuất cồn, như bã hèm, để sản xuất thức ăn chăn nuôi hoặc năng lượng sinh học. "Kết quả nghiên cứu của luận văn làm cơ sở ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn từ gạo vào thực tế một cách hiệu quả."

5.1. Các ví dụ thành công về ứng dụng quy trình tối ưu

Nhiều nhà máy sản xuất cồn trên thế giới đã áp dụng thành công các quy trình tối ưu hóa dựa trên công nghệ VHG và SLSF. Các nhà máy này đã ghi nhận sự gia tăng đáng kể về hiệu suất sản xuất cồn, giảm chi phí năng lượng và xử lý chất thải. Các ví dụ cụ thể bao gồm việc sử dụng các chủng nấm men chịu cồn tốt, enzyme hoạt động hiệu quả ở điều kiện khắc nghiệt và phương pháp kiểm soát quá trình lên men tự động.

5.2. Nghiên cứu tận dụng phụ phẩm sản xuất cồn bền vững

Phụ phẩm sản xuất cồn, như bã hèm, có tiềm năng lớn để được tái sử dụng. Bã hèm có thể được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi, phân bón hoặc nguyên liệu cho sản xuất biogas. Việc tận dụng phụ phẩm sản xuất cồn không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn thu nhập bổ sung cho nhà máy. Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc phát triển các công nghệ chế biến bã hèm hiệu quả và bền vững.

VI. Tương lai và tiềm năng phát triển sản xuất cồn từ gạo

Ngành sản xuất cồn từ gạo hứa hẹn nhiều tiềm năng phát triển trong tương lai. Sự gia tăng nhu cầu về năng lượng sinh học và đồ uống có cồn chất lượng cao sẽ thúc đẩy sự đổi mới trong công nghệ sản xuất cồn. Các nghiên cứu về gen và sinh học hệ thống có thể giúp tạo ra các chủng nấm men và enzyme có khả năng hoạt động hiệu quả hơn. Sự phát triển của các công nghệ xanh và bền vững sẽ giúp giảm thiểu tác động môi trường của ngành sản xuất cồn. Luận văn cũng chỉ ra định hướng: "Triển khai kết quả tối ưu ở quy mô pilot và nghiên cứu thu hồi xử lý phần bã rượu ứng dụng làm thực phẩm hoặc nguyên liệu thực phẩm."

6.1. Xu hướng phát triển công nghệ sản xuất cồn tiên tiến

Công nghệ sản xuất cồn đang trải qua những bước tiến vượt bậc. Các xu hướng phát triển bao gồm việc sử dụng các chủng nấm men và enzyme được thiết kế theo yêu cầu, ứng dụng các quy trình lên men liên tục và tự động, và phát triển các công nghệ tách cồn hiệu quả hơn. Các công nghệ này hứa hẹn sẽ giúp tăng hiệu suất sản xuất cồn, giảm chi phí và cải thiện chất lượng sản phẩm.

6.2. Tiềm năng ứng dụng sản xuất cồn từ gạo bền vững

Sản xuất cồn từ gạo có tiềm năng lớn để trở thành một ngành công nghiệp bền vững. Việc sử dụng các giống gạo địa phương, áp dụng các quy trình tối ưu hóa và tận dụng phụ phẩm sản xuất cồn có thể giúp giảm thiểu tác động môi trường và tạo ra giá trị kinh tế cho cộng đồng. Sự kết hợp giữa công nghệ tiên tiến và các nguyên tắc bền vững sẽ giúp ngành sản xuất cồn từ gạo phát triển mạnh mẽ trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Sản lượng cồn toàn cầu đã tăng gấp đôi trong giai đoạn 2007-2017, từ khoảng 49,2 tỷ lít lên 102 tỷ lít, phản ánh nhu cầu ngày càng tăng trong các ngành công nghiệp và tiêu dùng. Ở Việt Nam, sản xuất rượu cũng phát triển mạnh với mức tăng 8,6% trong quý đầu năm 2019, trong khi tiêu thụ bình quân đầu người đạt 9 lít cồn tuyệt đối, cao hơn mức trung bình toàn cầu. Gạo được xem là nguyên liệu ưu việt để sản xuất cồn thực phẩm do hàm lượng tinh bột cao và chất lượng cồn tốt. Tuy nhiên, công nghệ sản xuất cồn truyền thống tiêu tốn nhiều năng lượng, nước và chi phí thiết bị do các công đoạn dịch hóa, đường hóa và lên men được thực hiện riêng biệt.

Quy trình Dịch hóa, Đường hóa và Lên men đồng thời ở nồng độ chất khô cao (SLSF-VHG) là giải pháp công nghệ tiên tiến, cho phép thực hiện đồng thời ba công đoạn trong cùng một thiết bị ở nồng độ chất khô trên 300 g/l, giúp tiết kiệm năng lượng, nước và giảm chi phí đầu tư. Mục tiêu nghiên cứu là tối ưu hóa các yếu tố trong quy trình SLSF-VHG nhằm nâng cao hiệu suất lên men và giảm chi phí sản xuất cồn từ gạo, đồng thời loại bỏ nguồn nitơ ure không an toàn cho thực phẩm.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nguyên liệu gạo tấm miền Nam, sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae và các chế phẩm enzyme thế hệ mới, thực hiện tại phòng thí nghiệm Viện Công nghệ Sinh học & Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội trong năm 2020. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất cồn hiệu quả, an toàn và thân thiện với môi trường, đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước và quốc tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Quy trình SLSF-VHG: Kết hợp đồng thời dịch hóa, đường hóa và lên men ở nồng độ chất khô cao, sử dụng enzyme α-amylase, glucoamylase và protease để tối ưu hóa chuyển hóa tinh bột thành cồn.
• Lý thuyết enzyme thủy phân tinh bột: Enzyme α-amylase phá vỡ liên kết glycosid ngẫu nhiên, glucoamylase cắt đầu không khử tạo glucose, protease phá vỡ protein bao quanh hạt tinh bột, tăng hiệu quả thủy phân.
• Phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi: Sử dụng mảng trực giao L9 để khảo sát ảnh hưởng đồng thời của 3 yếu tố (Stargen 002, Fermgen, nấm men) với 3 mức khác nhau, tối ưu hóa hiệu suất và chi phí.
• Phân tích phương sai ANOVA: Đánh giá mức độ ảnh hưởng và ý nghĩa thống kê của các yếu tố lên kết quả.
• Tiêu chuẩn đánh giá tổng thể OEC (Overall Evaluation Criteria): Kết hợp nhiều mục tiêu chất lượng (hiệu suất lên men và chi phí nguyên liệu) thành một chỉ số tổng thể để lựa chọn điều kiện tối ưu.

Các khái niệm chính bao gồm: hiệu suất lên men (%), nồng độ cồn (% v/v), chi phí nguyên liệu (đồng/lít cồn 96%), nồng độ chất khô (g/l), và nguồn dinh dưỡng nitơ (ure, FAN).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là bột gạo tấm miền Nam với hàm lượng tinh bột 80,4 ± 0,5% và protein 7,5 ± 0,2%. Nấm men Red Ethanol (Saccharomyces cerevisiae) và các chế phẩm enzyme Stargen 002, Fermgen, Amigase Mega L được sử dụng theo khuyến nghị nhà sản xuất.
• Thiết kế thực nghiệm: Sử dụng phương pháp Taguchi với mảng trực giao L9 để khảo sát 3 yếu tố: lượng Stargen 002 (1-2 ml/kg NL), Fermgen (0,3-0,7 ml/kg NL), và nấm men (0,25-0,75 g/l), cố định các thông số khác như pH 4,5, nhiệt độ 30°C, nồng độ chất khô 350 g/l.
• Phân tích dữ liệu: Tính hiệu suất lên men theo công thức dựa trên nồng độ cồn thực tế và lý thuyết, xác định chi phí nguyên liệu và giá ruột sản phẩm. Phân tích ANOVA để đánh giá ảnh hưởng các yếu tố, sử dụng phần mềm Microsoft Office và Matlab để xử lý số liệu.
• Timeline nghiên cứu: Thực hiện thí nghiệm khảo sát nguồn nitơ, thiết kế và tiến hành 9 thí nghiệm theo mảng L9, phân tích kết quả, xác định điều kiện tối ưu và kiểm chứng trong vòng 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất quy trình SLSF-VHG ban đầu: Thí nghiệm với quy trình chuẩn đạt nồng độ cồn 17,6 ± 0,1% v/v, hiệu suất lên men 86,7 ± 0,4%, đường tổng sót 16,4 ± 1,6 g/l, tương đương với kết quả nghiên cứu trước đó (hiệu suất 86,3%).
2. Ảnh hưởng của nguồn nitơ ure: So sánh quy trình có bổ sung ure và không bổ sung, hiệu suất lên men đều đạt 86,4% với nồng độ cồn 17,5% v/v, không có sự khác biệt đáng kể. Đường tổng sót tăng nhẹ khi không bổ sung ure (20,7 g/l so với 17,4 g/l).
3. Tác động của các yếu tố Stargen 002, Fermgen và nấm men: Phân tích ANOVA cho thấy Stargen 002 và nấm men có ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất lên men, với tỷ lệ ảnh hưởng lần lượt khoảng 45% và 35%, Fermgen ảnh hưởng khoảng 15%.
4. Tối ưu hóa hiệu suất và chi phí: Mức tối ưu được xác định là Stargen 002 2 ml/kg NL, Fermgen 0,5 ml/kg NL, nấm men 0,25 g/l, đạt hiệu suất lên men 86% và giảm giá ruột sản phẩm 1.527 đồng/lít cồn 96% vol so với quy trình ban đầu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc loại bỏ nguồn nitơ ure không ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất lên men, phù hợp với nghiên cứu cho thấy nấm men có thể sử dụng hiệu quả nitơ amin tự do (FAN) được tạo ra nhờ enzyme protease Fermgen. Điều này đảm bảo an toàn thực phẩm khi loại bỏ ure – một chất có thể tạo thành urethane gây ung thư trong quá trình chưng cất.

Phân tích tác động các yếu tố cho thấy sự cân bằng giữa lượng enzyme thủy phân tinh bột (Stargen 002) và lượng nấm men là yếu tố then chốt để đạt hiệu suất cao. Nếu enzyme quá nhiều trong khi nấm men ít, đường khử tích tụ gây ức chế; ngược lại, nấm men nhiều mà enzyme ít làm chậm lên men. Fermgen đóng vai trò hỗ trợ bằng cách cung cấp nguồn nitơ và tăng khả năng tiếp xúc enzyme với tinh bột.

Việc áp dụng phương pháp Taguchi và phân tích ANOVA giúp tiết kiệm số lượng thí nghiệm (9 thí nghiệm thay vì 27), đồng thời xác định được mức tối ưu với độ tin cậy cao. Kết quả tối ưu cũng giảm chi phí nguyên liệu, tăng hiệu quả kinh tế cho quy trình sản xuất cồn từ gạo.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tác động trung bình của các yếu tố lên hiệu suất lên men và chi phí nguyên liệu, bảng phân tích ANOVA thể hiện tỷ lệ ảnh hưởng và mức ý nghĩa, giúp minh bạch và trực quan hóa kết quả.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Loại bỏ hoàn toàn nguồn nitơ ure trong quy trình SLSF-VHG để đảm bảo an toàn thực phẩm, đồng thời duy trì hiệu suất lên men ổn định ở mức 86,4%. Chủ thể thực hiện: các nhà máy sản xuất cồn, thời gian áp dụng: ngay lập tức.
2. Tối ưu lượng enzyme Stargen 002 ở mức 2 ml/kg nguyên liệu và Fermgen 0,5 ml/kg nguyên liệu, kết hợp với lượng nấm men 0,25 g/l để đạt hiệu suất lên men cao và giảm chi phí nguyên liệu. Chủ thể thực hiện: bộ phận nghiên cứu và phát triển công nghệ, thời gian: 3-6 tháng.
3. Áp dụng phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi và phân tích ANOVA trong nghiên cứu và kiểm soát quy trình sản xuất để nhanh chóng xác định các thông số công nghệ tối ưu, giảm chi phí thí nghiệm. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm và kỹ thuật, thời gian: liên tục.
4. Triển khai quy trình SLSF-VHG tối ưu ở quy mô pilot và mở rộng sản xuất nhằm đánh giá hiệu quả thực tế và khả năng ứng dụng công nghiệp. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp sản xuất cồn, thời gian: 6-12 tháng.
5. Nghiên cứu thu hồi và xử lý bã rượu sau lên men để làm nguyên liệu thực phẩm hoặc thức ăn chăn nuôi, góp phần nâng cao giá trị và giảm thiểu chất thải. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu và doanh nghiệp, thời gian: 12-18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm và Công nghệ Sinh học: Nghiên cứu sâu về quy trình lên men, enzyme và tối ưu hóa công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu tinh bột.
2. Doanh nghiệp sản xuất cồn và rượu: Áp dụng quy trình SLSF-VHG tối ưu để nâng cao hiệu suất, giảm chi phí và đảm bảo an toàn thực phẩm trong sản xuất.
3. Cơ quan quản lý và kiểm định chất lượng thực phẩm: Tham khảo các tiêu chuẩn an toàn liên quan đến nguồn nitơ và quy trình sản xuất cồn, hỗ trợ xây dựng chính sách và quy định.
4. Các nhà cung cấp enzyme và nấm men công nghiệp: Hiểu rõ nhu cầu và mức sử dụng tối ưu của sản phẩm trong quy trình công nghiệp, từ đó phát triển sản phẩm phù hợp hơn.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy trình SLSF-VHG khác gì so với công nghệ sản xuất cồn truyền thống?
   SLSF-VHG thực hiện đồng thời dịch hóa, đường hóa và lên men ở nồng độ chất khô cao trong cùng một thiết bị, giúp tiết kiệm năng lượng, nước và giảm chi phí thiết bị so với công nghệ truyền thống thực hiện từng công đoạn riêng biệt.

2. Tại sao cần loại bỏ nguồn nitơ ure trong sản xuất cồn?
   Ure có thể phản ứng tạo thành urethane – chất gây ung thư loại 2 trong quá trình chưng cất rượu. Loại bỏ ure giúp đảm bảo an toàn thực phẩm mà không làm giảm hiệu suất lên men nhờ sử dụng nguồn nitơ tự do từ enzyme protease.

3. Phương pháp Taguchi giúp gì trong nghiên cứu này?
   Phương pháp Taguchi giúp thiết kế thí nghiệm hiệu quả với số lượng thí nghiệm ít hơn, phân tích ảnh hưởng các yếu tố và xác định mức tối ưu nhanh chóng, tiết kiệm thời gian và chi phí nghiên cứu.

4. Hiệu suất lên men đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
   Hiệu suất lên men đạt khoảng 86%, tương đương với các nghiên cứu trước, đảm bảo hiệu quả chuyển hóa tinh bột thành cồn trong quy trình SLSF-VHG.

5. Làm thế nào để giảm chi phí nguyên liệu trong quy trình?
   Bằng cách tối ưu lượng enzyme và nấm men sử dụng, giảm lượng nấm men xuống 0,25 g/l và điều chỉnh lượng enzyme phù hợp, chi phí nguyên liệu giảm đáng kể, đồng thời duy trì hiệu suất lên men cao.

Kết luận

• Quy trình SLSF-VHG cho hiệu suất lên men cồn từ gạo đạt khoảng 86,4%, nồng độ cồn 17,5% v/v, tương đương với các nghiên cứu trước.
• Loại bỏ nguồn nitơ ure không ảnh hưởng đến hiệu suất lên men, đảm bảo an toàn thực phẩm.
• Các yếu tố Stargen 002, Fermgen và nấm men có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và chi phí, với mức tối ưu lần lượt là 2 ml/kg NL, 0,5 ml/kg NL và 0,25 g/l.
• Phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi và phân tích ANOVA là công cụ hiệu quả để tối ưu hóa quy trình với số lượng thí nghiệm tối thiểu.
• Đề xuất triển khai quy trình tối ưu ở quy mô pilot, nghiên cứu thu hồi bã rượu và mở rộng ứng dụng công nghiệp.

Next steps: Áp dụng quy trình tối ưu trong sản xuất thực tế, đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường, đồng thời nghiên cứu các giải pháp xử lý phụ phẩm.

Call to action: Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu nên phối hợp triển khai ứng dụng quy trình SLSF-VHG tối ưu để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm cồn từ gạo, góp phần phát triển ngành công nghiệp thực phẩm bền vững.