Trường đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm Tp.hcm: ứng Dụng Vi Sinh Vật Trong Công Nghệ Sản Xuất Cồn Từ Nguyên Liệu Tinh Bột

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

Bộ môn: Vi sinh vật học thực phẩm

ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN TỪ NGUYÊN LIỆU TINH BỘT Nhóm 11 Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thùy Dương

Thành viên nhóm 11 1. 2. 3. 4. 5.

Lê Hoàng Quân – 2005170147 Nguyễn Ngọc Quyên – 2005170148 Nguyễn Thị Lệ Quỳnh – 2005170153 Huỳnh Thị Sâm – 2006170081 Trương Đức Tài – 2005170158

Nội dung bài thuyết trình I. Giới thiệu về cồn sản xuất từ tinh bột II. Quy trình công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu tinh bột và giải thích quy trình III.Đặc điểm của vi sinh vật ứng dụng trong quy trình sản xuất cồn từ nguyên liệu tinh bột IV.Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

I. Giới thiệu về cồn sản xuất từ tinh bột: A. Giới thiệu về Ethanol 1.Khái quát

Cồn hay còn được gọi là Ethanol (etyl alcohol) là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic. Là chất lỏng dễ bay hơi, dễ cháy, không màu và là thành phần trong các loại đồ uống có cồn.

2. Tính chất của Ethanol a. Tính chất vật lý

Là chất lỏng không màu, dễ bay hơi, có mùi đặc trưng, có khả năng hút ẩm trong không khí. Khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời. b. Tính chất hóa học

• Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ • Phản ứng este hóa: phản ứng giữa Ethanol và axit ở môi trường axit sunfuric đặc tạo ra Este • Phản ứng tách nước trong một phân tử tao thành olefin trong môi trường axit sunfuric đặc ở 170 độ C • Ethanol có phản ứng tách nước giữa 2 phân tử Ethanol tạo thành Ete

3. Ứng dụng của Ethanol - Ethanol được sử dụng để làm đồ uống có cồn - Được dùng trong sản xuất loại xăng sinh học E5, E10, E15 thân thiện với môi trường - Ethanol được dùng trong ngành y tế làm cồn sát trùng, thuốc diệt khuẩn - Ngoài ra Ethanol còn là thành phần tạo nên thuốc tẩy rửa, cồn công nghiệp Methanol, các loại mĩ phẩm như sơn móng tay…

Một số sản phẩm làm từ Ethanol

Sơn móng tay Cồn sát trùng

Xăng E5

Cồn 94%

B. Cách sản xuất cồn Ethanol

Ethanol được sản xuất thông qua 2 phương pháp chính: phương pháp hydrat hóa etylen và phương pháp sinh học bằng cách lên men đường hay ngũ cốc kết hợp cùng men rượu.

1. Phương pháp hydrat hóa Etylen tạo thành Ethanol

Ethanol thông thường được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hyđrat hóa eylen bằng xúc tác acid. Cho etylen hợp nước ở 300 độ C, áp suất 70-80 atm với chất xúc tác là acid wolframic (H2WO4) hoặc acid phosphoric (H3PO4)

2. Phương pháp lên men cồn Ethanol Ethanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn ethanol sử dụng làm nhiên liệu sẽ được sản xuất bằng cách lên men: khi một số loài men rượu nhất định chuyển hóa đường trong điều kiện yếm khí để sản xuất ra Ethanol và khí CO2.

II. Quy trình sản xuất cồn từ nguyên liệu tinh bột A. Quy trình công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu tinh bột

1. Sơ chế nguyên liệu tinh bột Nghiền nguyên liệu mục đích nhằm phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật để giải phóng các hạt tinh bột khỏi các mô. Ví dụ: với sắn khô khi nấu ở áp suất thường thì nghiền càng mịn càng tốt. Phối trộn nguyên liệu: Nhằm hòa tan tinh bột trong nước giúp cho quá trình nấu được nhanh hơn, không bị vón cục. Chuyển dịch khi nấu xuống đường hóa không bị tắc vì khi hòa tan tinh bột các phế liệu được lắng xuống đáy thành cặn và được lọc bỏ.

2. Mục đích quá trình nấu  Phá vỡ màng tế bào của tinh bột để biến chúng thành dạng hoà tan trong dung dịch. Có 2 xung hướng về nhiệt độ nấu là 145- 155°C trong thời gian dài hoặc 170-180°C trong thời gian ngắn. Trong quá trình nấu tinh bột sẽ được trưng nở và hồ hóa.  Nguyên liệu tinh bột sau khi được hồ hóa được làm nguội ở nhiệt độ 60°C (±2°𝐶) để thực hiện quá trình đường hóa.

Nồi nấu nguyên liệu tinh bột

3. Quá trình đường hóa Quá trình đường hóa sử dụng enzyme amylaza chuyển hóa tinh bột hòa tan thành đường có thể lên men được. quá trình này quyết định phần lớn hiệu suất thu hồi rượu.

Có 2 phương pháp đường hóa tinh bột chủ yếu:  Đường hóa bằng chế phẩm amilase của nấm mốc  Đường hóa bằng acid

Đường hóa bằng chế́ phẩm Amilase của nấm mốc: Tùy theo cách sử dụng nấm mốc mà phương pháp sản xuất rượu có thể chia làm 2 cách: • Phương pháp Amylo: thủy phân bằng Mucor rouxii. • Phương pháp Mucomalt: thủy phân bằng 1 lượng amylase đã chuẩn bị đủ từ nấm Aspergillus niger hoặc A.oryzae.

Mucor rouxii

Nhược điểm của phương pháp này là dễ bị nhiễm trùng và chu kỳ sản xuất quá dài. Nấm Aspergillus niger

Đường hóa bằng Acid:

₋ Có thể đường hóa các nguyên liệu bọt bằng H2SO4 hay HCl. ₋ Nguyên liệu được tán nhỏ và trộn với lượng nhất định acid đã pha loãng và nung bằng hơi dưới áp suất. Sau khi thủy phân xong người ta điều chỉnh pH= 4-4,5 bằng dung dịch 𝑁𝐻3 , NaOH, 𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 hay 𝐶𝑎𝐶𝑂3 . Trong đó NH3 ưa dùng đối với nấm men. ₋ Nếu thủy phân bằng 𝐻2 𝑆𝑂4 thì trung hòa bằng 𝐶𝑎𝐶𝑂3 , cặn 𝐶𝑎𝑆𝑂4 tách ra bằng cách lọc hay đứng cặn rồi lọc.

4. Lên men dịch đường Quá trình lên men là quá trình chuyển đường đơn thành Ethanol, khí CO2 và các sản phẩm trung gian khác. Có thể thực hiện bằng 2 phương pháp: • Lên men gián đoạn • Lên men liên tục

Phương pháp lên men gián đoạn: • Quá trình lên men từ đầu đến cuối được thực hiện trong cùng 1 thiết bị: thời gian lên men khoảng 68-80h ở nhiệt độ 36-37°C. Đặc điểm của phương pháp này là giai đoạn lên men chính thực hiện liên tục và xảy ra trong nhều thùng lên và thời gian kéo dài 6062h. • Ưu điểm: dễ làm,khi nhiễm tạp khuẩn dễ sử lý tuy nhiên năng suất thu được từ 1𝑚3 thiết bị thấp.

Phương pháp lên men liên tục: Rải đều các giai đoạn lên men mà mỗi giai đoạn đó được thực hiện trong 1 hoặc nhiều thiết bị lên men lên hệ với nhau. Hệ thống lên men liên tục thường có 11-12 thùng được nối với nhau bằng các ống chảy chuyền và van chỉnh. Kết thúc quá trình lên men ta thu được giấm chín với nồng độ rượu khoảng 7-9%. Ưu điểm: do dùng một lượng lớn men giống ở thùng lên men chính nên lên men xảy ra nhanh,hạn chế được phát triển của tạp khuẩn.

Thiết kế nhà máy bia sử dụng phương pháp lên men liên tục

Ưu điểm và nhược điểm của 2 phương pháp lên men: Quá trình lên men Lên men liên tục

Ưu điểm Nhược điểm - Tận dụng được toàn bộ - Có nguy cơ nhiễm thể tích bồn lên men khuẩn cao - Dễ tự động hóa - Không vệ sinh bồn - Dễ làm việc được - Lên men ở nhiều nồng độ cồn khác nhau tạo điều kiện tốt cho sự tăng trưởng của nấm men - Chi phí đầu tư thấp

Lên men gián đoạn

-

-

Vệ sinh được bồn lên men Có khả năng ngăn chặt sự nhiễm khuẩn -

Sử dụng nhiều lao đông hơn Có 20% thể tích bồn lên men không được dùng Chi phí đầu tư cao

5. Chưng cất và tinh chế Để thu được cồn tinh chế , người ta thực hiện 2 quá trình : chưng cất và tinh chế. Hai quá trình này được thực hiện trên các tháp chưng cất và tháp tinh luyện. Chưng cất là quá trình tách rượu và các tạp chất dễ bay hơi khỏi giấm chín. Kết quả ta nhận được rượu thô hay cồn thô. Tinh chế là quá trình tách tạp chất ra khỏi cồn thô và cuối cùng ta thu được cồn tinh chế.

Tháp chưng cất cồn thực phẩm theo dây chuyên lớn

III. Đặc điểm của vi sinh vật ứng dụng trong quy trình sản xuất cồn từ nguyên liệu tinh bột 1. Đặc điểm chủng loại Nấm men Saccharomyces cerevisiae dùng trong công nghiệp sản xuất thường có tế bào lớn, có dạng hình cầu hay hình trứng, đường kính ít nhất 7-11 mm. Sinh sản bằng cách tạo chồi và tạo bào tử. Nguồn dinh dưỡng chủ yếu của chúng là sử dụng đường glucose,galactose, saccharose, maltose như nguồn carbon, chúng sử dụng axit amin và muối amon như nguồn nitơ. Hoạt tính chủ yếu là maltase, có hoạt lực làm dậy bột. Thường 100% bền vững với rỉ đường.

Điều kiện môi trường ảnh hưởng khá lớn tới tốc độ tăng sinh khối của nấm men Saccharomyces cerevisiae. Chúng phát triển tốt ở nhiệt độ 28-30 °C. Độ pH tối ưu của môi trường là 4,5 – 5,5. . Ảnh hưởng của cường độ không khí và khuấy trộn cũng tác động lớn lên tốc độ tăng trưởng của nấm men.Chủng men Saccharomyces Cerevisiae này sản sinh ra cồn hiệu quả nhất, độ cồn sau lên men > 70 độ

Nấm men Saccharomyces cerevisiae

Nấm men Saccharomyces cerevisiae dùng trong lên men Ethanol theo phương pháp chu kỳ bằng nấm men cố định: Yêu cầu về dinh dưỡng của nấm men: Tất cả các chủng của S. cerevisiae có thể phát triển trên glucose, maltose và trehalose, không phát triển trên lactose và cellobiose. Khả năng sử dụng các loại đường khác nhau của nấm men có thể khác nhau phụ thuộc vào môi trường hiếu khí hoặc kỵ khí. Tất cả các chủng sử dụng ammoniac và urê là nguồn nitơ duy nhất, nhưng không thể dùng nitrat, vì chúng thiếu khả năng phân giải nitrat thành các ion amoni. Chúng có thể sử dụng hầu hết các amino axit, peptit ngắn mạch, và đạm cơ bản như nguồn nitơ. Một số chủng S. cerevisiae không có enzyme protease vì vậy không thể chuyển hóa được protein ngoại bào.

Sơ đồ chiết xuất nấm men

2. Con đường biến đổi cơ chất thành sản phẩm Chuẩn bị dịch đường lên men: nghiền và nấu nguyên liệu để thu được dịch cháo chứa tinh bột hoà tan, dường hoá dịch cháo để biến tinh bột hoà tan thành đường rồi làm lạnh đến nhiệt độ lên men

Chuẩn bị men giống và tiến hành lên men dịch đường nhằm chuyển hoá đường thành rượu và CO2dưới tác dụng của Enzyme nấm men

Xử lý dịch lên men nhằm tách rượu và các chất dễ bay hơi khỏi giấm chín. Sau đó đem tinh luyện cồn thô để được cồn tinh luyện

IV. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm 1. Nhiễm khuẩn  Khâu tuyển chọn nấm men, nấm mốc chưa đạt yêu cầu về mặt kĩ thuật (thường bị nhiễm một số VSV khác) dẫn đến khi đưa và sử dụng thường làm hư hỏng nguyên liệu hoặc quá trình lên men không triệt để hay làm sản phẩm có nhiều tạp chất.  Một số thiết bị không đảm bảo về mặt kĩ thuật cũng dẫn đến nguyên liệu bị hư hỏng.  Nguyên liệu đưa vào sản xuất chưa vô trùng triệt để.

2. Kỹ thuật • Môi trường nhân giống VSV không đảm bảo thường bị tạp nhiễm các VSV lạ như vi khuẩn, nấm mốc, nấm men... • Các yếu tố môi trường không phù hợp trong cả quá trình sản xuất: nhiệt độ, áp suất,O2, pH,... • Nguyên liệu không đảm bảo chất lượng.