Tài liệu 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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Mai Hiên 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Mai Hiên 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 Chuyên ngành: Vi Sinh Vật Học Mã số: 60.42.0107 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CBHD: TS. TRẦN THỊ THANH HUYỀN Hà Nội - 2014 Lời cảm ơn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Trần Thị Thanh Huyền, Bộ môn Vi sinh vật học, Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ rất nhiều để tôi hoàn thành bản luận văn này. Tôi xin cảm ơn toàn thể cán bộ phòng thí nghiệm trung tâm Công ty Cổ phần Cồn Rượu Hà Nội, đặc biệt là Kĩ sư Công nghệ Nguyễn Thị Hà đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi khi nghiên cứu tại phòng thí nghiệm. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo đã dạy bảo tôi trong suốt những năm học vừa qua. Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã ở bên tôi, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn. Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Mai Hiên MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 Chương 1: TỔNG QUAN.................................................................................. 3 1.1 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT CỒN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM ......... 3 1.1.1 Tình hình sản xuất cồn trên thế giới ................................................... 3 1.1.2 Tình hình sản xuất cồn ở Việt Nam..................................................... 5 1.2 NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT CỒN ............................................................. 8 1.2.1 Nguyên liệu chứa đường ..................................................................... 8 1.2.2 Nguyên liệu xenluloza ....................................................................... 8 1.2.3 Nguyên liệu giàu tinh bột ................................................................... 9 1.3 SẢN XUẤT CỒN TỪ NGUYÊN LIỆU GIÀU TINH BỘT .................... 14 1.3.1 Sản xuất cồn theo công nghệ truyền thống ....................................... 14 1.3.1.1 Quá trình nghiền nguyên liệu ................................................. 14 1.3.1.2 Quá trình nấu nguyên liệu...................................................... 15 1.3.1.3 Quá trình thuỷ phân nguyên liệu ............................................ 15 1.3.1.4 Quá trình lên men .................................................................. 16 1.3.1.5 Quá trình chưng cất và tinh chế ............................................. 17 1.3.2 Một số tiến bộ trong sản xuất cồn từ nguyên liệu giàu tinh bột.......... 17 1.4 CÁC ENZIM THỦY PHÂN TINH BỘT Ở NHIỆT ĐỘ KHÔNG CAO 19 1.4.1 Hệ enzim thuỷ phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường (Stargen 001) .. 19 1.4.2 Enzim thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ thấp .......................................... 21 Chương 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............. 23 2.1 NGUYÊN LIỆU ........................................................................................ 23 2.1.1 Sắn ................................................................................................... 23 2.1.2 Gạo ................................................................................................... 23 2.1.3 Enzim ............................................................................................... 23 2.1.4 Nấm men .......................................................................................... 23 2.1.5 Hoá chất ........................................................................................... 24 2.1.6 Dụng cụ và thiết bị............................................................................ 24 2.2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH................................................................. 24 2.2.1 Xác định độ ẩm của nguyên liệu bằng phương pháp sấy ................... 24 2.2.2 Xác định hàm lượng chất khô ........................................................... 25 2.2.3 Đo pH ............................................................................................... 25 2.2.4 Xác định hàm lượng đường khử theo phương pháp Graxianop ......... 25 2.2.5 Xác định thành phần dịch đường ...................................................... 26 2.2.6 Xác định hàm lượng tinh bột theo phương pháp thủy phân bằng HCl..26 2.2.7 Xác định độ rượu trong giấm chín..................................................... 27 2.3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT LÊN MEN .......................... 29 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 31 3.1 THÀNH PHẦN NGUYÊN LIỆU .............................................................. 31 3.2 ỨNG DỤNG HỆ ENZIM THỦY PHÂN TINH BỘT SỐNG Ở NHIỆT ĐỘ THƯỜNG (Stargen 001) TRONG QÚA TRÌNH SẢN XUẤT CỒN TỪ GẠO…..31 3.2.1 Khảo sát quy trình công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Rượu Hà Nội.32 3.2.2 Động học quá trình thuỷ phân tinh bột gạo bởi enzim Stargen 001 ... 34 3.2.3 Ứng dụng enzim Stargen 001trong quá trình đường hoá và lên men đồng thời ........................................................................................................... 36 3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ enzim Stargen 001 đến quá trình đường hoá và lên men đồng thời ...................................................................................... 41 3.2.5 Ứng dụng hệ enzim thuỷ phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường (Stargen 001) trong quá trình sản xuất cồn từ sắn lát ............................................... 43 3.2.6 Lợi ích của việc sử dụng hệ enzim thủy phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường……………………………………………………………………….43 3.3 ỨNG DỤNG ENZIM DỊCH HÓA Ở NHIỆT ĐỘ KHÔNG CAO TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CỒN TỪ SẮN LÁT ............................................. 44 3.3.1 Khảo sát quy trình công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Rượu Đồng Xuân.......................................................................................................... 44 3.3.2 Khảo sát quy trình sản xuất cồn từ sắn có sử dụng enzim dịch hóa ở nhiệt độ không cao Spezyme Extra..................................................................... 46 3.3.2.1 Sản xuất cồn từ sắn lát sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra và enzim đường hoá Dextrozyme GA ..................................................... 46 3.3.2.2 Sản xuất cồn từ sắn lát sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra và enzim đường hoá Distillase L-400 ................................................... 50 3.3.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến quá trình thuỷ phân tinh bột của Spezyme Extra ...................................................................... 53 3.3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ enzim Spezyme Extra đến quá trình dịch hóa .................................................................................................... 55 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 59 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Sản lượng cồn nhiên liệu của một số nước/vùng trên thế giới Bảng 1.2: Sản lượng cồn của một số nhà máy sản xuất cồn có sản lượng lớn Bảng 3.1: Thành phần nguyên liệu Bảng 3.2: Kết quả khảo sát công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Rượu Hà Nội Bảng 3.3: Ảnh hưởng của thời điểm bổ sung nấm men đến hiệu quả quá trình đường hoá và lên men đồng thời Bảng 3.4: Ảnh hưởng của nồng độ enzim Stargen 001 đến quá trình đường hoá và lên men đồng thời Bảng 3.5: Kết quả khảo sát công nghệ sản xuất cồn của nhà máy Rượu Đồng Xuân Bảng 3.6: Kết quả khảo sát công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim dịch hóa Spezyme Extra và enzim đường hóa Dextrozyme GA Bảng 3.7: Thông số công nghệ của quy trình sản xuất cồn từ sắn sử dụng Spezyme Extra và Distillase L-400 Bảng 3.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian dịch hoá tới khả năng thuỷ phân tinh bột của enzim Spezyme Extra Bảng 3.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian dịch hoá đến hiệu quả quá trình thủy phân sắn lát bằng enzim Spezyme Extra và Dextrozyme GA Bảng 3.10: Ảnh hưởng của nồng độ enzim Spezyme Extra đến quá trình dịch hóa DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sản lượng cồn của một số nước/vùng trên thế giới qua các năm Hình 1.1 Diện tích và sản lượng sắn cả nước Hình 1.2 Sản lượng sắn thế giới giai đoạn 2005-2010 Hình 1.3 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cồn theo phương pháp truyền thống Hinh 1.4 Phân bố tiêu thụ năng lượng trong quá trình sản xuất cồn từ tinh bột Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim thuỷ phân tinh bột ở nhiệt độ thường (Stargen 001) Hình 1.6 Hạt tinh bột gạo chưa hồ hóa bị thủy phân bởi amylaza Hình 3.1 Sơ đồ sản xuất cồn từ gạo theo công nghệ của nhà máy Rượu Hà Nội Hình 3.2 Động học quá trình thuỷ phân tinh bột gạo bởi enzim Stargen 001 Hình 3.3 Sắc ký đồ dịch thuỷ phân bột gạo bởi enzim Stargen 001 Hình 3.4 Sắc ký đồ dịch thuỷ phân bột gạo bởi Termamyl SC và Dextrozyme GA Hình 3.5 Sơ đồ quy trình đường hóa và lên men đồng thời sử dụng enzim Stargen 001 Hình 3.6 và 3.7 Nấm men giai đoạn bắt đầu vào thùng lên men Hình 3.8 và 3.9 Nấm men sau 16h Hình 3.10 và 3.11 Nấm men 32h Hình 3.12 Động học quá trình đường hoá lên men đồng thời sử dụng enzim thủy phân tinh bột sống ở nhiệt độ thường Stargen 001 Hình 3.13 Quy trình sản xuất cồn theo công nghệ của nhà máy Rượu Đồng Xuân Hình 3.14 Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra và enzim đường hoá Dextrozyme GA Hình 3.15 Sơ đồ công nghệ sản xuất cồn sử dụng enzim dịch hoá Spezyme Extra và enzim đường hoá Distillase L-400 Hình 3.16 Động học sinh CO2 trong quá trình lên men dịch thủy phân sử dụng các hệ enzim thủy phân khác nhau MỞ ĐẦU Ethyl alcohol (etylic) hay được gọi là cồn, có công thức hoá học là C2H5OH, 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. 2 Chương 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 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 và hình 1.1 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 USA 6521.00 9309.00 10938.00 13298.00 13948.00 13300.00 13300.00 Brazil 5019.20 6472.20 6578.00 6921.54 5573.24 5577.00 6267.00 Europe 570.30 733.60 1040.00 1208.58 1167.64 1179.00 1371.00 China 486.00 501.90 542.00 541.55 554.76 555.00 696.00 Canada 211.30 237.70 291.00 356.63 462.30 449.00 523.00 Phần còn lại của thế giới 315.30 389.40 914.00 984.61 698.15 752.00 1272.00 Thế giới 2009 2010 2011 2012 2013 13123.10 17406.10 20303.00 23310.91 22404.09 21812.00 22058.00 4 Hình 1.1 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. 1.1.2 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. Bảng 1.2: Sản lượng cồn của một số nhà máy sản xuất cồn có sản lượng lớn [22] STT Công suất Nguyên liệu (triệu lít/năm) sử dụng 12,00 Ngũ cốc Đơn vị sản xuất 1 Nhà máy rượu Hà Nội 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. Như vậy tính đến năm 2005 sản lượng cồn của Việt Nam đạt khoảng 50 triệu lít và cn số này đến năm 2012 đã vào khoảng 60 triệu lít. Sản lượng cồn của Việt Nam trong những năm tới cũng sẽ không ngừng tăng. Do hiện nay ở Việt Nam việc nghiên cứu sản xuất cồn sinh học đã được đề cập và triển khai. Ngày 20/11/2007, thay mặt thay mặt Thủ tướng Chính phủ, Phó Thủ tướng Chính phủ Hoàng Trung Hải đã ra Quyết định số 177/2007/QĐ-TTG phê duyệt "Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025". Mục tiêu chủ yếu của Đề án là phát triển nhiên liệu sinh học góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường. Theo mục tiêu này đến giai đoạn 20112015, nước ta làm chủ và sản xuất các vật liệu, chất phụ gia phục vụ sản xuất nhiên liệu sinh học; ứng dụng thành công công nghệ lên men hiện đại để đa dạng hóa các nguồn nguyên liệu cho quá trình chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu sinh học. Đến năm 2015, sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn, đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước. Và tầm nhìn đến năm 2025, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở nước ta đạt trình độ tiên tiến trên thế giới. Sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước. Thêm vào đó, công ty cổ phần Dịch vụ du lịch Dầu khí (Petrosetco) đã ký với tập đoàn Itochu Nhật Bản nhằm tiến tới liên doanh đầu tư nhà máy sản xuất ethanol từ sắn công suất 100 triệu lít/năm tại khu công nghiệp Hiệp Phước, thành phố Hồ Chí Minh. Đây là nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học ở quy mô công nghiệp đầu tiên tại Việt Nam. Đến khi đi vào hoạt động thương mại nhà máy sẽ cung cấp một lượng lớn nhiên liệu sinh học cho các tỉnh thành của đất nước ta[23]. 7 1.2 NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT CỒN Nguyên liệu sản xuất cồn theo phương pháp lên men có thể chia ra thành ba dạng chính như sau [15]:  Nguyên liệu chứa đường  Nguyên liệu giàu tinh bột  Nguyên liệu xenluloza 1.2.1 Nguyên liệu chứa đường Các nguyên liệu chứa đường ở dạng đơn giản và có khả năng lên men trực tiếp (glucoza, fructoza, maltoza) như đường mía, củ cải đường, đường hoa quả, rỉ đường…Rỉ đường, thứ phẩm của công nghệ sản xuất đường là nguyên liệu chính cho ngành công nghiệp sản xuất cồn ở một số nước có ngành công nghiệp mía đường phát triển như Braxin, Cuba, Ấn Độ…Còn đối với nước ta, hàng năm các nhà máy đường thải ra một lượng mật rỉ lớn 360.000 – 600.000 tấn [6]. Tuy nhiên lượng mật rỉ này không chỉ cung cấp cho các nhà máy sản xuất cồn mà còn là nguồn nguyên liệu chính cho các nhà máy sản xuất axít glutamic, sinh khối nấm men. Ngoài ra, giá thành sản xuất cồn tại các nhà máy sản xuất từ rỉ đường cũng thường xuyên biến động. Nhìn chung giá bình quân của cồn sản xuất từ mật rỉ là khá cao. Vả lại giá cồn còn phụ thuộc vào giá mật rỉ và chi phí nhiên vật liệu. Do vậy với mục tiêu trong giai đoạn tới là sản xuất cồn với giá thành rẻ để pha vào xăng nhằm hạ giá thành cho nhu cầu năng lượng của người dân thì rỉ đường chưa thực sự là nguồn nguyên liệu tối ưu cho quá trình sản xuất. 1.2.2 Nguyên liệu xenluloza Xenluloza là một nguồn nguyên liệu dồi dào và có tiềm năng lớn cho ngành sản xuất cồn. Nguyên liệu xenluloza có khả năng tái tạo nhanh, giá rẻ và có thể tận dụng được nguồn phế thải của ngành nông nghiệp hay ngành chế biến nông sản thực phẩm. Tuy nhiên nguyên liệu xenluloza được cấu trúc bởi các lớp xenluloza, hemixenluloza và lignin rất bền. Vì vậy quá trình biến đổi xenluloza thành đường 8 có khả năng lên men là rất hạn chế, năng suất cồn vẫn còn thấp [17, 20]. Do đó để xenluloza trở thành nguồn nguyên liệu chính cho quá trình sản xuất cồn thì cần có nhiều nghiên cứu kỹ lưỡng hơn. 1.2.3 Nguyên liệu giàu tinh bột Có rất nhiều nguyên liệu có hàm lượng tinh bột khá cao được ứng dụng trong quá trình sản xuất cồn như ngô, gạo, lúa mỳ, đại mạch, khoai tây, khoai lang...Mỗi vùng mỗi quốc gia lại sử dụng loại nguyên liệu thích hợp cho quá trình sản xuất cồn như: khoai tây là một trong những nguyên liệu thích hợp nhất để sản xuất cồn ở các nước châu Âu; hay ngô lại là nguyên liệu chính cho ngành công nghiệp cồn của Mỹ, sắn là nguyên liệu chính cho ngành sản xuất cồn của Thái Lan...Còn đối với Việt Nam nguyên liệu chính cho quá trình sản xuất cồn là sắn, gạo, một phần ngô và khoai. Ngô Thuộc loại hoà thảo (Graminae), loại Zea, loài Zea Mays. Ngô là loại nguyên liệu rất tốt dùng để sản xuất cồn ở nhiều nước trên thế giới, vì trong ngô lượng gluxit rất lớn gồm tinh bột (43,47-61,8%), đường (1,76-4,62%), dextrin và pectin (1,09-14,67%). Năng suất ngô ở nước ta vẫn còn thấp (38,7 tạ/ha); trong khi đó năng suất lúa là 49,8 tạ/ha, khoai 82 tạ/ha, sắn 160,7 tạ/ha [24]. Hiện nay, ở Việt Nam ngô chủ yếu dùng để làm thức ăn gia súc, một phần dùng làm lương thực cho con người và sản xuất một số sản phẩm khác như sản xuất rượu từ ngô. Tuy nhiên sản lượng rượu từ ngô còn rất hạn chế, chủ yếu để xuất khẩu. Do vậy ở nước ta ngô không phải là nguyên liệu hàng đầu cho quá trình sản xuất cồn với sản lượng lớn. Gạo Nước ta có hai vùng trồng lúa chính là đồng bằng sông Hồng ở phía bắc và đồng bằng sông Cửu Long ở miền Nam. Hàng năm sản lượng của cả nước đạt 33 34 triệu tấn thóc. Theo tính toán của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, năm 2007 sản lượng cả nước đạt khoảng 36 triệu tấn. Việt Nam đã xuất khẩu 4,53 triệu tấn gạo, đạt hơn 1,4 tỷ USD, đứng hàng thứ hai trên thế giới [24]. Tuy nhiên sản 9 lượng lúa gạo thường không ổn định, do nước ta thường xuyên phải đối đầu với thiên tai: lụt lội, hạn hán, sâu bệnh…Hơn thế nữa tiềm năng lúa gạo của nước ta không thể tăng được nữa. Về lâu dài cũng đứng ở mức đó. Diện tích nông nghiệp thì trong 5 năm qua giảm 340 ngàn ha. Sắp tới do quá trình công nghiệp hoá, mở rộng đường giao thông thì tiếp tục mất thêm một số đất nông nghiệp nữa. Về mặt dân số thì hằng năm tăng chừng một triệu người, nên vấn đề an ninh lương thực sẽ trở nên cấp thiết. Như vậy, mặc dù gạo là nguồn lương thực chính của nước ta nhưng hiện nay ở nước ta, gạo vẫn được sử dụng làm nguyên liệu chính cho quá trình sản xuất cồn bởi cồn sản xuất từ gạo có nhiều ưu điểm nổi bật. Cồn gạo thích hợp dùng trong ngành công nghiệp thực phẩm như dùng để sản xuất giấm, dùng để pha chế thành các loại rượu có chất lượng cao với đủ loại hương vị khác nhau… Hạt tinh bột gạo có kích thước từ 2 – 10 µm, màu trắng đục và có dạng hình đa giác. Thành phần chủ yếu của gạo là tinh bột (70-80%), protein (8-12%), chất béo (0,4-0,6%), xenluloza (0,6-0,8%). Độ ẩm của gạo thường trong khoảng 11% [6]. Tinh bột gạo gồm hai thành phần: amiloza chiếm từ 13 – 35%, amilopectin chiếm khoảng hơn 65% tuỳ thuộc vào từng loại gạo. Nhiệt độ hồ hoá của tinh bột gạo nằm trong khoảng 70 – 80oC [5]. 10 Sắn Sắn là cây lương thực đứng hàng thứ sáu trên thế giới và là một trong 15 cây trồng chiếm diện tích lớn nhất trong sản xuất nông nghiệp của loài người. Cây sắn có nhiều ưu điểm như: cây sử dụng tốt những đất đã kiệt, sản lượng ổn định, năng suất cao, sử dụng lao động tối thiểu và có chứa hàm lượng tinh bột khá cao, thích hợp với khí hậu nhiệt đới ẩm...[2]. Hiện tại, sắn được trồng trên 100 nước của vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới. Ở Việt Nam, sắn là cây lương thực có sản lượng đứng thứ hai sau lúa. Trong các cây lấy củ, sắn có diện tích thấp hơn ngô nhưng năng suất và sản lượng thì cao hơn hẳn [24]. Hơn nữa, hiện nay nhà nước ta đang có những chính sách khuyến khích người nông dân trồng sắn và nhờ việc áp dụng các giống sắn mới có năng suất cao và hàm lượng tinh bột lớn nên sản lượng và năng suất sắn ngày càng tăng cao, diện tích trồng sắn cũng ngày càng được mở rộng (Hình 1.2). Hiện tại, sản lượng sắn của Việt Nam đứng thứ mười trên thế giới, đứng thứ năm ở châu Á. Hình 1.2 Diện tích và sản lượng sắn cả nước 11