Tài liệu Thử nghiệm sử dụng enzyme termamyl® và saccharomyces cerevisiae trong lên men ethanol từ tinh bột sắn tươi

A MỤC LỤC Trang MỤC LỤC............................................................................................................. A DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. C DANH MỤC HÌNH .............................................................................................. D MỞ ĐẦU ............................................................................................................... F CHƯƠNG I. TỔNG QUAN. .................................................................................1 1.1. TỔNG QUAN VỀ CÂY SẮN .......................................................................1 1.1.1. Giới thiệu về cây sắn..............................................................................1 1.1.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn trên thế giới và Việt Nam..................3 1.2 TỔNG QUAN VỀ CỒN. ................................................................................7 1.2.1 Giới thiệu về cồn.....................................................................................7 1.2.2 Một số loại nguyên liệu có thể dùng để sản xuất cồn ngày nay................8 1.2.3 Một số ứng dụng của ethanol trong các lĩnh vực khác nhau.....................8 1.2.4 Tình hình sản xuất, tiêu thụ cồn trên thế giới và Việt Nam. ...................10 1.3 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LÊN MEN VÀ CHƯNG CẤT CỒN ..........12 1.3.1 Phân loại quá trình lên men ethanol.......................................................14 1.3.1.1 Phân loại theo tác nhân lên men .....................................................14 1.3.1.2 Phân loại theo kỹ thuật lên men......................................................17 1.3.2 Các phương pháp chưng cất cồn quy mô công nghiệp ...........................17 1.3.3 Một số quy trình sản xuất ethanol từ sắn hiện nay: ................................18 1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT CỒN TỪ SẮN ............................23 1.4.1. Tình hình nghiên cứu sản xuất cồn từ sắn trên thế giới.........................23 1.4.2. Tình hình nghiên cứu sản xuất cồn từ sắn tại Việt Nam........................24 CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. .....................26 2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ......................................................................26 2.1.1 Sắn củ: ..................................................................................................26 2.1.2.Nấm men ..............................................................................................26 2.1.3  amylase enzyme ................................................................................26 2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................................................................27 2.2.1 Các phương pháp phân tích hóa học...................................................27 B 2.2.2 Phương pháp định lượng tinh bột bằng ngoại quan và thực nghiệm ...27 2.2.3 Các phương pháp phân tích vi sinh.....................................................27 2.2.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm ...........................................................27 2.2.4.1. Quy trình sản xuất dự kiến ............................................................27 2.2.4.2. Bố trí thí nghiệm ...........................................................................28 2.2.5 Phương pháp xử lý số liệu. .................................................................38 2.3 DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT THÍ NGHIỆM.................................................38 2.3.1 Dụng cụ. ...............................................................................................38 2.3.2 Hóa chất................................................................................................38 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..............................39 3.1 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA QUY TRÌNH ......................................39 3.1.1Xác dịnh điều kiện thích hợp cho quá trình đường hóa...........................39 3.1.1.1 Xác định cách sử dụng enzyme thích hợp......................................39 3.1.1.2 Xác định tỷ lệ enzyme sử dụng thích hợp .......................................40 3.1.1.3 Xác định tỷ lệ nước bổ sung thích hợp........................................41 3.1.1.4 Xác định nhiệt độ thích hợp cho quá trình thủy phân ...................43 3.1.2 Xác định điều kiện lên men ................................................................44 3.1.2.1 Xác định tác nhân lên men...........................................................44 3.1.2.2 Xác định lượng nấm men ban đầu thích hợp ................................45 3.1.2.3 Xác định độ đường thích hợp cho quá trình lên men ....................47 3.1.2.4 Xác định pH thích hợp cho quá trình lên men ..............................49 3.1.2.5 Xác định tỷ lệ sulphate amon bổ sung cho dịch lên men thích hợp..... 51 3.1.2.6 Xác định tỷ lệ dịch chiết giá bổ sung thích hợp cho dịch lên men 54 3.2 ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ SẮN ........................57 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN ....................................................................59 1. KẾT LUẬN ...................................................................................................59 2. ĐỀ XUẤT Ý KIẾN ........................................................................................59 TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................60 PHỤ LỤC................................................................................................................ I PHỤ LỤC A. CÁC BẢNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU.......................................... I PHỤ LỤC B. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. ........................................ III C DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1. Thành phần hóa học chính của củ sắn tươi...............................................2 Bảng 1.2. Diện tích, năng suất và sản lượng sắn của thế giới ..................................4 Bảng 1.3. Diện tích, năng suất và sản lượng sắn của Việt Nam................................5 Bảng 1.4. Diện tích, năng suất và sản lượng sắn của các vùng sinh thái..................5 Bảng 1.5. Các tính chất vật lý quan trọng của ethanol..............................................7 Bảng 1.6. Các loại vi khuẩn có thể lên men ethanol...............................................15 Bảng 1.7. Các thông số động học với Zymomonas mobilis và Saccharomyces uvarum khi lên men glucose trong môi trường yếm khí ở nồng độ đường 250g/l, 300C, pH = 5 ...............................................................................16 Bảng 3.1. Kết quả kiểm tra ảnh hưởng tỷ lệ nấm men ban đầu:.................................i Bảng 3.2. Kết quả khảo sát kiểm tra ảnh hưởng nồng đường dịch lên men:.....................i Bảng 3.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH:.........................................................i Bảng 3.4. Kết quả kiểm tra ảnh hưởng tỷ lệ (NH4)2SO4: ...........................................i Bảng 3.5. Kết quả khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ dịch chiết giá đỗ: .................................ii Bảng 3.6. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ enzyme:.........................................ii D DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1. Hình ảnh về sắn (Manihot esculenta) .......................................................1 Hình 1.2. Con đường đường phân EMP (Embden- Meyerhof Pathway).................13 Thí nghiệm 1. Xác định cách sử dụng  - amylase enzyme ...................................28 Thí nghiệm 2. Xác định tỷ lệ enzyme bổ sung thích hợp........................................29 Thí nghiệm 3. Xác định tỷ lệ nướcbổ sung phù hợp...............................................30 Thí nghiệm 4. Xác định nhiệt độ thủy phân thích hợp...........................................31 Thí nghiệm 5. Khảo sát sử dụng nấm men. ............................................................32 Thí nghiệm 6. Xác định lượng nấm men ban đầu tối ưu........................................33 Thí nghiệm 7. Xác định độ đường thích hợp cho quá trình lên men. .....................34 Thí nghiệm 8. Chọn pH thích hợp cho quá trình lên men. ......................................35 Thí nghiệm 9. Khảo sát chọn tỷ lệ (NH4)2SO4 bổ sung thích hợp...........................36 Thí nghiệm 10. Khảo sát chọn tỷ lệ dịch chiết giá đỗ bổ sung thích hợp. ...............37 Hình 3.1. Ảnh hưởng của cách thức bổ sung enzyme Termamyl đến độ đường hòa tan của dịch sau thủy phân ......................................................................39 Hình 3.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ enzyme sử dụng tới lượng đường tạo thành trong dung dịch ................................................................................................41 Hình 3.3. Ảnh hưởng tỷ lệ nước/nguyên liệu tới độ đường hòa tan dịch ................42 sau thủy phân ........................................................................................................42 Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ khô hòa tan ...................43 của dịch trước lên men ..........................................................................................43 Hình 3.5. Ảnh hưởng của tác nhân lên men tới độ cồn của dịch sau lên men..............45 Hình 3.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ nấm men ban đầu tới độ cồn của dịch lên men.......46 Hình 3.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ nấm men ban đầu tới độ đường hòa tan còn lại trong dung dịch. ...............................................................................................46 Hình 3.8. Ảnh hưởng của độ đường ban đầu tới độ cồn tạo thành..........................48 trong dung dịch......................................................................................................48 E Hình 3.9. Ảnh hưởng của độ đường ban đầu tới lượng đường xót lại trong dịch sau lên men. ..................................................................................................48 Hình 3.10. Ảnh hưởng của pH tới độ cồn tạo thành trong dung dịch......................50 Hình 3.11 Ảnh hưởng của pH tới độ đường hòa tan còn lại trong dung dịch ..........50 Hình 3.12. Ảnh hưởng của tỷ lệ Sulphate amoni tới độ cồn tạo thành trong dung dịch .........52 Hình 3.14 Ảnh hưởng của tỷ lệ nước chiết giá dỗ tới độ cồn thu được trong dung dịch. ........................................................................................................54 Hình 3.15. Ảnh hưởng của tỷ lệ dịch chiết giá đỗ tới độ đường hòa tan còn lại trong dung dịch ................................................................................................55 Hình 3.16. Sơ đồ quy trình lên men ethanol từ sắn.................................................57 F MỞ ĐẦU Ngày nay, khi việc sử dụng năng lượng hóa thạch và than đá ngày càng bộc lộ những nhược điểm như gây ô nhiễm môi trường và sản lượng ngày càng cạn kiệt thì việc nghiên cứu sử dụng năng lượng sinh học càng được các nhà khoa học quan tâm. Ở Việt Nam, Chính phủ đã xây dựng cả một Chương trình hành động lớn đó là đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học trong lĩnh vực sản xuất ethanol nhằm thay thế cho một phần xăng dầu chạy các loại máy nổ, ô tô, xe máy. Trên tinh thần ấy, Bộ Khoa học Công nghệ cũng đề xuất Chương trình trọng điểm quốc gia trong đó tập trung vào công nghệ sản xuất ethanol từ sắn. Từ thực tiễn đó, được sự đồng ý của khoa Chế Biến và Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang, em thực hiện đề tài: “Thử nghiệm sử dụng enzyme Termamyl® và Saccharomyces cerevisiae trong lên men ethanol từ tinh bột sắn tươi” Mục đích của đồ án: thử nghiệm sử dụng chế phẩm enzyme Termamyl® và chế phẩm nấm men Thermosacc của hãng Novo trong quy trình sản xuất ethanol từ tinh bột sắn tươi. Nội dung của đồ án: 1) Xác định tỷ lệ enzyme Termamyl® và nhiệt độ thích hợp cho quá trình đường hóa tinh bột sắn sống; 2) Xác định một số điều kiện thích hợp cho quá trình sử dụng nấm men Thermosacc trong quá trình lên men cồn từ hỗn hợp tinh bột đã xử lý Termamyl®. 3) Đề xuất quy trình sản xuất. Do thời gian nghiên cứu, kinh phí và thiết bị nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang có hạn nên đồ án này chắc hẳn còn có nhiều hạn chế. Em rất mong nhận được các ý kiến góp ý để đồ án thêm hoàn thiện. Em xin chân thành cảm ơn! 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN. 1.1 . TỔNG QUAN VỀ CÂY SẮN 1.1.1 . Giới thiệu về cây sắn Sắn (Manihot esculenta) còn được gọi là khoai mì, là một loại cây thân gỗ thuộc họ Đại Kích (Euphorbiaceae) xuất xứ từ Nam Mỹ và Tây Phi, thường được gọi với tên thương mại là Cassava. Hình 1.1. Hình ảnh về sắn (Manihot esculenta) Sắn là cây trồng ngắn ngày ở các quốc gia nhiệt đới và cận nhiệt đới, nguồn cung cấp carbohydrates chính cho đại bộ phận dân số, đồng thời là cây trồng đứng thứ 3 trên thế giới về sản lượng, sau các loại nông sản khác. Cây sắn có thể phát triển ở vùng đất xấu, trong điều kiện khô hạn và chịu được nhiệt độ lạnh đến 170C. Chúng có thể hấp thụ bức xạ mặt trời lên tới 300W/m2 (bằng với ánh sáng mạnh nhất khu vực nhiệt đới). Củ sắn dài và thon ở 2 đầu, với lớp vỏ đồng nhất mỏng và mềm mại sau khi bóc. Lớp vỏ dày khoảng 1mm, bề mặt xù xì và có màu nâu. Chạy dọc trục của củ thường có một xơ gỗ lớn và các xơ nhỏ. Thịt củ thường có màu trắng phấn hoặc hơi vàng. Người ta phân loại sắn thành hai nhóm chính là loại đắng và loại ngọt, tùy thuộc vào hàm lượng chất độc Cyanogenic glucosides có trong sắn. Chất này gồm 2 thành phần là linamarin và lotaustralin tồn tại tự nhiên trong củ và lá sắn, có thể giải 2 phóng ra hydrogen cyanide (HCN). Khi được giải phóng thành HCN, liều gây độc cho một người lớn là 20 mg HCN, liều gây chết người là 50 mg HCN/50 kg thể trọng. Hàm lượng HCN phụ thuộc vào các yếu tố giống, vị trí trên củ (vỏ, thịt hay lõi củ), điều kiện đất đai, chế độ canh tác và thời gian thu hoạch là chủ yếu. Tuy nhiên, qua các công đoạn chế biến như: ngâm, luộc, sơ chế khô, ủ chua, sắn sẽ được loại bỏ phần lớn độc tố HCN. Ngoài ra, linamase enzyme tồn tại tự nhiên trong sắn góp phần thủy phân khá nhiều chất độc kể trên. Sắn là loại củ có hàm lượng protein thấp. Protein củ sắn chứa hàm lượng các acid amin không được cân đối, thừa arginin nhưng lại thiếu các acid amin chứa lưu huỳnh. Thành phần hóa học chính của củ sắn tươi được thể hiện qua bảng 1.1. Bảng 1.1. Thành phần hóa học chính của củ sắn tươi [20]. Thành phần Hàm lượng (g) chứa trong 100g nguyên liệu Chất khô 38-40 Tinh bột 16-32 Protein tổng số 0,8-2,5 Lipid 0,2-0,3 Chất xơ 1,1-1,7 Chất tro 0,6-0,9 Canxi 18,8-22,5 mg Phospho 22,5-25,4 mg Vitamin B1 0,02 mg Vitamin B2 0,02 mg Vitamin PP 0,5 mg Cyanogenic glycosides (mg HCN) - 200-300 (sắn ngọt). - 600-1.500 (sắn đắng). 3 1.1.2 . Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn trên thế giới và Việt Nam * Trên thế giới Sắn (Manihot esculenta Crantz) hiện được trồng trên 100 nước có khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới thuộc ba châu lục: châu Á, châu Phi và châu Mỹ Latinh. Theo Tổ chức nông lương thế giới (FAO), sắn là cây lương thực quan trọng ở các nước đang phát triển chỉ sau lúa gạo, ngô và lúa mì. Tinh bột sắn là một thành phần quan trọng trong chế độ ăn của hơn một tỷ người trên thế giới [10], đồng thời là hàng hóa xuất khẩu có giá trị để chế biến bột ngọt, bánh kẹo, mì ăn liền, ván ép, bao bì, màng phủ sinh học và phụ gia dược phẩm. Ngoài ra, sắn cũng là thức ăn cho gia súc quan trọng tại nhiều nước trên thế giới [16]. Năm 2002, thế giới sản xuất được khoảng 184 triệu tấn sắn. Châu Phi là nơi cung cấp khoảng 91,1 triệu tấn sắn hàng năm, trong đó, Nigieria là nước trồng và sản xuất sắn lớn nhất thế giới với sản lượng hàng năm đạt 38 triệu tấn hàng hóa được chế biến. Sắn cũng là thực phẩm chính ở hầu hết các quốc gia châu Phi, chẳng hạn ở Ghana, sắn và khoai tây mỡ chiếm khoảng 46% GDP(Gross Domestic Product) của ngành nông nghiệp, cung cấp năng lượng cho khẩu phần ăn hàng ngày của khoảng 30% dân số Ghana và gần như mọi gia đình nông dân tại đây. Sau châu Phi là châu Á với sản lượng sắn 51,5 triệu tấn và Mỹ Latinh cùng Caribe là 33,2 triệu tấn/năm. Theo FAO, Thái Lan là nước xuất khẩu sắn khô nhiều nhất, chiếm 77% tổng lượng sắn thế giới năm 2005 và trên 85% năm 2008. Thị trường xuất khẩu chính của Thái Lan là Trung Quốc, Đài Loan, Nhật Bản và cộng đồng châu Âu với tỷ trọng xuất khẩu 40% là bột và tinh bột sắn, 25% là sắn lát và sắn viên. Nước xuất khẩu sắn lớn thứ 2, sau Thái Lan là Việt Nam với sản lượng chiếm 13,6%, sau đó là Indonexia chiếm 5,8% tổng lượng sắn thế giới. Tại các khu vực cân nhiệt đới phía Nam Trung Quốc, sắn là loại nông sản đứng thứ 5 về sản lượng sau gạo, khoai tây, mía và lúa mạch. Trung Quốc là nước tiêu thụ sắn với số lượng lớn, là thị trường xuất khẩu chủ yếu của Việt Nam và Thái Lan. Ngoài nhập khẩu, Trung Quốc còn trồng trọt và tiêu thụ sắn chủ yếu ở các tỉnh lẻ như Quảng Tây với lượng chiếm 60% tổng lượng tiêu thụ trong năm của Trung Quốc [21]. Xét tổng thể, 4 diện tích, năng suất và sản lượng sắn có xu hướng tăng từ năm 1995 đến nay (Bảng1.2). Sang năm 2009, sản lượng sắn tăng 3,7 % so với năm 2008 [20]. Bảng 1.2. Diện tích, năng suất và sản lượng sắn của thế giới từ năm 1995 – 2008 [15] Năm Diện tích (triệu ha) 1995 16,43 9,84 161,79 1996 16,25 9,75 158,51 1997 16,05 10,06 161,60 1998 16,56 9,90 164,10 1999 16,56 10,31 170,92 2000 16,86 10,70 177,89 2001 17,17 10,73 184,36 2002 17,31 10,61 183,82 2003 17,59 10,79 189,99 2004 18,51 10,94 202,64 2005 18,69 10,87 203,34 2006 20,50 10,90 224,00 2007 18,39 12,16 223,75 2008 21,94 12,87 238,45 Năng suất (tấn/ha) Sản lượng (triệu tấn) * Tại Việt Nam: Ở Việt Nam, cây sắn đã được chuyển đổi vai trò từ cây lương thực thành cây công nghiệp với tốc độ tăng nhanh chóng về năng suất và sản lượng trong thập kỷ đầu của thế kỷ XXI. Hiện nay, cây sắn là nguồn thu nhập quan trọng của các hộ nông dân nghèo do đặc tính dễ trồng, ít kén đất, ít vốn đầu tư, phù hợp với sinh thái và kinh tế nông hộ (Hoàng Kim và Phạm Văn Biên, 1997). Trong những năm gần đây, năng lực sản xuất và chế biến sắn ở Việt Nam có nhiều tiến bộ đáng kể. Điều này thể hiện qua sự gia tăng về diện tích, năng suất và sản lượng sắn Việt Nam qua các năm và phân theo các vùng sinh thái, (bảng 1.3 và bảng 1.4) [16]. 5 Bảng 1.3. Diện tích, năng suất và sản lượng sắn của Việt Nam giai đoạn 1995-2008 Diện tích (nghìn ha) 164,30 275,60 254,40 235,50 226,80 234,90 250,00 329,90 371,70 370.00 425,50 474,80 496,80 557,40 Năm 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Sản lượng (triệu tấn) 1,62 2,06 2,40 1,77 1,80 2,03 2,07 4,15 5,23 5,36 6,72 7,77 7,98 9,30 Năng suất (tấn/ha) 9,84 7,50 9,45 7,55 7,96 8,66 8,30 12,6 14,06 14,49 15,78 16,25 16,07 16,85 Bảng 1.4. Diện tích, năng suất và sản lượng sắn của các vùng sinh thái Việt Nam năm 2008 TT Vùng sinh thái Diện tích (1000 ha) Năng suất (tấn/ha) Sản lượng (1000 tấn) 1 Đồng bằng sông Hồng 7,90 12,92 102,10 2 Trung du và miền núi phía Bắc 110,00 12,07 1.328,00 3 Bắc Trung bộ và Duyên hải miền Trung 168,80 16,64 2.808,30 4 Tây Nguyên 150,10 15,70 2.356,10 5 Đông Nam Bộ 113,50 23,74 2.694,50 6 Đồng bằng sông Cửu Long 7,40 14,43 106,80 Cả nước 557,40 16,87 9.395,80 Diện tích trồng sắn nước của ta tập trung chủ yếu ở vùng Bắc Trung Bộ và Duyên hải miền Trung ( với 16.880.000 ha). Vùng sản xuất sắn lớn thứ hai của cả nước, tập trung chủ yếu ở bốn tỉnh: Kon Tum, Gia Lai, Đăk Lăk và Đăk Nông. Năm 6 2008, diện tích đất trồng sắn của Tây Nguyên đạt 150.100 ha, nhưng năng suất bình quân chỉ đạt 15,7 tấn/ha. Tổng sản lượng sắn vùng này đạt 2,53 triệu tấn, thấp hơn rất nhiều so với năng suất và sản lượng sắn của vùng Đông Nam Bộ (23,74 tấn/ha và 2,69 triệu tấn) [16]. Có nhiều nhà máy chế biến sắn đã và đang được xây dựng ở Việt Nam. Trên phạm vi cả nước, có khoảng 60 nhà máy chế biến tinh bột sắn có quy mô công nghiệp với tổng công suất mỗi năm hơn nửa triệu tấn tinh bột sắn, tiêu thụ gần 2,5 triệu tấn củ sắn tươi, bằng 30% sản lượng cả nước. Năng lực các nhà máy ngày càng tăng và tăng gấp đôi về số lượng, gấp 3 về công suất so với 5 năm trước đây [16]. Năm 2009, sắn là một trong ít mặt hàng có kim nghạch xuất khẩu tăng mạnh. Theo số liệu thống kê sơ bộ của Trung tâm thông tin công nghiệp và thương mại (Bộ Công Thương), trong 7 tháng đầu năm, cả nước đã xuất khẩu được 2,66 triệu tấn sắn và tinh bột sắn, đạt kim ngạch 406 triệu USD, tăng 4,4 lần về sản lượng và tăng 2,8 lần về kim ngạch so với cùng kỳ 2008 [7]. Về thị trường xuất khẩu, Trung quốc vẫn là thị trường xuất khẩu chính mặt hàng sắn của Việt Nam, chiếm hơn 90% kim nghạch. Tiếp theo là Hàn Quốc chiếm 5,5%, Đài Loan chiếm 2%... [16]. Sản lượng sắn của cả nước năm 2009 đạt khoảng 8,6 triệu tấn, với tỷ trọng sắn xuất khẩu đạt khoảng 48,6%, dùng làm thức ăn gia súc 22,4%, chế biến thủ công 16,8%, chỉ có 12,2% dùng nguyên liệu tươi. Khối lượng sắn xuất khẩu của Việt Nam năm nay vào khoảng 4 triệu tấn. Muốn có thị trường xuất khẩu bền vững, Việt Nam cần đẩy mạnh kim ngạch xuất khẩu bằng cách tiếp tục tìm kiếm thêm những thị trường mới ngoài thị trường Trung Quốc nhằm hạn chế sự phụ thuộc quá nhiều vào thị trường Trung Quốc, tránh tình trạng ép giá. Có nhiều thị trường tiềm năng mà Việt Nam chưa khai thác hết là Châu Âu, Mỹ. Ngoài ra, các doanh nghiệp Việt Nam cần gia tăng công nghệ chế biến với sản phẩm xuất khẩu thay vì xuất khẩu sản phẩm thô (sắn lát và sắn củ) như hiện nay [17]. 7 1.2 TỔNG QUAN VỀ CỒN. 1.2.1 Giới thiệu về cồn. Ethanol ( hay ethyl alcolhol), CH3CH2OH, là hợp chất hữu cơ có nhánh chứa oxy và hydro tạo nên các tính chất như: một dung môi, chất tẩy trùng, thức uống, chất chống đông, dầu sinh học và chất gây tê. Đặc biệt do tính linh động của nhánh hydroxyl mà ethanol có vai trò như một chất đệm cho nhiều chất khác. Ở điều kiện thường, ethanol là một chất lỏng dễ bay hơi, dễ cháy, sạch, không màu, có mùi dễ chịu, đặc trưng khi được pha với nước theo tỷ lệ nhất định, hợp lý. Tính chất lý hóa của ethanol phụ thuộc vào nhóm hydroxyl. Nhóm này tạo nên tính phân cực cho các phân tử và làm gia tăng liên kết hydro trong nội phân tử. Ở trạng thái lỏng, các liên kết hydro được tạo thành bởi lực hấp dẫn của các nhóm OH- của phân tử này với nhóm OH- của phân tử khác. Khi trong thành phần ethanol còn chứa một tỷ lệ nước nhất định thì các liên kết hydro còn xuất hiện giữa các phân tử ethanol và nước, ngoài liên kết giữa chúng với nhau. Điều này tạo nên tính tan vô hạn của ethanol trong nước. Do đặc tính của nhóm hydroxyl, ethanol có những tính chất hóa học như là phản ứng tách nước, tự tách nước, oxi hóa và ester hóa. Trong phân tử ethanol, liên kết hydro trong nhóm hydroxyl có thể bị thay thế khi tiếp xúc với các kim loại hoạt động như là: Natri, Canxi, Kali…và tạo nên liên kết ethoxide (ethylate) giữa kim loại đó với nguyên tử hydro [10]. Bảng 1.5. Các tính chất vật lý quan trọng của ethanol [10]. Các tính chất  Nhiệt độ sôi ở điều kiện thường (0C).  Nhiệt quá nhiệt (0C)  Mật độ, d420, (g/ml)  Nhiệt lượng tỏa ra từ quá trình oxi hóa chậm (J/g).  Tính cháy giới hạn trong không khí:  Giới hạn dưới (vol %)  Giới hạn trên (vol%) Giá trị đạt được 78,32 243,10 0,79 29676,69 4,30 19,00 8 1.2.2 Một số loại nguyên liệu có thể dùng để sản xuất cồn ngày nay. Ethanol thường được sản xuất bằng phương pháp lên men là chủ yếu và phổ biến. Theo kinh nghiệm của người sản xuất, sử dụng các loại nông sản có hàm lượng đường cao để lên men rượu cho hiệu quả tốt nhất. Có 3 dạng nông sản phổ biến và tiện lợi được sử dụng để lên men cồn là đường, tinh bột và cellulose. Đường (từ cây mía, củ cải đường, rỉ đường, trái cây) có thể chuyển hóa trực tiếp thành ethanol. Với tinh bột (từ các loại hạt, khoai tây, sắn) thì phải được thủy phân bằng enzyme của malt hoặc nấm mốc thành đường trước khi đi lên men cồn. Tương tự, với cellulose (từ gỗ, phế phẩm nông sản, bã sulfite từ quá trình sản xuất giấy…) cũng phải được thủy phân thành đường như trên. Ngày nay, người ta thường sử dụng acid vô cơ để thủy phân cellulose. Tất cả các bước xử lý nguyên liệu phải thu được đường đơn giản mà enzyme từ nấm men có thể chuyển hóa được và tạo ra ethanol [10]. Một số nguyên liệu khác như: củ cải đường, ngô, hạt kê, bèo tây… cũng là những nguyên liệu tiềm năng, đã và đang được nghiên cứu để sản xuất ethanol hiệu quả cho nhu cầu ngày càng tăng trong tương lai [26]. 1.2.3 Một số ứng dụng của ethanol trong các lĩnh vực khác nhau [25]. Ngoài khả năng được sử dụng như nhiên liệu sinh học (trộn lẫn với xăng theo tỷ lệ hợp lý) và trong hàng loạt các quy trình công nghiệp khác, ethanol còn được sử dụng trong các sản phẩm chống đông lạnh vì chất này giúp làm giảm đáng kể nhiệt kết tinh nước trong thực phẩm. Ở nồng độ trên 95%, ethanol là dung môi tốt, được sử dụng nhiều trong các loại nước hoa, sơn và cồn thuốc. Trong các loại đồ uống chứa cồn, hương vị đặc trưng của chúng được tạo nên nhờ thành phần ethanol và các cấu tử hương hòa tan trong cồn tạo nên. Trong y tế và công nghiệp thực phẩm, dung dịch chứa 70% ethanol được dùng như chất tẩy uế trực tiếp hoặc với các gel vệ sinh, kháng khuẩn phổ biến nhất ở nồng độ khoảng 62%. Ethanol có khả năng khử trùng tốt nhất ở nồng độ dung dịch khoảng 70%, nồng độ cao hơn hay thấp hơn đều cho hiệu quả kém hơn. 9  Sản xuất ethylester Ethanol được ứng dụng trong sản xuất ethylester theo phương trình sau: H2SO4 CH3CH2OH+ RCOOH RCOOCH2CH3 +H2O. Hai ethyl ester được sản xuất nhiều nhất là ethyl acrylat (từ ethanol và acrylic acid) và ethyl acetate (từ ethanol và acetic acid). Ethyl acrylat là một đơn phân tử được sử dụng trong sản xuất polymer acrylate, có công dụng làm chất kết dính hay các vật liệu che phủ. Ethyl acetate là dung môi phổ biến sử dụng trong sơn, các vật liệu che phủ và trong công nghiệp dược phẩm. Các ethyl ester khác cũng được sử dụng trong công nghiệp nhưng với sản lượng ít hơn như là các chất tạo mùi hoa quả nhân tạo.  Dấm Dấm là dung dịch loãng của acetic acid được sản xuất bằng phương pháp lên men dung dịch ethanol bằng vi khuẩn Acetobacter. Mặc dù theo truyền thống, người ta điều chế dấm từ các đồ uống chứa cồn như rượu vang, rượu táo và bia, nhưng dấm cũng có thể được điều chế từ các dung dịch ethanlol công nghiệp. Dấm được điều chế từ ethanol chưng cất được gọi là “dấm chưng cất” và nó được sử dụng phổ biến trong ngâm dấm thực phẩm hay làm gia vị.  Các ứng dụng khác ­ Khử lưu huỳnh của than đá (coal desulfurization): ­ Nhựa có thể tiêu hủy được bằng vi khuẩn (biodegradable plastic). ­ Nguồn cấp cho gia súc: trong chăn nuôi bò lấy thịt, tăng độ dai của thịt. ­ Dầu đốt cho động cơ diesel. Ethanol là nguồn nguyên liệu hóa học đa dụng, và trong thời gian qua đã được sử dụng với phạm vi thương mại để tổng hợp hàng loạt các mặt hàng hóa chất với sản lượng khác nhau. Hiện nay, nó đã được thay thế trong nhiều ứng dụng bằng các nguyên liệu hóa dầu giá rẻ hơn. Tuy nhiên, trên thị trường của các quốc gia có nền nông nghiệp phát triển nhưng các cơ sở hạ tầng của công nghiệp hóa dầu còn chưa phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ và Brazil thì ethanol có thể được sử dụng để sản xuất các hóa chất mà được các nước Phương Tây phát triển sản xuất chủ yếu từ dầu mỏ, bao gồm ethylen và butadien. 10 1.2.4 Tình hình sản xuất, tiêu thụ cồn trên thế giới và Việt Nam.  Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn trên thế giới. Brazil, Mỹ, EU và các quốc gia nhiệt đới đang phát triển là những nơi sản xuất cồn chủ yếu cho toàn thế giới. Khu vực EU sản xuất ethanol từ các mỏ khoáng dầu là chính, còn Hoa Kỳ sản xuất dầu sinh học chủ yếu từ nguồn cơ bản là tinh bột ngô. Ở Brazil, đa số ethanol lại được sản xuất từ đường mía. Với các quốc gia nhiệt đới đang phát triển thì chưa sản xuất ethanol với quy mô lớn được do điều kiện kỹ thuật còn nhiều hạn chế. Xét về sản lượng, năm 2005, Brazil là nước sản xuất cồn lớn nhất thế giới, với sản lượng ethanol đạt 16,2 tỷ lít và tới nay đã có 500 nhà máy sản xuất cồn. Nhưng do nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu gia tăng đột biến ở khu vực EU, Mỹ nói riêng và toàn thế giới nói chung thì chỉ Brazil không thể đáp ứng đủ. Vì vậy để tránh ảnh hưởng của giá dầu tăng cao đột biến, EU đang hy vọng liên kết với các quốc gia nhiệt đới, nơi trồng nhiều sắn như Thái Lan, Nigieria, Ghana, Brazil...với mong muốn thúc đẩy sản lượng ethanol phục vụ cho nhu cầu năng lượng của khu vực năm 2012. Trước tình hình nhu cầu năng lượng thế giới tăng cao, Mỹ cũng đang muốn phấn đấu thành quốc gia sản xuất cồn lớn trên thế giới, nhưng không xuất siêu [26]. Phát triển sản phẩm ethanol sinh học ngày nay là khả thi và hiệu quả kinh tế khi mà giá dầu thô trên thị trường thế giới hiện nay là trên 120 USD/thùng. Năm 2003, toàn thế giới đã sản xuất trên 38,5 triệu m3 ethanol (châu Mỹ khoảng 70%, châu Á 17%, châu Âu 10%), trong đó 70% được dùng làm nhiên liệu ở trên 43 quốc gia. Năm 2008, toàn thế giới đã sản xuất khoảng 66 tỷ lít ethanol. Dự báo đến năm 2012 (thời hạn kết thúc Nghị định thư Kyoto), sản lượng ethanol thế giới sẽ tăng lên 79,3 triệu m3 [3], trong đó Mỹ sẽ góp vào đó khoảng 28 tỷ lít ethanol và diesel sinh học [17]. Với các lợi ích chính mà nhiên liệu sinh học (NLSH) mang lại như [3]:  Giảm thiểu khí nhà kính.  Giảm nhập khẩu nhiên liệu, tận dụng nguyên liệu thực vật tại chỗ.  Công nghệ sản xuất không phức tạp.  Tạo việc làm và tăng thu nhập cho người lao động.  Tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp 11  So với các nhiên liệu cùng loại khác, NLSH sử dụng thuận tiện hơn do không cần thay đổi động cơ và cơ sở hạ tầng hiện có.  Giá thành cạnh tranh được với xăng dầu. Thì việc sử dụng nhiên liệu sinh học là xu thế tất yếu trên thế giới, nhất là đối với các nước nông nghiệp và phải nhập nhiên liệu.  Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn tại Việt Nam Ở nước ta, nghề nấu rượu thủ công đã có từ lâu đời, nhưng chưa có tài liệu nào cho biết thời điểm khởi đầu. Còn sản xuất cồn rượu theo công nghiệp ở nước ta được bắt đầu từ năm 1989, do người Pháp thiết kế và xây dựng. Cho đến nay, hầu hết các nhà máy đường trong nước đều có phân xưởng sản xuất ethanol và CO2 từ rỉ đường. Do diện tích vùng trồng mía, các cây lương thực và cây lấy dầu khá lớn nên vấn đề về nguyên liệu sản xuất cồn không phải là một khó khăn với đất nước ta. Vấn đề cần được nghiên cứu ở đây là làm sao nâng cao độ tinh khiết của thành phẩm đến mức cao nhất, đặc biệt cho nhu cầu làm nhiên liệu sinh học [15]. Trong thời gian qua, có nhiều công trình nghiên cứu tập trung xoay quanh vấn đề nâng cao chất lượng sản phẩm cồn và hiệu suất sản xuất cồn tại Việt Nam. Cụ thể như, năm 2007, nhóm nghiên cứu của PGS Trần Khắc Chương, ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã công bố nghiên cứu thành công quy trình công nghệ có thể điều chế ra loại hóa chất (BK-X1 là hợp chất từ cao lanh Lâm Đồng) phục vụ điều chế điều chế xăng sinh học ở điều kiện trong nước. Hiện tại, nhóm nghiên cứu này đã hoàn chỉnh công nghệ và thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm sản xuất cồn tuyệt đối đạt công suất khoảng 100kg/ngày và sử dụng loại hóa chất do chính nhóm chế tạo. Ông Chương cho biết, một khi đã giải quyết được vấn đề sản xuất cồn tinh khiết bằng công nghệ trong nước với quy mô công nghiệp thì việc điều chế ra xăng sinh học là việc nằm trong tầm tay của giới khoa học. Cùng thời gian đó, ông Nguyễn Ngọc Diệp, trường ĐH Bách khoa Đà Nẵng, chủ nhiệm đề tài nghiên cứu nhiên liệu thay thế cho rằng, về lâu dài, Nhà Nước cần có chiến lược nghiên cứu ứng dụng năng lượng sinh học đầu tư cho các công trình nghiên cứu khoa học cấp Nhà Nước để sản xuất đại trà ethanol sinh học giá thành 12 rẻ, cùng với nghiên cứu ứng dụng ethanol làm nhiên liệu cho ô tô, mô tô và lò đốt công nghiệp [19]. Trước thực trạng Việt Nam đang phụ thuộc chủ yếu vào nguồn xăng dầu nhập khẩu như hiện nay, việc nghiên cứu và sản xuất ethanol là một việc rất đáng lưu tâm. Trong vòng 15 năm tới, Việt Nam sẽ phải nhập lượng lớn năng lượng, dự báo tỷ lệ nhập khẩu khoảng 11-20% vào năm 2020, tăng lên 50-58% vào năm 2050chưa kể năng lượng hạt nhân [3]. Việc nghiên cứu, sản xuất ethanol cho nhu cầu năng lượng có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo an ninh năng lượng cho quốc gia, đồng thời góp phần đáng kể vào công cuộc bảo vệ môi trường của toàn thế giới trước nguy cơ nóng lên toàn cầu. Năm 2007, Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2050” nhằm tạo ra dạng năng lượng tái tạo được thay cho nhiên liệu hóa thạch, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường, phấn đấu đến năm 2015, sản lượng ethanol và dầu thực vật của Việt Nam đạt 250 nghìn tấn (pha được 5 triệu tấn E5 và B5), đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu cả nước và đến năm 2050 sẽ đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu [2]. Tại Việt Nam hiện nay, cồn được sản xuất chủ yếu từ nguyên liệu rỉ đường mía, mỗi năm công suất sản xuất cồn trên cả nước đạt 25 triệu lít 1 năm tập trung ở 3 nhà máy lớn, có công suất từ 15.000- 30.000 lít/ ngày là Nhà máy đường Hiệp Hòa, Lam Sơn và nhà máy bia rượu Bình Tây cùng hàng trăm cơ sở sản xuất có quy mô nhỏ với công suất khoảng 3.000- 5.000 lít mỗi ngày [14]. Tuy nhiên, qua khảo sát cho thấy, hiện các cơ sở sản xuất cồn đang gặp nhiều khó khăn. Do nguồn nguyên liệu quá đắt và công nghệ lạc hậu dẫn đến tốn nhiều chi phí sản xuất nên sản phẩm không có sức cạnh tranh cao. 1.3 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LÊN MEN VÀ CHƯNG CẤT CỒN Lên men ethanol, còn gọi là lên men cồn, là quá trình chuyển hóa sinh học các loại đường như: glucose, fructose và sucrose để cung cấp năng lượng tế bào trong điều kiện kỵ khí và quá trình này tạo ra ethanol và CO2 là dạng sản phẩm trung gian của quá trình trao đổi chất của nấm men. Cơ chế của quá trình lên men rất phức tạp, bao gồm một chuỗi nhiều phản ứng. Đường Glucose, fructose tham gia vào quá trình đường phân EMP (Embden- Meyerhof Pathway ) để tạo thành pyruvate [6], [1]. 13 Glucose ATP Pi Glucose-6-phosphatase Hexokinase ADP H2O Glucose-6- phosphate Phosphoglucose isomerase Fructose-6-phosphate Phosphofructose kinase Pi ATP Fructose-1,6-bisphosphatase ADP H2O Fructose-1,6-bisphosphate Aldolase Dihydroxyacetone phosphate Glyceraldehyd-3-phosphate Triosephosphate isomerase Glycerol-3phosphate dehydrogenase + Pi + NADH +H Glyceraldehyd3-phosphate dehydrogenase NAD+ + NAD NADH++H+ Glycerol-3-phosphate Glycerate 1,3 bisphosphate ADP Phosphoglycerate kinase Pi ATP Glycerol Glycerate 3 phosphate Phosphoglyceromutase Enolase Glycerate 2 phosphate H2O Phosphoenolpyruvate ADP Pyruvate kinase ATP Pyruvate Hình 1.2. Con đường đường phân EMP (Embden- Meyerhof Pathway) 14 Ở nấm men Saccharomyces cerevisiae, trong điều kiện yếm khí thì pyruvic acid sẽ chuyển hóa thành ethanol theo phản ứng sau: CH3-C-COOH Pyruvatedecarboxylase -CO2 CH3-CHO Acetaldehyd O Pyruvate CH3-CHO Alcohol dehydrogenase NADH++H+ CH3-CH2-OH Ethanol NAD+ Lên men là một trong những kỹ thuật có từ rất lâu đời trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm và là quá trình được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của ngành thực phẩm như sản xuất rượu, bia, nước giải khát có cồn hay trong sản xuất ethanol công nghiệp. Tùy vào tác nhân lên men, kỹ thuật sử dụng mà người ta có thể chia quá trình lên men thành các loại khác nhau: 1.3.1 Phân loại quá trình lên men ethanol 1.3.1.1 Phân loại theo tác nhân lên men  Lên men ethanol sử dụng vi khuẩn Nhược điểm của quá trình lên men sử dụng vi khuẩn là quá trình lên men thường tạo ra nhiều sản phẩm phụ như: các loại alcolhol (butanol, isopropy alcolhol, 2,3-butandiol), các loại acid hữu cơ (acetic acid, formic acid, lactic acid), các loại polyol (arabitol, glycerol và xylitol) và các loại khí (CH4, CO2, H2). Các loại vi khuẩn có thể lên men ethanol được trình bày trong bảng 1.6: