Tên luận án:
Nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao từ gạo
Ngành:
Công nghệ Sinh học
Tóm tắt nội dung tài liệu:
Luận án này tập trung nghiên cứu quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men ethanol đồng thời ở nồng độ chất khô cao (SLSF-VHG) từ gạo tại Việt Nam, nhằm giải quyết các tồn tại của công nghệ sản xuất cồn truyền thống. Nghiên cứu đã xác định và tối ưu các yếu tố quan trọng, bao gồm lựa chọn loại gạo (gạo 404 có hàm lượng amylose nhỏ hơn 26,32%), chế phẩm nấm men thương mại (Ethanol Red) và enzym đường hóa phụ trợ (Amigase Mega L). Các điều kiện công nghệ thích hợp đã được thiết lập: nhiệt độ lên men 30°C, pH ban đầu 4.5, chế độ khuấy trộn liên tục 50 vòng/phút trong 24 giờ đầu, kích thước lưới nghiền gạo 1.0 mm, nồng độ enzym Stargen™ 002 (1.506 GAU/kg), enzym protease Fermgen 2.5X (600 SAPU/kg), nồng độ chất khô 310,8 g/L và mật độ nấm men khởi động 3,5 × 10^7 CFU/mL.
Luận án đã phân tích động học và cơ chế thủy phân tinh bột gạo dưới tác dụng hiệp đồng của tổ hợp enzym amylase và protease, cho thấy hiệu quả trong việc nâng cao hiệu suất lên men và rút ngắn thời gian, đồng thời thay thế hoàn toàn nitơ bổ sung từ bên ngoài. Các thông số động học của quá trình lên men và biến đổi thành phần dịch lên men, bao gồm các sản phẩm phụ, cũng được xác định. Quy trình tối ưu này đạt nồng độ cồn 17,82% v/v và hiệu suất lên men 89,54% trong 96 giờ, rút ngắn 24 giờ và tăng hiệu suất 3,24% so với nghiên cứu đã công bố trước đó.
Nghiên cứu đã thử nghiệm thành công quy trình SLSF-VHG ở quy mô 100 L dịch lên men, đạt nồng độ cồn 17,73% v/v và hiệu suất 89,07% trong 120 giờ, với sản phẩm chưng cất đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 7043:2013. Đồng thời, đã thống kê chi phí sản xuất ở quy mô này. Đặc biệt, luận án đã ứng dụng thành công kỹ thuật chưng cất chân không tách cồn đồng thời, giúp nâng cao nồng độ cồn (đạt 19,98% v/v ở 350 g/L chất khô) và rút ngắn thời gian lên men đáng kể (còn 72 giờ). Lần đầu tiên, nghiên cứu này đã nâng cao nồng độ chất khô lên 500 g/L với quy trình chưng cất chân không, đạt nồng độ cồn tổng 29,0% v/v, hiệu suất 90,53% và thời gian 96 giờ. Các kết quả này cho thấy tiềm năng lớn cho việc ứng dụng công nghệ sản xuất cồn tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam.
Mục lục chi tiết:
-
Chương 1.
- 1.1
- 1.1.1 Tình hình sản xuất cồn trên thế giới
- 1.1.2 Tình hình sản xuất cồn ở Việt Nam
- 1.1.3 Một số công nghệ sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột hiện nay
- 1.1.4 Công nghệ sản xuất cồn không gia nhiệt
- 1.2
- 1.2.1 Nguồn cơ chất trong sản xuất cồn
- 1.2.2 Nguyên liệu gạo trong sản xuất cồn
- 1.2.2.1 Tình hình sản xuất và sử dụng gạo trong sản xuất cồn
- 1.2.2.2 Thành phần hóa học của gạo
- 1.2.2.3 Cấu tạo của tinh bột gạo
- 1.2.2.4 Cấu tạo của bột gạo
- 1.2.3 Enzym trong sản xuất cồn từ nguyên liệu chứa tinh bột
- 1.2.4 Nấm men dùng trong công nghệ sản xuất cồn
- 1.3
- 1.3.1 Ảnh hưởng của chế độ nghiền và kích thước nguyên liệu
- 1.3.2 Ảnh hưởng của nồng độ enzym thủy phân nguyên liệu sống
- 1.3.3 Cơ chế thủy phân của enzym trên nguyên liệu trong quy trình SLSF-VHG
- 1.3.3.1 Cơ chế thủy phân của enzym amylase đối với tinh bột
- 1.3.3.2 Ảnh hưởng của cấu trúc bột nguyên liệu
- 1.3.4 Động học của quá trình sản xuất cồn không gia nhiệt
- 1.3.5 Ảnh hưởng của nồng độ chất khô
- 1.3.6 Ảnh hưởng của mật độ nấm men
- 1.3.7 Ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ khác
- 1.3.8 Tình hình ứng dụng quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt
- 1.4
-
Chương 2.
- 2.1
- 2.1.1 Gạo
- 2.1.2 Chế phẩm enzym
- 2.1.3 Chế phẩm nấm men
- 2.1.4 Chất bổ sung
- 2.1.5 Hóa chất, thiết bị, địa điểm nghiên cứu
- 2.2
- 2.3
- 2.3.1 Bố trí thí nghiệm
- 2.3.1.1 Nội dung 1: Lựa chọn loại gạo, nấm men, enzym cho quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao
- 2.3.1.2 Nội dung 2: Nghiên cứu điều kiện công nghệ, động học và cơ chế biến đổi thành phần dịch lên men trong quy trình SLSF-VHG
- 2.3.1.3 Nội dung 3: Nghiên cứu ứng dụng quy trình SLSF-VHG để sản xuất cồn ở quy mô 100 L dịch lên men
- 2.3.1.4 Nội dung 4: Nghiên cứu lên men và chưng cất chân không tách cồn đồng thời trong quy trình SLSF-VHG
- 2.3.2 Phương pháp phân tích
- 2.3.2.1 Phương pháp hóa lý
- 2.3.2.2 Phương pháp hóa sinh, vi sinh
- 2.3.2.3 Phương pháp vật lý
- 2.3.3 Phương pháp thống kê và xử lý số liệu thực nghiệm
-
Chương 3.
- 3.1
- 3.1.1 Lựa chọn gạo cho quy trình SLSF-VHG
- 3.1.2 Lựa chọn enzym đường hóa phụ trợ cho quy trình SLSF-VHG
- 3.1.2.1 Biến đổi đường tổng và nồng độ cồn
- 3.1.3 Lựa chọn chế phẩm nấm men
- 3.2
- 3.2.1 Lựa chọn kích thước lưới nghiền bột gạo
- 3.2.1.1 Kết quả phân tích kích thước hạt của bột gạo qua lưới nghiền
- 3.2.1.2 Biến đổi nồng độ cồn theo kích thước lưới nghiền
- 3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ enzym đường hóa chính (Stargen 002)
- 3.2.3 Ảnh hưởng nguồn nitơ
- 3.2.3.1 Ảnh hưởng của urea và protease đến đường tổng, đường khử và nồng độ cồn
- 3.2.3.2 Ảnh hưởng nguồn nitơ đến thành phần protein hòa tan, FAN hòa tan
- 3.2.3.3 Ảnh hưởng nguồn nitơ đến sản phẩm phụ trong SLSF-VHG
- 3.2.3.4 Ảnh hưởng của urea và protease đến nấm men
- 3.2.3.5 Ảnh hưởng của protease và urea đến hình thái bột gạo
- 3.2.3.6 Ảnh hưởng protease và urea đến biến đổi cấu trúc bột gạo
- 3.2.3.7 Ảnh hưởng của nồng độ protease đến hiệu suất lên men
- 3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ chất khô
- 3.2.5 Ảnh hưởng của mật độ nấm men
- 3.2.6 Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất cồn SLSF-VHG ở quy mô phòng thí nghiệm (1 L dịch lên men)
- 3.2.7 Động học của quá trình lên men không gia nhiệt ở nồng độ chất khô cao
- 3.2.7.1 Biến đổi một số thông số vật lý hóa lý trong dịch lên men
- 3.2.7.2 Cơ chế thủy phân tinh bột trong quy trình SLSF-VHG
- 3.2.7.3 Các thông số động học lên men ở quy trình SLSF-VHG
- 3.2.8 Hình thái, cấu trúc bột gạo trong quy trình SLSF-VHG
- 3.3
- 3.3.1 Nghiên cứu quy trình SLSF-VHG quy mô 100 L dịch lên men
- 3.3.1.1 Quá trình lên men
- 3.3.2 Thống kê điện, nước và chi phí sản xuất cồn quy mô 100 L
- 3.4
- 3.4.1 Ảnh hưởng của thời gian chưng cất chân không đến hiệu suất lên men
- 3.4.2 Nghiên cứu nâng cao nồng độ chất khô trong quy trình SLSF-VHG bằng chưng cất chân không