Bài giảng Công nghệ sản xuất đồ uống - Chương 2: Công nghệ sản xuất cồn - Nguyễn Ngọc Thuần

Nội dung text: Bài giảng Công nghệ sản xuất đồ uống - Chương 2: Công nghệ sản xuất cồn - Nguyễn Ngọc Thuần

1.  Thành phần của mật rỉ. Phụ thuộc vào giống mía, đất đai trồng, điều kiện canh tác, công nghệ sản xuất đường. Thông thường: hàm lượng chất khô 80-85%. Trong đó: - 60% đường với: 35-40% saccharose, 20-25% đường khử. - 40% chất phi đường: 20-32% chất hữu cơ, 8-10% chất vô cơ. Mật rỉ có pH từ 6,8-7,2. lúc mới sản xuất pH là 7,2- 8,9.
2. 2.3.1 Nghiền nguyên liệu. Hình thiết bị  Nguyên liệu dạng hạt hoặc dạng lát được đưa vào máy nghiền búa. Nghiền thô: búa có chiều dày: 6-10mm Nghiền nhỏ: búa có chiều dày: 2-3mm  Tốc độ quay của máy nghiền: 2750 vòng/phút.  Trong quá trình nghiền: phần nhỏ lọt qua rây được quạt hút đẩy ra ngoài và phần lớn ở lại tiếp tục bị nghiền.  Tùy theo chế độ nấu mà rây có kích thước khác nhau.  Hiện tại máy nghiền búa có năng suất 1000-2000- 3000kg/h
3. 2.3.2 Nấu nguyên liệu Nấu nguyên liệu là quy trình phá vỡ các lớp vỏ tế bào của các hạt tinh bột ra, giúp cho amylase tiếp xúc được với tinh bột, tạo điều kiện cho tinh bột về trạng thái hòa tan. Trong quá trình nấu, thực tế màng tế bào chưa bị nghiền vẫn giữ nguyên cấu tạo. Chúng chỉ bị phá vỡ khi khuấy trộn hoặc phóng cháo qua van hẹp hoặc sang thiết bị lớn hơn.
4.  Các biến đổi hóa lý: ✓ Độ bền của thành tế bào. Nguyên liệu dưới tác dụng của nhiệt độ và nước hình thành sự trương nở và giảm độ bền cơ học. - t0 120-1350C pectin trương nở, sau 20-25 phút thì hòa tan. Sau đó đến lượt tinh bột và pentose. - t0 145-1550C thành tế bào bị phá vở thì tinh bột tách ra, hòa tan vào dung dịch. Các nguyên liệu khác nhau sẽ có chế độ nấu khác nhau. Khi nguyên liệu bị chua, hầm hơi, cũ. Cần nấu ở nhiệt độ thấp và thời gian ngắn hơn nguyên liệu tốt cùng loại.
5. ✓ Sự trương nở và hòa tan tinh bột. Trương nở là quá trình mà các phân tử hút dung môi để làm tăng thể tích. Tinh bột chứa amylose amylopectin theo tỷ lệ ¼. Tuy nhiên đã có những giống ngô được lai tạo có chứa đến 100% amylose. Trong dịch hồ tinh bột amylopectin trương nở, đan chéo nhau, trong đó lẫn vào các hạt amylose. Nhiệt độ 85-1000C thì amylopectin hòa tan vào dung dịch. - Nhiệt độ hồ hóa phụ thuộc vào nguyên liệu và kích thước của các nguyên liệu. - Đối với tinh bột sắn ta có sơ đồ sau đánh giá sự phụ thuộc của độ nhớt vào nhiệt độ:
6. Đối với các chất khác nhau như cellulose, hemicellulose trong môi trường acid yếu, hầu như không bị thủy phân. Riêng pectin ester acid polygalacturovic thì bị thủy phân nhiều hơn và tạo thành metanol và acid pectic.
7. ✓ Sự biến đổi của tinh bột và đường. Đường Trong khi nấu, một phần nhỏ tinh bột biến thành đường. Đường này sẽ tham gia vào các phản ứng tạo melannoidin, furfunol, caramen. Trong đó: - Caramen là chất kiềm hãm quá trình lên men rượu. Khi có trong dịch đường khoảng 5% thì hiệu suất lên men sẽ giảm khoảng 6%. - Furfunol tạo màu và mùi khó chịu. - Melanoidin là chất keo mầu sẫm, mang tính acid, gây ảnh hưởng tới hoạt động của nấm men và enzyme. Thành phần của melanoidin rất đa dạng, chưa được nghiên cứu tỉ mỉ. Tuy nhiên hàm lượng các chất hình thành rất thấp gây nên ảnh hưởng không đáng kể đến quá trình lên men cồn.
8. Tinh bột Trong quá trình nấu nguyên liệu, sự có mặt của các chất đường là không cần thiết do gây tổn thất khi đun ở nhiệt độ cao. Do đó cần phải giới hạn hoạt động của amylase lên tinh bột. Người ta nhận thấy rằng: - Tại t0 550C :amylase tác động yếu đến tinh bột. - Khi quá trình nấu sơ bộ tăng nhanh đến 50- 600C sẽ hạn chế hoạt động của amylase. Điều này dẫn đến việc giảm thiểu quá trình tạo đường vào trước thời gian nấu.
9.  Nấu nguyên liệu Có ba phương pháp được sử dụng:gián đoạn, bán liên tục, liên tục. ✓ Phương pháp gián đoạn: Là phương pháp mà trong đó toàn bộ quá trình nấu đều được thực hiện trong một nồi. Cấu tạo nồi nấu :hình vẽ
10. Đặc điểm chung: Toàn bộ quá trình nấu điều thực hiện trong cùng một nồi. Ít tốn vật liệu để chế tạo thiết bị. Thao tác đơn giản. Tốn năng lượng do không sử dụng được hơi dư thừa. Dễ gây tổn thất đường do phải nấu ở nhiệt độ cao.
11. Quá trình nấu: Cho nước vào nồi theo tỷ lệ 3,5-4 lít/kg nguyên liệu. Cho cánh khuấy làm việc. Tiếp đó cho bột nguyên liệu vào. Đun đến 45-60 phút. Không khí và khí không ngưng tụ sẽ theo van xả thoát ra ngoài, cho tới khi chỉ còn hơi nước bão hòa. Đóng van xả. Đợi tới khi áp suất đạt đến mức yêu cầu, ta bắt đầu tính thời gian. Áp suất, nhiệt độ nấu phụ thuộc vào loại nguyên liệu, kích thước nguyên liệu.
12. Nguyên liệu Áp suất (kg/cm2 ) Thời gian( phút) Bột thường 3-3,5 70 Ngô hạt, sắn lát 4,5-5 80-90 Ngô nghiền, sắn nghiền 3-3,5 70
13. - Đối với nguyên liệu kém phẩm chất, ta phải nghiên cứu, tự tìm ra các yếu tố kỹ thuật tương ứng với nguyên liệu. 0 - Có thể thêm H2SO4 30 Bome’ (2-4 kg/ tấn nguyên liệu). Ưu điểm: nấu chóng chín, dịch cháo ít bị lão hóa. Nhược điểm: ăn mòn thiết bị, ảnh hưởng đến hoạt độ của enzyme amylase. - Gần cuối giai đoạn phải kiểm tra độ nấu chín của tinh bột. Cháo chín: mùi thơm nhẹ, màu vàng rơm hay cánh gián. Cháo bị cháy: mùi khét, màu tối, vị đắng. Chưa chín: màu bột trắng, mùi ngác. - Nấu xong, mở van từ từ và phóng cháo sang thùng đường hóa trong thời gian 10-15 phút. Toàn bộ quá trình nấu diễn ra khoảng 2,5-3 giờ.
14. Đặc điểm: - Nấu trong 3 nồi thành 3 giai đoạn: Nấu sơ bộ. Nấu chín. Nấu chín thêm. - Nồi nấu chín thêm có dung tích gấp 3 lần so với nồi nấu chín. Chú ý chỉ đổ đầy khoảng 2/3 nồi, phần còn lại là không gian chứa hơi. - Nấu sơ bộ và nấu chín là gián đoạn còn nấu chín thêm là liên tục. - Ưu điểm: Giảm thời gian nấu ở áp suất và nhiệt độ cao. Tăng hiệu suất. Tiết kiệm được lượng hơi. - Nhược điểm: Tốn thiết bị.
15. Ưu điểm: - Tận dụng được nhiều hơi. - Cho phép nấu ở nhiệt độ thấp hoặc thời gian ngắn làm giảm được lượng đường bị cháy. - Hiệu suất tăng 5 lít so với nấu bán liên tục và 12 lít/ tấn bột, so với nấu gián đoạn. - Lượng kim loại dùng để chế tạo thiết bị giảm 50% so với bán liên tục. - Dễ cơ khí hóa và tự động hóa. - Tốn ít diện tích đặt thiết bị. Nhược điểm: - Nghiên liệu phải nghiền thật nhỏ. - Điện, hơi, nước phải ổn định. - Đang cố gắng vận dụng vào thiết bị tại VN.
16. Các sơ đồ nấu được trình bày ở trên vẫn tồn tại nhược điểm là lượng đường khi nấu và lượng tinh bột chưa hòa tan vẫn chiếm tỉ lệ khá cao (3-5%). Do đó tại các nhà máy sản xuất cồn lớn tại VN đã nghiên cứu và ứng dụng phương pháp này. Tại thùng nấu nguyên liệu: bột sắn được nghiền mịn tới kích thước là 1mm, hòa với nước ở 30-400C theo tỉ lệ nước : bột là 4 : 1 . Sau đó khuấy đều, cho 80% lượng alpha amylase chịu nhiệt (thường sử dụng Termamyl 120L của hảng Novo-Đan mạch) vào với tỷ lệ 0,02- 0,03% so với khối lượng tinh bột. Đun trong 40-45 phút, đạt tới 85-870C. Giữ ở nhiệt độ này 15-20 phút. Đun sôi trong vòng 50-60 phút nhằm hòa tan các hạt tinh bột có kích thước lớn chưa kịp hồ hóa hết. Sau đó chuyển sang thùng đường hóa.
17. Tại thùng đường hóa: dịch bột được làm nguội đến 90-930C rồi cho hết 20% lượng enzyme còn lại. Làm nguội đến 55-560C, để yên trong 30 phút. Lúc này pH của dịch cháo 5,2-5,4; lượng đường khử tính theo glucose tăng 3- 3,5g/100ml. Dịch đường sau khi lên men đạt hiệu suất 93,4% so với lý thuyết. Ưu điểm: Hiệu suất tăng đạt khoảng 93% so lý thuyết. Tiết kiệm được enzyme trong quá trình đường hóa. Giảm được lượng hơi sử dụng do không cần đưa nhiệt độ lên quá cao. Giảm được lượng bột chưa hòa tan xuống còn khoảng 0,2-0,25g/100ml.
18. Tinh bột sau khi được nấu đã chuyển từ trạng thái không hòa tan sang hòa tan, nhưng vẫn chưa thể lên men được, mà ta phải dùng amylase để chuyển hóa thành đường. Quá trình này gọi là quá trình đường hóa. Quá trình đường hóa đóng một vai trò quan trọng trong việc sản xuất cồn.
19. ✓ Chức năng của enzyme trong quá trình thủy phân tinh bột. Alpha amylase: tác động liên kết alpha 1-4 glucoside ở vị trí bất kỳ, nhưng tập trung vào giữa mạch amylose và amylopectin.
20. Nhiệt độ hoạt động của enzyme Alpha amylase của vi khuẩn t0opt 95-1000C. Alpha amylase của mầm thóc t0opt 73-760C. Alpha amylase của Asp. ozyzae t0opt 50-550C. pH của môi trường và nhiệt độ tối ưu cũng phụ thuộc vào nhau: nhiệt độ tăng thì pH tăng
21. Nhiệt độ (0 C) pH tối ưu 30-40 4,5-5 50 4,6-5 60 5,2-5,5 70 5,3-5,8
22. Bêta amylase: tác dụng lên nối alpha-1,4 glucoside, nhưng bắt đầu từ vòng không có nhóm khử và cắt theo 2 gốc glucose một trong phân tử của amylose và amylopectin. Sản phẩm tạo thành là maltose. Bêta amylase có khả năng biến đổi amylose hoàn thành maltose, còn amylopectin chỉ cắt được 50- 55%. Dưới tác dụng của alpha và bêta amylase ta thu được dịch chứa 78-80% maltose và glucose, 22-20% dextrin.
23. Các enzyme khác: Amylase của nấm mốc còn chứa một lượng glucoamylase, isomaltase và oligo-1,6- glucosidase. Trong đó: Glucoamylase có khả năng cắt tại α-1,4 và α-1,6- glucose và biến 100% tinh bột thành glucose. Isomaltase chỉ cắt nối α-1,6 trong phân tử isomaltose. Oligo -1,6-glucosidase (có trong nấm mốc) cắt nối α-1,6 trong phân tử dextrin. Ngoài ra còn có thể thấy maltase, pectinase, hemicellulase, protease trong chế phẩm enzyme.
24. Sự biến đổi của một số chất khác trong quá trình đường hóa. Phụ thuộc vào nguồn amylase sử dụng mà các chất có trong dịch cháo sẽ bị đường hóa khác nhau. Nếu dùng amylase của nấm mốc thì: Pectin dưới tác dụng của pectinase sẽ chuyển thành acid pectic và metanol. Hemicellulose dưới tác dụng của hemicellulase sẽ chuyển hóa thành dextrin, glucose và đường pentose, trong đó dextrin tiếp tục bị phân giải thành maltose. Protein dưới tác dụng của protease thì chuyển thành các aa là nguồn dinh dưỡng cho nấm men sử dụng.
25. ✓ Sơ đồ thiết bị và thao tác trong quá trình đường hóa: Có 2 phương pháp: gián đoạn và liên tục. Sơ đồ chung: Vẽ sơ đồ trang 30
26. Đường hóa liên tục: Đường hóa liên tục 2 lần trong quá trình này cần chú ý tới: Phương pháp làm lạnh bằng chân không. Dịch cháo được nấu trong môi trường áp suất thấp (0,2kg/cm2 ) nên nhiệt độ nấu chỉ còn là 58-590C. Ưu điểm: Hạn chế được sự lão hóa tinh bột. Dùng áp suất chân không nên hơi nước sẽ kéo theo: metanol, furfurol và các mùi lạ do đó nâng chất lượng nguyên liệu. Thời gian đường hóa ngắn chỉ khoảng 10-15 phút nên giảm diện tích cho thiết bị, hạn chế được sự mất hoạt tính của amylase. Tăng năng suất lao động. Tăng hiệu suất rượu, tiết kiệm điện.
27. Đường hóa gián đoạn: Được thực hiện trong thùng đường hóa. Thùng đường hóa có các yếu tố kỹ thuật chung như sau: Dung tích thùng được tính dựa vào thể tích của mẻ nấu và theo tỷ lệ: 1,3m3 thùng/m3 dịch cháo. Chiều cao bằng 0,5-0,6 so với đường kính. Bên trong có cánh khuấy với tốc độ 50-60 vòng/phút có tác dụng giúp cho quá trình làm lạnh được nhanh. Truyền nhiệt bằng ống đồng đỏ. Dịch đường được bơm ra khỏi thùng trong 10-15’ và bơm phải được đặt thấp hơn đáy thùng 0,6-0,8m. Cấu tạo của thùng đường hóa:
28. Sau khi đường hóa, dịch đường được làm lạnh tới 28-320C và được bơm vào thùng lên men (thùng ủ). Đường hexose dưới tác dụng của nấm men sẽ chuyển thành rượu etylic, khí CO2 và một ít glycerin, acid succinic và một số sản phẩm khác. Sự lên men rượu là một quá trình sinh học có liên hệ mật thiết tới hoạt động của tế bào men.
29. Đường và các chất dinh dưỡng được hấp thụ qua bề mặt tế bào rồi thẩm thấu vào bên trong. Tại đó các enzyme sẽ tác dụng qua nhiều giai đoạn trung gian để tạo ra rượu và CO2 . Hai chất này khuếch tán và tan nhanh vào môi trường xung quanh. Rượu tan nhanh hơn CO2 . Lúc đầu hòa tan hoàn toàn, sau tạo thành bọt khí bám quanh tế bào. Khi bọt khí quanh tế bào lớn dần đến một lúc nào đó tế bào và bọt khí nổi dần lên bề mặt.
30. Môi trường dinh dưỡng có nồng độ đường khoảng 15-18%. Nếu ít hơn thì sẽ giảm năng suất của thiết bị, làm tổn thất rượu. Trong trường hợp nhiều hơn sẽ dẫn đến áp suất thẩm thấu tăng làm quá trình lên men kéo dài, còn sót đường lại. Sau khi lên men khoảng 95% đường sẽ chuyển hóa thành rượu và CO2 ; 5% còn lại là đường sót và các sản phẩm khác.
31. Nhiệt độ lên men trong khoảng 28-320C;pH 4,5- 5,2. Nếu nhiệt độ lên men cao hơn sẽ dẫn đến tạp khuẩn dễ phát triển do đó tạo nhiều ester và andehide. Nếu nhiệt độ lên men thấp hơn thì nấm men sẽ phát triển chậm. Hàm lượng nitơ khoảng 0,35-0,4 g/l với nguyên liệu sắn và với rỉ đường sẽ khoảng 0,15-0,2 g/l.
32. Thành phần của nấm men. H2O :75% Protid :30-50% Lipid : 2-5% Vit : B1 , B2 , Bionin Chất khô: 25% Glucid : 24-40% Khoáng: 5-11% Loại nấm men thường dùng: Saccharomyces có 2 loại: nấm men nổi thường dùng: Saccharomyces cerevisiae. Nấm men chìm: thường dùng Saccharomyces carlsbergensis
33. enzyme C6H12O6 2 CO2 + 2 C2H5OH + Q Sản phẩm phụ: acid acetic, acid lactic, acid succinic, alcol cao phân tử (0,4-0,5%) bao gồm: propanol, isobulatanol, isoamylic, có mùi hôi, khó chịu (fusel).
34. Vi khuẩn lactic tác dụng lên men đường thành acid lactic, ancal, CO2 , diacetyl, aceton. Vi khuẩn acetic lên men rượu thành acid acetic. Đây là vi khuẩn hiếu khí. Vi khuẩn butyric và một số loại khác: điều kiện lên men cồn không thích hợp lắm với sự phát triển của chúng.
35. ✓ Nhân giống trong sản xuất: Dịch đường từ thùng đường hóa chuyển qua có hàm lượng 60g đường /l/ dịch đường này sẽ được dùng làm môi trường nhân giống VSV trong sản xuất công nghiệp. Nhân giống trong sản xuất có thể theo phương pháp gián đoạn, bán liên tục, liên tục. Hệ thống bán liên tục được sử dụng nhiều nhất.
36. Chất lượng men giống đạt yêu cầu: Số tb trong 1ml: 100-120 triệu. Số tb nảy chồi: 10-15%. Số tb chết <5%. Độ chua: pH =4. Mức độ nhiểm khuẩn ≤1.
37. Quy trình nuôi cấy theo các bước sau: Nhìn vào sơ đồ trang 38 nói.
38. ✓ Lên men gián đoạn: Quá trình lên men này diễn ra trong một thùng. Thể tích: 10-200m3 . Độ dày: 3-10 ly. Có hệ thống ruột gà làm lạnh. Có nhiệt kế, ống thoát CO2 . Quy trình lên men. Vệ sinh thùng, ống dẫn, van. Thanh trùng bằng hơi nước ở nhiệt độ 95-100oC trong 50-60 phút. Sau đó làm lạnh đến 300C . Lúc này men giống và dịch đường được đổ song song vào. Thời gian cho vào khoảng 6-8 h thì đầy thùng. Nhiệt độ lên men nhỏ hơn 330C. Quá trình lên men về cuối có nhiệt độ phải là 280C.
39. Quy trình lên men này có ưu điểm là dễ xử lý khi ô nhiễm, tuy nhiên năng suất thấp. Thời gian lên men: - Tinh bột là 3 ngày. - Rỉ đường là 2 ngày. Kiểm tra chất lượng: cứ 8h thì lấy mẫu một lần. - Đo độ Brix để đảm bảo lượng đường sót ít nhất. - Độ chua phải <0,8g H2SO4 /l so với dịch lên men. - Độ cồn: 6-9,5%V.
40. ✓ Lên men liên tục
41. lên men cấp 1 lên men cấp 2 lên men chính 8-10 thùng. Thùng lên men cấp 1 có dung tích bằng 25-30% so với thùng lên men cấp 2. Thùng lên men cấp 2 có dung tích bằng 30-60% so với thùng lên men chính. Các thùng lên men cấp 1 được đặt phía trên thùng cấp 2 để tự chảy. Thùng lên men cấp 2 được đặt cao hơn thùng lên men chính (ít nhất là 1m), do quá trình lên men chính diễn ra mạnh, lượng bọt nhiều.
42. Quy trình lên men. Giai đoạn 1: Chuẩn bị men giống tại 2 thùng lên men cấp 1 (A,B) trong 3-4h. Khi đạt yêu cầu tháo giống ở thùng A xuống thùng cấp 2. Lúc này vệ sinh thùng A (thanh trùng, tẩy acid (1,8-2,4g H2SO4 /l nước), làm lạnh). Tiếp tục lên men ở thùng A bằng cách lấy 25-30% men giống tại thùng B trộn tiếp với dịch đường. Lượng men từ thùng B còn lại được cho xuống thùng cấp 2.
43. Lúc này vệ sinh thùng B (thanh trùng, tẩy acid (1,8-2,4g H2SO4 /l nước), làm lạnh). Tiếp tục lên men ở thùng B bằng cách lấy 25-30% men giống tại thùng A trộn tiếp với dung dịch đường. Lượng men từ thùng A còn lại được cho xuống thùng cấp 2. Lặp lại quy trình.
44. Giai đoạn 2: Tại thùng lên men cấp 2: cho đầy dịch đường, acid hóa (1-1,25g/l) để lên men được 5-6% (độ lên men). Sau đó được tháo xuống thùng lên men chính. Giai đoạn 3: Tại thùng lên men chính thứ nhất, khi trào đầy sẽ tràn sang thùng thứ 2, cứ thế tiếp tục. Các thùng lên men chính được sử dụng luân phiên nhau để có thể làm vệ sinh (24-30h/lần). Số tế bào ở thùng lên men chính được khống chế nằm trong khoảng 100-120 triệu/ml. Thùng lên men chính thứ nhất giữ ở nhiệt độ 25-270C. Thùng lên men chính thứ 2 và 3 giữ ở nhiệt độ 27- 300C. Các thùng lên men chính còn lại giữ ở nhiệt độ 27- 280C. Quy trình này kết thúc sau 60-62h.
45. Các dung dịch thường sử dụng để làm vệ sinh thiết bị: formalin; Clorua vôi; Fluosilicat natri 1-2%o ; ngoài ra cần thanh trùng bằng hơi nước (1000C, 30 phút), lượng hơi sử dụng khoảng 10-12kg/cm3 /thùng. Nếu không có điều kiện dùng hơi có thể đốt lưu huỳnh với hàm lượng 10g/m3 /thùng. Khi đốt cần đậy kín thiết bị.
46. Trong giấm chín có: rượu, ester, aldehyd và một số alcol cao phân tử (dầu fusel), tinh bột, dextrin, acid hữu cơ, khoáng. Trong cồn thô còn có khoảng 50 loại tạp chất gồm nhiều nhóm chứa như: aldehyd,ester, alcol cao phân tử, acid hữu cơ.
47. Chưng cất: Thời gian cất: 6-8h Năng suất thấp Tốn năng lượng Nồng độ không ổn định.
48. Giai đoạn 1: xử lý bằng hóa chất. NaOH để khử acid KMnO4 và NaOH có tác dụng khử andehyd Cần tính toán lượng hóa chất đưa vào vừa đủ nếu dư thì cồn bị oxy hóa. Giai đoạn 2: tinh chế Nhiệt độ 80-900C bằng hơi nước. Thu được kết quả của tinh chế: 3-5% cồn đầu: nhiều tạp chất. 6-12% tiếp theo: nhiều tạp chất. 60-80% tiếp theo: sản phẩm chính. 6-12% tiếp theo: sản phẩm loại 2. 3-5% cuối : rượu fusel (1030)