Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM

1.1. Đặc điểm nguyên liệu
1.1.1. Sắn
1.1.1.1. Giới thiệu về cây sắn
Cây sắn hay còn gọi là cây khoai mì là lương thực ưa ẩm nên được trồng nhiều ở các
nước có khí hậu nhiệt đới, có tên khoa học là Manihơt esculenta Crantza.
Là một cây lương thực phổ biến của các nước ở vùng nhiệt đới châu Á, châu Phi, châu
Mỹ. Sắn là cây dễ trồng, có thể thích hợp với đất đồi, gò. Sản lượng sắn tương đối ổn định
và cao. Củ sắn nhiều tinh bột, nên sản lượng tinh bột trên một đơn vị diện tích canh tác
khá hơn so với nhiều loại cây trồng khác.
Sắn gồm nhiều giống khác nhau. Thường căn cứ vào kích thước, màu sắc củ, thân, gân
lá mà phân loại: sắn dù, sắn đỏ, sắn trắng. Ngoài ra, sắn còn được phân thành sắn đắng và
sắn ngọt.

Hình 1.1. Cây sắn
Ở Việt Nam, sắn được trồng từ Bắc tới Nam, được trồng ở nhiều vùng trung du. Hằng
năm với 1,2 triệu tấn sắn lát xuất khẩu, chúng ta có thể sản xuất được ít nhất 400 triệu lít
ethanol/năm và với tỉ lệ 10% ethanol pha vào xăng thì lượng ethanol nói trên đủ để đáp
ứng 50% nhu cầu ethanol sinh học hiện tại của thị trường xăng.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
1


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

1.1.1.2. Đặc điểm sinh học
Thân thuộc loại cây gỗ có chiều cao trung bình 1,5m. Cấu tạo của thân gồm các phần
chính: tầng biểu bì (lớp bần), tầng nhu mô vỏ, tầng tế bào hóa gỗ (còn gọi là tầng ligin) và
lõi (ruột rỗng).
Lá thuộc loại lá phân thuỳ sâu, có gân lá nổi rõ ở mặt sau, thuộc loại lá đơn mọc xen
kẽ, xếp trên thân theo chiều xoắn ốc. Cuống lá dài từ 9÷20cm có màu xanh, tím hoặc xanh
điểm tím.
Hoa là hoa đơn tính có hoa đực và hoa cái trên cùng một chùm hoa. Hoa cái không
nhiều, mọc ở phía dưới cụm hoa và nở trước hoa đực nên cây luôn luôn được thụ phấn
của cây khác nhờ gió và côn trùng.
Quả là loại quả nang, có màu nâu nhạt đến đỏ tía, có hình lục giác, chia thành ba ngăn,
mỗi ngăn có một hạt, khi chín quả tự khai.
Rễ mọc từ mắt và mô sẹo của hom, lúc đầu mọc ngang sau đó cắm sâu xuống đất.
Theo thời gian chúng phình to ra và tích lũy bột thành củ.
1.1.1.3. Cấu tạo của củ sắn
Củ sắn có hai đầu nhọn, chiều dài biến động từ 25-200cm, trung bình khoảng 4050cm. Đường kính củ thay đổi 2-25cm, trung bình từ 5-7cm. Nhìn chung kích thước củ
sắn thay đổi theo giống, điều kiện canh tác và độ màu của đất.
Củ sắn là loại củ có lõi (tim củ) nối từ thân cây chạy dọc theo củ đến đuôi củ. Cấu tạo
gồm: vỏ gỗ, vỏ cùi, thịt sắn, lõi sắn.

Hình 1.2. Cấu taọ củ sắn
a. Vỏ gô

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
2



Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

Chiếm 0,5-3% khối lượng củ. Gồm các tế bào có cấu tạo từ cellulose và
hemicellulose, hầu như không có tinh bột. Vỏ gỗ là lớp ngoài cùng, sần sùi, màu nâu sẫm,
chứa các sắc tố đặc trưng. Có tác dụng giữ cho củ rất bền, không bị tác động cơ học và
hóa học bên ngoài.
b. Vỏ cùi
Dày hơn vỏ gỗ, chiếm khoảng 8-20% trọng lượng củ. Cấu tạo gồm lớp tế bào thành
dày, thành tế bào cấu tạo từ cellulose, bên trong tế bào là các hạt tinh bột, hợp chất chứa
nito và dịch bào (mủ) – trong dịch bào có tannin, sắc tố, độc tố, các enzyme…Vì vỏ cùi
có nhiều tinh bột (5-8%) nên trong chế biến nếu tách đi thì tổn thất, không tách thì khó
khắn cho chế biến vì nhiều chất trong thành phần mủ ảnh hưởng đến màu sắc tinh bột.
c. Thịt sắn (ruột củ)
Là thành phần chiếm chủ yếu của củ, bao gồm các tế bào có cấu tạo từ cellulose và
pentosan, bên trong là các hạt tinh bột và nguyên sinh chất. Những tế bào ở lớp ngoài thịt
sắn chứa nhiều tinh bột, càng sâu vào trong hàm lượng tinh bột giảm dần. Ngoài lớp tế
bào nhu mô còn có chứa các tế bào thành cứng không chứa tinh bột, cấu tạo từ cellulose
nên cứng như gỗ - gọi là xơ. Theo lượng lớp xơ mà biết sắn lưu bao nhiêu năm.
Màng tinh bột cấu tạo từ cellulose. Cellulozơ là một polime hợp thành từ các mắt xích
β – glucozơ bởi các liên kết β – 1,4 – glicozit. Mạch phân tử không nhánh, không xoắn,
có độ bền hóa học và cơ học cao.
Hạt tinh bột có cấu tạo lớp, trong mỗi lớp đều có sự lẫn lộn các tinh thể amylose và
amylopectin sắp xếp theo phương hướng tâm, dạng gấp khúc. Chiều dày mỗi lớp là 0.1
µm, amylose tập trung chủ yếu ở trung tâm hạt.
Lớp kề vỏ bao ngoài đặc hơn, chứa ít ẩm hơn, và bền dưới tác động của tác nhân
bên ngoài, có lỗ nhỏ để cho các chất hòa tan xâm nhập vào trong bằng con đường khuếch
tán qua vỏ.
• Amylose: 15 – 25%. Các gốc α – glucozơ liên kết với nhau bằng liên kết α – 1,4 –
glicozit tạo thành mạch không phân nhánh. Phân tử amilozơ không duỗi thẳng mà

xoắn lại thành hình lò xo. Mỗi vòng xoắn gồm 6 gốc glucozơ.
• Amylopectin: 75 – 85%. Các gốc α – glucozơ liên kết với nhau bằng 2 loại liên
kết:
- Liên kết α – 1,4 – glicozit để tạo thành một chuỗi dài (20 – 30 mắt xích α –
glucozơ)
- Liên kết α – 1,6 – glicozit để tạo nhánh.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
3


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

Tỉ lệ Amylopectin: Amylose trong tinh bột sắn cao (4:1) nên gel tinh bột có độ
nhớt, độ kết dính cao và khả năng gel bị thoái hóa thấp.
d. Lõi sắn
Thường nằm ở trung tâm dọc theo thân củ, nối từ thân đến đuôi củ. Lõi chiếm từ 0.31% khối lượng củ. Càng sát cuống, lõi càng lớn và nhỏ dần về phía đuôi củ. Lõi cấu tạo
chủ yếu từ cellulose và hemicellulose. Sắn có lõi lớn và nhiều xơ thì hiệu suất và năng
suất của máy xay xát giảm vì xơ cứng, phần thì xơ mắc vào răng máy hạn chế khả năng
phá vỡ tế bào giải phóng tinh bột. Mặc khác, xơ nhiều thì răng máy xay xát chóng mòn.
1.1.1.4. Thành phần hoá học của sắn
a. Củ sắn tươi
Thành phần hóa học của củ sắn nằm trong khoảng khá rộng tùy thuộc vào loại, thời vụ
thu hoạch…
Ngoài ra các chất kể trên trong sắn còn chứa một số vitamin và độc tố.
Bảng 1.1.1.4. Thành phần hóa học của sắn (tính theo % trọng lượng)
Thành phần


Nước

Tinh bột

Hàm lượng

70,25

21,45

protein Chất béo Xenlulozo Đườn
g
1,12
0,40
1,11
5,13

Tro
0,54

Trong các vitamin thì vitamin B1 và B2 mỗi loại chiếm 0,03 mg%, còn B 6 chiếm 0,06
mg%. Các vitamin này sẽ mất một phần khi chế biến nhất là khi nấu.
Chất độc có trong sắn ngày nay đã được nghiên cứu và xác định tương đối rõ đó chính
là HCN tồn tại dưới dạng phazeolunatin gồm hai glucozit linamarin(C10H17O6N) và
lotaustralin (C11H19O6N). Bình thường phazeolunatin không độc nhưng quá trình thủy
phân dưới tác dụng của enzyme hay axit thì các glucozit này sẽ giải phóng axit HCN gây
độc. Thông thường thì các độc tố tập trung ở cùi vỏ và ở vỏ củ.
C10H17O6N+ H2O
C6H12O6 + C3H6O + HCN

b. Sắn lát khô
Có hai loại: sắn lát khô có vỏ và sắn lát khô không vỏ. Sắn lát khô có vỏ bao gồm: vỏ
thịt, thịt sắn, lõi sắn và có thể là một phần vỏ gỗ. Sắn lát khô không vỏ chỉ bao gồm thịt
sắn và lõi sắn.
Hàm lượng tinh bột: 70÷75%, độ ẩm 12-14%, gluxit lên men: 67,6%. Sắn lát khô
không vỏ ở Việt Nam bình quân có hàm lượng chất khô 90,01%, đạm 2,48%, béo 1,40%,
Sắn lát khô có vỏ hàm lượng chất khô 90,57%, đạm 4,56%, béo 1,43%.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
4


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

Hình 1.3. Sắn lát khô

1.1.2. Nước

Nước trong công nghiệp sản xuất cồn, nước được sử dụng với các mục đích khác
nhau. Nước được dùng để để xử lí nguyên liệu, nấu nguyên liệu, làm nguội bán thành
phẩm và thành phẩm, vệ sinh thiết bị, cấp nước cho lò hơi. Ngoài ra nước còn dùng cho
phòng chữa cháy trong khu vực sản xuất. Thành phần, tính chất hoá lý và chất lượng của
nước ảnh hưởng trực tiếp tới kỹ thuật sản xuất, chất lượng sản phẩm và hiệu xuất thu hồi.
Nước có thể là môi trường hỗ trợ cho các phản ứng hoá học xảy ra, hoặc là trực tiếp
tham gia vào các phản ứng thuỷ phân và trở thành thành phần của sản phẩm. Nước còn
làm tăng cường các quá trình sinh học như hô hấp, nẩy mầm, lên men… Nước cũng tham
gia vào việc tạo cấu trúc và trạng thái của các sản phẩm thực phẩm chế biến. Nước có ảnh

hưởng đến khả năng tạo gel, còn là chất nhũ hoá dẻo tinh bột.
 Các yêu cầu về chất lượng nước:
Trong công nghiệp sản xuất cồn, yêu cầu chất lượng nước giống như tiêu chuẩn cho
nước sinh hoạt.
• Chỉ tiêu cảm quan: trong suốt, không màu, không mùi vị lạ.
• Chỉ tiêu hoá lý:
-

Độ cặn toàn phần < 1000mg/l
[ SO4-2] ≤ 80mg/l
Độ cứng < 7mgE/l
[ SO4-2] ≤ 80mg/l
pH = 6,5÷8,5
[Pb2+] ≤ 0,1mg/l

-

Độ oxy hoá ≤ 2mg O2/l
[Zn2+] ≤ 5mg/l
Hàm lượng Cl ≤ 0,5mg/l
[F-] ≤ 3mg/l
[Cu2+] ≤ 3mg/l
NH3, NO2- = 0.

1.1.3. Nấm men
1.1.4.

Khi chọn một chủng nấm men đưa vào sản xuất phải có tính chất cơ bản

sau:

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
5


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

-

-

1.1.5.

Tốc độ phát triển nhanh
Lên men được nhiều loại đường khác nhau và đạt được tốc độ lên men
nhanh.Chịu được nồng độ lên men cao, đồng thời ít bị ức chế bởi những sản
phẩm của sự lên men, tức là lên men đạt nồng độ rượu cao.
Có đặc tính sinh lý, sinh hóa ổn định trong thời gian dài
Tạo ra sản phẩm chính nhiều và sản phẩm phụ ít
Thích nghi với điều kiện không thuận lợi của môi trường, đặc biệt là đối với
chất sát trùng. Với Việt Nam, đòi hỏi lên men ở nhiệt độ tương đối cao
(≥350C).
Để sản xuất cồn từ nguyên liệu tinh bột có thể dùng các chủng nấm men

sau:
1.1.6.

Nấm men chủng II (Saccharomyces cerevisiae Rasse II): sinh sản trong môi


trường nước đường thường tụ lại thành đám, sau một thời gian ngắn lắng xuống. Đặc
điểm của loại này trong tế bào có chứa nhiều hạt glycogen, không bào lớn, hình thành bào
tử nội sinh ít và chậm, sinh bọt nhiều và thích nghi ở độ axit thấp có sức kháng cồn cao.
Không lên men được đường lactose. Kích thước tế bào 5,6÷7 µm.
1.1.7.

Nấm men chủng XII (Saccharomyces cerevisiae Rasse XII) phân lập được ở

Đức năm 1902, tốc độ phát triển nhanh sau 24 giờ 1 tế bào có thể phát triển được 55 tế
bào mới. Không bào nhỏ, ít sinh bọt, tế bào hình trứng hoặc tròn, kích thước vào khoảng
5÷8 µm. Lên men ở nhiệt độ cao và lên men được các đường glucose, fructose, galactose,
saccarose, maltose và 1/3 đường raffinose, không lên men đường galactose. Có thể lên
men đạt 13% rượu trong môi trường. Nấm men Rasse XII thuộc loại nấm men nổi, được
phân bố rất đều trong toàn bộ dịch lên men, không tạo thành đám trắng. Nấm men nổi
t0ap= 28320C, pHap=45. Do đó được sử dụng phổ biến trong sản xuất rượu, cồn.
1.1.8.

Nấm men MTB Việt Nam (Men thuốc bắc): được phân lập tại nhà máy rượu

Hà Nội từ nấm men thuốc bắc, tế bào hình bầu dục, kích thước 3÷5 × 5÷8µm. Là những
nấm men đa bội nên có thể hình thành 2 ÷ 4 bào tử trong một tế bào. Có khả năng lên men
được đường glucose, fructose, galactose, saccarose, maltose, galactose. Lên men được ở
nhiệt độ cao (39 ÷ 400C) chịu được độ axit tương đối cao 1 ÷1,50 nồng độ có thể đạt từ
12÷14 %. Đặc biệt qua nhiều năm thuần hóa, nấm men này đã phát triển và lên men tốt ở
môi trường có 0,02 ÷ 0,025 % chất sát trùng Na2SiF6. Nấm men MTB chủ yếu để sử dụng
để lên men hoa quả và rỉ đường.
1.1.9. 1.3.1.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của nấm men chủng XII
+


Nhiệt độ: nấm men chủng XII phát triển tốt nhất ở nhiệt độ 30-330C. Nhiệt độ tối đa
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
6


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

380C, tối thiểu 50C.
+ pH: nấm men có thể phát triển trong môi trường có pH = 2-8, nhưng thích hợp nhất là 4,55. Vi khuẩn bắt đầu phát triển ở pH = 4,2 và cao hơn, khi pH < 4,2 chỉ có nấm men phát
triển. Vì vậy trong lên men rượu để ngăn ngừa hiện tượng nhiễm khuẩn, người ta thực
hiện trong giới hạn pH = 3,8-4. Tuy nhiên các loài vi khuẩn cũng quen dần với pH thấp,
nên còn kết hợp các chất sát trùng.
+ Nồng độ rượu: thường trong dịch nấm men có chừng 4-6% rượu. Nồng độ rượu ảnh
hưởng đến tốc độ phát triển riêng của nấm men còn phụ thuộc vào thời gian, số lượng tế
bào và nguyên liệu chuẩn bị môi trường nuôi cấy.
+ Sự thông khí và đảo trộn: thông không khí tức là cung cấp oxy cho quá trình hô hấp của
nấm men. Việc thông khí và đảo trộn có tác dụng làm cho môi trường luôn ở trạng thái
động, tăng cường sự tiếp xúc giữa các tế bào nấm men với môi trường dinh dưỡng, do đó
rút ngắn được thời gian nuôi cấy. Thiếu không khí tức là điều kiện yếm khí, làm cho nấm
men thực hiện quá trình lên men, nồng độ rượu trong môi trường tăng lên nhanh chóng,
có tác dụng kìm hãm sự phát triển của nấm men.
+ Ngoài các yếu tố trên các chất sát trùng, các muối kim loại, tia cực tím đều ảnh hưởng đến
hoạt động của nấm men.
1.1.10.
+

1.1.3.2. Môi trường nuôi cấy nấm men


Giai đoạn phòng thí ngiệm
1.1.11.
Môi trường nuôi cấy ở giai đoạn 10ml, 100ml thường dùng là nước

đường malt. Nước malt chuẩn bị như sau: gạo tẻ đem nấu cháo đặc, rồi làm nguội xuống
55-580C. Sau đó cho đường hóa bằng malt đã nghiền nhỏ với tỉ lệ 15-20% so với gạo.
Giữ nhiệt độ đường hóa trong 4-6 giờ, thử khả năng thủy phân. Nâng nhiệt độ 95-1000C,
sát trùng và lọc nhanh. Dịch đường được phân phối vào ống nghiệm 10ml, bình tam giác
250ml, bình cầu 900ml. Nút bông bình và đem tiệt trùng ở áp suất 1kg/cm2,trong thời
gian 30 phút.
1.1.12.
Môi trường nuôi cấy 10 lít, có thể lấy dịch trực tiếp ở thùng đường
hóa trong sản xuất và bổ sung thêm nấm mốc (5-7%) để đảm bảo nồng độ cho nấm men
phát triển, sau đó đem lọc, tiệt trùng, làm nguội về nhiệt độ 35-360C và tiếp men giống từ
thùng 100 lít.
1.1.13.
Khi chuyển giống từ bình nọ sang bình kia cần tuân thủ nghiêm ngặt
các điều kiện vệ sinh.
+ Nhân giống trong sản xuất:
1.1.14.
Nhân giống đến đủ số lượng 10% dịch đường lên men. Môi trường
nhân giống thường lấy trực tiếp từ thùng đường hóa nhưng cần đường hóa thêm để đảm
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
7


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu

sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

bảo hàm lượng đường cho nấm men phát triển
1.1.15.
Các chất hỗ trợ kỹ thuật
1.1.15.1. Các hoá chất
1.1.16.

Axit sunfuric có tác dụng điều chỉnh pH môi trường, tiêu diệt vi sinh vật lạ

trong quá trình đường hóa.
1.1.17.

Ure cung cấp để đảm bảo lượng đạm cho nấm men sinh trưởng, phát triển

tạo ra nhiều rượu.
1.1.18.

Nhóm các hóa chất xử lý nước như: Than hoạt tính, hạt nhựa,…

1.1.19.

Hóa chất sát trùng như Na 2SiF6 bổ sung trong quá trình đường hóa để hạn

chế và ngăn chặn sự nhiễm khuẩn trong quá trình đường hóa.
1.1.19.1. Các Enzyme
1.1.20.

Chế phẩm enzyme amylaza


1.1.21.

Trong công nghệ sản xuất alcol, enzyme xúc tác cho quá trình thủy phân

tinh bột thành đường lên men là khá quan trọng, các enzyme này thuộc loại amylaza.
+ Novo amylaza: Novo amylaza, termamyl 60L, fugamyl 800L và spiritamylaza Novo 150L
được sản xuất từ các vi sinh vật không gây bệnh trong điều kiện vệ sinh cao, sự lựa chọn,
sàng lọc gắt gao. Các Novo amylaza này thường được tinh chế, cô đặc và tiêu chuẩn hóa
ở dạng lỏng để có hoạt độ cao. Các enzyme này có thể lưu trữ 6 tháng mà không có những
biến đổi nào về đặt tính trong điều kiện bảo quản không lớn hơn 250C.
+ Termamyl 60L: Termamyl 60L là một enzyme α-amylaza cô đặc ở dạng lỏng. Hoạt động
của nó là thủy phân tinh bột thành dextrin giống như α-amylaza của malt. Termamyl 60L
có thể hoạt động tốt trong quá trình thủy phân ở pH = 5.0. Nhiệt độ thích hợp 90 0C và
không yêu cầu sự có mặt của muối canxi cho sự ổn định của nó.
+ Fungamyl 800L: Fungamyl 800L là một α-amylaza cô đặc dạng lỏng. Nhiệt độ tối thích
60÷650C. Fungamyl 800L xúc tác quá trình thủy phân tinh bột thành dextrin giống như
các α-amylaza khác. Tuy nhiên có một lượng lớn mantoza được tạo thành. Fungamyl
800L có thể hoạt động ở pH = 4.5 và không đòi hỏi điều kiện có muối canxi cho sự ổn
định của nó.
+ Spiritamylaza Novo 150L: Spiritamylaza Novo 150L là một glucoamylaza lỏng cô đặc,
được sử dụng để xúc tác quá trình thủy phân tinh bột trong công nghệ lên men rượu.
Enzyme này xúc tác quá trình thủy phân tinh bột hoàn toàn thành các đường lên men
glucoza không có các dextrin trong sản phẩm thủy phân. Spiritamylaza Novo 150L giữ
được hoạt tính và ổn định bền vững ở pH thấp như là pH = 3 tại 60 0C. Tính ổn định của
spiritamylaza không phụ thuộc vào sự có mặt của ion canxi (Ca2+).
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
8



Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

1.1.22.

Trong sản xuất cồn, enzyme này được sử dụng tăng hiệu suất đường hóa.

Chế phẩm enzyme được sản xuất từ vi sinh vật không gây bệnh trong điều kiện vệ sinh
cao, sự lựa chọn, sàng lọc gắt gao. Các enzyme này thường được tinh chế, cô đặc và tiêu
chuẩn hóa ở dạng lỏng để có hoạt động cao, chịu được nhiệt độ cao. Do vậy chúng ta
chọn Enzyme Termamyl 60L có thể chịu được nhiệt độ cao 9095 0C trong quá trình nấu,
thuỷ phân tinh bột tốt ở môi trường pH=5. Là một enzyme thuỷ phân liên kết 1-4 glicozit,
phá vỡ lượng tinh bột.
1.2. Đặc điểm cồn tuyệt đối
1.2.1. Tính chất vật lí
1.2.2.

Etanol là chất lỏng không màu, nhẹ hơn nước và có mùi thơm đặc trưng, vị

cay sức hút ẩm mạnh, dễ bay hơi. Etanol hòa tan trong nước ở bất cứ tỷ lệ nào kèm theo
hiện tượng tỏa nhiệt và co thể tích. Etanol hòa tan được nhiều chất vô cơ như: CaCl 2,
MgCl2, SiCl4, KOH,… và nhiều chất khí: H2, N2, O2, NO, SO2, H2S, CO,… nhưng không
hòa tan được tinh bột và disaccarit.
1.2.3.
-

Các thông số vật lý của etanol nguyên chất:

Phân tử lượng: 46,03

Nhiệt độ sôi: 78,320C ở áp suất 760mmHg
Nhiệt độ bắt lửa: 1200C
Nhiệt dung: 0,548 KJ/kg.độ ở 200C và 0,769 KJ/kg.độ ở 600C
Năng suất tỏa nhiệt: 6.642 ÷ 7.000 KJ/kg.độ
Nhiệt độ đóng băng: – 1170C.
1.2.4.

Khi chưng cất hỗn hợp dung dịch có nồng độ 95,57% etanol và 4,43%

nước thì điểm sôi chung là 78,150C và gọi là điểm đẳng phí. Điều đó cũng có nghĩa là
biện pháp chưng cất không thể thu được rượu có nồng độ cao hơn 95,57 %V.
1.2.5. Tính chất hoá học
- Tác dụng với oxi, tùy theo cường độ tác dụng với rượu mà cho sản phẩm khác
nhau.
1.2.6.
2C2H5OH + O2
2CH3CHO + H2O (nhẹ)
1.2.7.
C2H5OH + O2
CH3COOH + H2O (đủ)
1.2.8.
C2H5OH + O2
2CO2 + 3H2O + 326 Kcal(mạnh)
- Tác dụng với kim loại kiềm và kiềm thổ, trong trường hợp này etanol được coi như
là một axit yếu và có phản ứng với kim loại kiềm và kiềm thổ tạo muối alcolat.
1.2.9.
C2H5OH + M
C2H5OM + 1/2H2 (alcolat kiềm)
- Tác dụng với NH3, ở nhiệt độ 250oC và có xúc tác, etanol tác dụng với NH3 tạo
thành amin.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
9


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

1.2.10.
C2H5OH + NH3
C2H5NH2 + H2O.
- Tác dụng với axit, etanol tác dụng với axit tạo thành este phức tạp.
1.2.11.
C2H5OH + CH3COOH
CH3COOC2H5 + H2O
1.2.12.
( Etyl axetat)
1.2.13.
C2H5OH + H2SO4
(C2H5)2SO4 + 2H2O
1.2.14.

Phản ứng este hoá chậm khi có mặt axít hữu cơ và vô cơ yếu, xảy ra nhanh

khi có mặt axit vô cơ mạnh.
1.2.15.
Các phương pháp sản xuất Ethanol
1.2.15.1. Hydrat hoá etylen
1.2.16.


Etanol thường được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông

qua phương pháp hydat hóa etylen trên xúc tác axit, được trình bày theo phản ứng hóa học
sau. Cho etylen hợp nước ở 3000C, áp suất 70÷80 atm với xúc tác là axit photphoric:
1.2.17.
H2C = CH2 +H2O → CH3CH2OH
1.2.17.1. Phương pháp lên men
1.2.18.

Etanol sử dụng trong đồ uống chứa cồn, cũng như phần lớn etanol sử dụng

trong công nghiệp, nhiên liệu,… được sản xuất theo phương pháp lên men, đây là quá
trình chuyển hóa đường thành etanol nhờ nấm men (thường dùng loại Saccharomyses
cerevisiae) trong điều kiện không có oxy hay điều kiện yếm khí, phản ứng hóa học tổng
quát được viết như sau:
1.2.19.
1.2.20.

C6H12O6 → 2CH3CH2OH + 2CO2 + Q

Quá trình nuôi cấy men rượu được gọi là ủ men. Sau khi chuyển hóa hết

đường rồi lọc lấy dung dịch và đem chưng cất để nâng cao nồng độ etanol.
1.2.21.
Ứng dụng
1.2.21.1. Đồ uống có cồn
1.2.22.

Là thành phần chính của đồ uống có cồn, khi uống, ethanol chuyển hóa như


1 năng lượng cung cấp chất dinh dưỡng.
1.2.22.1. Thuốc sát trùng
1.2.23.

Được sử dụng trong y tế và chống vi khuẩn.

1.2.24.

Dung dịch chứa 70% ethanol chủ yếu được sử dụng như chất tẩy uế. Nó là

hiệu quả trong việc chống lại phần lớn các loại vi khuẩn và nấm cũng như nhiều loại
virus,…nhưng không hiểu quả trong việc chống lại các bào tử vi khuẩn.
1.2.24.1. Làm dung môi
1.2.25.

Có thể hòa tan trong nước và các dung môi khác. Cồn ethanol, có trong sơn,

cồn thuốc, các sản phẩm chăm sóc cá nhân như nước hoa và chất khử mùi…
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
10


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

1.2.25.1. Dược
1.2.26.


Về mặt y dược, nó là thuốc ngủ, mặc dù nó ít độc hại hơn so với các rượu

khác, cái chết thường xảy ra nếu nồng độ cồn trong máu vượt quá khoảng 5%.
1.2.27.

Có thể giảm thị lực, bất tỉnh sẽ xảy ra ở nồng độ thấp hơn.

1.3. Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất
1.3.1. Nghiền nguyên liệu
1.3.2.

Nguyên liệu có thể được nghiền với nhiều loại máy nghiền khác nhau máy

nghiền búa, máy nghiền trục, máy nghiền đĩa, máy nghiền siêu tốc…
1.3.3.

Để sản xuất cồn thực phẩm từ sắn lát khô em chọn thiết bị nghiền búa.

1.3.4. Công đoạn nấu
1.3.4.1. Các phương pháp nấu
1.3.5.

Tùy vào điều kiện, trang thiết bị của các cơ sở sản xuất có thể chọn các

phương pháp nấu: Nấu gián đoạn, nấu bán liên tục và nấu liên tục.
a. Nấu gián đoạn
• Đặc điểm
- Toàn bộ quá trình nấu thực hiện trong một nồi.
- Nấu được tiến hành trong áp suất và nhiệt độ cao trong thời gian dài.

• Ưu điểm
- Tốn ít vật liệu chế tạo thiết bị.
- Thao tác vận hành đơn giản.
- Dễ vệ sinh và sửa chữa (nếu cần).
• Nhược điểm
- Tốn hơi do không tận dụng được hơi thứ.
- Nấu ở nhiệt độ và áp suất cao gây tổn thất đường, tạo nhiều sản phẩm phụ
(caramen, melanoidin, furfurol…) không tốt cho hoạt động của amylaza và nấm
men.
- Khi dùng axit thêm vào nấu ở nhiệt độ cao thời gian dài sẽ làm chóng ăn mòn
thiết bị.
- Năng suất thiết bị thấp hơn các phương pháp nấu khác do làm việc gián đoạn
(thời gian giữa các mẻ).
b. Nấu bán liên tục
• Đặc điểm.
- Nấu được tiến hành trong 3 nồi nấu khác nhau: nấu sơ bộ, nấu chín (làm việc
gián đoạn) và nấu chín thêm (làm việc liên tục).
- Nấu sơ bộ và nấu chín là gián đoạn, còn nấu chín thêm là liên tục.
- Áp suất và thời gian ít hơn nấu gián đoạn.
• Ưu điểm
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
11


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

Giảm được thời gian ở nhiệt độ và áp suất nấu cao do đó giảm tổn thất đường

tăng hiệu suất lên 7 lít cồn/tấn tinh bột.
- Dùng được hơi thứ nên giảm được 15÷30 % hơi dùng cho nấu.
- Năng suất thiết bị tăng so với nấu gián đoạn.
• Nhược điểm
- Tốn nhiều kim loại để chế tạo thiết bị.
- Thiết bị cồng kềnh chiếm nhiều diện tích.
- Nhiệt độ nấu chín vẫn cao gây tổn thất đường và tạo các sản phẩm không mong
muốn.
- Khó vệ sinh do nhiều thiết bị và thiết bị nấu chín thêm có cấu tạo phức tạp.
c. Nấu liên tục
• Đặc điểm
- Quá trình nấu chia ra làm 3 giai đoạn: nấu sơ bộ nấu chín và nấu chín thêm và
cuối cùng là thiết bị tách hơi.
- Thiết bị nấu chín là trao đổi nhiệt ngược chiều đi từ dưới lên, cháo nhiệt đi từ
trên xuống cho nên hiệu quả trao đổi nhiệt rất cao và thời gian dịch cháo ở
nhiệt độ cao được rút ngắn.
- Thời gian nấu được rút ngắn
• Ưu điểm
- Tận dụng được nhiều hơi thứ do đó giảm được chi phí hơi khi nấu.
- Thời gian nấu ở nhiệt độ cao được rút ngắn nên giảm tổn thất đường nâng cao
năng suất cồn lên 10÷12 lít cồn/tấn tinh bột so với nấu gián đoạn.
- Năng suất riêng trên 1 m3 thiết bị tăng khoảng 7 lần.
- Tiêu hao kim loại để chế tạo thiết bị giảm khoảng 1/2 so với bán liên tục.
- Dễ cơ khí và tự động hóa.
- Năng suất cao cho chất lượng dịch cháo ổn định vì thế cho chất lượng cồn ổn
định.
- Tốn ít nhân lực do tự động hóa cao.
• Nhược điểm
- Yêu cầu nghiêm ngặt về kích thước bột nghiền: thường trên rây d = 3 mm
không quá 10 % và lọt rây d = 1 mm > 40 %.

- Yêu cầu vận hành, thao tác, sửa chữa cần kỹ thuật cao.
- Yêu cầu về điện nước đầy đủ và ổn định.
1.3.5.2. Các biến đổi trong quá trình nấu
-

•
-

Sự biến đổi của tinh bột

Sự trương nở và hòa tan tinh bột: Trương nở là tính chất của những chất rắn cao phân tử
có khả năng hút dung môi để tăng thể tích. Khi cho nguyên liệu tinh bột tiếp xúc với
nước, các phân tử nước có kích thước phân tử nhỏ nên chúng xâm nhập vào giữa các phân
tử tinh bột. Các phân tử nước sẽ tương tác với các nhóm hoạt động của tinh bột làm yếu
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
12


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

-

-

một số liên kêt trong phân tử tinh bột, phân tử tinh bột bị trương lên và bị rã ra. Khi nhiệt
độ tăng các liên kết trong phân tử tinh bột bị đứt dẫn đến quá trình trương nở không hạn
chế nghĩa là tinh bột bị hòa tan chuyển thành dạng dung dịch.

Sự thủy phân tinh bột: Khi nấu, một lượng nhỏ tinh bột biến thành đường và dextrin do
tác dụng của enzim amylaza chứa trong nguyên liệu và do bị thủy phân dưới xúc tác của
ion H+.
• Sự biến đổi của hemixenluloza, xenluloza, pectin
Trong quá trình nấu nguyên liệu, ở điều kiện môi trường axit yếu xenluloza không bị thủy
phân. Hemixenluloza cấu tạo chủ yếu từ pentozan (C5) một phần có thể bị thủy phân. Sự
thủy phân này bắt đầu từ khi chuẩn bị dịch bột do tác dụng của enzyme xitaza chứa trong
nguyên liệu và được tiếp tục trong quá trình nấu do tác dụng của ion H + và nhiệt độ cao.
Kết quả là tạo ra dextrin và các hợp chất có phân tử thấp (rất ít), kể cả đường pentoza –
arbinoza và xyloza.
• Sự biến đổi của tinh bột và một số chất khác
1.3.6.

Sự biến đổi của tinh bột và đường có ý nghĩa rất quan trọng trong sản xuất

rượu. Khi nấu, một phần tinh bột bị thủy phân dưới tác động của enzyme glucoamylaza
thành dextrin và đường maltoza.
1.3.7.

Glucoamylaza phân thuỷ phân tinh bột thành những dextrin có phân tử thấp,

liên tục tách gốc glucoza và cuối cùng tạo sản phẩm là glucose. Glucoamylaza thuỷ phân
tinh bột, glycogen, polysacaric đồng loạt ở các liên – 1,4 và – 1,6 glucozit. Nó có giá trị
đặc biệt trong ngành sản xuất rượu, chuyển những dextrin có phân tử lượng cao không lên
men thành những hợpchất lên men được và do đó nâng cao hiệu suất lên men rượu từ các
nguyên liệu là tinh bột.
1.3.8.

Đường glucoza, frutoza, saccaroza là đường chủ yếu có sẵn trong nguyên


liệu, còn đường maltoza được tạo thành trong quá trình nấu. Dưới tác dụng của nhiệt độ
cao đường sẽ bị thủy phân tạo thành melanoidin, các sản phẩm caramen hóa,… gây sẫm
màu và giảm chất lượng khối nấu. Protit và chất béo hầu như không bị thay đổi trong quá
trình nấu.
1.3.9. Công đoạn đường hoá
1.3.9.1. Tác nhân đường hoá
1.3.10.

Đường hóa dịch cháo nấu có thể tiến hành theo phương pháp liên tục, gián

đoạn. Muốn đạt hiệu quả cao trong quá trình thủy phân tinh bột thì vấn đề quan trọng
trước tiên là tác nhân đường hóa:

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
13


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

Dùng acid HCl hoặc H2SO4: Phương pháp này ít dùng vì giá thành cao mà hiệu
suất thu hồi thấp.
- Dùng amylaza của thóc mầm (malt đại mạch): Một số nước Châu Âu vẫn còn dùng
phương pháp này.
- Dùng amylaza nhận được từ nuôi cấy vi sinh vật: Đây là phương pháp được hầu
hết các nước sử dụng trong sản xuất cồn.
- Ở Việt Nam đa số các nhà máy rượu đều dùng amylaza thu được từ nấm mốc, mấy
năm gần đây có mua chế phẩm amylaza của hãng Novo Đan Mạch.

1.3.10.1. Các phương pháp đường hoá
a. Đường hoá liên tục
-

•

Đặc điểm.

1.3.11.

Quá trình đường hóa được thực hiện trong các thiết bị khác nhau, dịch cháo

và dịch amylaza liên tục đi vào hệ thống, dịch đường liên tục đi sang bộ phận lên men..
• Ưu điểm.
Thời gian đường hóa ngắn, tăng công suất thiết bị.
Dịch cháo ít bị lão hóa vì dịch cháo được làm lạnh tức thời.
Hoạt tính amylaza ít bị vô hoạt do thời gian tiếp xúc với nhiệt độ cao được rút
ngắn.
- Dễ cơ khí và tự động hóa, cho phép tăng năng suất lao động.
- Năng lượng sử dụng giảm do thời gian đường hóa giảm.
- Tiết kiệm được diện tích nhà xưởng.
- Giảm được khả năng nhiễm trùng do dịch đường hóa đi trong hệ thống kín.
- Chất lượng dịch đường ổn định.
- Khi kết hợp việc làm lạnh bằng chân không phương pháp này cho phép nấu
cháo ở nồng độ loãng hơn do đó giảm được tổn thất đường khi nấu.
Nhược điểm.
Thiết bị phức tạp.
Yêu cầu về điện, nước đầy đủ và ổn định.
Yêu cầu cao về kỹ thuật vận hành thiết bị.
Vệ sinh, sửa chữa cần có kế hoạch cụ thể.

-

•

1.3.12.

Vậy trong các phương pháp trên, đường hóa liên tục có nhiều ưu điểm, tuy

nhiên với công suất không lớn lắm, và điều kiện kinh tế kỹ thuật của nước ta không cao
nên việc thiết kế một dây chuyền liên tục và tự động hóa hoàn toàn là việc không có tính
khả thi cao, vì thế em lựa chọn phương pháp đường hóa gián đoạn. Mặt khác, trong công
đoạn nấu đã lựa chọn phương pháp sử dụng enzym nên đã khắc phục một số nhược điểm
của nấu gián đoạn.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
14


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

1.3.13.

Đây là phương pháp đã được nghiên cứu và được áp dụng ở hầu hết các nhà

máy ở nước ta.
a. Đường hoá gián đoạn
•


Đặc điểm.

1.3.14.
•

Tất cả quá trình đường hóa chỉ diễn ra trong 1 nồi duy nhất.

Ưu điểm.
Thiết bị đơn giản dễ chế tạo.
Dễ thao tác, vận hành, sửa chữa.
Hoạt độ enzyme ít bị mất do ít tiếp xúc với nhiệt độ cao.
Nhược điểm.
-

•

-

Không hạn chế được lão hóa tinh bột do enzyme cho vào khi dịch bột ở 700C.
Năng lượng tốn nhiều do cánh khuấy bị cản trở lớn (dịch đặc, độ nhớt cao) và
thời gian dài.
Khó cơ khí và tự động hóa.
Năng suất thấp.
Chất lượng dịch đường không ổn định.
Dễ bị nhiễm trùng hơn so với phương pháp liên tục.

1.3.15.
Công đoạn lên men
1.3.15.1. Lý thuyết của quá trình lên men
a. Cơ chế của quá trình lên men rượu

1.3.16.

Quá trình lên men rượu là quá trình yếm khí, chuyển hoá đường thành rượu,

giải phóng CO2 và toả nhiệt.
1.3.17.
1.3.18.

C6H12O6

zymaza

2C2H5OH + 2CO2 + Q

Nấm men hấp thụ cơ chất vào tế bào nhờ hoạt động của enzyme zymaza

chuyển hóa đường thành rượu và CO 2. Rượu etylic được tạo thành khuyếch tán ra môi
trường bên ngoài qua màng tế bào. Rượu hòa tan trong nước ở bất kỳ tỉ lệ nào nên
khuyếch tán rất nhanh. CO 2 cũng khuyếch tán vào nước nhưng độ hoà tan không lớn. Khi
bão hoà, CO2 bao quanh màng tế bào nấm men thành bọt khí. Bọt khí CO 2 và tế bào nấm
men thường dính liền nhau. Bọt khí CO2 lớn đến mức độ nhất định thì bọt khí và tế bào
nấm men cùng nổi lên trên bề mặt dung dịch. Đến bề mặt của dung dịch do sức căng của
bề mặt nên bọt khí bị vỡ, CO 2 thoát ra ngoài, tế bào nấm men lúc này chìm xuống. Quá
trình này diễn ra liên tục nên đã làm tế bào nấm men từ trạng thái không chuyển động
sang trạng thái chuyển động làm tăng quá trình tiếp xúc giữa nấm men và cơ chất nên quá
trình lên men tăng nhanh.
a. Động học của quá trình lên men rượu
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường

15


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

1.3.19.

Tốc độ lên men rượu có thể xác định trực tiếp bằng lượng đường lên men

hoặc gián tiếp xác định lượng rượu được tạo thành và lượng CO 2 thoát ra trong một đơn
vị thời gian từ đó cũng có thể xác định nhanh tốc độ lên men bằng cách đo nồng độ biểu
kiến của dịch lên men.

1.3.20.
1.3.21.
1.3.22.
-

Hình 1.5. Đường cong của quá trình lên men

Qua đường cong có thể xác định được các thời kì lên men như sau:

Lên men đầu: nấm men làm quen với môi trường lên men và sử dụng đường để tăng
sinh khối là chính. Giai đoạn này đường tiêu hao ít và rượu sinh ra không đáng kể.
Lên men chính: nấm men sinh trưởng và phát triển ở mức độ cực đại, cơ chất sử dụng
nhiều nhất, sinh nhiều cồn và CO2,
Lên men cuối: Tốc độ lên men rất chậm vì lượng đường trong dịch ít, tế bào nấm men
già và suy yếu.
1.3.22.1. Các phương pháp lên men

a. Lên men gián đoạn
•

Đặc điểm.

1.3.23.

Quá trình lên men chỉ diễn ra trong một thiết bị duy nhất, thời gian lên men

kéo dài.
• Ưu điểm.
Thao tác của công nhân đơn giản, thiết bị dễ vệ sinh, sửa chữa.
Nếu có sự cố thì chỉ xảy ra trong phạm vi của thùng lên men đó, không ảnh
hưởng đến thùng lên men khác, xử lý đơn giản hơn.
Nhược điểm.
- Chất lượng lên men không đồng đều, hiệu suất lên men thấp.
- Thời gian lên men dài so với các phương pháp khác.
•

a. Lên men liên tục(còn gọi là phương pháp lên men chu kì)
•

Đặc điểm.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
16



Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

1.3.24.

Lên men liên tục ở giai đoạn lên men chính và lên men gián đoạn ở giai

đoạn cuối. Đây là phương pháp cải tiến áp dụng với các nhà máy có công suất thấp hoặc
trung bình chưa đủ điều kiện và nhu cầu cải tạo chưa thực sự cần thiết.
• Ưu điểm.
Phương pháp lên men chu kỳ có ưu điểm là đơn giản, rút ngắn được chu kỳ lên
men, đảm bảo được thời gian lên men cuối, nâng cao hiệu suất lên men.
- Tế bào nấm men liên tục sinh sản trong giai đoạn lên men chính do đó không
cần sử dụng nấm men giống thường xuyên.
• Nhược điểm.
-

Thao tác phức tạp hơn, yêu cầu theo dõi chặt chẽ hơn so với lên men gián đoạn.
Các thiết bị lên men được nối với nhau bởi một đường ống chung nên lắp đặt
phức tạp, cần chú ý việc giải phóng giấm chín và vệ sinh sát trùng các thùng,
đặc biệt là các thùng đầu dãy.
a. Lên men bán liên tục
-

1.3.25.

Dịch đường và nấm men giống liên tục đi vào và dịch giấm chín liên tục đi

ra. Dịch đường phải đi qua nhiều các thùng lên men: Thùng lên men chính, các thùng lên
men tiếp theo là lên men phụ. Nhiệt độ lên men thấp hơn so với lên men gián đoạn.

• Ưu điểm.
Hiệu suất lên men tăng, dễ cơ khí và tự động hóa.
Thời gian lên men được rút ngắn, hạn chế được nhiễm tạp khuẩn do lượng nấm
men giống ban đầu cao, chất lượng giấm chín là ổn định.
• Nhược điểm.
-

Khi nhiễm tạp thì rất khó xử lý nên đỏi hỏi vô trùng cao.
Vệ sinh, sửa chữa thiết bị cần có kế hoạch cụ thể, yêu cầu về kỹ thuật cao, điện
nước đầy đủ, ổn định.
1.3.26.
Qúa trình chưng cất và tinh chê
1.3.26.1. Lý thuyết quá trình chưng cất, tinh chế
a. Nguyên lý chưng cất
-

1.3.27.

Chưng cất là quá trình tách các chất lỏng có nhiệt độ sôi khác nhau. Hơi của

chất lỏng nào có áp suất riêng phần lớn hơn thì chất lỏng đó sôi ở áp suất thấp hơn và dễ
bay hơi hơn. Chưng cất là quá trình tách rượu và các tạp chất dễ bay hơi khỏi giấm chín.
Kết quả ta nhận được cồn thô.
1.3.28.

Ở áp suất thường nhiệt độ sôi của rượu etylic là 78,3 0C và của nước là

1000C nên rượu dễ bay hơi hơn nước. Vì vậy khi chưng cất hỗn hợp rượu - nước, ở thể
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương


Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
17


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

hơi chứa nhiều rượu hơn ở thể lỏng. Giấm chín bao gồm nhiều hợp chất dễ bay hơi như
rượu etylic, ester, aldehyt và alcol cao phân tử (dầu fusel - dầu khét).
1.3.29.

Ngoài các chất kể trên, trong giấm chín còn chứa tinh bột sót, dextrin,

protein, axit hữu cơ và chất khoáng. Tuy là hỗn hợp nhiều cấu tử nhưng trong thành phần
của giấm chín chứa chủ yếu là rượu etylic và nước, vì thế khi nghiên cứu người ta xem
giấm chín như hỗn hợp hai cấu tử.
1.3.30.

Khi nghiên cứu về chưng cất hỗn hợp rượu nước. Conovalop và vrepski đưa

ra các định luật sau:

1.3.31.
1.3.33.

1.3.32.
Hình 1.6. Độ bay hơi đẳng nhiệt củadung dịch rượu -nước
1.3.34.

1.3.35.

Hình 1.7.Đường con cân bằng hỗn hợp rượu nước ở áp suất khí quyển
1.3.36.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
18


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

1.3.37.

Định luật 1: Ở trạng thái cân bằng lỏng, cấu tử dễ bốc hơi thì ở thể hơi

thường chứa một lượng nhiều hơn ở thể lỏng. Tức là khi thêm cấu tử dễ bốc hơi vào dung
dịch, ở nhiệt độ không đổi thì áp suất hơi bão hòa sẽ tăng hay nhiệt độ sôi của hỗn hợp sẽ
giảm. Định luật 1 của Conovalop có thể biểu thị bằng đồ thị hình 1.6.
1.3.38.

Qua đồ thị hình 1.6 chứng tỏ rằng áp suất hơi bão hòa tăng cùng với nồng

độ rượu ở thể lỏng và tăng tới điểm cực đại a trên áp suất hơi bảo hòa ứng với nồng độ
rượu là c. Nếu tiếp tục tăng nồng độ lên nữa thì áp suất hơi bảo hòa sẽ giảm. Như vậy
định luật 1 của Conovalop chỉ đúng ở khoảng nồng độ từ 0 đến c.
1.3.39.

Định luật 2: Trên đường cong áp suất hơi bão hòa, a là điểm sôi chung của


hỗn hợp rượu - nước, tại đó thành phần rượu trong pha hơi và pha lỏng bằng nhau. C là
nồng độ hỗn hợp đẳng phí.
1.3.40.

Khi chưng cất không đến điểm cực đại thì tiến hành theo định luật 1 của

Conovalop. Khi tới điểm cực đại thì quá trình chưng cất tiến hành theo định luật 2 của
Conovalop.
1.3.41.

Dựa vào lý thuyết trên, biểu diễn đường cong cân bằng của hỗn hợp rượu -

nước bằng đồ thị hình 1.7.
1.3.42.

Điểm đẳng phí là giao của đường cân bằng với đường chéo Ob. Điểm đẳng

phí có nồng độ rượu trong thể lỏng bằng nồng độ rượu trong thể hơi. Điểm này ứng với
nồng độ sau: 95,57% khối lượng; 97,2% thể tích; 89,41 mol (phân tử) tương ứng nhiệt độ
sôi là 78,150C. Với phương pháp chưng cất thông thường khó có thể đạt được nồng độ
rượu trên 95,57% theo khối lượng. Tuy nhiên quá trình chưng cất còn phụ thuộc vào
lượng chất không bay hơi, các tạp chất trong giấm chín.
1.3.43.

Theo đường cong cân bằng của hỗn hợp rượu - nước ở áp suất thường, phần

đường cong ở trên đường chéo Ob nồng độ rượu trong thể hơi nhỏ hơn thể lỏng.
a. Nguyên lí tinh chế
1.3.44.


Mục đích của tinh chế là tách các tạp chất như este, aldehyt, rượu cao phân

tử, axit hữu cơ dựa vào nhiệt độ sôi của các tạp chất đó có trong cồn thô.
1.3.45.
-

Căn cứ vào nhiệt độ sôi của các tạp chất ta chia làm 3 loại: tạp chất đầu, tạp

chất cuối, tạp chất trung gian.
Tạp chất đầu là tạp chất dễ bay hơi hơn rượu etylic ở nồng độ bất kỳ, nhiệt độ sôi nhỏ
hơn nhiệt sôi của rượu etylic. Tạp chất đầu gồm có: aldehyt axetic (CH 3CHO), axetat
metyl (CH3COOCH3). Tạp chất này lấy ra ở sản phẩm đầu nên gọi là cồn đầu.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
19


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

-

-

Tạp chất trung gian có 2 tính chất, vừa có thể là tạp chất đầu vừa có thể là tạp chất cuối.
Ở nồng độ cao của rượu etylic nó là tạp chất cuối, ở nồng độ thấp nó là tạp chất đầu. Vì
vậy tạp chất trung gian khó tách khỏi rượu eytlic khi tinh chế, tạp chất trung gian bao
gồm: etylizobutylrat, etylizovalianat...

Tạp chất cuối là tạp chất khó bay hơi và khi chưng cất nó tồn tại ở phía dưới tháp, nó có
nhiệt độ sôi cao hơn rượu etylic. Nồng độ của nó trong pha hơi nhỏ hơn trong pha lỏng ở
cùng một nhiệt độ. Tạp chất này dễ tách gồm: este cao phân tử, axit hữu cơ phân tử lượng
lớn (propylic, izopropylic, izobutylic, amylic).
1.3.46.

Tuy nhiên đặc tính và hàm lượng của tạp chất trong rượu còn phụ thuộc vào

nguyên liệu và chất lượng nguyên liệu sử dụng, phương pháp sản xuất. Hàm lượng chung
của tất cả các tạp chất không vượt quá 0.5% so với khối lượng cồn Etylic.
1.3.46.1. Các phương pháp chưng cất tinh chế
a. Chưng luyện gián đoạn
a. Đặc điểm

1.3.47.

Tinh chế gián đoạn cho sản phẩm chất lượng nhưng hiệu suất thu hồi thấp,

tốn hơi và sức lao động do phải cất lại nên hiện nay ít dùng.

1.3.48.
a. Tháp chưng

1.3.49.
1.3.50.
1.3.51.
1.3.52.
1.3.53.
1.3.54.
làm nguội

1.3.57.

b. Tháp tinh
Hình 1.
8. Tháp chưng gián đoạn và tháp tinh chế gián đoạn
1.3.55. Tháp tinh (hình b):
1. Thùng cất
2.
Tháp tinh
1.3.56.
3,4. Bình ngưng tụ hồi lưu

Tháp chưng (hình a):
1. Thùng chưng
2. Tháp chưng
3. Thiết bị ngưng tụ và

Quá trình chưng gián đoạn (hình a): Giấm chín được bơm vào thùng chưng

cất (1) sau đó mở hơi đun cho tới sôi, hơi rượu bay lên theo tháp (2) sẽ được nâng cao
nồng độ sau đó vào thiết bị ngưng tụ và làm nguội (3) thu được cồn thô. Chưng gián đoạn
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
20


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày


có ưu điểm đơn giản, dễ thao tác nhưng thời gian dài, thùng chứa lớn, tốn vật liệu chế tạo,
năng suất thấp, tốn hơi, nồng độ cồn không ổn định, tổn thất rượu gấp 3÷4 lần so với
chưng liên tục.
1.3.58.

Quá trình tinh chế gián đoạn (hình b): Cồn thô sau chưng cất sẽ được xử lý

bằng NaOH trước khi vào tinh chế gián đoạn. Cồn thô qua xử lý được cho vào thùng cất
(1), dùng hơi đun tới 80÷900C, đóng van hơi để 1÷2 giờ đồng thời mở van nước để ngưng
tụ hơi rượu vừa bay lên sau đó mở van hơi gián tiếp đun tới sôi đồng thời mở đủ nước
ngưng tụ toàn bộ hơi rượu đi vào bình ngưng tụ hồi lưu (3). Phần khí không ngưng theo
bình ngưng tụ làm nguội (4) ra ngoài. Sau 30÷60 phút lấy 3÷5% cồn đầu để riêng rồi lấy
tiếp 6÷12% cồn (2a) sau đó điều chỉnh chỉ số hồi lưu để lấy sản phẩm chính rồi đến lấy
6÷12% cồn (2b), cuối cùng lấy rượu fusel 3÷5%. Tinh chế gián đoạn cho sản phẩm chất
lượng nhưng hiệu suất thu hồi thấp, tốn hơi và sức lao động do phải cất lại nên hiện nay ít
dùng.
b. Ưu điểm
- Đơn giản, dễ thao tác.
- Tốn ít thiết bị.
c. Nhược điểm
- Hiệu suất thu hồi rượu thấp do rượu còn lại trong bã nhiều.
- Tốn hơi do giấm chín đưa vào không được đun nóng bằng nhiệt ngưng tụ của
cồn thô.
- Thời gian cất kéo dài.
a. Chưng luyện bán liên tục (chưng gián đoạn, luyện liên tục)
1.3.59.

Phương pháp này khắc phục được nhược điểm của chưng cất và tinh chế

gián đoạn nhưng chưa triệt để và hiệu quả kinh tế của hệ thống chưa cao.


1.3.60.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
21


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

1.3.61.
1.3.62.
1.
2.
3.
4.

1.3.63.

Hình 1.9. Sơ đồ chưng luyện bán liên tục

Chú thích:
Thùng cất thô
Thùng ngưng tụ cồn thô
Thùng chứa tạm cồn thô
Tháp tinh chế

5.
6.

7.
8.

Bình ngưng tụ
Bình ngưng tụ
Bình ngưng tụ và làm nguội.
Bình ngưng tụ và làm nguội

Giấm chín được bơm vào thùng (1) và được đun bằng hơi trực tiếp, hơi

rượu đi lên được ngưng tụ ở (2) rồi đi vào thùng (3) tiếp đó liên tục đi vào tháp tinh chế
(4), tại tháp (4) cũng đun bằng hơi trực tiếp, từ đĩa tiếp liệu xuống đáy nồng độ cồn giảm
dần rồi ra ngoài, nhiệt độ đáy tháp phải 103÷1050C. hơi rượu bay lên có nồng độ tăng dần
ngưng tụ ở (5) rồi hồi lưu lại tháp. Một phần nhỏ chưa ngưng kịp đưa sang ngưng tụ (6)
và lấy ra ở dạng cồn đầu. cồn sản phẩm lấy ra ở đỉa thứ 3÷6 từ trên xuống qua làm nguội
(7) rồi ra ngoài.
a. Chưng luyện liên tục
1.3.64.

Chưng cất liên tục khắc phục được các nhược điểm trên của chưng cất gián

đoạn và bảo đảm hiệu quả kinh tế cao hơn. Chưng luyện liên tục có thể thực hiện theo
nhiều sơ đồ khác nhau: 2 tháp, 3 tháp, 4 tháp.
1.3.65.

Chưng luyện liên tục có thể thực hiện bằng nhiều cách: 2 tháp, 3 tháp, 4

tháp.
d. Chưng luyện 2 tháp:


1.3.66.

Hệ thống gồm 1 tháp cất và 1 tháp tinh làm việc liên tục, cồn thành phẩm

được lấy ra dạng lỏng cách đĩa hồi lưu 3÷6 đĩa, hệ thống này tiên tiến hơn so với chưng
luyện gián đoạn và bán liên tục nhưng chất lượng cồn chưa cao hoặc muốn thu nhận cồn
tốt phải lấy thêm cồn đầu.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
22


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

1.3.67.
1.3.68.
1.3.69.

Hình 1.10. Hệ thống hai tháp gián tiếp 1 dòng

Chú thích:

1. Thùng cao vị chứa giấm chín
2. Bình hâm giấm
3. Bình tách CO2 và khí không

6.

7.
8.
9.
10.
11.

Bình ngưng tự cồn thô
Bình làm lạnh ruột gà
Tháp tinh chế
Bình ngưng tụ hồi lưu
Bình làm lạnh cồn sản phẩm
Bình ngưng và làm lạnh dầu fusel.

ngưng
4. Tháp cất khô
5. Bình chống phụt giấm
12. Hệ thống này tuy có tiên tiến hơn hệ thống chưng luyện gián đoạn và bán liên tục
nhưng chất lượng cồn chưa cao, hoặc muốn thu nhận cồn tốt phải lấy tăng lượng cồn đầu.
e. Chưng luyện 3 tháp:
13. Hệ thống gồm 3 tháp: tháp thô, tháp aldehyde và tháp tinh chế. Ưu điểm của
phương pháp này là dễ thao tác, chất lượng cồn tốt và ổn định nhưng nhược điểm là tốn
hơi.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
23


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu

sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

14.
15. Hình 1.11. Hệ thống chưng cất, tinh chế ba tháp làm việc gián tiếp
16. Chú thích:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Thùng chứa giấm
Bình hâm giấm
Bình tách CO2
Tháp thô
Bình chống phụt giấm
Bình ngưng tụ cồn thô
Bình làm nguội ruột gà

8.
9.
10.
11.
12.
13.

Tháp andehyt
Bình ngưng tụ

Bình ngưng tụ
Tháp tinh chế
Bình ngưng tụ
Bình làm lạnh sản phẩm.

14.
15. Hệ thống cho phép nhận 70÷80% cồn loại I theo tiêu chuẩn TCVN 71, 30÷20 %

cồn loại II, 3÷5% cồn đầu.
16. Sơ đồ gián tiếp một dòng có ưu điểm là dễ thao tác, chất lượng cồn tốt và ổn định,
nhưng tốn hơi.
17. Sơ đồ vừa gián tiếp vừa trực tiếp, hai dòng có ưu điểm là tiết kiệm được hơi nhưng
đòi hỏi tự động hóa tốt và chính xác.
f. Chưng luyện 4 tháp:
18. Sơ đồ gồm 3 tháp và tháp làm sạch. Khác nhau giữa 3 tháp và 4 tháp là cồn lấy ra
ở dạng lỏng không đưa làm nguội mà đưa vào tháp làm sạch có cấu tạo và chiều cao như
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
24


Thiết kế nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối từ nguyên liệu
sắn lát khô năng suất 5 tấn/ngày

tháp aldehyde để tinh chế tiếp nhằm loại bỏ tạp chất đầu và tạp chất cuối, cồn đầu cho
quay lại tháp aldehyde, cồn cuối ở đáy tháp làm sạch đi vào trên đĩa tiếp liệu của tháp
tinh.
1.3.70.
Qúa trình tách nước

1.3.70.1. Lý thuyết
19. Để thu được sản phẩm có nồng độ cao trên thế giới hiện nay

1.1.1.1. Các phương pháp tách nước
a. Phương pháp chưng cất đẳng phí
20. Đối với các hỗn hợp gồm các cấu tử có nhiệt độ sôi giống nhau hoặc rất gần nhau

hay tạo thành dung dịch đẳng phí, thì không thể dùng phương pháp chưng luyện tong
thường như đã nghiên cứu để tách các cấu tử ra dạng nguyên chất được, dù tháp vô cùng
cao với lượng hồi lưu lớn. Để tách hỗn hợp như vậy phải có phương pháp chưng đặc biệt.
Đó là phương pháp chưng luyện trích li hay còn gọi là phương pháp chưng luyện đẳng
phí. Tuỳ thuộc vào độ bay hơi tương đối của cấu tử mới được thêm vào, thường được gọi
là cấu tử phân li.
21.

22.
23. Hình 1.12.Sơ đồ nguyên lý chưng trích ly (cấu tử có độ bay hơi bé)
24. Nguyên tắc:
25. Hỗn hợp ethanol- nước có nhiệt độ sôi gần nhau tạo thành dung dịch đẳng phí ở

78,150C áp suất 1,013 Bar. Với hỗn hợp này không thể dùng phương pháp chưng luyện
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Mỹ Phương

Hướng dẫn: KS.Bùi Viết Cường
25