Đang tải... (xem toàn văn)
Đề tài lên men ethanol bằng phương pháp chu kỳ sử dụng nấm men cố định Đề tài lên men ethanol bằng phương pháp chu kỳ sử dụng nấm men cố định Đề tài lên men ethanol bằng phương pháp chu kỳ sử dụng nấm men cố định Đề tài lên men ethanol bằng phương pháp chu kỳ sử dụng nấm men cố định Đề tài lên men ethanol bằng phương pháp chu kỳ sử dụng nấm men cố định Đề tài lên men ethanol bằng phương pháp chu kỳ sử dụng nấm men cố định
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN BO doa Giáo viên hướng dẫn {ký tên) 1 MỤC LỤC 2 SOÍBG8LỜI MỞ ĐẦU ao doa Như chúng ta đã biết, Ethanol đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, như: tổng họp chất hữu cơ; dược phẩm; nhiên liệu sinh học; đặc biệt là lĩnh vực sản xuất thực phẩm. Trong sản xuất thực phẩm, Ethanol dùng làm nguyên liệu sản xuất đồ uống có cồn, dùng làm dung môi, chất diệt khuẩn, . . . nhìn chung Ethanol được biết đến nhiều nhất như là một loại đồ uống. Lên men Ethanol là một quy trình sản xuất đã có lịch sử lâu đời, và phổ biến trên khắp thế giới. Có nhiều phưomg pháp lên men Ethanol và sử dụng nhiều loài vi sinh vật khác nhau, ứng với mỗi phưomg pháp, mỗi loại nấm men cho một hiệu suất và giá trị cảm quan khác nhau. Để có được sản phẩm Ethanol tốt nhất, về mặt kinh tế, cảm quan, trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về dòng sản phẩm này. Bài báo cáo của nhóm chúng em sẽ tìm hiều về lên men Ethanol theo phưomg pháp chu kỳ, sử dụng nấm men cố định, đặt biệt về các yếu tố ảnh hưởng và từ đó rút ra kết luận chung nhất cho phưomg pháp này. 3 1. TỔNG QUÁT: 1.1 Ethanol: Ethanol được gọi là rượu etylic, rượu nguyên chất, rượu ngũ cốc, hay rượu uống, là một chất lỏng không màu, dễ bay hơi, dễ cháy. Nó được biết đến nhiều nhất là loại đồ uống có cồn, ngoài ra còn được dùng làm dung môi, nhiên liệu từ cồn. Theo cách dùng thông thường nó được gọi là rượu uống, hay rượu mạnh. Ethanol là một rượu mạch thẳng, công thức phân tử: C2H5OH. Lên men Ethanol còn được gọi là quá trình lên men rượu, là một quá trình sinh học ữong đó các loại đường như glucose, fructose, và sucrose, được chuyển đổi thành năng lượng cho tế bào và do đó sản sinh ra ethanol, khí C02, cũng như các sản phẩm trao đổi chất khác. 1.2 Phương pháp lên men chu kỳ: Flow Diagram for Ethyl Alcohol Production Hình 1. Mô hình lên men chu kỳ sử dụng nấm men cố định Lên men chu kỳ hay còn gọi là lên men gián đoạn (lên men theo mẻ) ừong đó: men giống và dịch đường ban đầu có thể bơm song song để nấm men được đảo đều ngay từ đầu. Lượng men giống thường chiếm khoảng 10% so với thể tích thùng 4 lên men, nhưng dịch đường không bơm đầy thùng lên men ngay mà thời gian đổ đầy một thùng lên men kéo dài từ 6- 8h. Nhờ đó tỷ lệ men giống lúc đầu tăng và hạn chế được phát triển của tạp khuẩn. 1.3 Nấm men cố định. 1.3.1. Sơ lược về kỹ thuật cố định tế bào: Kỹ thuật cố định tế bào được định nghĩa là: “Kỹ thuật bao bọc hoặc định vị các tế bào còn nguyên vẹn lên một “vùng không gian nhất định” nhằm bảo vệ các hoạt tính xúc tác mong muốn” Cố định thường là sự bắt chước các hiện tượng xảy ra trong tự nhiên do các tế bào có thể phát triển trên bề mặt hoặc bên Uong các cấu trúc của nguyên liệu có trong tự nhiên. 5 1.3.2. Một số tính chất của nấm men cố định: •S Sự thay đổi về sinh trưởng, hình thái tế bào: Như chúng ta đã biết, quá trình sinh trưởng của vi sinh vật nói chung và nấm men nói riêng phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện môi trường quanh nó. Khi cố định tế bào, do sự tương tác giữa tế bào - chất mang và giữa các tế bào bới nhau mà khả năng sinh trưởng và hình thái của tế bào cũng có một vài biến đổi. Theo một số tác giả khả năng sinh trưởng của nấm men cố định kém hơn so với nấm men tự do. Nhiều nghiên cứu cũng cho thấy rằng nấm men cố định luôn sinh trưởng đạt đến một số lượng tế bào không đổi và giữ nguyên như vậy cho đến khi kết thúc quá trình lên men. Bên cạnh đó Melzoch và cộng sự ( năm 1994), cũng thấy rằng 80% tế bào cố định trong gel alginate đều duy trì hoạt tính trao đổi chất và khả năng phát triển khi nuôi cấy trong thời gian dài. Saccharomyces cerevisiae cố định trong gel alginate có thể duy trì khả năng sử dụng đường của chúng ở mức độ tương đối cao và ổn định, chỉ giảm khoảng 20% sau 1122 giờ nuôi cấy, [1]. Hình thái của nấm men cố định cũng thay đổi nhiều so với nấm men tự do. ■S Sự thay đổi về hoạt động trao đổi chất của tế bào: 6 Nhiều nghiên cứu của các tác giả cho thấy rằng nấm men cố định có tốc độ sử dụng glucose, tốc độ sinh tổng họp Ethanol và glycerol cao hơn nhiều so với nấm men tự do mặc dù diện tích bề mặt tế bào của nấm men cố định dùng để vận chuyển chất dinh dưỡng nhỏ hơn so với của nấm men tự do. Kết quả nghiên cứu của thầy Lê Văn Việt Mẩn và cô Bùi Thanh Huyền( 2008), về quá trình lên men cồn sử dụng nấm men cố định trên canxi alginate cho thấy nấm men cố định có tốc độ sử dụng đường cũng như tốc độ sinh tổng hợp Ethanol cao hơn hẳn nấm men tự do,[2]. V Những thay đổi về khả năng chống lại các yếu tố bất lợi của môi trường: Lượng cơ chất càng cao hoặc lượng sản phẩm càng cao thì càng ức chế hoạt động sống của tế bào nấm men. Tuy nhiên, so với nấm men tự do thì nấm men cố định khả năng chịu sự ức chế cơ chất và sản phẩm cao hơn. 1.3.3. Nấm men dùng trong lên men Ethanol theo phương pháp chu kỳ bằng nấm men cố định: Thường sử dụng nấm men Saccharomyces cerevỉsỉae cho phương pháp lên men này. > Yêu cầu về dinh dưỡng của nấm men Saccharomyces cerevỉsỉe: Tất cả các chủng của s. cerevỉsỉae có thể phát triển trên glucose, maltose và trehalose, không phát triển trên lactose và cellobiose. Tuy nhiên sự sinh trưởng trên các loại đường khác nhau thì khác nhau. Khả năng sử dụng các loại đường khác nhau của nấm men có thể khác nhau phụ thuộc vào môi trường hiếu khí hoặc kỵ khí. Một vài chủng không thể phát triển kỵ khí trong môi trường sucrose và trehalose. Tất cả các chủng có thể sử dụng ammoniac và urê là nguồn nitơ duy nhất, nhưng không thể dùng nitrat, vì chúng thiếu khả năng phân giải nitrat thành các ion amoni. Chúng có thể sử dụng hầu hết các amino axit, peptit ngắn mạch, và đạm cơ bản như nguồn nitơ. Một số chủng s. cerevìsìae không có enzyme protease vì vậy 7 không thể chuyển hóa được protein ngoại bào. Nấm men cũng cần photpho, được dùng như là một ion dihydrogen phosphate, lưu huỳnh, có thể chuyển hóa như một ion suníate, hoặc lượng sulíur hữu cơ như amino axit methionine và cysteine. Một số kim loại, như magiê, sắt, canxi và kẽm, cũng cần thiết cho sự tăng trưởng tốt của nấm men. 1.4 Chất mang cố định sử dụng trong sản xuất ethanol: Kỹ thuật cố định nấm men trong sản xuất rượu đã được nghiên cứu rộng rãi, tuy nhiên việc ứng dụng kỹ thuật này trong công nghiệp vẫn còn hạn chế. Mục đích của việc sử dụng nấm men cố định là để cải thiện năng suất sinh Ethanol cũng nhu chất lượng sản phẩm. Để có thể ứng dụng thành công trong công nghiệp, chất mang được sử dụng để cố định phải đạt được độ an toàn thực phẩm, có nhiều trong tự nhiên, 8 giá thành thấp và không làm ảnh hưởng đến tính chất cảm quan của rượu. Các chất mang thường được sử dụng gồm [3,4]: - Chất mang hữu cơ: Alinate, PVA (polyvinil Alcohol) K-carrageenan, Aga, DCM DCM (Deligniíìed Cellulosic Material), - Chất mang thực phẩm: miếng lê, miếng mộc qua, miếng táo, nho khô, vỏ nho, - Chất mang vô cơ: y-alumina, Hydromica, Kissir, - Chất mang dạng màng: màng membrane, màng vi lọc sinh học (biocapsule) 2. QUÁ TRÌNH LÊN MEN ETHANOL: ♦í* Cơ chế sinh học của lên men rượu: 9 Lên men rượu gồm các quá trình sinh hóa và sinh học rất phức tạp, xảy ra dưới tác dụng của nhiều enzyme. Đường và các chất dinh dưỡng được hấp thụ qua bề mặt tế bào rồi thẩm thấu vào bên trong. Ở đó các enzyme sẽ xúc tác các phản ứng khác nhau để cuối cùng tạo ra sản phẩm chính là rượu và khí carbonic. Hai chất này sau khi sinh ra sẽ qua màng tế bào chất vào môi trường lên men. Rượu do rất linh động nên hòa tan nhanh trong dịch lên men, còn khí carbonic hòa tan kém.Glucose fìrst __n priming 0 rATP reactíon s, ADP Glucose 6-phosphate © Fructose 6-phasphate seccnd ATP priming (3) reactỉon ■'•N* ADP Fructose 1,6-bỉsphosphate cleavage of 6-carbon sugarphosphate to the 3-carbon (4) sugar phosphates Glyceraidehyde 3-phosphate + Dihydroxyacetone phosphate Hổ H ÓH ®-0-CH2^0. CH2-OH IvH HỌyl Preparatory phase (X) Hexokinase (5) Phosphohexosé isomerase (3) Phospho- fructokinase-1 OHH ^ 0_o—CH2 0. CH2—o—® w Aldoỉase (D Triose phosphate isomerase o ®—o—CH2—C H— OH H (p)—o—CH2—c—CH2OH 0 10 [...]... gian lên men bị kéo dài Ngoài ra khi nồng độ đường ban đầu tăng cao, tốc độ sử dụng đường cũng giảm Tuy nhiên, sự thay đổi trong canh trường dùng nấm men cố định là không nhiều như canh trường dùng nấm men tự do So sánh giữa nấm men cố định và nấm men tự do; nấm men cố định, thời gian lên men luôn kéo dài hon, nhưng nồng độ đường sót thấp hon, nồng độ cồn từ 8.4-11.7%, cao gấp đôi trường hợp dùng nấm men. .. 40 độ c và thực hiên lên men từ 24120h Trong khoảng nhiệt độ khảo sát như trên: nấm men cố định đạt hiệu suất sinh ethnol 5,38 %, suất tiêu thụ đường cực đại 14,62%; nấm men cố định đạt hiệu suất sinh ethnol 4,18 %, suất tiêu thụ đường cực đại 11,71 % Hiệu suất sinh Ethanol cực tại khi nhiệt độ bằng 30 độ c cho cả nấm men tự do và nấm men cố định Ở 30 độ c, nấm men nấm men cố định đạt hiệu suất sinh... của nồng độ đường đến quá trình lên men Ethanol bằng nấm men s cerevỉsìa GC-IIB31 tự do và cố định , nhiệt độ 30 độ c, pH 4.5 Nồng độ đường dao động ừong khoảng 12- 21% và thực hiên lên men từ 24120h Ta thấy rằng ở nồng độ đường 12%, nấm men tự do đạt hiệu suất sinh Ethanol 2,34%, tiêu thụ 8,08% đường Tuy nhiên đối với nấm men cố định thì đạt 19 250-€ hiệu suất sinh Ethanol là 4,13% và tiêu thụ 11,04%... QUÁ TRÌNH LÊN MEN ETHANOL THEO PHƯƠNG PHÁP CHU KỲ sử DUNG NẤM MEN CÓ ĐINH: •• 3.1 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất: 31.1 Đường: 10 20 30 40 50 60 70 80 Time- (hour) (a) (b) 15 Time JhourJ 250-€ Đường là nguồn nguyên liệu chính mà nấm men sẽ sử dụng để chuyển hóa thành cồn Tuy nhiên nồng độ dịch đường quá cao sẽ dẫn đến làm tăng áp suất thẩm thấu và làm mất cân bằng ừạng thái sinh lý của nấm men Kết quả... ban đầu tới hiệu suất tổng hựp Ethanol Hình 7 Ảnh hưởng của nồng độ đường tới hiệu suất tổng họp Ethanol 50 100 150 200 250 Tốc độ sinh trưởng và lượng sinh khối đạt cực đại khi dùng nấm men cố định sẽ cao hom khi dùng nấm men tự do Vỉ khi lên men với nồng độ cơ chất cao, 23 dùng nấm men cố định, trên bề mặt chất mang sẽ xuất hiện một gradient nồng độ, và giúp cho nấm men làm quen dần với môi trường... 2 trường hợp sử dụng nấm men tự do hay cố định Nấm men tự do cho 6,49% etanol,tiêu thụ hết 14,92% đường trong khi đó đối với nấm men cố định thì tạo ra 5,85% Ethanol và tiêu thụ hết 14.9% đường Ở hai nồng độ 18% và 21% còn lại thì hiệu suất thu nhận Ethanol giảm xuống rất thấp Khi nồng độ đường lên cao, làm cho độ nhớt tăng cao, làm giảm quá trình trao đổi chất, giảm hiệu suất tổng hợp ethanol Kết quả... thải ra khi lên men, đồng thời giúp cho tổng hợp protit, làm tăng quá trình oxy hóa và có tác dụng tạo thành một số vitamin Bảng 2 Ảnh hưởng của các chất khoáng bổ sung vào môi trường trong quá trình lên men Ethanol bởi nấm men cố định S.cerevỉsỉae trong gel alginate 24 Điều kiện lên men: pH= 5, nhiệt độ 30°c, tốc độ khuấy trộn 100 rpm, nồng độ đường ban đầu là 150 g/1, mật độ tế bào nấm men ban đầu... cho ta thấy tàm quan ừọng của việc bổ sung thêm khoáng chất trong môi trường lên men đối với chủng nấm men s cerevisiae Nhìn chung, việc bổ sung các khoáng chất( Cu, Ca, Mg và Zn) đều làm tăng nồng độ Ethanol, cải thiện quá trình tiêu thụ đường và làm tăng mật độ chất nền alginate hon so với trường hợp lên men với nấm men cố định mà không có bổ sung thêm khoáng □ lmmobilized yeast-no supplemerct □ ^GuGl^yíl... phân bởi nấm men s cerevisiae cố đinh trong alginate 27 Hình 9 Hiệu suất của quá trình lên men của dịch Immobiliỉsd yeast-no supplernentation ^inosttoiy(1 g/L) 0 Jxine)J(5 mg/L)+3 . hình lên men chu kỳ sử dụng nấm men cố định Lên men chu kỳ hay còn gọi là lên men gián đoạn (lên men theo mẻ) ừong đó: men giống và dịch đường ban đầu có thể bơm song song để nấm men được đảo đều. bào nấm men. Tuy nhiên, so với nấm men tự do thì nấm men cố định khả năng chịu sự ức chế cơ chất và sản phẩm cao hơn. 1.3.3. Nấm men dùng trong lên men Ethanol theo phương pháp chu kỳ bằng nấm. 2008), về quá trình lên men cồn sử dụng nấm men cố định trên canxi alginate cho thấy nấm men cố định có tốc độ sử dụng đường cũng như tốc độ sinh tổng hợp Ethanol cao hơn hẳn nấm men tự do,[2]. V