Nghiên cứu cố định tế bào và ứng dụng trong lên men etanol từ rỉ đường bằng phương pháp liên tục

Nghiên cứu cố định tế bào và ứng dụng trong lên men etanol từ rỉ đường bằng phương pháp liên tục

6 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ HƯƠNG NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VÀ ỨNG DỤNG TRONG LÊN MEN ETANOL TỪ RỈ ĐƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LIÊN TỤC LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Hà Nội – Năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ HƯƠNG NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VÀ ỨNG DỤNG TRONG LÊN MEN ETANOL TỪ RỈ ĐƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LIÊN TỤC Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm Mã số: 62540101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TS. Hoàng Đình Hòa 2. TS. Đặng Hồng Ánh Hà Nội – Năm 2014 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Những kết quả trình bày trong luận án này chưa được một tác giả nào khác công bố Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Hương 2 LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy, Cô giáo hướng dẫn khoa học là GS. Hoàng Đình Hòa và TS. Đặng Hồng Ánh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ và động viên em trong suốt thời gian thực hiện luận án. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới Quý Thầy, Cô giáo và các anh chị, em trong Bộ môn Công nghệ sinh học của Viện Công nghệ sinh học và Thực phẩm – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cũng như Bộ môn Vi sinh, Bộ môn Công nghệ đồ uống – của Viện Công nghiệp thực phẩm – 301 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội đã hết sức giúp đỡ và hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt thời gian em thực hiện luận án. Em cũng xin cảm ơn các anh chị, em trong Phòng Đào tạo Đại học của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã luôn ủng hộ tinh thần và giúp đỡ trong công việc tại phòng để em có thể hoàn thành luận án đúng hạn. Em cũng xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình, những người bạn đã động viên và khích lệ cho em có được sự chuyên tâm và động lực phấn đấu thực hiện lụân án này. Việc hoàn thành luận án và được trở thành một tiến sĩ, đó không chỉ là mơ ước của cá nhân tôi mà nó còn là sự mong chờ, là niềm tự hào to lớn của dòng họ tôi. Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Hương 3 MỤC LỤC NỘI DUNG Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục các chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Một số nét chấm phá về cồn etylic 1.1.1. Định nghĩa 1.1.2.Sơ đồ quy trình sản xuất etylic từ rỉ đường 1.1.3.Yêu cầu chất lượng và các vấn đề về nấm men trong sản xuất cồn etylic 1.1.4. Rỉ đường dùng để sản xuất cồn etylic. 1.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn trên thế giới và Việt Nam 1.3. Vấn đề cố định nấm men trên giá thể và các phương pháp cố định 1.3.1. Định nghĩa về cố định tế bào 1.3.2. Các phương pháp cố định tế bào nấm men 1.3.3. Các kỹ thuật cố định tế bào 1.3.4. Chất mang alginate 1.3.5. Một số chất mang khác 1.4. Các phương pháp lên men và một số yếu tố ảnh hưởng đến qúa trình lên men 1.4.1. Phương pháp lên men gián đoạn 1.4.2. Phương pháp lên men bán liên tục 1.4.3. Phương pháp lên men liên tục 1.5. Tình hình nghiên cứu về công nghệ sản xuất cồn trên thế giới và ở Việt nam 1.5.1.Tình hình nghiên cứu về công nghệ sản xuất cồn trên thế giới 1.5.2. Tình hình nghiên cứu về công nghệ sản xuất cồn ở Việt nam CHƯƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1. Nguyên liệu 2.1.1. Chủng vi sinh vật 2.1.2. Rỉ đường 2.1.3. Hóa chất 1 2 6 7 10 12 15 15 15 16 17 19 22 24 24 25 28 31 39 43 43 43 43 46 46 49 52 52 52 52 52 4 2.1.4. Môi trường nuôi cấy 2.2.Thiết bị và phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Thiết bị 2.2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.3. Phân tích 2.2.3.1. Quan sát trạng thái nấm men 2.2.3.2. Xác định tế bào nấm men nhờ buồng đếm Thomas 2.2.3.3. Xác định lượng tế bào sống 2.2.3.4. Xác định số lượng tế bào sống, chết 2.2.3.5. Xác định pH 2.2.3.6. Xác định hàm lượng chất khô 2.2.3.7. Xác định nồng độ cồn 2.2.3.8. Xác định mật độ tế bào nấm men bằng máy so màu 2.2.3.9. Xác định lượng vi khuẩn hiếu khí có trong dịch lên men 2.2.3.10. Phân tích đường khử theo phương pháp Graxianop 2.2.3.11. Xác định đường khử theo Nelson-Somogi 2.2.3.12. Phương pháp xác định tổng lượng chất keo trong rỉ đường 2.2.3.13. Phương pháp xác định lực đệm của rỉ đường 2.2.3.14. Phương pháp xử lý rỉ đường 2.2.3.15. Tính hiệu suất lên men 2.2.3.16. Tính tốc độ pha loãng và sản lượng cồn CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu tuyển chọn chủng nấm men có khả năng lên men bằng phương pháp cố định tế bào trên môi trường rỉ đường để đạt hiệu suất lên men cao 3.1.1. Nghiên cứu lựa chọn nguồn nguyên liệu rỉ đường 3.1.2. Nghiên cứu tuyển chọn chủng nấm men có khả năng lên men trên môi trường rỉ đường 3.1.3. Nghiên cứu điều kiện nuôi cấy tối ưu để thu sinh khối nấm men cho việc cố định tế bào 3. 2. Nghiên cứu quy trình công nghệ cố định tế bào 3.2.1. Nghiên cứu lựa chọn loại chất mang 3.2.2. Nghiên cứu thông số công nghệ cố định tế bào 52 53 53 53 56 56 56 56 57 57 57 57 58 58 58 58 58 58 59 59 59 61 61 61 62 65 71 71 73 5 3.3. Nghiên cứu công nghệ lên men ethanol nhờ tế bào cố định trên môi trường rỉ đường 3.3.1. Lựa chọn nồng độ cơ chất ban đầu 3.3.2. Lựa chọn tỷ lệ giữa hạt tế bào cố định và cơ chất thích hợp cho quá trình lên men 3.3.3. Xác định các điều kiện lên men nhờ tế bào cố định 3.3.4. Đánh giá hoạt lực lên men của tế bào cố định theo thời gian lên men 3.4. Xây dựng quy trình lên men ethanol từ rỉ đường theo phương pháp lên men liên tục nhờ tế bào cố định 3.4.1. Lựa chọn phương pháp lên men liên tục 3.4.2. Xác định tốc độ pha loãng của quá trình lên men liên tục 3.4.3. Nghiên cứu ổn định các thông số động học của quá quá trình lên men liên tục 3.5. Nghiên cứu xử lý hạt tế bào nấm men để giữ hoạt lực lên men cho quá trình lên men liên tục 3.5 1. Xác định thời điểm cần hoạt hóa 3.5.2. Nghiên cứu dung dịch rửa hạt tế bào nấm men 3.5.3. Nghiên cứu bổ sung một số cơ chất dinh dưỡng vào dịch hoạt hóa nấm men 3.5.4. Nghiên cứu phương pháp hoạt hóa hạt tế bào 3.6. Xây dựng mô hình và sản xuất thử nghiệm cồn etylic ở qui mô pilot 3.6.1. Nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống thiết bị lên men liên tục nhờ tế bào cố định thích hợp cho quy mô sản xuất 500lit ethanol/ngày 3.6.2. Xây dựng mô hình và sản xuất thực nghiệm cồn etylic bằng phương pháp lên men liên tục nhờ cố định tế bào trên mô hình thiết bị 3.6.3. Đánh giá hiệu quả kinh tế 3.6.4. Quy trình công nghệ lên men ethanol từ rỉ đường bằng phương pháp cố định tế bào trong hệ thống lên men liên tục Kết luận Danh mục các công trình đã công bố Tài liệu tham khảo 80 80 82 84 86 88 88 91 93 95 95 96 98 106 107 107 108 115 117 120 123 124 6 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. 0 Bx: Độ Brix 2. EDTA: Ethylen diamin tetraacetic acid 3. SEM: Scanning electron microscope: Kính hiển vi điện tử quét 4. M/G: Tỷ lệ D-manuronic acid/L-guluronic acid của chế phẩm alginate 7 DANH MỤC CÁC BẢNG NỘI DUNG Trang Bảng 1.1. Sản xuất ethanol trên thế giới 23 Bảng 1.2. Tiêu thụ ethanol cho nhiên liệu của thế giới 23 Bảng 1.3.ứng dụng của nấm men cố định 30 Bảng 1.4. Năng suất sinh cồn trong quá trình lên men dịch nho 49 Bảng 2.1. Môi trường nhân giống sinh khối, lên men, môi trường hoạt hoá tế bào cố định trong hạt gel 52 Bảng 3.1. Thành phần hoá học và mức độ nhiễm tạp vi sinh vật của 4 loại rỉ đường 62 Bảng 3.2. Khả năng lên men của các chủng nấm men 63 Bảng 3.3. Năng lực lên men của các chủng nấm men trong điều kiện cố định tế bào. 64 Bảng 3.4. Sự sinh trưởng của chủng CNTP 7028 trên các nguồn ni tơ khác nhau 66 Bảng 3.5. ảnh hưởng của các loại chất mang đến quá trình lên men 72 Bảng 3.6. ảnh hưởng của chất mang đến khả năng lên men 72 Bảng 3.7. ảnh hưởng của nồng độ Na- Alginate đến quá trình lên men 73 Bảng 3.8. ảnh hưởng của nồng độ Na- Alginate đến các chỉ tiêu của dịch sau lên men 74 Bảng 3.9. ảnh hưởng của nồng độ dung dịch tạo gel đến quá trình lên men 75 Bảng 3.10. ảnh hưởng của nồng độ dung dịch tạo gel đến các chỉ tiêu dịch sau lên men 75 Bảng 3.11. ảnh hưởng của tỷ lệ giống nấm men đến quá trình lên men 76 Bảng 3.12. ảnh hưởng của tỷ lệ giống nấm men đưa vào dung dịch chất mang đến chỉ tiêu của dịch sau lên men 77 Bảng 3.13. ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy tạo hạt tế bào cố định đến quá trình lên men 78 Bảng 3.14. ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy tạo hạt tế bào cố định đến chỉ tiêu của dịch sau lên men 78 Bảng 3.15. ảnh hưởng của kích thứoc hạt đến quá trình lên men 79 Bảng 3.16. ảnh hưởng của kích thước hạt đến thàh phần dịch sau lên men 79 Bảng 3.17. ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến quá trình lên men 81 Bảng 3.18. ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến chỉ tiêu của dịch sau lên men 81 Bảng 3.19. ảnh hưởng của tỷ lệ hạt tế bào cố định so với dịch khi lên men 83 8 Bảng 3.20. ảnh hưởng của tỷ lệ hạt tế bào cố định đến chỉ tiêu của dịch sau lên men. 83 Bảng 3.21. ảnh hưởng của pH đến quá trình lên men 84 Bảng 3.22. ảnh hưởng của ph đến chỉ tiêu của dịch sau lên men 84 Bảng 3.23. ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình lên men 85 Bảng 3.24. ảnh hưởng của nhiệt độ đến chỉ tiêu của dịch sau lên men 86 Bảng 3.25. Lượng CO2 tạo thành theo các lần tái sử dụng tế bào nấm men cố định 87 Bảng 3.26. Các chỉ tiêu dịch sau lên men theo các lần tái sử dụng hạt tế bào nấm men cố định. 87 Bảng 3.27. Khả năng lên men của tế bào cố định trong quá trình lên men liên tục (tỷ lệ giữa hạt tế bào cố định: thể tích dịch lên men là 30% w/v) 88 Bảng 3.28. Khả năng lên men của tế bào cố định trong quá trình lên men liên tục (tỷ lệ giữa hạt tế bào cố định: thể tích dịch lên men là 40% w/v) 89 Bảng 3.29. Khả năng lên men của tế bào cố định trong quá trình lên men liên tục (tỷ lệ giữa hạt tế bào cố định: thể tích dịch lên men là 50% w/v) 89 Bảng 3.30. Khả năng lên men của tế bào nấm men cố định trong quá trình lên men liên tục 90 Bảng 3.31. Khả năng lên men của tế bào nấm men cố định trong quá trình lên men liên tục 92 Bảng 3.32. ảnh hưởng của thời điểm hoạt hoá đến khả năng lên men của hạt tế bào nấm men cố định 96 Bảng 3.33. ảnh hưởng của dung dịch rửa hạt đến quá trình lên men trong hệ thống lên men liên tục 97 Bảng 3.34. ảnh hưởng của nguồn ni tơ trong dịch hoạt hoá đến khả năng lên men của hạt tế bào nấm men cố định. 98 Bảng 3.35. ảnh hưởng của nguồn ni tơ bổ sung vào dịch hoạt hoá đển tốc độ sinh CO2 trong bình engol của hạt tế bào nấm men cố định 100 Bảng 3.36. ảnh hưởng của nồng độ ure đến khả năng lên men của hạt tế bào nấm men cố định 100 Bảng 3.37. ảnh hưởng của nồng độ ure trong dịch hoạt hoá đến khả năng lên men 101 Bảng 3.38. ảnh hưởng của nguồn phot pho trong dịch hoạt hoá đến khả năng lên men của hạt tế bào nấm men 102 Bảng 3.39. ảnh hưởng của nguồn phot pho bổ sung vào dịch hoạt hoá đến tốc độ sinh CO 2 trong bình engol của hạt tế bào nấm men 104 [...]... các tế bào cố định 4 Xây dựng quy trình lên men ethanol từ rỉ đường theo phương pháp lên men liên tục nhờ tế bào cố định - Lựa chọn phương pháp lên men thích hợp - Xác định tốc độ pha lỗng của q trình lên men liên tục - Nghiên cứu độ ổn định các thơng số động học của q trình lên men liên tục theo thời gian lên men 5 Nghiên cứu xử lý hạt tế bào nấm men để giữ hoạt lực lên men cho q trình lên men liên tục. .. cồn từ rỉ đường Việc kết hợp giữa cố định tế bào và q trình lên men liên tục trong sản xuất cồn là hướng đi mới, có nhiều triển vọng và áp dụng vào thực tiễn sản xuất để giúp nâng cao năng suất và giảm chi phí sản xuất cồn từ rỉ đường Với những ý nghĩa đó chúng tơi đã thực hiện đề tài nghiên cứu: Nghiên cứu cố định tế bào và ứng dụng trong lên men etanol từ rỉ đường bằng phương pháp liên tục Mục tiêu... tiêu cần đạt của đề tài là: 1 Xác định được cơng nghệ thích hợp tạo giá thể để cố định tế bào nấm men và các điều kiện thích hợp lên men dịch rỉ đường bằng nấm men cố định 2 Xác định được các thơng số cơng nghệ cơ bản của q trình lên men liên tục, sử dụng nấm men cố định 3 Xây dựng mơ hình và sản xuất thử nghiệm cồn etylic bằng phương pháp lên men liên tục nhờ tế bào cố định trên mơ hình thiết bị Để đạt... cồn và hiệu suất 91 lên men của tế bào cố định trong hệ thống lên men liên tục Hình 3.11 ảnh hưởng của tốc độ pha lỗng đến sản lượng cồn thu được trong 10 93 hệ thống lên men liên tục Hình 3.12 Nồng độ cồn thu đựoc trong hệ thống lên men liên tục theo thời 93 gian lên men Hình 3.13 Hình ảnh tế bào nấm men trong hạt gel canxi alginate trong một 94 chu kỳ lên men Hình 3.14 Sự phát triển của tế bào nấm men. .. hợp trong chất mang cho khả năng giữ tế bào và độ bền cơ học cao nhất - Lựa chọn tốc độ dòng chảy tạo hạt tế bào cố định 13 3 Nghiên cứu cơng nghệ lên men ethanol nhờ tế bào cố định trên mơi trường rỉ đường - Xác định nồng độ cơ chất ban đầu và nồng độ các chất vi lượng bổ sung - Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ hạt tế bào cố định và cơ chất thích hợp cho q trình lên men - Xác định các điều kiện lên men. .. cerevisiae CNTP 95 7028 trong hạt gel đựơc chụp trên kính hiển vi điện tử qt Hình 3.15 Thời gian sinh CO2 đẩy hết 5ml dịch trong bình engol sau khi 98 dùng dung dịch rửa hạt tế bào nấm men cố định Hình 3.16 Động học của q trình lên men liên tục trên hệ thống lên men 113 liên tục 1200 lít Hình 3.17 Qúa trình lên men ethanol từ rỉ đường bằng phương pháp lên men liên tục nhờ cố định tế bào trong gel ca-alginate... năng lên men của hạt tế bào 103 nấm men cố định Bảng 3.41 ảnh hưởng của nồng độ KH2PO4 đến tốc độ sinh CO2 trong bình engol 104 của hạt tế bào nấm men cố định Bảng 3.42 ảnh hưởng của phương pháp hoạt hố tới tốc độ sinh CO2 trong bình 105 engol của hạt tế bào nấm men cố định Bảng 3.43 ảnh hưởng của phương pháp hoạt hố tới q trình lên men của hạt tế 106 bào nấm men cố định Bảng 3.44 Danh mục thiết bị trong. .. nhờ tế bào cố định cho nồng độ ethanol cao ( nhiệt độ, pH, ) - Đánh giá hoạt lực lên men của tế bào cố định theo thời gian lên men - Xác định thời điểm cần hoạt hố để kéo dài hoạt lực của tế bào cố định - Nghiên cứu bổ sung một số cơ chất để nâng cao khả năng sống và duy trì hoạt tính lên men của tế bào cố định - Nghiên cứu bổ sung oxy hồ tan để nâng cao khả năng sống và duy trì hoạt tính lên men của... tài cần nghiên cứu các nội dung: 1 Nghiên cứu tuyển chọn chủng nấm men có khả năng lên men bằng phương pháp cố định tế bào trên mơi trường rỉ đường để đạt hiệu suất lên men cao - Tuyển chọn chủng nấm men có khả năng lên men tốt trên mơi trường rỉ đường từ các chủng nấm men có trong sưu tập giống cơng nghiệp của Viện CNTP - Tuyển chọn chủng nấm men có khả năng lên men tốt trong điều kiện bị nhốt trong. .. thành phần của cồn được sản xuất từ rỉ 114 đường theo quy trình cơng nghệ lên men liên tục nhờ cố định tế bào Bảng 3.49 Đánh giá hiệu quả kinh tế của hai phương pháp lên men 9 115 DANH MỤC CÁC HÌNH NỘI DUNG Trang Hình 1.1.Quy trình sản xuất cồn từ rỉ đường 16 Hình 1.2 Hình ảnh nấm men lên men rượu 17 Hình 1.3 Hình ảnh rỉ đường mía Việt Nam 20 Hình 1.4 Các kỹ thuật cố định tế bào vi sinh vật 29 Hình 1.5 . rỉ đường theo phương pháp lên men liên tục nhờ tế bào cố định 3.4.1. Lựa chọn phương pháp lên men liên tục 3.4.2. Xác định tốc độ pha loãng của quá trình lên men liên tục 3.4.3. Nghiên cứu. Khả năng lên men của tế bào cố định trong quá trình lên men liên tục (tỷ lệ giữa hạt tế bào cố định: thể tích dịch lên men là 30% w/v) 88 Bảng 3.28. Khả năng lên men của tế bào cố định trong. suất và giảm chi phí sản xuất cồn từ rỉ đường. Với những ý nghĩa đó chúng tôi đã thực hiện đề tài nghiên cứu: Nghiên cứu cố định tế bào và ứng dụng trong lên men etanol từ rỉ đường bằng phương