31 acetic (tương đương 72,8% và 90,2%). Hiệu suất của quá trình sản xuất giấm không cao là do các nguyên nhân sau: - Do oxy hóa không hoàn toàn rượu để đảm bảo còn lại trong giấm khoảng 0,3 – 0,5% rượu nhầm tránh sự quá oxyl hóa rượu. - Tổn thất do quá oxy hóa, đặc biệt khi generator làm việc với nồng độ acid thấp (khi nồng độ gần 10% thì mất mát này không đáng) - Tổn thất do rượu và giấm bay hơi, đây là dạng mất mát lớn nhất trong các dạng, mất mát có thể đến 2 – 6 % lượng rượu. Nhưng cũng có thể khắc phục được bằng cách đặt một thiết bị ngưng tụ bao gồm hai thiết bị lọc than đặt kế tiếp nhau sau tháp lên men để ngưng tụ rượu, acid acetic và một số khí khác (có thể dùng than hoạt tính hoặc silicagel để nạp cho tháp lọc). 32 Chương 2: Mô Hình Fermenter Sử Dụng Màng Sinh Học Cố Định Trong Lên Men Acid Acetic 2.1 Thiết bị phản ứng sinh học-fermenter 2.1.1 Khái niệm, phân loại Khái niệm: Thiết bị phản ứng sinh học (hay gọi là fermenter) là thiết bị thực hiện những biến đổi sinh hóa với sự tham gia của vi sinh vật hay enzyme trực tiếp. Trong công nghiệp vi sinh, dùng nhiều loại fermenter có cấu trúc và phương thức làm việc khác nhau và được phân loại như sau: - Theo phương thức làm việc: fermenter làm việc liên tục và fermenter làm việc gián đoạn - Theo kết cấu: Fermenter và không có cánh khuấy - Theo chế độ nhiệt: Fermenter đẳng , đoạn và đa biến nhiệt - Theo cấu trúc dòng: Fermenter khuấy lý tưởng, đầy lý tưởng… - Theo số pha tham gia: đồng thể và dị thể Các Fermenter thường dùng: 1. Fermenter làm việc gián đoạn: T Hình 2.1 Fermenter làm việc gián đoạn 33 Trong các fermenter loại này cơ chất được nạp vào từng mẻ và chỉ tháo ra sau khi đã chuyển hóa xong. Tuy năng suất thấp, chất lượng sản phẩm không ổn định, nhưng do cơ cấu tương đối đơn giản, dễ thao tác, vận hành nên loại này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vi sinh. 2. Fermenter hoạt động liên tục dạng thùng có cánh khuấy: Hình 2.2 Fermenter hoạt động liên tục dạng thùng có cánh khuấy Cơ chất được đưa vào fermenter liên tục, được khuấy trộn mãnh liệt trong đó và sản phẩm được lấy ra liên tục. Do sản phẩm ở dạng huyền phù nên khi lấy ra liên tục sẽ cuộn vi sinh vật ra khỏi fermenter gây tổn hao chủng vi sinh vật lớn. Vì vậy việc sử dụng fermenter dạng này bị hạn chế. 34 3. Các fermenter dạng tầng sôi: Hình 2.3 Fermenter dạng tầng sôi Loại này khắc phục được nhược điểm của loại dạng thùng có cách khuấy là việc vi sinh vật bị cuốn trôi. Trong các fermenter dạng này các phân tử vi sinh vật lơ lửng trong môi trường lên men nhờ dòng chảy từ dưới lên còn lực trọng trường sẽ giữ chúng lại, không bị cuốn trôi ra khỏi fermenter. Ở trạng thái tự nhiên, vi sinh vật có khoảng 60 – 90% nước trong cơ thể, do đó chúng có khối lượng riêng xấp xỉ khối lượng riêng của nước. Vì vậy để tạo lớp tầng sôi vận tốc của dòng chảy vào fermenter phải rất nhỏ. Điều này đôi khi không phù hợp yêu cầu của công nghệ. Vì vậy việc sử dụng các fermenter dạng này còn hạn chế. 4. Fermenter dạng ống: Chúng có tên như vậy là vì dạng bên ngoài của chúng có dạng ống. Dòng chuyển động các tác nhân phản ứng trong các fermenter dạng này là chuyển động piston, trái ngược với fermenter dạng tầng sôi và dạng thùng có cánh khuấy liên tục có quỹ đạo chuyển động là ngẫu nhiên. 35 Hình 2.4 Fermenter dạng ống 2.1.2 Những yêu cầu chung đối với fermenter Đây là cơ sở để lựa chọn cấu trúc thích hợp khi thiết kế fermenter, đối với fermenter nói chung cần thỏa mãn một số yêu cầu sau: - Yêu cầu nghiêm ngặt về độ sạch và tính bất biến của chủng vi sinh vật, yêu cầu này đòi hỏi phải tiến hành quá trình trong những điều kiện vô khuẩn. Do đó, fermenter phải có cấu trúc tương đối đơn giản, đảm bảo khả năng thanh trùng các khoang bên trong. - Dễ bố trí các cơ cấu trao đổi nhiệt để khống chế nhiệt độ tối ưu cho quá trình lên men. - Dễ chế tạo, gia công, an toàn và có hiệu quả cao. Trong các yêu cầu trên, yêu cầu đầu tiên là quyết định việc lựa chọn cấu trúc của fermenter cho hợp lý, đó là do tính đặc thù của quá trình vi sinh công nghiệp có vi sinh vật tham gia vào quá trình 36 2.2 Sự hình thành và phát triển của màng sinh học trên chất mang trong fermenter sử dụng màng sinh học cố định để lên men acid acetic 2.2.1 Trạng thái vi khuẩn acid acetic trong fermenter Trong fermenter sử dụng màng sinh học cố định để lên men giấm, các vi khuẩn giấm tham gia vào quá trình biến đổi sinh hóa có dạng màng bám trên bề mặt các vật rắn trơ. Trong các thiết bị dạng ống, màng sinh học bám trên bề mặt các vật rắn trơ có thể tồn tại ở hai trạng thái: cố định (tĩnh) hay linh động (các vật rắn trơ có màng sinh học che phủ lơ lửng trong môi trường lên men). Việc lựa chọn một trong hai dạng màng sinh học trên là tùy thuộc vào màng vi sinh vật đã phát triển được tách ra khỏi fermenter thế nào (trong trường hợp muốn khống chế bề dày màng). Nếu fermenter đòi hỏi làm việc trong điều kiện vô khuẩn, để đảm bảo điều đó chỉ có thể lấy màng vi khuẩn ra khỏi fermenter nhờ các biện pháp lực cắt thủy lực, tức là nhờ chuyển động của dòng lỏng và khí để tách màng sinh học ra khỏi bề mặt bám và cuốn chúng ra ngoài cùng dòng chảy. Muốn vậy các phân tử đệm phải được làm lơ lửng trong môi trường chuyển động mạnh. Còn các vi khuẩn giấm thì có khả năng lắng xuống đáy fermenter (như trong xử lý nước thải) và tách ra ngoài, lúc này lớp đệm nằm ở trạng thái tĩnh và lỏng chảy qua thiết bị ở dạng màng mỏng che phủ vùng hoạt động sinh học. 37 2.2.2 Cấu tạo màng vi khuẩn acid acetic 01. Bề mặt bám 02. Khối gel giữa các tế bào 03. Tế bào của vi sinh vật Hình 2.5 Biểu diễn màng sinh học bám trên các vật rắn trơ Màng vi khuẩn giấm được tạo thành nhờ các biến đổi sinh hóa diễn ra trong các fermenter và bám được vào vật rắn là nhờ khả năng bám dính của màng nhầy (khối gel giữa các tế bào) của vi khuẩn. Một bề mặt nhám bất kỳ tiếp xúc với môi trường chứa các vi khuẩn giấm lơ lửng sau một thời gian nhất định sẽ trở nên hoạt động sinh học do vi sinh vật bám vào và phát triển thành lớp màng liên tục. Cơ chế quá trình bám dính này có liên quan đến bề mặt vật liệu bám (độ nhám, xốp,…) và chính bản thân vi sinh vật. 2.2.3 Sự phát triển của màng acid acetic Sự tạo thành màng vi khuẩn sẽ kèm theo sự hoạt động của thiết bị. Độ “hoạt động bề mặt” phụ thuộc vào diện tích che phủ bởi lớp màng, bề dày màng và nồng độ rượu trong môi trường dinh dưỡng. Sự phát triển của màng vi khuẩn giấm, khi giữ nguyên các thông số đầu vào, tạo nên sự phụ thuộc của sản phẩm chính vào thời gian, điều đó là sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng vào bề dày màng. Nếu sau một quá trình tích lũy nhất định bề dày màng không thay đổi nữa thì ta có thể coi các thông số đầu ra đạt được trạng thái ổn định. Điều đó có thể đạt được khi tải trọng vi khuẩn giấm đối với không gian tự do trên một 38 bề mặt thể tích lớp đệm là nhỏ. Nhưng nếu tải trọng của vi khuẩn đủ lớn thì sẽ làm dạng hình học bên trong lớp biến đổi liên tục do tác động của quá trình phát triển, vi sinh vật và sự thoát đi một phần vi khuẩn ra khỏi bề mặt bám dưới tác dụng của lực trường. Kết quả là đường đi của dòng lỏng và bề mặt tiếp xúc pha rắn lỏng biến đổi. Về nguyên tắc trong môi trường có nồng độ rượu đủ lớn, màng vi khuẩn sẽ phát triển không ngừng. Nếu tốc độ tăng của bề dày màng này không lớn lắm thì profile nồng độ trong chúng ở một thời điểm bất kỳ sẽ được xem gần giống như trong lớp vi sinh vật có bề dày không đổi. Khi đó, có thể mô tả cặn kẽ sự biến đổi bề dày màng và quá trình làm việc của thiết bị. Sự tiêu thụ cơ chất để nuôi màng sinh học đã được nghiên cứu từ thực nghiệm. 2.2.4 Bề dày màng vi khuẩn acid acetic: Trong thực tế tùy theo cách nuôi màng, nồng độ các sản phẩm dạng khí khi hô hấp trong chiều sâu nhỏ của màng tăng đến mức các sản phẩm này sẽ thoát ra từ dung dịch và tạo thành những túi khí. Khí này làm cho sự bám dính giữa khối màng và bề mặt bám sẽ kém đi. Cuối cùng màng rơi ra khỏi bề mặt bám dưới tác dụng của trọng lực và còn lại một lớp vi khuẩn giấm đã giảm khả năng sống Sau đó lớp màng lại bắt đầu tăng, tuy nhiên không thể tạo bề dày màng như ban đầu vì lực bám dính giữa màng và bề mặt bám đã bị yếu đi do có mặt các vi khuẩn giấm chết trong màng. Từ đó cho thấy rằng ở một mức độ nhất định màng vi khuẩn giấm có khả năng điều chỉnh được. Tuy nhiên không nên mong đợi nhiều vào cơ chế này để đảm bảo độ dày không đổi của màng vì những nguyên nhân sau: - Các sản phẩm tạo thành trong bề dày màng có thể gây độc hại cho vi khuẩn, ức chế sự phát triển của chúng, cũng như gây nhiễm bẩn cho môi trường lỏng. - Màng vi khuẩn giấm bị tách ra khỏi bề mặt bám có thể gây tắc lưu thông cho dòng lỏng và gây rối loạn chế độ làm việc trong thiết bị. 39 - Dao động về bề dày ở các phần riêng biệt của màng có thể lớn đáng kể. - Các vùng khác nhau của màng vi sinh vật tách khỏi bề mặt bám ở các thời điểm khác nhau. Các thiết bị có bề dày màng không đổi được sử dụng làm thiết bị thực nghiệm để nghiên cứu động học vi sinh. Còn các thiết bị có bề dày màng thay đổi được sử dụng trong xử lý H 2 O thải và sản xuất giấm theo phương pháp nhanh. Trong các thiết bị dạng không khống chế bề dày màng quần thể vi sinh vật lộn xộn ở mức độ cao và ở các thời điểm khác nhau là khác nhau. Chất lỏng chảy qua thiết bị ở dạng màng dưới tác dụng của lực trọng trường. Thường diện tích màng lỏng thấm ướt nhỏ hơn nhiều so với diện tích hoạt động sinh học có thể đạt cực đại. Sự phát triển của vi khuẩn giấm chỉ xảy ra ở những vùng có đủ chất dinh dưỡng. Sự phát triển màng ngay trong những vùng này chỉ được tạo ra do sự chuyển động của chất lỏng. Do đó, trong thiết bị dạng này có quan hệ tương hỗ phức tạp giữa động học vi sinh, bề dày mang sinh học và bề dày được thấm ướt. Tuy nhiên, khi mô tả động học của thiết bị phải chấp nhận một vài giả thuyết gần đúng như sau: - Mặc dù một phần nào đó của bề dày hoạt động sinh học không được thấm ướt liên tục nhưng giá trị thực tế của nó không đổi - Vì quần thể vi sinh vật trong thiết bị dạng này lớn nên bề dày màng sinh học có kích thước đáng kể. Khi thiết bị làm việc, ban đầu là quá trình tích lũy vi sinh vật, nó diễn ra cho đến khi sự làm việc của thiết bị không phụ thuộc và quá trình tích lũy tiếp theo. Tuy nhiên, người ta đã xác định rằng ngay khi những đặc trưng của dòng vào là không thay đổi, sự làm việc của thiết bị vẫn biến đổi theo thời gian do sinh khối phá hủy bởi sự tương tác của dòng lỏng. Sự làm việc của thiết bị sẽ biến đổi theo thời gian dao động quanh một giá trị trung bình nào đó mà không thể dự đoán được sai lệch này. 40 THỰC NGHIỆM Chương 3: Thực nghiệm lên men giấm theo phương pháp nhanh 3.1 Thời điểm, địa điểm nghiên cứu Đề tài được thực hiện tại phòng thí nghiệm máy và thiết bị - khoa Công Nghệ Hóa – trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh từ ngày 1/3/2005 đến 1/8/2005. 3.2. Thiết bị, nguyên liệu, phương pháp thí nghiệm 3.2.1 Thiết bị Hình 3.1 Hệ thống thiết bị lên men acid acetic bằng phương pháp nhanh 1 2 3 4 5 6 7 Chú thích: 1. Thùng cao vị 2. Bộ phận phân phối lỏng 3. Tháp lên men 4. Nhiệt kế 5. Bộ phận thông khí 6. Bình chứa sản phẩm 7. Bơm hoàn lưu . Thiết bị, nguyên liệu, phương pháp thí nghiệm 3.2.1 Thiết bị Hình 3.1 Hệ thống thiết bị lên men acid acetic bằng phương pháp nhanh 1 2 3 4 5 6 7 Chú thích: 1. Thùng cao vị. loại như sau: - Theo phương thức làm việc: fermenter làm việc liên tục và fermenter làm việc gián đoạn - Theo kết cấu: Fermenter và không có cánh khuấy - Theo chế độ nhiệt: Fermenter đẳng. mang trong fermenter sử dụng màng sinh học cố định để lên men acid acetic 2.2.1 Trạng thái vi khuẩn acid acetic trong fermenter Trong fermenter sử dụng màng sinh học cố định để lên men giấm, các