1 MỞ ĐẦU I.1 Đặt Vấn Đề Acid acetic đóng vai trò quan trọng trong đời sống cũng như trong công nghiệp. Nó được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như: công nghiệp tổng hợp hữu cơ, công nghiệp thực phẩm,… mà đặc biệt là trong công nghiệp chế biến mủ cao su. Trong ngành công nghệ thực phẩm, trên thị trường hiện nay có hai loại giấm: giấm hóa học (tổng hợp hóa học) và giấm nuôi (giấm được sản xuất theo phương pháp lên men). Giấm tổng hợp theo phương pháp hóa học. Qua kiểm nghiệm người ta thấy trong giấm tổng hợp ngoài thành phần chính là acid acetic, còn chứa nhiều thành phần phụ khác, chúng là chất độc gây ung thư như: acidfocmic, metanol, metylaxetac,… mặc dù các nhà sản xuất đã áp dụng những thiết bị và phương pháp khử độc hiện đại. Giấm nuôi được sản xuất theo phương pháp lên men vi sinh vật. Nó là loại thực phẩm an toàn được các chuyên gia thực phẩm khuyên dùng. Ngoài thành phần chính là acid acetic, còn chứa một số acid amin và vitamin cần thiết cho cơ thể. Ở Việt Nam, acid acetic có thể được chế biến từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như: mật rỉ, nước hoa quả chín, tinh bột, cồn và các loại chứa cellulose như gỗ,…. Nước ta là nước nông nghiệp có khí hậu nhiệt đới nên các nguyên liệu này rất dồi dào, đặc biệt là rỉ đường, nước dừa, quả điều và dứa. Ở nước ta acid acetic dùng để làm thực phẩm trong gia đình chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp lên men truyền thống. Nhưng hiện nay, tại các chợ và các quầy hàng người ta thường bán giấm hóa học với tên gọi “giấm ăn”. Vấn đề ở đây là giá thành 1lít giấm nuôi đắt gấp 10 lần so với giá thành 1lít giấm hóa học. Lý do là sản xuất giấm ăn theo phương pháp lên men phải tốn thời gian dài, độ chua không cao nên ít người sản xuất nó. Người tiêu dùng đành phải mua giấm tổng hợp để dùng. 2 Còn trong ngành công nghiệp chế biến mủ cao su, lượng acid acetic dùng trong chống đông mủ cao su (sử dụng dung dich acid acetic 2,5% với lượng là 3,5-10 kg/tấn dung dịch mủ cao su) chủ yếu nhập khẩu từ Trung Quốc. Ở nước ta hiện nay, diện tích trồng cao su khoảng 400000 ha, mỗi năm thu hoạch gần 800000 tấn/năm. Từ đó cho thấy rằng lượng acid acetic dùng trong ngành công nghiệp chế biến mủ cao su này rất lớn. Mặc khác, diện tích trồng cao su ngày một tăng, ước tính đến 2010 diện tích trồng cao su trên cả nước khoảng 700000 ha. Do đó, việc nghiên cứu để tìm ra phương pháp sản xuất, nguồn nguyên liệu để sản xuất cho năng suất, hiệu quả kinh tế cao là rất có ý nghĩa thực tế ở nước ta hiện nay và trong tương lai. I.2 Mục Đích Yêu Cầu - Đối chứng để thấy được tính hiệu quả của phương pháp nhanh so với phương pháp chậm. - Thử nghiệm sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh bằng dung dịch đường, nước dừa; qua đó khẳng định tính hiệu quả của nguồn nguyên liệu tự nhiên thay thế. - Khảo sát khả năng thay thế của thân tre dùng làm chất mang trong lên men acid acetic theo phương pháp nhanh. 3 TỔNG QUAN TÀI LIỆU Chương 1. Công Nghệ Sản Xuất Acid Acetic 1.1 Tính chất và ứng dụng của acid acetic 1.1.1 Các tính chất hóa lý của acid acetic Acid acetic có công thức phân tử CH 3 COOH, khối lượng phân tử 60,5 kg/kmol. Nó là một chất lỏng không màu, có mùi xốc, có vị chua, có khả năng hút ẩm từ không khí. Nhiệt độ nóng chảy t nc =16,63 o C, nhiệt độ sôi t s =118 o C, tỷ trọng 1,049, độ nhớt ở 20 o C là 1,21.10 -3 Ns/m 2 . Trong dung dịch acid acetic tồn tại các dạng (CH 3 COOH) 2 , (CH 3 COOH) 3 , sự tồn tại các phân tử kép như trên là do các liên kết hidro giữa các phân tử với nhau. Acid acetic tan trong nước và các dung môi thường (rượu, aeton, cloruafooc …) với bất kỳ tỉ lệ nào. Ngoài ra nó cũng chính là dung môi tốt cho nhiều hợp chất hữu cơ (nhựa, tinh dầu, …). Đặc biệt acid acetic hòa tan tốt ngay cả xelluloz và các hợp chất của nó. Acid acetic có tác dụng phân hủy da, gây bỏng, ăn mòn nhiều kim loại và hợp kim, hòa tan tốt nhiều chất vô cơ. 1.1.2 Ứng dụng của acid acetic Acid acetic là một loại acid hữu cơ được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và trong sản xuất công nghiệp. Những ứng dụng quan trọng của acid acetic bao gồm: 1.1.2.1 Ứng dụng trong chế biến mủ cao su Trong ngành công nghiệp sản xuất mủ cao su, người ta rất sợ hiện tượng đông đặc của mủ trước khi về đến nhà máy chế biến. Để chống đông mủ cao su, người ta cho thêm vào mủ nước những chất chống đông. Thường người ta dùng dung dịch NH 3 3%. Thời điểm cho dung dịch NH 3 vào mủ là lúc trút mủ vào xô, thùng,…. 4 Khi đông tụ mủ, người ta pha loãng và khuấy trộn đều, sau đó cho thêm vào dung dich acid acetic 2,5% với lượng là 3,5-10 kg/tấn dung dịch mủ cao su. Ở Việt Nam hiện nay, mỗi năm sản xuất khoảng 800000 tấn cao su (50% trong đó được sử dụng trong nước, còn 50% thì xuất khẩu). Như vậy lượng acid acetic sử dụng trong chế biến mủ cao su là rất lớn. Mặc dù vậy, nước ta vẫn phải nhập acid acetic từ nước ngoài (chủ yếu là từ Trung Quốc). 1.1.2.2 Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm Với hàm lượng acid acetic từ 2 – 5%, người ta gọi dung dịch này là giấm ăn. Giấm ăn được sử dụng trong công nghệ thực phẩm để chế biến đồ hộp, rau, quả, gia vị trong các bữa ăn gia đình. Lượng giấm ăn sử dụng trong công nghiệp thực phẩm là rất lớn, do đó, việc sản xuất giấm ăn không thể mang tính chất thủ công truyền thống mà đã trở thành một ngành sản xuất theo quy mô công nghiệp ở nhiều nước trên thế giới. 1.1.2.3 Ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác Acid acetic được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như: công nghiệp sản xuất chất màu, dung môi hữu cơ (etyl acetat, butyl acetat, xelluloz, axetat, axeton,…). Tổng hợp chất dẻo, tơ sợi, nhựa PVA, trong dược phẩm (điều chế aspirin). Và ngày nay, thì acid acetic và các dẫn xuất của nó đã được nghiên cứu và ứng dụng cho các ngành công nghệ cao như sản xuất phim ảnh không cháy, thủy tinh không vỡ,…. Những ngành sản xuất này đòi hỏi lượng acid acetic nhiều và có chất lượng cao hơn dung dịch acid acetic dùng trong công nghệ thực phẩm và trong công nghệ chế biến mủ cao su. 1.2 Các phương pháp sản xuất acid acetic Acid acetic là một loại acid hữu cơ được ứng dụng rộng rãi và từ rất lâu. Do đó, loài người đã phát minh ra nhiều phương pháp khác nhau để sản xuất acid acetic, những phương pháp sản xuất acid acetic bao gồm: - Phương pháp hóa gỗ - Phương pháp hóa học 5 - Phương pháp sinh học - Phương pháp kết hợp 1.2.1 Phương pháp hóa gỗ Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp khai thác và chế biến gỗ, loài người đã biết cách sản xuất ra acid acetic từ dạng nguyên liệu này. Bằng cách chưng cất gỗ đã lên men (giấm gỗ, bột gỗ, tách acid acetic trực tiếp từ nước ngưng khi chưng gỗ). Người ta thu được nhiều chất khác nhau, trong đó có acid acetic có hàm lượng rất lớn. Hiện nay phương pháp này không còn được sử dụng. 1.2.2 Phương pháp hóa học Từ C 2 H 2 hay C 2 H 5 OH, C 2 H 4 tiến hành tổng hợp có xúc tác sẽ thu được axetandehyd, oxy hóa axetandehyd nhờ có xúc tác ở nhiệt độ và áp suất cao sẽ thu được acid acetic. Giai đoạn oxy hóa axetandehyd thành acid, dùng xúc tác magan, rồi sau đó chưng cất phân đoạn ở nhiệt độ: 50 – 80 0 C để thu được acid có hiệu suất cao. Phương pháp này có giá trị thực tế khá cao, nhưng do tạo nhiều sản phẩm phụ nên làm giảm hiệu suất phản ứng. Phương pháp mới nhất hiện nay là tổng hợp từ metanol và CO bằng phản ứng cacbonyl hóa: CH 3 OH + CO CH 3 COOH 1.2.3 Phương pháp sinh học Hiện nay người ta sản xuất acid acetic chủ yếu bằng phương pháp lên men (sản phẩm là giấm ăn). So với những phương pháp khác, phương pháp lên men có những ưu điểm - Công nghệ sản xuất acid acetic hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường. 6 - Quá trình chuyển hóa (hay quá trình lên men) được thực hiện ở điều kiện rất ôn hòa, không cần nhiệt độ cao, áp suất cao hay máy móc thiết bị phức tạp - Nguyên liệu để sản xuất acid acetic bằng phương pháp lên men rất dễ kiếm. Có thể sử dụng nguyên liệu chứa đường (nước ép trái cây, nước ép dứa, nước ép mía….), có thể sử dụng nguyên liệu chứa tinh bột và có thể sử dụng cồn công nghiệp * Nếu sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột, phải qua 3 giai đoạn chuyển hóa Giai đoạn chuyển hóa tinh bột thành đường Giai đoạn chuyển đường thành cồn Giai đoạn chuyển cồn thành acid * Nếu sản xuất từ nguyên liệu chứa đường thì chỉ cần qua 2 giai đoạn Giai đoạn chuyển hóa đường thành cồn Giai đoạn chuyển cồn thành acid * Nếu sản xuất từ nguyên liệu đã chứa cồn thì ta chỉ cần tạo điều kiện thuận lợi để vi khuẩn acetic chuyển cồn thành acid acetic. Sản xuất acid acetic theo phương pháp sinh hóa thực chất là quá trình oxy hóa rượu etylic thành acid acetic nhờ một số vi khuẩn acetic khi có mặt của oxy. Từ trước đến nay đã xuất hiện 4 phương pháp: Phương pháp chậm Phương pháp nhanh Phương pháp chìm Phương pháp hỗn hợp 7 1.2.4 Phương pháp hỗn hợp Phương pháp này ra đời cùng với sự phát triển của công nghiệp hóa dầu và hóa gỗ nhằm tận dụng những phế liệu của nó, nâng cao hiệu quả kinh tế của các ngành này. Một vài quá trình của phương pháp này như sau: - Trước tiên người ta tiến hành oxy hóa các hydro cacbon thấp như propan, butan sẽ tạo thành acetandehyd, formandehyd, aceton và các sản phẩm khác. Acetandehyd được oxy hóa có xúc tác thành acid acetic. - Sau đó người ta trung hòa khối thủy phân này và tiến hành lên men để thu nhận được dung dịch chứa acid axetic. Phương pháp hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn cả phương pháp thủy phân tinh bột gỗ bằng acid (phương pháp hóa học). 1.2.5 Phân tích lựa chọn phương pháp sản xuất acid acetic: Trong bốn phương pháp sản xuất acid acetic đã nêu trên, hiện nay trên thế giới chiếm ưu thế nhất là phương pháp tổng hợp hóa học, nhất là ở những nước phát triển vì phương pháp này có hiệu quả kinh tế cao do thiết bị tương đối gọn nhẹ, năng suất cao, acid thu được có nồng độ cao và ít tạp chất. Phương pháp hóa gỗ vẫn còn được sử dụng ở những nước có nhiều gỗ nhưng sản lượng chỉ nhỏ hơn 10% tổng sản lượng acid acetic sản xuất hàng năm trên thế giới. Phương pháp hỗn hợp vẫn ở giai đoạn thăm dò chưa có quy trình nào được sử dụng rộng rãi vì hiệu quả kinh tế không cao, hệ thống phức tạp, không cạnh tranh được với acid acetic tổng hợp và hóa gỗ. Còn phương pháp sinh hóa hiện nay trên thế giới đang dùng để sản xuất giấm ăn và giấm cho công nghiệp. Ở Việt Nam, khi lựa chọn phương pháp sản xuất acid actic cần phải chú ý đến nguồn nguyên liệu, thiết bị và trình độ kỹ thuật cũng như nhu cầu sử dụng acid acetic và khuynh hướng chung của tiến bộ khoa học kỹ thuật trên thế giới. 8 Hiện nay, chưa thể đặt vấn đề sản xuất acid acetic bằng phương pháp tổng hợp vì nước ta vẫn chưa có đủ điều kiện để đáp ứng được những yêu cầu của phương pháp này. So với phương pháp tổng hợp, phương pháp hóa gỗ có đơn giản hơn về mặt quá trình và thiết bị nhưng với yêu cầu khắt khe về việc bảo vệ môi trường (đặc biệt là rừng) hiện nay thì việc tiến hành phương pháp này sẽ gặp nhiều khó khăn về mặt nguyên liệu. Việc sử dụng enzyme của vi sinh vật để sản xuất acid hữu cơ không những tận dụng được phế liệu của các ngành khác (nông nghiệp, công nghiêp thực phẩm,…) mà nó còn bảo vệ môi trường khỏi bị ô nhiễm, duy trì cân bằng sinh thái cho giới tự nhiên. Không những vậy, phương pháp này chỉ yêu cầu thiết bị đơn giản, nguyên liệu dễ kiếm, … mặc dù nó cũng có những nhược điểm là thiết bị cồng kềnh, không thu được sản phẩm có nồng độ cao. Từ những phân tích trên, so sánh các ưu – nhược điểm của các phương pháp sản xuất acid acetic, cũng như đánh giá tình hình nhu cầu và tiến bộ khoa học trong nước, luận văn chọn phương pháp sinh hóa để nghiên cứu công nghệ sản xuất acid acetic. 1.3 Sản xuất acid actic bằng phương pháp len men 1.3.1 Bản chất của quá trình lên men acid acetic Lên men acid acetic là quá trình oxy hóa cồn thành acid acetic, nhờ vi khuẩn acetic trong điều kiện hiếu khí. Chúng ta đều biết mọi quá trình muốn hoạt động được đòi hỏi phải có năng lượng. Để thực hiện được các hoạt động sống như sinh trưởng, sinh sản và phát triển của mình thì vi sinh vật cần phải có năng lượng. Quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử sinh học để thu năng lượng và các hợp chất trung gian cho tế bào sinh vật. Nhưng tế bào sống chỉ sử dụng năng lượng dưới dạng hóa năng tàng trữ trong mạch cạcbon và được phóng ra do sự chuyển electron từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác. Các phản ứng sinh hóa xảy ra trong các quá trình lên men là những phản ứng chuyển hydro. Nhưng sự chuyển hydro cũng tương đương với sự chuyển electron, vì lẽ nguyên tử hydro có thể tách thành proton H + và 9 electron. Các enzyme xúc tác quá trình tách nguyên tử hydro khỏi cơ chất gọi là enzyme dehydrogenaza. Trong quá trình lên men giấm, rượu etylic được oxy hóa thành acid acetic. Ở đây sự chuyển hydro được thực hiện nhờ sự xuất hiện của NADP (Nicotinamit ađenin dinucleotit photphat dạng oxy hóa). Hydro được NADP nhận (trở thành NADPH 2 ) được chuyển qua chuỗi hô hấp để thu năng lượng. Song cơ chất không bị phân giải hoàn toàn nên được gọi là quá trình oxy hóa không hoàn toàn. 1.3.2 Cơ chế phản ứng của quá trình lên men acid acetic Lên men giấm là quá trình oxy hoá rượu etylic thành acid acetic nhờ có enzyme alcohol oxydaza xúc tác trong điều kiện hiếu khí: CH 3 CH 2 OH + O 2 = CH 3 OOH + H 2 O + 117 kcal Để chuyển hoá thành acid acetic, rượu và oxy phải thâm nhập vào tế bào vi khuẩn, ở đây nhờ có enzyme của vi khuẩn xúc tác, rượu được chuyển hoá thành acid acetic theo một quá trình sau: CH 3 CH 2 OH + ½ O 2 = CH 3 CHO + H 2 O CH 3 CHO + H 2 O = CH 3 CH(OH) 2 CH 3 CH(OH) 2 + 1/2O 2 = CH 3 COOH + H 2 O Acid acetic tạo thành sẽ thoát ra khỏi tế bào của vi khuẩn và đi vào môi trường. Khi môi trường hết rượu thì vi khuẩn giấm sẽ oxy hoá acid acetic thành CO 2 và H 2 O theo phương trình sau: CH 3 COOH + 2O 2 = 2CO 2 + 2H 2 O Đây chính là sự “quá oxy hoá” rất có hại cho quá trình lên men giấm. Vì vậy, trong dịch lên men phải còn dư một lượng rượu khoảng 0,3-0,5% để đảm bảo không bao giờ cho oxy hoá hết rượu nhầm tránh hiện tượng “quá oxy hóa”. 10 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men acid acetic 1.3.3.1 Ảnh hưởng của oxy (sự thoáng khí) Theo cơ chế phản ứng ta nhận thấy phản ứng giấm hóa là phản ứng oxy hóa, trong đó oxyl đóng vai trò chất nhận hydro, nên sự có mặt của oxyl đóng vai trò quan trọng trong quá trình lên men. Phương trình tổng quát: C 2 H 5 OH + O 2 CH 3 COOH + H 2 O + 117Kcal Ta thấy về mặt lý thuyết, để oxy hóa hết 1 mol rượu thì cần 1 mol oxy tự do, tức là để oxyl hóa hết 1kg rượu khan cần 2,3m 3 không khí ở điều kiện tiêu chuẩn. trong sản xuất, điều kiện thoáng khí càng tốt thì quá trình lên men càng nhanh. Trong phương pháp chậm, dịch lên men tiếp xúc với không khí và hấp thụ oxy qua bề mặt thoáng . Do hạn chế của bề mặt tiếp xúc nên phương pháp này chậm, năng suất thấp. Trong phương pháp nhanh, do được bổ sung các vật liệu xốp (vỏ bào, than gỗ, cốc…) nên làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa môi trường dinh dưỡng và không khí, cải thiện điều kiện không khí do đó thúc đẩy quá trình lên men. Ở phương pháp chìm thì người ta sục khí mạnh liên tục qua dung dịch lên men nhờ đó đã phân tán đều không khí vào môi trường lên men, tạo nên bề mặt tiếp xúc pha lớn làm tăng quá trình lên men. Như vậy, phương pháp nào tạo được bề mặt tiếp xúc pha giữa không khí và dịch lên men lớn hơn sẽ là phương pháp có hiệu quả và năng suất cao hơn. 1.3.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật và hiệu quả lên men. Vì vậy, trong thực tế sản xuất, người ta sử dụng yếu tố này để điều chỉnh vận tốc phản ứng. Nhiệt độ thích hợp để vi khuẩn giấm sinh trưởng và phát triển đối với mỗi loài vi khuẩn khác nhau. - Đối với vi khuẩn Acetobacter Aceti phát triển tốt trong khoảng 25-30 0 C. . nước, luận văn chọn phương pháp sinh hóa để nghiên cứu công nghệ sản xuất acid acetic. 1.3 Sản xuất acid actic bằng phương pháp len men 1.3.1 Bản chất của quá trình lên men acid acetic Lên men. người ta sản xuất acid acetic chủ yếu bằng phương pháp lên men (sản phẩm là giấm ăn). So với những phương pháp khác, phương pháp lên men có những ưu điểm - Công nghệ sản xuất acid acetic hoàn. oxy. Từ trước đến nay đã xuất hiện 4 phương pháp: Phương pháp chậm Phương pháp nhanh Phương pháp chìm Phương pháp hỗn hợp 7 1 .2. 4 Phương pháp hỗn hợp Phương pháp này ra đời cùng