MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Acid acetic là một hoá chất có giá trò kinh tế cao, nó được ứng dụng nhiều trong công nghiệp như: công nghiệp tổng hợp hữu cơ, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp chế biến mủ cao su,… cho nên nhu cầu ngày càng tăng. Ở nước ta hiện nay, việc sản xuất acid acetic chủ yếu chỉ bằng phương pháp truyền thống với qui mô nhỏ phục vụ cho công nghiệp thực phẩm. Với qui mô này thì không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng ở nước ta trong các ngành công nghiệp, nhất là ngành công nghiệp chế biến mủ cao su. Vì thế việc tìm kiếm phương pháp để nâng cao hiệu quả trong sản xuất acid acetic là điều cần thiết. Nguồn nguyên liệu để sản xuất acid acetic rất phong phú như: mật rỉ, nước hoa quả chín, tinh bột, cồn và các loại có chứa cellulose như gỗ,…. Việt Nam là nước nông nghiệp có khí hậu nhiệt đới nên các nguyên liệu này rất dồi dào, đặc biệt là quả điều. Điều được trồng chủ yếu để lấy hạt, nhưng hạt chỉ chiếm 15% khối lượng cả trái điều còn phần trái chiếm tỷ lệ lớn (85%) nhưng không được sử dụng một cách có hiệu quả. Nước ép quả điều có hàm lượng đường, khoáng vi lượng, đa lượng, các vitamin cao rất thích hợp cho các quá trình lên men vi sinh, vì thế có thể dùng để sản xuất acid acetic rất thích hợp. Tuy nhiên, nước điều chứa hàm lượng tanin cao (0,2 – 0,4%) ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật, gây vò chát mạnh cho sản phẩm, cho nên cần phải loại bỏ ra khỏi dòch ép trái điều. Nhằm mục đích nâng cao hiệu quả sản xuất, tận dụng nguồn nguyên liệu dồi dào trong nước (nước ép trái điều) và tìm kiếm vật liệu ở trong nước làm chất mang vi khuẩn giấm để thay thế cho gỗ sồi trong phương pháp lên men nhanh, được sự đồng ý của Bộ môn Công Nghệ Sinh Học, Trường Đại Học Nông Lâm TP.Hồ Chí Minh và sự hướng dẫn tận tình của TS. Trònh Văn Dũng – giảng viên Trường Đại Học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh, chúng tôi tiến hành đề tài “nghiên cứu lên men acid acetic bằng dòch ép trái điều” 1 1.2 Mục đích yêu cầu - Khảo sát phương pháp xử lý nguyên liệu: tách tanin ra khỏi dòch ép trái điều bằng gelatin nhằm tìm ra hàm lượng gelatin thích hợp, có hiệu quả trong xử lý nguyên liệu cho quá trình lên men giấm. - Khảo sát lên men giấm từ nước ép trái điều theo phương pháp lên men chậm và lên men nhanh. - Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men giấm theo phương pháp chậm và lên men nhanh. - Khảo sát khả năng thay thế của thân tre làm chất mang vi khuẩn acid acetic. 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Tính chất và ứng dụng của acid acetic 2.1.1 Các tính chất hoá lý của acid acetic 2.1.1.1 Các tính chất vật lý - Acid acetic (ethanoid acid) có công thức phân tử CH 3 COOH, khối lượng phân tử 60,5 kg/mol. Nó là một chất lỏng không màu, có mùi hăng, vò chua, có khả năng hút ẩm từ không khí. Nhiệt độ nóng chảy 16,63 o C, nhiệt độ sôi 118,1 o C, tỷ trọng d 20 =1,0492, chỉ số khúc xạ n b 20 =1,3718, độ nhớt ở 20 o C là 1,21.10 -3 N.s/m 2 , acid acetic là acid yếu có hằng số phân ly nhiệt động ở 25 o C là k=1,75.10 -5 - Acid acetic tan trong nước và các dung môi thường (rượu, aceton, cloruafooc,…) với bất kỳ tỷ lệ nào. Và chính nó cũng là dung môi tốt cho nhiều hợp chất hữu cơ (nhựa, tinh dầu,…), đặc biệt acid acetic hòa tan tốt ngay cả cellulose và các hợp chất của nó, tính chất này không có ở các acid cùng dãy đồng đẳng với 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. Trong dung dòch 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 hydro giữa các phân tử với nhau. Khi hòa tan trong nước thì tỷ trọng tăng do giảm thể tích, sự giảm thể tích lớn nhất xảy ra khi cho1 mol acid tác dụng với 2 mol nước, nhận được dung dòch chứa 62,5% acid có công thức CH 3 COOH.(H 2 O) 2 . 2.1.1.2 Tính chất hóa học Các tính chất hóa học của acid acetic được qui đònh bởi sự có mặt của nhóm cacboxyl trong phân tử. Acid acetic có khả năng trung hoà các bazơ, oxit bazơ, đẩy acid cacbonic ra khỏi muối của nó: CH 3 COOH CH 3 COO - + H + 2CH 3 COOH + Ca(OH) 2 (CH 3 COO) 2 Ca + 2H 2 O 3 2CH 3 COOH + CaO (CH 3 COO) 2 Ca + H 2 O 2CH 3 COOH + CaCO 3 (CH 3 COO) 2 Ca + CO 2 + H 2 O Các kim loại tự do có thể thay thế hydro trong acid acetic: CH 3 COOH + Na CH 3 COONa + 1/2H 2 Acid acetic bền với các tác nhân oxi hóa mạnh như cromit, permanganat kali. Tính chất được ứng dụng để tinh chế acid acetic ra khỏi các tạp chất hữu cơ. Hơi acid có thể chòu nhiệt đến 400 o C, khi đun nóng quá 420 o C thì hơi này bò phân huỷ thành aceton, cacbonic và nước: CH 3 COOH (CH 3 ) 2 CO + CO 2 + H 2 O (t o > 420 o C) Khi có mặt các muối của acid sunfuric thì hơi acid acetic bò phân huỷ mạnh trên 300 o C tạo thành methanol và oxit cacbon: CH 3 COOH CH 3 OH + CO Hơi acid acetic cháy trong không khí với ngọn lửa sáng xanh tạo thành cacbonic và nước: CH 3 COOH + 2O 2 2CO 2 + 2H 2 O (xúc tác, t o > 300 o C) Acid acetic tạo với các acid mạnh thành một hợp chất kép dạng [CH 3 COOH].X, trong đó X là cation acid, và pha loãng thì phản ứng với acid nitric bốc khói tạo thành diacetylnitric CH 3 COOH + H 2 SO 4 [ CH 3 COOH].[SO 4 H 2 ] CH 3 COOH + SO 3 CH 2 SO 3 HCOOH 2CH 3 COOH + HNO 3 ( CH 3 COO) 2 N(OH) 3 Acid acetic tạo với acid hypocloric phức chất có thành phần CH 3 COOH.HClO 4 và 2CH 3 COOH.HClO 4 , tạo với bậc ba các muối acid có dạng R 3 NCH 3 COOH, đồng thời nó phản ứng với cacbonat amon và xyanua| 4 2CH 3 COOH + H 2 NCONH 2 2CH 3 CONH 2 + H 2 O + CO 2 CH 3 COOH + H 2 NCN CH 3 CONHCONH 2 2.1.2 Ứng dụng của acid acetic 2.1.2 Ứng dụng trong ngành cao su Trong ngành công nghiệp cao su, acid acetic là chất có vai trò quan trọng dùng để đông tụ mủ cao su. Để bảo vệ mủ nước không bò đông đặc trước khi về đến nhà máy chế biến, người ta cho thêm vào mủ nước những chất chống đông, thường là dung dòch NH 3 . Thời điểm cho amoniac vào mủ là lúc trút mủ vào xô, thùng,….Tuỳ theo chủng loại yêu cầu sản xuất mà ta chọn cách đánh đông khác nhau. Mủ được pha loãng với nước đến nồng độ cao su khô (DRC) khoảng 14%, pH = 7. Tuy nhiên, tùy theo hệ thống máy cán ép mà có thể thay đổi độ pH hoặc DRC theo yêu cầu của từng tấm cao su cán ra. Sau khi đã pha loãng và khuấy trộn mủ, người ta thêm vào một lượng dung dòch acid acetic (có nồng độ 2,5%). Lượng acid acetic được dùng thay đổi từ 3,5 - 10 kg/tấn cao su khô. Trong khi đánh đông phải luôn khuấy dung dòch mủ nước để acid phân tán đều trong mủ. Bọt được vớt đi trước khi cho mủ vào đánh đông. Ở Việt Nam hiện nay, mỗi năm sản xuất khoảng 172.000 tấn cao su, như vậy lượng acid sử dụng là rất lớn. 2.1.2.2 Ứng dụng trong ngành công nghiệp khác Acid acetic được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất như: làm sản phẩm trung gian để tổng hợp acid monocloacetic, etylacetat, butylacetat, cellulose acetat, aceton, trong công nghiệp cao su (điều chế vinylacetat) tổng hợp nhựa PVA, trong dược phẩm (điều chế aspirin), trong công nghiệp thực phẩm (dùng làm giấm ăn, sản xuất bánh kẹo,…) 5 Khi các ngành công nghiệp thực phẩm và hoá học càng phát triển thì acid acetic càng được sử dụng rộng rãi, nhất là những năm gần đây. Ví dụ như sản xuất màng tơ nhân tạo trên cơ sở acetat cellulose, các chất tẩy màu, thuốc sát trùng, dược phẩm chất thơm, nhựa, sơn, … trên cơ sở các muối và dẫn xuất của nó. Và ngày nay, acid acetic và các dẫn xuất của nó đã được nghiên cứu và ứng dụng cho các ngành công nghệ như sản xuất phim ảnh không cháy, thuỷ tinh không vỡ 2.2 Các phương pháp sản xuất acid acetic Acid acetic được sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng chủ yếu bằng bốn phương pháp sau: -Phương pháp hóa học -Phương pháp hóa gỗ -Phương pháp vi sinh -Phương pháp hỗn hợp 2.2.1 Sản xuất acid acetic bằng 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 acetaldehyt, oxy hóa acetaldehyt nhờ có xúc tác ở nhiệt độ và áp xuất cao sẽ thu được acid acetic 2 2 1 22 2 O CH CH OH + CH CH CH 3 CHO 2 O CH 3 COOH Giai đoạn oxy hoá acetaldehyt thành acid, dùng xúc tác Mangan, t o = 50 - 80 o C để điều chế acid có hiệu suất cao. Phương pháp có giá trò thực tế khá cao nhưng do tạo nhiều sản phẩm phụ nên làm giảm hiệu suất phản ứng. 6 Phương pháp mới nhất hiện nay là tổng hợp từ methanol và CO bằng phản ứng cacbonyl hóa CH 3 OH + CO CH 3 COOH 2.2.2 Sản xuất acid acetic bằng phương pháp hóa gỗ Phương pháp này được phát triển mạnh cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp khai thác và chế biến gỗ theo 3 hướng sau: -Sản xuất acid acetic từ giấm gỗ: khi chưng phân hủy gỗ người ta thu được giấm gỗ, đó là dung dòch có chứa acid acetic, metanol, hắc ín với một số hợp chất hữu cơ khác với hàm lượng các chất tuỳ thuộc vào giống gỗ, tuổi thọ và độ ẩm của gỗ,…. Từ giấm gỗ, tách được acid acetic bằng muối kim loại hay bằng một trong các quá trình tách trực tiếp - Sản xuất acid acetic từ bột gỗ: Trong quá trình chưng cất gỗ cho bay hơi lên đi qua nước vôi ta thu được muối của acid acetic (canxi acetat) ít tan, kết tủa cùng với các hợp chất khác gọi là bột giấm gỗ. Phân huỷ bột giấm gỗ bằng H 2 SO 4 hay HCl sau đó lọc sạch và thu acid acetic bằng cách chưng cất. -Tách acid acetic trực tiếp từ nước ngưng tụ khi chưng gỗ Để tách acid acetic từ bột giấm gỗ cần tiêu tốn nhiều vật liệu phụ, nhiên liệu và năng lượng khá lớn nên tìm cách tách acid acetic trực tiếp từ nước ngưng khi chưng gỗ như sau: Sau khi ngưng tụ hơi chưng gỗ, để lắng và tách ra được hai lớp: + Lớp nhẹ ở trên là chất lỏng chứa lượng acid acetic không đáng kể + Lớp dưới chính là nhựa do acid acetic cùng với một số chất khác keo tụ lại, đem gia công nó người ta thu được acid acetic và nhiều chất khác. 7 2.2.3 Sản xuất acid acetic bằng phương pháp vi sinh Việc ứng dụng các quá trình có vi sinh vật tham gia để sản xuất rượu,bia, muối dưa, làm tương,… đã được con người phát hiện và sử dụng từ xa xưa. Đến cuối thế kỉ XVII, con người đã phát hiện ra vi sinh vật nhưng thực tế phải sau những cống hiến của Louis Pasteur thì khoa học về vi sinh mới chính thức ra đời. Ngày nay, trong lónh vực khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuật thực phẩm nói riêng, ngành vi sinh vật đã và đang là cơ sở cho kỹ thuật sản xuất nhiều thực phẩm, dược phẩm,… Vi sinh vật có khả năng phát triển kỳ diệu và có khả năng xúc tác đặc hiệu các phản ứng hóa học nhất đònh nhờ các enzym có trong cơ thể chúng. Nhờ các enzym này, nhiều phản ứng hóa học rất khó xảy ra ở điều kiện thường lại có thể xảy ra ngay trong cơ thể vi sinh vật ở diều kiện bình thường về áp suất, nhiệt độ, pH và xảy ra với tốc độ rất cao. Không những vậy, enzym của vi sinh vật có thể tác dụng ngay với một nồng độ rất thấp của cơ chất mà ít sinh ra các sản phẩm phụ, chính vì vậy nó tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiến hành các quá trình sản xuất công nghiệp. Trên cơ sở các công trình nghiên cứu đã phát hiện ra những đặc tính của vi sinh vật, đặc biệt là tính sinh tổng hợp cao, vi sinh vật ngày càng được ứng dụng rộng rãi vào nhiều ngành công nghiệp mới như sinh tổng hợp các acid amin, sinh tổng hợp các acid hữu cơ, sinh tổng hợp các thuốc kháng sinh, sản xuất các chế phẩm enzyme,… Bên cạnh sự phát triển của ngành vi sinh vật học, công nghệ sản xuất acid acetic theo phương pháp vi sinh ngày càng được hoàn thiện về qui trình công nghệ với những chủng vi sinh vật có khả năng oxy hóa rượu cao. 8 Sản xuất acid acetic theo phương pháp vi sinh thực chất là quá trình oxy hóa rượu ethylic thành acid acetic nhờ một số nhóm vi khuẩn acetic khi có mặt của oxy. 2.2.4 Sản xuất acid acetic bằng phương pháp hỗn hợp Phương pháp này 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: - Oxy hóa các hydrocacbon thấp như propan, butan sẽ tạo thành acetaldehyt, formandehyt, aceton và các sản phẩm khác. Acetaldehyt được oxy hóa có xúc tác thành acid acetic - Trong quá trình sản xuất nhiên liệu từ than đá và khí tự nhiên sẽ thu được acid acetic và các sản phẩm khác - Dùng phương pháp thủy phân gỗ bằng acid (hay muối acid) cùng vời một số chất khác ở nhiệt độ và áp suất nhất đònh sẽ thu được bột cellulose và dung dòch gồm nhiều chất như acid acetic, etanol,…. Đem lên men dung dòch này và tách acid acetic từ dung dòch lên men này. 2.2.5 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 các nước phát triển vì phương pháp này có hiệu quả kinh tế cao do thiết bò tương đối gọn nhẹ, năng suất cao, acid thu được có nồng độ cao và ít tạp chất. Phương pháp hỗn hợp vẫn còn ở giai đoạn thăm dò chưa có qui 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. Phương pháp hóa gỗ vẫn còn được sử dụng ở những nước có nhiều gỗ và nói chung trong khuôn khổ tổng hợp sử dụng gỗ, nhưng sản lượng của phương pháp này chỉ chiếm 10% tổng sản lượng acid acetic sản xuất hàng năm trên thế giới. 9 Còn phương pháp sinh hóa hiện nay trên thế giới đang dùng để sản xuất giấm ăn và giấm cho công nghiệp thực phẩm. Ở Việt Nam, khi lựa chọn phương pháp sản xuất acid acetic phải chú ý nguồn nguyên liệu, thiết bò 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. Ở các nước phát triển, acid acetic được dùng chủ yếu trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ vì vậy yêu cầu acid acetic phải có nồng độ cao, sạch, ít tạp chất. Ngoài việc dùng làm giấm ăn, hiện nay acid acetic còn được dùng làm vật liệu phụ trong công nghiệp sản xuất cao su thô, do đó nồng độ không cần cao lắm nhưng vấn đề tạp chất đòi hỏi rất khắt khe. 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 bò nhưng với yêu cầu khắt khe về mặt bảo vệ môi trường hiện nay thì việc tiến hành phương pháp nàysẽ gặp nhiều khó khăn về mặt nguyên liệu. Trong khi đó công nghệ vi sinh hiện nay và trong tương lai phát triển mạnh mẽ, đã và là cơ sở của ngành sản xuất như sinh tổng hợp các acid amin, thuốc kháng sinh, các acid hữu cơ,…đó là nhờ khả năng phát triển kỳ diệu của vi sinh vật và khả năng xúc tác đặc hiệu các phản ứng hóa học của enzym có trong cơ thể vi sinh vật. Bên cạnh đó, việc sử dụng enzym để sản xuất acid hữu cơ không những tận dụng được nguồn phế liệu của ngành khác (nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm,…) mà nó còn bảo vệ gia đình khỏi bò ô nhiễm, duy trì cân bằng sinh thái cho giới hạn tự nhiên. Không những vậy, phương pháp này chỉ yêu cầu thiết bò đơn giản, nguyên liệu dễ kiếm,…mặc dù nó cũng có những nhược điểm là thiết bò cồng kềnh, không thu được sản phẩm có nồng độ cao. 10 . tiến hành đề tài nghiên cứu lên men acid acetic bằng dòch ép trái điều 1 1 .2 Mục đích yêu cầu - Khảo sát phương pháp xử lý nguyên liệu: tách tanin ra khỏi dòch ép trái điều bằng gelatin nhằm. cacbonat amon và xyanua| 4 2CH 3 COOH + H 2 NCONH 2 2CH 3 CONH 2 + H 2 O + CO 2 CH 3 COOH + H 2 NCN CH 3 CONHCONH 2 2. 1 .2 Ứng dụng của acid acetic 2. 1 .2 Ứng dụng trong ngành cao su. (CH 3 COO) 2 Ca + H 2 O 2CH 3 COOH + CaCO 3 (CH 3 COO) 2 Ca + CO 2 + H 2 O Các kim loại tự do có thể thay thế hydro trong acid acetic: CH 3 COOH + Na CH 3 COONa + 1/2H 2 Acid acetic