LÊN MEN ETHANOL TRONG HỆ THỐNG IMMOBILIZED CELL REACTOR (ICR) BẰNG SACCHAROMYCES CEREVIASIAE

Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, với nhu cầu phát triển của xã hội ngày càng cao. Đòi hỏi sự đáp ứng vật chất nhu cầu phải được đầy đủ… để có những đáp ứng vật chất này thì đòi hỏi cần có nguồn năng lượng để sản xuất. Trong khi đó, nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt không thể tái sinh… Do vậy, chúng ta phải tìm những nguồn năng lượng khác để thay thế phục vụ cho sản xuất và nhu cầu đời sống của xã hội. Để giảm bớt nguồn nhiên liệu từ hóa thạch, chúng ta phải sử dụng nguồn năng lượng khác có thể tái sinh, tiện lợi và an toàn (Chum và Overend,2001). Các nguồn năng lượng thì rất nhiều như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thủy điện….trong mỗi lĩnh vực thì có những nghiên cứu và thành công nhất định cơ bản. Với yêu cầu trong môn học thì ta chú ý đến lĩnh vực tạo nguồn nhiên liệu để cung cấp năng lượng bằng con đường sinh học. Mà trong đó vi sinh vật sản xuất ethanol được chú ý và được xem như là nguồn nhiên liệu cho tương lai khi mà nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Vài vi sinh vật Clostridium sp….mà sự hiểu biết tốt nhất là về nấm men sản xuất ethanol. Saccharomyces cerevisiae và Zymomonas mobilis được chú ý để cho sản xuất ethanol (Flickinger và drew, 1999: Gunasekaran và Raj, 2001). Trong con đường tạo năng lượng bằng con đường sinh học chủ yếu là quá trình lên men, lên men có thể liên tục, bán liên tục và theo mẻ. Hiện nay, ta chú ý nguồn năng lượng ethanol là chủ yếu. Quá trình lên men theo mẻ của S cerevisiae có những ảnh hưởng bởi những thông số khác nhau về tỷ lệ sinh trưởng hay có sự ức chế của sản phẩm hoặc là ức chế của cơ chất. Quá trình lên men của S. cerevisiae có những điều kiện tối ưu riêng. Từ những yều cầu trên chúng ta cần có những đề tài về nghiên cứu sản xuất ethanol sao cho có năng suất cao và hiệu quả nhất. Chương 2: 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. Biofuel Nhiên liệu sinh học (còn được gọi là nhiên liệu từ nông nghiệp – agrofuel) theo định nghĩa rộng là những nhiên liệu rắn, lỏng hay khí được chuyển hóa từ sinh khối. Tuy nhiên, phần này chỉ đề cầp chính đến nhiên liệu sinh học dạng lỏng được sản xuất từ sinh khối. Nói chung, nhiên liệu sinh học mang lại những lợi ích sau: Giảm khí thải nhà kính, giảm gánh nặng lên nhiên liệu hóa thạch, tăng sự an toàn về năng lượng quốc gia, góp phần phát triển nông thôn và là một nguồn năng lượng bền vững trong tương lai. Ngược lại, nhiên liệu sinh học cũng có một số hạn chế: nguồn nguyên liệu phải được tái tạo nhanh, công nghệ sản xuất phải được thiết kế và tiến hành sao cho cung cấp lượng nhiên liệu lớn nhất với giá thấp nhất và mang lại lợi ích về môi trường nhất. Nhiên liệu sinh học và những dạng nhiên liệu tái tạo khác nhắm đến tính chất trung tính về carbon. Điều này có nghĩa là carbon được thải ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu để cung cấp năng lượng vận chuyển hay sinh điện năng được tái hấp thụ và cân bằng với lượng carbon hấp thụ bởi cây cối. Những cây này sau đó lại được thu hoạch để tiếp tục sản xuất nhiên liệu. Những nhiên liệu trung tính về carbon không gây ra sự tăng carbon trong khí quyển, vì thế không góp phần vào hiệu ứng trái đất nóng lên. Sau đây là một số các loại nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên theo phân loại của tự điển bách khoa toàn thư trực tuyến Wikipedia.org:  Dầu thực vật: Dầu thực vật có thể dùng để làm nhiên liệu sử dụng cho rất nhiều những loại động cơ diesel đời cũ, và chỉ ở điều kiện khí hậu ấm áp. Trong đa số trường hợp, dầu thực vật được sử dụng để sản xuất biodiesel.  Biodiesel: Được sản xuất từ dầu hoặc chất béo qua quá trình tranesterification và là một chất lỏng giống như diesel từ dầu mỏ.  Bioalcohols: Là những rượu được sản xuất từ quá trình lên men sinh học.  Bioalcohols phổ biến là ethanol, rồi đến propanol và butanol.  Biogas: Biogas được sinh ra từ quá trình tiêu hủy kỵ khí các chất hữu cơ bởi các vi sinh vật kỵ khí. Sản phẩm phụ dạng rắn từ quá trình này có thể được sử dụng làm 2 nhiên liệu hoặc phân bón. Biogas chứa chủ yếu là methane. Nhiên liệu sinh học dạng rắn: Ví dụ như: gỗ, than hoặc phân khô. Cũng theo tự điển Wikipedia.org, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ 2 bao gồm:  BioHydrogen: Là khí Hydro được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh khối. BioHydrogen được dùng trong pin nhiên liệu (fuel cell).  DMF: Được sản xuất DMF từ fructose và glucose sử dụng công nghệ sinh khối- nhiên liệu lỏng có xúc tác.  Bio-DME: Là DME được sản xuất từ biomethanol qua quá trình dehydration có xúc tác, được sử dụng trong động cơ khí nén.  Biomethanol: Methanol được sản xuất từ sinh khối, có thể được pha vào dầu đến 10-20% mà không làm thay đổi tính chất cơ bản của dầu. Để đảm bảo an ninh năng lượng bảo vệ môi trường phát triển bền vững, nhiều quốc gia và các tổ chức quốc tế trong vài thập kỉ qua đã tập trung nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch, tiến tới xây dựng ngành “nhiên liệu sạch” ở quốc gia mình. Các nước đã có thành công nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học là Brazil, Mỹ, Canada, Mexico, Châu Âu có Anh, Pháp, Đức, Tây Ban Nha, Bỉ, Áo…Châu Á có Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Nhật. Sở dĩ nhiều nước đẩy nhanh chương trình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học vì đã cam kết thực hiện nghị định Kyoto về cắt giảm khí nhà kính và để đảm bảo an ninh năng lượng khi nguồn dầu mỏ trở nên đắt đỏ và sẽ cạn dần cuối thế kỷ này. 2.2. Ethanol nhiên liệu 2.2.1. Lịch sử ethanol nhiên liệu Nguyên mẫu đầu tiên của động cơ đốt trong được đưa ra bởi Samuel Morey. USA. 1826. Điều này được xem là sự bắt đầu của động cơ gasoline nhưng thực tế ông sử dụng ethanol để cấp nguồn năng lượng cho động cơ. Năm 1908, Henry Ford xây dựng mô hình nổi tiếng về xe ô tô chạy bằng ethanol. Cuối cùng, công nghiệp dầu mỏ “chiến thắng” trong sự cạnh tranh với ethanol. Sự thúc đẩy “thương mại hóa” ethanol trong giao thông vận tải phát triển trong suốt thập niên 1970. Cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 và cuộc cách mạng của người Iran vào năm 1978 làm cho giá của dầu gia tăng một cách nhanh chóng, ảnh hưởng lớn đến vấn đề an ninh năng lượng quốc gia. Ethanol nhiên liệu 3 trở nên có giá trị. Tại thời điểm này, cơ quan bảo vệ môi trường (EPA) đã tìm kiếm một chất thay thế cho chì trong gasoline để gia tăng chỉ số octane. Ethanol sớm thiết lập một chỗ đứng vững mạnh trong việc gia tăng chỉ số octane. Một động cơ khác thúc đẩy công nghệ sản xuất ethanol ở Mỹ trong suốt những năm 80, đó là khi giá bắp hạ thấp. Các nhà lập pháp Mỹ xem ethanol từ bắp là một phương tiện để ổn định thu nhập của nông nghiệp. 2.2.2. Ứng dụng của ethanol nhiên liệu Gasohol còn gọi là xăng sinh học được chế tạo từ hỗn hợp ethanol khan 99,5% pha xăng tỷ lệ 5, 10, 20 hoặc 40% ethanol khan, với hỗn hợp ethanol trong gasohol khoảng 10-20% thì không cần cải tạo động cơ. Khi xem xét ứng dụng hiện nay của bioethanol, hiển nhiên cần bắt đầu từ Brazil. Brazil đã thành công trong việc sản xuất bioethanol theo quy mô công nghiệp từ những năm 1970 khi nước này phụ thuộc nặng nề vào dầu nhập khẩu. Lệnh cấm vận dầu mỏ của Trung Đông đã bắt buộc Brazil phải tìm kiếm những những nguồn nhiên liệu vững bền hơn cho nhu cầu năng lượng của đất nước. Tuy rằng có những vấn đề nảy sinh, nhưng chương trình này của Brazil được xem như một mô hình thành công trong việc phát triển bền vững. Ngày nay, toàn bộ xe hơi ở Brazil sử dụng xăng có pha ít nhất 25% ethanol, và 60% số xe có khả năng “linh động về nhiên liệu” (có thể sử dụng 100% ethanol làm nhiên liệu). Brazil sản xuất bioethanol hầu như chỉ từ cây mía. Trong mô hình này, mỗi tấn mía cho năng suất 72 lít ethanol. Loại ethanol này có thể được tinh lọc thêm để pha vào xăng, hoặc dùng làm ethanol nhiên liệu tinh. Rõ ràng con số này cho thấy có rất nhiều thành phần không được sử dụng trong quá trình chuyển hóa biomass thành ethanol. Hầu hết những thành phần này là hemicellulose và cellulose. Nước Mỹ đang bám theo Brazil và đầu tư mạnh vào sản xuất nhiên liệu sinh học. Hiện tại Mỹ đang sử dụng toàn bộ xăng có pha 10% ethanol, với những cải tiến nhằm tăng tỉ số này. Đa phần mọi phương tiện bán ở Mỹ đều phải có động cơ linh hoạt về nhiên liệu. Liên minh Châu Âu cũng đã tiến đến việc khuyến khích năng lượng tái sinh cho tương lai với những đạo luật về điều khoản sử dụng phương tiện giao thông tối thiểu cho các nước thành viên. Trong tương lai, Colombia bắt buộc những thành phố có dân số trên 500.000 dân phải bán xăng có pha 10% ethanol. Ở Venezuela, công ty dầu quốc gia đang hỗ trợ dự án xây dựng 15 nhà máy chế cồn từ mía 4 trong 5 năm tới khi chính phủ sắp ban hành đạo luật bắt buộc sử dụng xăng E10 (pha 10% ethanol). Chính phủ Canada nhắm đến việc 45% xăng trong cả nước có pha 10% ethanol vào năm 2010. Ở Đông Nam Á, Thái Lan đã ban hành luật cho việc sử dụng xăng pha 10% ethanol bắt đầu từ 2007. Ở Ấn Độ, một chương trình bioethanol đã kêu gọi người dân sử dụng xăng E5 trên cả nước, tiến tới việc sử dụng xăng E10 và E20. 2.3. Tình hình ethanol nhiên liệu ở Việt Nam Ở Việt Nam, công nghiệp sản xuất ethanol đã được hình thành từ rất lâu. Phần đông ethanol sản xuất từ rỉ đường mía, dùng làm ethanol cho thực phẩm và công nghiệp. Tổng cộng năng suất là 25 triệu Lit/năm, trong đó có 3 nhà máy sản xuất 15000 – 30000 Lit/ngày là nhà máy đường Lam Sơn, nhà máy đường Hiệp Hoà và nhà máy rượu Bình Tây và hàng trăm cơ sở sản xuất 3000 – 5000 Lit/ngày. Cho đến thời điểm này, ethanol nhiên liệu vẫn chưa được tiêu thụ trên thị trường. Tuy nhiên, có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện trong lĩnh vực này. Điển hình là sự hợp tác giữa Công ty rượu Bình Tây, Saigon Petro và Công ty Nguyễn Chí từ năm 2005. Các doanh nghiệp này đã triễn khai 5 đề tài: gasohol từ cồn công nghiệp (cồn 96%), gasohol từ cồn khan (cồn 99,5%), đầu tư nhà máy sản xuất gasohol, đầu tư nhà máy sản xuất cồn công nghiệp, đầu tư nhà máy sản xuất cồn khan. Tất cả nhằm mục đích đưa xăng sinh học với tỉ lệ 10-12% vào thị trường năng lượng. 2.4. Triển vọng ethanol tương lai Cần có những nghiên cứu để tăng hiệu quả của bioethanol cũng như của quá trình chuyển hóa biomass thành nhiên liệu bền vững để thay thế xăng dầu. Điều này có lien quan đến việc giảm chi phí chuyển hóa, tăng năng suất và tăng sự đa dạng của các nguồn nguyên liệu có thể sử dụng. Hướng đi cho những nghiên cứu để phát triển và cải tiến bioethanol là tìm những phương pháp chuyển hóa hemicellulose thành đường để lên men. Một khía cạnh rất thú vị, và cũng được nghiên cứu trong đề tài này, là quá trình đường hóa và lên men đồng thời (SSF). Những phương pháp hiện nay có thể đạt được hiệu suất 50 – 72% ethanol cho mỗi gam glucose, giới hạn bởi khả năng chịu ảnh hưởng của nấm men đối với ethanol. Điều này dẫn đến hướng khả thi nghiên cứu những chủng nấm men có khả năng chịu ức chế tốt hơn. Ở khía cạnh này, công nghệ sinh học và vi sinh sẽ đóng vai trò rất quan trọng trong công nghệ gene, không chỉ ở việc phát triển nấm men, mà còn 5 ở việc phát triển những giống vi sinh vật khác có khả năng chuyển hóa cellulose và lignin tạo thành đường và lên men ethanol. 2.5. Cố định tế bào 2.5.1. Các đặt tính của sự cố định Sự cố định tế bào sinh vật được xác định như là quá trình gắn tế bào sinh vật vào pha riêng biệt tách khỏi pha tự do của dung dịch nhưng vẫn có khả năng trao đổi chất với các phân tử cơ chất có mặt trong pha tự do nói trên. Pha chứa tế bào thông thường không tan trong nước và là polymer cao phân tử có tính ưa nước hoặc hệ thống của chúng. Tế bào vi sinh vật cố định được sử dụng trong các phản ứng enzyme khác nhau, chúng có thể thực hiện từng phản ứng xúc tác riêng biệt hoặc hệ thống các phản ứng enzyme, bao gồm các phản ứng liên kết tương hỗ với nhau, trong đó một phản ứng này đảm bảo cho diễn biến của phản ứng khác. Các tế bào sinh vật cố định có phổ hoạt động rộng hơn và các quá trình do tế bào sinh vật cố định thực hiện thông thường rẻ hơn so với quá trình tương ứng do enzyme cố định thực hiện. Phương pháp cố định tế bào phải đơn giản, độ lặp lại lớn, không gây biến tính, phải cho phép dễ dàng kiểm soát được số lượng tế bào cố định và các tế bào không bị rửa trôi khỏi chất mang trong quá trình sử dụng hoặc bảo quản. Sự cố định tế bào, enzym hay chất xúc tác đã được nghiên cứu rộng trong suốt 20 năm qua do sự tiềm ẩn ngày càng tăng trong các lĩnh vực rộng lớn, bao gồm cả y học, thực phẩm, nông hoá học, môi trường, lưu trữ tế bào, các xúc tác phản ứng hoá học. Sự cần thiết là tìm một chất nền có khả năng chịu được áp lực cao, môi trường nuôi cấy hoặc những ức chế môi trường khác thường không tương thích với khả năng của tế bào. Thí dụ, hầu hết những phương pháp cố định tế bào dựa trên liên kết ngang các chất nền và do đó liên quan đến các gốc hoặc các dung môi hữu cơ, là bất lợi cho các tế bào và do đó không thích hợp cho các ứng dụng y học hoặc thực phẩm. Mặc khác, dù chất đa điện ly như gel alginete Ca là không độc cho tế bào và do đó phù hợp cho việc cố định tế bào, chúng có sẵn chất ổn định là hợp chất Ca 2+ hay các cation hoá trị 1 do đó làm cản trở trong việc ứng dụng. Thêm vào đó, khi nuôi cấy vi khuẩn ở mật độ cao đòi hỏi các tế bào được cố định trong các hạt với đường kính hạt nhỏ hơn 300µm để duy trì nồng độ oxy đi qua khối gel. 6 Công nghệ tế bào cố định đã được áp dụng rộng rãi trong một loạt các nghiên cứu ứng dụng và công nghiệp. Dùng vi khuẩn acid lactic đã được cố định khi bắt đầu nuôi cấy trong công nghiệp chăn nuôi bò sữa là một trong những ứng dụng tiềm năng. Nhiều kỹ thuật cố định đã mô tả bẫy tế bào trong polymer tổng hợp và tự nhiên là một trong những phương pháp là phổ biến nhất vì dễ dàng và đơn giản hơn, chi phí xây dựng thấp và các điều kiện duy trì của tế bào mang tính khả thi cao… Một chất liệu tạo thành gel phổ biến là alginate mà là một polysaccharide dị hình tuyến tính với lượng dư acid D-mannuronic và L-guluronic. Na alginate ion hoá liên kết ngang với các cation đa hoá trị (tiêu biểu Ca 2+ ) để tạo ra gel. Phương pháp phổ biến nhất cho việc cố định các tế bào toàn là bẫy gel, ví dụ: Ca-alginate gel hoặc carrageenan. Cố định toàn bộ các tế bào vi sinh vật đã được sử dụng rộng rãi để đạt sản lượng axit lactic cao. Ca-alginate hay carrageenan là chất mang điển hình được dùng cho việc bẫy các tế bào. Tuy nhiên, bẫy đơn giản có giới hạn liên quan đến quy trình phát triển các tế bào và nơi mà nó ức chế sản phẩm. Vi sinh vật thay thế có thể phá vỡ chất mang gel và hạn chế sự khuếch tán bên trong và bên ngoài lớp gel và gây ra sự tích luỹ sản phẩm tiếp giáp với các tế bào. Sự bất lợi của việc hao hụt hay giảm nồng độ trong suốt quá trình lên men lactic là do sự thay thế của ion Ca 2+ bằng ion lactate từ các hạt alginate. Trong số những phương pháp cố định, bẫy tế bào trong polymer sinh học thường dùng κ-carrageenan hay Ca-alginate như chất mang. Lợi thế chính của cố định gel là khả năng tương thích; mặc dù đưa vào tỷ lệ lớn là khó khăn, các hạt thường thấm qua các tế bào, những hạn chế khối lượng chuyển giao thường gặp phải và khối lượng chiếm đóng của lò phản ứng hạt nói chung là đáng kể. Cuối cùng gel alginate chứa vi khuẩn acid lactic có xu hướng bị hoá lỏng bởi acid lactic. Có một số báo cáo về quá trình lên men axit lactic sử dụng vi khuẩn cố định. Sự cố định làm vi khuẩn có thể duy trì các tế bào ở trạng thái ổn định và có sức sống và cung ứng cho quá trình lên men liên tục. Trong tự nhiên các vi sinh vật đó ở trạng thái cố định sẽ được thử pH khác nhau, nồng độ sản phẩm trong môi trường so sánh trực tiếp với lượng dung dịch hoà tan điều này ảnh hưởng đến sự trao đổi chất của vi khuẩn và do đó 7 ảnh hưởng toàn bộ quá trình xử lý. Vì vậy, thông tin về sinh lý của vi sinh vật trong việc thay đổi môi trường là điều kiện tiên quyết cần thiết để vận hành quá trình lên men trong điều kiện tối ưu. Cố định thường được thực hiện bằng cách sử dụng một gel phân tử trùng hợp có khả năng hút nước cao như alginate, agarose… Trong trường hợp đó, các tế bào được cố định bẫy trong gel thích hợp qua một quá trình tạo giọt. So với lên men truyền thống thì vi khuẩn biến đổi khi sử dụng sự cố định tế bào, năng suất thu được trong lần sau thì cao hơn đáng kể, rõ ràng một phần do mật độ tế bào cao và các lỗ hổng cố định đem lại hay có sự thay đổi di truyền. Tuy nhiên, một vài thông số quan trọng như chi phí của sự cố định, các giới hạn chuyển đổi khối lượng, tính có thể ứng dụng được đến sản phẩm cuối đặt trưng… được xem xét một cách cẩn thận trước khi chọn bất kỳ phương pháp cụ thể nào. Những hệ thống cố định yêu cầu sự lựa chọn một phương pháp cố định mà phương pháp đó sẽ giới hạn lỗ hở tế bào. Trong số những phương pháp cố định khác, có sự hỗ trợ chất rắn (polyarylamide, gốm, non-woven các sợi vải hay các hạt thuỷ tinh lỗ lớn) hay bẫy gel (trong alginate hoặc carrageenan) đã được dùng. Mặt hạn chế chính của sự cố định gel là độ bền cơ học của các hạt thấp, điều đó giới hạn thời gian làm việc. Các ion hoá trị 3 đã được đưa vào và được dùng như các tác nhân gắn kết với mục đích cải tiến độ bền cơ học của các hạt. Mặt khác, nồng độ gel cao cũng cải thiện được sự ổn định hạt ngay cả khi xuất hiện những hạn chế về khuếch tán. Việc dùng phương pháp cố định toàn bộ các tế bào vi khuẩn hoặc loại bỏ các bào quan thường tẻ nhạt, tốn thời gian và đắt tiền cho các bước bao gồm sự phân lập và tinh sạch của các enzym nội bào. Nó cũng có xu hướng tăng cường sự ổn định của các enzym bằng cách giữ lại xung quanh nó xúc tác tự nhiên trong suốt quá trình cố định và vận hành liên tục. Dễ dàng chuyển quá trình xử lý từng đợt thành kiểu liên tục và duy trì mật độ tế bào cao mà không dùng các điều kiện wash-out ngay cả khi ở tỉ lệ pha loãng rất cao, là một vài trong nhiều lợi thế của các hệ thống tế bào được cố định. Metabolically tích cực cố định tế bào là ưu tiên đặc biệt, nơi mà các co-factor cần thiết cho các phản ứng xúc tác. Khi cơ cấu co-factor phục hồi thì chức năng của tế bào đầy đủ, nguồn cung cấp từ bên ngoài không có hiệu quả. 8 Sử dụng kỹ thuật cố định tế bào để cải tiến quá trình lên men acid lacic đã được thử qua vài nghiên cứu. Lactobacillus helveticus, Streptococcus salivarius, L. delbrueckii subsp. Bulgaricus, L. casei, Rhizopus oryzae, và Pedioccus halophilus là những vi sinh vật quan trọng được dùng cho việc sản sinh ra acid lactic bằng cách cố định tế bào. Giống như vi khuẩn lên men khác, bẫy trong Ca-alginate hay κ-carrageenan là phương pháp cố định được cho phép rộng rãi. Khi nhiều nhà nghiên cứu báo cáo sự hao hụt và giảm cường độ cơ học của các hạt alginate trong suốt quá trình lên men acid lactic. Một vài nghiên cứu đã thực hiện việc sử dụng hỗn hợp gel trên cho các vi sinh vật sản sinh acid lactic khác nhau. Khuôn hỗn hợp gel κ-carrageenan locust bean gum- cho thấy sự ổn định đáng kể trong 3 tháng trong bồn phản ứng dạng khuyấy lên men liên tục. Trong một nghiên cứu khác đã so sánh thực hiện cố định tế bào L.casei bằng alginate trong bồn phản ứng dạng khuấy và bồn phản ứng packed-bed. Sử dụng glucose năng suất đạt 1.6g/l/h trong bồn phản ứng dạng khuấy. Một phương pháp khác chiết acid lactic lên men cố định tế bào đã được đưa ra, vì sản phẩm cố định có thể loại trừ bằng cách dùng nhựa hấp phụ acid lactic, phương pháp này tạo năng suất cao hơn khi lên men liên tục sinh học phân tử. 2.5.2. Ích lợi của sự cố định Quá trình cố định dường như chủ yếu ích lợi về mặt kinh tế như:  Các quá trình liên tục và dễ kiểm soát  Các sản phẩm được tách ra một cách dễ dàng  Vấn đề thải và xử lý vật liệu được giảm thiểu  Cung cấp sản phẩm tinh khiết hơn, ít sản phẩm ức chế  Sự ổn định pH và nhiệt tốt hơn  Vận hành liên tục  Tính linh hoạt cao hơn trong thiết kế bồn phản ứng Bên cạnh những lợi ích trên trong công nghiệp sản xuất còn có những hạn chế sau:  Còn mang dáng dấp của truyền thống  Cần đầu tư vào thiết bị mới phục vụ cho việc nuôi cấy 9  Tính chất, chi phí hỗ trợ cố định và quá trình cố định. (bao gồm cả thiệt hại của hoạt động.) Hiệu suất của hệ thống 2.5.3. Các loại chất mang dùng cố định vi sinh vật Chất mang dùng cố định tế bào chia làm hai loại: chất mang hữu cơ và chất mang vô cơ. 2.5.3.1. Phân loại chất mang Chất mang hữu cơ: gồm chất mang hữu cơ tự nhiên và tổng hợp Chất mang hữu cơ tự nhiên Chất mang là polysaccharide: là nhóm chất mang đang được sử dụng rộng rãi hiện nay, bao gồm cellulose, agarose, alginate, carrageenan, chitin, chitosan và các dẫn xuất của chúng. Cellulose Cellulose là thành phần cấu tạo chủ yếu của các vật liệu như rơm, bã mía, dăm bào, trấu, mạt cưa. Đây là nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm. Cellulose là một trong các hợp chất tự nhiên khá bền vững, không tan trong nước nhưng lại có cấu trúc không đồng nhất, thường được sử dụng dưới dạng sợi hay vi hạt. Ngoài ra người ta còn dùng các dẫn xuất của cellulose như CM- cellulose, DEAE- cellulose. Carrageenan Được lấy từ tảo biển đỏ. Nó sẽ bị chảy ra khi đốt nóng và đông lại khi làm lạnh. Vật liệu này tạo gel trong dung dịch CaCl 2 để nhốt tế bào. Tuy nhiên vật liệu này có nhược điểm là gel không ổn định trong môi trường có phosphate Chitin và dẫn xuất của chitin (chitosan) Chitin là polymer rất phổ biến trong tự nhiên, có cấu tạo tương tự cellulose. Chitin và chitosan có cấu trúc siêu lỗ, dễ tạo mạng, tạo hạt, có khả năng hấp phụ tốt, tính chất cơ 10 [...]... sản phẩm ethanol cao 38% so với quá trình lên men từng mẻ thì có sự ức chế bởi cơ chất Hầu hết các số liệu thu được trong quá trình lên men theo hệ thống ICR có sự tiêu thụ đường glucose là 82 – 85%, điều này chỉ ra rằng vi sinh vật nấm men trong hệ thống ICR không những tận dùng nguồn cơ chất ở nồng độ cao mà còn cho năng suất ethanol cao trong quá trình lên men liên tục TÀI LIỆU THAM KHAO 35 Dựa theo... KẾT LUẬN Sản xuất ethanol liên tục trong hệ thống ICR đã có bước đầu thành công ở nồng độ đường glucose cao Trong lên men theo từng mẻ khi nồng độ đường 50 g/l cơ chất này như là sự ngăn cảng cho quá trình lên men như sự ức chế bởi nồng độ cơ chất Lợi ích của việc dùng hệ thống ICR là không có sự ngăn cảng bởi cơ chất tại nồng độ glucose 150 g/l Hệ thống ICR cho năng suất tạo sản phẩm ethanol cao 38%... với mặt trong của hạt với độ phóng đại 300 lần và 2000 lần sau khi bẫy vi sinh vật và sau 72 h lên men Sự phân bố đều những vi sinh vật trên hạt cố định sẽ giúp cho quá trình lên men tốt hơn Vi sinh vật nấm men được tiếp xúc với cơ chất trong khối chất lỏng đều 4.1.2 Ảnh hưởng của quá trình trong hệ thống ICR lên men Trong thí nghiệm này ta dùng 50 g/l glucose như là nguồn cacbon duy nhất trong dung... nguồn cacbon duy nhất trong dung dịch cho nấm men Saccharomyces cerevisiae Mục đích thí nghiệm này là so sánh số lượng nồng độ glucose và sản phẩm ethanol trong quá trình lên men của hệ thống ICR 28 Ta thấy nồng độ glucose dần dần giảm trong khi đó mật độ tế bào và nồng độ ethanol sản phẩm tăng trong khoảng thời gian 27 h Phase lag nằm trong khoảng 0-6 h trong giai đoạn này sự tiêu thụ glucose là thấp... tiền Từ những nguyên nhân trên, ta thấy cellulose là một loại giá thể phù hợp để cố định vi sinh vật 22 Chương 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 3.1 Vật liệu 23 Hệ thống immobilized cell reactor (ICR) đường kính thực 5 cm, chiều cao cột 85 cm Cột được chế tạo bằng thủy tinh dày 3 mm Theo mô hình: Bình chứa môi trường khoảng 20 lít, và hệ thống bơm môi trường cho ICR Hệ thống cố định tế bào alginate Theo mô... cách rõ rệt Điều này cũng nói lên ban đầu mật độ tế bào còn quá thấp nên sự tiêu thụ glucose trong dịch lên men cũng thấp Sau 27 h lên men thì glucose trong dịch gần cạn kiệt Theo sự tính toán trong quá trình lên men này thì mật độ tế bào thu lớn nhất là 13.7 g/l với nồng độ glucose là 50 g/l Năng suất trung bình sinh khối và sản phẩm là 33% và 32% Tỷ lệ ethanol được sản xuất trong 24 h là 1.4 g/lh Theo... KH2PO4 1.5 Na2PO4 2.25 Thêm nước cho đủ 500ml và tiệt trùng 1210 C trong 15 phút Giống vi sinh vật Saccharomyces cerevisiae ATCC 24860 (Amercan Type Culture Collection, Manassas, VA, USA) Và các dụng cụ phòng thí nghiệm trong lên men 3.2 Phương pháp 3.2.1 Thành phần alginate trong hệ thống reactor Phần % Alginate 1.5% 2% 3% 6% Sau 16 h lên men và lấy hạt cố định phân tích trên kính hiển vi điện tử với... cột ICR có thể có công suất tạo sản phẩm ethanol ở nồng độ cao hơn khi tăng nồng độ glucose Tóm lại, ở nồng độ glucose 25 và 50 g/l thì ethanol tạo ra 7.6% và 16.73% Ở nồng độ glucose 150 g/l được dùng trong quá trình lên men liên tục bởi cố định tế bào nấm men Khi thời gian dần tăng thì nồng độ glucose giảm và ethanol dần tăng Nồng độ ethanol cao nhất sau 7 lên men là 47 g/l và năng suất tạo sản phẩm... tục TÀI LIỆU THAM KHAO 35 Dựa theo bài báo 1 Ghasem Najafpour, Habillah Younesi, Ku Syahidah Ku Ismail 2004 ethanol fermentation in an immobilized cell reactor using Saccharomyces cerevisiae 2 Marica Rakin và cs, 2008 Bio ethanol production by immobilized Saccharomyces cerevisiae var ellipsoideu cells MỤC LỤC Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1 36 ... ra trong 3 h đầu Với tốc độ giảm là 55 – 75% trong vòng duy trì 3 h đầu Nếu ta duy trì trong khoảng 6 h thì nồng độ cơ chất do vi sinh vật tiêu thụ là như 32 nhau Tuy nhiên, nếu với nồng độ cơ chất cao thì cần thời gian duy trì dài hơn, ở đây với nồng độ cơ chất là 150 g/l thì sự duy trì trong hệ thống ICR là 7 h Và được mô ta theo biểu đồ Sự chuyển đổi đường glucose thành sản phẩm ethanol trong trong . vật được xác định như là quá trình gắn tế bào sinh vật vào pha riêng biệt tách khỏi pha tự do của dung dịch nhưng vẫn có khả năng trao đổi chất với các phân tử cơ chất có mặt trong pha tự do nói. pháp cố định tế bào dựa trên liên kết ngang các chất nền và do đó liên quan đến các gốc hoặc các dung môi hữu cơ, là bất lợi cho các tế bào và do đó không thích hợp cho các ứng dụng y học hoặc. cố định sẽ được thử pH khác nhau, nồng độ sản phẩm trong môi trường so sánh trực tiếp với lượng dung dịch hoà tan điều này ảnh hưởng đến sự trao đổi chất của vi khuẩn và do đó 7 ảnh hưởng toàn