NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ACID ACETIC THEO PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN NHANH BẰNG NGUỒN NGUYÊN LIỆU TỰ NHIÊN

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ACID ACETIC THEO PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN NHANH BẰNG NGUỒN NGUYÊN LIỆU TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ACID ACETIC

THEO PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN NHANH BẰNG

NGUỒN NGUYÊN LIỆU TỰ NHIÊN

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: TS.TRỊNH VĂN DŨNG MAI THANH THẬT

MSSV: 01126146

Thành phố Hồ Chí Minh

…oOo… …oOo…

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: MAI THANH THẬT Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 09 – 04 – 1981 Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học MSSV: 01126146

I - TÊN ĐÊ TÀI: “Nghiên cứu sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh

bằng nguồn nguyên liệu tự nhiên”

II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Đối chứng để thấy được tính hiệu quả của phương pháp nhanh so vớiphương pháp chậm

- Thử nghiệm sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh bằng dungdịch đường, nước dừa; qua đó khẳng định tính hiệu quả của nguồn nguyênliệu tự nhiên, rẻ tiền thay thế

- Khảo sát khả năng thay thế của thân tre dùng làm chất mang trong lên men acid acetic theo phương pháp nhanh

IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/08/2005

Nội dung và đề cương khóa luận tốt nghiệp đã được thông qua bộ môn và giáo viên hướng dẫn

Tp.Hồ Chí Minh, Ngày 01 Tháng 03 năm 2005

Xin chân thành cảm ơn:

Ban giám hiệu trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ ChíMinh đã tạo điều kiện cho tôi học tập và rèn luyện trong thời gian qua

Thầy Nguyễn Sĩ Xuân Ân và quý Thầy – Cô trong Trường ĐạiHọc Bách Khoa, Khoa Công Nghệ Hóa, Bộ Môn Máy và Thiết Bị đã tạođiều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn

Các anh, chị và các bạn trong và ngoài lớp công nghệ sinh học 27

đã giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và làm luậnvăn

Vô cùng biết ơn:

Quý Thầy – Cô trong và ngoài Bộ Môn Công Nghệ Sinh Học đãgiảng dạy và truyền đạt kiến thức trong suốt quãng đường đại học

Và đặc biệt xin bài tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy, Tiến SĩTrịnh Văn Dũng, người đã tận tâm dìu dắt, truyền đạt những kiến thức

và kinh nghiệm quí báo cho tôi trong quá trình học tập và làm luân vănnày

iiii

Đề tài “nghiên cứu sản xuất acid acetic theo phương pháp lên men nhanh bằng nguồn nguyên liệu tự nhiên”, do sinh viên Mai Thanh Thật, Bộ

Môn Công Nghệ Sinh Học, Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh thựchiện từ ngày 1/3/2005 đến 1/8/2005 dưới sự hướng dẫn của TS Trịnh VănDũng, giảng viên khoa Công Nghệ Hóa Học, Trường Đại Học Bách KhoaTp.Hồ Chí Minh

Chứng minh được vật liệu trong nước (thân cây tre) hoàn toàn có thểthay thế được vật liệu truyền thống nước ngoài (gỗ sồi) để làm chất mang vikhuẩn acid acetic

Tìm được thành phần môi trường nước dừa và nước đường có hiệu quảtốt trong quá trình lên men nhanh

Sản phẩm giấm đạt nồng độ gần 5% acid chỉ sau khoảng 50h lên menvới hệ thống lên men nhanh hồi lưu qua giá thể

iii

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt ………iv

Mục lục ……… v

Danh sách các hình ix

Danh sách các bảng biểu và đồ thị ……… x

MỞ ĐẦU 1

I.1 Đặt Vấn Đề 1

I.2 Mục Đích Yêu Cầu 2

TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

Chương 1 Công Nghệ Sản Xuất Acid Acetic 3

1.1 Tính chất và ứng dụng của acid acetic 3

1.1.1Các tính chất hóa lý của acid acetic 3

1.1.2Ứng dụng của acid acetic 3

1.1.2.1Ứng dụng trong chế biến mủ cao su 3

1.1.2.2Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm 4

1.1.2.3Ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác 4

1.2 Các phương pháp sản xuất acid acetic 4

1.2.1Phương pháp hóa gỗ 5

1.2.2Phương pháp hóa học 5

1.2.3Phương pháp sinh học 5

1.2.4Phương pháp hỗn hợp 7

1.2.5Phân tích lựa chọn phương pháp sản xuất acid acetic: 7

1.3 Sản xuất acid actic bằng phương pháp len men 8

1.3.1 Bản chất của quá trình lên men acid acetic 8

1.3.2 Cơ chế phản ứng của quá trình lên men acid acetic 9

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men acid acetic 10

1.3.3.1 Ảnh hưởng của oxy (sự thoáng khí) 10

1.3.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ: 10

iv

1.3.3.4 Các chất dinh dưỡng: 11

1.3.3.5 Các kim loại nặng và các chất gây độc hại 13

1.3.4 Vật liệu chế tạo thiết bị lên men acid acetic 14

1.4 Các phương pháp sản xuất acid acetic bằng phương pháp lên men 14

1.4.1 Phương pháp chậm (phương pháp Pháp) 15

1.4.2 Phương pháp nhanh (phương pháp Đức) 16

1.4.3 Phương pháp chìm (phương pháp sục khí): 18

1.4.4 Phương pháp hỗn hợp (phương pháp lai): 19

1.5 Chọn chủng vi khuẩn acid acetic: 20

1.6 Nguồn nguyên liệu sản xuất acid acetic 21

1.7 Sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh 24

1.7.1 Các phương pháp sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh: 24

1.7.1.1 Phương pháp nhúng: 24

1.7.1.2Phương pháp dịch chuyển: 24

1.7.1.3Phương pháp trống quay 25

1.7.1.4Phương pháp cố định: 25

1.7.2 Chất mang vi khuẩn acid acetic 27

1.7.2.1 Một số yêu cầu đối với chất mang vi khuẩn acid acetic: 27

1.7.2.2 Lựa chọn chất mang: 27

1.7.3 Chuẩn bị cấy giống vào generator 29

1.7.4 Vận hành generator 29

1.7.5 Năng suất và hiệu quả của generator: 30

Chương 2: Mô Hình Fermenter Sử Dụng Màng Sinh Học Cố Định Trong Lên Men Acid Acetic 32

2.1 Thiết bị phản ứng sinh học-fermenter 32

2.1.1 Khái niệm, phân loại 32

1 Fermenter làm việc gián đoạn: 32

2.Fermenter hoạt động liên tục dạng thùng có cánh khuấy: 33

3.Các fermenter dạng tầng sôi: 34

4 Fermenter dạng ống: 34

2.1.2 Những yêu cầu chung đối với fermenter 35

v

fermenter sử dụng màng sinh học cố định để lên men acid acetic 36

2.2.1 Trạng thái vi khuẩn acid acetic trong fermenter 36

2.2.2 Cấu tạo màng vi khuẩn acid acetic 37

2.2.3 Sự phát triển của màng acid acetic 37

2.2.4 Bề dày màng vi khuẩn acid acetic: 38

THỰC NGHIỆM 40

Chương 3: Thực nghiệm lên men giấm theo phương pháp nhanh 40

3.1 Thời điểm, địa điểm nghiên cứu 40

3.2 Thiết bị, nguyên liệu, phương pháp thí nghiệm 40

3.2.1 Thiết bị 40

3.2.1.1 Thiết bị chính (tháp lên men) 41

3.2.1.2 Các thiết bị phụ 42

3.2 Nguyên liệu 42

3.2.1 Giống vi khuẩn giấm 42

3.2.2 Thành phần môi trường và cấy giống lên men 43

3.2.3 Các hóa chất và dụng cụ thí nghiệm khác: 44

3.3 Phương pháp thí nghiệm 45

3.3.1 Cấy giống 45

3.3.2 Lên men 46

3.3.3 Cách lấy mẫu 48

3.3.4 Khảo sát thí nghiệm của thành phần môi trường lên tốc độ lên men 50

3.3.4.1 Trên thành phần môi trưòng nước dừa 50

3.3.4.1.1 Thay đổi nồng độ phần trăm môi trường nước dừa 50

3.3.4.1.2 So sánh quá trình lên men nhanh và lên men chậm của môi trường nước dừa 51

3.3.4.2 Trên môi trường dung dịch nước đường pha 52

3.3.4.2.1 Thay đổi thành phần nước đường trong môi trường lên men.52 3.3.4.2.2 So sánh môi trường lên men nhanh và lên men chậm của môi trường nước đường 53

3.3.5 Khảo sát khả năng thay thế của thân tre làm chất mang vi khuẩn acid acetic 53

vi

Chương 4: Ảnh hưởng của thành phần môi trường lên tốc độ lên men 54

4.1 Khảo sát môi trường mới khi thay đổi thành phần nước dừa 54

4.1.1 Thí nghiệm thăm dò: (lên men chậm) 54

4.1.2 Thí nghiệm chính (lên men nhanh) 56

4.2 So sánh giữa lên men nhanh và lên men chậm với môi trường nước dừa 58

4.3 Khảo sát thực nghiệm khi thay đổi thành phần nước đường pha 60

4.3.1 Thí nghiệm thăm dò (lên men chậm) 60

4.3.2 Thí nghiệm chính (lên men nhanh) 62

4.4 Thí nghiệm thực nghiệm so sánh giữa lên men nhanh và lên men chậm với môi trường nước đường 64

4.5 Khảo sát khả năng thay thế của thân tre làm chất mang vi khuẩn acid acetic 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

Kết luận 67

Kiến nghị 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

vii

Hình 1.1 Thiết bị lên men acid aceti theo phương pháp chậm 15

Hình 1.2 Thiết bị lên men acid acetic bằng phương pháp nhanh 17

Hình 1.3 Thiết bị lên men acid acetic theo phương pháp chìm 18

Hình 1.4 Thiết bị lên men acid theo phương pháp tổ hợp 19

Hình 1.5 Thiết bị lên men nhanh bằng phương pháp nhúng 24

Hính 1.6 Thiết bị lên men nhanh bằng phương pháp trống quay 25

Hình 1.7 Thiết bị lên men nhanh phương pháp cố định (Generator thông khí tự nhiên) 26

Hình 2.1 Fermenter làm việc gián đoạn 32

Hình 2.2 Fermenter hoạt động liên tục dạng thùng có cánh khuấy 33

Hình 2.3 Fermenter dạng tầng sôi 34

Hình 2.4 Fermenter dạng ống 35

Hình 2.5 Biểu diễn màng sinh học bám trên các vật rắn trơ 37

Hình 3.1 Hệ thống thiết bị lên men acid acetic bằng phương pháp nhanh 40

Hình 3.2 Vật liệu mang vi khuẩn acid acetic được làm từ thân tre 41

Hình 3.3 Tháp lên men trước và sau khi cấy giống vi khuẩn acid acetic 45

Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm lên men acid acetic bằng phương pháp nhanh 47

Hình 3.5 Sơ đồ vị trí lấy mẫu trên thân tháp 49

viii

Bảng 3.1 Thành phần của môi trường cấy giống và lên men 44

Bảng 3.2 Nồng độ % acid theo thời gian lên men chậm (môi trường nước dừa) 54

Bảng 3.3 Độ chuyển hóa (C i /C 0 ) của môi trường nước dừa 56

Bảng 3.4 Kết quả lên men nhanh của môi trường nước dừa 30% 58

Bảng 3.5 Kết quả lên men chậm của môi trường nước dừa 30% 58

Bảng 3.6 Nồng độ % acid theo thời gian lên men chậm (môi trường nước đường) 60

Bảng 3.7 Nổng độ chuyển hóa (C i /C 0 ) của các môi trường nước đường lên men nhanh 62

Bảng 3.8 Kết quả lên men nhanh của môi trường nước đường 64

Bảng 3.9 Kết quả lên men chậm của môi trường nước đường 64

Bảng 3.10 Kết quả kiểm tra định tính các tính chất của chất mang chế tạo từ tre 66

Hình 4.1 Ảnh hưởng của nồng độ nước dừa trong quá trình lên men chậm 55 Hình 4.2 Ảnh hưởng của nồng độ nước dừa trong quá trình lên men nhanh 57

Hình 4.3 So sánh đối chứng giữa phương pháp nhanh và chậm của môi trường nước dừa 59

Hình 4.4 Ảnh hưởng của nồng độ nước đường trong quá trình lên men chậm 61

Hình 4.5 Ảnh hưởng của nồng độ nước đường trong quá trình lên men nhanh 63

Hình 4.6 So sánh đối chứng giữa phương pháp nhanh và chậm của môi trường nước đường 65

ix

MỞ ĐẦUI.1 Đặt Vấn Đề

Acid acetic đóng vai trò quan trọng trong đời sống cũng như trong côngnghiệp Nó được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như: côngnghiệp tổng hợp hữu cơ, công nghiệp thực phẩm,… mà đặc biệt là trong côngnghiệp chế biến mủ cao su

Trong ngành công nghệ thực phẩm, trên thị trường hiện nay có hai loạigiấm: giấm hóa học (tổng hợp hóa học) và giấm nuôi (giấm được sản xuấttheo phương pháp lên men)

Giấm tổng hợp theo phương pháp hóa học Qua kiểm nghiệm người tathấy trong giấm tổng hợp ngoài thành phần chính là acid acetic, còn chứanhiều 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 vàphương pháp khử độc hiện đại

Giấm nuôi được sản xuất theo phương pháp lên men vi sinh vật Nó làloại thực phẩm an toàn được các chuyên gia thực phẩm khuyên dùng Ngoàithành phần chính là acid acetic, còn chứa một số acid amin và vitamin cầnthiết cho cơ thể

Ở Việt Nam, acid acetic có thể được chế biến từ nhiều nguồn nguyênliệu khác nhau như: mật rỉ, nước hoa quả chín, tinh bột, cồn và các loại chứacellulose như gỗ,… Nước ta là nước nông nghiệp có khí hậu nhiệt đới nêncác nguyên liệu này rất dồi dào, đặc biệt là rỉ đường, nước dừa, quả điều vàdứa Ở nước ta acid acetic dùng để làm thực phẩm trong gia đình chủ yếuđược sản xuất bằng phương pháp lên men truyền thống

Nhưng hiện nay, tại các chợ và các quầy hàng người ta thường bángiấm hóa học với tên gọi “giấm ăn” Vấn đề ở đây là giá thành 1lít giấm nuôiđắt gấp 10 lần so với giá thành 1lít giấm hóa học Lý do là sản xuất giấm ăntheo phương pháp lên men phải tốn thời gian dài, độ chua không cao nên ítngười sản xuất nó Người tiêu dùng đành phải mua giấm tổng hợp để dùng

Còn trong ngành công nghiệp chế biến mủ cao su, lượng acid aceticdùng trong chống đông mủ cao su (sử dụng dung dich acid acetic 2,5% vớilượng là 3,5-10 kg/tấn dung dịch mủ cao su) chủ yếu nhập khẩu từ TrungQuốc.

Ở nước ta hiện nay, diện tích trồng cao su khoảng 400000 ha, mỗi nămthu hoạch gần 800000 tấn/năm Từ đó cho thấy rằng lượng acid acetic dùngtrong ngành công nghiệp chế biến mủ cao su này rất lớn Mặc khác, diện tíchtrồng cao su ngày một tăng, ước tính đến 2010 diện tích trồng cao su trên cảnước khoảng 700000 ha

Do đó, việc nghiên cứu để tìm ra phương pháp sản xuất, nguồn nguyênliệu để sản xuất cho năng suất, hiệu quả kinh tế cao là rất có ý nghĩa thực tế ởnước 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 vớiphương pháp chậm

- Thử nghiệm sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh bằng dung dịchđường, nước dừa; qua đó khẳng định tính hiệu quả của nguồn nguyên liệu tựnhiên thay thế

- Khảo sát khả năng thay thế của thân tre dùng làm chất mang trong lênmen acid acetic theo phương pháp nhanh

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 CH3COOH, khối lượng phân tử 60,5kg/kmol Nó là một chất lỏng không màu, có mùi xốc, có vị chua, có khả nănghút ẩm từ không khí Nhiệt độ nóng chảy tnc =16,63 oC, nhiệt độ sôi ts=118 oC,

tỷ trọng 1,049, độ nhớt ở 20 oC là 1,21.10-3 Ns/m2

Trong dung dịch acid acetic tồn tại các dạng (CH3COOH)2,(CH3COOH)3, sự tồn tại các phân tử kép như trên là do các liên kết hidro giữacác 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 tốtcho nhiều hợp chất hữu cơ (nhựa, tinh dầu, …) Đặc biệt acid acetic hòa tantốt 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 đờisống và trong sản xuất công nghiệp Những ứng dụng quan trọng của acidacetic 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 hiệntượng 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 Thườngngười ta dùng dung dịch NH3 3% Thời điểm cho dung dịch NH3 vào mủ làlúc trút mủ vào xô, thùng,…

Khi đông tụ mủ, người ta pha loãng và khuấy trộn đều, sau đó cho thêm vàodung 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 vậylượng 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 làgiấm ăn Giấm ăn được sử dụng trong công nghệ thực phẩm để chế biến đồhộp, rau, quả, gia vị trong các bữa ăn gia đình Lượng giấm ăn sử dụng trongcông nghiệp thực phẩm là rất lớn, do đó, việc sản xuất giấm ăn không thểmang tính chất thủ công truyền thống mà đã trở thành một ngành sản xuấttheo 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 dượcphẩm (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 xuấtphim ảnh không cháy, thủy tinh không vỡ,…

Những ngành sản xuất này đòi hỏi lượng acid acetic nhiều và có chấtlượng cao hơn dung dịch acid acetic dùng trong công nghệ thực phẩm vàtrong 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 rấtlâu Do đó, loài người đã phát minh ra nhiều phương pháp khác nhau để sảnxuất acid acetic, những phương pháp sản xuất acid acetic bao gồm:

- Phương pháp hóa gỗ

- Phương pháp hóa học

1.2.2 Phương pháp hóa học

Từ C2H2 hay C2H5OH, C2H4 tiến hành tổng hợp có xúc tác sẽ thu đượcaxetandehyd, oxy hóa axetandehyd nhờ có xúc tác ở nhiệt độ và áp suất cao sẽthu được acid acetic

Giai đoạn oxy hóa axetandehyd thành acid, dùng xúc tác magan, rồi sau đóchưng cất phân đoạn ở nhiệt độ: 50 – 800C để thu được acid có hiệu suất cao

Phương pháp này có giá trị thực tế khá cao, nhưng do tạo nhiều sảnphẩm phụ nên làm giảm hiệu suất phản ứng

Phương pháp mới nhất hiện nay là tổng hợp từ metanol và CO bằngphản ứng cacbonyl hóa:

CH3OH + CO  CH3COOH

1.2.3 Phương pháp sinh học

Hiện nay người ta sản xuất acid acetic chủ yếu bằng phương pháp lênmen (sản phẩm là giấm ăn) So với những phương pháp khác, phương pháplên men có những ưu điểm

- Công nghệ sản xuất acid acetic hoàn toàn không gây ô nhiễm môitrường

- Quá trình chuyển hóa (hay quá trình lên men) được thực hiện ở điềukiện rất ôn hòa, không cần nhiệt độ cao, áp suất cao hay máy móc thiết bịphức 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 épdứa, nước ép mía….), có thể sử dụng nguyên liệu chứa tinh bột và có thể sửdụng cồn công nghiệp

* Nếu sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột, phải qua 3 giai đoạnchuyển 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 kiệnthuận lợi để vi khuẩn acetic chuyển cồn thành acid acetic

Sản xuất acid acetic theo phương pháp sinh hóa thực chất là quá trìnhoxy hóa rượu etylic thành acid acetic nhờ một số vi khuẩn acetic khi có mặtcủa oxy Từ trước đến nay đã xuất hiện 4 phương pháp:

 Phương pháp chậm

 Phương pháp nhanh

 Phương pháp chìm

 Phương pháp hỗn hợp

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 tếcủa 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 nhưpropan, butan sẽ tạo thành acetandehyd, formandehyd, aceton và các sảnphẩm khác Acetandehyd được oxy hóa có xúc tác thành acid acetic

- Sau đó người ta trung hòa khối thủy phân này và tiến hành lênmen để thu nhận được dung dịch chứa acid axetic

Phương pháp hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn cả phương pháp thủyphân 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 trênthế giới chiếm ưu thế nhất là phương pháp tổng hợp hóa học, nhất là ở nhữngnước phát triển vì phương pháp này có hiệu quả kinh tế cao do thiết bị tươngđối 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 gỗnhưng sản lượng chỉ nhỏ hơn 10% tổng sản lượng acid acetic sản xuất hàngnăm trên thế giới

Phương pháp hỗn hợp vẫn ở giai đoạn thăm dò chưa có quy trình nàođược 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 xuấtgiấm 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 sửdụng acid acetic và khuynh hướng chung của tiến bộ khoa học kỹ thuật trênthế giới

Hiện nay, chưa thể đặt vấn đề sản xuất acid acetic bằng phương pháptổng hợp vì nước ta vẫn chưa có đủ điều kiện để đáp ứng được những yêu cầucủa phương pháp này So với phương pháp tổng hợp, phương pháp hóa gỗ cóđơn giản hơn về mặt quá trình và thiết bị nhưng với yêu cầu khắt khe về việcbảo vệ môi trường (đặc biệt là rừng) hiện nay thì việc tiến hành phương phápnày sẽ gặp nhiều khó khăn về mặt nguyên liệu.

Việc sử dụng enzyme của vi sinh vật để sản xuất acid hữu cơ khôngnhững tận dụng được phế liệu của các ngành khác (nông nghiệp, công nghiêpthực phẩm,…) mà nó còn bảo vệ môi trường khỏi bị ô nhiễm, duy trì cân bằngsinh thái cho giới tự nhiên Không những vậy, ph ương pháp này chỉ yêu cầuthiết bị đơn giản, nguyên liệu dễ kiếm, … mặc dù nó cũng có những nh ượcđiểm 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 phươngpháp sản xuất acid acetic, cũng như đánh giá tình hình nhu cầu và tiến bộkhoa học trong nước, luận văn chọn phương pháp sinh hóa để nghiên cứucông 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 vikhuẩn acetic trong điều kiện hiếu khí

Chúng ta đều biết mọi quá trình muốn hoạt động được đòi hỏi phải cónăng 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 dụngnăng 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 nhữngphản ứng chuyển hydro Nhưng sự chuyển hydro cũng tương đương với sựchuyển electron, vì lẽ nguyên tử hydro có thể tách thành proton H+ và

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 acidacetic Ở đây sự chuyển hydro được thực hiện nhờ sự xuất hiện của NADP(Nicotinamit ađenin dinucleotit photphat dạng oxy hóa) Hydro được NADPnhận (trở thành NADPH2) 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 hóakhông 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 aceticnhờ có enzyme alcohol oxydaza xúc tác trong điều kiện hiếu khí:

CH3CH2OH + O2 = CH3OOH + H2O + 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 chuyểnhoá thành acid acetic theo một quá trình sau:

CH3CH2OH + ½ O2 = CH3CHO + H2O

CH3CHO + H2O = CH3CH(OH)2

CH3CH(OH)2 + 1/2O2 = CH3COOH + H2O

Acid acetic tạo thành sẽ thoát ra khỏi tế bào của vi khuẩn và đi vàomôi trường Khi môi trường hết rượu thì vi khuẩn giấm sẽ oxy hoá acid aceticthành CO2 và H2O theo phương trình sau:

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% đểđảm bảo không bao giờ cho oxy hoá hết rượu nhầm tránh hiện tượng “quá oxyhóa”

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 oxyhóa, trong đó oxyl đóng vai trò chất nhận hydro, nên sự có mặt của oxyl đóngvai trò quan trọng trong quá trình lên men

Phương trình tổng quát:

C2H5OH + O2  CH3COOH + H2O + 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 2,3m3 không khí ở điều kiệntiêu chuẩn trong sản xuất, điều kiện thoáng khí càng tốt thì quá trình lên mencàng 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 nênphương 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 vàkhông 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 dịchlên 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 visinh vật và hiệu quả lên men Vì vậy, trong thực tế sản xuất, người ta sử dụngyếu tố này để điều chỉnh vận tốc phản ứng Nhiệt độ thích hợp để vi khuẩngiấm sinh trưởng và phát triển đối với mỗi loài vi khuẩn khác nhau

- Đối với vi khuẩn Acetobacter Aceti phát triển tốt trong khoảng

25-300C

- Đối với vi khuẩn Acetobacter Schuitzenbachi phát triển tốt ở

1.3.3.3 Nồng độ acid acetic và nồng độ rượu

a Nồng độ acid acetic:

Môi trường acid (pH=3) là điều kiện thuận lợi đối với vi khuẩn giấm.Acid acetic tích tụ trong môi trường đến một mức độ nào đó sẽ ức chế hoạtđộng của chính vi khuẩn Khi dung dịch tích tụ được 8% acid acetic thì hoạtđộng của các vi khuẩn trở nên ngày càng giảm dần và ngừng họat động khilượng acid đạt được 12-14%

có tác dụng ức chế sự tổng hợp enzyme oxy hóa acid acetic và muối axetat

1.3.3.4 Các chất dinh dưỡng:

Trong cơ thể vi sinh vật có khoảng 40 hợp chất khoáng khác nhau cóthể ở dạng tự do hay liên kết hữu cơ cao phân tử, thông thường tổng hàmlượng khoáng trong vi sinh vật chiếm 5-8% trọng lượng chất khô Các chấtkhoáng chia làm 2 loại:

 Khoáng đa lượng: S, P, K, Na, Fe, Mg, Cu, …

 Khoáng vi lượng: Cl, Br, I, As, Pb, Zn, Mn, …

Do đó, để cho vi khuẩn giấm phát triển tốt, khi sản xuất giấm ngoài cácchất: nước, acid, rượu, cần đưa vào môi trường lên men các muối tan có chứacác nguyên tố khoáng cần thiết

Nếu sản xuất giấm từ rượu vang, bia, nước ép trái cây, thì trong dịchlên men đã có đủ các nguyên tố khoáng đa lượng và vi lượng không cần bổsung Nếu sản xuất giấm từ dịch cồn pha loãng để lên men giấm thì cần bổsung các nguyên tố khoáng đa lượng cần thiết nhờ các muối vô cơ dễ tan

Ngoài các nguyên tố vi lượng vô cơ, các nguyên tố vi lượng hữu cơcũng rất cần thiết và quan trọng trong quá trình lên men, tuy sử dụng với nồng

độ cực nhỏ cũng có hiệu quả rõ rệt Thông thường các nguyên tố vi lượng đã

có mặt trong những nguyên liệu tự nhiên ban đầu khi đưa vào lên men nhưdịch trái cây, nước chiết malt, nấm men, dịch thủy phân

Sau đây là một số môi trường để sản xuất giấm, với thành phần các chấtdinh dưỡng được xem là có lợi nhất:

 Môi trường dinh dưỡng cho một lít rượu khan như sau:

Glucoza 0,7gDiphotphat amon 1,25gDiphotphat Kali 0,5gSunphat magic 0,2g

 Môi trường dinh dưỡng cho một hectolit rượu khan (100l):

Glucoza kỹ thuật hay đường tinh bột 500gSunpho photphat 25gSunphat amon 25gCacbonat Kali 0,9g

Trong đó:

 Photphat có vai trò quan trọng trong chuyển hóa năng lượng của

hệ thống sinh học Vì thế photphat cần thiết trong thành phần dungdịch lên men, nó được đưa vào môi trường ở dạng muối vô cơ nhưphotphat Kali hay photphat amon Nồng độ photphat thường nằm trongkhoảng 0,1-0,5%

 Nitơ là cấu tạo quan trọng trong thành phần protein và acidnucleic là thành phần rất cần thiết cho sự sống của vi sinh vật Nitơđược đưa vào môi trường dưới dạng muối vô cơ như nitrat, muốiamon, urê,…

 Glucoze đóng vai trò như nguồn cung cấp glucid để cung cấpnăng lượng bổ sung cho cơ thể vi sinh vật Ngoài ra, còn là nguồncung cấp vật liệu xây dựng sinh tổng hợp các cấu tử cần thiết của tếbào

Theo Enber và Hromatka (1949 – 1953) acid acetic được tạo thành bởicác tế bào sinh sản Do vậy tác động quan trọng nhất đối với quá trình lênmen giấm là thành phần môi trường, nhiệt độ và chế độ thông khí, sự thay đổichế độ nuôi cấy làm thay đổi các thông số:

 Tốc độ sinh sản

 Sinh khối (%)

 Nồng độ sản phẩm giấm

1.3.3.5 Các kim loại nặng và các chất gây độc hại

Có 5 Kim loại nặng như: Pb, Cu, Fe, Zn, Sn trong dịch lên men sẽ làmgiảm hiệu suất lên men, người ta đã thử nghiệm và tìm ra ngưỡng độc hại của

5 kim loại nặng trên tương ứng là 10:15:20:100 và lớn hơn 100ppm

Các chất gây độc hại và ức chế: các chất như tinh dầu lignin, tanin (cótrong gỗ)…và một số hợp chất khác có mặt trong môi trường lên men vớinồng độ vượt quá ngưỡng giới hạn cho phép đều có tác dụng gây độc hại đến

vi sinh vật Vì thế khi chọn vật liệu chế tạo thiết bị cần lưu ý đến những vấn

đề này

Mặt khác, chất lượng nước khoáng: chất lượng nước pha loãng cũng cóảnh hưởng đáng kể đến quá trình lên men giấm Yếu tố quan trọng nhất lànước pha loãng có độ sạch sinh học cao (vô trùng) và hàm lượng Clo thấp.Nói chung, nước pha loãng tốt là nước có độ sạch sinh học cao, hàm lượngClo, các kim loại nặng, các chất rắn thấp, có đủ các nguyên tố vi lượng

1.3.4 Vật liệu chế tạo thiết bị lên men acid acetic

Do acid acetic là một acid có tính ăn mòn kim loại và hợp kim Tốc độ

ăn mòn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ, nhiệt độ, vận tốc chuyểnđộng của acid,… cho nên khi chọn vật liệu chế tạo thiết bị sản xuất phải hếtsức thận trọng

Mặt khác, quá trình sản xuất giấm là quá trình có vi sinh vật tham gianên năm kim loại nặng như: Pb, Cu, Fe, Sn, Zn có tác dụng độc hại đối với vikhuẩn giấm không được dùng làm thiết bị sản xuất giấm bằng phương phápsinh học nhưng vẫn có thể sử dụng chúng nếu sử dụng những phương phápkhác

Trong hệ thống sản xuất giấm bằng phương pháp sinh học có thể dùngcác kim loại đó để chế tạo thiết bị ở những khâu khác như: thùng bảo quản,thiết bị chưng cất,… nhưng các khâu nối với bộ phận lên men thì không đượcdùng

Vật liệu chế tạo thiết bị để sản xuất giấm bằng phương pháp sinh hóatốt nhất là thép hợp kim, nhôm, gỗ (những loại gỗ chứa ít tinh dầutanin,lignin, … và các chất độc hại cho vi khuẩn giấm) và ngày nay thì ngànhnhựa phát triển nên có thể sử dụng để chế tạo thiết bị lên men

1.4 Các phương pháp sản xuất acid acetic bằng phương pháp lên men

Yếu tố quan trọng nhất quyết định năng suất và hiệu suất của mộtphương pháp sản xuất giấm đó chính là bề mặt tiếp xúc giữa oxy của khôngkhí và hợp chất Từ đó con người không ngừng cải tiến, hoàn thiện cácphương pháp cũ, tìm ra các phương pháp mới để sản xuất giấm có hiệu quả và

kinh tế hơn Đến thời điểm hiện tại, đã có 4 phương pháp sản xuất acid bằngcách lên men:

Người ta đóng các thùng lên men bằng gỗ có dung tích khoảng 250 l –

300 l bằng gỗ sồi hình tang trống (giống các thùng sản xuất bia và rượu

vang)

Nguyên liệu dùng để sản xuất acid acetic là nước nho Giống vi khuẩn

được sử dụng cho quá trình sản xuất là Acetobacter orleaneuse (theo Nguyễn

chu kỳ đổ thêm dịch lên men vào cho đến khi đầy Khi nào nhận thấy rượu đãđược oxy hóa gần hết (còn lại 0,3-0,5% rượu) thì lấy giấm ra để đem chế biến

và bảo quản, đồng thời cho tiếp dịch lên men vào để lên men tiếp

Khi lên men, vi khuẩn giấm phát triển tạo thành màng vi sinh vật trên

bề mặt thoáng, khi bị chấn động (do va chạm hay do quá trình đổ dịch lênmen vào và tháo sản phẩm ra) nó sẽ bị phá vỡ, chìm xuống tiêu thụ cơ chất

mà không tạo thành acid acetic Dần dần trên mặt thoáng lại hình thành màng

vi khuẩn mới và lại diễn ra quá trình lên men tiếp tục

Do hạn chế của bề mặt thoáng nên phương pháp này có nhược điểm:

- Thời gian lên men dài

1.4.2 Phương pháp nhanh (phương pháp Đức)

Phương pháp này tạo được bề mặt tiếp xúc pha giữa lỏng và khí lớn nhờ

bổ sung vật liệu bám trong thiết bị lên men nên năng suất và hiệu suất caohơn Đã khắc phục được nhược điểm của phương pháp lên men chậm dongười Pháp thực hiện

Người ta thiết kế những thùng lên men rất lớn, hình trụ, thường có kichthước như sau:

mà vi sinh vật không đi theo vào sản phẩm cuối cùng Ngoài ra, ở đáy thiết bịngười ta lắp một hệ thống phân phối không khí đưa từ dưới lên Môi trườnglên men được đưa từ trên xuống Toàn bộ thiết bị được thiết kế như hình 1.2

Hình 1.2 Thiết bị lên men acid acetic bằng phương pháp nhanh

Ở phương pháp này, người ta tưới dịch lên men từ trên xuống qua hệthống phân phối lỏng như một vòi hoa sen trong buồng tắm Môi trường sẽđược phân phối đều và chảy chậm qua thùng lên men (gọi là generator) bêntrong có đổ đầy vật liệu bám có màng vi khuẩn ở trên bề mặt, cồn sẽ thẩmthấu vào tế bào vi khuẩn Cùng lúc đó, không khí đi ngược chiều từ dưới lêntrên và oxyl thẩm thấu vào trong tế bào vi khuẩn, dịch lên men được chuyểnhóa nhanh nhờ vi khuẩn

Nếu generator đủ cao, điều kiện vận hành được khống chế tốt thì chỉcần cho dịch lên men qua tháp một lần là có thể thu được giấm đặc ở đáy

Tuy nhiên, vì thổi khí từ dưới lên nên xảy ra quá trình làm mất rượuetylic và acid acetic trong quá trình lên men

Ưu điểm của phương pháp:

- Thời gian lên men ngắn

- Thiết bị tương đối đơn giản, năng suất cao, ổn định

- Giấm thu được có nồng độ cao (có thể đến 10 – 11%) Nhược điểm của phương pháp:

- Hiệu suất không cao do mất mát rượu và axit

- Dùng vật liệu bám phải phù hợp

1.4.3 Phương pháp chìm (phương pháp sục khí):

Cho không khí sục qua khối dịch lên men mãnh liệt sẽ tạo thành mộtthể huyền phù có pha rắn là các vi khuẩn giấm, pha lỏng là dịch lên men trongcác thiết bị lên men có tên là acetator, dịch rượu được chuyển hóa thành giấmrất nhanh

Hình 1.3 Thiết bị lên men acid acetic theo phương pháp chìm

Phương pháp này có hiệu suất cao, tối thiểu là 91 – 92%, nếu khống chếtốt ở điều kiện vận hành có thể đạt 98 – 99% Nó được ra đời từ những kếtquả của phương pháp nuôi cấy chìm để sản xuất thuốc kháng sinh, sản xuấtmen bánh mì

Tuy có được ưu điểm lớn nhưng mãi đến gần đây, phương pháp này mớiđược ứng dụng rộng rãi trong sản xuất, nguyên nhân là do nhu cầu phức tạpcủa thiết bị, tính ổn định không cao và quan trọng là yêu cầu nghiêm ngặt vềviệc cấp oxy liên tục

1.4.4 Phương pháp hỗn hợp (phương pháp lai):

Đây là phương pháp lai giữa hai phương pháp nhanh và chìm Hệ thốnglên men để sản xuất được thiết kế như sau:

Hình 1.4 Thiết bị lên men acid theo phương pháp tổ hợp

 Phần trên như generator có đổ đầy đệm, hoạt động theo nguyêntắc lên men nhanh

 Ở giữa chỉ là một thùng chứa dung dịch sau khi lên men ở phầntrên chảy xuống

 Phần cuối cùng là hệ thống thổi khí mạnh tạo thành vùng oxy hóa

bổ sung như một acetator của phương pháp chìm

Phương pháp kết hợp này có rất nhiều ưu điểm, trong đó ưu điểm nhất

là hiệu suất lên men rất cao, nồng độ acid acetic thu được thường nằm trongkhoảng 10 – 12% Phương pháp này phát huy được ưu điểm của cả haiphương pháp nhanh và chìm, nhưng thiết bị yêu cầu quá phức tạp, cồng kềnh,giống vi khuẩn phải phù hợp với cả hai phương pháp

1.5 Chọn chủng vi khuẩn acid acetic:

Hiện nay người ta đã tìm ra hơn 20 loài vi khuẩn acid acetic Gọi

chung là Acetobacter là trực khuẩn khá lớn thuộc loài hiếu khí bắt buộc, nhiệt

độ thích hợp là 30 – 400C Trong tự nhiên chúng phân bố rất rộng rãi trongkhông khí và rau quả, nhiều trường hợp có thể phát triển đồng thời cùng vớinấm men trên cơ chất thực vật có nhiều đường

Vi khuẩn acetic thuộc loại giống Acetobacter (chu mao) và Acetomonas

(tiêm mao ở một đầu) Nhiều loài khi phát triển lâu trên môi trường dễ dàngsinh ra những dạng có hình thái đặc biệt (tế bào phình to hay kéo dài, có thểphân nhánh)

Việc nghiên cứu vi khuẩn do Pasteur thực hiện từ năm 1862 khi ôngdùng kính hiển vi quan sát màng mỏng xuất hiện trên rượu vang chua

Một số chủng Acetobacter điển hình:

 Acetobacter aceti: là trực khuẩn ngắn, xếp thành chuỗi, không di

động nhuộm màu vàng với dung dịch iot, có khả năng phát triển ởnồng độ rượu khá cao 11% và có khả năng tích lũy được khoảng 6%acid acetic Nhiệt độ thích hợp nhất ở 34%

 Acetobacter pasteurianum: tế bào hình que, có khi xếp liên tiếp

thành hình sợi dài, tạo thành lớp váng khô nhăn nheo, nhuộm màuxanh với Iod Có thể tạo được 6,2% acid acetic

 Acetobacter orleaneuse: tế bào hình que nhỏ, đôi khi dị dạng

(nhiệt độ cao), không di động, trên cơ chất tạo váng dày trong, cókhả năng phát triển ở nồng độ rượu khá cao 10 – 12% và có khảnăng tích lũy 9,5% acid acetic

 Acetobacter xylinum: tế bào hình que, không di động, tạo thành

váng dày trên cơ chất, nhuộm bằng Iod và acid sunfuric sẽ có màuxanh, có khả năng tạo được 4,5% acid acetic

 Acetobacter Shuitzenbachii: trực khuẩn dài, khi già mới tạo thành

váng dày không bền, có khả năng tích lũy 11,5% acid acetic

Đối với mỗi phương pháp khác nhau cần phải chọn những chủng vikhuẩn có đặc tính thích hợp để quá trình lên men đạt hiệu quả cao nhất.Nhưng chúng phải thỏa mãn một số yêu cầu sau:

 Phải oxy hóa rượu tốt nhất và oxy hóa giấm thấp nhất

 Phải tạo ra giấm có chất lượng tốt (thơm, có nồng độ acid cao)

 Chịu được độ rượu và acid cao

 Các tính chất ban đầu của chúng phải được giữ nguyên trong suốt quátrình

 Điều kiện nuôi cấy, phân lập và bảo quản giống đơn giản, không tốnkém

Do khảo sát nghiên cứu trên phương pháp nhanh, do đó cần yêu cầuchủng vi khuẩn phải tạo được màng mỏng tơi xốp, có độ bám dính cao, có độbám dính cao, tích lũy và chịu được độ acid cao thì những giống hay dùng

nhất là Actobacter Aceti, Acetobacter Schuitzenbachii…

1.6 Nguồn nguyên liệu sản xuất acid acetic

Từ cơ chế quá trình lên men (xem phần 1.3.2) ta thấy bất cứ một sảnphẩm nào có thể lên men rượu được đều dùng làm là nguyên liệu để lên mengiấm Nguyên liệu trong sản xuất giấm thường là các loại nước ép trái cây cóđường, các loại siro có đường, sản phẩm thủy phân của các nguyên liệu chứatinh bột, rượu vang, mạch nha, mật ong…

Nếu dùng các sản phẩm chứa tinh bột thì phải qua hai khâu trung gian làchuyển hoá tinh bột thành đường nhờ enzyme amylaza của nấm mốc, rồi tiếptục lên men rượu nhờ enzyme deareloxylaza của vi sinh vật, sau đó vi khuẩngiấm mới chuyển hóa rượu thành acid acetic Nếu sản phẩm có đường thìkhông phải qua giai đoạn đầu

Trong công nghiệp sản xuất giấm, người ta thường dùng rượu cất phaloãng để lên men, yêu cầu rượu không có lẫn dầu fuzel, aldehyt … vì nó cótác dụng ức chế hoạt động sống của vi sinh vật, mà rượu có thể được lên men

từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như ngũ cốc, rĩ đường,…

Hiện nay người ta dùng nước ép trái cây để lên men giấm sẽ có sảnphẩm thơm ngon và có mùi đặc trưng phù hợp với yêu cầu vệ sinh an toànthực phẩm Tuy nhiên, để duy trì các hoạt động sống bình thường của vikhuẩn thì trong thành phần của môi trường lên men phải có không nhữngnước, rượu và acid acetic mà cả muối khoáng, gluxit và các chất có nitơ dểđồng hoá (muối amon) Lượng acid acetic tạo pH ban đầu thích hợp cho vikhuẩn.

Nói chung nguồn nguyên liệu để sản xuất giấm là phong phú và đadạng Mặc dù nguồn nguyên liệu có phong phú và đa dạng thì khi thực hiệnquá trình lên men thành phần môi trường lên men cũng phải đáp ứng đầy đủcác yêu cầu sau:

Về thành phần cơ chất: rượu etylic hoặc những hợp chất có thể chuyểnhoá thành rượu etylic (đường, tinh bột, …) Tuỳ từng chủng vi khuẩn sử dụngtrong lên men mà hàm lượng rượu trong môi trường có thể thay đổi cho phùhợp Thường hàm lượng rượu trong môi trường có thể thay đổi từ 4-13%

Về thành phần acid acetic: trong sản xuất người ta thường cho vào cơchất ban đầu một lượng giấm nhất định để acid hoá môi trường nhầm mụcđích:

 Acid hoá môi trường để tạo pH thích hợp cho vi khuẩn giấm hoạt

động

 Ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật có hại

 Đưa vào dịch lên men một lượng tế bào nhất định

Độ acid acetic ban đầu có thể dao động từ 2-6% Theo nghiên cứu củaEapan và Rao năm 1979, hiệu suất cao nhất đạt được ở nồng độ acid ban đầu

là 2% Nhưng những nghiên cứu gần đây cho thấy để đạt hạm lượng acid caohơn người ta tiến hành lên men ở nồng độ acid ban đầu cao hơn, khoảng từ 2-6%

Về thành phần các chất dinh dưỡng như: C, H, O, N, P, S, …rất cầntrong quá trình sống, sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Các nguyên tố

này là thành phần chính của nguyên liệu xây dựng tế bào Dựa vào hàm lượngtồn tại của chúng trong tế bào mà người ta chia chúng thành hai loại:

 Nguyên tố khoáng đa lượng: C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, …

 Nguyên tố khoáng vi lượng: Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu,…

Và một thành phần cũng rất quan trọng cần quan tâm đến đó chính làchất lượng nước pha môi trường trong quá trình lên men Nước là thành phần

cơ bản và thường được sử dụng với số lượng rất nhiều trong quá trình lênmen Do đó, chất lượng nước phải được bảo đảm để không xảy ra những phảnứng hoá học khi tiến hành lên men, hoặc không để xảy ra những tác động của

vi sinh vật lạ từ nước vào quá trình lên men Chất lượng nước phải được xemxét ở ba chỉ số sau:

 Độ cứng

 Khả năng oxy hoá

 Vi sinh vật, đặc biệt là những vi sinh vật gây bệnh

Vì thế, nước pha môi trường lên men phải đạt độ sạch sinh học cao (vôtrùng) và hàm lượng Clo thấp

Mặc khác nguyên liệu lên men cũng phải được xử lý các hợp chất như:tanin, ligin, … nếu nguyên liệu là nước ép trái cây như: điều,dứa, …

Vì thế nên khi thực hiện quá trình lên men thì thành phần môi trườngphải đảm bảo các yêu cầu đã nêu trên cho dù sử dụng nguyên liệu lên men là:cồn, nước ép điều, dứa, nước dừa, dung dịch pha từ đường, …

1.7 Sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh

1.7.1 Các phương pháp sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh : 1.7.1.1 Phương pháp nhúng:

Hình 1.5 Thiết bị lên men nhanh bằng phương pháp nhúng

Thiết bị lên men là một thùng thẳng đứng bên trong có một hay nhiềugiỏ bằng gỗ đổ đầy phoi gỗ và có thể nâng lên hạ xuống được Khi tiến hànhlên men người ta đổ vào thùng khoảng ½ thể tích dịch lên men Sau đó hạ giỏxuống nhúng chìm lượng vỏ bào đã có màng vi khuẩn bám trong khối dịch lênmen, để một thời gian nhất định để dịch lên men có thể thấm ướt toàn bộlượng vật liệu bám thì nâng giỏ lên phơi trong không khí

Rồi lặp lại các thao tác đó theo môt chu kỳ nhất định, đã được tính toántrước sao cho quá trình oxyl hóa rượu đạt hiệu quả nhất Tiến hành như vậycho đến khi giấm hóa toàn bộ khối dịch lên men thì tháo ra để thanh trùng vàbảo quản, rồi tiến hành mẻ khác

Phương pháp này có ưu điểm: đơn giản, dễ làm, gọn Nhưng nó cũng cónhược điểm là năng suất thấp, dễ bị nhiễm khuẩn do không khí chưa đượckhử trùng

1.7.1.2 Phương pháp dịch chuyển:

Thiết bị lên men của phương pháp này gồm một thùng, bên trong cómột cái phao và bên ngoài lắp với hai thùng phản ứng đặt bên cạnh thùng

chính Khi phao chứa đầy nước hay các vật liệu nặng khác, khối dịch lên menchứa trong thùng chính bị ép phải dịch chuyển vào hai thùng phản ứng bêncạnh (có chứa đầy vỏ bào có vi khuẩn giấm bám trên bề mặt) khi những đệmchứa trong hai thùng phản ứng đã bảo hòa dịch lên men, phao được lấy ra vàdịch lên men lại tràn về thùng chính.

Phương pháp này đơn giản nhưng cồng kềnh, năng suất không cao, khóđiều chỉnh quá trình nén chất lỏng từ thùng chính sang thùng phản ứng, khôngkhí dễ bị nhiễm bẩn

1.7.1.3 Phương pháp trống quay

Hính 1.6 Thiết bị lên men nhanh bằng phương pháp trống quay

Gồm một thùng hình trụ bên trong có cấu trúc sao cho nhận được mộtlượng không khí lớn nhất đối với vật liệu chứa trong đó Trống được bao bọctrong thùng hình trụ lớn và kín, có chứa những lỗ hút không khí Một nửatrống được tiếp xúc với không khí, còn phần còn lại nằm trong khối dịch lênmen

Trống được quay với vòng quay thích hợp sao cho trong quá trình tiếpxúc không khí, các vi khuẩn giấm trên đệm có thể oxy hóa triệt để rượu cótrong dịch lên men

1.7.1.4 Phương pháp cố định:

Trong phương pháp này thùng phản ứng (gọi là generator) là một thùnghình nón cụt thẳng đứng bằng gỗ (hoặc bằng một vật liệu nào đó chống ăn

mòn) bên trong có tráng một lớp Parafin Đồng thời có đổ đầy những vật liệubám có màng vi khuẩn giấm che phủ Phần vật liệu này được giới hạn giữa haiđáy, đáy trên và đáy dưới cách khoảng 250mm có khoan những lỗ nhỏ đểphân phối khí và lỏng.

1 Cửa đổ dịch lên men 4 Đĩa phân phối lỏng

Hai pha khí và lỏng đi ngược chiều nhau tiếp xúc trong generator sẽđược vi khuẩn chuyển hóa thành giấm Nếu chiều cao generator đủ lớn thìdịch lên men chỉ cần đi qua một lần là được giấm hóa toàn bộ Nếu quá trìnhlên men tốt, nhiệt độ ở phần làm việc của generator sẽ cao hơn ở nhiệt độbên ngoài từ 10 – 120C tạo điều kiện cho sự thông khí tự nhiên

Nhìn chung ba phương pháp đầu không được sử dụng rộng rãi trong sảnxuất, chỉ có phương pháp cuối là phổ biến nhất và không ngừng được cải tiến,

do đó nó có những ưu điểm sau: năng suất tương đối lớn, thiết bị tương đốigọn nhẹ, có thể tiến hành sản xuất trong mọi điều kiện vì có sự thông khí tựnhiên nên không phụ thuộc vào nguồn điện.

1.7.2 Chất mang vi khuẩn acid acetic

1.7.2.1 Một số yêu cầu đối với chất mang vi khuẩn acid acetic:

Bản chất của quá trình lên men giấm là quá trình hiếu khí, vì thế phảitạo điều kiện tối đa vi khuẩn tiếp xúc với oxy và cồn (rượu etylic) Trongphương pháp lên men nhanh, giá thể được dùng để tăng diện tích tiếp xúc củaoxy với vi khuẩn giấm nhầm thúc đẩy quá trình lên men acid acetic và nângcao chất lượng giấm (Nguyễn Công Huân, 1985)

Đây là một yếu tố quyết định tính hơn hẳn của phương pháp nhanh sovới phương pháp chậm Vấn đề này đã được nghiên cứu và sử dụng với nhiềuloại vật liệu bám khác nhau, khi lựa chọn vật liệu bám cần căn cứ vào các yếu

tố sau:

- Thỏa mãn các yêu cầu chung của đệm như: nhẹ, có độ bền cơ học

cao, diện tích tự do (bề mặt riêng) lớn, chống ăn mòn, rẻ tiền, dễkiếm,…

- Không phản ứng với dịch lên men, không khí và sản phẩm lên men,

cũng như không tiết ra các hợp chất hóa học gây độc hại đối với visinh vật và mùi khó chịu cho giấm

Trước đây, nhiều công trình đã nghiên cứu thử nghiệm với nhiều loạivật liệu bám chứa celluloze khác nhau như phôi gỗ (sồi, dẻ, bạch dương, ),lõi ngô, tre nứa,…Trong đó gỗ sồi được đánh giá rất cao vì nó có độ cứng tốt

và trong các thớ gỗ có nhiều mao quản xốp

Nếu dùng gỗ sồi làm vật liệu bám thì được gia công như sau: gỗ đượcbào thành những lá mỏng, sấy khô bằng khí nóng và tự nó sẽ tạo thành nhữngcuộn xoắn có độ xốp cao Nếu dịch lên men từ rượu trắng và chế độ vận hànhtốt thì phôi gỗ sồi có thể làm việc trong 20 – 30 năm, có khi đến 50 năm mớithay Nếu dịch lên men từ nước ép quả, rượu vang thì chóng phải thay hơn do

vi khuẩn Acetobacter tạo màng dày, bít chặt khoảng không gian tự do của các

phôi bào

Ở Việt Nam không có gỗ sồi, còn họ dẻ ở nước ta có bảy loại thuộc họ

dẻ đều có tính chất tương tự, dẻ gai có thể dùng làm vật liệu bám khá tốt.nhưng chúng có ít và phân bố rải rác khắp nơi các tỉnh Bắc Bộ và Bắc Trung

Bộ, nên khó khai thác và vận chuyển, khả năng sử dụng chúng rất thấp

Vì vậy, việc tìm kiếm và thăm dò các vật liệu bám có sẵn, dễ kiếm, rẽtiền để thay thế cho gỗ sồi, đồng thời vẫn đảm bảo được các yêu cầu của vậtliệu bám là một trong những vấn đề mấu chốt trong việc thăm dò phương phápnhanh để sản xuất giấm ở Việt Nam

Vấn đề xử lý vật liệu bám cũng khá quan trọng nhằm tách các chất độchại như: tanin, lignin, các loại tinh dầu,…thường hay có trong các vật liệu cónguồn gốc thực vật Vì vậy cần xử lý cẩn thận vật liệu bám trước khi sử dụng,một trong những phương pháp hay làm trong công nghiệp là trích ly sơ bộbằng nước nóng Sau đó ngâm chúng trong dung dịch axit hay kiềm để trích lytriệt để hơn các chất đã nêu trên

Trên những yêu cầu đó chất mang được luận văn chọn nghiên cứu làthân cây tre Vì ở Việt Nam, tre là loại cây dễ kiếm (có thể tìm thấy ở khắpnơi), rẽ tiền và rất dễ gia công