Ứng dụng vi sinh vật trong sản xuất điều chế cồn

Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn MỤC LỤC Phần 1:Giới thiệu chung 3 Phần 2: Sơ đồ quy trình 4 Phần 3:Ứng dụng của VSV trong công đoạn đường hóa dòch cháo 6 I-Giới thiệu chung về nấm mốc 6 1-Cấu tạo sợi nấm 7 2-Sinh sản của nấm 7 II-Những loài nấm thường dùng 9 1-Rhizopus 11 2-Mucor 11 3-Aspergillus 12 III- Nuôi cấy mốc đường hóa : các chế phẩm enzym đường hóa 16 IV- Đường hoá tinh bột: 21 1-Tác dụng của enzym amylase lên mạch tinh bột 21 2- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đường hóa tinh bột 23 Phần 4:Ứng dụng của VSV trong công đoạn lên men dòch đường 31 A-Nấm men 31 I-Saccharomyces cerevisiae 31 1-Đặc điểm 31 2-Một số chủng Saccharomyces cerevisiae thường dùng 32 3-Nghiên cứu so sánh khả năng lên men của chủng 12 với chủng MTB và 1 vài chủng khác hiện có ở nước ta 33 4- Điều kiện lên men 35 1 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn 5-Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, phát triển của nấm men Saccharomyces cerevisiae 36 II- Cơ chế lên men rượu 40 1- Cơ chế hóa sinh học của q trình lên men 41 2- Tiến hành lên men rượu 44 III- Nhận xét, đánh giá các phương pháp lên men 46 IV- Hiệu suất quá trình lên men từ nấm men 48 B-Vi khuẩn 48 I.Giới thiệu chung 48 II.Các vi khuẩn lên men cồn 49 1.Zymomonas mobilis 50 a.Đặc điểm 50 b.Điều kiện phát triển 52 c. Ni cấy 53 d- Q trình lên men 55 e-Hiệu suất q trình 55 2.Clostridium 57 a.Đặc điểm 57 b.Điều kiện phát triển 58 Phần 5: Hiệu suất và tổn thất trong sản xuất 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 2 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG Công nghệ cồn etylic là khoa học về phương pháp và quá trình chế biến các nguyên liệu chứa tinh bột, đường, xenluloza, etylen thành sản phẩm etylic hay etanol. Quy trình công nghệ sản xuất cồn etylic có thể chia thành các công đọan chính gồm : chuẩn bò dòch đường lên men; gây men giống, lên men dòch đường và xử lý dòch lên men. Chuẩn bò dòch lên men: - Nếu nguyên liệu chứa tinh bột thì công đọan này gồm nghiền, nấu, đường hóa và làm lạnh đến nhiệt độ lên men. - Nếu nguyên liệu là mật rỉ thì chuẩn bò dòch lên men gồm pha lõang sơ bộ, xử lý mật rỉ, bổ sung nguồn dinh dưỡng, tách cặn rồi pha loãng tới nồng độ gây men và lên men Gây men giống và lên men: muốn lên men trước hết cần phát triển men giống tới chất lượng và số lượng cần thiết, thường bằng 10% thể tích của thùng lên men. Sau đó đưa men giống và dòch đường vào thùng rồi khống chế ở điều kiện xác đònh để nâùm men chuyển hóa đường thành rượu và CO2. Dòch nhận được sau lên men gọi là giấm chín. Xử lý dòch lên men: công đoạn này có liên quan tới kiến thức lý học và chuyển khối. Thực chất là dùng hệ thống chưng luyện phù hợp để tách rượu và các chất dễ bay hơi khỏi giấm chín, sau đó đem tinh luyện để nhận được cồn sản phẩm, thỏa mãn tiêu chuẩn và yêu cầu tiêu dùng. Sản phẩm thu được sau xử lý bao gồm cồn thực phẩm, cồn đầu, dầu fusel hoặc ancol cao phân tử. Ngoài các sản phẩm kể trên, chúng ta còn thu được bã rượu có chứa nhiều chất hữu ích, có thể dùng làm môi trường nuôi cấy và thu nhận 3 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn nấm men thô dùng cho chăn nuôi, chế biến các lọai kháng sinh… Ở một số nước, người ta đem cô đặc bã rượu tới nồng độ chất khô nhất đònh và bổ sung trực tiếp vào khẩu phần ăn của vật nuôi. Trong bã rượu từ rỉ đường còn có thể thu nhận glyxerin, axít glutamic. Trong những năm gần đây bã rượu từ mật rỉ còn được nghiên cứu và đưa vào phụ gia của vật liệu xây dựng. nước ta việc sử dụng bã rượu chưa được nghiên cứu áp dụng nên còn lãng phí nhiều. Phần lớn bò bỏ đi , chỉ phần rất ít được sử dụng vào mục đích chăn nuôi. 4 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn PHAÀN 2: SÔ ÑOÀ QUY TRÌNH Tinh bột Xử lý nguyên liệu Quá trình dịch hóa Đường hóa Lên men rượu Chưng cất Tinh chế Mật rỉ Xử lý nguyên liệu Nguyên liệu Nấm men Chuẩn bị dịch lên men Lên men rượu Tinh chế O 2 Chế phẩm amylase của nấm mốc Nấm men Chưng cất Cồn tinh luyện 5 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn PHẦN 3: ỨNG DỤNG CỦA VSV TRONG CÔNG ĐOẠN ĐƯỜNG HÓA DỊCH CHÁO Nấu xong, tinh bột trong dịch cháo đã chuyển sang trạng thái hòa tan nhưng chưa thể lên men trực tiếp để biến thành rượu được, mà phải trải qua q trình thủy phân do xúc tác của amylase để biến thành đường. Q trình trên được gọi là q trình đường hóa, có vai trò rất quan trọng trong cơng nghệ sản xuất cồn ethylic. Nó quyết định phần lớn hiệu suất thu hồi rượu do giảm bớt hoặc gia tăng đường và tinh bột sót lại sau khi lên men. Muốn đạt hiệu quả cao trong q trình thủy phân tinh bột thì phải chọn được tác nhân đường hóa tốt nhất. Hiện nay, người ta dùng amylase nhận được từ ni cấy vi sinh vật, trong đó nấm mốc được sử dụng nhiều nhất, sau đó đến vi khuẩn, cuối cùng là nấm men Endomycopsip. Các yếu tố cần chú ý khi ni cấy vi sinh vật là chọn giống, mơi trường ni cấy, điều kiện ni cấy (nhiệt độ, độ ẩm, pH, oxy). I-GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NẤM MỐC Nấm mốc (mold) là tên chung để chỉ các lọai nấm hiển vi có cấu tạo sợi. Chúng thuộc loại thực vật hạ đẳng, có bào tử, không có diệp lục tố, không có khả năng tổng hợp các chất hữu cơ từ khí carbonic mà sử dụng trực tiếp chất hữu cơ có sẵn để sinh sống. Nấm mốc chỉ mọc tốt trong môi trường có nhiều không khí, vì vậy chúng thường phát triển trên lớp bề mặt của cơ chất, dưới dạng những lớp lún phún hình sợi, lớp mang nhện hay khối sợi bông. Trong cơ chất, chúng chỉ sinh trưởng trong các khoang hổng chứa không khí. Nhiều loại nấm mốc có giá trò lớn trong công nghiệp, trái lại nhiều loại nấm lại gây nhiều thiệt hại trong công nghiệp, nhất là công nghiệp thực phẩm, y học … 6 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn 1-Cấu tạo sợi nấm Đa số nấm có hình sợi phân nhánh, đan kết lại với nhau thành một khối sợi, từng sợi riêng lẻ gọi là sợi nấm (khuẩn ty thể, mycelium). Có 2 loại sợi nấm: sợi nấm có màng ngăn ngang và sợi nấm không có màng ngăn ngang; trong trường hợp sau, tòan bộ hệ sợi nấm chỉ là 1 tế bào phân nhánh rất phức tạp. Chiều rộng của sợi nấm thay đổi từ 5-50μm. Một số sợi nấm sinh trưởng bằng cách đâm sâu vào trong cơ chất và hút chất dinh dưỡng ở trong đó (khuẩn ty cơ chất), trong khi đó một phần hệ sợi nấm phát triển trên bề mặt của cơ chất (khuẩn ty ký sinh), phần sợi nấm nằm ngoài này nhiều hay ít tùy theo loài và môi trường. Ở nhiều loài, các sợi của hệ sợi nấm nằm bên ngoài cơ chất là cơ quan sinh sản. Ở một số nấm khác, sợi nấm đan kết lại dàu đặc với nhau và tạo thành quả thể. Cấu tạo tế bào của nấm không khác với cấu tạo của các sinh vật khác. Màng tế bào cấu tạo bởi cellulose; ở nhiều loại nấm, trong màng tế bào có chứa kitin. Trong tế bào chất có không bào và các chất khác. Các chất dự trữ thường gặp ở nấm là glycozen, hạt volutin và các giọt mỡ. Tế bào nấm có 1,2 hoặc nhiều nhân. Ở nấm, hiện tượng nhiều nhân rất phổ biến. 2-Sinh sản của nấm Một đặc điểm của nấm là có nhiều hình thức sinh sản và nhiều cơ quan sinh sản. Nấm sinh sản chủ yếu bằng bào tử, từ bào tử mọc ra sợi nấm và sau đó là hệ sợi nấm. Mặc dù vậy, bất cứ một đọan sợi nấm hoặc một mảnh nào của hệ sợi cũng có thể dùng để sinh sản được, các đọan này khi rơi trên môi trường dinh dưỡng thì phát triển và tạo thành một hệ 7 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn sợi nấm mới. Trong phòng thí nghiệm thường dùng phương pháp này để nhân giống và phân lập. Một số nấm sinh sản bằng oidi (bào tử bột). Trong trường hợp này, sợi nấm bò cắt ra thành từng phần nhỏ đơn bào và mỗi một tế bào đó có thể phát triển thành một hệ nấm mới. Sợi nấm bò cắt ra, từ ngọn xuống, và hiện tượng đó có thể tiến hành ở tòan bộ hệ sợi nấm. Trong sinh sản vô tính của nấm có 2 loại bào tử : bào tử ngoài (exospore) và bào tử trong (endospore), bào tử ngoài gọi là hạt đính (đính bào tử, conidi) và sợi nấm mang các hạt đính gọi là cuống hạt đính. Cuống hạt đính trực tiếp bò thắt lại và sinh ra hạt đính, hoặc có các tế bào đặc biệt nằm ở đầu cuống phân chia sinh ra các hạt đính. Hạt đính nằm đơn độc trên cuống hoặc tụ lại thành nhóm hay thành chuỗi, v.v… 8 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn Ở các loài nấm khác, bào tử lại được hình thành trong các tế bào riêng biệt nằm ở đầu sợi nấm. Những bào tử đó thường có kích thước lớn, hình cầu, gọi là bọc bào tử (sporangium) hay bào tử nang, sợi nấm mang gọi cuống bọc bào từ (cuống bào tử nang). Cuống bọc bào từ thường phát triển trong bọc bào tử làm thành một trụ có nhiều hình dạng khác nhau, gọi là lõi (columelle) hay nang trụ Trong sinh sản hữu tính, nấm tạo ra nang (asque) mang nang bào tử (ascospore), và đảm (basidi) mang đảm bào tử (basisospore), đó là những cơ quan sinh sản đặc biệt. Đôi khi nang và đảm xếp đơn độc trên sợi nấm, nhưng thường làm thành từng nhóm hoặc từng lớp trong quả thể. Về hình dạng, màu sắc và cấu tạo quả thể thường rất khác nhau. Một số nấm thường có thể sinh sản bằng cách vô tính và hữu tính. Một số khác không có khả năng sinh sản hữu tính, đó là những nấm bất toàn. Trong chu kỳ sinh sản của nhiều loài nấm, ngoài các hình thức sinh sản trên, còn hình thành thêm hạch nấm (sclecotium) và bào tử màng dầy (chlamydospore). Hạch nấm do sợi nấm kết chặt lại rắn chắc và thường có màu đen ở mặt ngoài. Chúng có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau, chứa nhiều chất dự trữ, ít nước. Bào tử màng dầy là những đoạn sợi nấm xếp chặc lại, có màng rất dày. Hạch nấm và bào tử màng dày là giai đọan nghó của nấm, ở giai đọan này cbúng có thể vững bền đối với tác dụng của các điều kiện không lợi của môi trường bên ngòai. Khi rơi vào chỗ có điều kiện chúng lại phát triển tốt, chúng nảy mầm vá phát triển thành hệ sợi nấm mới hoặc phát triển thành cơ quan sinh sản 9 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn II- NHỮNG LOÀI NẤM THƯỜNG DÙNG 1 . Rhizopus : Rhizopus có nhiều loại: Rhi. japonicus, Rhi. Orysee, Rhi. pekaII, Rhi. Tonkinensis… Rhizopus có đặc điểm sinh trưởng bằng “giả chi” để lan rộng trên bề mặt. Ở những điểm tiếp xúc với môi trường đặc, thành ống nghiệm… có một chùm rễ giả. Ở chỗ có giả căn, thân bò tiếp tục phát triển và sinh ra các cuốn tử nang chứa nhiều bào tử. Bào tử sinh ra từ nang trụ ở bầu cuống. Vì một phần nang trụ tiếp xúc với vách nang, do đó khi soi kính, nửa dưới của nang lộn ngược như cái ô mà cuống nang trụ là cán ô. Lúc non, bào tử nang trắng, lúc già màu đen, bên trong có nhiều bào tử. Bào tử hình trứng hay hình bán cầu, mặt thường có nếp nhăn, kích thước 5 - 8μm.Nhiệt độ phát triển thích hợp 32-34 0 C. Rhizopus sinh sản hữu tính bằng tiếp hợp nhưng ít gặp. Chủ yếu sinh sản dinh dưỡng bằng hậu bào tử, khuẩn ty và sinh sản vô tính bằng bào tử nội sinh. Nhìn bề ngoài dễ nhầm lẫm Rhizopus với Absidi. Absidi khác với Rhizopus ở chỗ : bào tử nang hình quả lê và giả căn mọc ở giữa thân bò, không cùng gốc cuống bào tử nang. 10 [...]... nhau về hình thái, khác nhau về sinh lý Từ một lọai khuẩn ty có thể sinh sản vô tính Từ 2 loại khuẩn ty có thể sinh sản hữu tính theo kiểu tiếp hợp để cho bào tử nang đa hạch, về sau là các bào tử nội sinh 11 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn Trong sản xuất thường gặp các loại : Mucor rouxii, Mucor mucedo, Mucor javanicus, Mucor hydrophilus… Nhưng sử dụng phổ biến trong sản xuất rượu ở nước ta là Mucor... 34 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn Cần chú ý : một chủng tốt ở nơi này chưa hẳn thích nghi ngay ở một nơi khác vì vậy trước khi áp dụng cần nghiên cứu kó đặc tính sinh lí và khả năng sinh sản cũng như sản lượng sản phẩm tạo thành Trong sản xuất có những trường hợp ngẫu nhiên người ta tìm được chủng tôt hơn bằng cách phân lập từ các thùng lên men Chủng XII và IA nhận được bằng con đường kể trên 4- Điều. .. và các nhân tố sinh trưởng hữu cơ ( acid amin, acid nucleic, vitamine…) được u cầu dưới dạng vết - Nấm men rất mẫn cảm với sự ức chế của ethanol Với nồng độ cồn 1 – 2% (khối lượng/thể tích) đã làm chậm sinh trưởng của vi sinh vật và ở nồng độ 10% (khối lượng/thể tích) thì tốc độ sinh trưởng của nấm men gần như ngừng hẳn 35 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn 5-Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, phát... Dưới tác dụng của phức hệ men Amylase, trong những điều kiện thích hợp, Amilose và Amilopectin bò phân cắt, tạo thành những sản phẩm 21 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn trung gian khác nhau (còn gọi chung là Dextrin) và các sản phẩm cuối cùng là Maltose và Glucose Sản phẩm trung gian và cuối cùng được tạo ra phụ thuộc và cấu trúc của mạch Amilose và Amilopectin và vào phức hệ men Amylase sử dụng Trong. .. đường trong dung dịch là 12 – 14%, có khi là 16 – 18%) - Có khả năng lên men ở nhiệt độ cao ( 36 – 400C), chịu được độ acid - Chịu được thuốc sát trùng Na2SiF6 nồng độ 0,02 – 0,025% nên có thể lên men trong điều kiện bắt buộc phải dùng thuốc sát trùng 31 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn - Sinh sản theo kiểu nảy chồi, có khả năng sinh bào tử, sống kị khí khơng bắt buộc 2-Một số chủng Saccharomyces cerevisiae... Nhật, người ta đã phát hiện và sử dụng Aspergilus vào sản xuất rượu, phân giải acid… Aspergilus gồm rất nhiều loại, nhưng trong công nghiệp sản xuất rượu thường dùng các loại : Asp.flavus, Asp.orysee, Asp.batatae, Asp.awamorii, Asp.niger,Asp.usami… 12 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn Aspergilus có đặc điểm sau : khuẩn ty không màu hay vành nhạt Có 2 loại : khuẩn ty ký sinh phát triển trên mặt môi trường... được thể hiện trong phương trình Arenius: (dlnK)/(dT)=E/(RT2) Trong đó: T nhiệt độ tuyệt đối,oK R hằng số chất khí Sau khi lấy tích phân phương trình trên trong giới hạn T1 và T2 ta có E = ((lnK1-lnK2)RT1T2) / (T1-T2) Với K1 và K2 là hằng số vận tốc tương ứng với nhiệt độ T1 và T2 24 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn Đặc trưng của phản ứng thủy phân tinh bột bằng Amylase là diễn ra trong phạm vi nhiệt độ... đường Glucose Về vò trí tác dụng của men α - Amylase của nấm mốc lên mạch tinh bột, có nhiều ý kiến mâu thuẫn Có ý kiến cho rằng tác dụng của men α Amylase trong nấm mốc Asp.Orysee chỉ tạo thành đường Maltose và Dextrin, tức là tác dụng của α - Amylase của nấm mốc chỉ giống như men ß - Amylase trong Malt; có ý kiến khác cho rằng dưới tác dụng 22 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn của α - Amylase của nấm... năng lên men các loại đường như 2 chủng trên.Chúng có khả năng sản sinh rất nhanh và lên men được ở nồng độ rất cao Bền vững với acid sulfuric và tồn tại được ở pH =2 - Chủng B, cũng như M.10, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất rượu từ mật rỉ Tế bào hình trụ, hình oval với kích thước tế bào 3,9-9,7 x 3932 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn 8,9 µ; có khả năng lên men rượu rất tốt, đồng thời có đặc tính... thấy rõ ràng rằng khi dùng acid Lactic để điều chỉnh pH trong quá trình nấu và đường hóa đã nâng cao hiệu suất tổng thu hồi rượu 2 - 3% so với dùng các acid vô vơ như HCl hay H 2SO4 Ngoài vi c điều chỉnh pH thích hợp acid Lactic còn là nguồân thức ăn cho nấm men sau này d) Sự thay đổi những yếu tố khác trong quá trình đường hóa: 26 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn Trong quá trình đường hóa bằng Amylase . Điều kiện lên men 35 1 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn 5-Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, phát triển của nấm men Saccharomyces cerevisiae 36 II- Cơ chế lên men rượu 40 1- Cơ chế hóa sinh. 57 a.Đặc điểm 57 b .Điều kiện phát triển 58 Phần 5: Hiệu suất và tổn thất trong sản xuất 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 2 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG Công nghệ cồn etylic là. sinh. 11 Ứng dụng VSV trong sản xuất cồn Trong sản xuất thường gặp các loại : Mucor rouxii, Mucor mucedo, Mucor javanicus, Mucor hydrophilus… Nhưng sử dụng phổ biến trong sản xuất rượu ở nước ta