sự khác nhau và mối quan hệ của quá trình lên men ethanol và lên men acetic

Tác nhân không thể thiếu của lên men rượu là các loại nấm men nó được xem như “chiếc máy cày của công nghệ sinh học” được sử dụng để sản xuất protein, vitamin, enzyme và góp phần không n

Tài liệu tham khảo

1 Giáo trình bài giảng “ vi sinh vật học thực phẩm” trường ĐH Công nghiệp thực phẩm TPHCM

2 Sách “vi sinh vật học”_nhà xuất bản giáo dục

3 Sách “công nghệ vi sinh”_Nguyễn Đức Lương_NXB ĐH Quốc Gia TPHCM_XB

năm 2002

3 Sách “công nghệ lên men ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm”_Bùi Ái_NXB

ĐH Quốc Gia TPHCM_XN năm 2008

4.Th.s Lê Xuân Ph ng,giáo trình vi sinh v t công nghi p,tr ng ĐH Bách Khoa

Đà n ng

5.Nguy n xuân Thành,Nguy n Bá Hiên,Hoàng H i,Vũ Th Loan,2007,giáo trình

vi sinh v t h c nông nghi p,nxb giáo d c

Ngoài ra còn có tìm thông tin trên mạng qua các trang wed lớn:

1.http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/luan-van-nghien-cuu-len-men-acid-acetic-3.675982.html 2.http://www.google.com.vn/search?q=quy+trinh+san+xuat+giam&hl=vi&source=lnms&ei=54C-T-v7K6qTiQeX6- &bih=624

3.http://giaoan.violet.vn/present/show/entry_id/4122971

4.http://docx.vn/tai-lieu/53870/Len-men-Ethanol.tailieu

Bản phân công:

1 Ngô Thị Huyền Trang 2005100155 Tổng hợp ,word,thuyết trình

2 Ngô Thị Mộng Tình 2005100400 Quá trình lên men ethanol

3 Trần Thị Ngọc Trang 2005100301 So sánh giữa hai quá trình

4 Phùng Đức Tiến 2005100112 Quá trình lêm men acetic

5 Nguyễn Vũ Khánh Trang 2005100393 So sánh giữa hai quá trình

6 Dương thị huyền Trang 2005100099 Mối quan hệ của hai quá trình

7 Nguyễn Thị Huyền Trân 2005100507 Chỉnh sửa worl, lên powerpoin,

thuyết trình

8 Nguyễn thị thủy Tiên 2005100132 Mối quan hệ giữa hai quá trình

KẾT LUẬN

Qua bài tiểu luận trên có thể phần nào cung cấp cho chúng ta một số hiểu biết kiến thức về lên men ethanol là gì? Quá trình lên men acetic la gì? Cơ chế của chúng như thế nào? Sự khác nhau cơ bản của hai quá trình này là gì? Và chúng có mối quan hệ với nhau như thế nào?

Như vậy có thể nói rằng lên men rượu ethylic là quá trình lên men phức tạp phân giải đường thành rượu ethylic và CO 2 có sự tham gia của nấm men và một số vi sinh vật khác trong điều kiện kỵ khí, đây là quá trình lên men quan trọng và rất phổ biến được con người ứng dụng trong cuộc sống và trong nhiều lĩnh vực khác nhầm cải thiện cuộc sống gia đình và phát triển kinh tế đất nước

Tác nhân không thể thiếu của lên men rượu là các loại nấm men nó được xem như “chiếc máy cày của công nghệ sinh học” được sử dụng để sản xuất protein, vitamin, enzyme và góp phần không nhỏ trong sinh học

Ngoài ra lên men acetic cũng không kém phần quan trọng trong việc ứng dụng trong đời sống cũng như công nghiệp mà đặc biệt là công nghiệp sản xuất rượu bia,các loại nước có cồn.Qúa trình này xảy ra với sự tham gia của các vi khuẩn acetic và một vi khuẩn khác trong điều kiện hiếu khí.Nó cũng được xem là một trong những quá trình tiêu biểu của quá trình lên men

Trong sự oxy hóa ethanol thành acid acetic, chuyển hóa thực chất là một sự sử dụng cơ chất Ở đây NADPH2 xuất hiện được chuyển hóa qua chuỗi hô hấp để thu năng lượng, song cơ chất không bị phân giải hoàn toàn do vậy quá trình cũng còn được gọi là sự oxy hóa không hoàn toàn

IV.Mối quan hệ của 2 quá trình trong lên men :

Acetic acid (CH3COOH) có thể thu được bằng phương pháp lên men vi khuẩn acetic.Acid này (còn gọi là giấm ăn) được dùng trong chế biến thực phẩm, ướp chua rau quả.Quá trình lên men nhờ vi khuẩn acetic oxy hóa rượu ethanol thành acetic acid

Lên men axetic là quá trình oxy hóa rượu thành axit axetic, nhờ vi khuẩn axetic, trong điều kiện hiếu khí

Phương trình tổng quát:

C2H5OH + O2 CH3COOH + H2O + 117 Kcal

Phản ứng xảy ra trong tế bào của vi khuẩn Muốn phản ứng được xảy ra, C2H5OH và O2phải được thẩm thấu vào trong tế bào Khi đó các enzyme oxy hóa có trong tế bào của vi khuẩn tham gia oxy hóa rượu tạo thành CH3COOH CH3COOH được tạo thành sẽ thoát ra khỏi tế bào và tan trong dung dịch môi trường

Đây chính là sự “quá oxy hoá” rất có hại cho quá trình lên men giấm Vì vậy, trong dịch lên men phải còn dư một lượng rượu khoảng 0,3-0,5% để đảm bảo không bao giờ cho oxy hoá hết rượu nhằm tránh hiện tượng “quá oxy hoá”

Lên men ethanol

1)Chuyển hóa đường trong điều kiện

không có ôxy (gọi là yếm khí)

Bước 1: thủy phân xenluloza thành

mantoza dưới tác dụng của men

amylaza

(C6H10O5)n C12H22O11

Bước 2: thủy phân tiếp mantoza thành

glucoza hoặc fructoza dưới tác dụng

của men mantaza

C12H22O11 C6H12O6

Bước 3: phản ứng lên men rượu có xúc

tác là men zima

C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2

Lên men acetic

1)Lên men acid acetic là quá trình oxy hoá cồn thành acid acetic nhờ vi khuẩn acetic trong điều kiện hiếu khí

2) Trong quá trình lên men giấm, rượu etylic được oxy hoá thành acid acetic 3) Sản xuất giấm từ rượu etylic

4) Lên men giấm là quá trình oxy hoá rượu etylic thành acid acetic nhờ có enzym alcohol oxydaza xúc tác trong điều kiện hiếu khí

5) Để chuyển hoá thành acid acetic, rượu và oxy phải thâm nhập vào tế bào

vi khuẩn , ở đây nhờ có enzyme của vi khuẩn xúc tác, rượu được chuyển hoá thành acid acetic theo một quá trình sau

C2H5OH + ½ O2 CH3CHO (Acetaldehyd) + H2O

CH3CHO + H2O CH3CH(OH)2(Hydratacetaldehyd)

CH2CH(OH)2 + ½ O2 CH3COOH + H2O

Acid acetic tạo thành sẽ thoát ra khỏi tế bào của vi khuẩn và đi vào môi trường Khi môi trường hết rượu thì vi khuẩn giấm sẽ oxy hoá acid acetic thành CO2

và H2O theo phương trình sau:

CH3COOH + 2O2 2CO2 + 2H2O

4 Ứng dụng:

- Acid acetic đóng vai trò quan trọng trong đời sống cũng như trong công nghiệp Nó được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như: công nghiệp tổng hợp hữu cơ, công nghiệp thực phẩm, …

- Giấm tổng hợp theo phương pháp hoá học Qua kiểm nghiệm, người ta thấy trong giấm tổng hợp ngoài thành phần chính là acid acetic, còn chứa nhiều thành phần phụ khác, chúng là các chất độc gây ung thư như: acid focmic, metanol, metyl acetat,… mặc dù các nhà sản xuất đã áp dụng những thiết bị và phương pháp khử độc hiện đại Nếu sử dụng axit axetic công nghiệp để làm giấm dùng pha chế để ăn đối với cơ thể là

có hại

-Trong công nghệ thực phẩm, với hàm lượng acid acetic 2-5%, người ta gọi dung dịch này là giấm ăn Giấm ăn được sử dụng trong công nghệ thực phẩm để chế biến đồ hộp, rau quả, gia vị trong các bữa ăn gia đình

-Hiện nay người ta sản xuất acid acetic chủ yếu bằng phương pháp lên men (sản phẩm

là giấm ăn)

III So sánh khác biệt sự lên men ethanol và acetic

Nguồn dinh dưỡng cacbon: oxi hoá rượu etylic hay các rượu khác thành axit tương ứng Có khả năng sử dụng glucose

- Nguồn dinh dưỡng nitơ: sử dụng muối amôn hay peptone

- Có hai ngưỡng pH: pH thích hợp từ 5,4 đến 6,8, pH thích ứng cho sự lên men từ 3,5 đến 4,5

Chúng gồm các loài sau đây:

- Acetobacter aceti: là trực khuẩn ngắn, không chuyển động và chúng có khả năng liên kết với nhau thành chuỗi dài Chúng bắt màu vàng với iot và có khả năng chịu nồng độ cồn khá cao (11%) và tích tụ được 6% axit axetic Nhiệt độ phát triển tối

ưu của chúng là 35oC, nếu nhiệt độ lên quá 40oC sẽ xảy ra hiện tượng co tế bào và

sẽ tạo ra hình quả lê Thường thấy chúng phát triển trong bia

- Acetobacter pasteurianum: là trực khuẩn ngắn, hình thái gần giống loài trên, chỉ khác là chúng bắt màu xanh thẫm với iot Tạo thành khuẩn lạc hình nhăn nheo trên môi trường đặc Có khả năng tích tụ 6,2% axit axetic

- Acetobacter orleanense: là trực khuẩn không chuyển động, có kích thước trung bình Khi tăng nhiệt độ chúng tạo thành tế bào hình dài hoặc hình sợi hoặc không tạo hình Thường thấy chúng phát triển trong dịch nho loãng Có khả năng tồn tại

ở nồng độ cồn từ 11 ÷ 12% và tích luỹ axit axetic đến 9,5%

- Acetobacter xylinum: là trực khuẩn không chuyển động, bắt màu xanh với iot Chỉ

có thể chịu được và tích tụ tối đa 4 ÷ 5% axit axetic và sau đó chúng oxi hoá axit axetic tạo thành CO2 và H2O Chúng được sử dụng trong ngành sản xuất nước uống lên men có ga

2.4.3 Phương pháp chìm

Ở phương pháp này,không khí sục qua khối dịch lên men mãnh liệt sẽ tạo thành một thể huyền phù có pha rắn là vi khuẩn giấm,pha lỏng là dịch lên men trong các thiết bị lên men có tên là acetator,dịch lên men được chuyển hóa thành giấm rất nhanh

Người ta thiết kế hệ thống lên men acetic được gọi là acetor, cho dung dịch lên men vào thiết bị và tiến hành thổi khí rất mạnh thể huyền phù và dung dịch lên men Hai thể này luôn luôn được trộn lẫn vào nhau và như vậy quá trình oxy hóa xảy

ra mãnh liệt

2.4.4 Phương pháp tổ hợp

Đây là phương pháp lai giữa hai phương pháp nhanh và chìm.Thiết bị lên men này gồm hai phần:

- Phần trên như generator có đổ đầy đệm,hoạt động theo nguyên tắc lên men nhanh

- Phần dưới (phần chứa dịch sau khi đi qua vật liệu bám)có lắp thêm bộ phận sục khí tạo thành vùng oxy hóa bổ sung như một acetator trong phương pháp chìm

- Khi ngừng cung cấp oxy qua bộ phận sục khí (khi ngắt điện) vẫn không ảnh hưởng đến vi khuẩn vì lúc đó các van thông khí trong thiết bị được mở ra và không khí đi vào nhờ thông khí tự nhiên,do đó màng vi khuẩn trên đệm vẫn không

bị chết

- Phương pháp này khắc phục được nhược điểm và phát huy ưu điểm của hai phương pháp nhanh và chìm

3 Vi khuẩn lên men axetic

Hiện nay người ta biết đến hàng chục loài vi khuẩn axetic thuộc họ Acetobacter Chúng có những đặc điểm chung sau đây:

- Là những trực khuẩn gram âm, không sinh bào tử, hô hấp hiếu khí bắt buộc, xếp đôi hay tạo thành từng chuỗi, thường tạo thành lớp màng trên bề mặt, có loài có khả năng chuyển động và có loài không

- Có nhiều trong rau quả

Sơ đồ phương pháp lên men nhanh

Acid acetic có nồng độ 3-5%

Thổi khí từ dưới lên

chiều từ dưới lên,dịch lên men được chuyển hóa nhanh nhờ vi khuẩn.Nếu thiết bị lên men đủ cao,điều kiện vận hành được khống chế tốt thì chỉ cần cho dịch lên men qua tháp một lần đã có thể thu được giấm đặc ở đáy

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 acid acetic cao (có thể đến 11-12%)

Nhược điểm của phương pháp:

- Hiệu suất không cao

- Phải chọn vật liệu bám phù hợp

Đây là phương pháp lâu đời nhất,quá trình lên men giấm diễn ra ở bề mặt tiếp xúc giữa khối dịch lên men và không khí (bề mặt khoáng) trong những thùng lên men đặt nằm ngang

Để tiến hành sản xuất giấm theo phương pháp này,tiến hành như sau:đổ vào thùng 1/5 thể tích giấm tươi chất lượng cao để acid hóa,sau đó đổ thêm dịch lên men vào cho đến ½ thể tích thùng.Tiếp theo cứ mỗi chu kỳ đổ thêm dịch lên men cho đến khi đầy.Khi nào nhận thấy rượu đã được oxy hóa gần hết lấy 1 phần 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 quá trình đổ dịch lên men vào và tháo sản phẩm ra) nó sẽ bị phá vỡ,chìm xuống tiêu thụ cơ chất mà không tạo ra acid acetic.Dần dần trên bề 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 những đặc điểm sau:

Thời gian lên men dài,nồng độ acid acetic thấp,năng suất thấp,cồng kềnh.Tuy vậy phương pháp này có ưu điểm là cho giấm thơm,ngon,thiết bị dễ chế tạo

2.4.2 phương pháp nhanh

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

bổ sung vật liệu bám trong thiết bị nên năng suất và hiệu suất cao hơn

Ở phương phương này người ta tưới dịch lên men cho chảy qua thùng lên men,bên trong có đổ đầy vật liệu bám và màng vi khuẩn ở trên bề mặt,không khí đi ngược

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

- Khoáng đa lượng:S,P,K,Na,Fe,Mg,Cu,…

- Khoáng vi lượng:Cl,Br,I,As,P,Zn,Mn,……

Do đó, để cho vi khuẩn giấm phát triển tốt,khi sản xuất giấm ngoài các chất:nước,acid,rượu thì cần đưa vào môi trường lên men các muối tan có chứa các nguyên tố khoáng cần thiết.Nếu sản xuất giấm từ rượu vang, bia,nước quả ép,…thì trong dịch men đã có đủ các nguyên tố khoáng đa lượng và vi lượng nên không cần bổ sung.Nếu sản xuất giấm từ dịch cồn pha loãng thì cần bổ sung các nguyên tố khoáng cần thiết nhờ các muối vô cơ dễ tan.Mỗi cơ sở sản xuất giấm đưa ra hàm lượng các chất dinh dưỡng khác nhau

2.3.6 Các chất gây độc và các kim loại nặng

Các chất gây độc hại và ức chế:các chất như tinh dầu,lignin,tannin,…và một số hợp chất khác khi có mặt trong môi trường lên men với nồng độ vượt quá ngưỡng giới hạn cho phép đều có tác dụng gây độc hại cho vi sinh vật

Các kim loại nặng:khi có mặt 5 kim loại Pb,Cu,Fe,Sn trong dung dịch lên men sẽ làm giảm hiệu suất lên men,ngưỡng độc hại của 5 kim loại trên là:10,15,50,100 và >100

ppm

2.3.7 Chất lượng nước pha dịch

Chất lượng nước pha loãng cũng có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình lên men giấm,yếu tố quan trọng nhất của nước pha loãng là có độ sạch sinh học cao (vô trùng)

và hàm lượng Clo thấp.Nhìn chung,nước pha loãng tốt là nước có độ sạch sinh học cao,hàm lượng Clo,các kim loại nặng và các chất rắn thấp,có đủ các nguyên tố vi lượng

2.4 Các phương pháp sản xuất acid acetic bằng cách lên men

Yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất và năng suất của một phương pháp sản xuất acid acetic chính là bề mặt tiếp xúc giữa oxy của không khí và cơ chất.Đến thời điểm hiện tại đã có 4 phương pháp sản xuất acid acetic bằng cách lên men:

- Phương pháp chậm

Trong sản xuất giấm,điều kiện thoáng khí càng tốt thì quá trình lên men càng mạnh.Ở 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 thoáng nên phương pháp này chậm,năng suất thấp.Trong phương pháp nhanh,do bổ sung các vật liệu xốp (vỏ bào,than gỗ,than cốc ,nhiều vật liệu trơ khác nên đã làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa môi trường dinh dưỡng

và không khí,cải thiện điều kiện thông khí do đó thúc đẩy quá trình lên men

2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nồng độ của môi trường ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sinh lý của vi sinh vật,do đó

sẽ ảnh hưởng đến quá trình lên men.Nhiệt độ thích hợp để vi khuẩn giấm sinh trưởng

và phát triển mạnh đối với mỗi loài khác nhau là khác nhau nhưng nhìn chung khoảng nhiệt độ để vi khuẩn giấm tồn tại và phát triển là khá rộng từ 15-340 C

Nếu nhiệt độ quá thấp thì tốc độ lên men sẽ chậm,ngược lại khi nhiệt độ quá cao sẽ làm tăng tổn thất do bay hơi rượu và acid acetic.Do đó, nhiệt độ thích hợp cho quá trình sản xuất là khoảng 300C

2.3.3 Hàm lượng acid (độ pH)

Thường môi trường acid (pH=3) là điều kiện thuận lợi đối với sự phát triển của vi khuẩn giấm.Acid acetic tích tụ trong môi trường đến mức nào đó sẽ ức chế hoạt động của chính vi khuẩn.khi trong dung dich có khoảng 8% acid acetic thì hoạt động của vi khuẩn trở nên ngày càng giảm và ngừng hoạt động khi hàm lượng đạt 12-14%.Vì vậy hàm lượng acid acetic có thể dao động trong khoảng 1-7%

2.3.4 Hàm lượng rượu

Tùy từng loại vi sinh vật mà chúng có khả năng tồn tại trong nồng độ rượu khác nhau,thường sử dụng nồng độ từ 2-10%V.Theo Ebner (1985) và Heirich (1987)thì lượng rượu etylic sử dụng 2-10%V

Để tránh hiện tượng oxy hóa tiếp tục acid acetic đến CO2 và H2O cần có một lượng rượu dư trong giấm từ 0,3-0,5%V.Lượng rượu sót trong giấm có tác dụng ức chế sự tổng hợp enzyme oxy hóa acid acetic và muối axetat (Dires,1973)

2.3.5 Các chất dinh dưỡng