Slide Đề tài Lên men Ethanol với vi khuẩn Zymomonas mobilis

Chương 2: Cơ chế chuyển hóa đường thành ethanol bởi Zymomonas mobilis Cơ chế lên men chính của vi khuẩn Zymomonas từ nguồn cơ chất glucose và fructose là con đường Entner-Doudoroff...

Trang 1

Lên men ethanol với vi khuẩn Zy

GVHD: PGS TS Lê Văn Việt Mẫn

SVTH : Văn Thị Ánh Minh

Trang 2

Chương 1: Giới thiệu về loài vi

khuẩn Zymomonas mobilis

Trang 3

Hèm bia Thạch gelatin Xuất hiện khuẩn lạc

sau 11 ngày ở

22 o C.

Barker và Hillier, 1912 Bia tiệt trùng Thạch agar

(2% glucose )

Yếm khí Shimwell,

1937 Dịch nước táo Môi trường lỏng

(1% chất chiết men, 0.001% actidione)

Yếm khí,

pH = 4.5, 25 o C

Millis, 1951-1956

Rượu vang cọ

Zairese

3 canh trường chứa dịch chiết nấm men (Difco) khác nhau.

Khuẩn lạc sau 4 -5 ngày ở 30 o C có dạng hình hạt đậu, đường kính từ 1 – 4mm, màu xanh sậm.

Swings và Deley, 1974

1 Một số nguồn phân lập Z mobilis

Trang 4

2 Đặc điểm nhận dạng:

– Là một loài vi khuẩn gram âm, có roi dài từ 1 – 1.4µm– Không hình thành bào tử

– Một số loài có từ 1 -4 tiên mao

– Không phát triển trên môi trường thạch hoặc nước thịt dinh dưỡng

– Là loài vi khuẩn vi hiếu khí (kỵ khí không bắt buộc)– Có thể lên men đường glucose và fructose

– Tạo ra số mol ethanol và CO2 bằng nhau

– Chứa khoảng 47.5 – 49.5% guanine và cytosine (G+C)

Chương 1: Giới thiệu về loài vi khuẩn

Zymomonas mobilis

Trang 5

3 Danh pháp Zymomonas mobilis

 Giống : Zymomonas

 Loài : Zymomonas mobilis

 Loài phụ Zymomonas mobilis subsp mobilis

Chủng tiêu biểu : ATCC 10988 (NCIB 8938, NNRL B-806, DSM 424, IMG 1655, L192)

 Loài phụ Zymomonas mobilis subsp pomaceae

Chủng tiêu biểu : ATCC 29192 (NCIB 11200)

Trang 6

4 Thành phần hóa học của tế bào:

Thành phần Hàm lượng (theo chất

ATP: Pha logarit

Trong điều kiện thiếu thức ăn

1 – 5 g/mg

0 – 0.4 g/mg

Trang 7

– pH = 3.5 – 7.5

– Nhiệt độ: 25 - 30oC

– Nồng độ ethanol là 5.5%

– Nồng độ glucose là 20%

– Nồng độ NaCl 1%

– Rất nhạy cảm với thuốc nhuộm (brilliant green, malachite green…)

– …

Trang 8

Chương 2: Cơ chế chuyển hóa

đường thành ethanol bởi

Cơ chế lên men chính của vi khuẩn

Zymomonas từ nguồn cơ chất glucose và

fructose là con đường Entner-Doudoroff.

Trang 9

1,3- Diphotpho- glixerat Photphoenolpiruvat

3- Photpho- glixerat

ATP ADP

H 2 O lactonase

H2O

NADP+

NADPH

Pi (6)

ATP ADP

(7)

2- Photpho- glixerat (8)

H2O (9)

(10)

Con đường Entner – Doudoroff

Trang 10

Do đó cân bằng chung của con đường KDPG là :

Glucose  2 piruvat + ATP + NADH 2 + NADPH 2

Các enzyme của con đường Entner – Doudoroff có thể

kháng cự tốt hơn với ethanol nên Z mobilis có thể

nhanh chóng hấp thu glucose và sản xuất ethanol nhiều hơn 15% w/v

Màng tế bào của Z mobilis có chứa nhiều loại acid béo

giúp nó chịu được nồng độ ethanol cao.

Chương 2: Cơ chế chuyển hóa đường

thành ethanol bởi Zymomonas mobilis

Trang 11

 Sự hình thành các sản phẩm phụ

1 Sản phẩm phụ là Acrolein

2 Sản phẩm phụ là sorbitol

3.Sản phẩm phụ là glycerol 3-phosphate,

dihydroxyacetone và glycerol

Chương 2: Cơ chế chuyển hóa đường

thành ethanol bởi Zymomonas mobilis

Trang 12

Chương 3: Phương pháp lên men

ethanol với Zymomonas mobilis

1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men

1.1 Nồng độ đường ban đầu

Hiệu suất lên men cực đại ứng với 15% (w/v) nồng độ đường ban đầu

Gia tăng nồng độ đường ban đầu từ 15–20% sẽ làm giảm hiệu suất lên men

Với 25 % (w/v) tất cả các chủng đều giảm khả năng hấp thu cơ chất và lên men ethanol

Trang 13

1.2 Cơ chất

1.2.1 Glucose hoặc fructose

Tốc độ hấp thu đường riêng cực đại

Tốc độ sản xuất ethanol riêng cực đại

Hiệu suất sinh trưởng trung bình

(g sinh khối tế bào/g đường) 0.055 0.034Giá trị hiệu suất ATP (YATP)

(g sinh khối tế bào /mol ATP) 9.9 5.1

Trang 14

1.2 Cơ chất:

1.2.2 Hỗn hợp glucose và fructose

Với cùng một nồng độ trong hỗn hợp glucose và fructose

thì fructose được Z mobilis hấp thu chậm hơn, do :

 Sự kìm hãm enzyme fructokinase bởi glucose

 Enzyme glucose-fructose oxidoreductase xúc tác phản ứng hình thành sorbitol từ fructose, một chất

giúp Z mobilis chịu được áp suất thẩm thấu trong

môi trường có nồng độ đường cao

Trang 15

Cơ chế tích lũy và chuyển hóa glucose và fructose

ở Z mobilis

Trang 16

1.2 Cơ chất:

1.2.3 Hỗn hợp glucose và xylose

Trang 17

1.2 Cơ chất:

1.2.3 Hỗn hợp glucose và xylose

• Tốc độ sinh trưởng, sử dụng cơ chất riêng, sản lượng sinh khối và sản xuất ethanol trên cơ chất là

xylose của chủng Z.mobilis ZM4 (pZP5) tái tổ hợp

thấp hơn trên cơ chất là glucose hoặc hỗn hợp glucose – xylose

• Z mobilis hấp thu đường glucose trước , còn xylose thì được hấp thu sau với tốc độ chậm hơn

Trang 18

• □, glycerol;

 - acetoin.

Sự lên men của chủng tái tổ hợp ZM4 (pZB5) trên các cơ chất khác nhau

Trang 19

Có hơn 27g/lít ethanol được sản xuất ra trong môi trường có nồng độ glucose và arabinose ban đầu cao với pH =5.25

Do bị kìm hãm cạnh tranh bởi glucose nên arabinose sẽ bị hấp thu chậm hơn, khi glucose cạn kiệt, arabinose sẽ được hấp thu nhanh chóng ngay sau đó

Trang 20

1.3 Nồng độ glucose

Chủng Glucose (100g/l) Glucose (150g/l) Glucose (200g/l) Glucose (250g/l)

Ye (% LT) Glucose %

sử dụng

Ye (% LT) Glucose %

sử dụng

Ye (% LT) Glucose %

sử dụng

Ye (% LT) Glucose %

sử dụng

Bảng 16 : Hiệu suất sinh tổng hợp ethanol và sử dụng glucose bởi 2 chủng thuộc

loài Z mobilis trong lên men tĩnh

(30 o C, thời gian lên men 48 giờ và 72 giờ cho nồng độ glucose là 250g/l)

Trang 21

1.4 pH ban đầu

• Hiệu suất lên men đạt cực đại ở pH 7 và thấp nhất ở pH 4, chứng tỏ nếu gia tăng pH ban đầu thì sự hấp thu cơ chất và hiệu suất lên men cũng tăng

Z mobilis được chọn là 7.

Trang 22

1.5 Nhiệt độ

 Nhiệt độ tối ưu cho quá trình lên men là 30oC.

 Khi nhiệt độ của môi trường lên men tăng từ 30 – 36oC (nồng độ glucose không đổi trong hỗn hợp nhập liệu) thì nồng độ sinh khối giảm và tốc độ hấp thu glucose tăng dần.

 Khi tăng nhiệt độ khoảng 2 – 3oC, hiệu suất chuyển hóa glucose tăng từ 82% đến 90%

 Tuy nhiên, nhiệt độ cao quá mức sẽ có nhiều glucose thất thoát trong canh trường, hiệu suất chuyển hóa giảm còn 65%

Trang 23

1.6 Nồng độ ethanol ban đầu

• Nếu có ethanol ban đầu trong môi trường dinh dưỡng thì sẽ làm giảm sản xuất sinh khối, hấp thu cơ chất, sản xuất ethanol, hiệu suất và hệ số chuyển hóa đường

• Cụ thể :

 Với môi trường là sucrose có 2.5% ethanol ban đầu thì hiệu suất ethanol giảm 48.8%, hiệu suất sinh khối giảm 25% và tổng lượng đường hấp thu giảm 28.3%

 Với môi trường là glucose có 3% ethanol ban đầu thì hấp thu đường giảm 60 – 65%

(Moreau và cộng sự, 1997)

Trang 24

1.6 Nồng độ ethanol ban đầu

• Ở nồng độ ethanol rất cao (20%, wt/vol), sự lên men bị kìm hãm hoàn toàn.

• Thêm ethanol vào quá trình lên men sẽ ức chế khả

năng lên men của tế bào Z mobilis

Trang 25

2 Phương pháp thực hiện

2.1 Vi khuẩn tự do

Khả năng kết bông của Z mobilis :

 So với bông tụ của nấm men, bông tụ của Z mobilis có thể

chịu được điều kiện pH cao hơn (pH 6).

 Z mobilis có thể sản xuất ra các polyme nhân tạo như

polyarcylamide, polyethylenimine và chitosan hoặc các đại phân tử ngoại bào như polysaccharide (levan, cellulose)

 Những chủng Z mobilis này có hiệu suất chuyển hóa

glucose và fructose cao (gần 96%) và năng suất ethanol đạt cực đại ở độ pha loãng 0.9 – 1.8h -1

Trang 26

Hình ảnh Zymomonas mobilis ở trạng thái

đơn lẻ và kết bông

Trang 27

2.1 Vi khuẩn tự doLên men liên tục :

 Nhiệt độ lên men trong thiết bị khoảng 27 – 37 o C.

 Điều kiện kỵ khí nghiêm ngặt (có thể sục một dòng khí trơ vào thiết bị).

 Nhờ khả năng kết bông, vi khuẩn sẽ nhanh chóng lắng xuống đáy thiết bị

 Dung dịch chỉnh pH : KOH, NaOH hoặc HCl.

 Sử dụng thiết bị lên men tầng sôi (Fluidized Bed Reactor) : đạt nồng độ ethanol 58 – 60g/l với năng suất sản xuất ethanol là 28g/ l.h trong 30 ngày

Trang 28

Hệ thống bồn lên men

1 và 2: bơm nhu động

3 : ống dẫn sản phẩm ra

4: bộ phận trao đổi nhiệt

Trang 29

Lên men bán liên tục :

 Với phương pháp này, tế bào sẽ kết bông và lắng xuống đáy thiết bị, ethanol được tháo ra và một dòng môi trường mới sẽ được cho vào thiết bị lên men một cách định kỳ

 Sự tháo sản phẩm định kỳ được thực hiện nhờ lớp chất lỏng nổi trên bề mặt có chứa ethanol

 Thể tích dòng lỏng có chứa ethanol nổi trên bề mặt có thể chiếm từ 60 – 90% thể tích của môi trường lên men

Trang 30

Lên men bán liên tục :

 Một số lượng tế bào sẽ được giữ lại trong thiết bị với mong muốn là giữ được càng nhiều càng tốt Khoảng 95 -99% tế bào vi khuẩn được giữ lại trong thiết bị sau khi tháo sản phẩm

 Điều kiện môi trường : pH=5.0, T=30oC

Trang 31

Mô hình thiết bị lên men có tái sử dụng tế bào Z mobilis

Trang 32

2.2 Vi khuẩn cố định

Lên men liên tục :

 Chất mang thường sử dụng là gel alginate,  – carrageenan

Hệ thống

cố định

Nồng độ đường (g/L)

% đường sử dụng

Nồng độ ethanol cực đại (g/L.h)

Trang 33

Moâ hình thieát bò leân men lieân tuïc FBR

Trang 34

2.2 Vi khuẩn cố định

Lên men liên tục :

 Phương pháp hấp phụ: Tế bào Z mobilis được hấp phụ lên

bề mặt của lớp chất mang và từ đó hình thành màng sinh học.

 Chất mang sử dụng : chất khoáng vermiculite (Bland và cộng sự), polypropylene hoặc các hợp chất dẻo, hạt nhựa cationit (thích hợp nhất) (Krug và Daugulis)…

 Nồng độ tế bào có thể đạt đến 74 g/l

 Thiết bị: CSTR liên tục (Continuous Stirred Tank Reactor), CSTR trục quay,PBR (Packed Bed Reactor), TBR (Trickling Bed Reactor), FBR (Fluidized Bed Reactor)

Trang 35

Mô hình một số thiết bị lên men liên tục

Trang 36

3 Ứng dụng lên men ethanol trong công nghiệp

Các loại củ Cây mía

Củ cải đường Sinh khối thực vật nông nhgiệpPhụ phẩm Ngũ cốc

Tiền xử lý bằng nhiệt

Đường

Rỉ đường Nước

mía thô

Lignin

Hóa lỏng Amylose, pH 6,

75 o C

Đường phân AMG, 55 o C,

pH 4- 4.5 Lọc

Tinh bột thủy phân

Cellulose và hemicellulose

Thủy phân bằng acid

Lên men Gián đoạn, liên tục, bán liên tục

Chưng cất Ethanol

Trang 37

Chương 4: So sánh lên men ethanol với

vi khuẩn Z mobilis và lên men ethanol với nấm men Saccharomyces cerevisiae

 Thời gian lên men dài (30 – 70 giờ ứng với 9% -11% (v/v) ethanol đối với cơ chất là glucose)

 Tốc độ hấp thu và sản xuất glucose thấp

 Có sự hình thành các sản phẩm phụ như: glycerol, amyl alcohol và các dầu rượu tạp khác

 Hiệu suất chuyển hóa glucose thành ethanol thấp (85 – 91%)

 Nhạy cảm với nồng độ cơ chất (đường) và nồng độ sản phẩm cuối (ethanol)

Trang 38

Một số ưu điểm của Z mobilis là :

 Là một chủng vi sinh vật có khả năng lên men tự nhiên (Natural fermentative microorganism - GRAS)

 Tạo ra ít sinh khối tế bào

 Không cần cung cấp oxy

 Có thể kháng cự với các chất kìm hãm có trong sản phẩm thủy phân

 Lên men ở pH thấp

 Có thể sinh trưởng ở nồng độ glucose cao

Trang 39

Một số ưu điểm của Z mobilis là :

 Tạo ra sản lượng ethanol cao từ glucose (95-98% hoặc 0.49-0.50 g/g)

 Khả năng chịu được nồng độ ethanol cao (13% ethanol từ 30% glucose)

 Hiệu suất sản xuất riêng cao (2-6 g ethanol / g chất khô.giờ)

 Tốc độ hấp thu đường glucose cao ( có thể lên đến 10

g glucose g/g chất khô.giờ)

Trang 40

Nhược điểm của Z mobilis là :

 Giới hạn cơ chất hẹp, không có khả năng chuyển hóa các polysaccharide phức tạp như: cellulose, hemicellulose và tinh bột thành ethanol.

 Tạo ra một số sản phẩm phụ như: sorbitol, acetoin, glycerol và acid acetic.

 Hình thành một loại polymer levan ngoại bào.

Trang 41

Thông số Z mobilis S cerevisiae

Chuyển hóa glucose thành ethanol (%)

Chuyển hóa ethanol cực đại (%)

Tốc độ sản xuất ethanol (g/g.h)

Nồng độ ethanol (g/lít)

Hiệu suất sinh tổng hợp ethanol

(% lý thuyết)

Năng suất sản xuất ethanol (g/l.h)

% glucose chịu được

Khoảng pH

Nhiệt độ tối ưu

96 12 5.67 62 97

200

>40 3.5 – 7.5

25 - 30

96 12 0.67 27 90

29

>40

2 – 6.5

30 - 38

Trang 42

Xin cám ơn thầy cô và các bạn đã quan

tâm theo dõi

Định dạng
Số trang	42
Dung lượng	1,09 MB

Slide Đề tài Lên men Ethanol với vi khuẩn Zymomonas mobilis

Phương pháp thực hiện 1 Vi khuẩn tự do

với nấm men Saccharomyces cerevisiae