ứng dụng của vi sinh vật trong sản xuất butanolứng dụng của vi sinh vật trong sản xuất butanolứng dụng của vi sinh vật trong sản xuất butanolứng dụng của vi sinh vật trong sản xuất butanolứng dụng của vi sinh vật trong sản xuất butanolứng dụng của vi sinh vật trong sản xuất butanolứng dụng của vi sinh vật trong sản xuất butanolứng dụng của vi sinh vật trong sản xuất butanol
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT KHOA KỈ THUẬT DẦU KHÍ BỘ MÔN LỌC HOÁ DẦU MÔN HỌC:CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG BÀI THU HOẠCH SỐ ĐỀ TÀI 3:tìm hiểu ứng dụng của vi sinh vật sản xuất butanol GVHD : NGUYỄN THỊ LINH MSV:1 VŨNG TÀU 2015 1.GIỚI THIỆU VỀ BUTANOL Butanol (danh pháp IUPAC, 1-butanol; CAS no.71-36-3) gọi rượu butylic, n-butanol methylolpropane, rượu gồm cacbon có công thức phân tử C 4H9OH (KLPT = 74,12 g.mol1 ) Butanol chất lỏng không màu, dễ cháy, kỵ lỏng, có mùi thơm chuối hương có mùi cồn mạnh Khi tiếp xúc trực tiếp gây kích ứng mắt da.Hơi có tác dụng kích thích vào niêm mạc màng có khả gây mê hít phải nồng độ cao.Butanol hòa tan hoàn toàn với dung môi hữu phổ biến, lại hòa tan nước Ứng dụng butanol thực tiễn Một ứng dụng ưu việt lớn biobutanol (butanol sinh học) sử dụng để pha trộn vào xăng dầu làm nhiên liệu cho động Trong ethanol nhận nhiều quan tâm nguồn nhiên liệu hỗ trợ nhiều lý butanol lại cho thấy lựa chọn tốt so với ethanol có tính chất hóa học vật lý phù hợp 3.Các loài vi sinh vật dùng sản xuất butanol Các loài vi sinh vật có khả sinh tổng hợp butanol bao gồm bốn loài là: Clostridium acetobutylicum, C beijerinckii, C.saccharobutylicum Clostridium saccharoperbutylacetonicum 4.Qúa trình lên men butanol a) Sự trao đổi chất trình lên men vi khuẩn Clostridium Trong trình lên men Clostridium, gồm hai giai đoạn sinh trưởng riêng biệt xảy ra: giai đoạn acidogenic giai đoạn solventogenic a) Giai đoạn acidogenic:Giai đoạn acidogenic xảy đầu tiên, Clostridium thực trình lên men butyrat điển hình phát triển môi trường chất tinh bột đường Các sản phẩm tong giai đoạn butyrat (butyric acid), acetate (acid acetic), carbon dioxide hydrogen b) Giai đoạn solventogenic Các acid tiết sử dụng giai đoạn chuyển đổi thành sản phẩm trung tính, bao gồm aceton butanol (theo tỷ lệ thông thường 1:2) Sơ đồ trao đổi chất trình lên men Clostidium b) Khả sử dụng nguồn chất lên men • khả sử dụng loại đường đơn pentose hexose thực trình lên men với loại đường glucose, xylose, arabinose, galactose sử dụng chủng Clostridium acetobutylicum P260 Mặc dù Clostridium acetobutylicum P260 sử dụng bốn loại đường canh trường vi sinh vật sử dụng glucose nhiều loại đường khác Glucose không dịch sau lên men, galactose sử dụng bốn loại đường Như vậy, arabinose dù không lên men hoàn toàn lại cho hiệu suất sinh butanol cao Nồng độ tế bào vi sinh vật từ dịch lên men glucose cho kết cao điều cho thấy glucose tạo môi trường thuận lợi cho phát triển tế bào vi khuẩn • Lên men từ bột sắn (cassava flour CF) Bột sắn sử dụng làm chất cho trình lên men sử dụng chủng Clostridium beijerinckii BA101 Bột sắn xử lý hai phương pháp sử dụng enzyme (a-amylase bglucoamylase)và acid (HCl) Bột sắn pha vào nước cất thành dung dịch huyền phù nồng độ 60, 80 g/L Với phương pháp xử lý acid (CT: acid chemical treatment), dung dịch HCl 1M bổ sung vào dung dịch CF đến pH đạt 1.5 Quá trình thủy phân thực 2h nhiệt độ 121 oC, sau làm lạnh đến 4oC để ngừng trình thủy phân Với phương pháp xử lý enzyme (E1), CaCl2 (1g/L) bổ sung vào dung dịch huyền phù để đạt 40 mgCa/L, điều chỉnh pH đến 6.5 NaOH 1M a-amylase bổ sung vào ( 1ml/kg bột) thực trình hồ hóa 93 oC 2h Sau đó, bổ sung b-glucoamylase (1.7 ml/kg bột) thực trình dịch hóa 60oC, tốc độ khuấy đảo 150 rpm 1h Cuối hỗn hợp đưa 40oC giữ 39h trước lên men Quá trình lên men thực nhiệt độ 35 40 oC với nồng độ CF 60 80 g/L nồng độ butanol đạt cao 31.59 g/L ứng với trình lên men 40oC sử dụng nồng độ CF 60g/L xử lý enzyme Nồng độ butanol đạt thấp 11.34 g/L lên men 25oC, nồng độ CF 80 g/L xử lý enzyme • Lên men từ Xơ bắp ( corn fiber) Xơ bắp phụ phẩm từ trái bắp, giá trị mặt kinh tế sử dụng làm thức ăn gia súc Tuy nhiên xơ bắp chứa tới 60-70 % thành phần carbohydrate, 30% số arabinoxylan hemicellulose Nhiều nghiên cứu sử dụng xơ bắp nguồn chất cho trình lên men sản xuất butanol Xơ bắp trước lên men thủy phân hai phương pháp sử dụng enzyme acid sulfuric.Từ trình lên men dịch thủy phân acid sulfuric ( nồng độ đường đạt sau trình thủy phân 29.8 g/L; glucose chiếm 4.3 g/L) phương pháp thủy phân xơ bắp enzyme hạn chế chất ức chế so với phương pháp thủy phân acid Nồng độ tế bào đạt dịch lên men 1.65 ± 0.40 g/L Hàm lượng đường sót 0.4 g/L cho thấy sơ bắp thủy phân enzyme nguồn chất tiềm cho sản xuất butanol quy mô lớn • Lên men từ dịch bo bo ( sweet sorghum juice) Đường lấy từ việc thủy phân thân bo bo làm chất cho trình lên men sản xuất butanol Dịch thủy phân từ thân bo bo ly tâm, bổ sung vào môi trường P2 điều chỉnh pH 6.0 dung dịch NaOH 1.0M Quá trình lên men thực thiết bị lên men yếm khí 2-L chứa 1500ml dịch lên men 37Oc.Dung dịch bo bo có khả cho nồng độ butanol cao Tuy nhiên, hàm lượng đường sót dịch sau lên men bo bo lại cao làm cho hiệu suất sinh tổng hợp sản phẩm giảm đáng kể Lên men từ bã nho (grape pomace) Tổng hợp butanol từ bã nho lấy từ giống nho trắng Chardonnay sử dụng giống vi khuẩn Clostridium acetobutylicum P262 Để chuẩn bị cho dịch lên men, bã nho pha vào nước cất theo tỷ lệ 12.5% w/v, bổ sung dung dịch đệm kali phosphate 1M Toàn môi trường trùng 121oC 15 phút Quá trình lên men thực 35 oC , pH môi trường ban đầu 5.5 • Có thể thấy 24 đầu trình lên men, khả sử dụng chất vi sinh vật tương đối thấp, nồng độ tế bào tăng không đáng kể Có thể trình thích nghi với môi trường vi khuẩn, canh trường chưa bước vào giai đoạn sinh trưởng Tuy nhiên, 48 lên men tiếp theo, tốc độ sử dụng chất vi khuẩn tăng nhanh Sau 72 lên men, 97.6% hàm lượng đường dịch lên men sử dụng, nồng độ tế bào tăng 72 lên men đạt nồng độ 0.81 g/L Như vậy, Clostridium acetobutylicum P262 phát triển tốt môi trường lên men từ bã nho, nồng độ đường sót lại thấp ( 2.4%) Tốc độ sinh tổng hợp acid acetic butylic 24 đầu lên men tăng cao 0.59 g/L.h, chứng tỏ canh trường giai đoạn acidogenesis chủ yếu tổng hợp acid Sau nồng độ acid giảm nhanh 48 tiếp theo, nghĩa canh trường bước sang giai đoạn solventogenesis, vi khuẩn bắt đầu sử dụng acid sinh giai đoạn trước để tổng hợp nên dung môi Sau 24 lên men, acetone butanol bắt đầu hình thành đạt nồng độ 2.83 5.96 g/L sau 72 lên men Như tỷ lệ nồng độ dung môi 6:3:1 (butanol:acetone:ethanol) Bã nho nguồn chất đầy tiềm cho trình lên men sản xuất butanol Như : Ứng dụng tế bào vi khuẩn lên men sản xuất butanol mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như: Chất mang đóng vai trò tác nhân bảo vệ tế bào chống lại ảnh hưởng bất lợi từ môi trường nồng độ chất cao, thay đổi pH, nhiệt độ làm giảm ức chế tế bào sản phẩm cuối (butanol) Mật độ tế bào đơn vị thể tích bình phản ứng sinh học cao hơn, từ dẫn đến suất thể tích cao hơn, rút ngắn thời gian lên men Tăng khả sử dụng chất tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm, từ cải thiện hiệu suất lên men Có thể sử dụng cho trình sản xuất liên tục Dễ dàng thu hồi sản phẩm, giảm bớt công đoạn phân riêng canh trường sau lên men, giảm chi phí thiết bị lượng Có thể tái sử dụng nấm men nhiều lần đảm bảo hoạt tính sinh học ổn định