Nghiên cứu lên men Acid acetic bằng dịch ép trái chiều

Nghiên cứu lên men Acid acetic bằng dịch ép trái chiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINHBỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU LÊN MEN ACID ACETIC BẰNG DỊCH ÉP TRÁI ĐIỀU

Ngành học: CÔNG NGHỆ SINH HỌCNiên khóa: 2001 – 2005

Sinh viên thực hiện: BÙI HOÀNG VĂN

Thành phố Hồ Chí MinhTháng 9/2005

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINHBỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

NGHIÊN CỨU LÊN MEN ACID ACETIC BẰNG DỊCH ÉP TRÁI ĐIỀU

Giáo viên hướng dẫn:Sinh viên thực hiện:

Thành phố Hồ Chí MinhTháng 9/2005

LỜI CẢM TẠ

Chúng tôi xin chân thành cảm tạ:

- Ban Giám hiệu trường Đại Học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh, Ban chủ nhiệm Bộ Môn Công nghệ sinh học, cùng tất cả quý thầy cô đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập tại trường.

- TS Trịnh Văn Dũng – giảng viên Trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh đã hết lòng hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực tập tốt nghiệp.- Thầy Nguyễn Sĩ Xuân Ân, cùng tất cả thầy cô trong phòng thí nghiệm Bộ

Môn Máy và Thiết bị – Trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh đã hết lòng giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực tập tại đây.

- Chân thành cảm ơn bạn bè thân yêu của lớp CNSH 27 cùng tất cả các bạn ngoài lớp đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt trong thời gian thực hiện đề tài này.

Sinh viên thực hiện

Bùi Hoàng Văn

Phương pháp lên men giấm sử dụng trong đề tài là: phương pháp chậm và phương pháp nhanh Trong đề tài sẽ khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả lên men trong quá trình sản xuất Trong phương pháp lên men nhanh có sử dụng vật liệu bám cho vi khuẩn giấm là phoi gỗ sồi Tuy nhiên, ở Việt Nam thì không có gỗ sồi Cho nên chúng tôi khảo sát khả năng thay thế của thân tre làm vật liệu bám cho vi khuẩn giấm.

Những kết quả đạt được:

- Hàm lượng gelatin thích hợp nhất để tách tanin ra khỏi dịch ép quả điều là 1,5g/l.

- Hàm lượng tanin có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả lên acid acetic.

- Hàm lượng chất khô (độ Brix) trong dịch lên men thích hợp nhất là 9%.

- Phương pháp lên men nhanh có thời gian lên men ngắn hơn nhiều so với phương pháp chậm.

- Lưu lượng lỏng thích hợp nhất cho quá trình lên men giấm theo phương pháp lên men nhanh là 80 ml/phút.

- Khả năng dùng thân tre làm vật liệu bám cho vi khuẩn giấm

MỤC LỤC

Lời cảm ơn i

Tóm tắt ii

Mục lục iii

Danh sách các bảng vii

Danh sách các hình và sơ đồ viii

Danh sách các phụ lục viii

1 MỞ ĐẦU1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích, yêu cầu 2

2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU2.1 Tính chất và ứng dụng của acid acetic 3

2.1.1 Tính chất hóa lý của acid acetic 3

2.1.1.1 Tính chất vật lý 3

2.1.1.2 Tính chất hóa học 3

2.1.2 Ứng dụng của acid acetic 5

2.1.2.1 Ứng dụng trong ngành cao su 5

2.1.2.2 Ứng dụng trong ngành công nghiệp khác 5

2.1 Các phương pháp sản xuất acid acetic 6

2.2.1 Sản xuất acid acetic bằng phương pháp hóa học 6

2.2.2 Sản xuất acid acetic bằng phương pháp hóa gỗ 7

2.2.3 Sản xuất acid acetic bằng phương pháp vi sinh 8

2.2.4 Sản xuất acid acetic bằng phương pháp hỗn hợp 9

2.2.5 Phân tích – lựa chọn phương pháp sản xuất acid acetic 9

2.3 Sản xuất acid acetic bằng phương pháp vi sinh 11

2.3.1 Quá trình lên men acid acetic 11

2.3.2 Cơ chế quá trình lên men acid acetic 11

2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men acid acetic 12

2.3.3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng Oxy 12

2.3.3.2Ảnh hưởng của nhiệt độ 13

2.3.3.3 Hàm lượng acid 13

2.3.3.4 Hàm lượng rượu 14

2.3.3.5 Các chất dinh dưỡng 14

2.3.3.6 Các chất gây độc và các kim loại nặng 15

2.3.3.7 Chất lượng nước pha dịch 15

2.3.4 Các phương pháp sản xuất acid acetic bằng cách lên men 15

2.3.4.1 Phương pháp chậm 15

2.3.4.2 Phương pháp nhanh 16

2.3.4.3 Phương pháp chìm 17

2.3.4.4 Phương pháp tổ hợp 17

2.3.4.5 Chọn phương pháp lên men 18

2.3.5 Chọn chủng vi khuẩn acid acetic 18

2.3.6 Nguồn nguyên liệu sản xuất acid acetic 22

2.4 Sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh 22

2.4.1 Các phương pháp sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh 22

2.4.1.1 Phương pháp trống quay 22

2.4.1.2 Phương pháp nhúng 23

2.4.1.3 Phương pháp dịch chuyển 23

2.4.1.4 Phương pháp cố định 24

2.4.2 Chất mang vi khuẩn acid acetic 25

2.4.2.1 Yêu cầu đối với chất mang vi khuẩn acid acetic 25

2.4.2.2 Lựa chọn chất mang 252.4.3 Sự hình thành và phát triển của màng sinh học trên chất mang trong

Fermenter sử dụng màng sinh học cố định để lên men acid acetic 26

2.4.3.1 Trạng thái vi khuẩn acid acetic trong fermenter 26

2.4.3.2 Cấu tạo màng vi khuẩn acid acetic 27

2.4.3.3 Sự phát triển của màng vi khuẩn acid acetic 27

2.4.3.4 Bề dày màng vi khuẩn acid acetic 28

2.5 Khái quát về nguồn nguyên liệu điều 29

2.5.1 Cây điều – đặc điểm thực vật học của cây điều 29

2.5.1.1 Nguồn gốc và tên gọi 29

2.5.1.2 Đặc điểm thực vật học 30

2.5.1.3 Thành phần hóa học của quả điều 31

2.5.1.4 Tình hình ở Việt Nam 32

2.5.2 Hợp chất polyphenol – tanin 33

3.5.2.1 Một số tính chất cơ bản của tanin 33

3.5.2.2 Các phương pháp tách tanin ra khỏi dịch quả điều 34

3 – VẬT LIỆU, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU3.1 Thời gian và địa điểm thực hiện 38

3.2 Vật liệu 38

3.2.1 Thiết bị 38

3.2.1.1 Thiết bị chính 38

3.2.1.2 Các thiết bị phụ 39

3.2.1.3 Các hóa chất và dụng cụ thí nghiệm khác 39

3.2.2 Nguyên liệu 40

3.2.2.1 Giống vi khuẩn giấm 40

3.2.2.2 Thành phần môi trường cấy giống 40

3.2.2.3 Nguyên liệu trái điều 41

3.2.2.4 Gelatin 42

3.2.2.5 Phương pháp xử lý nguyên liệu trái điều 42

3.3 Phương pháp thí nghiệm 42

3.3.1 Cấy giống 42

3.3.2 Lên men 44

3.3.3 Phương pháp lấy mẫu và phân tích xác định nồng độ acid acetic 45

3.3.4 Bố trí thí nghiệm 45

3.3.4.1 Tách tanin ra khỏi dịch trái điều bằng gelatin 45

3.3.4.2Ảnh hưởng của hàm lương tanin lên hiệu quả lên men acid acetic 46

3.3.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của hàm luợng chất kho hoà tan (độ Brix) đến hiệu quả lên men acid acetic theo phương pháp lên men chậm 46

3.3.4.4 Thí nghiệm lên men acid acetic bằng dịch ép nước trái điều theo phương pháp nhanh 47

3.3.4.5 Khảo sát lên men đối chứng giữa hai phương pháp nhanh và phương pháp chậm 47

3.3.4.6 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng lỏng (ml/phút) đến hiệu quả lên men acid acetic 48

3.3.4.7 Khảo sát khả năng thay thế của thân tre làm chất mang vi khuẩn acid acetic 48

3.4 Phương pháp xử lý số liệu 49

4 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN4.1 Hiệu quả xử lý tanin trong dịch quả điều bằng gelatin 50

4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng tanin còn sót lên hiệu quả lên men acid acetic 51

4.3Ảnh hưởng của hàm lượng chất khô (độ Brix) đến hiệu quả lên men acid acetic 54

4.4 Thí nghiệm lên men acid acetic dịch ép quả điều theo phương pháp nhanh 56

4.5 So sánh giữa hai phương pháp lên men acid acetic theo phương pháp nhanh và phương pháp chậm 57

4.6Ảnh hưởng của lưu lượng lỏng đến hiệu quả lên men acid acetic 59

4.7 Khảo sát khả năng thay thế của thân tre làm chất mang vi khuẩn acid acetic trong phương pháp lên men nhanh 62

5 – KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 64

6 – TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH SÁCH CÁC BẢNGTRANGBảng 2.1: Thành phần hóa học của quả điều 31

Bảng 2.2: Lượng vitamin C và muối khoáng trong một số loại quả 32

Bảng 3.1: Thành phần của môi trường cấy giống 41

Bảng 4.1: Kết quả xử lý gelatin trong dịch quả điều bằng gelatin 50

Bảng 4.2: Kết quả lên men acid acetic các dịch nước điều có hàm lượng tanin còn sót khác nhau 52

Bảng 4.3: Nồng độ acid acetic (%) ở các dịch lên men có độ Brix khác nhau 54

Bảng 4.4: Độ Brix trước và sau khi lên men 54

Bảng 4.5: Nồng độ acid acetic (%) theo phương pháp lên men nhanh và độ tích lũy acid acetic theo thời gian 56

Bảng 4.6: Nồng độ acid acetic (%) thu được theo phương pháp nhanh và phương pháp chậm 58

Bảng 4.7: Nồng độ acid acetic (%) theo phương pháp nhanh với các lưu lượng lỏng khác nhau 60Bảng 4.8: Kết quả kiểm tra định tính các tính chất của chất mang chế tạo từ tre .63

DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

HÌNH TRANG

Hình 2.1: Thiết bị lên men nhanh bằng phương pháp trống quay 23

Hình 2.2: Thiết bị lên men nhanh bằng phương pháp nhúng 23

Hình 2.3: Thiết bị lên men nhanh bằng phương pháp cố định 24

Hình 2.4: Biểu diễn màng sinh học bám trên các vật rắn trơ 27

Hình 3.1: Vật liệu mang vi khuẩn acid acetic làm từ thân tre 39

Hình 3.2: Nguyên liệu trái điều 41

Hình 3.3: Sơ đồ xử lý nguyên liệu trái điều 42

Hình 3.4: Tháp lên men trước và sau khi cấy giống vi khuẩn acid acetic 43

Hình 3.5: Hệ thống lên men acid acetic theo phương pháp nhanh 44

ĐỒ THỊĐồ thị 4.1: Hiệu quả tách tanin bằng gelatin 51

Đồ thị 4.2: Đồ thị biểu diễn nồng độ acid acetic (%) do lên men các dịch nước quả điều có hàm lượng tanin còn sót khác nhau 52

Đồ thị 4.3: Đồ thị biểu diễn nồng độ acid acetic từ ngày thứ 4 đế ngày thứ 9 53

Đồ thị 4.4: Nồng độ acid acetic (%) do lên men nhanh theo thời gian 55

Đồ thị 4.5: Độ tích lũy acid acetic theo thời gian 57

Đồ thị 4.6: Nồng độ acid acetic theo phương pháp nhanh và phương pháp chậm 58

Đồ thị 4.7: Đồ thị biểu diễn nồng độ acid acetic theo thời gian ở các lưu lượng lỏng khác nhau 61

Đồ thị 4.8: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của lưu lượng lỏng đến kết quả lên men acid acetic theo phương pháp nhanh 62

DANH SÁCH CÁC PHỤ LỤC TRANGPhụ lục 1: Phương pháp phân tích xác định nồng độ acid acetic 68

Phụ lục 2: Phương pháp xác định hàm lượng tanin 69

MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Acid acetic là một hoá chất có giá trị kinh tế cao, nó được ứng dụng nhiều trong công nghiệp như: công nghiệp tổng hợp hữu cơ, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp chế biến mủ cao su,… cho nên nhu cầu ngày càng tăng Ở nước ta hiện nay, việc sản xuất acid acetic chủ yếu chỉ bằng phương pháp truyền thống với qui mô nhỏ phục vụ cho công nghiệp thực phẩm Với qui mô này thì không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng ở nước ta trong các ngành công nghiệp, nhất là ngành công nghiệp chế biến mủ cao su Vì thế việc tìm kiếm phương pháp để nâng cao hiệu quả trong sản xuất acid acetic là điều cần thiết.

Nguồn nguyên liệu để sản xuất acid acetic rất phong phú như: mật rỉ, nước hoa quả chín, tinh bột, cồn và các loại có chứa cellulose như gỗ,… Việt Nam là nước nông nghiệp có khí hậu nhiệt đới nên các nguyên liệu này rất dồi dào, đặc biệt là quả điều Điều được trồng chủ yếu để lấy hạt, nhưng hạt chỉ chiếm 15% khối lượng cả trái điều còn phần trái chiếm tỷ lệ lớn (85%) nhưng không được sử dụng một cách có hiệu quả Nước ép quả điều có hàm lượng đường, khoáng vi lượng, đa lượng, các vitamin cao rất thích hợp cho các quá trình lên men vi sinh, vì thế có thể dùng để sản xuất acid acetic rất thích hợp Tuy nhiên, nước điều chứa hàm lượng tanin cao (0,2 – 0,4%) ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật, gây vị chát mạnh cho sản phẩm, cho nên cần phải loại bỏ ra khỏi dịch ép trái điều.

Nhằm mục đích nâng cao hiệu quả sản xuất, tận dụng nguồn nguyên liệu dồi dào trong nước (nước ép trái điều) và tìm kiếm vật liệu ở trong nước làm chất mang vi khuẩn giấm để thay thế cho gỗ sồi trong phương pháp lên men nhanh, được sự đồng ý của Bộ môn Công Nghệ Sinh Học, Trường Đại Học Nông Lâm TP.Hồ Chí Minh và sự hướng dẫn tận tình của TS Trịnh Văn Dũng – giảng viên

Trường Đại Học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh, chúng tôi tiến hành đề tài “nghiên cứu lên men acid acetic bằng dịch ép trái điều”

1.2 Mục đích yêu cầu

- Khảo sát phương pháp xử lý nguyên liệu: tách tanin ra khỏi dịch ép trái điều bằng gelatin nhằm tìm ra hàm lượng gelatin thích hợp, có hiệu quả trong xử lý nguyên liệu cho quá trình lên men giấm.

- Khảo sát lên men giấm từ nước ép trái điều theo phương pháp lên men chậm và lên men nhanh.

- Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men giấm theo phương pháp chậm và lên men nhanh.

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

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Tính chất và ứng dụng của acid acetic2.1.1 Các tính chất hoá lý của acid acetic2.1.1.1 Các tính chất vật lý

- Acid acetic (ethanoid acid) có công thức phân tử CH3COOH, khối lượng phân tử 60,5 kg/mol Nó là một chất lỏng không màu, có mùi hăng, vị chua, có khả năng hút ẩm từ không khí Nhiệt độ nóng chảy 16,63oC, nhiệt độ sôi 118,1oC, tỷ trọng d20=1,0492, chỉ số khúc xạ nb20=1,3718, độ nhớt ở 20oC là 1,21.10-3 N.s/m2, acid acetic là acid yếu có hằng số phân ly nhiệt động ở 25oC là k=1,75.10-5

- Acid acetic tan trong nước và các dung môi thường (rượu, aceton, cloruafooc,…) với bất kỳ tỷ lệ nào Và chính nó cũng là dung môi tốt cho nhiều hợp chất hữu cơ (nhựa, tinh dầu,…), đặc biệt acid acetic hòa tan tốt ngay cả cellulose và các hợp chất của nó, tính chất này không có ở các acid cùng dãy đồng đẳng với 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 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 hydro giữa các phân tử với nhau Khi hòa tan trong nước thì tỷ trọng tăng do giảm thể tích, sự giảm thể tích lớn nhất xảy ra khi cho1 mol acid tác dụng với 2 mol nước, nhận được dung dịch chứa 62,5% acid có công thức CH3COOH.(H2O)2.

2.1.1.2 Tính chất hóa học

Các tính chất hóa học của acid acetic được qui định bởi sự có mặt của nhóm cacboxyl trong phân tử Acid acetic có khả năng trung hoà các bazơ, oxit bazơ, đẩy acid cacbonic ra khỏi muối của nó:

CH3COOH  CH3COO- + H+

2CH3COOH + Ca(OH)2  (CH3COO)2Ca + 2H2O

2CH3COOH + CaO  (CH3COO)2Ca + H2O

2CH3COOH + CaCO3  (CH3COO)2Ca + CO2 + H2OCác kim loại tự do có thể thay thế hydro trong acid acetic:

CH3COOH + Na  CH3COONa + 1/2H2

Acid acetic bền với các tác nhân oxi hóa mạnh như cromit, permanganat kali Tính chất được ứng dụng để tinh chế acid acetic ra khỏi các tạp chất hữu cơ Hơi acid có thể chịu nhiệt đến 400oC, khi đun nóng quá 420oC thì hơi này bị phân huỷ thành aceton, cacbonic và nước:

CH3COOH + 2O2  2CO2 + 2H2O (xúc tác, to > 300oC)

Acid acetic tạo với các acid mạnh thành một hợp chất kép dạng [CH3COOH].X, trong đó X là cation acid, và pha loãng thì phản ứng với acid nitric bốc khói tạo thành diacetylnitric

CH3COOH + H2SO4 [ CH3COOH].[SO4H2]

2CH3COOH + HNO3 ( CH3COO)2N(OH)3

Acid acetic tạo với acid hypocloric phức chất có thành phần CH3COOH.HClO4

và 2CH3COOH.HClO4, tạo với bậc ba các muối acid có dạng R3NCH3COOH, đồng thời nó phản ứng với cacbonat amon và xyanua|

2CH3COOH + H2NCONH2  2CH3CONH2 + H2O + CO2

Mủ được pha loãng với nước đến nồng độ cao su khô (DRC) khoảng 14%, pH = 7 Tuy nhiên, tùy theo hệ thống máy cán ép mà có thể thay đổi độ pH hoặc DRC theo yêu cầu của từng tấm cao su cán ra.

Sau khi đã pha loãng và khuấy trộn mủ, người ta thêm vào một lượng dung dịch acid acetic (có nồng độ 2,5%) Lượng acid acetic được dùng thay đổi từ 3,5 - 10 kg/tấn cao su khô Trong khi đánh đông phải luôn khuấy dung dịch mủ nước để acid phân tán đều trong mủ Bọt được vớt đi trước khi cho mủ vào đánh đông.

Ở Việt Nam hiện nay, mỗi năm sản xuất khoảng 172.000 tấn cao su, như vậy lượng acid sử dụng là rất lớn.

2.1.2.2 Ứng dụng trong ngành công nghiệp khác

Acid acetic được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất như: làm sản phẩm trung gian để tổng hợp acid monocloacetic, etylacetat, butylacetat, cellulose acetat, aceton, trong công nghiệp cao su (điều chế vinylacetat) tổng hợp nhựa PVA, trong dược phẩm (điều chế aspirin), trong công nghiệp thực phẩm (dùng làm giấm ăn, sản xuất bánh kẹo,…)

Khi các ngành công nghiệp thực phẩm và hoá học càng phát triển thì acid acetic càng được sử dụng rộng rãi, nhất là những năm gần đây Ví dụ như sản xuất màng tơ nhân tạo trên cơ sở acetat cellulose, các chất tẩy màu, thuốc sát trùng, dược phẩm chất thơm, nhựa, sơn, … trên cơ sở các muối và dẫn xuất của nó.

Và ngày nay, acid acetic và các dẫn xuất của nó đã được nghiên cứu và ứng dụng cho các ngành công nghệ như sản xuất phim ảnh không cháy, thuỷ tinh không vỡ

2.2 Các phương pháp sản xuất acid acetic

Acid acetic được sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng chủ yếu bằng bốn phương pháp sau:

-Phương pháp hóa học-Phương pháp hóa gỗ-Phương pháp vi sinh-Phương pháp hỗn hợp

2.2.1 Sản xuất acid acetic bằng phương pháp hóa học

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

+

O CHCH

OH + CH CH

Phương pháp mới nhất hiện nay là tổng hợp từ methanol và CO bằng phản ứng cacbonyl hóa

CH3OH + CO  CH3COOH

2.2.2 Sản xuất acid acetic bằng phương pháp hóa gỗ

Phương pháp này được phát triển mạnh cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp khai thác và chế biến gỗ theo 3 hướng sau:

-Sản xuất acid acetic từ giấm gỗ: khi chưng phân hủy gỗ người ta thu được giấm gỗ, đó là dung dịch có chứa acid acetic, metanol, hắc ín với một số hợp chất hữu cơ khác với hàm lượng các chất tuỳ thuộc vào giống gỗ, tuổi thọ và độ ẩm của gỗ,… Từ giấm gỗ, tách được acid acetic bằng muối kim loại hay bằng một trong các quá trình tách trực tiếp

- Sản xuất acid acetic từ bột gỗ:

Trong quá trình chưng cất gỗ cho bay hơi lên đi qua nước vôi ta thu được muối của acid acetic (canxi acetat) ít tan, kết tủa cùng với các hợp chất khác gọi là bột giấm gỗ Phân huỷ bột giấm gỗ bằng H2SO4 hay HCl sau đó lọc sạch và thu acid acetic bằng cách chưng cất.

-Tách acid acetic trực tiếp từ nước ngưng tụ khi chưng gỗ

Để tách acid acetic từ bột giấm gỗ cần tiêu tốn nhiều vật liệu phụ, nhiên liệu và năng lượng khá lớn nên tìm cách tách acid acetic trực tiếp từ nước ngưng khi chưng gỗ như sau:

Sau khi ngưng tụ hơi chưng gỗ, để lắng và tách ra được hai lớp:

+ Lớp nhẹ ở trên là chất lỏng chứa lượng acid acetic không đáng kể

+ Lớp dưới chính là nhựa do acid acetic cùng với một số chất khác keo tụ lại, đem gia công nó người ta thu được acid acetic và nhiều chất khác.

2.2.3 Sản xuất acid acetic bằng phương pháp vi sinh

Việc ứng dụng các quá trình có vi sinh vật tham gia để sản xuất rượu,bia, muối dưa, làm tương,… đã được con người phát hiện và sử dụng từ xa xưa.

Đến cuối thế kỉ XVII, con người đã phát hiện ra vi sinh vật nhưng thực tế phải sau những cống hiến của Louis Pasteur thì khoa học về vi sinh mới chính thức ra đời.

Ngày nay, trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuật thực phẩm nói riêng, ngành vi sinh vật đã và đang là cơ sở cho kỹ thuật sản xuất nhiều thực phẩm, dược phẩm,…

Vi sinh vật có khả năng phát triển kỳ diệu và có khả năng xúc tác đặc hiệu các phản ứng hóa học nhất định nhờ các enzym có trong cơ thể chúng Nhờ các enzym này, nhiều phản ứng hóa học rất khó xảy ra ở điều kiện thường lại có thể xảy ra ngay trong cơ thể vi sinh vật ở diều kiện bình thường về áp suất, nhiệt độ, pH và xảy ra với tốc độ rất cao Không những vậy, enzym của vi sinh vật có thể tác dụng ngay với một nồng độ rất thấp của cơ chất mà ít sinh ra các sản phẩm phụ, chính vì vậy nó tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiến hành các quá trình sản xuất công nghiệp.

Trên cơ sở các công trình nghiên cứu đã phát hiện ra những đặc tính của vi sinh vật, đặc biệt là tính sinh tổng hợp cao, vi sinh vật ngày càng được ứng dụng rộng rãi vào nhiều ngành công nghiệp mới như sinh tổng hợp các acid amin, sinh tổng hợp các acid hữu cơ, sinh tổng hợp các thuốc kháng sinh, sản xuất các chế phẩm enzyme,…

Bên cạnh sự phát triển của ngành vi sinh vật học, công nghệ sản xuất acid acetic theo phương pháp vi sinh ngày càng được hoàn thiện về qui trình công nghệ với những chủng vi sinh vật có khả năng oxy hóa rượu cao.

Sản xuất acid acetic theo phương pháp vi sinh thực chất là quá trình oxy hóa rượu ethylic thành acid acetic nhờ một số nhóm vi khuẩn acetic khi có mặt của oxy.

2.2.4 Sản xuất acid acetic bằng phương pháp hỗn hợp

Phương pháp này 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 tế của các ngành này Một vài quá trình của phương pháp này như sau:

- Oxy hóa các hydrocacbon thấp như propan, butan sẽ tạo thành acetaldehyt, formandehyt, aceton và các sản phẩm khác Acetaldehyt được oxy hóa có xúc tác thành acid acetic

- Trong quá trình sản xuất nhiên liệu từ than đá và khí tự nhiên sẽ thu được acid acetic và các sản phẩm khác

- Dùng phương pháp thủy phân gỗ bằng acid (hay muối acid) cùng vời một số chất khác ở nhiệt độ và áp suất nhất định sẽ thu được bột cellulose và dung dịch gồm nhiều chất như acid acetic, etanol,… Đem lên men dung dịch này và tách acid acetic từ dung dịch lên men này.

2.2.5 Phân tích – lựa chọn phương pháp sản xuất acid acetic

Trong bốn phương pháp sản xuất acid acetic đã nêu trên, hiện nay trên thế giới chiếm ưu thế nhất là phương pháp tổng hợp hóa học, nhất là ở các nước phát triển vì phương pháp này có hiệu quả kinh tế cao do thiết bị tương đối gọn nhẹ, năng suất cao, acid thu được có nồng độ cao và ít tạp chất.

Phương pháp hỗn hợp vẫn còn ở giai đoạn thăm dò chưa có qui trình nào được 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.

Phương pháp hóa gỗ vẫn còn được sử dụng ở những nước có nhiều gỗ và nói chung trong khuôn khổ tổng hợp sử dụng gỗ, nhưng sản lượng của phương pháp này chỉ chiếm 10% tổng sản lượng acid acetic sản xuất hàng năm trên thế giới.

Còn phương pháp sinh hóa hiện nay trên thế giới đang dùng để sản xuất giấm ăn và giấm cho công nghiệp thực phẩm.

Ở Việt Nam, khi lựa chọn phương pháp sản xuất acid acetic phải chú ý nguồn nguyên liệu, thiết bị và trình độ kỹ thuật cũng như nhu cầu sử dụng acid acetic và khuynh hướng chung của tiến bộ khoa học kỹ thuật trên thế giới.

Ở các nước phát triển, acid acetic được dùng chủ yếu trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ vì vậy yêu cầu acid acetic phải có nồng độ cao, sạch, ít tạp chất Ngoài việc dùng làm giấm ăn, hiện nay acid acetic còn được dùng làm vật liệu phụ trong công nghiệp sản xuất cao su thô, do đó nồng độ không cần cao lắm nhưng vấn đề tạp chất đòi hỏi rất khắt khe.

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

Trong khi đó công nghệ vi sinh hiện nay và trong tương lai phát triển mạnh mẽ, đã và là cơ sở của ngành sản xuất như sinh tổng hợp các acid amin, thuốc kháng sinh, các acid hữu cơ,…đó là nhờ khả năng phát triển kỳ diệu của vi sinh vật và khả năng xúc tác đặc hiệu các phản ứng hóa học của enzym có trong cơ thể vi sinh vật.

Bên cạnh đó, việc sử dụng enzym để sản xuất acid hữu cơ không những tận dụng được nguồn phế liệu của ngành khác (nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm,…) mà nó còn bảo vệ gia đình khỏi bị ô nhiễm, duy trì cân bằng sinh thái cho giới hạn tự nhiên Không những vậy, phương pháp này chỉ yêu cầu thiết bị đơn giản, nguyên liệu dễ kiếm,…mặc dù nó cũng có những nhược điểm 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 phương pháp sản xuất acid acetic, cũng như đánh giá tình hình nhu cầu và tiến bộ khoa học trong

nước, luận văn chọn phương pháp lên men vi sinh để nghiên cứu công nghệ sản xuất acid acetic.

2.3 Sản xuất acid acetic bằng phương pháp vi sinh2.3.1 Quá trình lên men acid acetic

Lên men là quá trình oxy hóa-khử sinh học để thu năng lượng và các chất trung gian.

Mọi quá trình muốn tiến hành được đòi hỏi phải có năng lượng Để thực hiện các hoạt động sống như sinh trưởng, sinh sản và phát triển của mình, vi sinh vật cũng đòi hỏi phải có năng lượng Năng lượng đó được tạo ra trong quá trình lên men.

Tế bào sống chỉ sử dụng năng lượng dưới dạng hóa năng tàng trữ trong các mạch cacbon và được giải phóng ra trong các phản ứng enzym do sự chuyển hóa electron từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác Các phản ứng xảy ra trong các quá trình lên men là những phản ứng chuyển hydro Nhưng sự chuyển hydro cũng tương đương với sự chuyển electron Các enzym xúc tác trong quá trình tách nguyên tử hydro khỏi cơ chất gọi là enzym dehydrogenase.

Trong qúa trình lên men giấm, rượu etylic được oxy hóa thành acid acetic Ở đây, sự chuyển hóa hydro được thực hiện nhờ sự xuất hiện của NADP nhận (trở thành NADPH2) được chuyển qua chuỗi hô hấp để thu nhận năng lượng, song cơ chất không bị phân giải hoàn toàn nên được gọi là quá trình oxy hóa không hoàn toàn.

2.3.2 Cơ chế phản ứng của quá trình lên men acid acetic

Lên men giấm là quá trình oxy hóa rượu etylic thành acid acetic nhờ có enzym alcohol oxydase xúc tác trong điều kiện hiếu khí:

CH3CH2OH + O2 = CH3COOH + H2O + 117KCal

Để chuyển hóa thành acid acetic, rượu và oxy phải thâm nhập vào tế bào vi khuẩn, ở đây nhờ có enzym của vi khuẩn xúc tác, rượu được chuyển hóa thành acid acetic theo một quá trình sau:

CH3CH2OH + 12O2 = CH3CHO + H2OCH3CHO + H2O = CH3CH(OH)2

CH3CH(OH)2 + 12O2 = CH3COOH + H2O

Acid acetic tạo thành sẽ thoát khỏi tế bào vi khuẩn và đi vào môi trường Khi môi trường hết rượu, vi khuẩn giấm sẽ oxy hóa acid actic thành CO2 và nước theo phương trình sau:

CH3COOH + 2O2 = 2CO2 + 2H2O

Đây chính là sự “quá oxy hóa” rất có hại cho quá trình lên men giấm Vì vậy,

trong lên men phải có dư một lượng rượu khoảng 0,3 - 0,5% để đảm bảo không bao giờ cho oxy hóa hết rượu.

2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến qúa trình lên men acid acetic2.3.3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng oxy (O2)

Theo cơ chế phản ứng, giấm hóa là phản ứng dehydro hóa Trong đó, oxy hóa đóng vai trò quan trọng trong quá trình lên men Từ phản ứng trên ta thấy, để oxy hóa hết 1 mol rượu thì cần có 1mol O2 tự do, tức là để oxy hết 1 kg rượu thì cần 2,3 m3 không khí (tính theo 20,9% O2).

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 thu 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.

2.3.3.2 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 nó sẽ ảnh hưởng đến quá trình lên men Nhiệt độ thích hợp để vi khuẩn giấm sinh trưởng và phát triển mạnh đối 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 - 34oC.

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 30oC.

2.3.3.3 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 dịch 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%.

Trong sản xuất giấm, thường cho vào cơ chất ban đầu một lượng giấm nhất định để acid hóa môi trường nhằm thỏa mãn :

- Ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật có hại và không có lợi vì môi trường acid là một chất độc đối với nhiều vi sinh vật.

- Cho vào dịch lên men một lượng vi khuẩn cần thiết để bổ sung lượng giấm Lượng giấm đưa vào là tùy yêu cầu của phương pháp sản xuất.

Khi sản xuất giấm theo phương pháp nhanh, cần đưa vào dịch lên men một lượng acid acetic sao cho thoả mãn hai mục đích trên, đồng thời phải có nồng độ nhỏ hơn ngưỡng có tác dụng ức chế cho chính bản thân vi khuẩn, với nồng độ 8%

acid acetic thì vi khuẩn giấm hoạt động rất kém Vì vậy hàm lượng acid acetic có thể dao động trong khoảng 1 - 7%.

2.3.3.4 Hàm lượng rượu

Tuỳ 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 từ 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 enzym oxy hóa acid acetic và muối axetat (Dires, 1973).

2.3.3.5 Các chất dinh dưỡng

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 hai 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 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 lên 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

2.3.3.6 Các chất gây độc và các kim loại nặng

Các chất gây độc hại và ức chế: các chất như tinh dầu, lignin, tanin,… 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, Zn, 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.

2.3.3.7 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.

2.3.4 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 bốn phương pháp sản xuất acid acetic bằng cách lên men:

- Phương pháp chậm- Phương pháp nhanh- Phương pháp chìm- Phương pháp hỗn hợp

2.3.4.1 Phương pháp chậm

Phương pháp chậm còn gọi là phương pháp Orleans hay phương pháp Pháp Phương pháp này được biết đến năm 1670, khởi đầu là vùng trồng nho nổi tiếng ở

nước Pháp Do người ta nhận thấy dịch vang nho để trong những thùng gỗ hở nắp dần dần bị đục, có màng phủ trên bề mặt và trở nên chua.

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 thoáng) 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 1/2 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 một 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 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 nhược 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.

2.3.4.2 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 pháp 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 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 độ acid acetic cao (có thể đến 11-12%)Nhược điểm của phương pháp:

- Hiệu suất không cao

- Phải chọn vật liệu bám phù hợp

2.3.4.3 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.

2.3.4.4 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.

2.3.4.5 Chọn phương pháp lên men

Phương pháp chậm do có nhiều nhược điểm như đã nói ở trên nên khi lựa chọn phương pháp sản xuất giấm trong công nghiệp sẽ không lựa chọn phương pháp này.

Phương pháp chìm tuy có nhiều ưu điểm nhưng trong tình hình hiện nay Việt Nam chưa thể đi theo hướng này được, trình độ khoa học kỹ thuật còn hạn chế không thể đáp ứng được nhu cầu nghiêm ngặt khắc khe về thông khí và tính chất phức tạp của bộ phận làm sạch khí khỏi những tạp chất, dầu mỡ làm cho không khí bị tạp nhiễm sau khi đi qua máy nén, máy quạt,…

Vì vậy chọn phương pháp nhanh để sản xuất acid acetic là hợp lý ở nước ta trong giai đoạn hiện nay Tuy nhiên, với phương pháp này vẫn chưa có được các thông số và các dữ kiện cụ thể để triển khai sản xuất nên còn trong giai đoạn thăm dò mang tính chất định tính ở qui mô phòng thí nghiệm, làm cơ sở cho việc nghiên cứu toàn diện về một qui trình công nghệ và thiết bị sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh ở Việt Nam.

2.3.5 Chọn chủng vi khuẩn acid acetic

Hiện nay trên thế giới đã tìm ra trên 20 loại vi khuẩn acetic – gọi chung là

acetobacter- là một loại trực khuẩn khá lớn thuộc loại hiếu khí bắt buộc, nhiệt độ

thích hợp cho chúng phát triển từ 30-40oC.

Vi khuẩn acetic thuộc hai giống acetobacter (chu mao) acetomonas (tiên mao ở

một đầu) Nhiều loại khi phát triển lâu trên môi trường dễ dàng sinh ra những dạng có hình thái đặc biệt (tế bào phình to hay kéo dài, có thể phân nhánh).

Vi khuẩn acetobacter phân bố rộng trong tự nhiên, nhất là trên thực phẩm, hoa

quả, không khí, nhiều trường hợp có thể phát triển đồng thời với nấm men trên cơ chất thực vật có nhiều đường.

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

Một số chủng vi khuẩn acetobacter điển hình (Đinh Thị Kim Nhung, 1996)

- Acetobacter aceti: thực khuẩn ngắn, có dạng hình que, kích thước 0,4 – 0,8

x 1,0 x 1,2µm, không di động, thường xép thành chuỗi dài, bắt màu gram âm, cho màu vàng với thuốc nhuộm Iod Chúng tạo thành khuẩn lạc to, sáng trên gelatin với dịch lên men chứa 10% đường saccharose tạo thành màng nhầy nhẵn, không được nâng lên theo thành bình Có khả năng phát triển trên môi trường có nồng độ rượu khá cao (11%), có khả năng tích luỹ 6% acid acetic, nhiệt độ phát triển thích hợp 30oC, thường phát triển trên bia.

- Acetobacter pasteurianum: có hình dạng giống Acetobacter aceti, bắt màu

xanh với thuốc nhuộm Iod, tạo thành váng khô và nhăn nheo, tế bào xếp rời nhau thành chuỗi, đôi khi bắt gặp tế bào có dạng chuỳ phồng lên, di động không thường xuyên Khuẩn lạc trên gelatin và dịch lên men nhỏ tròn, thích hợp phát triển ở 30oC.

- Acetobacter kiitzigianum: có màng nhày nhẵn mép, nó được nâng lên thành

bình (dính), trực khuẩn ngắn, to, thô, không di động Khuẩn lạc trên gelatin với dịch lên men nhớt , nhỏ, tạo thành màng xếp nếp to trên các môi trường lỏng, thích hợp phát triển ở 30oC.

- Acetobacter lindreni: trực khuẩn xếp riêng rẽ và tạo thành chuỗi, thỉnh

thoảng bắt gặp các tế bào phồng to như hình cầu, không di động Khuẩn lạc trên gelatin với dịch lên men nhỏ tròn, màu vàng Trên các môi trường lỏng váng vi khuẩn màu vàng nâu, nhớt, thích hợp phát triển ở 25oC (Lê Văn Nhương,1990)

- Acetobacter acetosum: trực khuẩn có kích thước 0,1 - 0,8 x 1µm Các tế bào xếp riêng rẽ và thành từng chuỗi, không di động, nhiệt độ thích hợp nhất để phát triển ở 30 – 36oC (Lê Văn Nhương,1990)

- Acetobacter xylinum: trực khuẩn hình que 2µm,đứng riêng rẽ hoặc xếp thành từng chuỗi, không di động Các tế bào được bao bọc bởi chất nhầy, tạo váng nhăn khá dày, bắt màu xanh với thuốc nhuộm Iod và H2SO4 (phản ứng của hemixelluloza) vì váng có chứa hemixellulozo, có thể tích lũy 4,5% acid acetic trong môi trường Thường sống chung với nấm men trong một loại nước giải khát dân gian làm bằng nước chè đường loãng còn gọi là “Thủy Hoài Sâm” Ở Nga có tên gọi là “Nấm Chè”, “Nấm Nhật Bản”, Ở Trung Quốc có tên là “Hoài Bảo” hay “Vị Hảo”.

- Acetobacter Schiitzenbachii: có dạng hình que 0,3 - 0,4 x 1,0 - 3,6µm, thường đứng riêng rẽ hay xếp thành đôi, có thể tạo thành những dạng tế bào đặc biệt, tạo váng dày và không bền vững trên các môi trường già Có thể tích lũy trong môi trường tới 11,5% acid acetic Thường được dùng để sản xuất giấm theo phương pháp nhanh

- Acetobacter Suboxydans: có dạng hình que ngắn, không có khả năng di

động, tạo thành những váng mỏng dễ tan vỡ Nó có thể chuyển hóa glucose thành acid gluconic, sorbic thành sorboza Loại vi khuẩn này để phát triển tốt cần được cung cấp paraaminobenzoic, acid pantotenic và acid nicotinic.

- Acetobacter hoshigaki: trực khuẩn có kích thước 0,7 - 0,8 x 1,5 - 1,8µm Thường xếp riêng rẽ không di động, khuẩn lạc trên thạch với chất chiết rút đậu nành nhỏ, tròn, dạng hạt sáng, sau đó trở thành màu nâu, phần phía ngoài màu vàng nhạt Tạo thành acid gluconic từ dextroza, thích hợp phát triển ở 30 - 35oC.

- Acetobacter ascendens: trực khuẩn không di động, các khuẩn lạc trên

glucose, gelatin khô trắng, với vầng sáng chói Trên các môi trường lỏng tạo màng dày, chắc, hướng lên theo thành bình, thích hợp phát triển ở 25oC.

21

một vài môi trường chúng được nhuộm màu như nhau Ở 28 - 32oC tạo thành những dạng phình to kéo dài, không di động Khuẩn lạc trên gelatin, rượu vang: tròn trịa hơi nhô lên, sáng, ẩm, ướt, nhớt Thích hợp phát triển ở 25 - 30oC.

- Acetobacter oxydans: trực khuẩn, kích thước 0,8 - 1,2 x 2,4 - 2,7µm Các tế bào rời nhau và xếp thành từng chuỗi, quan sát thấy trong chuỗi tạo thành các tế bào phồng to lên, di động Khuẩn lạc trên gelatin tròn, sau đó trở thành những dạng không cân đối với sự phân nhánh đặc trưng, nhiệt độ thích hợp 18 - 21oC.

- Acetobacter orleanense: Trực khuẩn dài trung bình, không di động, gặp

nhiệt độ cao có thể tạo các tế bào dị hình kéo dài hoặc phình to ra, tạo váng vi khuẩn rất dày trên môi trường lỏng, có thể phát triển được trên môi trường có nồng độ rượu cao 10 - 20% và tích lũy được 9,5% acid acetic Loại này thường được dùng để chuyển hóa rượu vang thành giấm theo phương pháp Pháp, thích hợp phát triển ở 25 - 30oC.

Đối với mỗi phương pháp khác nhau cần phải chọn những loại vi khuẩn có đặc tính thích hợp để quá trình lên men đạt hiệu quả cao nhất, nhưng nhìn chung chúng phải thỏa mãn một số điều kiện sau:

- Phải oxy hóa rượu tốt nhất và oxy hóa giấm tạo thành ít nhất- Phải tạo ra giấm có chất lượng tốt (thơm, có độ acid acetic cao)- Chịu được độ rượu và độ acid cao

- Các tính chất ban đầu của chúng phải được giữ nguyên trong suốt quá trình- Điều kiện nuôi cấy, phân lập và bảo quản giấm đơn giản, không tốn kém

Với phương pháp nhanh, do cần bám dính cao nên yêu cầu vi khuẩn tạo màng mỏng tơi xốp, tích lũy và chịu được độ acid cao thì những giống hay dùng nhất là

acetobacter aceti, acetobacter schiitzenbachii,… Một số loài vi khuẩn có khả năng

22

như acetobacter xylinum, cần hết sức loại trừ chúng trong quá trình sản xuất giấm.

2.3.6 Nguồn nguyên liệu sản xuất acid acetic

Theo quá trình lên men cho thấy bất cứ một sản phẩm nào có thể lên men rượu được điều có thể là nguyên liệu lên men giấm Nguyên liệu trong sản xuất giấm thường là các loại quả có đường, các loại xiro chứa đường, sản phẩm thủy phân của các nguyên liệu chứa tinh bột, bia, rượu vang, mật ong hoặc bất cứ sản phẩm nào có thể lên men được.

Trong công nghiệp sản xuất giấm, thường dùng rượu pha loãng để lên men, yêu cầu không có lẫn dầu fuzel vì nó tác dụng ức chế hoạt động sống của vi sinh vật.

Nếu dùng các sản phẩm tinh bột thì phải qua hai khâu trung gian là chuyển hóa tinh bột thành đường nhờ enzyme amylase của nấm mốc, rồi tiếp tục lên men rượu nhờ enzym deareloxylase của vi sinh vật, sau đó mới lên men giấm từ rượu.

Hiện nay, thường dùng nước ép trái cây (nho) để lên men giấm, sản phẩm có mùi thơm ngon và đặc trưng Nhìn chung, nguồn nguyên liệu để sản xuất giấm là rất đa dạng và phong phú.

2.4 Sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh

2.4.1 Các phương pháp sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh2.4.1.1 Phương pháp trống quay

Gồm có một thùng bên trong có cấu trúc sao cho nhận được một lượng không khí lớn nhất đối với vật liệu đệm chứa trong đó Trống được bao bọc trong một thùng hình trụ lớn và kín, có chứa những lỗ hút không khí Một nửa trống được tiếp xúc không khí, phần còn lại ngập trong khối dịch lên men (hình 2.1).

Hình 2.2: Thiết bị lên men bằng phương pháp nhúng

Ưu điểm : đơn giản, dễ làm, gọn

Nhược điểm : năng suất thấp, dễ bị nhiễm khuẩn do không khí chưa được khử trùng.

2.4.1.3 Phương pháp dịch chuyển

phao và bên ngoài lắp với hai thùng phản ứng đặt bên cạnh thùng chính.

Khi phao chứa đầy nước và các vật nặng khác, khối dịch lên men chứa trong thùng chính bị ép phải dịch chuyển sang hai thùng phản ứng bên cạnh có chứa đầy vỏ bào có vi khuẩn giấm bám trên bề mặt Khi những đệm trong thùng phản ứng đã bảo hòa dịch lên men phao được lấy ra và dịch lên men lại tràn về thùng chính.

Phương pháp này đơn giản nhưng cồng kềnh, năng suất thấp, khó điều chỉnh quá trình nén đẩy chất lỏng từ thùng chính sang thùng phản ứng, không khí dễ bị nhiễm bẩn.

2.4.1.4 Phương pháp cố định (phương pháp germentor)

Trong phương pháp này, thùng phản ứng là một thùng hình trụ thẳng đứng bằng gỗ (hoặc bằng vật liệu chống ăn mòn) Đồng thời có đổ đầy những vật liệu bám có màng vi khuẩn giấm che phủ (hình 2.3)

Thân ThápĐệmThông Khí

Hình 2.3: Thiết bị lên men nhanh bằng phương pháp cố định

Hai pha khí và lỏng đi ngược chiều nhau tiếp xúc trong generator sẽ được vi khuẩn chuyển hóa thành giấm Nếu chiều cao generator đủ lớn thì dịch lên men chỉ cần đi qua một lần là được giấm hóa toàn bộ Nếu quá trình lên men tốt, nhiệt độ ở phần làm việc của generator sẽ cao hơn nhiệt độ bên ngoài từ 10-12oC tạo điều kiện cho sự thông khí tự nhiên.

24

phương pháp cuối phổ biến nhất và được cải tiến không ngừng do nó có những ưu điểm: năng suất tương đối lớn, thiết bị tương đối gọn nhẹ, có thể tiến hành sản xuất trong mọi điều kiện vì có sự thông khí tự nhiên nên không phụ thuộc vào nguồn điện.

2.4.2 Chất mang vi khuẩn acid acetic

2.4.2.1 Yêu cầu đối với chất mang vi khuẩn acid acetic

Đây là yếu tố quyết định tính hơn hẳn của phương pháp nhanh so với phương pháp chậm Vấn đề này đã được nghiên cứu và sử dụng với nhiều loại vật liệu bám khác nhau, khi chọn vật liệu bám cần căn cứ vào các yêu cầu sau:

- Có độ bền cơ học cao, diện tích bề mặt riêng lớn, độ xốp cao- Khối lượng riêng tương đối nhỏ

- Có tính trơ, tức không phản ứng với dịch lên men, không khí và sản phẩm lên men, cũng như không tiết ra những hợp chất hóa học gây độc hại đối với vi sinh vật và mùi khó chịu cho giấm

- Đủ độ nhám và độ xốp để màng vi khuẩn có thể bám chặt ở một chế độ thủy động lực học nhất định

- Rẻ tiền, dễ kiếm và ổn định

2.4.2.2 Lựa chọn chất mang

Trong các loại chất mang có nguồn gốc cellulose có những ưu điểm phù hợp với điều kiện Việc Nam hiện nay như công nghệ gia công không phức tạp, rẻ tiền, dễ kiếm (tre, bã mía, gỗ,…).

Trước đây, nhiều công trình đã nghiên cứu thử nghiệm với nhiều loại vật liệu bám chứa cellulose khác nhau như phoi gỗ (sồi, dẻ, bạch dương,…), lõi ngô, tre nứa,

25

có nhiều mao quản xốp.

Riêng đối với Việt Nam không có gỗ sồi Vì vậy việc tìm kiếm thăm dò các loại vật liệu bám khác có sẵn, dễ kiếm, rẻ tiền để thay thế cho gỗ sồi, đồng thời vẫn đảm bảo được những yêu cầu của vật liệu bám là một trong những vấn đề mấu chốt trong việc thăm dò phương pháp nhanh để sản xuất giấm ở Việt Nam.

Vấn đề xử lý vật liệu bám cũng khá quan trọng nhằm tách những chất độc hại như: tanin, lignin, các loại tinh dầu,…thường hay có trong các loại vật liệu có nguồn 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 bộ bằng nước nóng Sau đó ngâm chúng trong dung dịch acid hay kiềm để ly trích triệt để hơn các chất đã nêu trên.

Trên tinh thần đó, chất mang được chọn nghiên cứu trong luận văn là thân cây tre vì ở Việt Nam tre là một loại cây dễ kiếm, rẻ tiền và rất dễ gia công.

2.4.3 Sự hình thành và phát triển của màng sinh học trên chất mang trong fermenter sử dụng màng sinh học cố định để lên men acid acetic

2.4.3.1 Trạng thái vi khuẩn acid acetic trong fermenter

Trong fermenter sử dụng màng sinh học cố định để lên men giấm, các vi khuẩn giấm tham gia vào quá trình biến đổi sinh hóa có dạng màng bám trên bề mặt các vật rắn trơ.

Trong các thiết bị dạng ống, màng sinh học bám trên bề mặt các vật rắn trơ có thể tồn tại 2 trạng thái: cố định (tĩnh) hay linh động (các vật rắn trơ có màng sinh học che phủ lơ lửng trên môi trường lên men).

Trong một mức độ nào đó, việc lựa chọn một trong hai trạng thái của màng sinh học là tùy thuộc màng vi khuẩn đã phát triển được tách ra khỏi thiết bị như thế nào (trong trường hợp muốn khống chế bề dày màng).

26

này chỉ có thể lấy màng vi khuẩn ra khỏi thiết bị bằng các phương pháp lực cắt thủy lực, tức là nhờ chuyển động của lỏng và khí để tách màng vi sinh vật ra khỏi bề mặt bám và lôi cuốn chúng ra ngoài cùng dòng chảy, muốn vậy các phần tử đệm phải được làm lơ lửng trong môi trường chuyển động mạnh Còn các vi khuẩn giấm thì có khả năng lắng xuống đáy thiết bị và tách ra ngoài, lúc này lớp đệm nằm ở trạng thái tĩnh và lỏng chảy qua thiết bị ở dạng màng mỏng che phủ vùng hoạt động sinh học.

2.4.3.2 Cấu tạo màng vi khuẩn acid acetic

Màng vi khuẩn giấm được tạo thành nhờ các biến đổi sinh hóa diễn ra trong các thiết bị và bám được vào vật rắn là nhờ khả năng bám dính của màng nhầy (khối gel giữa các tế bào, hình 2.4) của vi khuẩn Một bề mặt bám bất kỳ tiếp xúc với môi trường chứa các vi khuẩn giấm lơ lửng sau một thời gian nhất định sẽ trở nên hoạt động sinh học do vi khuẩn giấm bám vào và phát triển thành lớp màng liên tục Cơ chế quá trình bám dính này có liên quan đến bề mặt vật rắn (độ nhám, độ xốp,…) và chính bản thân vi khuẩn.

Hình 2.4: Biểu diễn màng sinh học bám trên các vật rắn trơ

Ghi chú:

1 Bề mặt bám

2 Khối gel giữa các tế bào3 Tế bào của vi sinh vật

27

Sự tạo thành màng vi khuẩn sẽ kèm theo sự hoạt động của thiết bị Độ “hoạt động bề mặt” phụ thuộc vào diện tích bề mặt che phủ bởi lớp màng, bề dày màng và nồng độ rượu trong môi trường dinh dưỡng.

Sự phát triển của màng vi khuẩn giấm, khi giữ nguyên các thông số đầu vào, tạo nên sự phụ thuộc của sản phẩm chính vào thời gian, điều đó là do sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng vào bề dày màng.

Nếu sau một quá trình tích lũy nhất định bề dày màng không thay đổi nữa thì ta có thể coi các thông số đầu ra đạt được trạng thái ổn định Điều đó có thể đạt được khi tải trọng vi khuẩn giấm đối với không gian tự do trên một đơn vị thể tích lớp đệm là nhỏ Khi đó dạng hình học trong lớp đệm thay đổi không đáng kể Nhưng nếu tải trọng của vi khuẩn đủ lớn thì sẽ làm dạng hình học bên trong lớp biến đổi liên tục do tác động của quá trình phát triển vi sinh vật và sự thoát đi một phần vi khuẩn ra khỏi bề mặt bám dưới tác dụng của lực trọng trường, kết quả là đường đi của dòng lỏng và bề mặt tiếp xúc pha rắn – lỏng biến đổi.

2.4.3.4 Bề dày màng vi khuẩn acid acetic

Trong thực tế, tùy theo cách nuôi màng, nồng độ các sản phẩm dạng khí khi hô hấp trong chiều sâu nhỏ của màng tăng đến mức các sản phẩm này sẽ thoát ra từ dung dịch và tạo thành những túi khí Khí này làm cho sự bám dính giữa khối màng và bề mặt bám sẽ kém đi, cuối cùng màng rơi ra khỏi bề mặt bám dưới tác dụng của trọng lực và còn lại một lớp vi khuẩn giấm đã giảm khả năng sống.

Sau đó, lớp màng lại bắt đầu tăng, tuy nhiên không thể nào tạo bề dày màng như ban đầu vì lực bám dính giữa màng và bề mặt bám đã bị yếu đi do có mặt các vi khuẩn chết trong màng.

28

khả năng điều chỉnh được Tuy nhiên, không nên mong đợi nhiều vào cơ chế này để đảm bảo độ dày không đổi của màng vì những nguyên nhân sau:

- Các sản phẩm tạo thành trong bề dày màng có thể gây độc hại cho vi khuẩn, ức chế sự phát triển của chúng cũng như gây nhiễm bẩn cho môi trường lỏng.

- Màng vi khuẩn giấm bị tách ra khỏi bề mặt bám có thể gây tắc lưu thông cho dòng lỏng và gây rối loạn chế độ làm việc trong thiết bị.

- Dao động về bề dày ở các phần riêng biệt của màng có thể lớn đáng kể.

- Các màng khác nhau của màng vi khuẩn tách ra khỏi bề mặt bám ở những thời điểm khác nhau.

Các thiết bị có bề dày màng không đổi (có thể khống chế được) được sử dụng làm thiết bị thực nghiệm để nghiên cứu động học vi sinh Các thiết bị có bề dày màng thay đổi được dùng trong xử lý nước thải và sản xuất giấm theo phương pháp nhanh.

Trong các thiết bị dạng không khống chế được bề dày màng, quần thể vi sinh vật lộn xộn ở mức độ cao và ở những thời điểm khác nhau là khác nhau, chất lỏng chảy qua thiết bị ở dạng màng dưới tác dụng của lực trọng trường.

2.5 Khái quát về nguồn nguyên liệu điều

2.5.1 Cây điều – đặc điểm thực vật học của cây điều2.5.1.1 Nguồn gốc và tên gọi

Cây điều là cây hoang dại, mọc tự nhiên ở các bãi cát ven biển và trong rừng tự nhiên ở quần đảo Anti, Brasil và lưu vực sông Amazon thuộc Nam Mỹ.

Cây điều có tên khoa học là Anacardium occidentale Linne thuộc họ

Anacardiacedae bộ Rutates.

Ngoài ra, ở mỗi nước cây điều còn có tên gọi riêng ví dụ như:

29

- Pháp gọi là: Anacardier/ Pommier de cajou/ Acajou…- Trung Quốc gọi là: Giànhù/ Yiaokuo

- Brasil gọi là: cajoucu

- Bồ Đào Nha gọi là: Caju/ cajueiro- Tây Ban Nha gọi là: Maranon- Ấn Độ gọi là: Kaju

- Thái Lan gọi là: Yakoi

-Việt Nam gọi là: Cây điều/ đào lộn hột

2.5.1.2 Đặc điểm thực vật học

Cây điều là loại cây vùng nhiệt đới, thường xanh, sống lâu năm và có nguồn gốc từ cây hoang dại nên có nhiều tác giả gọi đây là cây bán hoang dã.

Cây điều là cây nhỡ, chiều cao trung bình khoảng 6 - 10 m và có các đặc điểm sau:- Lá: phiến lá dài, gân lá nổi rõ ở mặt dưới lá, gân lá màu xanh đậm dài 10 - 20 cm, rộng 5 -10 cm, cuống lá mọc thành từng chùm.

- Hoa: hoa điều trổ bông từ tháng 1 đến tháng 4, có khi cả năm Hoa mẫu 5, đài hợp, tràng 5, nhị 8 - 10, bầu không có cuống chứa một noãn không điều mọc thành chùm hình chuông, gồm nhiều hoa nhỏ màu vàng hoặc trắng có gân hồng hay đỏ là tùy giống Trong chùm hoa có khoảng 14% là hoa lưỡng tính còn lại là hoa đực Thường hoa ra từ đông sang tây theo chiều kim đồng hồ, hoa nở dần kéo dài trung bình 32 ngày Hoa thụ phấn được là nhờ côn trùng và gió (chủ yếu là nhờ vào côn trùng).

- Trái và hạt: Sau khi thụ phấn, hạt phát triển rất nhanh Khi hạt (quả thực) phát triển đến độ lớn nhất định thì cuống mới phát triển phình lên thành trái (trái giả) Hạt điều thô có hình quả thận, thông thường có chiều dài 2,5 - 3,5 cm, chiều rộng

30