Nghiên cứu sản xuất acid acetic theo phương pháp lên men nhanh bằng nguồn nguyên liệu tự nhiên

Nghiên cứu sản xuất acid acetic theo phương pháp lên men nhanh bằng nguồn nguyên liệu tự nhiên

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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ACID ACETICTHEO PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN NHANH BẰNG

NGUỒN NGUYÊN LIỆU TỰ NHIÊN

Giáo viên hướng dẫn:Sinh viên thực hiện: TS.TRỊNH VĂN DŨNGMAI THANH THẬT

MSSV: 01126146

Thành phố Hồ Chí MinhTháng 8/2005

…oOo… …oOo…

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: MAI THANH THẬT Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 09 – 04 – 1981 Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học MSSV: 01126146I - TÊN ĐÊ TÀI: “Nghiên cứu sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh

bằng nguồn nguyên liệu tự nhiên”

II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Đối chứng để thấy được tính hiệu quả của phương pháp nhanh so với phương pháp chậm.

- Thử nghiệm sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh bằng dung dịch đường, nước dừa; qua đó khẳng định tính hiệu quả của nguồn nguyên liệu tự nhiên, rẻ tiền thay thế.

- Khảo sát khả năng thay thế của thân tre dùng làm chất mang trong lên men acid acetic theo phương pháp nhanh.

IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:01/08/2005

Nội dung và đề cương khóa luận tốt nghiệp đã được thông qua bộ môn và giáo viên hướng dẫn.

Tp.Hồ Chí Minh, Ngày 01 Tháng 03 năm 2005

Xin chân thành cảm ơn:

Ban giám hiệu trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi học tập và rèn luyện trong thời gian qua.

Thầy Nguyễn Sĩ Xuân Ân và quý Thầy – Cô trong Trường Đại Học Bách Khoa, Khoa Công Nghệ Hóa, Bộ Môn Máy và Thiết Bị đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn.

Các anh, chị và các bạn trong và ngoài lớp công nghệ sinh học 27 đã giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn.

Vô cùng biết ơn:

Quý Thầy – Cô trong và ngoài Bộ Môn Công Nghệ Sinh Học đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức trong suốt quãng đường đại học.

Và đặc biệt xin bài tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy, Tiến Sĩ Trịnh Văn Dũng, người đã tận tâm dìu dắt, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quí báo cho tôi trong quá trình học tập và làm luân văn này.

iiii

Đề tài “nghiên cứu sản xuất acid acetic theo phương pháp lên men nhanh bằng nguồn nguyên liệu tự nhiên”, do sinh viên Mai Thanh Thật, Bộ

Môn Công Nghệ Sinh Học, Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh thực hiện từ ngày 1/3/2005 đến 1/8/2005 dưới sự hướng dẫn của TS Trịnh Văn Dũng, giảng viên khoa Công Nghệ Hóa Học, Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh.

Chứng minh được vật liệu trong nước (thân cây tre) hoàn toàn có thể thay thế được vật liệu truyền thống nước ngoài (gỗ sồi) để làm chất mang vi khuẩn acid acetic.

Tìm được thành phần môi trường nước dừa và nước đường có hiệu quả tốt trong quá trình lên men nhanh.

Sản phẩm giấm đạt nồng độ gần 5% acid chỉ sau khoảng 50h lên men với hệ thống lên men nhanh hồi lưu qua giá thể.

iii

Hình 3.5 Sơ đồ vị trí lấy mẫu trên thân tháp 49

Bảng 3.10 Kết quả kiểm tra định tính các tính chất của chất mang chế tạo từ tre 66

iv

Hình 3.5 Sơ đồ vị trí lấy mẫu trên thân tháp 49

Bảng 3.10 Kết quả kiểm tra định tính các tính chất của chất mang chế tạo từ tre 66

v

MỞ ĐẦUI.1 Đặt Vấn Đề

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,… mà đặc biệt là trong công nghiệp chế biến mủ cao su.

Trong ngành công nghệ thực phẩm, trên thị trường hiện nay có hai loại giấm: giấm hóa học (tổng hợp hóa học) và giấm nuôi (giấm được sản xuất theo phương pháp lên men).

Giấm tổng hợp theo phương pháp hóa 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 chất độc gây ung thư như: acidfocmic, metanol, metylaxetac,… mặc dù các nhà sản xuất đã áp dụng những thiết bị và phương pháp khử độc hiện đại.

Giấm nuôi được sản xuất theo phương pháp lên men vi sinh vật Nó là loại thực phẩm an toàn được các chuyên gia thực phẩm khuyên dùng Ngoài thành phần chính là acid acetic, còn chứa một số acid amin và vitamin cần thiết cho cơ thể.

Ở Việt Nam, acid acetic có thể được chế biến từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như: mật rỉ, nước hoa quả chín, tinh bột, cồn và các loại chứa cellulose như gỗ,… Nước ta là nước nông nghiệp có khí hậu nhiệt đới nên các nguyên liệu này rất dồi dào, đặc biệt là rỉ đường, nước dừa, quả điều và dứa Ở nước ta acid acetic dùng để làm thực phẩm trong gia đình chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp lên men truyền thống.

Nhưng hiện nay, tại các chợ và các quầy hàng người ta thường bán giấm hóa học với tên gọi “giấm ăn” Vấn đề ở đây là giá thành 1lít giấm nuôi đắt gấp 10 lần so với giá thành 1lít giấm hóa học Lý do là sản xuất giấm ăn theo phương pháp lên men phải tốn thời gian dài, độ chua không cao nên ít người sản xuất nó Người tiêu dùng đành phải mua giấm tổng hợp để dùng.

Còn trong ngành công nghiệp chế biến mủ cao su, lượng acid acetic dùng trong chống đông mủ cao su (sử dụng dung dich acid acetic 2,5% với lượng là 3,5-10 kg/tấn dung dịch mủ cao su) chủ yếu nhập khẩu từ Trung Quốc.

Ở nước ta hiện nay, diện tích trồng cao su khoảng 400000 ha, mỗi năm thu hoạch gần 800000 tấn/năm Từ đó cho thấy rằng lượng acid acetic dùng trong ngành công nghiệp chế biến mủ cao su này rất lớn Mặc khác, diện tích trồng cao su ngày một tăng, ước tính đến 2010 diện tích trồng cao su trên cả nước khoảng 700000 ha.

Do đó, việc nghiên cứu để tìm ra phương pháp sản xuất, nguồn nguyên liệu để sản xuất cho năng suất, hiệu quả kinh tế cao là rất có ý nghĩa thực tế ở nước ta hiện nay và trong tương lai.

I.2 Mục Đích Yêu Cầu

- Đối chứng để thấy được tính hiệu quả của phương pháp nhanh so với phương pháp chậm.

- Thử nghiệm sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh bằng dung dịch đường, nước dừa; qua đó khẳng định tính hiệu quả của nguồn nguyên liệu tự nhiên thay thế.

- Khảo sát khả năng thay thế của thân tre dùng làm chất mang trong lên men acid acetic theo phương pháp nhanh.

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Chương 1 Công Nghệ Sản Xuất Acid Acetic1.1 Tính chất và ứng dụng của acid acetic1.1.1 Các tính chất hóa lý của acid acetic

Acid acetic có công thức phân tử CH3COOH, khối lượng phân tử 60,5 kg/kmol Nó là một chất lỏng không màu, có mùi xốc, có vị chua, có khả năng hút ẩm từ không khí Nhiệt độ nóng chảy tnc =16,63 oC, nhiệt độ sôi ts=118 oC, tỷ trọng 1,049, độ nhớt ở 20 oC là 1,21.10-3 Ns/m2.

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 hidro giữa các phân tử với nhau.

Acid acetic tan trong nước và các dung môi thường (rượu, aeton, cloruafooc …) với bất kỳ tỉ lệ nào Ngoài ra nó cũng chính là dung môi tốt cho nhiều hợp chất hữu cơ (nhựa, tinh dầu, …) Đặc biệt acid acetic hòa tan tốt ngay cả xelluloz và các hợp chất của 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.

1.1.2 Ứng dụng của acid acetic

Acid acetic là một loại acid hữu cơ được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và trong sản xuất công nghiệp Những ứng dụng quan trọng của acid acetic bao gồm:

1.1.2.1Ứng dụng trong chế biến mủ cao su

Trong ngành công nghiệp sản xuất mủ cao su, người ta rất sợ hiện tượng đông đặc của mủ trước khi về đến nhà máy chế biến Để chống đông mủ cao su, người ta cho thêm vào mủ nước những chất chống đông Thường người ta dùng dung dịch NH3 3% Thời điểm cho dung dịch NH3 vào mủ là lúc trút mủ vào xô, thùng,….

Khi đông tụ mủ, người ta pha loãng và khuấy trộn đều, sau đó cho thêm vào dung dich acid acetic 2,5% với lượng là 3,5-10 kg/tấn dung dịch mủ cao su.

Ở Việt Nam hiện nay, mỗi năm sản xuất khoảng 800000 tấn cao su (50% trong đó được sử dụng trong nước, còn 50% thì xuất khẩu) Như vậy lượng acid acetic sử dụng trong chế biến mủ cao su là rất lớn Mặc dù vậy, nước ta vẫn phải nhập acid acetic từ nước ngoài (chủ yếu là từ Trung Quốc).

1.1.2.2 Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

Với hàm lượng acid acetic từ 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 Lượng giấm ăn sử dụng trong công nghiệp thực phẩm là rất lớn, do đó, việc sản xuất giấm ăn không thể mang tính chất thủ công truyền thống mà đã trở thành một ngành sản xuất theo quy mô công nghiệp ở nhiều nước trên thế giới.

1.1.2.3Ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác

Acid acetic được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như: công nghiệp sản xuất chất màu, dung môi hữu cơ (etyl acetat, butyl acetat, xelluloz, axetat, axeton,…) Tổng hợp chất dẻo, tơ sợi, nhựa PVA, trong dược phẩm (điều chế aspirin) Và ngày nay, thì acid acetic và các dẫn xuất của nó đã được nghiên cứu và ứng dụng cho các ngành công nghệ cao như sản xuất phim ảnh không cháy, thủy tinh không vỡ,….

Những ngành sản xuất này đòi hỏi lượng acid acetic nhiều và có chất lượng cao hơn dung dịch acid acetic dùng trong công nghệ thực phẩm và trong công nghệ chế biến mủ cao su.

1.2 Các phương pháp sản xuất acid acetic

Acid acetic là một loại acid hữu cơ được ứng dụng rộng rãi và từ rất lâu Do đó, loài người đã phát minh ra nhiều phương pháp khác nhau để sản xuất acid acetic, những phương pháp sản xuất acid acetic bao gồm:

- Phương pháp hóa gỗ- Phương pháp hóa học

- Phương pháp sinh học- Phương pháp kết hợp

1.2.2 Phương pháp hóa học

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

Giai đoạn oxy hóa axetandehyd thành acid, dùng xúc tác magan, rồi sau đó chưng cất phân đoạn ở nhiệt độ: 50 – 800C để thu được acid có hiệu suất cao.

Phương pháp này có giá trị thực tế khá cao, nhưng do tạo nhiều sản phẩm phụ nên làm giảm hiệu suất phản ứng.

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

CH3OH + CO  CH3COOH

1.2.3 Phương pháp sinh học

Hiện nay người ta sản xuất acid acetic chủ yếu bằng phương pháp lên men (sản phẩm là giấm ăn) So với những phương pháp khác, phương pháp lên men có những ưu điểm

- Công nghệ sản xuất acid acetic hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường.

- Quá trình chuyển hóa (hay quá trình lên men) được thực hiện ở điều kiện rất ôn hòa, không cần nhiệt độ cao, áp suất cao hay máy móc thiết bị phức tạp

- Nguyên liệu để sản xuất acid acetic bằng phương pháp lên men rất dễ kiếm Có thể sử dụng nguyên liệu chứa đường (nước ép trái cây, nước ép dứa, nước ép mía….), có thể sử dụng nguyên liệu chứa tinh bột và có thể sử dụng cồn công nghiệp

* Nếu sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột, phải qua 3 giai đoạn chuyển hóa

 Giai đoạn chuyển hóa tinh bột thành đường Giai đoạn chuyển đường thành cồn

 Giai đoạn chuyển cồn thành acid

* Nếu sản xuất từ nguyên liệu chứa đường thì chỉ cần qua 2 giai đoạn Giai đoạn chuyển hóa đường thành cồn

 Giai đoạn chuyển cồn thành acid

* Nếu sản xuất từ nguyên liệu đã chứa cồn thì ta chỉ cần tạo điều kiện thuận lợi để vi khuẩn acetic chuyển cồn thành acid acetic.

Sản xuất acid acetic theo phương pháp sinh hóa thực chất là quá trình oxy hóa rượu etylic thành acid acetic nhờ một số vi khuẩn acetic khi có mặt của oxy Từ trước đến nay đã xuất hiện 4 phương pháp:

 Phương pháp chậm Phương pháp nhanh Phương pháp chìm Phương pháp hỗn hợp

1.2.4 Phương pháp hỗn hợp

Phương pháp này ra đời 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:

- Trước tiên người ta tiến hành oxy hóa các hydro cacbon thấp như propan, butan sẽ tạo thành acetandehyd, formandehyd, aceton và các sản phẩm khác Acetandehyd được oxy hóa có xúc tác thành acid acetic.

- Sau đó người ta trung hòa khối thủy phân này và tiến hành lên men để thu nhận được dung dịch chứa acid axetic.

Phương pháp hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn cả phương pháp thủy phân tinh bột gỗ bằng acid (phương pháp hóa học).

1.2.5 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 những 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 hóa gỗ vẫn còn được sử dụng ở những nước có nhiều gỗ nhưng sản lượng chỉ nhỏ hơn 10% tổng sản lượng acid acetic sản xuất hàng năm trên thế giới.

Phương pháp hỗn hợp vẫn ở giai đoạn thăm dò chưa có quy 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.

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

Ở Việt Nam, khi lựa chọn phương pháp sản xuất acid actic cần phải chú ý đến 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.

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 việc bảo vệ môi trường (đặc biệt là rừng) hiện nay thì việc tiến hành phương pháp này sẽ gặp nhiều khó khăn về mặt nguyên liệu.

Việc sử dụng enzyme của vi sinh vật để sản xuất acid hữu cơ không những tận dụng được phế liệu của các ngành khác (nông nghiệp, công nghiêp thực phẩm,…) mà nó còn bảo vệ môi trường khỏi bị ô nhiễm, duy trì cân bằng sinh thái cho giới 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 sinh hóa để nghiên cứu công nghệ sản xuất acid acetic.

1.3 Sản xuất acid actic bằng phương pháp len men1.3.1 Bản chất của quá trình lên men acid acetic

Lên men acid acetic là quá trình oxy hóa cồn thành acid acetic, nhờ vi khuẩn acetic trong điều kiện hiếu khí.

Chúng ta đều biết mọi quá trình muốn hoạt động được đòi hỏi phải có năng lượng Để thực hiện được các hoạt động sống như sinh trưởng, sinh sản và phát triển của mình thì vi sinh vật cần phải có năng lượng.

Quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử sinh học để thu năng lượng và các hợp chất trung gian cho tế bào sinh vật Nhưng tế bào sống chỉ sử dụng năng lượng dưới dạng hóa năng tàng trữ trong mạch cạcbon và được phóng ra do sự chuyển electron từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác.

Các phản ứng sinh hóa 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, vì lẽ nguyên tử hydro có thể tách thành proton H+ và electron Các

enzyme xúc tác quá trình tách nguyên tử hydro khỏi cơ chất gọi là enzyme dehydrogenaza.

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

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

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

CH3CH2OH + O2 = CH3OOH + H2O + 117 kcal 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:

CH3CH2OH + ½ O2 = CH3CHO + H2O CH3CHO + H2O = CH3CH(OH)2

CH3CH(OH)2 + 1/2O2 = 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 + 2H2OĐây 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 nhầm tránh hiện tượng “quá oxy hóa”.

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men acid acetic1.3.3.1 Ảnh hưởng của oxy (sự thoáng khí)

Theo cơ chế phản ứng ta nhận thấy phản ứng giấm hóa là phản ứng oxy hóa, trong đó oxyl đóng vai trò chất nhận hydro, nên sự có mặt của oxyl đóng vai trò quan trọng trong quá trình lên men.

Phương trình tổng quát:

C2H5OH + O2  CH3COOH + H2O + 117Kcal Ta thấy về mặt lý thuyết, để oxy hóa hết 1 mol rượu thì cần 1 mol oxy tự do, tức là để oxyl hóa hết 1kg rượu khan cần 2,3m3 không khí ở điều kiện tiêu chuẩn trong sản xuất, điều kiện thoáng khí càng tốt thì quá trình lên men càng nhanh Trong 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 tiếp xúc nên phương pháp này chậm, năng suất thấp.

Trong phương pháp nhanh, do được bổ sung các vật liệu xốp (vỏ bào, than gỗ, cốc…) nên làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa môi trường dinh dưỡng và không khí, cải thiện điều kiện không khí do đó thúc đẩy quá trình lên men.

Ở phương pháp chìm thì người ta sục khí mạnh liên tục qua dung dịch lên men nhờ đó đã phân tán đều không khí vào môi trường lên men, tạo nên bề mặt tiếp xúc pha lớn làm tăng quá trình lên men.

Như vậy, phương pháp nào tạo được bề mặt tiếp xúc pha giữa không khí và dịch lên men lớn hơn sẽ là phương pháp có hiệu quả và năng suất cao hơn.

1.3.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật và hiệu quả lên men Vì vậy, trong thực tế sản xuất, người ta sử dụng yếu tố này để điều chỉnh vận tốc phản ứng Nhiệt độ thích hợp để vi khuẩn giấm sinh trưởng và phát triển đối với mỗi loài vi khuẩn khác nhau.

- Đối với vi khuẩn Acetobacter Aceti phát triển tốt trong khoảng

25-300C.

- Đối với vi khuẩn Acetobacter Schuitzenbachi phát triển tốt ở nhiệt

1.3.3.3 Nồng độ acid acetic và nồng độ rượu

a Nồng độ acid acetic:

Môi trường acid (pH=3) là điều kiện thuận lợi đối với vi khuẩn giấm Acid acetic tích tụ trong môi trường đến một mức độ nào đó sẽ ức chế hoạt động của chính vi khuẩn Khi dung dịch tích tụ được 8% acid acetic thì hoạt động của các vi khuẩn trở nên ngày càng giảm dần và ngừng họat động khi lượng acid đạt được 12-14%.

1.3.3.4 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 sinh vật chiếm 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, Pb, Zn, Mn, …

Do đó, để cho vi khuẩn giấm phát triển tốt, khi sản xuất giấm ngoài các chất: nước, acid, rượu, 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 ép trái cây, thì trong dịch lên men đã có đủ các nguyên tố khoáng đa lượng và vi lượng không cần bổ sung Nếu sản xuất giấm từ dịch cồn pha loãng để lên men giấm thì cần bổ sung các nguyên tố khoáng đa lượng cần thiết nhờ các muối vô cơ dễ tan.

Ngoài các nguyên tố vi lượng vô cơ, các nguyên tố vi lượng hữu cơ cũng rất cần thiết và quan trọng trong quá trình lên men, tuy sử dụng với nồng độ cực nhỏ cũng có hiệu quả rõ rệt Thông thường các nguyên tố vi lượng đã có mặt trong những nguyên liệu tự nhiên ban đầu khi đưa vào lên men như dịch trái cây, nước chiết malt, nấm men, dịch thủy phân.

Sau đây là một số môi trường để sản xuất giấm, với thành phần các chất dinh dưỡng được xem là có lợi nhất:

 Môi trường dinh dưỡng cho một lít rượu khan như sau:Glucoza 0,7g

Diphotphat amon 1,25gDiphotphat Kali 0,5gSunphat magic 0,2g

 Môi trường dinh dưỡng cho một hectolit rượu khan (100l):Glucoza kỹ thuật hay đường tinh bột 500g

Sunpho photphat 25gSunphat amon 25gCacbonat Kali 0,9g

Trong đó:

 Photphat có vai trò quan trọng trong chuyển hóa năng lượng của hệ thống sinh học Vì thế photphat cần thiết trong thành phần dung dịch lên men, nó được đưa vào môi trường ở dạng muối vô cơ như photphat Kali hay photphat amon Nồng độ photphat thường nằm trong khoảng 0,1-0,5%.

 Nitơ là cấu tạo quan trọng trong thành phần protein và acid nucleic là thành phần rất cần thiết cho sự sống của vi sinh vật Nitơ được đưa vào môi trường dưới dạng muối vô cơ như nitrat, muối amon, urê,….

 Glucoze đóng vai trò như nguồn cung cấp glucid để cung cấp năng lượng bổ sung cho cơ thể vi sinh vật Ngoài ra, còn là nguồn cung cấp vật liệu xây dựng sinh tổng hợp các cấu tử cần thiết của tế bào.

Theo Enber và Hromatka (1949 – 1953) acid acetic được tạo thành bởi các tế bào sinh sản Do vậy tác động quan trọng nhất đối với quá trình lên men giấm là thành phần môi trường, nhiệt độ và chế độ thông khí, sự thay đổi chế độ nuôi cấy làm thay đổi các thông số:

 Tốc độ sinh sản Sinh khối (%)

 Nồng độ sản phẩm giấm.

1.3.3.5 Các kim loại nặng và các chất gây độc hại

Có 5 Kim loại nặng như: Pb, Cu, Fe, Zn, Sn trong dịch lên men sẽ làm giảm hiệu suất lên men, người ta đã thử nghiệm và tìm ra ngưỡng độc hại của 5 kim loại nặng trên tương ứng là 10:15:20:100 và lớn hơn 100ppm.

Các chất gây độc hại và ức chế: các chất như tinh dầu lignin, tanin (có trong gỗ)…và một số hợp chất khác có mặt trong môi trường lên men với nồng độ vượt quá ngưỡng giới hạn cho phép đều có tác dụng gây độc hại đến vi sinh vật Vì thế khi chọn vật liệu chế tạo thiết bị cần lưu ý đến những vấn đề này.

Mặt khác, chất lượng nước khoáng: chất lượng nước pha loãng cũng có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình lên men giấm Yếu tố quan trọng nhất là nước pha loãng có độ sạch sinh học cao (vô trùng) và hàm lượng Clo thấp Nói chung, nước pha loãng tốt là nước có độ sạch sinh học cao, hàm lượng Clo, các kim loại nặng, các chất rắn thấp, có đủ các nguyên tố vi lượng.

1.3.4 Vật liệu chế tạo thiết bị lên men acid acetic

Do acid acetic là một acid có tính ăn mòn kim loại và hợp kim Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ, nhiệt độ, vận tốc chuyển động của acid,… cho nên khi chọn vật liệu chế tạo thiết bị sản xuất phải hết sức thận trọng.

Mặt khác, quá trình sản xuất giấm là quá trình có vi sinh vật tham gia nên năm kim loại nặng như: Pb, Cu, Fe, Sn, Zn có tác dụng độc hại đối với vi khuẩn giấm không được dùng làm thiết bị sản xuất giấm bằng phương pháp sinh học nhưng vẫn có thể sử dụng chúng nếu sử dụng những phương pháp khác.

Trong hệ thống sản xuất giấm bằng phương pháp sinh học có thể dùng các kim loại đó để chế tạo thiết bị ở những khâu khác như: thùng bảo quản, thiết bị chưng cất,… nhưng các khâu nối với bộ phận lên men thì không được dùng.

Vật liệu chế tạo thiết bị để sản xuất giấm bằng phương pháp sinh hóa tốt nhất là thép hợp kim, nhôm, gỗ (những loại gỗ chứa ít tinh dầu tanin,lignin, … và các chất độc hại cho vi khuẩn giấm) và ngày nay thì ngành nhựa phát triển nên có thể sử dụng để chế tạo thiết bị lên men

1.4 Các phương pháp sản xuất acid acetic bằng phương pháp lên men

Yếu tố quan trọng nhất quyết định năng suất và hiệu suất của một phương pháp sản xuất giấm đó chính là bề mặt tiếp xúc giữa oxy của không khí và hợp chất Từ đó con người không ngừng cải tiến, hoàn thiện các phương pháp cũ, tìm ra các phương pháp mới để sản xuất giấm có hiệu quả và kinh tế hơn Đến thời điểm hiện tại, đã có 4 phương pháp sản xuất acid bằng cách lên men:

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

1.4.1 Phương pháp chậm (phương pháp Pháp)

Đây là phương pháp thủ công đã có từ lâu đời, quá trình lên men giấm diễn ra ở bề mặt tiếp xúc pha giữa khối dịch lên men và không khí (bề mặt thoáng) trong thùng lên men đặt nằm ngang Rượu vang được acid hóa bằng acid acetic, dịch sản xuất phải đảm bảo 2% acid acetic và 4% rượu hay 3% acid acetic và 3% rượu.

Người ta đóng các thùng lên men bằng gỗ có dung tích khoảng 250 l – 300 l bằng gỗ sồi hình tang trống (giống các thùng sản xuất bia và rượu vang).

Nguyên liệu dùng để sản xuất acid acetic là nước nho Giống vi khuẩn

được sử dụng cho quá trình sản xuất là Acetobacter orleaneuse (theo Nguyễn

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 do 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 thành acid acetic Dần dần trên 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 nhược điểm:- Thời gian lên men dài

- Nồng độ acid thấp- Năng suất thấp- Thiết bị cồng kềnh

Nhưng bù lại phương pháp này có ưu điểm là giấm thơm ngon, thiết bị đơn giản dễ chế tạo.

1.4.2 Phương pháp nhanh (phương pháp Đức)

Phương pháp này tạo được bề mặt tiếp xúc pha giữa lỏng và khí lớn nhờ bổ sung vật liệu bám trong thiết bị lên men nên năng suất và hiệu suất cao hơn Đã khắc phục được nhược điểm của phương pháp lên men chậm do người Pháp thực hiện.

Người ta thiết kế những thùng lên men rất lớn, hình trụ, thường có kich thước như sau:

Hình 1.2 Thiết bị lên men acid acetic bằng phương pháp nhanh

Ở phương pháp này, người ta tưới dịch lên men từ trên xuống qua hệ thống phân phối lỏng như một vòi hoa sen trong buồng tắm Môi trường sẽ được phân phối đều và chảy chậm qua thùng lên men (gọi là generator) bên trong có đổ đầy vật liệu bám có màng vi khuẩn ở trên bề mặt, cồn sẽ thẩm thấu vào tế bào vi khuẩn Cùng lúc đó, không khí đi ngược chiều từ dưới lên trên và oxyl thẩm thấu vào trong tế bào vi khuẩn, dịch lên men được chuyển hóa nhanh nhờ vi khuẩn

Nếu generator đủ cao, điều kiện vận hành được khống chế tốt thì chỉ cần cho dịch lên men qua tháp một lần là có thể thu được giấm đặc ở đáy.

Tuy nhiên, vì thổi khí từ dưới lên nên xảy ra quá trình làm mất rượu etylic và acid acetic trong quá trình lên men.

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 cao (có thể đến 10 – 11%) Nhược điểm của phương pháp:

- Hiệu suất không cao do mất mát rượu và axit- Dùng vật liệu bám phải phù hợp

1.4.3 Phương pháp chìm (phương pháp sục khí):

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

Hình 1.3 Thiết bị lên men acid acetic theo phương pháp chìm

Phương pháp này có hiệu suất cao, tối thiểu là 91 – 92%, nếu khống chế tốt ở điều kiện vận hành có thể đạt 98 – 99% Nó được ra đời từ những kết quả của phương pháp nuôi cấy chìm để sản xuất thuốc kháng sinh, sản xuất men bánh mì.

Tuy có được ưu điểm lớn nhưng mãi đến gần đây, phương pháp này mới được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất, nguyên nhân là do nhu cầu phức tạp của thiết bị, tính ổn định không cao và quan trọng là yêu cầu nghiêm ngặt về việc cấp oxy liên tục.

1.4.4 Phương pháp hỗn hợp (phương pháp lai):

Đây là phương pháp lai giữa hai phương pháp nhanh và chìm Hệ thống lên men để sản xuất được thiết kế như sau:

Hình 1.4 Thiết bị lên men acid theo phương pháp tổ hợp

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

 Ở giữa chỉ là một thùng chứa dung dịch sau khi lên men ở phần trên chảy xuống.

 Phần cuối cùng là hệ thống thổi khí mạnh tạo thành vùng oxy hóa bổ sung như một acetator của phương pháp chìm.

Phương pháp kết hợp này có rất nhiều ưu điểm, trong đó ưu điểm nhất là hiệu suất lên men rất cao, nồng độ acid acetic thu được thường nằm trong khoảng 10 – 12% Phương pháp này phát huy được ưu điểm của cả hai phương pháp nhanh và chìm, nhưng thiết bị yêu cầu quá phức tạp, cồng kềnh, giống vi khuẩn phải phù hợp với cả hai phương pháp.

1.5 Chọn chủng vi khuẩn acid acetic:

Hiện nay người ta đã tìm ra hơn 20 loài vi khuẩn acid acetic Gọi chung

là Acetobacter là trực khuẩn khá lớn thuộc loài hiếu khí bắt buộc, nhiệt độ

thích hợp là 30 – 400C Trong tự nhiên chúng phân bố rất rộng rãi trong không khí và rau quả, nhiều trường hợp có thể phát triển đồng thời cùng với nấm men trên cơ chất thực vật có nhiều đường.

Vi khuẩn acetic thuộc loại giống Acetobacter (chu mao) và Acetomonas

(tiêm mao ở một đầu) Nhiều loài 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)

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 Acetobacter điển hình:

 Acetobacter aceti: là trực khuẩn ngắn, xếp thành chuỗi, không di

động nhuộm màu vàng với dung dịch iot, có khả năng phát triển ở nồng độ rượu khá cao 11% và có khả năng tích lũy được khoảng 6% acid acetic Nhiệt độ thích hợp nhất ở 34%.

 Acetobacter pasteurianum: tế bào hình que, có khi xếp liên tiếp

thành hình sợi dài, tạo thành lớp váng khô nhăn nheo, nhuộm màu xanh với Iod Có thể tạo được 6,2% acid acetic.

 Acetobacter orleaneuse: tế bào hình que nhỏ, đôi khi dị dạng

(nhiệt độ cao), không di động, trên cơ chất tạo váng dày trong, có khả năng phát triển ở nồng độ rượu khá cao 10 – 12% và có khả năng tích lũy 9,5% acid acetic.

 Acetobacter xylinum: tế bào hình que, không di động, tạo thành

váng dày trên cơ chất, nhuộm bằng Iod và acid sunfuric sẽ có màu xanh, có khả năng tạo được 4,5% acid acetic.

 Acetobacter Shuitzenbachii: trực khuẩn dài, khi già mới tạo thành

váng dày không bền, có khả năng tích lũy 11,5% acid acetic.

Đối với mỗi phương pháp khác nhau cần phải chọn những chủng vi khuẩn có đặc tính thích hợp để quá trình lên men đạt hiệu quả cao nhất Nhưng chúng phải thỏa mãn một số yêu cầu sau:

 Phải oxy hóa rượu tốt nhất và oxy hóa giấm thấp nhất.

 Phải tạo ra giấm có chất lượng tốt (thơm, có nồng độ acid cao). Chịu được độ rượu và 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 giống đơn giản, không tốn kém.

Do khảo sát nghiên cứu trên phương pháp nhanh, do đó cần yêu cầu chủng vi khuẩn phải tạo được màng mỏng tơi xốp, có độ bám dính cao, có độ bám dính cao, tích lũy và chịu được độ acid cao thì những giống hay dùng nhất

là Actobacter Aceti, Acetobacter Schuitzenbachii…

1.6 Nguồn nguyên liệu sản xuất acid acetic

Từ cơ chế quá trình lên men (xem phần 1.3.2) ta thấy bất cứ một sản phẩm nào có thể lên men rượu được đều dùng làm là nguyên liệu để lên men giấm Nguyên liệu trong sản xuất giấm thường là các loại nước ép trái cây có đường, các loại siro có đường, sản phẩm thủy phân của các nguyên liệu chứa tinh bột, rượu vang, mạch nha, mật ong…

Nếu dùng các sản phẩm chứa tinh bột thì phải qua hai khâu trung gian là chuyển hoá tinh bột thành đường nhờ enzyme amylaza của nấm mốc, rồi tiếp tục lên men rượu nhờ enzyme deareloxylaza của vi sinh vật, sau đó vi khuẩn giấm mới chuyển hóa rượu thành acid acetic Nếu sản phẩm có đường thì không phải qua giai đoạn đầu.

Trong công nghiệp sản xuất giấm, người ta thường dùng rượu cất pha loãng để lên men, yêu cầu rượu không có lẫn dầu fuzel, aldehyt … vì nó có tác dụng ức chế hoạt động sống của vi sinh vật, mà rượu có thể được lên men từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như ngũ cốc, rĩ đường,…

Hiện nay người ta dùng nước ép trái cây để lên men giấm sẽ có sản phẩm thơm ngon và có mùi đặc trưng phù hợp với yêu cầu vệ sinh an toàn thực phẩm Tuy nhiên, để duy trì các hoạt động sống bình thường của vi khuẩn thì trong thành phần của môi trường lên men phải có không những nước, rượu và acid acetic mà cả muối khoáng, gluxit và các chất có nitơ dể đồng hoá (muối amon) Lượng acid acetic tạo pH ban đầu thích hợp cho vi khuẩn.

Nói chung nguồn nguyên liệu để sản xuất giấm là phong phú và đa dạng Mặc dù nguồn nguyên liệu có phong phú và đa dạng thì khi thực hiện quá trình lên men thành phần môi trường lên men cũng phải đáp ứng đầy đủ các yêu cầu sau:

Về thành phần cơ chất: rượu etylic hoặc những hợp chất có thể chuyển hoá thành rượu etylic (đường, tinh bột, …) Tuỳ từng chủng vi khuẩn sử dụng trong lên men mà hàm lượng rượu trong môi trường có thể thay đổi cho phù hợp Thường hàm lượng rượu trong môi trường có thể thay đổi từ 4-13%.

Về thành phần acid acetic: trong sản xuất người ta thường cho vào cơ chất ban đầu một lượng giấm nhất định để acid hoá môi trường nhầm mục đích:

 Acid hoá môi trường để tạo pH thích hợp cho vi khuẩn giấm hoạt động.

 Ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật có hại. Đưa vào dịch lên men một lượng tế bào nhất định.

Độ acid acetic ban đầu có thể dao động từ 2-6% Theo nghiên cứu của Eapan và Rao năm 1979, hiệu suất cao nhất đạt được ở nồng độ acid ban đầu là 2% Nhưng những nghiên cứu gần đây cho thấy để đạt hạm lượng acid cao hơn người ta tiến hành lên men ở nồng độ acid ban đầu cao hơn, khoảng từ 2-6%.

Về thành phần các chất dinh dưỡng như: C, H, O, N, P, S, …rất cần trong quá trình sống, sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Các nguyên tố này là thành phần chính của nguyên liệu xây dựng tế bào Dựa vào hàm lượng tồn tại của chúng trong tế bào mà người ta chia chúng thành hai loại:

 Nguyên tố khoáng đa lượng: C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, …

 Nguyên tố khoáng vi lượng: Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu,…

Và một thành phần cũng rất quan trọng cần quan tâm đến đó chính là chất lượng nước pha môi trường trong quá trình lên men Nước là thành phần cơ bản và thường được sử dụng với số lượng rất nhiều trong quá trình lên men Do đó, chất lượng nước phải được bảo đảm để không xảy ra những phản ứng hoá học khi tiến hành lên men, hoặc không để xảy ra những tác động của vi sinh vật lạ từ nước vào quá trình lên men Chất lượng nước phải được xem xét ở ba chỉ số sau:

 Độ cứng

 Khả năng oxy hoá.

 Vi sinh vật, đặc biệt là những vi sinh vật gây bệnh

Vì thế, nước pha môi trường lên men phải đạt độ sạch sinh học cao (vô trùng) và hàm lượng Clo thấp.

Mặc khác nguyên liệu lên men cũng phải được xử lý các hợp chất như: tanin, ligin, … nếu nguyên liệu là nước ép trái cây như: điều,dứa, …

Vì thế nên khi thực hiện quá trình lên men thì thành phần môi trường phải đảm bảo các yêu cầu đã nêu trên cho dù sử dụng nguyên liệu lên men là: cồn, nước ép điều, dứa, nước dừa, dung dịch pha từ đường, …

1.7 Sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh

1.7.1 Các phương pháp sản xuất acid acetic theo phương pháp nhanh:1.7.1.1 Phương pháp nhúng:

Hình 1.5 Thiết bị lên men nhanh bằng phương pháp nhúng

Thiết bị lên men là một thùng thẳng đứng bên trong có một hay nhiều giỏ bằng gỗ đổ đầy phoi gỗ và có thể nâng lên hạ xuống được Khi tiến hành lên men người ta đổ vào thùng khoảng ½ thể tích dịch lên men Sau đó hạ giỏ xuống nhúng chìm lượng vỏ bào đã có màng vi khuẩn bám trong khối dịch lên men, để một thời gian nhất định để dịch lên men có thể thấm ướt toàn bộ lượng vật liệu bám thì nâng giỏ lên phơi trong không khí.

Rồi lặp lại các thao tác đó theo môt chu kỳ nhất định, đã được tính toán trước sao cho quá trình oxyl hóa rượu đạt hiệu quả nhất Tiến hành như vậy cho đến khi giấm hóa toàn bộ khối dịch lên men thì tháo ra để thanh trùng và bảo quản, rồi tiến hành mẻ khác.

Phương pháp này có ưu điểm: đơn giản, dễ làm, gọn Nhưng nó cũng có nhược điểm là năng suất thấp, dễ bị nhiễm khuẩn do không khí chưa được khử trùng.

1.7.1.2Phương pháp dịch chuyển:

Thiết bị lên men của phương pháp này gồm một thùng, bên trong có một cái phao và bên ngoài lắp với hai thùng phản ứng đặt bên cạnh thùng chính

Khi phao chứa đầy nước hay các vật liệu nặng khác, khối dịch lên men chứa trong thùng chính bị ép phải dịch chuyển vào hai thùng phản ứng bên cạnh (có chứa đầy vỏ bào có vi khuẩn giấm bám trên bề mặt) khi những đệm chứa trong hai 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 không cao, khó điều chỉnh quá trình nén chất lỏng từ thùng chính sang thùng phản ứng, không khí dễ bị nhiễm bẩn.

1.7.1.3Phương pháp trống quay

Hính 1.6 Thiết bị lên men nhanh bằng phương pháp trống quay

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

Trống được quay với vòng quay thích hợp sao cho trong quá trình tiếp xúc không khí, các vi khuẩn giấm trên đệm có thể oxy hóa triệt để rượu có trong dịch lên men

1.7.1.4Phương pháp cố định:

Trong phương pháp này thùng phản ứng (gọi là generator) là một thùng hình nón cụt thẳng đứng bằng gỗ (hoặc bằng một vật liệu nào đó chống ăn mòn) bên trong có tráng một lớp Parafin Đồng thời có đổ đầy những vật liệu

bám có màng vi khuẩn giấm che phủ Phần vật liệu này được giới hạn giữa hai đáy, đáy trên và đáy dưới cách khoảng 250mm có khoan những lỗ nhỏ để phân phối khí và lỏng.

1 Cửa đổ dịch lên men4 Đĩa phân phối lỏng2 Lưới đỡ đệm5 Van hút không khí

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 ở nhiệt độ bên ngoài từ 10 – 120C tạo điều kiện cho sự thông khí tự nhiên.

Nhìn chung ba phương pháp đầu không được sử dụng rộng rãi trong sản xuất, chỉ có phương pháp cuối là phổ biến nhất và không ngừng được cải tiến, do đó nó có những ưu điểm sau: 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.

1.7.2 Chất mang vi khuẩn acid acetic

1.7.2.1 Một số yêu cầu đối với chất mang vi khuẩn acid acetic:

Bản chất của quá trình lên men giấm là quá trình hiếu khí, vì thế phải tạo điều kiện tối đa vi khuẩn tiếp xúc với oxy và cồn (rượu etylic) Trong phương pháp lên men nhanh, giá thể được dùng để tăng diện tích tiếp xúc của oxy với vi khuẩn giấm nhầm thúc đẩy quá trình lên men acid acetic và nâng cao chất lượng giấm (Nguyễn Công Huân, 1985)

Đây là một 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 lựa chọn vật liệu bám cần căn cứ vào các yếu tố sau:

- Thỏa mãn các yêu cầu chung của đệm như: nhẹ, có độ bền cơ học

cao, diện tích tự do (bề mặt riêng) lớn, chống ăn mòn, rẻ tiền, dễ kiếm,…

- Không phản ứng với dịch lên men, không khí và sản phẩm lên men,

cũng như không tiết ra các hợp chất hóa học gây độc hại đối với vi sinh vật và mùi khó chịu cho giấm.

Trước đây, nhiều công trình đã nghiên cứu thử nghiệm với nhiều loại vật liệu bám chứa celluloze khác nhau như phôi gỗ (sồi, dẻ, bạch dương, ), lõi

ngô, tre nứa,…Trong đó gỗ sồi được đánh giá rất cao vì nó có độ cứng tốt và trong các thớ gỗ có nhiều mao quản xốp.

Nếu dùng gỗ sồi làm vật liệu bám thì được gia công như sau: gỗ được bào thành những lá mỏng, sấy khô bằng khí nóng và tự nó sẽ tạo thành những cuộn xoắn có độ xốp cao Nếu dịch lên men từ rượu trắng và chế độ vận hành tốt thì phôi gỗ sồi có thể làm việc trong 20 – 30 năm, có khi đến 50 năm mới thay Nếu dịch lên men từ nước ép quả, rượu vang thì chóng phải thay hơn do

vi khuẩn Acetobacter tạo màng dày, bít chặt khoảng không gian tự do của các

phôi bào.

Ở Việt Nam không có gỗ sồi, còn họ dẻ ở nước ta có bảy loại thuộc họ dẻ đều có tính chất tương tự, dẻ gai có thể dùng làm vật liệu bám khá tốt nhưng chúng có ít và phân bố rải rác khắp nơi các tỉnh Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ, nên khó khai thác và vận chuyển, khả năng sử dụng chúng rất thấp.

Vì vậy, việc tìm kiếm và thăm dò các vật liệu bám có sẵn, dễ kiếm, rẽ tiền để thay thế cho gỗ sồi, đồng thời vẫn đảm bảo được các 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 các chất độc hại như: tanin, lignin, các loại tinh dầu,…thường hay có trong các 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 axit hay kiềm để trích ly triệt để hơn các chất đã nêu trên.

Trên những yêu cầu đó chất mang được luận văn chọn nghiên cứu là thân cây tre Vì ở Việt Nam, tre là loại cây dễ kiếm (có thể tìm thấy ở khắp nơi), rẽ tiền và rất dễ gia công.

1.7.3 Chuẩn bị cấy giống vào generator

Đây là khâu quan trọng nhất quyết định sự thành công của quá trình lên men, nhờ khâu này mà vi khuẩn bám được trên bề mặt vật liệu đệm.

Vật liệu bám đã được xử lý, chất đầy vào generator rồi thanh trùng Pasteur bằng hơi nước Để cấy giống vi khuẩn lên bề mặt vật liệu bám người ta dùng giấm tươi (chưa lọc, chưa thanh trùng ) lấy từ một generator hiệu suất cao tuần hoàn chậm qua generator trong khoảng 8 – 12h Vào ngày thứ hai thêm vào một lượng rượu đủ để đưa hàm lượng rượu trong dịch khoảng 2 - 3% thể tích và lại tuần hoàn hỗn hợp trong 8 – 12h.

Ban đầu generator được cách ly với không khí bằng cách đóng chặt các van không khí để tránh sự tạp nhiễm từ bên ngoài do không khí Sau ngày thứ hai generator được thông khí rất nhẹ cho đến khi vi khuẩn sinh sản trên bề mặt vật liệu bám (biểu hiện ở đây là khi nhiệt độ trong generator bắt đầu tăng so với bên ngoài do nhiệt phản ứng) generator sẵn sàng hoạt động Chấm dứt giai đoạn cấy giống chuyển sang giai đoạn lên men.

Thời gian tổng cộng của giai đoạn cấy giống đến 8 – 12 ngày đêm, ngoại lệ có thể nhanh hơn, nhưng có khi dài hơn Lượng giấm tiêu hao cho quá trình cấy giống khoảng 400 l/m3 vỏ bào.

2 Vận hành kép:

Dịch lên men sau khi đi qua generator được acid hóa một phần và sẽ được giấm hóa hoàn toàn sau khi qua generator thứ 2, thứ 3,…đặt nối tiếp với generator đầu (đặt chồng lên nhau).

3 Generator tuần hoàn:

Dịch lên men sau khi đi qua generator được bơm tuần hoàn liên tục qua generator cho đến khi được giấm hóa hoàn toàn Trong loại này và vận hành kép dịch lên men ban đầu có thể không cần acid hóa hoặc chỉ acid hóa đến 1% acid Các generator tuần hoàn được sử dụng rộng rãi nhất do nó có những ưu điểm sau:

- Hoạt động với giá thành thấp

- Tương đối đơn giản, dễ khống chế, điều khiển

- Tiết kiệm nhiều không gian, để sản xuất cùng một lượng giấm, trong cùng một thời gian cần dùng ít đệm hơn

Điều kiện cần thiết của phương pháp này là duy trì nhiệt độ trong buồng oxy hóa ở một giới hạn xác định đảm bảo cho quá trình tạo acid mạnh nhất (tốt nhất là giữ phần trên ở 300C, phần dưới gần 33 – 340C) Nhờ nhiệt độ này không khí bên ngoài không ảnh hưởng đến sự làm việc của generator do đó sản xuất không phụ thuộc vào thời tiết.

Khi tuần hoàn có thể đưa generator luôn làm việc với nồng độ acid cao, như vậy một mặt tránh được sự tạp nhiễm có thể có (do thông khí tự nhiên), mặc khác luôn kích thích cho vi khuẩn phát triển và như vậy tốc độ tạo acid là rất cao, rút ngắn thời gian lên men.

1.7.5 Năng suất và hiệu quả của generator:

Năng suất và hiệu suất là chỉ tiêu quan trọng đặc trưng cho sự làm việc của generator (và cũng chính là phương pháp nhanh sản xuất giấm).

Năng suất của generator được xác định bằng lượng giấm (acid acetic 100%) nhận được từ 1m3 vỏ bào (vật liệu bám) trong một ngày đêm Ở các generator làm việc tốt có thể đạt 2,9 kg acid acetic/1m3 vỏ bào.

Hiệu suất lý thuyết theo cơ chế phản ứng là 103 kg acid acetic từ 100kg rượu khan Nhưng thực tế ở các thiết bị lên men không có tháp ngưng tụ chỉ đạt 75 kg acid acetic mà thôi, còn các thiết bị ngưng tụ có thể đạt 93 kg acid