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

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.

Thiết bị lên men nhanh bằng phương pháp trống quay

• Chất mang vi khuẩn acid acetic

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. 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. 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.

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. 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. 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.

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). 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). 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.

Nhưng cũng có thể khắc phục được bằng cách đặt một thiết bị ngưng tụ bao gồm hai thiết bị lọc than đặt kế tiếp nhau sau tháp lên men để ngưng tụ rượu, acid acetic và một số khí khác (có thể dùng than hoạt tính hoặc silicagel để nạp cho tháp lọc).

Mô Hình Fermenter Sử Dụng Màng Sinh Học Cố Định Trong Lên Men Acid Acetic

• Fermenter dạng ống

Dòng chuyển động các tác nhân phản ứng trong các fermenter dạng này là chuyển động piston, trái ngược với fermenter dạng tầng sôi và dạng thùng có cánh khuấy liên tục có quỹ đạo chuyển động là ngẫu nhiên. Trong các yêu cầu trên, yêu cầu đầu tiên là quyết định việc lựa chọn cấu trúc của fermenter cho hợp lý, đó là do tính đặc thù của quá trình vi sinh công nghiệp có vi sinh vật tham gia vào quá trình. Trong các thiết bị dạng ống, màng sinh học bám trên bề mặt các vật rắn trơ có thể tồn tại ở hai trạng thái: cố định (tĩnh) hay linh động (các vật rắn trơ có màng sinh học che phủ lơ lửng trong môi trường lên men).

Nếu fermenter đòi hỏi làm việc trong điều kiện vô khuẩn, để đảm bảo điều đó chỉ có thể lấy màng vi khuẩn ra khỏi fermenter nhờ các biện pháp lực cắt thủy lực, tức là nhờ chuyển động của dòng lỏng và khí để tách màng sinh học ra khỏi bề mặt bám và cuốn chúng ra ngoài cùng dòng chảy. Còn các vi khuẩn giấm thì có khả năng lắng xuống đáy fermenter (như trong xử lý nước thải) 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. Màng vi khuẩn giấm được tạo thành nhờ các biến đổi sinh hóa diễn ra trong các fermenter và bám được vào vật rắn là nhờ khả năng bám dính của màng nhầy (khối gel giữa các tế bào) của vi khuẩn.

Một bề mặt nhám 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 sinh vật bám vào và phát triển thành lớp màng liên tục. 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 sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng vào bề dày màng. 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 trường.

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.

THỰC NGHIỆM

Thực nghiệm lên men giấm theo phương pháp nhanh 3.1 Thời điểm, địa điểm nghiên cứu

• Thiết bị, nguyên liệu, phương pháp thí nghiệm 1 Thiết bị
• Nguyên liệu
• Phương pháp thí nghiệm .1 Cấy giống
• Thí nghiệm chính (lên men nhanh)

Trên cở sở các yêu cầu về vật liệu làm chất mang vi sinh vật đã trình bày ở phần I, nhận thấy thân tre Việt Nam có thể đáp ứng được vì có các ưu điểm: rẻ tiền, dễ kiếm, có tính trơ và độ nhám cao, bề mặt riêng lớn, không chứa các chất gây ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật, dễ gia công và xử lý. Vật liệu bám (thân tre) được xử lý triệt khuẩn bằng hơi nước nên trước khi cho vào tháp, vật liệu đệm được đem luộc và sấy khô nhiều lần nhằm tách hết những chất không có lợi cho vi khuẩn giấm và quá trình lên men như: tinh dầu, lignin, …Sau đó, đem ngâm với dịch cấy giống trong một ngày rồi cho vào tháp một cách ngẫu nhiên để tiến hành cấy giống. Đặc điểm sinh học của vi khuẩn acetobacter: chúng là trực khuẩn ngắn, không chuyển động và có thể liên kết với nhau tạo thành chuỗi dài, nhuộm màu vàng với dung dịch iod, có thể sống ở nồng độ cồn khá cao 11%.

Thành phần dịch lên men hay môi trường lên men phải có đầy đủ các thành phần cơ bản sau: nguồn dinh dưỡng cacbon, nitơ, khoáng, các yếu tố vi lượng và các chất kích thích sinh trưởng. Kiểm tra nồng độ acid acetic 2% là được và cho tưới dịch qua tháp đã có sẵn chất mang vi khuẩn giấm (hình) với lưu lượng dòng lỏng không đổi 80ml/ph, tháp được thông khí tự nhiên. Khi thấy nhiệt độ trong và ngoài tháp chênh lệch từ 2÷50C, nồng độ acid ở đầu vào và đầu ra có biến đổi và có màng mỏng màu trắng đục của vi khuẩn giấm bám trên bề mặt chất mang, đó là những dấu hiệu cho thấy vi khuẩn đã bám vào chất mang, đang sinh trưởng và phát triển.

Với sơ đồ hình 3.4, dịch lên men được cho vào bình mariot (3) và chảy xuống bộ phận phân phối lỏng (4) theo cơ cấu máng lật, dịch được tưới đều vào khối đệm trong tháp lên men (7) theo một chu kỳ thích hợp. Mục đích: kiểm tra bằng thực nghiệm lên men nhanh các môi trường với thành phần môi trường đã thay đổi nồng độ nước dừa, để đánh giá chính xác hiệu quả lên men nhanh của thành phần môi trường đem thí nghiệm. Dịch mẫu thí nghiệm được lấy định kỳ, mỗi lần lấy 5ml ở hai vị trí đầu vào và đầu ra của thiết bị lên men nhanh (như vị trí lấy mẫu ở hình 3.5), đem chuẩn độ acid acetic bằng dung dịch NaOH 0,1N.

Mục đích: tìm môi trường có hiệu quả lên men khả quan, thử nghiệm xem khả năng thích ứng của vi khuẩn giấm trong điều kiện nhiều đường (do theo lý thiết thì vi khuẩn giấm có khả năng chuyển hóa môi trường có nhiều đường thành acid acetic –qua giai đoạn trung gian là chuyển hoá đường thành cồn).