3.2.1 Nguyên liệu
Trong công nghiệp nguyên liệu thường dùng để sản xuất acid acetic là ethanol tinh luyện. Ethanol được sản xuất theo phương pháp sinh học bằng cách lên men từ mật rỉ hay từ tinh bột.
Chỉ tiêu ethanol dùng trong sản xuất:
Chỉ tiêu cảm quan:
+ Màu sắc: không màu
+ Mùi và vị : có mùi đặc trưng của ethanol sản xuất từ ngũ cốc và rỉ đường.
Chỉ tiêu hoá học:
+ Hàm lượng ethanol ( độ cồn) ở 200C là 95%V + Thời gian oxy hoá : >20 phút
+ Hàm lượng acid chuyển ra acid acetic trong 1l ethanol 1000 : < 18 mg + Hàm lượng este, chuyển ra este etylaxetat trong 1l ethanol 1000: <50mg + Hàm lượng rượu bậc cao, theo tỷ lệ hỗn hợp isopentanol : isobutanol
(3:1) trong 1l ethanol 1000:< 60 mg + Hàm lượng methanol : < 0.1% V + Hàm lượng fufurol: không được có 3.2.2 Vi sinh vật
Có nhiều loại vi sinh vật có khả năng lên men tạo acid acetic. Tất cả các vi khuẩn có khả năng lên men tạo acid acetic được gọi chung là vi khuẩn acetic. Chúng không chỉ có khả năng lên men cồn thành acid acetic mà còn có khả năng chuyển hóa được rượu propionic thành acid propionic, chuyển hóa rượu butyric thành acid butyric.Thường sử dụng là giống Acetobacter. Giống Acetobacter gồm nhiều giống như: Acetobacter, Gluconobacter hay
Lactobacillus plantarum, Polyporus palustris…v..v.
Đặc điểm của giống Acetobacter
- Giống vi khuẩn Acetobacter thuộc họ Pseudomonadieae, phân bố rộng rãi trong tự nhiên và có thể phân lập được các vi khuẩn này từ không khí, đất, nước, lương thực thực phẩm, dấm, rượu, bia, hoa quả….
- Đặc điểm hình thái :
Dạng hình que, tuỳ điều kiện nuôi cấy (t0, thành phần môi trường nuôi cấy) mà các vi khuẩn acetobacter có thể sinh ra các tế bào có hình thái khác biệt dạng kéo dài hoặc phình to ra.
Kích thước thay đổi tuỳ loài (0.3-0.6 x 1.0- 8.0μm).
Có thể di động (có tiên mao đơn hoặc chu mao),
hoặc không di động (không có tiên mao).
Hiếu khí bắt buộc.
Có khả năng chịu được độ acid cao.
Tế bào đứng riêng lẻ hoặc kết thành từng chuỗi. Có khả năng tạo thành váng trên môi trường
lỏng, khả năng tạo thành váng thay đổi tuỳ loại:
o Acetobacter xylinum: tạo thành váng cellulose khá dày và chắc.
o Acetobacter orleanoe: tạo thành váng mỏng nhưng chắc.
o Acetobacter pasteurianum: tạo thành váng khô và nhăn nheo.
o Acetobacter suboxydans: tạo thành váng mỏng dễ tan rã.
o Acetobacter curvum: sinh acid acetic với nồng độ cao nhưng tạo thành váng
không chắc chắn. - Đặc điểm sinh trưởng:
• Phát triển tốt trong điều kiện hiếu khí bắt buộc, nhiệt độ 25-30oC, pH 5,4- 5,8.
• Tính chất đặc trưng của giống Acetobacter là khả năng oxy hóa rượu etylic thành acid acetic ở pH 4,5.
• Ngoài ra còn thực hiện quá trình oxy hóa acid acetic, oxy hóa lactate, chuyển glucose thành gluconate, oxy hóa không hoàn toàn các hợp chất hữu cơ khác ( các loại đường và dẫn xuất của chúng) để tạo thành các hợp chất ketone, hay các acid hữu cơ tương ứng.
• Nhu cầu dinh dưỡng của giống Acetobacter đối với nguồn C, N và chất sinh trưởng cũng rất đa dạng. Giống Acetobacter sử dụng đường, etylic và các acid hữu cơ làm nguồn C, muối amon làm nguồn N.
• Trong quá trình phát triển vi khuẩn Acetobacter có nhu cầu đối với 1 số acid amin như valin, alanin, prolin, isolosine.
• Một số chất kích thích sinh trưởng như acid nicotinine, acid amin, folic và biotin… có vai trò quan trọng trong sinh trưởng
• Acetobacter có khả năng đồng hoá muối (NH4)+ và phân giải pepton. Một số loài đòi hỏi một số acid amin nhất định như acid pantothenic và các chất khoáng K, Mg, Ca, Fe, P, S …ở dạng muối vô cơ, hữu cơ hoặc hợp chất hữu cơ. Do đó bia, dịch tự phân nấm men, nước mạch nha, nước trái cây…là nguồn dinh dưỡng rất tốt cho sự phát triển của vi khuẩn
Acetobacter
Một số loài thuộc giống Acetobacter sử dụng trong lên men acid acetic
- Acetobacter. aceti:
+ Trực khuẩn ngắn dạng hình que kích thước 0.4-0.8 và 1-1.2µm, + Không di động thường xếp thành chuỗi dài.
+ Gram âm, màu vàng với thuốc nhuộm iod. + Tạo thành khuẩn lạc to, sáng trên gellatin với dịch lên men chứa 10% đường saccharose.
+ Có thể phát triển trên môi trường có nồng độ rượu khá cao (11%) + Có khả năng tích lũy 6% acid acetic.
+ Nhiệt độ thích hợp phát triển 34oC.
- Acetobacter xylinum
+ Trực khuẩn dạng hình que 2 µm.
+ Không di động, đứng riêng rẽ hay xếp thành chuỗi.
+ Gram âm, màu xanh với thuốc nhuộm iod.
+ Các tế bào được bao bọc bởi chất nhầy, tạo váng nhẵn khá dày. + Có khả năng tích luỹ 4.5% acid acetic.
Ngoài ra chúng còn có khả năng oxy hóa tiếp acid acetic thành CO2 và H2O.
- Acetobacter pasteurianum
+ Trực khuẩn ngắn.
+ Hình thái gần giống A.aceti, nhưng khi ta nhuộm chúng với iod, tế bào sẽ cho màu xanh.
+ Khả năng chịu nồng độ cồn của chúng thấp hơn của A.aceti. + Có khả năng tạo được 5-6% acid acetic.
- Acetobacter orleaneuse
+ Kích thước nhỏ hơn nhiều, đặc biệt hai đầu của tế bào thường nhỏ lại. + Thường tạo ra một váng rất mỏng trên bề mặt.
+ Khi nhuộm với iod, tế bào thường chuyển sang màu vàng. + Chịu đựng được lượng cồn lên đến 12%V.
+ Có thể tạo ra được 9.5% acid acetic.
Trong công nghiệp người ta sử dụng loài Acetobacter aceti là nhiều nhất.
Chọn giống thỏa tiêu chí
• Phải oxy hóa etylic tốt nhất.
• Tạo sản phẩm nồng độ acid acetic cao, chịu được độ cồn và acid cao. • Các tính chất ban đầu được giữ nguyên trong suốt quá trình lên men. • Các điều kiện phân lập, nuôi cấy, bảo quản giống đơn giản không tốn kém .
3.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lên men acetide
Các biến đổi:
Vật lý:
Nhiệt độ: tăng do quá trình trao đổi chất của vi sinh vật toả nhiệt.
Khối lượng cơ chất giảm, khối lượng sản phẩm tăng.
Hóa sinh:
Chuỗi phản ứng sinh hoá diễn ra trong tế bào để chuyển hoá rượu thành acid acetic:
Sự chuyển hoá rượu thành acid acetic là sự oxy hoá dạng bậc thang. Acetaldehyde, chất trung gian chính, được hình thành trước khi sự chuyển hoá thành acid acetic được thực hiện. Sự oxi hoá rượu thành acid acetic chính xác hơn được biểu diễn bởi 2 phản ứng:
Hệ thống enzyme của Acetobacter
CH3CH2OH + O CH3CHO + H2O Hệ thống enzyme của Acetobacter
CH3CHO + O CH3COOH
Hóa học:
Thành phần các hợp chất trong môi trường thay đổi: nhận thêm các chất là sản phẩm của quá trình trao đổi chất của vi sinh vật trong đó chủ yếu
là sự tăng vọt hàm lượng của acid acetic. Từ đó dẫn đến sự thay đổi pH của môi trừơng. Hàm lựơng etanol và một số hợp chất ban đầu cung cấp cho nhu cầu dinh dưỡng của vi khuẩn acetic giảm, trong đó etanol là giảm đáng kể nhất.
Thành phần không khí thay đổi: vi sinh vật giải phóng khí CO2 trong quá trình lên men.
Sinh học:
Gia tăng số lượng của vi khuẩn acid acetic trong quá trình lên men. Đồng thời trong giai đoạn đầu của quá trình lên men số lựơng của các vi sinh vật tạp nhiễm cũng gia tăng. Nhưng càng về sau khi nồng độ acid acetic trong dịch lên men ngày càng tăng thì một số vi sinh vật tạp cũng bị ức chế và giảm số lượng.