2. VIKHUẢN TRONG SẢN XUÁT CỎN
2.1.2. Quá trình lên men:
2.1.2.1. Con đường lên men:
Zymomonas mobilỉs chuyển hoá đường thành pyruvat qua con đường ED (Entner-Doudorolữ). Pyruvat sau đó lên men tạo ra ethanol và CƠ2 là sản phẩm duy nhất (tương tự nấm men ).
Sự khác biệt giữa z mobilỉs so với s. cerevừiae về mặt sản xuất bioethanol ]à:
• Đường hấp thu và sản lượng ethanol là cao hơn. • Khí tạo thành ít hơn.
• Khả năng chịu ethanol cao hơn.
• Không phụ thuộc vào sự điều chỉnh lượng oxi thêm vào trong suốt quá trình lên men.
• Tuân theo sự vận động gen.
Mặc dù có những giới hạn khắt khe hơn so với nấm men: nó chỉ sử dụng được loại cơ chất giới hạn glucose, ữuctose và sucrose ( hiện nay, các nhà khoa học đang tìm cách khắc phục điều này). ). Nhưng áp dụng của kỹ thuật di truyền vào vi khuẩn ảnh hưởng sẽ đến sự lên men đường trong lignocellulose Ợngram, 1993), bằng việc chèn aportable, operon nhân tạo chứa gen của z. mobilis mang enzyme dehydrogenase and pyruvate decarboxylase có khả năng chuyển hóa các loại đường khác. Những vi khuẩn này có thể phát triển hay lên men các loại đường cellobiose, cellotriose, xytobiose, xyloưiose, maltose, maltotriose, và các đường oligo khác. Không yêu cầu quá trình phân giải thành đường đơn trước khi lên mea Hiêu quả có thể đạt hơn 90% so với lý thuyết. Những nhà nghiên cứu tại Department of Energy*s National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado cho thấy rằng việc sửa đổi di truyền ở z. mobilis làm cho nó có thể sản xuất ethanol từ đường 5 cacbon như xylose. Mặc dù, sử dụng z. mobilis sản xuất ethanol có năng suất cao hơn 5%-10% so với nấm men nhưng nó vẫn chưa được áp dụng trong phương diện thương mại (Borman, 1995). Nhưng cái khác của z. mobilỉs là chắn chắn chúng có khả năng sử dụng pentose như là nguồn cacbon để phát triển.
Con đường ED: Glucose bị phosphoryl hóa sau đó bị oxy hóa tới 6-P- gluconat. Tại điểm này, sự loại nước xảy ra tạo thành 2-keto-3-deoxy- 6- P-gluconat (KDPG), chất này sau đó bị thuỷ phân nhờ KDPG- aldolase. Từ một mol glucose sẽ tạo thành 2 mol pyruvat và sinh ra một mol ATP.
Các nghiên cứu nuôi chửng Zymomonas mobỉlis ZM4 trên các môi trường nhân tạo chứa glucose, ữuctose hoặc saccharose đã cho thấy rằng loài vi khuẩn này không có khả năng chuyển hoá các toại đường này theo bất kì một con đường nào khác ngoài con đường ED. Dan liệu động học sinh trưởng của loài vi khuẩn này được trình bày theo bảng sau:
Bảng 5.2: Các thông số động học đối với sinh trưởng của chủng Zymomonas mobilis
ZM4 ưong môi trường nuôi cấy tĩnh với các nguồn carbon khác nhau (nồng độ banđầu250g/l-theo N. Kosaric và ctv., 1983)
Thông số Glucose Cơ chất FructoseSaccharose Tốc độ sinh trưởng(h1) 0,18 0,10 0,14 Tốc độ tiêu thụ cơ chất(g/g/h) 11,3 10,4 10,0 Tốc độ tạo thành ethanol(g/g/h) 5,4 5,1 4,6 Sản lượng tế bào(g/g) 0,015 0,009 0,014 Sản lượng ethanol(g/g) 0,48 0,48 0,46
Sản lượng ethanol(% so với lí thuyết) 94,1 94,1 90,2
Nồng độ ethanol cực đại(g/l) 117 119 89
Thời gian có tốc độ cực đại(h) 0-19 0-28 0-15
Theo bảng này tốc độ hấp thu đường và sự sản sinh ethanol đạt cực đại khi sử dụng môi trường chứa glucose. Sự kim hãm do cơ chất không biểu hiện nghiêm trọng ở loài vi khuẩn này vì sinh trưởng có thể ở nồng độ 40% glucose.
Khi lên men nước mía, chủng Zymomonas mobilis Z7 có khả năng kết thúc sự lên men 100-200g/l saccharose với hiệu quả 59-88% trong vòng 20-29h. Tốc độ sản sinh ethanol dao động từ 2,2-5,3 g/l/h trong các thí nghiệm loại một lít. Các kết quả này phù họp với động học lên men trên các môi trường bán tổng họp dưới các điều kiện tương tự. Điều này chỉ ra rằng các coíàcto cần thiết, các ion kim loại cũng như các nồng độ c, N, p là đầy đủ cho quá trình lên men ethanol do vi khuẩn này thực hiện
Bảng 5.3: Các thông số động học đối với Z.mobils và Saccharomyces cerevỉsae trên các môi trường chứa 250g glucose trong điều kiện nuôi cấy tĩnh không thông khí
(30°c, pH=5,0 - theo N.Kosaric và ctv_1983)
Các thông số động học z. mobilis s. uvarum
Tốc độ sinh trưởng riêng(l/h) 0,13 0,055
Tốc độ hấp thu glucose riêng(g/g/h) 5,5 2,1
Sản lượng tế bào(g/g) 0,019 0,033
Sản lượng ethanol (g/g) 0,47 0,44
Sản lượng ethanol tương đối(%) 92,5 86
Nồng độ ethanol cực đại(g/l) 102 108
Bảng trên cho thấy trong điều kiện nuôi tĩnh, Zymomonas mobỉlis lên men hiệu quả hơn Saccharomyces uvarum. Các thông số động học thể hịên tính ưu thế này là tốc độ simh trưởng (2,4 Ẻn cao hơn nấm men), tốc độ sinh ethanol riêng phần (2,9 Ẻn cao hơn) và tốc độ hấp thu glucose riêng phần (2,6 lần cao hơn).
Trong lên men nấm men, oxy cần thiết để tổng họp thành tế bào, ổn đinh các cấu ứúc lipid, và duy trì các quá trình trong tế bào nói chung. Tuy nhiên, điều kiện hiếu khí cũng dẫn đến việc giảm thu hoạch cồn và tăng nồng độ sinh khối do hiệu ứng Pasteur. Vì nhiều vi khuẩn là kỵ
khí nên có thể đạt được những năng suất cồn cao hơn và sinh khối thấp hơn. Nồng độ tế bào vi khuẩn thấp hơn cũng là một hậu quả của việc năng lượng giành cho sinh trưởng đạt được thấp hơn (1ATP trên 1 glucose tiêu thụ theo con đường ED so với 2ATP theo con đường EM ở nấm men).
Hình 5.6: Sơ đồ con đường ED
2.1.2.2. Nguyên liêu và môi trường lên men:
- Môi trường glucose: glucose 80 đến 250 g/dm3, phần chiết men 10 g/dm3, KH2PO4 lg/dm3, (NH4)2SC>4 1 g/dm3, và MgS04.7H20 0.5 g/dm3 được sử dụng trong thí nghiệm
- Quá trình lên men được thực hiện trong bình Erlenmeyer chứa 0.2 dm3 môi trường và 0.2g chất để chửng ( 80 g/dm3 môi trường glucose sau 24 giờ lên men ở 30°C).