4. Quá trình lên men: 1 Cơ sở lí thuyết:
4.2.Lên men dịch đường từ nguyên liệu biomass:
Dịch thu được sau quá trình thủy phân khơng những chứa glucose mà cịn cĩ các chất ức chế quá trình lên men như: fufural, 5- hydroxymethyl furfural (HMF), acid carboxylic và các phenolic. Trong đĩ 2 chất chất ức chế chủ yếu là fufural và HMF ( Taherzadeh, 1999). Do đĩ cần loại chất độc trong quá trình thủy phân bằng cách cho dịch thủy phân đi qua cột trao đổi ion và xử lí bằng Ca(OH)2.
Hình 4.2 Các phản ứng khơng mong muốn trong quá trình thủy phân
nguyên liệu ( Olsson và Hahn-Hagerdal, 1996).
Quá trình lên men được thực hiện bởi S.cerevisiae. Trước tiên nấm men được nuơi trong 24 giờ trong dung dịch chứa 1.5% glucose ở 30ºC (hàm lượng muối và kim loại ở mức thấp nhất). Mục đích của quá trình này là để tăng sinh khối bổ sung vào bình lên men. Trong quá trình lên men cần giữ pH ở giá trị 5.0 nhiệt độ lên men là 30ºC và bổ sung khí nitrogen để tạo mơi trường yếm khí cho nấm men (nếu cần).
Các phương pháp lên men :
Lên men gián đoạn: được thực hiện trong các thiết bị gián đoạn. Cơ chất được nhập vào một lần ngay từ đầu của quá rình lên men. Trong quá trình lên men khơng bổ sung cơ chất mà cũng khơng tháo liệu. Sản phẩm chỉ được lấy ra khi kết thúc quá trình lên men.
Lên men gián đoạn cĩ bổ sung cơ chất : thực hiện bằng thiết bị lên men bán liên tục. Đây là thiết bị cĩ cơ cấu nhập liệu theo chu kì. Ngồi lượng cơ chất ban đầu cịn cĩ lượng cơ chất được bổ sung trong quá trình lên men. Sản phẩm được tháo ra vào cuối giai đoạn lên men.
4.3. Các yếu tố ảnh hưởng:
4.3.1. Nhiệt độ:
Mỗi vi sinh vật đều cĩ một điều kiện tối ưu nhất cho sự phát triển của chúng. Đối với nấm men Saccharomyces, nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 28-32 ºC. Ở nhiệt độ cao, hoạt tính của nấm men giảm nhanh và dễ bị nhiễm vi sinh vật như vi khuẩn lactic và nấm men dại. Ở 30ºC, nấm men dại phát triển nhanh hơn Saccharomyces từ 2-3 lần. Tại nhiệt độ 35-38 ºC chúng phát triển nhanh gấp 6-8 lần. Mặt khác quá trình lên men thực hiện ở nhiệt độ cao sẽ tạo ra nhiều sản phẩm phụ như ester, aldehyd, đồng thời tổn thất ethanol theo CO2 sẽ tăng.
4.3.2. Độ pH:
Nồng độ ion H+ trong canh trường ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nấm men. Chúng cĩ khả năng làm thay đổi điện tích của vỏ tế bào, làm tăng hoặc giảm mức độ thẩm thấu của các chất dinh dưỡng cũng như chiều hướng của quá trình lên men. Mỗi vi sinh vật chỉ cĩ thể hoạt động tốt trong trạng thái ion nhất định, trạng thái này phụ thuộc vào pH của canh trường. Trong điều kiện lên men ethanol, pH tối ưu để tạo ethanol là 4.5-5.0. Nếu pH thấp khoảng 3.0-4.0 nấm men cịn hoạt động được và vi khuẩn bị ức chế. pH hơi cao hơn thì canh trường dễ bị nhiễm khuẩn và các sản phẩm phụ trong quá trình lên men sẽ tạo nhiều hơn, lên men cĩ hiệu suất thấp.
4.3.3.Nồng độ dịch lên men:
Nếu nồng độ dịch đường quá cao sẽ dẫn đến làm tăng áp suất thẩm thấu và làm mất cân bằng trạng thái sinh lý của nấm men. Kết quả là ethanol nhiều sẽ ức chế khơng những các tạp khuẩn mà cả nấm men. Mặt khác đường nhiều sẽ kéo dài thời gian lên men. Mặc khác nếu nồng độ đường của dịch lên men thấp thì sẽ làm giảm năng suất thiết bị lên.
4.3.4. Thời gian:
Thời gian cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm. Thời gian lên men phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ lên men, nồng độ đường, chủng nấm men,… Thời gian lên men được tính bắt đầu từ khi cấy chủng nấm men vào mơi trường lên men, nhưng thời gian kết thúc thì tùy thuộc vào từng mơi trường lên men cụ thể và tùy thuộc vào mục đích lên men mà ta dừng quá trình lên men.
Trong giai đoạn đầu của quá trình lên men phải cho dịch đường tiếp xúc với oxy. Lúc này nấm men cần oxy để tích lũy một lượng sinh khối cần thiết cho quá trình lên men. Tiếp theo, để chuyển hĩa đường thành ethanol, nấm men phải được phát triển trong điều kiện yếm khí hồn tồn. Vì trong mơi trường này, sự hơ hấp của nấm men bị ức chế và bắt đầu phải tìm năng lượng cần thiết bằng con đường lên men. Để đáp ứng năng lượng cần thiết thì nấm men cần chuyển hĩa một lượng đường lớn thành ethanol và CO2. Đĩ là nguyên nhân muốn cĩ ethanol nhiều thì khơng được làm thống khí mơi trường. Nếu cĩ oxy thì trong giai đoạn này, rượu sẽ tiếp tục chuyển hĩa thành acid acetic làm sản phẩm bị chua.