CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.3. Tình hình sản xuất bioethanol
1.3.3. Lên men sản xuất bioethanol
Giai đoạn lên men bioethanol là quá trình lên men yếm khí của nấm men, chuyển
hóa đường thành rượu etylic và CO2. Lý thuyết quá trình lên men đã được nhiều nhà sinh
học nghiên cứu. Năm 1810, Gay-Lussac đưa ra phương trình tổng quát quá trình lên men:
C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 + Q
Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử. Q trình này diễn ra
trong cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme. Vì vậy q trình này cịn gọi là
q trình oxy hóa sinh học. Trong q trình đó, các ngun tử cacbon của cơ chất bị oxy
hóa đến CO2 còn các nguyên tử hydro tách ra khỏi cơ chất, đầu tiên được chuyển đến NAD+, sau đó từ NADH2 trong điều kiện yếm khí, hydro có thể chuyển đến các sản phẩm
trung gian khác nhau hoặc để tái sinh NAD+. Chất tiếp nhận cuối cùng là chất hữu cơ [85].
Lên men bioethanol gồm nhiều q trình sinh hóa và sinh học rất phức tạp, dưới tác dụng của nhiều enzyme. Đường và các chất dinh dưỡng được hấp thụ qua bề mặt tế bào rồi thẩm thấu vào bên trong. Ở đó các enzyme sẽ xúc tác các phản ứng khác nhau để cuối cùng tạo ra sản phẩm chính là rượu và khí carbonic. Hai chất này sau khi sinh ra sẽ
qua màng tế bào chất vào môi trường lên men [86,87]. Bioethanol rất linh động nên hòa tan nhanh trong dịch lên men, cịn khí carbonic hịa tan kém.
Trong q trình lên men, ngồi sản phẩm chính là rượu và CO2, cịn tạo ra các hợp chất thứ cấp như: axít, este, aldehyl và rượu bậc cao hay rượu có số carbon lớn hơn hai. Hệ vi sinh vật trong men rượu giữ vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất bioethanol,
ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Nấm mốc thực hiện q trình đường hố và nấm men thực hiện q trình lên men, là hai nhóm vi sinh vật chủ yếu có
trong men. Một số nấm men chính gồm có Saccharomyces cerevisiae, Hansenula spp.,
Endomycopsis spp.
Nấm men thích hợp cho q trình lên men cần có một số tính chất sau: hiệu suất lên men cao; chịu được bioethanol; chịu được các sản phẩm phụ của quá trình thuỷ phân; lên men ở pH thấp, có thể tiêu thụ nhiều cơ chất khác nhau. Có hai chủng nấm men đang
được sử dụng phổ biến là:
+ Saccaromyces cerevisiae: Loại nấm men được sử dụng phổ biến cho lên men
glucose. S.cerevisiae có các ưu điểm như: chịu được nồng độ bioethanol cao, ít sản phẩm phụ, tốc độ lên men cao trong mơi trường axít, chịu được axít acetic. Tuy nhiên, nấm men này khơng có khả năng lên men đường 5 cụ thể là không thể lên men xylose.
+ Pichia stipitis: Loại nấm men phổ biến nhất trong các chủng nấm men có thể lên
men đường 5. Pichia stipitis có các ưu điểm như cho hiệu suất tiêu thụ xylose cao, chịu
được nhiệt độ và nồng độ cơ chất cao. Tuy nhiên lại bị ức chế bởi bioethanol nồng độ cao. Ngày nay, thế giới có xu hướng sử dụng công nghệ gene để kết hợp các chủng nấm men vừa có khả năng lên men đường 6, vừa có khả năng lên men đường 5. Trong nghiên cứu này liên quan đến quá trình lên men đường 6 (hexose) nên chủng nấm men
Saccharomyces cerevisiae SH1 được sử dụng để lên men. Hiệu suất của quá trình lên men bị ảnh hưởng của các yếu tố sau [44]:
Nhiệt độ: Mỗi vi sinh vật đều có một khoảng nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển của
chúng. Đối với nấm men Saccharomyces, nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 28-320C. Ở nhiệt độ cao, hoạt tính của nấm men giảm nhanh nhưng chủ yếu là dễ bị nhiễm vi sinh vật
như vi khuẩn lactic và nấm men hoang dại. Mặt khác khi lên men ở nhiệt độ cao dễ tạo
nhiều sản phẩm phụ như ester, aldehyd và giảm lượng bioethanol tạo thành [87].
pH: Nồng độ ion H+ trong môi trường ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nấm men. Chúng có 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 q trình lên men. Mỗi vi sinh vật chỉ có thể hoạt động tốt trong một khoảng pH nhất định. Trong điều kiện lên men bioethanol, pH tối ưu là 4.5-5.0. pH quá cao hoặc quá thấp đều ảnh hưởng đến hiệu suất lên men [87].
Nồng độ dịch đường lên men: Nếu nồng độ dịch đường quá cao sẽ dẫn đến làm
tăng áp suất và làm mất cân bằng trạng thái sinh lý của nấm men. Kết quả là bioethanol
nhiều sẽ ức chế không những các tạp khuẩn mà cả nấm men. Mặt khác đường nhiều sẽ dẫn đến hao tổn nguồn nguyên liệu và phải kéo dài thời gian lên men. Mặt khác nếu nồng
độ đường của dịch lên men thấp thì sẽ làm giảm năng suất thiết bị lên men và làm cho
nấm men không đủ chất dinh dưỡng để phát triển. Thông thường nồng độ dịch đường
được giới hạn tối đa là 22%.
Thời gian lên men: là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Thời
gian lên men phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, nồng độ đường, chủng nấm
men…Thời gian lên men được tính bắt đầu từ khi cấy chủng nấm men vào môi trường
lên men, nhưng thời gian kết thúc thì tùy thuộc vào từng môi trường lên men cụ thể và
mục đích của q trình lên men.
Nồng độ CO2 trong môi trường: CO2 được hình thành trong quá trình lên men rượu từ đường. Một phần sẽ tồn tại trong môi trường, một phần tách trên bề mặt môi trường, phần cịn lại tích tụ thành một lớp ngăn cách giữa khơng khí và mơi trường. CO2 tích tụ trong môi trường chỉ làm giảm khả năng sinh sản của nấm men, nhưng không thể làm cho khả năng lên men của nấm men yếu đi.
Trong mơi trường có hàm lượng đường cao sẽ cản trở CO2 thốt ra ngồi, dẫn đến
ức chế sinh sản của nấm men và sự lên men có hiệu quả thấp. CO2 nằm trong khoảng
không giữa bề mặt môi trường và khơng khí có tác dụng kiềm chế sự phát triển của những vi sinh vật hiếu khí gây hại.
Chất dinh dưỡng: Mơi trường nuôi cấy cần phải có đầy đủ các thành phần dinh dưỡng chủ yếu là glucid ở dạng monosaccharide và disacharide, nitơ ở dạng axít amin,
các muối vô cơ, trừ dạng muối nitrit, nitrat, các vitamin và muối khoáng.
Hàm lượng giống nấm men: Nấm men là nhân tố tạo ra quá trình lên men, chuyển
hóa đường thành bioethanol và khí carbonic. Mỗi lồi nấm men có khả năng lên men
khác nhau. Việc bổ sung tỷ lệ giống lên men cũng phải được chọn lựa. Thông thường
lượng nấm men giống cấy vào khoảng 15 triệu tế bào/ml dịch lên men là đạt hiệu quả tốt nhất [87].