Thông số Glucose Fructose
Tốc độ hấp thụ đường riêng cực đại ( g đường/g tế bào.giờ)
8,5 2,1
Tốc độ sản xuất ethanol riêng cực đại ( g ethanol/g tế bào.giờ
4,1 1,0
Hiệu suất sinh trưởng trung bình ( g sinh khối tế bào/g đường)
0,055 0.034
Giá trị hiệu suất ATP ( g sinh khối tế bào/mol ATP)
9,9 5,1
(http://doan.edu.vn/do-an/de-tai-len-men-ethanol-voi-vi-khuan-zymomonas-mobilis- 25524)
Hiệu suất lên men đạt cực đại tại pH=7 và thấp nhất ở pH=4, chứng tỏ nếu gia tăng pH ban đầu thì sự hấp thu cơ chất và hiệu suất lên men cũng tăng. Do đó pH tối ưu cho sự lên men là ethanol với Z.mobilis được chọn là 7.
Nhiệt độ
Nhiệt độ tối ưu cho quá trình lên men là 300C.
Khi nhiệt độ của môi trường lên men tăng từ 30 – 360C ( nồng độ glucose không đổi trong hỗn hợp nhập liệu) thì nồng độ sinh khối giảm và tốc độ hấp thu glucose tăng dần.
Khi tăng nhiệt độ khoảng 2 – 30C, hiệu suất chuyển hóa glucose tăng từ 82% đến 90%. Tuy nhiên, nhiệt độ cao quá mức sẽ có nhiều glucose taht61 thaot1 trong canh trường, hiệu suất chuyển hóa giảm cịn 65%.
Nồng độ ethanol ban đầu
Nếu có ethanol ban đầu trong môi trường dinh dưỡng thì sẽ làm giảm sản xuất sinh khối, hấp thu cơ chất, sản xuất ethanol ethanol, hiệu suất và hệ số chuyển hóa đường.
Cụ thể: Với mơi trường là sucrose có 2,5% ethanol ban đầu thì hiệu suất eyhanol giảm 48,8%, hiệu suất sinh khối giảm 25%, va 2tong63 lượng đường hấp thụ giảm 28,3%.
Với mơi trường là glucose có 3% ethanol ban đầu thì hấp thu đường giảm 60 – 65% ( Moreau và cộng sự, 1997).
Ở nồng độ ethanol rất cao (20%, wt/vol), sự lên men bị kiềm hãm hoàn toàn. Thêm ethanol vào quá trình lên men sẽ ức chế khả năng lên men của tế bào Z.mobilis.
2.4.2.8 Một số ưu điểm của Z. mobilis là:
Là một chủng vi sinh vật có khả năng lên men tự nhiên Tạo ra ít sinh khối tế bào
Có thể kháng cự với các chất kiềm hãm có trong sản phẩm thủy phân Lên men ở pH thấp.
Có thể sinh trưởng ở nồng độ glucose cao.
Tạo ra sản lượng ethanol cao từ glucose ( 95 – 98% hoặc 0,49 – 5,00 g/g) Khả năng chịu được nồng dộ ethanol (13% ethanol từ 30% glucose). Hiệu suất sna3 xuất riêng cao (2-6 g rhanol/ g chất khô.giờ)
Tốc độ hấp thụ đường glucose cao ( có thể lên đến 10g glucose g/g chất khô.giờ)
2.4.2.9 Nhược điểm
Giới hạn cơ chất hẹp, khơng có khả năng chuyển hóa các polysaccharide phức tạp như: cellulose, hemicelluloses và tinh bột thành ethanol).
Tạo ra một số sản phẩm phụ như: sorbitol, acetoin, glycerol và acid acetic hình thành một loại polymer levan ngoại bào.
CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH LÊN MEN 3.1 Lựa chọn phương pháp lên men
Các phương pháp lên men tuỳ thuộc đặc điểm sinh lý của vi sinh vật nuôi cấy đối với oxy, ta coi q trình đó là hiếu khí hay kỵ khí khơng bắt buộc. Đối với lên men kị khí thực hiện theo phương pháp ni cấy chìm, nghĩa là vi sinh vật nuôi cấy ở sâu tronh môi trường, thỉnh thoảng khuấy để tăng sự trao đổi giữa tế bào vi sinh vật với mơi trường trong suốt q trình khơng sục khí. Với q trình lên men kỵ khí khơng bắt buộc, như trong lên men rượu các giống men khi có oxy thì ngả sang sinh trưởng, tăng sinh khối, khi thiếu oxy thì ngả sang hướng tích tụ etanol. Vì vậy lên men rượu thồi kỳ đầu thường được cấp khơng khí để giống nấm men phát triển tốt, sau đó ngừng sục khí để lên men rượu. Lên men hiếu khí được thực hiện nhờ hai phương pháp cơ bản: nuôi cấy bề mặt và nuôi cấy bề sâu.
Lựa chọn phương pháp lên men chìm dạng từng mẻ
Lên men bề sâu trong môi trường lỏng
Lên men chìm là phương pháp được phổ biến rộng nhất trong quy trình lên men cơng nghiệp, vì có thể kiểm sốt được toàn bộ các khâu trong quá trình một cách dễ dàng. So với phương pháp lên men bề mặt, thì lên men chìm có nhiều ưu điểm đó là: ít chốn bề mặt (không mất nhiều diện tích), dễ cơ giới hóa và tự động hóa trong quá trình theo dõi. Tuy nhiên phương pháp lên men chìm địi hỏi đầu tư nhiều kinh phí cho trang thiết bị. Ngoài ra, nếu một mẻ lên men, vì một lý do nào đó bị xử lý thì khơng thể xử lý cục bộ được, đa phần phải hủy bỏ cả quá trình lên men, gây tốn kém lớn. Phế liệu của quá trình lên men thải ra phải kèm theo công nghệ xử lý chống ô nhiễm môi trường. Phương pháp này dùng cho cả vi sinh vật kị khí và hiếu khí. Đối với ni vi sinh vật kị khí trong q trình ni khơng cần sục khí chỉ thỉnh thoảng khuấy trộn còn với vi sinh 30 vật hiếu khí thì phải sục khí liên tục. Đây là phương pháp hiện đại đã được dùng trong khoảng nửa cuối thế kỉ XX và cho kết quả rất to lớn đối với công nghệ vi sinh. Ni cấy chìm hay ni cấy bề sâu dùng môi trường dịch thể. Chủng vi sinh vật cấy vào môi trường được phân tán khắp mọi điểm và chung quanh bề mặt tế bào được tiếp xúc với dịch dinh dưỡng. Đặc điểm này địi hỏi trong suốt q trình ni cấy phải khuấy và cung cấp ơxy bằng cách sục khí liên tục.
Ngày nay phương pháp ni cấy chìm được dùng phổ biến trong công nghệ vi sinh để sản xuất men bánh mì, protein đơn bào, các chế phẩm vi sinh làm phân bón, thuốc trừ sâu, các enzyme, các acid amin, vitamin, các chất kháng sinh, các chất kích thích sinh học v.v...
Phương pháp ni cấy chìm có một số ưu điểm:
Tốn ít mặt bằng trong xây dựng và lắp đặt dây chuyền.
Chi phí điện năng, nhân lực và các khoản phụ cho một đơn vị sản phẩm thấp. - Dễ tổ chức được xí nghiệp có sản lượng lớn.
Các thiết bị lên men chìm dễ cơ khí hố, tự động hố . Song phương pháp chìm cũng có một số nhược điểm sau:
Đòi hỏi trang bị kĩ thuật cao, dễ bị nhiễm trùng tồn bộ. Vì vậy, những thiết bị lên men chìm cần phải chế tạo đặc biệt cẩn thận, chịu áp lực cao, địi hỏi kín và làm việc với điều kiện vô trùng tuyệt đối (trong ni cấy bề mặt có thể loại bỏ phần đã nhiễm trùng, các phần khác vẫn còn dùng được). - Trong lên men chìm cần phải khuấy và sục khí liên tục vì vi sinh vật chỉ sử dụng được ơxy hồ tan trong mơi trường. Khí được nén qua một hệ thống lọc sạch tạp trùng, hệ thống này tương đối phức tạp và dễ gây nhiễm cho môi trường nuôi cấy
Lên men dạng mẻ (gián đoạn)
Trong phương pháp nuôi không liên tục (batch - culture) hay cịn gọi là ni gián đoạn, thông thường vi sinh vật sinh trưởng đến chừng nào một thành phần chủ yếu của môi trường dinh dưỡng bị giới hạn. Khi đó culture chuyển từ pha luỹ thừa sang pha cân bằng. Sinh trưởng gắn liền với sự thay đổi kéo dài của điều kiện nuôi, sự giảm chất dinh dưỡng và sự tăng khối lượng tế bào. Trong q trình đó trạng thái sinh lí của tế bào cũng thay đổi. Thông thường việc tạo thành sản phẩm mong muốn liên quan với một trạng thái sinh lí nhất định trong pha sinh trưởng. Không thể duy trì được trạng thái này trong một thời gian dài. Phương pháp nuôi gián đoạn được sử dụng trước hết cho sự lên men vơ trùng,vì cách ni này là dễ dàng về mặt kỹ thuật.
3.2 Quy trình sản xuất Ethanol từ rơm rạ
Hình 3.1: Quy trình sản xuất ethanol đi từ ligocllulose
(Nguồn:http://www.slideshare.net/luongnguyenthanh/nghin-cu-sn-xut-ethanol- tu-rom-ra)
Rơm rạ
Tiền xử lí
Thủy phân
Lên men Dinh dưỡng
Nhân giống Men giống
Chưng cất
Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu
Nguyên liệu từ kho chứa được đưa đến nhà máy. Sau đó, nguyên liệu được băm nghiền nhằm phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật, tạo điều kiện thuận lợi để quá trình thủy phân diễn ra tốt hơn, tăng hiệu suất q trình. Sau đó ngun liệu được đưa đến vùng tiền xử lí.
Bước 2: Tiền xử lý.
Rơm bao gồm nhiều thứ phức tạp không đồng nhất của các polyme carbohydrate. Cellulose và hemicellulose được bảo vệ bởi lớp lignin dày đặc chống lại thủy phân của enzym.Vì vậy, cần thiết phải có một bước tiền xử lý để phá vỡ lignin để lộ cellulose và hemicellulose cho quá trình thủy phân của enzyme được dễ dàng. Tiền xử lý nhằm mục đích giảm kết tinh của cellulose, tăng diện tích bề mặt sinh khối, loại bỏ hemicellulose, và phá vỡ lignin. Tiền xử lý làm cho cellulose dễ tiếp cận hơn với các enzyme để chuyển đổi polyme carbohydrate thành đường lên men có thể đạt được nhanh hơn và với sản lượng lớn hơn. Tiền xử lý bao gồm các phương pháp hóa học, vật lý, nhiệt và sự kết hợp giữa chúng.
Đầu tiên nó được xử lí bằng dung dịch H2SO4 loãng ở nhiệt độ cao trong thời gian ngắn, giải phóng hemicellulose và các hỗn hợp khác, tạo điều kiện tốt cho q trình đường hố và lên men. Lượng acide dư được trung hoà bằng dung dịch Ca(OH)2 loại bỏ kết tủa CaSO4. Nguyên liệu tiếp tục được đưa đến giai đoạn đường hoá bằng enzyme để biến cellulose thành glucose rồi đến công đoạn lên men glucose và các đường khác thành ethanol bằng chủng men Zymomonas mobils
Bước 3: Nhân giống vi khuẩn lên men và lên men:
Chọn men giống Zymomonas Mobilis, để nó phát triển trong bình sản xuất men giống. Ở đó, cặn đường, chất dinh dưỡng cùng với men giống được cho vào bình nhỏ và quá trình này cứ tiếp tục diễn ra cho đến khi đạt được số lượng men giống cần thiết cho quá trình lên men. Cuối cùng men giống, dinh dưỡng và cặn đường được cho liên tục vào thùng lên men. Gọi là giấm chín.
Để tiến hành lên men cần phải có lượng giống đủ cung cấp cho nồi lên men ( lượng giống dùng trong khâu này bằng 10% thể tích dịch lên men). Số lượng tế bào trong dịch nhân giống phải đati 100-120.106/ml hoặc hơn, với tuổi giống phải trẻ, khỏe, đang ở pha phát triển. giống không được tạp nhiễm
Muốn đạt được yêu cầu giống đưa vào sản xuất phải:
Nhân giống trong phịng thí nghiệm từ ống giống thạch nghiêng qua dịch ống nghiệm, bình tam giác và các bình tới 5 hoặc 10 lít thì chuyển vào nhân giống trong sản xuất.
Thông thường giống sản xuất được ni riêng trong các nồi nhân giống, sau đó tiếp vào các thùng lên men.
Ta thực hiện nuôi gián đoạn trong một thiết bị gọi là nồi nhân giống. Đó là một nồi chế tạo bằng thép kín, bên trong có hai hệ xoắn ruột gà ( cho hơi và nước) và có cánh khuấy. thể tích của nồi nhân giống vào khoảng 6-8% thùng lên men
Dịch đường dùng để nhân giống là dịch thủy phân từ nguyên liệu rơm rạ đã cân bằng dinh dưỡng và điều chỉnh pH tới 4,5-5,2. Dịch nhân giống phải được thanh trùng Pasteur ( toàn bộ quá trình phải được thực hiện trong điều kiện vơ trùng).
Nhân giống cũng như lên men cần giữ ở nhiệt độ 28-32oC, nếu nhiệt độ tăng cao phải hạ nhiệt độ bằng nước lạnh qua đường ruột gà.
Trước khi nuôi vi sinh vật, nồi và thùng ni phải được rửa sạch, xì hơi nóng và thanh trùng bằng hơi, sau đó làm lạnh tới 55-58oC thì bổ sung nguồn dinh dưỡng nitơ cùng với dịch đường, sau đó đưa nhiệt độ đến 75oC giữ trong 30 phút và làm lạnh tới 30oC.
Quá trình lên men được thực hiện trong một thùng lớn với thời gian dự đoán để lên men đường thành ethanol khoảng 36 giờ.
Men giống từ thùng sản xuất men giống (khoảng 10% tổng dịch đường) được cho vào thùng bổ sung 0,33g DAP/lít giấm chín để cung cấp dinh dưỡng cho nấm men hoạt động.
Bước 4 Chuẩn bị dịch lên men
Dịch đường thủy phân sau khi được làm nguội xuống 28-30oC, với dịch đường vào là 12,6%, pH= 4,5-5,2.
Một công việc hết sức quan trọng trong việc chuẩn bị dịch lên men cũng như dịch nhân giống trong sản xuất là bổ sung nguồn N và P vào dịch đường thủy phân. ở đay ta dùng diammoni photphat (DAP) để bổ sung đông thời cả 2 nguồn N và P. theo tín tốn hợp lý cần bổ sung 0,33g/ dịch đường.
Bước 5 Lên men dịch thủy phân trong 36 giờ
Bước 6 Chưng cất dịch sau lên men bằng tháp chưng cất để thu ethanol tinh sạch.
3.3 Tỉ lệ thành phần các nguyên liệu cho vào thiết bị lên men.