1/ Bản chất sinh hĩa của q trình lên men acid acid acetic
Lên men acid acetic là q trình oxy hĩa cồn thành acid acetic, nhờ vi khuẩn acetic, trong điều kiện hiếu khí.
Phương pháp tổng qt của q trình lên men là
Phản ứng này xảy ra trong tế bào của vi khuẩn. Muốn phản ứng được xảy ra, C2H5OH và O2 phải được thẩm thấu vào trong tế bào. Khi đĩ các enzym oxy hĩa cĩ trong tế bào của vi khuẩn tham gia oxy hĩa rượu tạo thành CH3COOH. CH3COOH được tạo thành sẽ thốt ra khỏi tế bào và tan trong dung dịch mơi trường.
Q trình chuyển hĩa rượu thành acid acetic
Trong tế bào của vi khuẩn, q trình oxy hĩa xảy ra rất phức tạp. Quá trình này xảy ra qua ba giai đoạn. Các giai đoạn đĩ được tĩm như sau:
C2H5OH + O2 CH3COOH +H2O + 117 kcal
C2H5OH
O2
CH3COOH CH3COOH
Mơi trường Tế bào Mơi trường
Phương trình tổng qt
Ngồi khả năng oxy hĩa cồn thành acid acetic, các vi khuẩn acetic cịn cĩ khả năng tham gia chuyển hĩa một loạt các rượu thành các acid tương ứng và các chất khác.
- Chuyển hĩa rượu thành propionic - Chuyển hĩa butanol thành acid butylic - Chuyển hĩa glyxetin thành dioxyaceton - Chuyển hĩa sorbic thành acid arabanic - Chuyển hĩa glucose thành acid glucosenic - Chuyển hĩa arabino thành acid arabanic - Chuyển hĩa acid lactic thành acid glucosenic
Điều nên lưu ý là, trong mơi trường lên men rượu, vi khuẩn acetic sẽ tham gia q trình oxy hĩa acid acetic thành CO2 và H2O để nhận năng lượng dùng cho q trình sinh trưởng và phát triển của mình.
Chính vì thế, sau khi lên men, bao giờ người ta cũng để lại một lượng cồn khoảng 0,3- 0,5% để vi khuẩn cĩ thể sử dụng acid acetic như một nguồn năng lượng.
2/ Các phương pháp lên men
Bản chất của quá trình lên men là lên men hiếu khí, vì thế phải tạo điều kiện tối đa để vi khuẩn tiếp xúc được với oxy và cồn.
Để giải quyết tốt vấn đề này, người ta đã đưa ra 4 phương pháp khác nhau: - Phương pháp lên men chậm
- Phương pháp lên men nhanh - Phương pháp lên men chìm - Phương pháp kết hợp
a) Phương pháp lên men chậm
Phương pháp này được người Pháp thực hiện từ lâu và được coi như là phương pháp truyền thống của người Pháp. Phương pháp được thực hiện như sau:
Người ta đĩng các thùng lên men bằng gỗ cĩ dung tích khoảng 250-300 lít bằng gỗ sồi hình tang trống (giống các thùng sản xuất bia và rượu vang).
Nguyên liệu dùng để sản xuất acid acetic là nho.
C2H5OH + O2 CH3COOH + H2O + 117 kcal
Giống vi khuẩn acid acetic là nước nho.
Giống vi khuẩn acetic được sử dụng cho quá trình sản xuất là Acetobacter orleaneuse. Người ta thường cho vào thùng gỗ 1/5 thể tích lượng dấm và sau đĩ cho vào thùng dung dịch nước ép nho sao cho tồn bộ khối lượng đạt ½ thể tích thùng lên men (hoặc 2/3 thể tích thùng lên men).
Tiến hành q trình lên men ở nhiệt độ thường. Trong thời gian lên men, trên bề mặt dịch cĩ một lớp váng trắng. Láp váng này là vi khuẩn acetic. Quá trình lên men kết thúc sau vài tuần, khi hàm lượng cồn trong dung dịch lên men cịn lại khoảng 0,2-0,3%V. Hàm lượng acid acetic sản xuất theo phương pháp này khi lên men là 5-6%. Hàm lượng acetic này rất thấp, rất cĩ khả năng bị oxy hĩa tiếp, làm giảm độ acid. Do đĩ, dấm sản xuất theo phương pháp này khi sản xuất xong phải mang đi thanh trùng hoặc tiêu thụ ngay.
Phương pháp lên men chậm chỉ sản xuất acid acetic dùng trong cơng nghệ thực phẩm: ưu điểm của phương pháp này là dễ thực hiện, sản phẩm của q trình lên men là dấm cĩ hàm lượng acid acetic thấp, cĩ mùi thơm đặc trưng rất thích hợp cho cơng nghệ thực phẩm.
Tuy nhiên, phương pháp này bộc lộ nhiều nhược điểm: - Thời gian lên men thường rất dài.
- Hàm lượng acid acetic thấp, thiết bị nhiều. - Năng suất thấp.
Phương pháp do người Đức thực hiện đã khắc phục nhiều khuyết điểm trên so với nguời Pháp.
Phương pháp được thực hiện như sau:
Người ta thiết kế thùng lên men rất lớn, hình trụ, thường cĩ kích thước như sau: - Chiều cao thùng 2,5 - 6m.
- Đường kính đáy của thùng 1,2 - 3m.
Tỷ lệ đường kính đáy so với chiều cao khoảng ½ là thích hợp nhất. Trong thùng được chất đầy phoi bào hay lõi ngơ ( bắp). Phoi bào hay lõi ngơ được xem là chất mang, giữ vi sinh vật trong q trình lên men, nhờ đĩ mà vi sinh vật khơng đi theo vào sản phẩm cuối cùng. Ngồi ra, ở đáy người ta cho lắp một hệ thống phân phối; khơng khí đưa từ dưới lên. Mơi trường được đưa vào thiết bị từ trên xuống.
Quá trình vận hành được thực hiện như sau: đầu tiên, người ta dùng acid acetic cĩ nồng độ 3 - 5% chảy qua lớp phoi bào hay lõi bắp để vừa cĩ mục đích thanh trùng vừa cĩ tác dụng acid hĩa vật liệu mang để vi sinh vật giống cĩ thể thích nghi trong q trình lên men. Sau đĩ dùng nước vơ trùng rửa và nạp giống vào. Vi khuẩn sẽ bám vào phoi bào hay lõi bắp. Tiếp đĩ người ta cho dịng mơi trường từ trên xuống qua hệ thống phân phối như một vịi hoa sen trong buồng tắm. Mơi trường sẽ được phân phối đều khắp vật liệu phoi bào hay lõi bắp. Cùng lúc, người ta thổi khí từ dưới lên. Mơi trường được dùng cho q trình lên men thường cĩ thành phần như sau:
Rượu khan 100 lít
Glucose 500 g
Sulfatamon 25g Carbonate kali 0,9g Hoặc mơi trường sau:
Rượu khan 100 lít Glucose 700g Diphotphat amon 125g Diphotphat kali 50g Sulphatmagie 20g
Mơi trường được đưa từ trên xuống, chảy qua lớp chất mang cĩ chứa các tế bào vi khuẩn. Cồn sẽ thấm vào tế bào vi khuẩn, khơng khí được đưa từ dưới đáy thiết bị lên trên, thẩm thấu vào trong tế bào vi khuẩn. Vi khuẩn tiến hành quá trình oxy hĩa rượu thành acid acetic sẽ thấm qua màng tế bào ra ngồi và theo dung dịch xuống đáy thiết bị lên men.
Quá trình lên men được thực hiện ở nhiệt độ 24 - 37oC. Thời gian lên men tiến hành kéo dài khoảng 8 - 10 ngày. Trong trường hợp dịch lên men cuối cùng chứa lượng acid thấp người ta tiến hành tái lên men bằng cách bơm chúng ngược lại từ trên xuống.
Phương pháp này cĩ một số ưu điểm sau: - Thời gian lên men nhanh.
- Thiết bị đơn giản và khơng cần nhiều thiết bị cho q trình lên men. - Hàm lượng acid acetic cao ( thường đạt từ 10 - 11%).
Tuy nhiên, vì thổi khí từ dưới lên nên xảy ra quá trình làm mất C2H5OH hoặc CH3COOH.
Phương pháp nhúng:
Người ta thiết kế thùng lên men hình trụ, bên trong lắp nhiều giỏ chứa đầy chất mang (mạt cưa, lõi bắp, than củi hay các vật liệu cellulose cĩ khả năng giữ vi khuẩn trên đĩ). Các giỏ này cĩ thể nâng lên hoặc hạ xuống được.
Người ta chuẩn bị mơi trường và đổ mơi trường vào thùng lên men. Vi sinh vật sẽ được làm bám dính vào các vật liệu chứa đựng trong giỏ. Giỏ chứa vật liệu cĩ vi sinh vật sẽ được nhúng xuống dung dịch lên men rồi lại nhấc lên khỏi dung dịch. Khi chiếc giỏ chứa chất mang cĩ vi sinh vật thấm đầy mơi trường và được nhấc lên khơng khí, q trình oxy hĩa rượu được xảy ra. Thao tác này được lặp đi lặp lại nhiều lần sẽ cĩ tác dụng oxy hĩa hết lượng cồn cĩ trong dung dịch.
Ưu điểm của phương pháp này là dễ thực hiện, thiết bị đơn giản, lên men nhanh. Nhưng phương pháp này cĩ nhược điểm là năng suất thấp, rất dễ bị nhiễm vi sinh vật lạ.
Phương pháp hình trống quay:
Người ta thiết kế thiết bị lên men cĩ hình trụ nằm ngang bên trong cĩ một thùng chứa dung dịch lên men hở nắp. Thiết bị hình trụ này được bọc một lớp vật liệu cĩ khả năng thấm nước và cĩ khả năng giữ vi sinh vật. Một nửa thiết bị này nằm trong lịng dung dịch lên men, một nửa nằm trên dung dịch lên men và được tiếp xúc với khơng khí. Khi vận hành, một nửa thiết bị luơn luơn được tiếp xúc với khơng khí. Nguời ta thiết kế hệ thống quay này với vận tốc rất chậm để đủ thời gian cho quá trình oxy hĩa cồn thành acid acetic.
Phương pháp này cĩ ưu điểm là đơn giản, dễ vận hành, nhưng nhược điểm lớn nhất là thời gian lên men thường kéo dài và hiệu suất oxy hĩa khơng cao.
b) Phương pháp lên men chìm:
Người ta thiết kế hệ thống lên men acid acetic được gọi là acetator. Người ta cho dung dịch lên men vào thiết bị và tiến hành thổi khí rất mạnh. Khi đĩ trong dung dịch lên men sẽ tạo ra thể huyền phù và dung dịch lên men. Hai thể này lươn luơn được trộn lẫn nhau và như vậy, quá trình oxy hĩa xảy ra rất mạnh mẽ. Phương pháp này cĩ ưu điểm là hiệu suất chuyển hĩa cĩ khi đạt được 98-99%.
c) Phương pháp kết hợp
Người ta thiết kế hệ thống lên men bao gồm hai phần: phần trên là lớp đệm hay lớp chất mang chứa vi sinh vật (giống phương pháp nhanh), lớp giữa chỉ là một thùng chứa dung dịch sau khi lên men ở phần trên chảy xuống. Dưới cùng là hệ thống thổi khí mạnh; khí sẽ được thổi qua phần dung dịch này rồi chuyển ngược lên phần trên ( giống thiết bị lên men chìm).
Phương pháp kết hợp cĩ rất nhiều ưu điểm, trong đĩ ưu điểm lớn nhất là hiệu suất lên men rất cao, nồng độ acid acetic thu nhận được thường nằm trong khoảng 10 - 12%.