2.4.4.1 Khái niệm
Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử. Quá trình oxy hóa này lại xảy ra trong cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme, cho nên người ta gọi quá trình lên men là quá trình oxy hóa sinh học.
C6H12O62C2H5OH + 2CO2 + Q
Trong quá trình lên men, dịch đã đường hóa chuyển hóa thành bioethanol bởi xúc tác sinh học như men Saccharomyces cerevisiae hoặc vi khuẩn
Zymomonas. Saccharomyces cerevisiae và các loại men cùng họ có khả năng chuyển hóa nhiều loại đường như glucose, fructose, sucrose, galactose, maltose và maltotriose để tăng hiệu suất thu bioethanol [13].
Sự tạo thành bioethanol từ glucose phải trải qua nhiều giai đoạn, sơ đồ hình thành bioethanol từ glucose (Hình 2.11):
2.4.4.2 Các loại giống nấm men
Nấm men tiến hành lên men đường tạo thành ethanol. Lignocellulose được cấu tạo từ đường 5 và đường 6. Nấm men Saccharomyces cerevisiae có thể lên men đường 6 (glucose) hiệu quả nhưng vẫn chưa tìm được chủng nấm men thích hợp để lên men đường 5 (xylose).
Nấm men thích hợp cho quá trình lên men cần có một số tính chất sau: hiệu suất lên men cao; chịu được ethanol; 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:
+ Saccaromyces cerevisiae là loại nấm men được sử dụng phổ biến cho lên men glucose. S.cerevisiae có các ưu điểm như: chịu được nồng độ ethanol cao, ít sản phẩm phụ, tốc độ lên men cao trong môi trường acid, chịu được acid acetic. Tuy nhiên, nấm men này không có khả năng lên men đường 5 cụ thể là không thể lên men xylose.
+ Pichia stipitis: là 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 ethanol nồng độ cao.
Hình 2.12Giống nấm menPichia stiptis vàSaccharomyces cerevisiae.
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, chỉ nghiên cứu quá trình lên men đường 6 (hexose) nên chúng tôi chỉ sử dụng nấm menSaccharomyces cerevisiae.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
29
2.4.5 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời
Quá trình thủy phân và lên men đồng thời (còn gọi là quá trình đường hóa và lên men đồng thời) tiến hành cả thủy phân và lên men trong cùng một bước. So với quá trình thông thường (thủy phân rồi mới lên men), quá trình thủy phân và lên men đồng thời có nhiều ưu điểm:
Glucose tạo thành trong quá trình thủy phân được tiêu thụ ngay lập tức bởi nấm men vì vậy, lượng cellobiose và glucose tích tụ trong hệ thống là rất ít. Điều này sẽ giải quyết vấn đề ức chế enzyme nhờ đó tốc độ tạo glucose sẽ được tăng đáng kể, lượng enzyme cần dùng cũng nhỏ đi.
Số thiết bị cần cho quá trình thủy phân và lên men đồng thời cũng ít hơn số cần cho phương pháp truyền thống vì cả quá trình thủy phân và lên men được tiến hành trong cùng một thiết bị. Điều này giúp giảm vốn đầu tư. Việc ethanol tạo thành trong suốt quá trình sẽ làm giảm khả năng phát triển
của vi sinh vật khác cũng như tạp chất, rất có lợi cho các quy trình liên tục. Chính vì những ưu điểm trên mà quá trình thủy phân và lên men đồng thời được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới với các nguồn nguyên liệu khác nhau.
Bảng 2.4Các thông số vận hành và kết quả quá trình thủy phân và lên men đồng thời được thực hiện trên nhiều nước.
Biomass Nồng độglucose Nồng độcellulose Ethanol Thời gianlưu
g/l IFTU/g
cellulose Hiệu suất(%) g/l Ngày
Bột cellulose 100 - 62 35 3 Bột sulfate 100 - 48 27 3 Rác thải nhà máy bột giấy 70 - 56 22 1 Rơm lúa mì 51 28 49 14 1 Bã mía 50 28 53 15 1 Rơm lúa mì 75 7 66 28 4-7 [7]
Nhiệt độ tối ưu cho quá trình là 37-380C, nhiệt độ này là sự kết hợp của nhiệt độ tốt nhất cho quá trình thủy phân (45-500C) và nhiệt độ tốt nhất cho hoạt động của nấm men (300C).
Khi % bã rắn (cellulose) tăng, lượng ethanol tạo thành sẽ giảm. Mặc dù nồng độ đường luôn duy trì ở một mức thấp trong suốt quá trình, hiệu suất giảm là do khả năng khuếch tán của enzyme bị giảm và ethanol sẽ gây ức chế lên cả enzyme và nấm men.
CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
31
CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU