6
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN THỊ HƯƠNG
NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VÀ ỨNG DỤNG TRONG LÊN
MEN ETANOL TỪ RỈ ĐƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LIÊN TỤC
LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Hà Nội – Năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN THỊ HƯƠNG
NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VÀ ỨNG DỤNG TRONG LÊN
MEN ETANOL TỪ RỈ ĐƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LIÊN TỤC
Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
Mã số:
62540101
LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS. TS. Hoàng Đình Hòa
2.
TS. Đặng Hồng Ánh
Hà Nội – Năm 2014
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Những kết quả trình bày trong luận án
này chưa được một tác giả nào khác công bố
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Thị Hương
1
LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy, Cô giáo hướng dẫn khoa học là GS. Hoàng
Đình Hòa và TS. Đặng Hồng Ánh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ và động viên em trong suốt
thời gian thực hiện luận án.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới Quý Thầy, Cô giáo và các anh chị, em trong Bộ môn Công
nghệ sinh học của Viện Công nghệ sinh học và Thực phẩm – Trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội cũng như Bộ môn Vi sinh, Bộ môn Công nghệ đồ uống – của Viện Công nghiệp thực
phẩm – 301 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội đã hết sức giúp đỡ và hướng dẫn, chỉ bảo
trong suốt thời gian em thực hiện luận án.
Em cũng xin cảm ơn các anh chị, em trong Phòng Đào tạo Đại học của Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã luôn ủng hộ tinh thần và giúp đỡ trong công việc tại phòng để em có thể
hoàn thành luận án đúng hạn.
Em cũng xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình, những người bạn đã động
viên và khích lệ cho em có được sự chuyên tâm và động lực phấn đấu thực hiện lụân án này.
Việc hoàn thành luận án và được trở thành một tiến sĩ, đó không chỉ là mơ ước của cá nhân tôi
mà nó còn là sự mong chờ, là niềm tự hào to lớn của dòng họ tôi.
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Thị Hương
2
MỤC LỤC
NỘI DUNG
Trang
Lời cam đoan
1
Lời cảm ơn
2
Danh mục các chữ viết tắt
6
Danh mục các bảng
7
Danh mục các hình
10
MỞ ĐẦU
12
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
15
1.1. Một số nét chấm phá về cồn etylic
15
1.1.1. Định nghĩa
15
1.1.2.Sơ đồ quy trình sản xuất etylic từ rỉ đường
16
1.1.3.Yêu cầu chất lượng và các vấn đề về nấm men trong sản xuất cồn etylic
17
1.1.4. Rỉ đường dùng để sản xuất cồn etylic.
19
1.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ cồn trên thế giới và Việt Nam
22
1.3. Vấn đề cố định nấm men trên giá thể và các phương pháp cố định
24
1.3.1. Định nghĩa về cố định tế bào
24
1.3.2. Các phương pháp cố định tế bào nấm men
25
1.3.3. Các kỹ thuật cố định tế bào
28
1.3.4. Chất mang alginate
31
1.3.5. Một số chất mang khác
39
1.4. Các phương pháp lên men và một số yếu tố ảnh hưởng đến qúa trình lên
43
men
1.4.1. Phương pháp lên men gián đoạn
43
1.4.2. Phương pháp lên men bán liên tục
43
1.4.3. Phương pháp lên men liên tục
43
1.5. Tình hình nghiên cứu về công nghệ sản xuất cồn trên thế giới và ở
46
Việt nam
1.5.1.Tình hình nghiên cứu về công nghệ sản xuất cồn trên thế giới
46
1.5.2. Tình hình nghiên cứu về công nghệ sản xuất cồn ở Việt nam
49
CHƯƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
52
2.1. Nguyên liệu
52
2.1.1. Chủng vi sinh vật
52
2.1.2. Rỉ đường
52
2.1.3. Hóa chất
52
3
2.1.4. Môi trường nuôi cấy
52
53
2.2.Thiết bị và phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Thiết bị
53
2.2.2. Phương pháp nghiên cứu
53
2.2.3. Phân tích
56
2.2.3.1. Quan sát trạng thái nấm men
56
2.2.3.2. Xác định tế bào nấm men nhờ buồng đếm Thomas
56
2.2.3.3. Xác định lượng tế bào sống
56
2.2.3.4. Xác định số lượng tế bào sống, chết
57
2.2.3.5. Xác định pH
57
2.2.3.6. Xác định hàm lượng chất khô
57
2.2.3.7. Xác định nồng độ cồn
57
2.2.3.8. Xác định mật độ tế bào nấm men bằng máy so màu
58
2.2.3.9. Xác định lượng vi khuẩn hiếu khí có trong dịch lên men
58
2.2.3.10. Phân tích đường khử theo phương pháp Graxianop
58
2.2.3.11. Xác định đường khử theo Nelson-Somogi
58
2.2.3.12. Phương pháp xác định tổng lượng chất keo trong rỉ đường
58
2.2.3.13. Phương pháp xác định lực đệm của rỉ đường
58
2.2.3.14. Phương pháp xử lý rỉ đường
59
2.2.3.15. Tính hiệu suất lên men
59
2.2.3.16. Tính tốc độ pha loãng và sản lượng cồn
59
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
61
3.1. Nghiên cứu tuyển chọn chủng nấm men có khả năng lên men bằng
61
phương pháp cố định tế bào trên môi trường rỉ đường để đạt hiệu suất lên
men cao
3.1.1. Nghiên cứu lựa chọn nguồn nguyên liệu rỉ đường
61
3.1.2. Nghiên cứu tuyển chọn chủng nấm men có khả năng lên men trên môi
62
trường rỉ đường
3.1.3. Nghiên cứu điều kiện nuôi cấy tối ưu để thu sinh khối nấm men cho việc
65
cố định tế bào
3. 2. Nghiên cứu quy trình công nghệ cố định tế bào
71
3.2.1. Nghiên cứu lựa chọn loại chất mang
71
3.2.2. Nghiên cứu thông số công nghệ cố định tế bào
73
4
3.3. Nghiên cứu công nghệ lên men ethanol nhờ tế bào cố định trên môi
80
trường rỉ đường
3.3.1. Lựa chọn nồng độ cơ chất ban đầu
80
3.3.2. Lựa chọn tỷ lệ giữa hạt tế bào cố định và cơ chất thích hợp cho quá trình
82
lên men
3.3.3. Xác định các điều kiện lên men nhờ tế bào cố định
84
3.3.4. Đánh giá hoạt lực lên men của tế bào cố định theo thời gian lên men
86
3.4. Xây dựng quy trình lên men ethanol từ rỉ đường theo phương pháp lên
88
men liên tục nhờ tế bào cố định
3.4.1. Lựa chọn phương pháp lên men liên tục
88
3.4.2. Xác định tốc độ pha loãng của quá trình lên men liên tục
91
3.4.3. Nghiên cứu ổn định các thông số động học của quá quá trình lên men liên
93
tục
3.5. Nghiên cứu xử lý hạt tế bào nấm men để giữ hoạt lực lên men cho quá
95
trình lên men liên tục
3.5 1. Xác định thời điểm cần hoạt hóa
95
3.5.2. Nghiên cứu dung dịch rửa hạt tế bào nấm men
96
3.5.3. Nghiên cứu bổ sung một số cơ chất dinh dưỡng vào dịch hoạt hóa nấm
98
men
3.5.4. Nghiên cứu phương pháp hoạt hóa hạt tế bào
3.6. Xây dựng mô hình và sản xuất thử nghiệm cồn etylic ở qui mô pilot
3.6.1. Nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống thiết bị lên men liên tục nhờ tế bào
106
107
107
cố định thích hợp cho quy mô sản xuất 500lit ethanol/ngày
3.6.2. Xây dựng mô hình và sản xuất thực nghiệm cồn etylic bằng phương pháp
108
lên men liên tục nhờ cố định tế bào trên mô hình thiết bị
3.6.3. Đánh giá hiệu quả kinh tế
115
3.6.4. Quy trình công nghệ lên men ethanol từ rỉ đường bằng phương pháp cố
117
định tế bào trong hệ thống lên men liên tục
Kết luận
120
Danh mục các công trình đã công bố
123
Tài liệu tham khảo
124
5
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1.
0
Bx: Độ Brix
2. EDTA: Ethylen diamin tetraacetic acid
3. SEM: Scanning electron microscope: Kính hiển vi điện tử quét
4. M/G: Tỷ lệ D-manuronic acid/L-guluronic acid của chế phẩm alginate
6
DANH MỤC CÁC BẢNG
NỘI DUNG
Trang
Bảng 1.1. Sản xuất ethanol trên thế giới
23
Bảng 1.2. Tiêu thụ ethanol cho nhiên liệu của thế giới
23
Bảng 1.3.ứng dụng của nấm men cố định
30
Bảng 1.4. Năng suất sinh cồn trong quá trình lên men dịch nho
49
Bảng 2.1. Môi trường nhân giống sinh khối, lên men, môi trường hoạt hoá tế bào
52
cố định trong hạt gel
Bảng 3.1. Thành phần hoá học và mức độ nhiễm tạp vi sinh vật của 4 loại rỉ
62
đường
Bảng 3.2. Khả năng lên men của các chủng nấm men
63
Bảng 3.3. Năng lực lên men của các chủng nấm men trong điều kiện cố định tế
64
bào.
Bảng 3.4. Sự sinh trưởng của chủng CNTP 7028 trên các nguồn ni tơ khác nhau
66
Bảng 3.5. ảnh hưởng của các loại chất mang đến quá trình lên men
72
Bảng 3.6. ảnh hưởng của chất mang đến khả năng lên men
72
Bảng 3.7. ảnh hưởng của nồng độ Na- Alginate đến quá trình lên men
73
Bảng 3.8. ảnh hưởng của nồng độ Na- Alginate đến các chỉ tiêu của dịch sau lên
74
men
Bảng 3.9. ảnh hưởng của nồng độ dung dịch tạo gel đến quá trình lên men
75
Bảng 3.10. ảnh hưởng của nồng độ dung dịch tạo gel đến các chỉ tiêu dịch sau lên
75
men
Bảng 3.11. ảnh hưởng của tỷ lệ giống nấm men đến quá trình lên men
76
Bảng 3.12. ảnh hưởng của tỷ lệ giống nấm men đưa vào dung dịch chất mang đến
77
chỉ tiêu của dịch sau lên men
Bảng 3.13. ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy tạo hạt tế bào cố định đến quá trình
78
lên men
Bảng 3.14. ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy tạo hạt tế bào cố định đến chỉ tiêu
78
của dịch sau lên men
Bảng 3.15. ảnh hưởng của kích thứoc hạt đến quá trình lên men
79
Bảng 3.16. ảnh hưởng của kích thước hạt đến thàh phần dịch sau lên men
79
Bảng 3.17. ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến quá trình lên men
81
Bảng 3.18. ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến chỉ tiêu của dịch sau lên men
81
Bảng 3.19. ảnh hưởng của tỷ lệ hạt tế bào cố định so với dịch khi lên men
83
7
Bảng 3.20. ảnh hưởng của tỷ lệ hạt tế bào cố định đến chỉ tiêu của dịch sau lên
83
men.
Bảng 3.21. ảnh hưởng của pH đến quá trình lên men
84
Bảng 3.22. ảnh hưởng của ph đến chỉ tiêu của dịch sau lên men
84
Bảng 3.23. ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình lên men
85
Bảng 3.24. ảnh hưởng của nhiệt độ đến chỉ tiêu của dịch sau lên men
86
Bảng 3.25. Lượng CO2 tạo thành theo các lần tái sử dụng tế bào nấm men cố
87
định
Bảng 3.26. Các chỉ tiêu dịch sau lên men theo các lần tái sử dụng hạt tế bào nấm
87
men cố định.
Bảng 3.27. Khả năng lên men của tế bào cố định trong quá trình lên men liên tục
88
(tỷ lệ giữa hạt tế bào cố định: thể tích dịch lên men là 30% w/v)
Bảng 3.28. Khả năng lên men của tế bào cố định trong quá trình lên men liên tục
89
(tỷ lệ giữa hạt tế bào cố định: thể tích dịch lên men là 40% w/v)
Bảng 3.29. Khả năng lên men của tế bào cố định trong quá trình lên men liên tục
89
(tỷ lệ giữa hạt tế bào cố định: thể tích dịch lên men là 50% w/v)
Bảng 3.30. Khả năng lên men của tế bào nấm men cố định trong quá trình lên
90
men liên tục
Bảng 3.31. Khả năng lên men của tế bào nấm men cố định trong quá trình lên
92
men liên tục
Bảng 3.32. ảnh hưởng của thời điểm hoạt hoá đến khả năng lên men của hạt tế
96
bào nấm men cố định
Bảng 3.33. ảnh hưởng của dung dịch rửa hạt đến quá trình lên men trong hệ thống
97
lên men liên tục
Bảng 3.34. ảnh hưởng của nguồn ni tơ trong dịch hoạt hoá đến khả năng lên men
98
của hạt tế bào nấm men cố định.
Bảng 3.35. ảnh hưởng của nguồn ni tơ bổ sung vào dịch hoạt hoá đển tốc độ sinh
100
CO2 trong bình engol của hạt tế bào nấm men cố định
Bảng 3.36. ảnh hưởng của nồng độ ure đến khả năng lên men của hạt tế bào nấm
100
men cố định
Bảng 3.37. ảnh hưởng của nồng độ ure trong dịch hoạt hoá đến khả năng lên men
101
Bảng 3.38. ảnh hưởng của nguồn phot pho trong dịch hoạt hoá đến khả năng lên
102
men của hạt tế bào nấm men
Bảng 3.39. ảnh hưởng của nguồn phot pho bổ sung vào dịch hoạt hoá đến tốc độ
sinh CO2 trong bình engol của hạt tế bào nấm men
8
104
Bảng 3.40. ảnh hưởng của nồng độ KH2PO4 đến khả năng lên men của hạt tế bào
103
nấm men cố định
Bảng 3.41. ảnh hưởng của nồng độ KH2PO4 đến tốc độ sinh CO2 trong bình engol
104
của hạt tế bào nấm men cố định
Bảng 3.42. ảnh hưởng của phương pháp hoạt hoá tới tốc độ sinh CO2 trong bình
105
engol của hạt tế bào nấm men cố định
Bảng 3.43. ảnh hưởng của phương pháp hoạt hoá tới quá trình lên men của hạt tế
106
bào nấm men cố định
Bảng 3.44. Danh mục thiết bị trong mô hình thiết bị lên men liên tục qui mô 500
108
lit ethanol/ngày
Bảng 3.45. Kết quả theo dõi quá trình lên men liên tục trong hệ thống thiết bị
110
1200 lít (mẻ 1)
Bảng 3.46. Kết quả theo dõi quá trình lên men liên tục trong hệ thống thiết bị
111
1200 lít (mẻ 2)
Bảng 3.47. Kết quả theo dõi quá trình lên men liên tục trong hệ thống thiết bị
112
1200 lít (mẻ 3)
Bảng 3.48. Kết quả phân tích một số thành phần của cồn được sản xuất từ rỉ
114
đường theo quy trình công nghệ lên men liên tục nhờ cố định tế bào
Bảng 3.49. Đánh giá hiệu quả kinh tế của hai phương pháp lên men
9
115
DANH MỤC CÁC HÌNH
NỘI DUNG
Trang
Hình 1.1.Quy trình sản xuất cồn từ rỉ đường
16
Hình 1.2. Hình ảnh nấm men lên men rượu
17
Hình 1.3. Hình ảnh rỉ đường mía Việt Nam
20
Hình 1.4. Các kỹ thuật cố định tế bào vi sinh vật
29
Hình 1.5. Cơ chế tạo gel của alginate
31
Hình 1.6: Cấu trúc của alginate
33
Hình 1.7. Mô hình tạo gel dạng vi trứng của alginate canxi
35
Hình 1.8. Sự liên kết của ion Ca2+ với các gốc guluronic
35
Hình 1.9. Quy trình tạo hạt gel ca-alginate
38
Hình 1.10: Cấu trúc của xanthan gum
40
Hình 1.11: Cấu trúc của carrageenan
41
Hình 2.1. Sơ đồ tạo hạt tế bào cố định
54
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí hệ thống lên men liên tục
55
Hình 2.3. Bộ cất cồn ở phòng thí nghiệm
58
Hình 3.1. ảnh hưởng của nồng độ glucoza tới khả năng tạo sinh khối của
65
chủng CNTP7028
Hình 3.2. ảnh hưởng của nồng độ (NH4)2SO4 đến khả năng tạo sinh khối của
66
chủng CNTP 7028
Hình 3.3. ảnh hưởng của nồng độ MgSO4 .7H2O đến khả năng tạo sinh khối
67
của chủng CNTP 7028
Hình 3.4. ảnh hưởng của nồng độ cao nấm men tới sư sinh trưởng của chủng
67
CNTP7028
Hình 3.5. ảnh hưởng của nồng độ K2HPO4 tới khả năng tạo sinh khối của
68
chủng CNTP 7028
Hình 3.6. ảnh hưởng của tốc độ lắc đến khả năng tạo sinh khối của chủng
69
CNTP7028
Hình 3.7. Động học của quá trình sinh trưởng của chủng CNTP 7028
69
Hình 3.8. ảnh hưởng của tốc độ ly tâm đến khối lượng sinh khối thu được
70
Hình 3.9. ảnh hưởng của số lần rửa tới mức độ sạch của sinh khối
71
Hình 3.10. ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến khả năng tạo cồn và hiệu suất
91
lên men của tế bào cố định trong hệ thống lên men liên tục
Hình 3.11. ảnh hưởng của tốc độ pha loãng đến sản lượng cồn thu được trong
10
93
hệ thống lên men liên tục
Hình 3.12. Nồng độ cồn thu đựoc trong hệ thống lên men liên tục theo thời
93
gian lên men
Hình 3.13. Hình ảnh tế bào nấm men trong hạt gel canxi alginate trong một
94
chu kỳ lên men
Hình 3.14. Sự phát triển của tế bào nấm men Sacchromyces cerevisiae CNTP
95
7028 trong hạt gel đựơc chụp trên kính hiển vi điện tử quét
Hình 3.15. Thời gian sinh CO2 đẩy hết 5ml dịch trong bình engol sau khi
98
dùng dung dịch rửa hạt tế bào nấm men cố định
Hình 3.16. Động học của quá trình lên men liên tục trên hệ thống lên men
113
liên tục 1200 lít
Hình 3.17. Qúa trình lên men ethanol từ rỉ đường bằng phương pháp lên men
liên tục nhờ cố định tế bào trong gel ca-alginate
11
117
MỞ ĐẦU
Ethanol (rượu cồn) chiếm một vị trí khá quan trọng trong công nghiệp thực phẩm nói
riêng và các ngành kinh tế nói chung. Ngoài công dụng làm đồ uống, ethanol còn được dùng
làm nguyên liệu cho một số ngành công nghiệp khác như: làm dung môi hữu cơ, nhiên liệu,
dùng trong y tế, trong mỹ phẩm pha nước hoa, trong dược phẩm để trích ly các hoạt chất sinh
học, sản xuất axit axetic và giấm ăn, sản xuất các loại este có mùi thơm, trong cao su tổng hợp
và nhiều hợp chất khác v.v… Đặc biệt trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày
càng cạn kiệt thì ethanol được coi như nguồn nhiên liệu sinh học thay thế đầy hứa hẹn.
Việt Nam nằm ở vùng khí hậu nhiệt đới, thích hợp cho việc trồng mía tạo thuận lợi
cho công nghiệp mía đường phát triển. Cùng với sản phẩm chính là đường kính, hàng năm các
nhà máy đường thải ra khoảng 600.000 - 700.000 tấn rỉ đường [17]. Đây là nguồn nguyên liệu
dồi dào để cung cấp cho ngành công nghiệp lên men, đặc biệt là công nghiệp sản xuất rượu
cồn. Theo báo cáo công tác tháng 9 năm 2013 của Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn
ngày 04/10/2013 số 3580/BC-BNN-VP thì tổng diện tích cây công nghiệp ngắn ngày tính đến
trung tuần tháng 9 đạt 565,5 ngàn ha, bằng 97,3% so với cùng kỳ năm trước và trong đó mía
đạt gần 174,3 ngàn ha, tăng 2,8% [1].
Tại Việt Nam việc sản xuất cồn chủ yếu tập trung ở một số nhà máy lớn như Công ty
cổ phần cồn rượu Hà Nội, công ty cổ phần rượu Bình Tây, công ty cổ phần rượu Đồng
Xuân...mà đi từ nguồn nguyên liệu là tinh bột. Công nghệ áp dụng vẫn chủ yếu là công nghệ
lên men gián đoạn hoặc bán liên tục, sản phẩm tạo ra chủ yếu mới chỉ đáp ứng được nhu cầu
của thị trường đồ uống. Ngoài ra còn có một số nhà máy sản xuất cồn của các công ty Mía
Đường như công ty Mía Đường Lam Sơn... đã tận dụng nguyên liệu mật rỉ để sản xuất cồn.
Với công nghệ hiện nay thì năng suất sản xuất cồn vẫn còn hạn chế do vậy sản lượng cồn tạo
ra chưa thể đủ cho việc chuyển đổi thành cồn nhiên liệu mà mới chủ yếu được sử dụng cho thị
trường đồ uống.
Một trong các chiến lược cải tiến quá trình lên men ethanol là áp dụng kỹ thuật cố
định tế bào để thu được quá trình lên men có năng suất và hiệu suất cao. Trong số các chất
mang trong kỹ thuật cố định tế bào ứng dụng trong lên men ethanol thì ca-alginate được sử
dụng rộng rãi nhất do gel có độ xốp cao cho phép cơ chất và sản phẩm lên men đi vào, đi ra
được dễ dàng tạo thuận lợi cho việc trao đổi chất. Sự khuếch tán của glucoza và ethanol vào
và ra khỏi mạng lưới gel rất cao khoảng 90% so với trong nước và do tính tương thích sinh
học rất tốt cho phép các tế bào sống duy trì hoạt động sống của mình khi cố định trên mạng
lưới gel, không độc, không gây ức chế hoạt động sống của tế bào. Theo Nedovic và cộng sự
12
(2005) cho rằng có hơn 80% các nghiên cứu trên thế giới về cố định tế bào đã sử dụng chất
mang alginate [97].
Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu đề cập đến việc sử dụng các tế bào cố định để lên
men sản xuất các loại đồ uống nói chung và rượu cồn nói riêng [9], [10], [21]. Tuy nhiên ở Việt
Nam hiện nay việc áp dụng công nghệ cố định tế bào mới chủ yếu ở mức độ phòng thí nghiệm
mang tính khảo sát ban đầu và thực hiện trên các sản phẩm lên men khác như bia, rượu vang... đặc
biệt nó chưa được nghiên cứu trên đối tượng lên men cồn từ rỉ đường. Việc kết hợp giữa cố định tế
bào và quá trình lên men liên tục trong sản xuất cồn là hướng đi mới, có nhiều triển vọng và áp
dụng vào thực tiễn sản xuất để giúp nâng cao năng suất và giảm chi phí sản xuất cồn từ rỉ đường.
Với những ý nghĩa đó chúng tôi đã thực hiện đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu cố định tế bào
và ứng dụng trong lên men etanol từ rỉ đường bằng phương pháp liên tục”.
Mục tiêu cần đạt của đề tài là:
1. Xác định được công nghệ thích hợp tạo giá thể để cố định tế bào nấm men và các
điều kiện thích hợp lên men dịch rỉ đường bằng nấm men cố định.
2. Xác định được các thông số công nghệ cơ bản của quá trình lên men liên tục, sử
dụng nấm men cố định.
3. Xây dựng mô hình và sản xuất thử nghiệm cồn etylic bằng phương pháp lên men
liên tục nhờ tế bào cố định trên mô hình thiết bị.
Để đạt được các mục tiêu trên, đề tài cần nghiên cứu các nội dung:
1. Nghiên cứu tuyển chọn chủng nấm men có khả năng lên men bằng phương pháp cố
định tế bào trên môi trường rỉ đường để đạt hiệu suất lên men cao
- Tuyển chọn chủng nấm men có khả năng lên men tốt trên môi trường rỉ đường từ các
chủng nấm men có trong sưu tập giống công nghiệp của Viện CNTP.
- Tuyển chọn chủng nấm men có khả năng lên men tốt trong điều kiện bị nhốt trong
lớp chất mang từ các chủng đã được chọn ở trên.
- Lựa chọn nguồn nguyên liệu rỉ đường.
2. Nghiên cứu quy trình công nghệ cố định tế bào
- Khảo sát ảnh hưởng của một số loại chất mang đến quá trình cố định tế bào.
- Nghiên cứu phối hợp sử dụng các chất mang khác nhau để đạt hiệu quả cố định và
lên men tốt.
- Lựa chọn nồng độ chất mang.
- Nồng độ dung dịch tạo gel cho độ bền cơ học của hạt tế bào cố định cao.
- Lựa chọn tỷ lệ giống thích hợp trong chất mang cho khả năng giữ tế bào và độ bền
cơ học cao nhất.
- Lựa chọn tốc độ dòng chảy tạo hạt tế bào cố định .
13
3. Nghiên cứu công nghệ lên men ethanol nhờ tế bào cố định trên môi trường rỉ đường
- Xác định nồng độ cơ chất ban đầu và nồng độ các chất vi lượng bổ sung.
- Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ hạt tế bào cố định và cơ chất thích hợp cho quá trình lên
men.
- Xác định các điều kiện lên men nhờ tế bào cố định cho nồng độ ethanol cao ( nhiệt
độ, pH, ...)
- Đánh giá hoạt lực lên men của tế bào cố định theo thời gian lên men.
- Xác định thời điểm cần hoạt hoá để kéo dài hoạt lực của tế bào cố định.
- Nghiên cứu bổ sung một số cơ chất để nâng cao khả năng sống và duy trì hoạt tính
lên men của tế bào cố định.
- Nghiên cứu bổ sung oxy hoà tan để nâng cao khả năng sống và duy trì hoạt tính lên
men của các tế bào cố định.
4. Xây dựng quy trình lên men ethanol từ rỉ đường theo phương pháp lên men liên tục nhờ
tế bào cố định
- Lựa chọn phương pháp lên men thích hợp.
- Xác định tốc độ pha loãng của quá trình lên men liên tục.
- Nghiên cứu độ ổn định các thông số động học của quá trình lên men liên tục theo thời
gian lên men.
5. Nghiên cứu xử lý hạt tế bào nấm men để giữ hoạt lực lên men cho quá trình lên men
liên tục
- Xác định thời điểm cần hoạt hoá.
- Nghiên cứu dung dịch rửa hạt tế bào nấm men.
- Nghiên cứu bổ sung một số cơ chất dinh dưỡng vào dịch hoạt hoá nấm men.
6. Xây dựng mô hình và sản xuất thử nghiệm cồn etylic ở qui mô pilot
- Nghiên cứu mô hình hệ thống thiết bị lên men liên tục nhờ tế bào cố định thích hợp
cho quy mô sản xuất 500 lít ethanol/ngày.
- Thử nghiệm lên men liên tục ở qui mô pilot .
- Đánh giá hiệu quả kinh tế.
14
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Một số nét chấm phá về cồn etylic
1.1.1. Định nghĩa ethanol
Ethanol là chất lỏng trong suốt, có công thức phân tử là C2H5OH, phân tử gam
46,07g/mol, khối lượng riêng (0,789g/cm3 ), điểm sôi (78.4 0C), điểm bắt lửa ( 13 0C),
nhiệt độ tự cháy (4250C) [17]. Ethanol tan vô hạn trong nước, tan trong ete và
clorofom, hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa màu xanh da trời. Sở
dĩ rượu ethanol tan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay
aldehyd có khối lượng phân tử xấp xỉ là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân
tử ethanol với nhau và với nước.
1.1.2. Sơ đồ quy trình sản xuất cồn etylic từ rỉ đường
15
Rỉ đường (chất khô :80-85%)
chs
Pha loãng (đến chất khô 53-54%)
Axit hóa hoặc gia nhiệt
Xử lý rỉ đường (loại bỏ chất keo, diệt
vi sinh vật)
Tách cặn
Cặn
Rỉ đường sạch cặn
Pha loãng đến nồng độ
nhân men giống (1215% chất khô)
Pha loãng đến nồng độ lên
men (24-25% chất khô)
Nhân men giống
Lên men
Chưng cất
Bã rượu
Cồn thô (26-28%v)
Xử lý cồn thô
Tinh luyện cồn thô
Cồn etylic>=96%v
Hình 1.1. Quy trình sản xuất cồn etylic từ rỉ đường
16
Tách aldehyd, tách
dầu khét (rượu bậc
cao +ester)
1.1.3. Yêu cầu chất lượng và các vấn đề về nấm men trong sản xuất cồn etylic
- Chủng nấm men thường dùng trong sản xuất rượu cồn là Saccharomyces cerevisiae
thuộc họ Endomycetacea hay Ascomyces.
- Nấm men có nhiều hình dáng khác nhau: hình cầu, hình oval, hình tròn, hình trứng...
các tế bào bình thường ở dạng hình cầu, hình trứng hoặc hình oval. Hình dáng tế bào có thể
thay đổi tuỳ loài, điều kiện nuôi cấy và tuổi của nấm men. Cấu tạo tế bào nấm men [17]
Hình 1.2. a.
Hình 1.2.b
Hình 1.2.c
Hình 1.2.d
Hình 1.2. Hình ảnh nấm men lên men rượu (Saccharomyces cerevisiae)
17
- Kích thước tế bào nấm men cũng khác nhau và phụ thuộc vào điều kiện nuôi cấy, dao
động trong khoảng 2,5-10 m chiều rộng và 5-50 m chiều dài. Tế bào có hình dạng hình
oval là chủ yếu ( Hình 1.2.a) nên đễ cố định trong chất mang. Ngoài ra nó thuộc tế bào
eucariote ( Hình 1.2.b) tế bào nhân thực hay có nhân, nhân được bao bọc bởi màng nhân nên
tính ổn định đặc tính di truyền trong thời gian dài thực hiện lên men liên tục bằng có định tế
bào hiệu quả hơn. Sinh sản bằng phương pháp nẩy chồi trong thời gian 90-120 phút để tạo
thành tế bào mới. Tế bào mới có thể dính vào tế bào mẹ hay tách khỏi tế bào mẹ ( Hình 1.2.b;
1.2.c và 1.2.d ).
- Có hoạt tính tạo cồn cao.
- Nấm men dùng trong sản xuất cồn etylic ngoài khả năng biến đường thành rượu và khí
CO2 còn có khả năng lên men các đường nhanh và càng triệt để càng tốt. Chịu được sự biến
đổi của môi trường trong điều kiện nhiệt độ, pH, nồng độ đường, đặc biệt chịu được nồng độ
ethanol cao.
* Đặc điểm của quá trình lên men ethanol
- Dịch đường lên men đục.
- Nhiều cặn lơ lửng - ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
- Lên men ở nhiệt độ cao.
Sau một chu kỳ lên men thì nấm men ít kết lắng, tỷ lệ tế bào chết nhiều, dẫn đến tốc độ thoái
hoá nhanh, dịch huyền phù có nấm men kết lắng cũng không sạch. Vì vậy trong sản xuất
ethanol không thể tái sử dụng nấm men của mẻ trước cho lên men mẻ sau. Lên men mẻ nào
thì phải nhân giống cho các mẻ đấy, không tái sử dụng được – đó chính là sự bất lợi của lên
men cổ điển. Nó có nhiều rủi ro:
-
Nếu mẻ lên men nào bị nhiễm khuẩn - cả dây chuyền bị nhiễm
-
Hiệu quả thấp, tiêu tốn nhiên liệu và nhân công lao động
-
Quy trình công nghệ sản xuất cồn etylic phức tạp thêm (vì dịch nhân giống có
nồng độ bao giờ cũng thấp hơn dịch đường lên men etylic)
Chính vì vậy đi đến giải pháp cố định nấm men và nó các ưu điểm:
+ Chịu được áp suất thẩm thấu, tăng tốc độ sử dụng cơ chất, rút ngắn thời gian
lên men.
+ Tăng hiệu suất thu hồi và giảm chi phí tinh sạch.
+ Có khả năng tái sử dụng dẫn tới tăng hiệu quả kinh tế.
+ Sinh sản nấm men cố định không nhiều nên chất lượng giấm chín không
chứa nhiều hợp chất dễ bay hơi.
18
- Xem thêm -