Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Nghiên cứu cố định tế bào và ứng dụng trong lên men etanol từ rỉ đường bằng phươ...

Tài liệu Nghiên cứu cố định tế bào và ứng dụng trong lên men etanol từ rỉ đường bằng phương pháp liên tục.

.PDF
135
410
128

Mô tả:

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 -

Tài liệu liên quan