Lên men Ethanol bằng phương pháp chu kỳ sử dụng nấm men cố định

 Sự thay đổi về hoạt động trao đổi chất của tế bào: Nhiều nghiên cứu của các tác giả cho thấy rằng nấm men cố định có tốc độ sử dụng glucose, tốc độ sinh tổng hợp Ethanol và glycerol ca

LỜI MỞ ĐẦU



Như chúng ta đã biết, Ethanol đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnhvực, như: tổng hợp chất hữu cơ; dược phẩm; nhiên liệu sinh học; đặc biệt là lĩnhvực sản xuất thực phẩm

Trong sản xuất thực phẩm, Ethanol dùng làm nguyên liệu sản xuất đồ uống

có cồn, dùng làm dung môi, chất diệt khuẩn, nhìn chung Ethanol được biết đếnnhiều nhất như là một loại đồ uống

Lên men Ethanol là một quy trình sản xuất đã có lịch sử lâu đời, và phổbiến trên khắp thế giới

Có nhiều phương pháp lên men Ethanol và sử dụng nhiều loài vi sinh vậtkhác nhau Ứng với mỗi phương pháp, mỗi loại nấm men cho một hiệu suất và giátrị cảm quan khác nhau Để có được sản phẩm Ethanol tốt nhất, về mặt kinh tế, cảmquan, … trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về dòng sản phẩm này Bài báocáo của nhóm chúng em sẽ tìm hiều về lên men Ethanol theo phương pháp chu kỳ,

sử dụng nấm men cố định, đặt biệt về các yếu tố ảnh hưởng và từ đó rút ra kết luậnchung nhất cho phương pháp này

1 TỔNG QUÁT:

1.1 Ethanol:

Ethanol được gọi là rượu etylic, rượu nguyên chất, rượu ngũ cốc, hay rượuuống, là một chất lỏng không màu, dễ bay hơi, dễ cháy Nó được biết đến nhiềunhất là loại đồ uống có cồn, ngoài ra còn được dùng làm dung môi, nhiên liệu từcồn Theo cách dùng thông thường nó được gọi là rượu uống, hay rượu mạnh

Ethanol là một rượu mạch thẳng, công thức phân tử: C2H5OH

Lên men Ethanol còn được gọi là quá trình lên men rượu, là một quá trìnhsinh học trong đó các loại đường như glucose, fructose, và sucrose,… được chuyểnđổi thành năng lượng cho tế bào và do đó sản sinh ra ethanol, khí CO2, cũng nhưcác sản phẩm trao đổi chất khác

1.2 Phương pháp lên men chu kỳ:

Hình 1 Mô hình lên men chu kỳ sử dụng nấm men cố định

Lên men chu kỳ hay còn gọi là lên men gián đoạn (lên men theo mẻ) trongđó: men giống và dịch đường ban đầu có thể bơm song song để nấm men được đảođều ngay từ đầu Lượng men giống thường chiếm khoảng 10% so với thể tích thùnglên men, nhưng dịch đường không bơm đầy thùng lên men ngay mà thời gian đổđầy một thùng lên men kéo dài từ 6- 8h Nhờ đó tỷ lệ men giống lúc đầu tăng vàhạn chế được phát triển của tạp khuẩn

1.3 Nấm men cố định.

1.3.1 Sơ lược về kỹ thuật cố định tế bào:

Kỹ thuật cố định tế bào được định nghĩa là: “Kỹ thuật bao bọc hoặc định vịcác tế bào còn nguyên vẹn lên một “vùng không gian nhất định” nhằm bảo vệ cáchoạt tính xúc tác mong muốn”

Cố định thường là sự bắt chước các hiện tượng xảy ra trong tự nhiên do các

tế bào có thể phát triển trên bề mặt hoặc bên trong các cấu trúc của nguyên liệu cótrong tự nhiên

1.3.2 Một số tính chất của nấm men cố định:

 Sự thay đổi về sinh trưởng, hình thái tế bào:

Như chúng ta đã biết, quá trình sinh trưởng của vi sinh vật nói chung vànấm men nói riêng phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện môi trường quanh nó Khi cốđịnh tế bào, do sự tương tác giữa tế bào – chất mang và giữa các tế bào bới nhau màkhả năng sinh trưởng và hình thái của tế bào cũng có một vài biến đổi

Theo một số tác giả khả năng sinh trưởng của nấm men cố định kém hơn

so với nấm men tự do

Nhiều nghiên cứu cũng cho thấy rằng nấm men cố định luôn sinh trưởngđạt đến một số lượng tế bào không đổi và giữ nguyên như vậy cho đến khi kết thúcquá trình lên men

Bên cạnh đó Melzoch và cộng sự ( năm 1994), cũng thấy rằng 80% tế bào

cố định trong gel alginate đều duy trì hoạt tính trao đổi chất và khả năng phát triển

khi nuôi cấy trong thời gian dài Saccharomyces cerevisiae cố định trong gel

alginate có thể duy trì khả năng sử dụng đường của chúng ở mức độ tương đối cao

và ổn định, chỉ giảm khoảng 20% sau 1122 giờ nuôi cấy, [1]

Hình thái của nấm men cố định cũng thay đổi nhiều so với nấm men tự do

 Sự thay đổi về hoạt động trao đổi chất của tế bào:

Nhiều nghiên cứu của các tác giả cho thấy rằng nấm men cố định có tốc

độ sử dụng glucose, tốc độ sinh tổng hợp Ethanol và glycerol cao hơn nhiều so vớinấm men tự do mặc dù diện tích bề mặt tế bào của nấm men cố định dùng để vậnchuyển chất dinh dưỡng nhỏ hơn so với của nấm men tự do

Kết quả nghiên cứu của thầy Lê Văn Việt Mẫn và cô Bùi ThanhHuyền( 2008), về quá trình lên men cồn sử dụng nấm men cố định trên canxialginate cho thấy nấm men cố định có tốc độ sử dụng đường cũng như tốc độ sinhtổng hợp Ethanol cao hơn hẳn nấm men tự do,[2]

 Những thay đổi về khả năng chống lại các yếu tố bất lợi của môi trường:Lượng cơ chất càng cao hoặc lượng sản phẩm càng cao thì càng ức chếhoạt động sống của tế bào nấm men Tuy nhiên, so với nấm men tự do thì nấm men

cố định khả năng chịu sự ức chế cơ chất và sản phẩm cao hơn

1. 3.3 Nấm men dùng trong lên men Ethanol theo phương pháp chu kỳ bằng nấm men cố định:

Thường sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae cho phương pháp lên

men này

 Yêu cầu về dinh dưỡng của nấm men Saccharomyces cerevisie:

Tất cả các chủng của S cerevisiae có thể phát triển trên glucose, maltose

và trehalose, không phát triển trên lactose và cellobiose Tuy nhiên sự sinh trưởngtrên các loại đường khác nhau thì khác nhau

Khả năng sử dụng các loại đường khác nhau của nấm men có thể khácnhau phụ thuộc vào môi trường hiếu khí hoặc kỵ khí Một vài chủng không thểphát triển kỵ khí trong môi trường sucrose và trehalose

Tất cả các chủng có thể sử dụng ammoniac và urê là nguồn nitơ duy nhất,nhưng không thể dùng nitrat, vì chúng thiếu khả năng phân giải nitrat thành các ionamoni Chúng có thể sử dụng hầu hết các amino axit, peptit ngắn mạch, và đạm cơ

bản như nguồn nitơ Một số chủng S cerevisiae không có enzyme protease vì vậy

không thể chuyển hóa được protein ngoại bào

Nấm men cũng cần photpho, được dùng như là một ion dihydrogenphosphate, lưu huỳnh, có thể chuyển hóa như một ion sunfate, hoặc lượng sulfurhữu cơ như amino axit methionine và cysteine Một số kim loại, như magiê, sắt,canxi và kẽm, cũng cần thiết cho sự tăng trưởng tốt của nấm men

1.4 Chất mang cố định sử dụng trong sản xuất ethanol:

Kỹ thuật cố định nấm men trong sản xuất rượu đã được nghiên cứu rộngrãi, tuy nhiên việc ứng dụng kỹ thuật này trong công nghiệp vẫn còn hạn chế Mụcđích của việc sử dụng nấm men cố định là để cải thiện năng suất sinh Ethanol cũngnhư chất lượng sản phẩm Để có thể ứng dụng thành công trong công nghiệp, chấtmang được sử dụng để cố định phải đạt được độ an toàn thực phẩm, có nhiều trong

tự nhiên, giá thành thấp và không làm ảnh hưởng đến tính chất cảm quan của rượu

Các chất mang thường được sử dụng gồm [3,4]:

 Chất mang hữu cơ: Alinate, PVA (polyvinil Alcohol) -carrageenan,Aga, DCM DCM (Delignified Cellulosic Material), …

 Chất mang thực phẩm: miếng lê, miếng mộc qua, miếng táo, nho khô,

vỏ nho,…

 Chất mang vô cơ: -alumina, Hydromica, Kissir,

 Chất mang dạng màng: màng membrane, màng vi lọc sinh học(biocapsule)

 Cơ chế sinh học của lên men rượu:

Lên men rượu gồm các quá trình sinh hóa và sinh học rất phức tạp, xảy radưới tác dụng của nhiều enzyme Đường và các chất dinh dưỡng được hấp thụ qua

bề mặt tế bào rồi thẩm thấu vào bên trong Ở đó các enzyme sẽ xúc tác các phảnứng khác nhau để cuối cùng tạo ra sản phẩm chính là rượu và khí carbonic Hai chấtnày sau khi sinh ra sẽ qua màng tế bào chất vào môi trường lên men Rượu do rấtlinh động nên hòa tan nhanh trong dịch lên men, còn khí carbonic hòa tan kém

Hình 2 Con đường tổng hợp Ethanol

 Phương trình tổng quát của lên men rượu:

Trong quá trình lên men rượu, mỗi phân tử gam glucose sẽ giải phóng rakhoảng 50kcal Năng lượng này sẽ được nấm men sử dụng khoảng 20kcal Số cònlại sẽ thải ra canh trường do đó làm tăng nhiệt độ dịch lên men

Trong quá trình lên men, ngoài sản phẩm chính là rượu và CO2, còn tạo ranhiều chất khác Bằng phân tích sắc ký người ta phát hiện trên 50 chất khác nhau,nhưng có thể xếp thành 4 nhóm chính: acid, este, aldehyl, và rượu bậc cao hay rượu

có số carbon lớn hơn hai

THEO PHƯƠNG PHÁP CHU KỲ SỬ DỤNG NẤM MEN CỐ ĐỊNH:

3.1 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất:

31.1 Đường:

Đường là nguồn nguyên liệu chính mà nấm men sẽ sử dụng để chuyển hóathành cồn Tuy nhiên nồng độ dịch đường quá cao sẽ dẫn đến làm tăng áp suất thẩmthấu và làm mất cân bằng trạng thái sinh lý của nấm men Kết quả là rượu nhiều sẽ

ức chế không những các tạp khuẩn mà còn cả nấm men Mặc khác đường nhiều sẽdẫn đến tổn thất hoặc phải kéo dài thời gian lên men Ngược lại nếu nồng độ dịchđường thấp sẽ không kinh tế làm giảm năng suất thiết bị lên men Mặc khác sẽ tốn

2CO2 + 2CH3CH2OH

C6H12O6 zymase

hơi khi chưng cất và tổn thất rượu trong bã rượu và nước thải.

Hình 3 Tốc độ sử dụng đường trong canh trường nấm men Saccharomyces

cerevisiae cố định trong gel alginate

 Cycle I:

 Cycle II: ●

 Nấm men tự do: ▲, ở 300C, pH = 4.5 và nồng độ đường ban đầu là 140g/l (a);170g/l (b) và 220 g/l

Ảnh hưởng của nồng độ đường đối với hoạt động trao đổi chất của nấm menđược đánh giá qua tốc độ sử dụng đường (hình 3), trích kết quả nghiên cứu của thầy

Lê Văn Việt Mẫn và cộng sự (2008), [2] Từ Hình 3.2 cho ta thấy:

Chu kỳ II, kéo dài hơn chu kỳ I I vì sự gia tăng nồng độ đường ban đầu làmcho thời gian lên men bị kéo dài Ngoài ra khi nồng độ đường ban đầu tăng cao, tốc

độ sử dụng đường cũng giảm Tuy nhiên, sự thay đổi trong canh trường dùng nấmmen cố định là không nhiều như canh trường dùng nấm men tự do

So sánh giữa nấm men cố định và nấm men tự do; nấm men cố định, thờigian lên men luôn kéo dài hơn, nhưng nồng độ đường sót thấp hơn, nồng độ cồn từ8.4-11.7%, cao gấp đôi trường hợp dùng nấm men tự do Lý do có thể nấm men cốđịnh đã được bảo vệ, không bị ảnh hưởng bởi các thay đổi bất lợi như pH, tích lũycồn, các yếu tố này đều làm giảm hoạt động trao đổi chất của nấm men

Một khảo sát khác của Irfana Ikram và cộng sự (2009), [5], khảo sát ảnhhưởng của nồng độ đường ban đầu tới quá trình lên men Kết quả như sau:

Hình 4 Ảnh hưởng của nồng độ đường đến quá trình lên men Ethanol bằng

nấm men S cerevisia GC-IIB31 tự do và cố định , nhiệt độ 30 độ C, pH 4.5

Nồng độ đường dao động trong khoảng 12- 21% và thực hiên lên men từ24- 120h

Ta thấy rằng ở nồng độ đường 12%, nấm men tự do đạt hiệu suất sinhEthanol 2,34%, tiêu thụ 8,08% đường Tuy nhiên đối với nấm men cố định thì đạthiệu suất sinh Ethanol là 4,13% và tiêu thụ 11,04% đường

Hiệu suất tối đa thu nhận được khi nồng độ đường là 15% ở trong cả 2trường hợp sử dụng nấm men tự do hay cố định Nấm men tự do cho 6,49% etanol,tiêu thụ hết 14,92% đường trong khi đó đối với nấm men cố định thì tạo ra 5,85%Ethanol và tiêu thụ hết 14.9% đường

Ở hai nồng độ 18% và 21% còn lại thì hiệu suất thu nhận Ethanol giảmxuống rất thấp Khi nồng độ đường lên cao, làm cho độ nhớt tăng cao, làm giảmquá trình trao đổi chất, giảm hiệu suất tổng hợp ethanol

Kết quả nghiên cứu của Irfana Ikram [5] cho thấy nồng độ đường cho hiệusuất sinh Ethanol cực đại chỉ đạt 15%, thấp hơn so kết quả thu được của thầy LêVăn Việt Mẫn Có thể sự sai lệch này là do kỹ thuật thực hiện khác nhau như mật

độ nấm men, tạp nhiễm, v, v …

Nồng độ đường cũng có ảnh hưởng quyết định tới quá trình lên mên và ảnhhưởng tới tốc độ tạo thành sản phẩm và năng suất cuối cùng khi được bổ sung vàotrong thời kỳ sinh trưởng phát triển của nấm men Nồng độ đường ban đầu nó ảnhhưởng tới lượng Ethanol thành phẩm Theo hình trên ta thấy sản phẩm Ethanol tối

đa thu nhận được ở môi trường có chứa 15% đường ở trong cả 2 trường hợp lên

men sử dụng nấm men S cerevisiae cố định hay tự do Khi nồng độ đường tiếp tục

tăng dẫn đến làm giảm lượng Ethanol là do hàm lượng đường tăng dẫn đến làmtăng độ nhớt môi trường dẫn đến việc làm giảm quá trình trao đổi chất do đó màlàm giảm hiệu suất tạo thành ethanol

Maziar Safaei Asli ( 2009), cũng nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độđường vào quá trình sản xuất Ethanol theo chu kỳ, sử dụng chủng nấm men

Saccharomyces Cerevesiae SC1, kết quả thể hiện trên hình 5 và 6, [6],

Hình 5 Ảnh hưởng của nồng độ đường đầu vào quá trình sản xuất ethanol.

Hình 6 Ảnh hưởng của nồng độ đường ban đầu vào quá trình chuyển hóa

đường

Từ hình 5 và 6 cho ta thấy nồng độ đường ban đầu ảnh hưởng tới nồng độEthanol và quá trình chuyển hóa đường trong suốt quá trình lên men Căn cứ theokết quả, nồng độ Ethanol tăng khi tăng nồng độ cơ chất nhưng có sự biến đổi rộngtrong khoảng thời gian diễn ra lên men Những nồng độ Ethanol tối đa là 23, 46.1

và 95.1 g/l thu nhận được ở 48, 72 và 120h với các dung dịch đường tương ứng là

Cũng theo kết quả của nghiên cứu này sản lượng Ethanol tối đa và tối thiểuthu nhận được ở dung dịch đường ban đầu là 100 và 250 g/l

Bảng 1 Ảnh hưởng của nồng đồ đường ban đầu tới hiệu suất Ethanol

Nồng độ đường ban đầu( g/L ) Hiệu suất lên men

Nồng độ đường ban đầu( g/L ) Hiệu suất lên men

Hình 7 Ảnh hưởng của nồng độ đường tới hiệu suất tổng hợp Ethanol

Tốc độ sinh trưởng và lượng sinh khối đạt cực đại khi dùng nấm men cốđịnh sẽ cao hơn khi dùng nấm men tự do Vì khi lên men với nồng độ cơ chất cao,dùng nấm men cố định, trên bề mặt chất mang sẽ xuất hiện một gradient nồng độ,

và giúp cho nấm men làm quen dần với môi trường

3.1.2 Ảnh hưởng của khoáng chất:

Khoáng chất đóng vai trò vô cùng quan trọng trong hoạt động của tế bàomen, đặc biệt là phospho Phospho thường ở dạng liên kết hữu cơ và có trong thànhphần của photphatit, nucleoproteit cũng như axit nucleic Phospho, Magie và lưuhuỳnh có tác dụng làm hoạt hóa photphataza trong quá trình lên men Lưu huỳnh vàsắt đều tham gia phản ứng oxy hóa khử, ngoài ra sắt cùng với các chất vô cơ khácnhư Zn, Mn, Cu, Mg đều là những chất không thể thiếu đối với nhiều enzym oxyhóa) oxydaza, katalaza peroxydaza) Canxi còn giúp và loại bỏ các chất độc thải rakhi lên men, đồng thời giúp cho tổng hợp protit, làm tăng quá trình oxy hóa và cótác dụng tạo thành một số vitamin

Bảng 2 Ảnh hưởng của các chất khoáng bổ sung vào môi trường trong

quá trình lên men Ethanol bởi nấm men cố định S.cerevisiae trong gel alginate

Khoáng chất Nồng độ Etanol , % khối lượng

Từ kết quả của bảng 2 cho ta thấy tầm quan trọng của việc bổ sung thêm

khoáng chất trong môi trường lên men đối với chủng nấm men S cerevisiae Nhìn

chung, việc bổ sung các khoáng chất( Cu, Ca, Mg và Zn) đều làm tăng nồng độEthanol, cải thiện quá trình tiêu thụ đường và làm tăng mật độ chất nền alginatehơn so với trường hợp lên men với nấm men cố định mà không có bổ sung thêmkhoáng

Hình 8 Hiệu quả của quá trình lên men từ lõi ngô thủy phẩn bởi nấm men

cố định S.cerevisiae với việc bổ sung các loại khoáng chất khác nhau Mẫu được

phân tích sau 48h lên men Điều kiện lên men giống bảng 2

Như chúng ta đã biết thì các muối khoáng tham gia vào quá trình trao đổichất của nấm men như là chất hoạt hóa của các enzym, hoặc nó là một phần củaenzym, là một phần của trung tâm hoạt động enzym Từ hình 8 cho ta thấy việc bổsung khoáng chất đều làm tăng hiệu quả của quá trình lên men (trừ trường hợp bổsung CuCl2 (2 mg/L), và hiệu quả quá trình lên men đạt giá trị tối đa ở trường hợp

bổ sung hỗn hợp MgSO4 (2g/L) và ZnSO4 (0.3 g/L) Cũng theo nghiên cứu này thìion Magie đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc giảm thiểu những ảnh hưởng

có hại của đặc tính độc của Ethanol và sốc nhiệt vào chủng S cerevisiae Cả stress

nhiệt và Ethanol có thể gây ra rối loạn trong nội cân bằng ion trong tế bào, dẫn đếnlàm giảm các hoạt động trao đổi chất và cuối cùng là tế bào chết Tuy nhiên, ionmagie làm giảm proton, và đặc biệt là tính thấm aninon của màng tế bào bằng tươngtác qua lại với màng phospholipit, kết quả làm ổn định màng Như vậy, rõ ràng làviệc bổ sung thêm magie đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong quá trình lên men cónồng độ cơ chất và sản phẩm cao Tương tự như vậy, việc bổ sung thêm Zn cũng rấtquan trọng trong quá trình trao đổi chất của nấm men, đặc biệt trong quá trình lênmen với các cơ chất thiếu Zn

Các ion Cu cũng làm tăng sản lượng Ethanol và sự sinh sản của nấm menvới nồng độ 1 mg/L Hơn nữa, với tăng thêm nồng độ của ion Cu (2 và 3 mg/L),các tác động có lợi về sự ổn định cơ học của các hạt alginate- cố định đã được quansát Mặc khác, nồng độ của các ion Cu cao sẽ gây độc đối với nấm men, do đó màlàm giảm hiệu quả quá trình lên.Mặc dù vậy, việc bổ sung ion Cu rất cần thiết trongcác quá trình đường hóa và lên men của quá trình lên men từ tinh bột thủy phân,khi đó Cu có thể hoạt hóa các enzym tham gia quá trình thủy phân tinh bột, ví dụnhư enzym α-amylase, làm cho hiệu quả quá trình đường hóa và lên men tăng lên

rõ rệt Bên cạnh các ion Cu, các ion Ca và Mg cũng đóng vai trò như những chấthoạt hóa enzym α-amylase và do đó cũng làm tăng hiệu quả của quá trình đườnghóa và lên men từ cơ chất là tinh bột

3.1.4 Ảnh hưởng của vitamin:

Để đảm bảo cho sự sống, nấm men cần các vitamin B1 có trong thành phầncủa coenzym cacboxylaza B2 có ở dạng este phosphoric, axit nicotin có trongcoenzymaza… Biotin và axit paraaminobenzoic là những chất kích thích cho sinhtrưởng của nấm men.

Bảng 3 Ảnh hưởng việc bổ sung vitamin trong môi trường lên men

Ethanol từ dịch lõi ngô thủy phân bởi nấm men S cerevisiae cố định trong alginate

Hình 9 Hiệu suất của quá trình lên men của dịch lõi bắp thủy phân được lên

men bởi nấm men cố định S cerevisiae có bổ sung vitamin

Từ kết quả trên cho ta thấy hiệu quả quá trình lên men đạt cao nhất là82,08% khi bổ sung Ca- pantothenate( 1g/L), khi bổ sung Ca- pantothenate vào thìhiệu quả quá trình lên men tăng gần 8% ( từ 76,79 lên 82,08%) Ảnh hưởng của Ca-pantothenate mạnh hơn nhiều so với ảnh hưởng của hỗn hợp vitamin B (thiamin,

pyridoxine và biotin), hỗn hợp vitamin này chỉ làm tăng khoảng 2% so với mẫu đốichứng (từ 76.79% lên 78.7%) Ca-pantothenate, hỗn hợp vitamin và Inositol đềulàm tăng khả năng chịu đựng của nấm men đối với cồn, từ đó nó kích thích sự tổnghợp các chất béo vì vậy sẽ làm giảm sự rò rỉ của màng tế bào của nấm men.

Bổ sung khoáng và Vitamin

Dựa trên những kết quả đã thu được, tiếp tục lên men bổ sung đồng thờivitamin và khoáng chất như sau: MgSO4 (2g/L), ZnSO4 (0.3g/L), CuCl2 (1mg/L),Ca-pantothenate (1g/L) và Inositol (1g/L) Dựng đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của

bổ sung vitamin và khoáng chất tới sản phẩm Ethanol và việc tiêu thu đường nhưsau:

Hình 10 Động lực học của quá trình sản xuất Ethanol và tiêu thụ dường

glucose trong quá trình lên men dịch lõi ngô thủy phân bởi nấm men cố định

S.cerevisiae (mẫu không và có bổ sung vitamin và khoáng chất)

Hình 11 Số lượng tế bào thu nhận được trong quá trình lên men

Bảng 4 Ảnh hưởng của việc bổ sung vitamin và khoáng chất vào môi trường

trong quá trình lên men Ethanol

(ethanol)( %)

Sản lượng

lý thuyết( %)

Yp/s(g ethanol/

g tinh bột)

P(g/L.h)

3.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ:

3.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Mỗi vi sinh vật đều có nhiệt độ tối ưu cho phát triển của chúng Đối vớinấm men Saccharomyces, nhiệt độ tối ưu nằm trong giới hạn 28÷ 32oC Tuy nhiên,nếu bắt đầu lên men ở nhiệt độ thấp thì khả năng lên men sẽ cao và kéo dài hơn.Mặt khác, nếu có điều kiện làm lạnh dịch đường tới 20÷ 22oC sẽ hạn chế được pháttriển của tạp khuẩn Sau 8 đến 10h nhiệt độ lên men sẽ tăng đến 28÷ 30oC, tiếp đócần làm lạnh để ổn định nhiệt độ trong giới hạn tối ưu Ở nhiệt độ cao, hoạt tính củanấm men sẽ giảm nhanh nhưng chủ yếu là dễ bị nhiễm lactic và nấm men hoangdại Ở nhiệt độ 30oC, men hoang dại phát triển nhanh hơn Saccharomyces 2 đến 3

lần, còn ở nhiệt độ 35÷ 38oC chúng phát triển nhanh gấp 6 đến 8 lần Mặt khác, khilên men ở nhiệt độ cao sẽ tạo nhiều este aldehyt và tổn thất rượu theo CO2 sẽ tăng

Kết quả nghiên cứu của Irfana Ikram cho thấy:

Nhiệt độ khảo sát dao động trong khoảng 25- 40 độ C và thực hiên lên men

từ 24- 120h

Trong khoảng nhiệt độ khảo sát như trên: nấm men cố định đạt hiệu suất sinh ethnol 5,38 %, suất tiêu thụ đường cực đại 14,62%; nấm men cố định đạt hiệu suất sinh ethnol 4,18 %, suất tiêu thụ đường cực đại 11,71 % Hiệu suất sinh

Ethanol cực tại khi nhiệt độ bằng 30 độ C cho cả nấm men tự do và nấm men cố định Ở 30 độ C, nấm men nấm men cố định đạt hiệu suất sinh ethnol 6,42 %, suất tiêu thụ đường cực đại 14,79 %; nấm men cố định đạt hiệu suất sinh ethnol 5,83 %, suất tiêu thụ đường cực đại 17,02 %

Hình 12 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình lên men Ethanol bằng nấm

men S cerevisia GC-IIB31 tự do và cố định , nồng độ đường ban đầu 15% , pH 4.5,

Dưới đây là kết quả khảo sát khác của K Pramanik, biểu diễn ảnh hưởngcủa nhiệt độ tới nồng độ Ethanol tạo thành và sự chuyển hóa của đường

Hình 13 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới nồng độ Ethanol

Hình 14 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự chuyển hóa của đường Bảng 5 Ảnh hưởng của nhiệt độ vào Hiệu suất sinh Etanol

Nhiệt độ (oC) Hiệu suất sinh Ethanol

Từ kết quả thu nhận ở trên ta thấy tốc độ tạo thành sản phẩm đạt giá trị tối

đa ở khoảng nhiệt độ cao 35, 36 và 38oC, nhưng sản lượng cồn đạt tối đa ở 32oC.Tốc độ chuyển hóa đường giảm nhanh khi ta tăng nhiệt độ và sau đó việc tiêu thụ

cơ chất cũng trở lên tương đối chậm % chuyển hóa đường được tìm thấy là 100%,97% và 87.3% ở 30oC, 35oC và 38oC Nhiệt độ cao có thể làm mất hoạt tính củaenzim Từ kết quả thu nhận được cho ta thấy, ở nhiệt độ 30oC là nhiệt độ tối ưu choviệc thu nhận Ethanol cũng như tốc độ quá trình lên men

3.2.2 Ảnh hưởng của pH:

Nồng độ ion H+ trong canh trường có ảnh hưởng lớn đến hoạt động củanấm men Chúng có khả năng làm thay đổi điện tích các chất của vỏ tế bào, làmtăng hoặc giảm mức độ thẩm thấu các chất dinh dưỡng cũng như chiều hướng củaquá trình lên men Mỗi vi sinh vật chỉ có thể hoạt động tốt trong trạng thái ion nhấtđịnh- trạng thái này lại phụ thuộc vào pH của canh trường

Sazajsani và cộng sự (1996) đã khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trìnhlên men sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae cố định trong hạt cellulosetrong quá trình sản xuất cồn Kết quả cho thấy khả năng lên men của tế bào nấmmen cố định không phụ thuộc vào pH khi pH nằm trong khoảng 3,1 và 6,25 Trongkhi đó, như đã biết, khả năng lên men của nấm men tự do phụ thuộc vào pH, và giátrị pH tối thích khoảng 4 Kết quả này tương tự như khi cố định nấm men trong gelcalcium alginate (hình 2.15) (William và Munnecke, 1981; Buzias và công sự,1989) và trong mạng prepolymer hòa tan (Jirku, 1998 Đó là do chất mang và cốđịnh đã bảo vệ tế bào khỏi những thay đổi của hàm lượng ion H+ trong môi trường[9], [10], [11], [12]