Tiểu luận Sản xuất Acetone - Butanol

MỤC LỤC 5 DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1: Thành phần hóa học trong rỉ đường mía 3 Bảng 2: Thành phần vitamin chứa trong rỉ đường mía và rỉ đường củ cải 3 Bảng 3: Thành phần các amino acid chứa trong rỉ đường từ củ cải 4 Bảng 4: Thảnh phần vi lượng chứa trong rỉ đường từ củ cải 4 Bảng 5: Thành phần hóa học của một số loại ngũ cốc 6 Bảng 6: Nhiệt độ sôi của một số chất trong quá trình chưng cất 21 NGUYÊN LIỆU: Rỉ đường: Rỉ đường là nguyên liệu phổ biến dùng để sản xuất acetone-butanol. Rỉ đường là thứ phẩm của công nghiệp đường thu được ở công đoạn kết tinh đường. Có hai loại rỉ đường: rỉ đường mía và rỉ đường củ cải. Ở Việt Nam chỉ dùng rỉ đường mía. So với rỉ đường củ cải thì rỉ đường mía có lượng saccharose thấp hơn nhưng lượng đường khử cao hơn. Thành phần của rỉ đường mía phụ thuộc vào giống mía, thổ nhưỡng, điều kiện canh tác và công nghệ sản xuất. Lượng chất khô trong rỉ đường mía chiếm 75-85% khối lượng; trong đó chất khô đường chiếm tới 60% (chủ yếu là saccharose và đường khử, một lượng nhỏ raffinose, 5% acid niconitic và không có betain). Số còn lại là các hợp chất vô cơ và hữu cơ. Trong các hợp chất vô cơ có các ion: K+, Na+, Cl- , Ca2+, Mg2+, SO32- …, các hợp chất hữu cơ có pectin, furfurol, acid hữu cơ, caramen, các chất màu, acid amin, vitamin. Tuy nhiên hàm lượng các chất chứa nitơ là rất thấp, cần bổ sung khi sử dụng. Hình 1: Rỉ đường từ mía Rỉ đường mía thường có màu nâu sẫm, mùi thơm ngọt hơi chua giống như mùi trái cây, có chứa acid bay hơi 0.6 – 0.9 % khối lượng. Rỉ đường mía khác với rỉ đường củ cải về thành phần hóa học. Rỉ đường mía chứa ít đường saccharose hơn và nhiều đường nghịch đảo hơn, chứa ít hàm lượng Nitơ, chứa ít đường raffinose hơn và có màu sậm hơn so với rỉ đường từ củ cải. Hàm lượng khoáng trong rỉ đường từ củ cải chiếm 8.5 – 14% khối lượng. Thành phần chính trong tro là K2O (chiếm 60 – 70%), CaO (4.5 – 7%), MgO (1%), P2O5 thấp (0.2 – 0.6%) do phần lớn phospho đã được tách ra khỏi củ cải trong quá trình trích ly đường. Hàm lượng vitamin (mg/100 g rỉ đường) trong rỉ đường mía và củ cải lần lượt là 10.5 và 10.4. Bảng 1: Thành phần hóa học trong rỉ đường mía (có 80% chất khô) Các chất thành phần Hàm lượng % trong rỉ đường Các chất thành phần Hàm lượng % trong rỉ đường Saccharose 42 SiO2 0.5 Đường khử 30 SO3 1.6 Chất hữu cơ phi đường 10 Cl2 0.4 Chất tro 8 Na2O + Fe2O3 + Al2O3 0.2 Trong đó: K2O 3.5 P2O5 0.2 CaO 1.5 N tổng 0.5-2.2 MgO 1 N amin (không thủy phân) 0.2-0.5 Các chất keo 0.2-1.0 Bảng 2: Thành phần vitamin chứa trong rỉ đường mía và rỉ đường củ cải (tính theo mg/ 100 g rỉ đường) Thành phần Rỉ đường mía Rỉ đường củ cải Thiamine Riboflavine Pyridoxine Nicotinic acid Pantothenic acid Folic acid Biotin Inositol 0.16 0.3 1.15 2.1 3.6 0.06 0.13 158 0.18- 0.26 0.02- 0.08 0.3- 0.45 3.9- 5.2 0.06- 5.2 0.01- 0.03 0.0035- 0.006 90- 120 Bảng 3: Thành phần các amino acid chứa trong rỉ đường củ cải Thành phần % khối lượng rỉ đường Leucine và Isoleucine Phenylalanine Valine, Methionine và Tryptophan Tyrosine Proline Alanine Threonine và Glycine Glutamic acid Serine Aspartic acid Arginine, Histidine và Lysine Cystein – 2.9 Vết 0.4 – 1.3 0.6 – 1.8 Vết 1.2 – 1.3 0.2 – 0.8 1.3 – 1.8 1.7 – 2.5 0.3 – 0.5 Vết Vết Bảng 4: Thành phần vi lượng chứa trong rỉ đường củ cải Thành phần mg/100g rỉ đường Nhôm Stronti Crom Sắt Đồng Magiê Mangan Kẽm Titan Nickel Coban Molybdem Chì Bo 9.3 – 60 4.6 – 59.4 6.6 – 54.7 8.3 – 26.6 0.0 – 9.8 5.7 – 8.6 1.4 – 7.6 2.0 – 3.3 0.21 – 0.70 0.16 – 0.76 0.10 – 0.76 0.10 – 0.12 0.21 – 0.61 0.20 – 0.42 Những đặc tính quan trọng của rỉ đường phù hợp với quá trình lên men ứng dụng trong công nghiệp: Chứa hàm lượng đường cao. Ngoài đường saccharose còn chứa nhiều chất hữu cơ, vô cơ, các vitamin và các chất kích thích sinh trưởng, đặc biệt là vitamin H Ngoài ra xét về mặt kinh tế, rỉ đường là thứ phẩm của ngành công nghiệp đường nên giá thành nguyên liệu rẻ, nguồn cung cấp dồi dào. Vì rỉ đường là môi trường dinh dưỡng khá lý tưởng nên dễ bị vi sinh vật xâm nhập và phát triển, thường gặp nhất là những vi sinh vật gây màng và gây chua, dẫn tới làm giảm chất lượng của rỉ đường. Đôi khi, số lượng vi sinh vật có thể lên đến trên 104VSV/g rỉ đường. Thông thường, vi sinh vật trong rỉ đường gồm có Bacillus (chiếm trên 90% số lượng vi sinh vật), vi khuẩn sinh acid như E.Coli, Pseudomonas..., 1 vài loài nấm men như Candida, và đôi khi có nấm mốc như Penicillium, Aspergillus... Vi sinh vật ảnh hưởng xấu đến hiệu suất lên men. Vì vậy, trong sản xuất ta hay dùng fluosilicate natri 20/00 so với trọng lượng mật rỉ để bảo quản. Yêu cầu về rỉ đường: chất khô không ít hơn 75% khối lượng, hàm lượng saccharose từ 31- 50%, pH 6.5- 8.5 (rỉ đường củ cải) và 4.5-6.0 (rỉ đường mía), hàm lượng Nitơ tổng không ít hơn 1.4%, số lượng vi sinh vật không quá 15000 VSV/ 1g nguyên liệu. Rỉ đường trước khi đem sử dụng cần phải được xử lý: Acid hóa bằng H2SO4 và HCl tới pH bằng 2.8 – 3 và gia nhiệt trong 6 giờ, ở nhiệt độ 90 – 95oC. Lượng acid cho vào khoảng 5% khối lượng. Hoặc có thể gia nhiệt có thể tới 120oC trong 10 phút, 110oC trong 30 phút, hoặc 80-95oC trong vòng 45-60 phút, khi gia nhiệt thì khuấy đều . Bổ sung nguồn N cùng các chất kháng khuẩn, khuấy đều. Nguồn N là urê hoặc amoni sunfat. Để yên khoảng 4 giờ để lắng cặn. Các nguồn nguyên liệu khác: Ngoài rỉ đường, người ta cũng có thể sản xuất acetone-butanol từ tinh bột. Nguồn tinh bột chủ yếu thu được từ các loại ngũ cốc, nhưng khi sử dụng nguồn nguyên liệu này thì cần phải thực hiện quá trình thủy phân trước khi lên men. Để lên men acetone-butanol, người ta thường sử dụng môi trường chứa 5-6% khối lượng tinh bột, từ 100 kg tinh bột có thể thu hoạch được khoảng 37- 40 kg dung môi. Bảng 5: Thành phần hoá học của một số loại ngũ cốc (% khối lượng) Giống hạt Protein Tinh bột Chất béo Cellulose Đường Pentose và các carbohydrat khác Chất khoáng Lúa mì Ngô Yến mạch Đại mạch Gạo tẻ 16 10 12 12 7 60 70 45 55 63 1.9 4.6 5.5 2 2.3 2.8 2.1 14 6 12 4.3 3 2 4 3.6 8 7 13 11 1.5 2.2 1.3 3.8 3.5 6 Các nguồn tinh bột có thể sử dụng là: Lúa gạo: Hạt lúa gạo có cấu tạo gồm 3 phần chính: vỏ, nội nhũ và phôi. Hạt tinh bột có hình dạng đa giác đặc trưng và có kích thước 2-10 µm (kích thước nhỏ nhất trong các hạt lương thực). Thành phần glucid chiếm khoảng 75%, chủ yếu tập trung ở nội nhũ. Chủ yếu là saccharose, một ít đường glucose, fructose và rafinose. Lúa nảy mầm có tồn tại đường maltose. Hàm lượng chất béo thấp 1.5-2.3% và tập trung chủ yếu ở phôi. Hàm lượng protein trong tinh bột gạo không cao và thay đổi trong khoảng rộng 4.3-18.2%, trong đó glutelin chiếm đa số (gọi là oryzenin). Lúa mì: Cấu tạo hạt lúa mì gồm 3 phần chính: vỏ, nội nhũ và phôi. Hạt tinh bột có dạng hình cầu, hình bầu dục với đường kính 10-40 µm. Cấu trúc hạt tinh bột có 26% là amylose. Phôi chiếm 2.5-3.5% trọng lượng, không chứa tinh bột. Thành tế bào nội nhũ chứa pentosan, hemicellulose, β-glucan, nhưng không chứa cellulose. Độ trong của hạt tinh bột càng cao thì chất lượng tinh bột càng cao. Độ trong càng cao khi hàm lượng protein càng cao. Đây là chỉ tiêu để đánh giá chất lượng tinh bột lúa mì. Hàm lượng tinh bột chiếm 50- 73%. Trong hạt lúc mì có chứa pentozan: chiếm 1.2-3.5% khối lượng glucid trong hạt, có tính háo nước, làm tăng độ dính và độ nhớt. Hàm lượng protein thay đổi trong khoảng 8.6- 24.4% khối lượng (đối với lúa mì mềm) và 14.4- 24.1% (đối với lúa mì cứng). Thành phần protein chủ yếu là gliadin (tạo độ giãn) và glutenin (tạo độ đàn hồi). Lipid phân bố không đều, tập trung ở vỏ và phôi. Ngô: Một bắp ngô bao gồm lá bao, râu, bẹ, lõi, cuống và hạt. Hạt chiếm 78%, lõi và cuống chiếm 22%. Hạt phát triển thành từng hàng và số hàng trong mỗi trái ngô luôn là số chẵn. Phần nội nhũ trong hạt ngô gồm hai loại: nội nhũ sừng với đặc tính cứng và chứa nhiều hạt protein, nội nhũ bột với đặc tính mềm và chứa nhiều hạt tinh bột. Thành phần tinh bột trong ngô chiếm từ 60-70%, trong đó amylose chiếm 28% lượng tinh bột. Kích thước hạt tinh bột vào khoảng 5-25 µm. Thành phần đường chiếm 1-3%, cơ bản là đường D-glucose, D-fructose và saccharose. Protein chủ yếu phân bố trong nội nhũ, chiếm 10%, trong đó prolamin chiếm đa số và được gọi là zein. Trong các loại lương thực, ngô chứa hàm lượng lipid cao 3.5-7% tập trung chủ yếu ở phôi. Sắn tươi Về cơ bản củ sắn gồm 3 phần chính : vỏ, thịt củ và lõi, ngoài ra còn có cuống và rễ củ. Vỏ sắn gồm có 2 phần là vỏ gỗ và vỏ cùi. Vỏ gỗ có tác dụng bảo vệ củ và chống mất nước của củ,tuy nhiên vỏ gỗ dễ bị mất khi thu hoạch và vận chuyển. Vỏ cùi là một lớp tế bào cứng phủ bên ngoài, thành phần chủ yếu là cellulose, ngoài ra còn có chứa polyphenol, enzyme, và linamarin. Phần thịt củ có chứa nhiều tinh bột, protein và các chất dầu, một ít polyphenol, độc tố và enzyme. Lõi sắn nằm ở tâm củ dọc suốt chiều dài,thành phần chủ yếu là cellulose. Thành phần củ sắn tươi dao động trong giới hạn khá lớn: tinh bột 20 – 34% khối lượng, protein 0.8 – 1.2%, chất béo 0.3 – 0.4%, cellulose 1 – 3.1%, chất tro 0.54%, polyphenol 0.1 – 0.3% và nước 60 – 74.2%. Ngoài ra trong sắn còn chứa một lượng vitamin B và độc tố. Các Vitamin này sẽ bị mất một phần khi chế biến và nhất là khi nấu trong sản xuất rượu. Độc tố trong sắn có tên chung là phazeolunatin gồm 2 glucozit Linamarin và Lotaustralin. Các độc tố này thường tập chung ở vỏ cùi. Bình thường phazeeolunatin không độc nhưng khi bị thuỷ phân thì các glucozit này sẽ giải phóng axit HCN. Sắn tươi đã thái lát và phơi khô sẽ giảm đáng kể hàm lượng glucozit gây độc kể trên. Đặc biệt trong sản xuất rượu, khi nấu ở nhiệt độ cao đã pha loãng nước nên với hàm lượng ít chưa ảnh hưởng đến nấm men. Hơn nữa các muối cyanat khi chưng cất không bay hơi nên bị loại cùng bã rượu, điều này là rất có lợi trong sản xuất. Vi sinh vật: Các vi sinh vật có thể sử dụng trong lên men acetone – butanol là: Clostridium acetobutylicum Clostridium beijerinckii Clostridium tetanomorphum Clostridium aurantibutyricum Vi khuẩn thưòng dùng phổ biến trong lên men acetone-butanol là Clostridium acetobutylicum (hay C. saccharo – acetobutylicum). Loài này thường lên men acid đối với các đường arabinose, xilose, galacrose, fructose, tinh bột, lactose, dextrin, manitol… Giới: Bacteria Ngành: Firmicutes Lớp: Clostridia Bộ: Clostridiale Họ: Clostridiaceae Giống: Clostridium Loài: C. acetobutylicum Đây là những trực khuẩn G(+), kỵ khí bắt buộc, có khả năng tạo bào tử, có khả năng di động bằng các tiêm mao bao phủ khắp thân, kích thước khoảng 0.6 – 0.71× 2.6× 4.7 µm. Tế bào sinh dưỡng hình que nhưng vì bào tử có kích thước lớn hơn chiều ngang của tế bào sinh dưỡng nên khi mang bào tử, tế bào sẽ có dạng hình thoi hay dùi trống. C.acetobutylicum được phân bố rộng rãi trong thiên nhiên, nhất là trong bùn. C.acetobutylicum phát triển tối ưu ở nhiệt độ 37oC. Clostridium acetobutylicum là một chemoorganotroph (là loại tự dưỡng, sử dụng các hợp chất hữu cơ ở trạng thái khử làm nguồn cung cấp điện tử và H+). Nó tạo ra năng lượng thông qua quá trình phosphoryl hóa cơ chất bởi sự lên men. Trong quá trình lên men, cơ chất là những phân tử hữu cơ, đóng vai trò là những chất cho và nhận electron. Đặc biệt, Clostridium acetobutylicum cần nguồn carbohydrate để có thể chịu đựng và sống sót trong điều kiện lên men, nó có khả năng đồng hóa polysaccharide. Người ta nhận thấy hàm lượng flavin trong vi khuẩn này đạt tới mức khá cao và không thấy chứa cytocrom và enzyme catalase, một enzyme quan trọng của vi sinh vật hiếu khí giúp chuyển hóa những sản phẩm phụ độc hại thành nước và oxy. Clostridium acetobutylicum có khả năng cố định Nitơ trong không khí. Vào giai đoạn phát triển ban đầu, C. acetobutylicum là vi khuẩn gram dương nhưng nó chuyển thành gram âm khi già. Việc gia tăng khả năng di động của giống này làm tăng sự sản xuất dung môi. Những chất kích thích bao gồm butyric acid và đường. C. acetobutylicum đặc biệt bị ức chế bởi acetone, butanol và ethanol. Cơ chế này hoàn toàn hợp lý cho phép tế bào nhận chất dinh dưỡng và loại ra những sản phẩm phụ bởi cơ chế trao đổi chất của nó. Những nghiên cứu có liên quan đã tìm được con đường trao đổi chất của Clostridium acetobutylicum để tăng hiệu quả của quá trình lên men công nghiệp. Những sản phẩm dung môi acetone, acetate, butanol, butyrate và ethanol đều xuất phát từ acetyl-CoA. Ngoài ra còn tạo ra H2 và CO2. Ngoài ra, những sản phẩm phụ khác nhau được tạo ra ở những pha khác nhau trong quá trình phát triển của C. acetobutylicum. Trong pha log, sản phẩm chủ yếu là acetate, butyrate và xảy ra sự cố định nitơ. Sau 18 giờ, butanol và acetone được tạo ra tối đa. Sự phân chia thời gian của việc cố định nitơ và việc tạo ra dung môi là cần thiết để tránh sự cạnh tranh của những chất khử trong hai quá trình. Hình 2: Vi khuẩn Clostridium acetobutylicum Tiêu chí chọn giống: Không có khả năng sinh tổng hợp độc tố. Có khả năng sinh tổng hợp các sản phẩm chính cao, cụ thể ở đây là butanol và acetone. Có khả năng thích nghi cao, bảo toàn hoạt tính. Tốc độ sinh trưởng càng nhanh càng tốt nhằm lấn át sự phát triển của những vi sinh vật nhiễm, rút ngắn thời gian lên men, cho hiệu quả kinh tế cao. Điều kiện nuôi cấy đơn giản. Môi trường nuôi cấy rẻ tiền, dễ kiếm. Giống phải có khả năng sử dụng các nguồn nguyên liệu rẻ tiền như các phụ phẩm, các nguyên liệu thô... Lên men Acetone – Butanol (AB) bằng vi khuẩn Clostridium acetobutyricum C.acetobutylicum sẽ phân giải glucose theo con đường EMP. Acetate được tạo thành từ acetyl – coA có thể được chuyển thành acetone, butanol và ethanol. Nhưng butyrate được tạo thành từ butyryl – coA chỉ được dùng để sản xuất butanol, do không có con đường nào sinh ra acetyl – coA từ butyryl – coA. Cốt lõi của quá trình lên men AB là chuỗi phản ứng tạo ra butyryl – coA từ acetyl – coA. Vi khuẩn C.acetobutylicum khi lên men glucose đầu tiên sẽ làm sinh ra acetate, butyrate. Nhưng sau đó, cùng với việc acid hóa môi trường sẽ bắt đầu xảy ra việc tổng hợp một số enzyme, trong đó cả enzyme acetoacetatdecarboxilase. Dưới tác dụng của enzyme này, acetone và butanol sẽ được tích lũy lại trong môi trường. Vì vậy, giai đoạn đầu của quá trình (tích tụ acid) người ta gọi là lên men acid, giai đoạn sau là lên men rượu. Quá trình lên men acetone-butanol có thể chia làm hai thời kỳ: Ở thời kỳ đầu, trong môi trường lên men tích tụ acid (nên có tên gọi là lên men acid), song thời kỳ thứ hai thì trong môi trường tích tụ butanol, ethanol và acetone (nên có tên gọi là lên men rượu). Trong thời kỳ thứ hai này, xảy ra sự chuyển hoá một cách nhanh chóng các acid thành những hợp chất trung tính tương ứng: acid butyric bị khử thành batanol, acid acetic chuyển hoá thành acetone nên độ acid chuẩn ở trong môi trường lên men bị giảm nhanh: giảm đi gần một nửa so với giá trị cực đại ở cuối thời kì đầu. Tiếp đó, độ acid chuẩn sẽ tăng lên một ít, vận tốc tạo dung môi dần dần chậm lại, đến cuối thời kì lên men thì ngừng hoàn toàn. Quá trình lên men này còn kèm theo sự thoát khí CO2 và H2, những khí này sẽ vào thiết bị gom khí rồi thải ra không khí. pH của quá trình khoảng 4.5-5.5. Nước: Nước ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất lên men cùng chất lượng sản phẩm thu được và thường cần một lượng rất lớn trong quá trình lên men. Yêu cầu về nước dùng để pha chế môi trường dinh dưỡng: Nước dùng trong quá trình lên men phải là nước sạch và mềm. Các chỉ số quan trọng của nước là: độ cứng, độ oxy hóa và vi sinh vật. Độ cứng thể hiện ở ion Ca2+ và Mg2+ trong nước. Các muối bicarbonate của 2 ion này tạo nên độ cứng tạm thời cho nước, khi đun sôi chúng tạo thành dạng carbonate và lắng cặn dưới đáy. Còn các muối của các ion này như: Cl-, SO42-, NO3- thì tạo nên độ cứng vĩnh cửu cho nước và không thể mất đi trong quá trình gia nhiệt cho nước. Độ cứng của nước tính bằng mg đương lượng cho một lít nước. 1 mg đương lượng = 20.04 mg Ca2+ hoặc 12.16 mg Mg2+/l Độ oxy hóa thể hiện bằng số mg O2/l. Chỉ số vi sinh vật cho biết mức độ nhiễm bẩn của nước, được thể hiện bằng tổng số vi sinh vật có trong một lít nước mà tiêu biểu là vi khuẩn E.coli. Nước dùng trong lên men phải đạt tiêu chuẩn làm nước uống và không có mùi vị, không màu, trong suốt và đặc biệt là không có sắt và mùi amoniac, không có các kim loại nặng. Nước phải đạt chỉ tiêu sau đây mới được dùng trong quá trình lên men: Độ cứng chung (mg – đương lượng) ≤ 7 Hàm lượng muối carbonate ≤ 50 mg/l Hàm lượng muối Mg ≤ 100 mg/l Hàm lượng muối clorua: 75 – 150 mg/l Hàm lượng muối CaSO4: 130 – 200 mg/l Hàm lượng Fe2+ ≤ 0.3 mg/l Khí NH3 : không có Các muối có gốc NO3-, NO2-: không có Vi sinh vật ≤ 100 tế bào/1 cm3 Nước không đạt yêu cầu, trước khi đưa vào lên men cần phải lọc qua cát sỏi, phun mù để khử sắt và làm mềm nước bằng cách hấp phụ qua nhựa trao đổi ion. Các chất dinh dưỡng cần bổ sung: Cần bổ sung nguồn Nitơ : nguồn Nitơ ở đây có thể sử dụng hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ. Ta có thể sử dụng peptone, dịch chiết nấm men, các loại muối ammonia như amoni sulfate, amoni clorua, amoni nitrate, amoni acetate, amoni hydroxyde. Theo một số tài liệu cần bổ sung nguồn Phospho là superphosphate với hàm lượng 1%, nhưng đa số tài liệu lại không bổ sung nguồn Phospho. Cần bổ sung thêm nguồn Canxi để làm chất ổn định trong quá trình lên men. Do trong quá trình lên men, pH giảm đến một giới hạn nào đó sẽ ức chế sự sinh trưởng của vi sinh vật, làm cho quá trình lên men ngừng lại, nên ta bổ sung nguồn Canxi để giữ pH của môi trường ổn định trong suốt quá trình lên men. Nguồn Canxi sử dụng ở đây là CaCO3. QUY TRÌNH SẢN XUẤT Sơ đồ khối: Trong báo cáo này, chỉ trình bày quy trình sản xuất từ rỉ đường theo phương pháp lên men gián đoạn.(đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp) Lên men Chưng cất CO2 + H2 Butanol Acetone Ethanol Bã Clostridium acetobutyricum Nhân giống (NH4)2SO4, CaCO3 Bổ sung chất dinh dưỡng Rỉ đường Pha loãng Tiệt trùng Làm nguội Cấy giống Giải thích quy trình: Pha loãng: Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men Nồng độ cơ chất cao sẽ ức chế tế bào vi khuẩn. Do độc tính tự nhiên của butanol ức chế sự tạo thành dung môi ngay cả khi ở nồng độ rất thấp (khoảng 1 – 1.5% v/v), nên nồng độ cơ chất trong thùng lên men cũng giới hạn < 80 g/l. Đồng thời, nếu nồng độ cơ chất cao sẽ dư thừa làm cho quá trình lên men không đạt hiệu quả kinh tế và tăng yêu cầu phải xử lý nước thải. Do đó, rỉ đường trước khi được sử dụng làm cơ chất cho quá trình lên men cần được pha loãng bằng nước mềm. Các biến đổi: Vật lý: giảm nồng độ cơ chất, tăng thể tích dung dịch Hóa lý: độ nhớt giảm. Thiết bị: sử dụng thùng có cánh khuấy Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: Nước và rỉ đường được cho vào thùng sử dụng cánh khuấy. Nồng độ pha loãng thường là 5.0 – 7.5% w/v, có thể sử dụng 6% w/v (tương ứng với 60 g/l). Bổ sung chất dinh dưỡng: Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men Trước đây, nguyên liệu chính để sản xuất butanol và acetone bằng phương pháp lên men là tinh bột (được lấy từ các nguồn nguyên liệu giàu tinh bột). Yêu cầu chung đối với nguyên liệu là có glucid, Nitơ và Phospho. Do đó, các hạt ngũ cốc là nguồn nguyên liệu hoàn hảo có chứa các thành phần cần thiết cho sự lên men. Rỉ đường như đã nói ở trên cũng như các dịch thủy phân gỗ, rơm, bẹ ngô... là nguồn nguyên liệu không đầy đủ. Mật rỉ cung cấp toàn bộ nguồn Carbohydrate cho quá trình lên men, ngoài ra mật rỉ cũng cung cấp nguồn Nitơ, Phospho và chất ổn định, nhưng chỉ ở dạng vết. Vì vậy, muốn cho quá trình lên men xảy ra tốt, vi khuẩn có thể phát triển, ta bắt buộc phải bổ sung chất dinh dưỡng. Biến đổi: Hoá học: thay đổi thành phần hoá học các chất Phương pháp thực hiện: Bổ sung nguồn Nitơ: Nguồn Nitơ dễ hấp thụ nhất đối với vi sinh vật là NH3 và NH4+. Nguồn thức ăn Nitơ là rất phong phú, có thể từ pepton, dịch thuỷ phân, muối amon của acid hữu cơ, nhưng nếu sử dụng nguồn này thì giá thành rất đắt, chỉ dùng trong phòng thí nghiệm. urease Vì thế, nguồn Nitơ ở đây là các muối ammoni vô cơ như ammoni sulfate, ammoni nitrate, ammoni clorua, ammoni hydroxyde, ammoni acetate, urê. Urê là nguồn thức ăn trung tính về mặt sinh lý. Khi bị phân giải bởi enzym urease, urê sẽ được phân giải thành NH3 và CO2 . Phần NH3 được vi sinh vật sử dụng mà không làm chua môi trường như các loại muối amon khác NH2 –CO – NH2 + H2O 2 NH3 + CO2 Ngoài ra, cũng có thể sử dụng bột đậu hay khô lạc để làm nguồn bổ sung Nitơ. Các hợp chất Nitơ được dùng để cung cấp dinh dưỡng và chỉnh pH Bổ sung nguồn Canxi: Canxi đóng vai trò là chất đệm trong quá trình lên men. Nguồn Canxi thường sử dụng là CaCO3. Thông số công nghệ: Nguồn Nitơ sử dụng là nguồn Nitơ vô cơ từ muối (NH4)2SO4Cứ 100g/l dịch rỉ đường, ta bổ sung 2g/l (NH4)2SO4 là nồng độ tối ưu cho hiệu suất lên men cao. Thông thường ta sử dụng dung dịch ammoni sulphate 25%. Ngoài ra cứ 100g/l dịch rỉ đường, ta bổ sung 1 – 1.8 mg/l CaCO3 Thiết bị: Sử dụng thùng có cánh khuấy nhằm mục đích đảo trộn để được hỗn hợp đồng nhất. Tốc độ cánh khuấy là 150 – 200 rpm (vòng/phút). Rỉ đường sau khi pha loãng, được bổ sung các thành phần khác và khuấy trộn để tạo hỗn hợp đồng nhất. Tiệt trùng Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men Rỉ đường nhận được từ sản xuất luôn chứa một lượng vi sinh vật cao. Trong đó nguy hiểm nhất là vi khuẩn lactic, acetic và các nhóm mang bào tử. Mức độ nhiễm khuẩn được xác định bằng sự tăng độ chua, khi đó rỉ đường “tự lên men”. Mức tăng độ chua ( khi tự lên men sau 24h) trong phạm vi 0,2 – 0,50 được xem là bình thường. Thực tế trong 1g rỉ đường chứa tới 105 vi sinh vật không nha bào (bào tử) và 15000 vi sinh vật có khả năng tạo bào tử. Ở rỉ đường bị nhiễm nặng, con số vi sinh vật có thể đạt tới 5x104 và 50x104. Tuy nhiên đối với rỉ đường có nồng độ trên 70% hầu hết vi sinh vật trong rỉ đường đều chịu nằm yên nhưng khi pha loãng chúng sẽ bắt đầu hoạt động và làm giảm hàm lượng đường dẫn đến tăng tổn thất. Trong quá trình sản xuất cần có biện pháp xử lý phù hợp nhằm diệt bớt và hạn chế hoạt động của các loại tạp khuẩn này. Mục đích của quá trình tiệt trùng là để tiêu diệt các vi sinh vật trong cơ chất, chuẩn bị cho quá trình lên men. Các biến đổi: Sinh học: toàn bộ vi sinh vật bị tiêu diệt Hóa sinh: enzyme bị vô hoạt bất thuận nghịch Vật lý: nhiệt độ tăng Hóa lý: nước bốc hơi, đông tụ những hợp chất keo, độ nhớt giảm. Hóa học: mất đi một số cấu tử mẫn cảm với nhiệt do nhiệt độ cao, có thể xảy ra phản ứng Maillard. Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: Rỉ đường sau khi được trộn với chất dinh dưỡng được đem đi tiệt trùng. Nhiệt độ 115 – 1280C, thời gian 4 phút. Thiết bị: Sử dùng thiết bị tiệt trùng dạng bản mỏng. Hỗn hợp được bơm vào thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng cùng với dòng nóng. (theo như trên hình thiết bị, 2 dòng đi vào với 2 mũi tên khác nhau). Nhiệt độ hỗn hợp tăng nhanh. Hình 3: thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng Làm nguội: Mục đích: chuẩn bị cho quá trình cấy giống để tiến hành lên men Các biến đổi: Vật lý: nhiệt độ giảm Hóa lý: độ nhớt tăng Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: Dung dịch sau khi được tiệt trùng bản mỏng được làm nguội đến 340C Thiết bị: Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng. Dung dịch được dẫn vào thiết bị bản mỏng vô trùng và trao đổi nhiệt với dòng lạnh. (tương tự như trên nhưng thay dòng nóng bằng dòng lạnh) Nhân giống và cấy giống: Mục đích: chuẩn bị cho quá trình lên men Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: Cấy giống vi sinh vật từ ống giống thuần khiết vào môi trường dinh dưỡng vô trùng và nuôi trong điều kiện phòng thí nghiệm. sau đó tiến hành cấy giống từ lưọng môi trường ít sang lượng môi trường nhiều dần nhằm tăng số lượng giống thu được. Canh trường C.acetobutylicum thường được giữ dưới dạng bào tử trong đất hoặc cát vô khuẩn. Canh trường được chuẩn bị cho quá trình lên men bằng cách hoạt hóa nhiệt bào tử ở 65-100oC từ 1 – 3 phút, sau đó cấy vào thùng lên men với nồng độ từ 2 – 4% thể tích môi trường dinh dưỡng Hỗn hợp sau khi làm nguội được chuyển vào thùng lên men đã được tiệt trùng bằng hơi nước và cho thêm Ca(OH)2 để điều chỉnh pH = 6.0 – 6.3. Thùng lên men được đổ đầy 90-95% sức chứa. Sục khí CO2 vô trùng vào bình nhằm trộn lẫn các thành phần và làm giảm thế oxy hóa khử, tạo điều kiện kỵ khí nghiêm ngặt. Phải tiến hành trong điều kiện vô trùng để tránh sự nhiễm vi sinh vật khác vào bình lên men. Thiết bị: sử dụng thùng có cánh khuấy đã tiệt trùng bằng hơi nước Lên men: Mục đích: khai thác Mục đích của quá trình lên men là để chuyển rỉ đường thành sản phẩm mong muốn là acetone và butanol. Thông qua sự trao đổi chất của vi khuẩn C.acetobutylicum mà trong môi trường tích tụ các sản phẩm lỏng như acetone, butanol, ethanol và các sản phẩm khí CO2 và H2. Ngoài các sản phẩm chính còn có acid butyric, acid lactic, acid formic, acetylmethylcarbinol và hexanol... Các biến đổi: Hóa học và hóa sinh: xảy ra các phản ứng theo chu trình EMP làm thay đổi thành phần hóa học, tạo khí, tạo những hợp chất mới, pH thay đổi, đường giảm. C6H12O6 à 2 C3H6O3 CH3COCH(OH)2 à CH3CHO + HCOOH Hydrat metylglioxal aldehyde acetic acid formic Phản ứng tách Hydro: HCOOH à CO2 + 2H CH3CHO + H2O à CH3CH(OH)2 à CH3COOH + 2H Acid acetic Phản ứng ngưng tụ: CH3CHO + CH3CHO à CH3CHOHCH2CHO ↔ CH3CH=CHCH(OH)2 à CH3CH2CH2COOH Aldehyde crotonic acid butyric CH3COOH + CH3COOH à CH3C(OH)2CH2COOH ↔ H2O + CH3COCH2COOH à CH3COCH3 acetone Phản ứng hydro hoá: 2H à H2 CH3CHO + 2H à CH3CH2OH CH3CH2CH2COOH + 4H à CH3CH2CH2CH2OH + H2O butanol CH3COCH3 + 2H à CH3CHOHCH3 Các acid acetic và acid butyric chỉ là những sản phẩm trung gian của sự lên men: acid butyric bị khử thành butanol, acid acetic bị chuyển hoá thành acetone. Trong quá trình lên men, acid butyric bị mất đi nhanh hơn acid acetic, do đó lượng butanol tạo thành lớn hơn lượng acetone. Hiệu suất của các sản phẩm trung tính sẽ thu được cao khi tỉ lệ giữa glucid và protein là 5:1 đến 10:1. Tỉ lệ glucid: protein tốt nhất là 5.5:1. Thấp hơn tỉ số đó sẽ thuận lợi cho việc tạo acetone; cao hơn tỉ số đó ethanol tạo ra sẽ lớn còn acetone sẽ ít. Thường hiệu suất acetone cao đi kèm với độ acid chuẩn được lớn. Các nhân tố xúc tiến hình thành acetone một cách mạnh mẽ sẽ dẫn đến giảm hiệu suất của ethanol. Như vậy, sự tạo ra acetone- butanol được quyết định bởi sự phân ly của acid, tỉ lệ glucid và protein trong dịch lên men. Sinh học: vi sinh vật phát triển Vật lý: nhiệt độ tăng Hóa lý: CO2 hòa tan vào dung dịch làm đông tụ những hợp chất keo. Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: Quá trình lên men diễn ra trong điều kiện hoàn toàn kỵ khí và vô trùng. Điều chỉnh áp suất trong bình lên men là 35 kPa. Sự duy trì áp suất này làm giảm khả năng bị nhiễm trong quá trình lên men. Quá trình lên men thực hiện ở 31 – 32oC, pH đầu = 6.0 – 6.3 trong vòng từ 30 – 50h, với hiệu suất 31 – 32% (so với đường lên men). Thông thường, quá trình lên men được tiến hành trong 30h. Theo thực nghiệm, quá trình lên men tạo ra dung môi nhiều nhất diễn ra trong khoảng từ 1-2h. Giai đoạn lên men đầu được đặc trưng bằng sự giảm pH và tăng lượng acid. Giai đoạn này kéo dài 18h với nồng độ đường giảm liên tục. Sau 18h, pH đạt đến điểm cực tiểu và tăng trở lại cùng với sự giảm nồng độ acid, do sự tạo thành dung môi. H2 và CO2 sinh ra trong quá trình lên men xấp xỉ nhau về thể tích. Trong giai đoạn cuối, dung môi không được tạo ra và pH cuối cùng đạt 5.8. Khí ngừng sinh ra sau 29 – 33h lên men, đây là dấu hiệu quá trình lên men kết thúc. Từ giờ lên men thứ sáu, cần lấy mẫu để kiểm tra dưới kính vi về số tế bào vi sinh vật, số tế bào tạp nhiễm và đo tốc độ tạo khí. Nồng độ dung môi thu được có thể đạt 18 – 22g/l, gồm có 13.7 g/l butanol, 5.4 g/l acetone, 1.5g/l ethanol, 0.2 g/l acid butyric, 0.3g/l acid acetic, tỉ lệ sản phẩm butanol : acetone : các sản phẩm khác là 6 : 3 : 1, trong đó tính theo tỷ lệ phần trăm (v/v) là butanol 59 – 67 %, acetone 30 – 38 % và ethanol chiếm khoảng 3 %. Theo thực nghiệm, một thùng lên men chứa dung tích dịch lên men là 90000l thì lượng giống cấy vào khoảng 3500 l, chứa khoảng 5850 kg đường, mất mát 53 – 59 % khối lượng đường do sinh ra CO2 (2900 kg) và H2 (117 kg), 32 % khối lượng đường chuyển thành dung môi (butanol 1053 kg, acetone 526 kg, ethanol 175 kg), 6 % chuyển thành sinh khối, 3 % chuyển thành acid và một số hoạt động trao đổi chất khác. Thiết bị: Sử dụng thùng có cánh khuấy. Trên nắp bình có đường ống để cấp lượng giống cấy, có cửa kính để quan sát. Thiết bị có gắn với đường ống sục khí. Thân thiết bị có gắn bộ phận dò nhiệt độ, pH nối với máy tính. Hình 4: thùng lên men có sử dụng cánh khuấy, bộ phận dò nhiệt độ Chưng cất Mục đích: khai thác Quá trình chưng cất nhằm thu nhận từng sản phẩm riêng biệt. Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng ( Δ to sôi ) bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ. Bảng 7: nhiệt độ sôi của một số chất trong quá trình chưng cất Acetone Ethanol Isopropanol Butanol Nhiệt độ sôi (oC) 56.53 78.3 82.4 117.73 Trong quá trình chưng cất, các cấu tử được đun đến nhiệt độ sôi, chúng bay hơi sau đó lại được ngưng tụ từ đó ta nhận được chất lỏng. Ở các nhiệt độ sôi khác nhau ta tách được các cấu tử riêng biệt. Các biến đổi: Hóa lý: thay đổi pha. Vật lý: nhiệt độ tăng, thay đổi tỉ trọng, khối lượng, thể tích. Phương pháp thực hiện và thông số công nghệ: Khi kết thúc quá trình lên men, hỗn hợp được bơm vào tháp chưng cất để chưng cất liên tục. Hỗn hợp được bơm với tốc độ không đổi vào tháp chưng cất. Hơi bay lên từ thiết bị chứa xấp xỉ 70% khối lượng nước và 30% ABE (Acetone – Butanol – Ethanol), sau đó hỗn hợp này được tách ra bởi một dãy ba cột chưng cất gắn liền với nồi ngưng tụ và thiết bị lắng (decanter). 99.5% khối lượng acetone thu được ở đỉnh của cột chưng cất đầu tiên. Cột này vận hành ở 0.7 atm do đó dòng hơi áp suất thấp có thể được thu hồi và sử dụng lại trong những nồi đun (tinh chế). Sản phẩm đáy từ cột acetone được nhập liệu vào cột chưng cất kế tiếp đang vận hành ở 0.3 atm, 95% hỗn hợp ethanol và isopropanol được tách ra. Hỗn hợp ở đáy tháp lại tiếp tục qua cột chưng cất thứ 3 để thu được butanol. Ta thu được 3 dòng sản phẩm: butanol, acetone và hỗn hợp chứa ethanol và isopropanol chứa trong 3 thùng riêng biệt. Sau đó, tinh chế từng sản phẩm bằng tháp chưng cất cùng với nồi ngưng tụ để thu được butanol và acetone có độ tinh sạch cao. Phần dung dịch còn lại gồm acid acetic, acid butyric, tế bào vi khuẩn, protein, chất khô không lên men trong rỉ đường, được làm bay hơi đến 50% khối lượng chất khô bằng thiết bị bốc hơi nhiều bậc, sau đó được sấy đến 85% khối lượng chất khô bằng một thiết bị sấy thùng quay. Lượng bã này còn chứa riboflavin, các loại vitamin B và các yếu tố sinh trưởng nên dùng làm thức ăn gia súc. Thiết bị: Thiết bị chưng cất thường ở dạng những cột hình trụ đứng, được gọi là những tháp chưng cất với đường kính từ 65cm - 6m, chiều cao từ 6m - 60m hoặc hơn. Thiết bị sử dụng là tháp mâm gồm nhiều mâm, trên đó có các lỗ. Hình 5 : Cấu tạo của một thiết bị chưng cất Thu hồi khí CO2 CO2 sinh ra với số lượng lớn được thu hồi thành sản phẩm. Khí sinh ra trong suốt quá trình lên men được chuyển qua tháp rửa, để tách vi lượng dung môi. CO2 sau đó được thu hồi bằng phương pháp hấp thụ và giải hấp bằng K2CO3. Thông thường người ta kết hợp CO2 sinh ra trong quá trình lên men acetone – butanol và quá trình lên men ethanol, nén lại tinh sạch , sau đó dẫn qua than hoạt tính và silica gel, rồi hóa lỏng. Sau khi thu hồi CO2, phần khí còn lại chứa 80% H2 và 20% CO2 theo thể tích và được đưa vào không khí SẢN PHẨM: Acetone và butanol là những sản phẩm rất quý đối với ngành công nghệ hóa học. Sản phẩm thu được phải trong suốt, không màu. Acetone là dung môi quan trọng được sử dụng nhiều trong các ngành sản xuất thuốc nổ, chất dẻo, tinh luyện dầu hỏa, chiết rút dầu thực vật, xử lý phim ảnh, chế tạo chất thơm. Acetone còn được dùng nhiều trong phân tích hóa học, trong nghiên cứu khoa học. Người ta thường pha acetone với một lượng nhỏ vào nhiên liệu làm tăng hiệu quả việc sử dụng nhiên liệu, công suất và tuổi thọ của động cơ. Loại xăng pha acetone còn được gọi là “xăng của mùa đông” do nó dễ khởi động máy trong mùa đông và cũng theo tạp chí năng lượng của CHLB Đức thì khi pha acetone với tỷ lệ 0,2%, lượng xăng có thể tiết kiệm từ 15-35%; lượng xăng chưa cháy bị thải ra ngoài không khí giảm khoảng 60%. Butanol cũng là một dung môi rất phổ biến để hòa tan chất sơn, chất màu, chất béo, nhựa, sáp... Butalnol còn là nguyên liệu để tổng hợp butadien dùng trong sản xuất cao su nhân tạo. Trong thực phẩm, butanol được dùng như một tác nhân tạo hương. Butanol được sử dụng chủ yếu như là hóa chất trung gian trong việc sản xuất butyl acrylate và methacrylate, nó cũng được sử dụng trong quá trình sản xuất glycol ethers và butyl acetate như là một dung môi, đồng thời nó cũng có thể đóng vai trò là phụ gia làm dẻo, sử dụng trong dược phẩm. Butanol có hiệu suất năng lượng cao gần bằng hiệu suất năng lượng của xăng trong khi hiệu suất năng lượng của Ethanol chỉ bằng 70% hiệu suất năng lượng của xăng. Butanol sinh học không hấp thu nước như Ethanol, do vậy thay vì phải vận chuyển riêng rẽ và phải có thiết bị hoà trộn với xăng như Ethanol, thì Butanol sinh học có thể được cấp ngay tại thiết bị tinh chế xăng, vận chuyển trong cùng một hệ thống đường ống và cấp cho các nơi tiêu thụ. - Chì tiêu của butanol:Số EINECS( Europaean Inventory of Existing Chemical Subtance) 200- 751- 6 Chất lỏng không màu, có mùi đặc trưng. Lượng nước tối đa là 0.2% khối lượng. Độ tinh sạch đạt nhỏ nhất là 99.4%, pH= 6.5-7 - Chỉ tiêu của acetone: Số EINECS 200- 662- 2 Chỉ tiêu cảm quan: Sạch, không màu, không có cặn, chất lỏng dễ bay hơi. Mùi thơm nhẹ, giống mùi bạc hà. Chỉ tiêu hóa lý: Hòa tan vô hạn với nước.Nước tối đa là 0.5% về khối lượng. Khối lượng riêng: 0.79 g/cm3 ở 200 C IV.THÀNH TỰU CÔNG NGHỆ Sử dụng nguồn nguyên liệu thay thế: Dịch whey được sử dụng thay thế cho rỉ đường Sữa sau khi kết tủa lactose và tách casein, ta thu được dịch whey có hàm lượng đường thấp (4 – 5% lactose). Tỉ lệ lactose trong dịch whey thay đổi tùy theo quá trình. Lactose là cơ chất thích hợp trong quá trình lên men butanol bởi lên men butanol giới hạn hàm lượng cơ chất chỉ tới 60g/L nhằm tránh tạo độc tố. Để lên men chất khác (ethanol hay 2,3-butandiol) thì cần phải có thêm carbohydrate. Một số loại dịch whey khác nhau cũng được dùng để sản xuất butanol bằng cách sử dụng C.acetobutylicum. Cả 2 loại C.acetobutylicum P262 và C.beijerinckii BA101 đều được sử dụng trong sản xuất butanol từ dịch whey. Loại cơ chất này là nguồn giàu chất khoáng và do đó việc bổ sung thêm khoáng chất để lên men là không cần thiết. Tỷ lệ butanol: acetone là 12:1 – 20:1, khác biệt khá lớn khi sử dụng cơ chất là glucose. Tảo sinh khối: Tảo sinh khối biển là cơ chất lên men có tiềm năng lớn. Nghiên cứu về loài tảo vi sinh ưa mặn Dunaliella. Sử dụng vi khuẩn C.Pasteurianum lên men. Hỗn hợp dung môi thu được giàu butanol và 1,3-propanediol Cơ chất có nguồn gốc từ lignocellulose: Lignocellulose là nguồn cơ chất có tiềm năng nhất trong lên men, cung cấp hemicellulose, cellulose. C.acetobutyricum có thể sử dụng các đường phổ biến có trong gỗ, thủy phân hemicellulose và cellulose. Trong điều kiện tối ưu, dung môi thu được là 8 – 17 g/l. Thành phần chính của hemicellulose là D – xylose. Sử dụng vi khuẩn C.acetobutyricum có thể chuyển 28% xylose thành sản phẩm. Các nguồn lãng phí trong nông nghiệp được sử dụng thay thế cho mật rỉ Ngũ cốc hay ngũ cốc bị nhiễm bẩn, trái cây hư dập, nhão là các ví dụ về các nguồn này. Hỗn hợp gồm ngũ cốc tán nhỏ, táo rụng và đậu phộng có thể được lên men hoàn toàn mà không cần điều chỉnh lượng pH hay bổ sung thêm các chất dinh dưỡng. Bột táo nhão chứa khoảng 10% đường có thể lên men thành butanol. Phần thu được sau khi lên men đường cũng vậy, có thể được thuỷ phân và lên men phần lớn thành butanol.. Các nguồn khác như vỏ ngũ cốc, chấu, các loại cỏ cũng có thể được dùng như một nguồn sản xuất butanol. Tận dụng cellulose trực tiếp cũng là một cách kinh tế khác để tạo ra butanol. Khoai tây Lãng phí từ khoai tây có thể được tận dụng kinh tế nhằm lên men tạo butanol. Mặc dù có vài ý kiến về vấn đề đặc quánh của nó, khoai tây được thủy phân lẫn chưa thủy phân đều được lên men thành công tạo butanol qua việc sử dụng C.acetobutylicum hoặc C.beijerinckii. Mật độ tinh bột khoai tây ban đầu khoảng 45-48 g/ L có thể sản xuất tới 12g /L ABE trong quá trình lên men. Kết quả này thu được với khoai tây chưa thủy phân. Thủy phân tinh bột khoai tây với α–amlase và amyloglucosidase trước trong khi lên men cho ra 11,4 g /L sản phẩm và 10,4 g /L ABE tổng cộng. Do đó thủy phân trước không có lợi cho quá trình lên men. Các nguồn cơ chất khác cũng có thể dùng như các phụ phẩm lỏng sunfit (trong công nghiệp giấy), mật củ cải đường, lúc mì, lúa mạch đen, yến mạch. Chất lỏng chứa sunfít có glucose, xylose và arabinose có khả năng lên men bằng Clostridia. Kỹ thuật mới nhằm tăng hiệu suất quá trình lên men Butanol là một nhiên liệu và hóa chất công nghiệp quan trọng được tạo ra từ ngũ cốc nông nghiệp thông qua quá trình lên men. Nhưng việc thu hồi butanol bằng chưng cất rất phức tạp do có nhiệt độ sôi cao hơn nước (118oC). Do đó để tăng hiệu suất thu hồi butanol đồng thời mang lại lợi nhuận thương mại, những kỹ thuật mới ra đời giúp cho quá trình lên men đạt hiệu quả hơn. Hiện nay, thông dụng là phương pháp tháo khí (gas stripping), trích ly lỏng-lỏng, trích ly dùng màng membrane (perstraction: membrane liquid extraction), sự bốc hơi thẩm thấu (pervaporation), và thẩm thấu ngược (reverse osmosis). Phương pháp tháo khí (gas stripping): Đây là kỹ thuật đơn giản để thu hồi butanol (cả acetone và ethanol) một cách có hiệu quả và ít tốn kém năng lượng. Nitơ tinh khiết không có lẫn Oxy, hoặc sử dụng ngay khí sinh ra trong quá trình lên men là CO2, H2. Khí này được sục vào dịch lên men. Khí này có khả năng bắt giữ (capture) những cấu tử dung môi tạo thành trong dịch lên men. Thu hồi các khí này bằng hệ thống bơm nhu động 2 đầu. Khí này thoát ra được dẫn vào thiết bị ngưng tụ. Sau đó ta tiến hành thu hồi từng cấu tử riêng biệt. Khi ngưng tụ dung môi, lượng khí thoát ra được hồi lưu lại thùng lên men để tiến hành lại chu trình trên. Quá trình này diễn ra liên tục cho đến khi đường trong thùng lên men được sử dụng hết. Nồng độ ABE thu được là 69.1 g/l, hiệu suất là 38%. Không thể sử dụng nồng độ đường >160-170 g/l do sự kìm hãm của đường. Thường ta sẽ sử dụng nồng độ đường ban đầu là 100 g/l và tiến hành lên men gián đoạn. Sau khoảng 40 h lên men, ta sẽ tháo sản phẩm. Sử dụng phương pháp này, nồng độ butanol trong dịch lên men có thể không độc hại đối với những phản ứng sinh học diễn ra trong thiết bị phản ứng nên vi khuẩn sử dụng được nhiều đường hơn, lượng đường sử dụng có thể lên đến 160 g/l, tăng 356% so với lên men truyền thống, cải thiện hiệu suất lên men AB( tăng lên 17.5%). Canh trường tạo ra 233 g acetone, butanol so với 17.6 g (trên mỗi lít canh trường). Kiểm tra kết quả cho thấy sự lên men có thể dừng sau 201 giờ do sự tích lũy những hợp chất không bay hơi và/hay làm giảm hoạt tính nước. Trong phần cuối của lên men, người ta thấy rằng phần nước trở nên nhớt và canh trường bắt đầu tạo ra acid. Phương pháp này ứng dụng thành công đối với lên men gián đoạn, lên men có bổ sung cơ chất và lên men liên tục. Phương pháp đơn giản, tốn ít chi phí, không đóng cáu vào thành thiết bị, tiết kiệm năng lượng. Thùng lên men Ngưng tụ ABE Thiết bị ngưng tụ Thùng lên men Hình 6 : Sơ đồ sản xuất ABE theo phương pháp tháo khí (a) phương pháp không sử dụng cột tháo khí riêng biệt (b) phương pháp có sử dụng cột tháo khí riêng biệt Sự bốc hơi thẩm thấu (pervaporation) Đây là phương pháp sử dụng màng membrane để tách dung môi một cách chọn lọc. Những cấu tử dễ bay hơi/hữu cơ khuếch tán qua màng, còn chất rắn hòa tan và tế bào vi sinh vật được giữ lại bên kia màng. Sau đó, ta thu hồi dung môi trong thiết bị ngưng tụ. Nồng độ dung môi qua màng phụ thuộc vào tính chọn lọc của màng (nồng độ dung môi cung cấp và cấu tạo màng). Nồng độ ABE thu được là 42 g/l, hiệu suất là 34% Phương pháp này có sự thay đổi pha từ lỏng sang hơi. Do đó, nhiệt độ đầu vào màng cao. Cơ chế tách các cấu tử dung môi dễ bay hơi/hợp chất hữu cơ này là cơ chế khuếch tán. Hiệu quả của phương pháp này dựa trên 2 thống số là độ chọn lọc và tốc độ pha loãng (tốc độ chất hữu cơ/bay hơi qua màng menbrane tính 1 đơn vị diện tích màng). Phương pháp này sử dụng cho lên men gián đoạn, cũng có thể sử dụng đối với lên men có bổ sung cơ chất. Lưu ý rằng, acid không khuếch tán qua màng. Qureshi khi sử dụng màng polypropylene thấy có sự khuếch tán acid qua màng, tuy nhiên, sự khuếch tán này chỉ xảy ra khi nồng độ acid tương đối cao. Màng bốc hơi thẩm thấu Thùng lên men Hồi lưu dịch ABE (hơi) Hình 7: hệ thống sử dụng phương pháp bốc hơi thẩm thấu Trích ly lỏng – lỏng kết hợp với bốc hơi thẩm thấu (perstraction) Đây là kỹ thuật thu hồi butanol tương tự như phương pháp trích ly lỏng – lỏng và khắc phục những nhược điểm của trích ly. Phương pháp này sử dụng màng trao đổi để tách butanol. Chỉ có butanol, ethanol, acetone, isopropanol khuếch tán qua màng, còn những thành phần khác như acid thì không qua được. Vật liệu gồm có màng rắn và lớp màng lỏng hấp thụ lên màng rắn. Màng rắn là một tấm phẳng làm bằng vật liệu polypropylene. Lớp màng này kỵ nước, dày 25 µm, có độ rỗng 45%, có những lỗ nhỏ li ti, kích thước lớn nhất của lỗ xốp là 0.04 x 0.4 µm, sứa căng bề mặt lớn nhất (tức là sức căng bề mặt lớn nhất mà chất lỏng có thể qua được lỗ màng) là 35 mN/m. Tấm phẳng này được nhúng ngập vào petri có chứa chất tạo màng lỏng. Sau 24h, màng hấp thụ chất này vào những lỗ xốp nhờ lực mao dẫn, sau đó lấy ra khỏi petri và đem ép bằng tấm giấy lụa để tách bỏ lượng chất lỏng dư thừa trên bề mặt. Chất lỏng được lựa chọn để tạo lớp màng lỏng hấp thụ trên màng rắn dựa trên những đặc tính vật lý như điểm sôi, khối lượng riêng, độ nhớt, sức căng bề mặt của chất lỏng, sức căng giữa bề mặt nước và chất lỏng này, hệ số phân bố của butanol, độ tan của nước trong chất lỏng, và độ tan của chất lỏng này trong nước. Ở đây lựa chọn chất lỏng để trích ly là oleyl alcohol. Oleyl alcohol lấp đầy những lỗ nhỏ trên màng. Oleyl alcohol với đặc tính là hòa tan butanol tương đối nhanh chóng, sau đó butanol sẽ khuếch tán qua màng polypropylene. Áp lực được duy trì là hằng số 0.133 kPa nhờ sử dụng val điện từ. Dòng ra bên dưới kết nối với bể lắng có chứa methanol được làm lạnh ở -20oC bằng dòng điện. có thể thay thế bằng Nitơ lỏng nếu nhiệt độ yêu cầu dưới -100oC. Phương pháp này là sự kết hợp giữa màng lỏng và rắn với độ chọn lọc butanol cao (180) so với khi chỉ sử dụng màng rắn (độ chọn lọc là 10-15). Năng lượng cần thiết khi sử dụng phương pháp này ước tính chỉ bằng 10% so với chưng cất. Tuy nhiên, tính cố định lại không cao, do oleyl alcohol hình thành một lớp film mỏng và hòa tan thành màng polypropylene, khuếch tán ra ngoài. Do đó, để màng được cố định và có độ chọn lọc cao, người ta sử dụng kết hợp 2 kỹ thuật hấp phụ và bốc hơi thẩm thấu. Qyreshi đã tổng hợp màng silicate (là một chất hấp phụ) với màng silicone, gọi là màng silicate – silicone. Màng này có tính cố định sử dụng trong 3 năm và có độ chọn lọc cao (tăng từ 45 đối với màng silicone lên 209 đối với màng silicate – silicone). Màng này có khả năng hấp phụ butanol lên bề mặt silicate một cách nhanh và chọn lọc. 1 1 Chưng cất Thu hồi sản phẩm Perstraction Nhập liệu Trở lại thùng lên men Ngưng tụ Phần cặn Hơi nước 2 Hình 8: kết hợp giữa thiết bị chưng cất và perstraction Nồi đun (2) bộ phận trao đổi nhiệt TÀI LIỆU THAM KHẢO: Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty, Vi sinh vật học, NXB Giáo Dục, 520p Lưu Duẩn, Lê Bạch Tuyết và cộng sự, Các quá trình trong công nghệ cơ bản trong sản xuất thực phẩm, NXB Giáo Dục, 360p Lương Đức Phẩm, Nấm men công nghiệp,NXB Khoa Học và Kĩ Thuật, 331p Lê Ngọc Tú,Hoá sinh công nghiệp, NXB Khoa Học và Kĩ Thuật, 443p. 5- 6- 7- 8- 9- 10- 11- Stainislaw Bielecki, J.Tramper, Jacek Polak, Food Biotechnology, Science, 2000, 430 pages 12- Kristiansen, Joan Linden, Michael Mattey, Citric acid Biotechnology, Technology and engineering, 1998, 400 pages 13- Hubert Bahl, Peter Durre, Clostridia: Biotechnology and Medical applications, Science, 2001, 279 pages 14- Peter Durre, Handbook on Clostridia, Science, 2005, 903 pages. 15- Nigel P.Minton, David J.Clarke, Clostridia, Science, 1989, 304 pages. 16- Pak-Lam Yu, Fermentation Technologies: Industrial Applications, Technology and Engineering, 1990, 464 pages 17- Shelley D.Minteer, Alcoholic Fuels, Technology and Engineering, 2006, 273 pages. 18- Kalidas Shetty, Gopinadhan Paliyath, Anthony Pometto, Robert E Levin, Food Biotechnology, Cooking, 2005, 1982 pages